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Análisis mecanicista para evaluar el pavimento de la Trocha 12 vía de acceso al pozo Trogon, Municipio de Guamal – Meta, campaña de perforación del año 2020 2021

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(1)ANÁLISIS MECANICISTA PARA EVALUAR EL PAVIMENTO DE LA TROCHA 12 - VÍA DE ACCESO AL POZO TROGON, MUNICIPIO DE GUAMAL – META. CAROLINA IZQUIERDO VELÁSQUEZ Ingeniera Civil. UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL INGENIERÍA DE PAVIMENTOS BOGOTÁ D.C. NOVIEMBRE DE 2019 1.

(2) ANÁLISIS MECANICISTA PARA EVALUAR EL PAVIMENTO DE LA TROCHA 12 - VÍA DE ACCESO AL POZO TROGON, MUNICIPIO DE GUAMAL – META. CAROLINA IZQUIERDO VELÁSQUEZ Ingeniera Civil. Trabajo de grado para optar al título de Especialista en Ingeniería de Pavimentos. Director de Tesis Ing. Laura Espinosa MSc. EN INGENIERIA CIVIL. UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL INGENIERÍA DE PAVIMENTOS BOGOTÁ D.C. NOVIEMBRE DE 2019 2.

(3) 3.

(4) Nota de aceptación. Director de Investigación. Asesor Metodológico. Jurado. Bogotá D.C., 16 de Noviembre de 2019. 4.

(5) A Dios porque me permite vivir, amar y gozar mis momentos de felicidad y frustración; porque la vida de rectitud y honestidad la llevo en oración hacia tú honra señor. A mi Amore, gracias, porque tú confianza en mí ha permitido que no me deje derrumbar, y por el contrario obtengo la fuerza para no desfallecer y siempre salir adelante. A Juliancho, porque me animó a cerrar esta etapa tan valiosa en mi vida profesional, y porque siempre está para escucharme, y darme un consejo. Al Ing. Mauricio Moreno, por su incondicional apoyo, su liderazgo, su optimismo. Esa nobleza que lo caracteriza, me enseñan que, la humildad lo es todo. A mi madre, que siempre me ha animado a superarme, y porque es el ejemplo más dignificante de valentía, lealtad y honorabilidad. A mis hermanos, a mi suegra, y a todos mis familiares y amigos que me animaron a continuar y a seguir adelante, porque me hacen una mejor persona. A mis gaturros, que me acompañaron en estas noches de estudios y eran mi mejor pausa activa con sus felinos maullidos de amor.. 5.

(6) Agradecimientos A la planta de personal de la Universidad Católica de Colombia, que me han facilitado regresar, retomar y ser exitosa en este camino. Al Ing. Juan Carlos Ruge, Ing. Juan Gabriel Bastidas, Ing. Laura Espinosa que me han orientado en esta segunda etapa de estudios; un especial y afectuoso aprecio a la Ing. Viviana Quintero que me marcó mi siguiente paso en mis próximas metas educativas y profesionales. Al Ing. Mauricio Moreno, quién me permitió emplear la información técnica para desarrollar este estudio de manera académica.. 6.

(7) TABLA DE CONTENIDO RESUMEN ....................................................................................................................................................... 13 1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................... 14 2. GENERALIDADES DEL ESTUDIO ..................................................................................................... 15 2.1. Planteamiento del problema ....................................................................................................... 15 2.2. Antecedentes del problema en estudio........................................................................................ 15 2.3. Justificación del problema .......................................................................................................... 15 2.4. Objetivos..................................................................................................................................... 16 2.4.1 Objetivo general ..................................................................................................................... 16 2.4.2 Objetivos específicos.............................................................................................................. 16 3. MARCO TEÓRICO ................................................................................................................................ 17 2.1 Generalidades de la Rehabilitación de Pavimentos .................................................................... 17 3.2. Fallas en los pavimentos flexibles .............................................................................................. 18 3.3. Factores que afectan los pavimentos flexibles ............................................................................ 19 3.4. Evaluación del pavimento para el diseño del refuerzo ............................................................... 20 3.5. Parámetros fundamentales de un modelo estructural .................................................................. 21 3.6. Métodos Mecanicistas ................................................................................................................ 22 3.1.1. Tránsito .................................................................................................................................. 23 3.1.2. Factores climáticos ................................................................................................................. 23 3.1.3. Modelos de deterioro .............................................................................................................. 24 3.1.4. Caracterización de materiales ................................................................................................. 25 3.7. Diseño de la rehabilitación ......................................................................................................... 26 3.8. Análisis de las capas asfálticas y los refuerzos ........................................................................... 26 3.9. Alternativa de diseño CR- ME ................................................................................................... 26 3.9.1. Características del programa CR-ME ..................................................................................... 27 3.9.2. Interfaz Principal del CR-ME................................................................................................. 28 3.9.3. Datos de entrada ..................................................................................................................... 29 3.9.4. Resultados arrojados por del software: Módulos ................................................................... 40 3.10. Marco Legal o Normativo .......................................................................................................... 41 4. ESTADO DEL ARTE ............................................................................................................................. 43 5. METODOLOGÍA DEL TRABAJO ........................................................................................................ 45 5.1. Herramientas utilizadas .............................................................................................................. 45 6. PAVIMENTO VÍA DE ACCESO AL POZO TROGON – TROCHA 12 .............................................. 47 6.1. Localización general ................................................................................................................... 47 6.2. Condiciones ambientales ............................................................................................................ 47 6.3. Estudios de Geotecnia ................................................................................................................ 48 6.4. Aspectos preliminares del proyecto ............................................................................................ 48 6.5. Documentación de la Interfaz Principal del CR-ME .................................................................. 48 7. ESTIMACIÓN Y CÁLCULOS DEL TRÁNSITO PARA EL PERÍODO DE DISEÑO ........................ 50 7.1. Componentes del tránsito ........................................................................................................... 50 7.2. Procesamiento de la información ................................................................................................ 51 7.3. Tránsito y vehículos para el proyecto ......................................................................................... 51 7.4. Tránsito promedio diario (TDP) ................................................................................................. 54 7.5. Factor de equivalencia de carga por Eje (FECE) ........................................................................ 56 7.6. Factor de distribución direccional y por carril ............................................................................ 57 7.7. Cálculo de ejes equivalentes en el periodo de diseño ................................................................. 58 7.8. Aplicación del programa CR-ME para el cálculo del transito .................................................... 60 8. FACTOR CLIMA.................................................................................................................................... 61 8.1. Aplicación del programa CR-ME en función al clima del proyecto ........................................... 62 9. EVALUACIÓN GEOTÉCNICA ............................................................................................................. 63 9.1. Exploración del subsuelo ............................................................................................................ 63 10. RESULTADOS DE LOS ENSAYOS DE LABORATORIO ............................................................. 65 10.1. Ensayos realizados a la carpeta asfáltica .................................................................................... 65 10.2. Ensayos realizados a la subbase granular ................................................................................... 68 10.3. Ensayos realizados al mejoramiento con crudo de río ................................................................ 71 10.4. Ensayos realizados la subrasante ................................................................................................ 71 7.

(8) 11. SECTORIZACIÓN DE TRAMOS HOMOGÉNEOS ........................................................................ 74 11.1. Subrasante mejorada ................................................................................................................... 75 12. APLICACIÓN DE LA INTERFAZ DE MATERIALES CR-ME, CONDICIONES INICIALES DEL PAVIMENTO .................................................................................................................................................. 76 12.1. Unidad de diseño 1 del K0+000 al K0+500 ............................................................................... 76 12.2. Unidad de diseño 2 del K0+500 – K0+800 ................................................................................ 84 12.3. Unidad de diseño 3 del K0+800 – K1+500 ................................................................................ 86 12.4. Unidad de diseño 4 del K1+500 – K2+000 ................................................................................ 87 12.5. Unidad de diseño 5 del K2+000 – K2+670 ................................................................................ 89 13. ANÁLSIS Y RESULTADOS DE LAS CONDICIONES INICIALES DE LA VÍA ......................... 91 14. PROPUESTA DE REHABILITACIÓN ............................................................................................. 93 14.1. Unidad de diseño 1 K0+000 – K0+500 ...................................................................................... 93 14.2. Unidad de diseño 2 K0+500 – K0+800 ...................................................................................... 96 14.3. Unidad de diseño 3 K0+800 – K1+500 ...................................................................................... 98 14.4. Unidad de diseño 4 K1+500 – K2+000 .................................................................................... 100 14.5. Unidad de diseño 5 K2+000 – K2+670 .................................................................................... 101 15. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DE LA SOBRECARPETA DE 10CM ................................. 104 16. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS COMPARACIÓN DE CONDICIONES .............................. 106 17. CONCLUSIONES ............................................................................................................................ 109 18. RECOMENDACIONES ................................................................................................................... 113 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................................ 114. 8.

(9) ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.Figura 1 Etapas de deterioros en pavimentos flexibles ..................................................................... 18 Figura 2. Variación de la capacidad estructural de un pavimento en el tiempo. .............................................. 20 Figura 3. Componentes claves de las metodologías mecanicistas ................................................................... 22 Figura 4. Esquema de generación del agrietamiento por Fatiga. ..................................................................... 24 Figura 5. Acumulación de la deformación permanente. ................................................................................... 24 Figura 6. Interfaz Principal .............................................................................................................................. 28 Figura 7. Datos del proyecto ........................................................................................................................... 28 Figura 8. Datos del proyecto ........................................................................................................................... 29 Figura 9. Datos de entrada. .............................................................................................................................. 29 Figura 10. Interfaz principal módulo tránsito. ................................................................................................. 30 Figura 11. Menú para el Nivel 2 de la variable tránsito. ................................................................................. 30 Figura 12. Interfaz ejes equivalentes de carga. ................................................................................................ 31 Figura 13. Interfaz ejes equivalentes de carga. ................................................................................................ 32 Figura 14. Selección de la cantidad de capas. ................................................................................................. 32 Figura 15. Ingreso de las propiedades de la mezcla asfáltica en Nivel 3. ........................................................ 33 Figura 16. Nivel 3 de datos del ligante. ........................................................................................................... 33 Figura 17. Curva maestra. ............................................................................................................................... 34 Figura 18. Ventana de ingreso Nivel 3 base granular. ..................................................................................... 35 Figura 19. Datos de ingreso de subrasante Niveles 1, 2 y 3. ........................................................................... 36 Figura 20. Criterios de aceptación. .................................................................................................................. 37 Figura 21. Modelos de estimación de repeticiones permitidas por fatiga de abajo hacia arriba. ..................... 37 Figura 22. Modelos de estimación de repeticiones permitidas por fatiga de arriba hacia abajo. ..................... 38 Figura 23. Modelo de Ahuellamiento. ............................................................................................................. 38 Figura 24. Funciones de transferencia. ............................................................................................................ 39 Figura 25. Ahuellamiento en la base. .............................................................................................................. 39 Figura 26. Ahuellamiento en la subrasante. ..................................................................................................... 39 Figura 27. Módulos resilientes mensuales para las capas no ligadas y módulo dinámico mensual de la carpeta asfáltica............................................................................................................................................................. 40 Figura 28. Daño por fatiga, área agrietada y agrietamiento longitudinal. ....................................................... 41 Figura 29. Ahuellamiento en cada capa. .......................................................................................................... 41 Figura 30. Flujograma de trabajo para el presente estudio. Fuente propia. ..................................................... 46 Figura 31. Localización del tramo de vía Trocha 12 acceso al Pozo Trogon. ................................................. 47 Figura 32. Interfaz Principal del CR-ME proyecto vía Trogon ....................................................................... 49 Figura 33. Clasificación de vehículos en Colombia. ........................................................................................ 51 Figura 34. Trayectoria de crecimiento del PIB en el mediano plazo (%) (Escenario base) ............................. 55 Figura 35.Designación de tipos de vehículos en Colombia ............................................................................. 57 Figura 36. Datos de entrada y cálculo de ESAL por el CR-ME ...................................................................... 60 Figura 37. Registro de datos del caso de estudio, programa CR-ME .............................................................. 62 Figura 38. Localización de apiques y sondeos ................................................................................................ 63 Figura 39. Granulometría de la MDC-19 tramo K0+500 briqueta del año 2019 ............................................. 66 Figura 40. Granulometría subbase granular Apique 1 año 2019 – datos de la Tabla 40 ................................. 70 Figura 41. Valores de CBR de la subbase granular ......................................................................................... 70 Figura 42. Perfil estratigráfico del corredor vial.............................................................................................. 73 Figura 43. Perfil promedio vía Trogon ............................................................................................................ 74 Figura 44. Subrasante mejorada propuesta por Ivanov .................................................................................... 75 Figura 45. Inicio de la Interfaz de materiales .................................................................................................. 76 Figura 44. Registro de datos propiedades de la mezcla asfáltica, programa CR-ME ...................................... 77 Figura 47. Registro de datos propiedades del ligante asfáltico, programa CR-ME ......................................... 77 Figura 48. Generación de la Curva Maestra, programa CR-ME ..................................................................... 78 Figura 49. Datos de la capa de subbase granular, programa CR-ME .............................................................. 78 Figura 50. Datos de la subrasante mejorada, programa CR-ME ..................................................................... 79 Figura 51. Modelos de desempeño, programa CR-ME ................................................................................... 79 Figura 52. Agrietamiento de abajo hacia arriba, para Carpeta asfáltica-programa CR-ME ............................ 80 Figura 53. Agrietamiento de arriba hacia abajo, para Carpeta asfáltica-programa CR-ME ............................ 80 9.

(10) Figura 54. Ahuellamiento, para Carpeta asfáltica-programa CR-ME ............................................................. 81 Figura 55. Funciones de transferencia, para Carpeta asfáltica-programa CR-ME .......................................... 81 Figura 56. Ahuellamiento para la subbase granular-programa CR-ME .......................................................... 81 Figura 57. Ahuellamiento subrasante-programa CR-ME ................................................................................ 82 Figura 58. Interfaz principal con todos los datos introducidos - programa CR-ME ........................................ 82 Figura 59. Módulo Resiliente y Módulo Dinámico Unidad de diseño 1- programa CR-ME .......................... 83 Figura 60. Daño por Fatiga Unidad de diseño 1 - programa CR-ME .............................................................. 83 Figura 61. Ahuellamiento Unidad de diseño 1- programa CR-ME ................................................................. 84 Figura 62. Módulo de las capas granulares y Módulo dinámico de la mezcla Unidad de diseño 2 - programa CR-ME ............................................................................................................................................................. 85 Figura 63. Daño por Fatiga del pavimento existente Unidad de diseño 2 - programa CR-ME ....................... 85 Figura 64. Daño por Ahuellamiento del pavimento existente Unidad de diseño 2- programa CR-ME .......... 86 Figura 65. Módulo de las capas granulares y Módulo dinámico de la mezcla Unidad de diseño 3- programa CR-ME ............................................................................................................................................................. 86 Figura 66. Daño por Fatiga del pavimento existente Unidad de diseño3 - programa CR-ME ........................ 87 Figura 67. Daño por Ahuellamiento del pavimento existente Unidad de diseño 3- programa CR-ME .......... 87 Figura 68. Módulo de las capas granulares y Módulo dinámico de la mezcla Unidad de diseño 4- programa CR-ME ............................................................................................................................................................. 88 Figura 69. Daño por Fatiga del pavimento existente Unidad de diseño 4 - programa CR-ME ....................... 88 Figura 70. Daño por Ahuellamiento del pavimento existente Unidad de diseño 4 - programa CR-ME ......... 89 Figura 71. Módulo de las capas granulares y Módulo dinámico de la mezcla Unidad de diseño 5 - programa CR-ME ............................................................................................................................................................. 89 Figura 72. Daño por Fatiga del pavimento existente Unidad de diseño 5 - programa CR-ME ....................... 90 Figura 73. Daño por Ahuellamiento del pavimento existente Unidad de diseño 5 - programa CR-ME ......... 90 Figura 74. Capa asfáltica para instalar como sobrecarpeta - programa CR-ME .............................................. 93 Figura 75. Propiedades de la mezcla asfáltica para sobrecarpeta Unidad de diseño 1- programa CR-ME ..... 94 Figura 76. Propiedades de los materiales para sobrecarpeta Unidad de diseño 1- programa CR-ME ............. 95 Figura 77. Daño por Fatiga para sobrecarpeta Unidad de diseño 1- programa CR-ME .................................. 95 Figura 78. Daño por Ahuellamiento para sobrecarpeta Unidad de diseño 1- programa CR-ME .................... 96 Figura 79. Propiedades de la mezcla asfáltica para sobrecarpeta Unidad de diseño 2- programa CR-ME ..... 96 Figura 80. Propiedades de los materiales para sobrecarpeta Unidad de diseño 2- programa CR-ME ............. 97 Figura 81. Daño por Fatiga para sobrecarpeta Unidad de diseño 2- programa CR-ME .................................. 97 Figura 82. Daño por Ahuellamiento para sobrecarpeta Unidad de diseño 2 - programa CR-ME ................... 98 Figura 83. Propiedades de la mezcla asfáltica para sobrecarpeta Unidad de diseño 3- programa CR-ME ..... 98 Figura 84. Propiedades de los materiales para sobrecarpeta Unidad de diseño 3- programa CR-ME ............. 99 Figura 85. Daño por Fatiga para sobrecarpeta Unidad de diseño 3 - programa CR-ME ................................. 99 Figura 86. Daño por Ahuellamiento para sobrecarpeta Unidad de diseño 3 - programa CR-ME ................. 100 Figura 87. Propiedades de los materiales para sobrecarpeta Unidad de diseño 4 - programa CR-ME .......... 100 Figura 88. Daño por Fatiga para sobrecarpeta Unidad de diseño 4 - programa CR-ME ............................... 101 Figura 89. Daño por Ahuellamiento para sobrecarpeta Unidad de diseño 4 - programa CR-ME ................. 101 Figura 90. Propiedades de los materiales para sobrecarpeta Unidad de diseño 5 - programa CR-ME .......... 102 Figura 91. Daño por Fatiga para sobrecarpeta Unidad de diseño 5 - programa CR-ME ............................... 102 Figura 92. Daño por Ahuellamiento para sobrecarpeta Unidad de diseño 5 - programa CR-ME ................. 103. 10.

(11) ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Parámetros elásticos fundamentales ................................................................................................... 21 Tabla 2. Valores típicos de la relación de Poisson (µ)...................................................................................... 25 Tabla 3. Normas INVIAS aplicadas en el estudio de geotecnia y pavimentos. ................................................ 42 Tabla 4. Condiciones ambientales, Guamal-Meta ............................................................................................ 47 Tabla 5. Serie histórica y composición del tránsito promedio diario vía ACACIAS-GUAMAL..................... 50 Tabla 6. Resultados del aforo en la vía trocha 12, en una semana típica. ......................................................... 50 Tabla 7. Listado de cargas para el taladro RIG 993 de Nabors. ....................................................................... 53 Tabla 8. Vehículos de carga, ingreso y salida de dos pozos, dos movilizaciones ............................................ 53 Tabla 9. Vehículos de carga de completamiento, ............................................................................................. 53 Tabla 10. Vehículos de carga para construcción y adecuación plataforma ...................................................... 54 Tabla 11. Consolidado de vehículos que intervienen para la perforación de dos pozos ................................... 54 Tabla 12. Consolidado de TPD del tránsito para la vía de acceso al Pozo Trogon .......................................... 54 Tabla 13. Cálculo del TPD afectado según el crecimiento en el país (PIB) ..................................................... 56 Tabla 14. Fórmulas Simplificadas para el cálculo del factor de equivalencia de carga por eje (AASHTO) .... 56 Tabla 15. Cálculo del FECE para el proyecto de estudio ................................................................................. 57 Tabla 16. Factor de distribución por carril. ...................................................................................................... 58 Tabla 17. Cálculo del TDP por afectación del Fd y Fca ................................................................................... 58 Tabla 18. Cálculo del ESALs o Ejes equivalentes N en el período de diseño .................................................. 59 Tabla 19. Niveles de confianza sugerido por ASSHTO’93 .............................................................................. 59 Tabla 20. Rangos de tránsito contemplados en la norma. ................................................................................ 59 Tabla 21. Valores de Temperatura media mensual multianual......................................................................... 61 Tabla 22. Cálculo del índice de Thornwaite ..................................................................................................... 61 Tabla 23. Niveles de tránsito ............................................................................................................................ 64 Tabla 24. Espesores de la carpeta asfáltica ....................................................................................................... 65 Tabla 25. Tipo de mezcla por utilizar en función del tipo y espesor compacto de la capa ............................... 65 Tabla 26. Franjas granulométricas para mezclas asfálticas en caliente de gradación continua ........................ 65 Tabla 27. Franjas granulométricas briqueta tramo K0+000-K1+025 ............................................................... 66 Tabla 28. Criterios para diseñar una mezcla asfáltica de gradación continua por el método Marshall ............ 67 Tabla 29. Resultados de los ensayos realizados a la carpeta asfáltica .............................................................. 67 Tabla 30. Espesor de la subbase granular ......................................................................................................... 68 Tabla 31. Requisitos de los agregados para subbases granulares ..................................................................... 68 Tabla 32. Franjas granulométricas del material de subbase granular ............................................................... 69 Tabla 33. Resultados de los ensayos de laboratorio ......................................................................................... 69 Tabla 34. Granulometría subbase granular, apique 1 año 2019 ........................................................................ 69 Tabla 35. Características del material de mejoramiento de crudo de río .......................................................... 71 Tabla 36. Características del suelo de la subrasante ......................................................................................... 72 Tabla 37. Valores de CBR obtenidos para el suelo de la subrasante ................................................................ 72 Tabla 38. Características de las Unidades de Diseño definidas ........................................................................ 74 Tabla 39. Cálculo del módulo resiliente dele mejoramiento y la subrasante .................................................... 75 Tabla 40. Cálculo de la fórmula de Ivanov y obtención del CBR de la subrasante mejorada .......................... 75 Tabla 41. Consolidado de resultados condiciones iniciales del pavimento ...................................................... 91 Tabla 42. Resultados por daño por Fatiga y Ahuellamiento de las condiciones iniciales del pavimento ......... 92 Tabla 43. Propiedades de los materiales con una sobrecarpeta MDC-19 ....................................................... 104 Tabla 44. Consolidado de los valores por daño de Fatiga y Ahuellamiento con una sobrecarpeta tipo MDC-19 ........................................................................................................................................................................ 104 Tabla 45. Comparativo de valores por daño de Fatiga, condiciones iniciales vs sobrecarpeta....................... 106 Tabla 46. Comparativo de valores por daño por Ahuellamiento con una sobrecarpeta tipo MDC-19 ........... 106 Tabla 47. Comparativo de Módulos resilientes para subbase y subrasante .................................................... 107 Tabla 48. Comparativo de Módulos dinámicos .............................................................................................. 108. 11.

(12) L ISTA DE ANEXOS ANEXO A...................................................................................................................................................... 116 ANEXO B ...................................................................................................................................................... 118 ANEXO C...................................................................................................................................................... 125. 12.

(13) RESUMEN El desarrollo económico en Colombia está asociado al de la industria petrolera; por lo que se constituye una fuente y motor de generación de proyectos, empleos directos e indirectos, tercerización de sectores como el transporte de carga pesada, y es indiscutiblemente el aportante económico principal de nuestras regiones. Las compañías petroleras deben aprovechar la infraestructura vial existente, ya sean vías urbanas o rurales, con un pavimento existente o sin trazados previos y en condiciones de carreteables o incluso inexistentes trazados; el objetivo principal de las vías es que son los corredores de acceso hasta sus plataformas, estaciones, o infraestructura existente, y por ende requieren de intervenciones parciales o definitivas, según lo establezcan sus metas físicas de los proyectos en ejecución, dependiendo la zona en que realizan las actividades. Debido a la importancia que tiene el empleo de las vías, es que se hace imperativo realizar estudios basados en las condiciones reales del tránsito en las zonas impactadas por el desarrollo industrial. El tipo de tránsito y transporte empleado en esta industria, ha generado el deterioro acelerado en los pavimentos existentes, por la falta de controles de pesaje y el aumento de la frecuencia de los mismos. El estudio está enfocado en el análisis de la estructura del pavimento existente por medio de metodologías empírico mecanicistas, para evaluar los esfuerzos y deformaciones en las capas granulares, la capa asfáltica y la subrasante. Los diseños de pavimentos flexibles en Colombia, están basados en metodologías empíricas como es el método AASHTO 93, pero con el pasar de los años, el Instituto Nacional de Vías, ha sumado los criterios mecanicistas a sus manuales y guías para pavimentos flexibles, permitiendo realizar la verificación de la vida residual de un pavimento, aplicando procesos de rehabilitación que permitan extender la capacidad estructural o determinar incluso la reconstrucción de un tramo. En el documento se realizan cálculos y análisis del tránsito basados en el cálculo de ejes equivalentes siguiendo el Manual de diseño de pavimentos flexibles en vías con medios y altos volúmenes de tránsito del Instituto Nacional de Vía, y para el diseño de la rehabilitación se emplea el programa de la Universidad de Costa Rica PITRA-CR-ME VERSIÓN BETA, que permite la evaluación de los materiales, los esfuerzos a la luz de las leyes de fatiga y el ahuellamiento de la totalidad de las capas del pavimento. Con todo lo anterior, el ejercicio del estudio, determina que en términos de rehabilitación la colocación de una sobrecarpeta permite el cumplimiento de los requerimientos de carga y tiempo de acuerdo con las necesidades del proyecto. Cumpliéndose para cada una de las unidades de diseño los daños por fatiga de arriba hacia bajo y de abajo hacia arriba, en las dos carpetas de mezcla asfáltica, y ahuellamiento de todas las capas que integran la estructura del pavimento; estos datos los arroja el programa CR-ME, y permite evaluar, el cumplimiento de éstas premisas, en el periodo de diseño para el tránsito esperado, durante la perforación de los dos pozos.. 13.

(14) 1. INTRODUCCIÓN Una de las industrias más fuertes en nuestro país corresponde a la petrolera, la cual depende y requiere de la infraestructura vial existente en nuestras regiones para la expansión de sus programas y campañas de perforación. Por lo tanto, dentro del alcance del desarrollo de proyectos petroleros se incluye la construcción y/o mejoramientos de vías para garantizar el acceso a áreas de exploración o desarrollo. Los campos petroleros se encuentran principalmente en zonas rurales, por ello, las movilizaciones de los equipos necesarios se realizan a través de la red vial nacional, empleando vías departamentales, municipales, veredales y hasta servidumbres privadas. Ecopetrol S.A., realiza actualmente campañas de exploración y desarrollo de nuevos pozos productores de petróleo en el departamento del Meta. Más específicamente, en el municipio de Guamal, donde lleva varios años ejecutando campañas de exploración con el sondeo de pozos localizados estratigráficamente. Durante la campaña de exploración del año 2017, Ecopetrol S.A. ingresó en la Vereda Pio XII del municipio de Guamal en donde construyó la plataforma denominada Trogon. Durante el proceso de ingreso y para dar cumplimiento y cierres a temas sociales, se comprometió a mejorar la vía veredal denominada Trocha 12 mediante la construcción de alcantarillas y de una estructura de pavimento compuesta de una subbase granular y una capa de rodadura tipo MDC-19 (denominación INVIAS). Actualmente, la empresa espera retomar esta plataforma para la próxima campaña de perforación entre los años 2020-2021, lo que lleva a plantear una revisión de la estructura existente de la Trocha 12 para determinar su pertinencia con las cargas y solicitaciones bajo las cuales estará sometida a causa del proyecto en marcha. Un diagnóstico previo ha permitido determinar que la vía o trocha 12 se ha construido sin cumplir estándares de calidad y diseño, y empleando materiales granulares sin las especificaciones requeridas. Cabe aclarar que la vía inició como una servidumbre acordada entre los propietarios de las fincas aledañas y que posteriormente las diferentes administraciones municipales han realizado mantenimientos y algunas obras de drenaje dentro de sus planes de ordenamiento territorial (POT). Adicionalmente, se ha encontrado que hasta el 2017 la vía poseía una rodadura denominada “Crudo de Castilla”, sistema empleado por muchos años en el departamento del Meta como capa de rodadura; además, Ecopetrol S.A, realizó mantenimientos del tramo durante el período de perforación del pozo Trogon 1 con la colocación de una carpeta de rodadura tipo MDC-19 con 5 cm de espesor. Sin embargo, ninguna de estas obras se ha desarrollado a partir de estudios geotécnicos ni bajo ningún diseño de pavimento que tenga en cuenta datos del tránsito con el cual se estaba interviniendo durante la perforación del pozo.. 14.

(15) 2. GENERALIDADES DEL ESTUDIO 2.1. Planteamiento del problema ¿Cómo optimizar un pavimento existente, que no cuenta con diseños previos que sustenten su estructura actual?, teniendo en cuenta que, estará sometido a cargas de tránsito extrapesadas, y con una intensidad de mayor frecuencia en un tiempo delimitado por periodos cortos, pero que requiere ser empleada en toda su totalidad en condiciones óptimas de funcionalidad y con la capacidad suficiente para soportar el tránsito.. 2.2. Antecedentes del problema en estudio El caso en evaluación, se basa en la falta de estudios que se omitieron por parte de Ecopetrol para garantizar que la estructura de pavimento construido en el tramo de la vía Trocha 12, corresponde con las necesidades de la plataforma del pozo exploratorio Trogon 1. Inicialmente esta era una vía de acceso únicamente para los residentes de la vereda Pio XII, correspondiente a fincas de ganadería extensiva, y de predios que actualmente se desarrollan para loteo. La vía correspondía con un carreteable de servidumbres veredales, la cual tenía mantenimientos permanentes con la conformación de la banca y sellos de baches mediante la instalación de material tipo afirmado; por sectores se localizaba una rodadura tipo crudo de castilla, que corresponde básicamente a la estabilización con crudo y un material granular tipo base, el cual genera un tipo de rodadura impermeable. Pero en el tramo denominado Trocha 12, este tratamiento ya presenta un alto deterioro y baches constantes. Dentro de los compromisos adquiridos con la comunidad por parte de Ecopetrol, correspondió con el mejoramiento de la vía; sin embargo, la necesidad de dar cumplimiento a estos acuerdos, premeditó la decisión de llevar a cabo la construcción de un pavimento sin ninguna garantía de que cumpliera una capacidad estructural adecuada y correspondiente con el tipo de tránsito que ingresa a la zona de desarrollo del proyecto. Teniendo en cuenta que Ecopetrol nuevamente va a ingresar a la zona de la plataforma para la perforación de dos pozos más, determinó realizar la revisión de la estructura de pavimento, toda vez que requiere que la vía se mantenga con capacidad y funcionalidad por dos años. Para ello prevé que si requiere algún tipo de intervención se realice antes de la movilización de los equipos, y que funcione por dos años, sin mayores intervenciones durante este periodo de tiempo. Por lo que se realizará dicho estudio para plantear una alternativa de rehabilitación, teniendo como premisa, que se pueda mantener y emplear en su totalidad la estructura existente. Realizando un análisis del tránsito de carga extrapesada y de los esfuerzos y deformaciones en las capas granulares y asfálticas, para alcanzar la definición del espesor de una sobrecarpeta como una primera opción en la rehabilitación del pavimento.. 2.3. Justificación del problema En la región de los llanos orientales se han comenzado a abrir nuevas industrias agrícolas, ganaderas o minero energéticas, las cuales se encuentran localizadas en zonas distantes del territorio, y no consideran la inversión requerida para realizar adecuaciones y/o mantenimientos que garanticen la funcionalidad de las vías transitadas. Es así como en la región es fácil ver que el transporte de tractomulas excede los pesos permitidos en vías terciarias, tanto por la falta de control de pesaje, como ausencia total de entes de control en general. Tanto en la industria petrolera como en la agroindustrial, se ve claramente como la necesidad de expansión del negocio lleva a la utilización de vehículos de carga extrapesada que impactan a gran escala la infraestructura existente. Por consiguiente, los pavimentos existentes en la zona, con o sin una rodadura tipo asfalto, concreto o crudo de castilla, se ven sometidos a daños acelerados. De esta manera, se ha evidenciado la necesidad de realizar revisiones del tránsito existente en determinadas zonas, para estar así en la capacidad de determinar un factor camión confiable de la red vial correspondiente, y 15.

(16) desarrollar diseños, y/o rehabilitaciones acordes a la realidad y necesidades de la industria; pues una correcta planificación de las mejoras de un pavimento exige, además del conocimiento de las condiciones físicas y estructurales de la carretera, una apropiada valoración del tránsito pasado, actual y futuro de la misma [1]. Por consiguiente, es vital hacer que las empresas tales como Ecopetrol S.A. se concienticen de la importancia de realizar estudios previos de las vías requeridas para el desarrollo de sus proyectos; y de esta manera, se empiecen a desarrollar estudios básicos y diagnósticos adecuados que lleven a generar trazados viales óptimos y que además permitan el diseño y construcción de vías acorde a solicitaciones reales. Para el caso de estudio, es relevante identificar hasta qué punto una estructura de pavimento con ausencia total de un diseño metodológico, como aquella de la Trocha 12, es aprovechable. Teniendo en cuenta que, la Trocha 12 posee una estructura ya existente, y que ha tenido una inversión, tanto del estado como del sector privado. Así mismo, este trabajo busca evidenciar como diferentes métodos de análisis, tanto para el tránsito como para la estructura del pavimento, mediante teorías mecanicistas son adaptables a este tipo de problemas, que son el día a día en muchos proyectos.. 2.4. Objetivos 2.4.1. Objetivo general. Evaluar la estructura del pavimento existente de la Trocha 12 (vía de acceso al Pozo Trogon), mediante métodos empírico-mecanicistas para determinar la pertinencia de su capacidad estructural ante las solicitaciones de tránsito futuro y evaluar la oportunidad de rehabilitación con una sobrecarpeta.. 2.4.2. Objetivos específicos . Siguiendo la metodología de análisis de tránsito del INVIAS (para medios y altos volúmenes de tránsito), calcular el factor camión y el número de ejes equivalentes de 8,2 ton (ESAL´s) en la zona del proyecto.. . Realizar el diseño estructural del pavimento a partir del programa de Diseño Mecanicista Empírico para Pavimentos Flexibles de la Universidad de Costa Rica, PITRA CR-ME.. . Determinar si la colocación de una sobre-carpeta permite que el pavimento cumpla con las solicitaciones del tránsito requerido, y verificar si la estructura existente cumple con la capacidad estructural para soportar este tránsito antes de presentar fallas por deformación.. 16.

(17) 3. MARCO TEÓRICO 2.1 Generalidades de la Rehabilitación de Pavimentos De acuerdo con la Guía Metodológica para el Diseño de obras de rehabilitación de pavimentos asfálticos de carreteras en servicio a cargo del Instituto Nacional de Vías (Invías), el término “rehabilitación” se define como un mejoramiento funcional o estructural del pavimento, que da lugar a una extensión de su vida de servicio, como provisión de una superficie de rodamiento más cómoda y segura y a reducciones en los costos de operación [1]. Lo anterior, la rehabilitación funcional hace referencia a la restauración y parcialmente al refuerzo, teniendo en cuenta que éste último tiene como objetivo corregir deficiencias funcionales; y la rehabilitación estructural puede quedar comprendida en el refuerzo si éste se construye con el fin principal de prolongar la vida de servicio de la calzada [1]. La misma Guía nos especifica que:    . Restauración, consiste en la ejecución de trabajos que mejoran la capacidad funcional del pavimento, pero no aumentan su capacidad estructural. Refuerzo, consiste en la colocación de capas de pavimento que proporcionan capacidad estructural adicional o mejoran el nivel de servicios de los usuarios. Reciclado, consiste en la reutilización de parte de las capas de la estructura existente, para mejorar su capacidad estructural. La adición de materiales nuevos es necesaria para mejorar la resistencia y el comportamiento del pavimento mejorado. Reconstrucción, consiste en la remoción de capas y el reemplazo parcial o total del pavimento. [1]. Cuando se determina que un pavimento requiere un proceso de rehabilitación, se estaría indicando que no se cumple una o varias de las siguientes características, para los cuales un pavimento fue diseñado y construido:.  Ser resistente a la acción de las diferentes cargas impuestas por el tránsito.  Ser resistentes a los agentes del intemperismo.  Tener textura adecuada para el rodamiento con una fricción apropiada para evitar el deslizamiento y    . además resistente al desgaste producido por el efecto abrasivo de las llantas. Ser durable. Tener condiciones adecuadas respecto al drenaje. Ser económico. Debe poseer el color adecuado para evitar reflejos y deslumbramientos, y ofrecer una adecuada seguridad al tránsito. [2]. En teoría un pavimento correctamente diseñado es aquel que al final del período de servicio previsto ha soportado la carga del tránsito estimada y está llegando al umbral de falla funcional. Para lograr este equilibrio es necesario proporcionar una adecuada capacidad estructural mediante el conocimiento y ponderación de los siguientes aspectos [3]: 1) Correcto diseño de espesores y materiales: - Condiciones de solicitación a los que se verá sometida la estructura como son el tránsito y el clima. Estos aspectos se consideran en los denominados métodos racionales de diseño, valorando el número acumulado de ejes de 8,20 toneladas durante el período de diseño y la temperatura media ponderada anual del geográfico del pavimento. - La capacidad de soporte del suelo de fundación de la estructura. - Las características del esfuerzo - deformación de los materiales constitutivos de las capas. Estos parámetros se evalúan a través de los módulos de elasticidad dinámico (E), y de la relación de poisson (µ).. 17.

(18) -. El comportamiento en fatiga de los materiales constitutivos de las capas especialmente de las capas asfálticas. - Un modelo que represente la respuesta esfuerzo-deformación de todo el paquete estructural ante las cargas externas, como por ejemplo la teoría elástica multicapa. 2) Eficiente sistema de drenaje y obras complementarias. 3) Procesos constructivos de conformidad con las especificaciones. 4) Adecuado mantenimiento preventivo. El buen servicio de un pavimento es su capacidad para proporcionar a los usuarios comodidad, seguridad y economía. La recuperación del nivel de servicio de un pavimento en uso, por medio de obras de rehabilitación, se hace necesaria por una o más de las siguientes razones [1]:      . Incomodidad para la circulación vehicular. Exceso de defectos superficiales. Reducción de la adherencia entre la calzada y los neumáticos de los vehículos. Necesidad excesiva de servicios de mantenimiento rutinario. Costos de operación elevados para los usuarios. Capacidad estructural inadecuada para las solicitaciones del tránsito previsto.. Las actividades requeridas para la rehabilitación de las estructuras de pavimento se van haciendo más importantes, en magnitud y costo, a medida que ellas se deterioran a causa de los efectos ambientales y el tránsito. El deterioro de un pavimento se da desde una etapa inicial, con un deterioro casi imperceptible hasta el deterioro total. Es por ello que los pavimentos se proyectan para que sirvan un determinado número de años, esta proyección es denominada ciclo de vida útil, Ver figura 1.. Figura 1 Etapas de deterioros en pavimentos flexibles Fuente: Naciones Unidad, 1994. 3.2. Fallas en los pavimentos flexibles Durante la vida de servicio de un pavimento, causas de diverso origen afectan la condición de la superficie de rodamiento, lo cual compromete su función de ofrecer a los usuarios la posibilidad de un rodaje seguro, cómodo y económico [4]. Entre las causas de falla de un pavimento se pueden mencionar: 1) Fin del período de diseño original y ausencia de acciones de rehabilitación mayor durante el mismo. En este caso la falla es la prevista o esperada. 2) Incremento del tránsito con respecto a las estimaciones del diseño de pavimento original. 3) Deficiencias en el proceso constructivo, bien sea en procesos como tal como en la calidad de los materiales empleados.. 18.

(19) 4) Diseño deficiente (errores en la estimación del tránsito o en la valoración de las propiedades de los materiales empleados). 5) Factores climáticos imprevistos (lluvias extraordinarias). 6) Insuficiencia de estructuras de drenaje superficial y/o subterráneo. 7) Insuficiencia o ausencia de mantenimiento y/o rehabilitación de pavimentos. Dependiendo de su origen, las fallas pueden ser clasificadas como fallas funcionales (superficiales) o fallas estructurales. En el primer caso, el defecto se presenta o circunscribe a la superficie de la capa asfáltica y las acciones de reparación se dirigen a la corrección de la fricción (seguridad), o al restablecimiento de la rugosidad o regularidad (comodidad), lo cual se logra con la colocación de capas asfálticas de bajo espesor que no contribuyen desde el punto de vista estructural. Por su parte las fallas estructurales tienen su origen en defectos en una o más de las capas que conforman la estructura del pavimento, las cuales están destinadas a resistir y compartir los esfuerzos impuestos por el tráfico, de manera que a nivel de subrasante o suelo de fundación del pavimento lleguen los menores esfuerzos y lo más distribuido posible. En estos casos la corrección de las fallas va dirigida al refuerzo de la estructura existente mediante la colocación de una capa cuyo espesor debe ser calculado en función de los requerimientos de las cargas de tráfico previstas en el período de tiempo previsto para la rehabilitación. La falla estructural se deriva de dos causas fundamentales: 1) Cuando la capacidad de deformación-recuperación de los materiales que conforman la estructura de pavimento es “excedida más allá del valor que determinan las deformaciones recuperables por elasticidad instantánea y retardada, desarrollándose deformaciones permanentes (ahuellamiento) en cada aplicación de las cargas, las que se acumulan modificando los perfiles de la calzada hasta valores que resultan intolerables para la comodidad, seguridad y rapidez del tránsito y aún pueden provocar el colapso de la estructura” [5]. 2) Cuando el ahuellamiento ocurre en las capas asfálticas, el mismo obedece a la presencia de mezclas que van acumulando deformaciones bajas en magnitud pero permanentes en el tiempo debido al paso continuo del tránsito pesado (camiones). El ahuellamiento puede ocurrir directamente en la capa asfáltica superficial o en alguna otra capa asfáltica subyacente cuya deformación luego es reflejada por la capa superficial. En particular las capas asfálticas sufren el fenómeno denominado “fatiga” cuando el número de aplicaciones de las cargas pesadas es elevado, lo que se traduce en reducción de sus características mecánicas. En este caso la deformación horizontal por tracción en la parte inferior de las capas asfálticas al flexionar la estructura, puede exceder el límite crítico y se llega a la iniciación del proceso de fisuramiento” [5]. 3) En Colombia nos ceñimos bajo el esquema y metodología del Invias (para las vías de orden nacional), para la determinación e inventario del tipo de deterioros en los pavimentos asfálticos y diferentes niveles de gravedad para cada tipo. Estos deterioros se deben identificar considerando tres factores: tipo, gravedad y extensión [1]. Cualquier procedimiento de inspección de deterioros que ignore siquiera uno de estos tres factores, no brindará la información adecuada para establecer un juicio apropiado sobre la condición del pavimento. No obstante, no existe un criterio universal para la valoración de cada uno de estos factores, razón por la cual se presentan diferencias, a veces importantes, entre los criterios adoptados por una u otra agencia.. 3.3. Factores que afectan los pavimentos flexibles Los factores que, independientemente del método y calidad del diseño de un pavimento, afectan en forma predominante a este, pueden considerarse comprendidos en los siguientes grupos: 1) Tránsito: Se debe considerar la configuración de los ejes (simples, dobles y triples), el número de repeticiones, el área de contacto de la llanta con el pavimento, y la velocidad con la cual transitan los vehículos [6]. 2) Materiales: Se debe conocer a fondo las características de los materiales, esto porque es una medida para el diseño del pavimento e influye directamente en el comportamiento estructural. La fisuración por fatiga, las deflexiones y el agrietamiento por bajas temperaturas son criterios de falla, los cuales 19.

(20) se pueden controlar por medio de los parámetros de diseño estableciendo mínimos, además de crear un buen plan de mantenimiento y rehabilitación para evitar el deterioro acelerado y grandes inversiones. 3) Medio ambiente: La temperatura y la precipitación son factores que se deben considerar para el diseño de los pavimentos, ya que estos inciden sobre el módulo resiliente de los materiales. La temperatura incide sobre la carpeta asfáltica, donde a temperaturas elevadas el módulo resiliente disminuye y con ello ocasiona la formación de ahuellamientos al paso de vehículos pesados a bajas velocidades; y a temperaturas muy bajas o congelamiento, se puede dar el agrietamiento por el endurecimiento del asfalto. La precipitación afecta el módulo resiliente de la subrasante, dado que a mayor presencia de humedad se ocasiona un daño mayor sobre el pavimento al transitar los vehículos, debido a la pérdida de finos y con ello la pérdida de capacidad de la estructura. Además, el agua afecta la resistencia de los materiales granulares y, se presenta expansión y contracción del suelo.. 3.4. Evaluación del pavimento para el diseño del refuerzo Debido a la acción de las cargas del tránsito, las inclemencias del tiempo, deficiencias en los materiales utilizados y errores en los métodos constructivos; y con el transcurso del tiempo, el pavimento comienza a evidenciar diferentes problemas que hacen necesaria la intervención de las autoridades o instituciones respectivas. Para poder determinar si una estructura de pavimento es candidata a realizar algún tipo de rehabilitación (como por ejemplo con una sobrecarpeta o sobrecapa), es necesario conocer la capacidad estructural del pavimento, así como las deflexiones presentes. Para determinar la capacidad estructural de un pavimento, se puede realizar ensayos no destructivos por medio del deflectómetro, donde se mide las deflexiones al someter el pavimento a una carga. También se puede calcular la capacidad estructural del pavimento por medio de la caracterización de las capas y aplicación de ensayos como el CBR [6]. Una sobrecarpeta o sobrecapa se refiere a la utilización de un cierto espesor de concreto asfáltico colocado sobre la superficie de rodadura. Las sobrecapas se pueden construir con un fin funcional, para mejorar la fricción superficial y la comodidad del usuario, caso en el cual la sobrecapa es delgada y su espesor no se define con base en procedimientos de diseño. O se puede construir para acondicionar la capacidad estructural del pavimento a la intensidad del tránsito futuro; en este caso su espesor es mayor y se obtiene como resultado de un diseño. La sobrecapa debe satisfacer la deficiencia entre la capacidad estructural requerida para soportar el tránsito futuro (Scf), y la capacidad estructural del pavimento existente (SCeff) [7]; tal como se indica en la Figura 2.. Figura 2. Variación de la capacidad estructural de un pavimento en el tiempo. Fuente Rehabilitación de pavimentos con refuerzo Método AASHTO ‘93. 20.

(21) El conocimiento de los sistemas estructurales permite ampliar el análisis de las estructuras y, además, se pueden transformar sistemas multicapas a sistemas de una, dos o tres caspas para hacer más sencillo el análisis, en lo referente al diseño; es necesario conocer para ello el comportamiento y la incidencia de cada una de las variables que inciden en el cálculo de los esfuerzos, deformaciones y deflexiones. Se debe estudiar el comportamiento interno del modelo estructural ante las solicitaciones de las cargas, en lo referente a los esfuerzos (), deformaciones () y deflexiones () los cuales se pueden determinar en cualquier punto del modelo estructural o mediante el uso de programas de cómputo, pero en el caso del diseño de las estructuras de pavimentos interesan algunos puntos en especial para poder realizar los estudios y análisis correspondientes para controlar la fatiga, el ahuellamiento o deformación y la deflexión de los pavimentos [8].. 3.5. Parámetros fundamentales de un modelo estructural Se denominan también parámetros elásticos y son esfuerzos, deformaciones específicas y deflexiones, los cuales son requeridos en el diseño de un pavimento. Los parámetros críticos son: para la subrasante el esfuerzo vertical de compresión; para la capa bituminosa la deformación horizontal de tracción en la base de la capa bituminosa; y para capas mejoradas hidráulicamente el esfuerzo máximo de tracción en la base de la capa estabilizada [9].  Control de fatiga (fisuración): la determinación radial de tracción actuante en la capa bituminosa (Ɛ r) debe ser menor a la deformación radial de tracción admisible (Єr admi), con el fin de controlar la fatiga de la capa bituminosa ante las solicitaciones de carga impuestas por el tránsito, es decir, los daños estructurales. Єr < Єr admi . Control de la deformación (ahuellamiento): la deformación vertical de compresión (Єz) presente sobre la capa de subrasante deberá ser menor a la deformación vertical de compresión admisible (Єz admi), con el fin de controlar el ahuellamiento y la deformación de la estructura de pavimento, es decir, los daños estructurales y funcionales. Єz < Єz admi. . Control de la deflexión: la deflexión vertical (z) presente en la superficie de la estructura deberá ser menor a la deflexión vertical admisible (z admi), con el fin de controlar el ahuellamiento y la deformación de la estructura de pavimento, es decir, los daños funcionales. z < z admi. Los parámetros fundamentales de un modelo estructural se presentan en la Tabla 1. CAPA Capa asfáltica. Base asfáltica Bases y subbases con cementación Bases y subbases granulares y cohesivas Subrasante. PARÁMETRO REQUERIDO. TIPO DE FALLA. Deformación unitaria horizontal de flexotracción en la parte inferior. Deformación unitaria de flexotracción en la parte inferior. Esfuerzos y deformaciones verticales en la parte superior.. Fisuramiento cuando no va apoyada sobre base asfáltica.. Tensión de tracción en la cara inferior. Tensión horizontal en la parte inferior. Esfuerzos de deformación vertical en la parte superior. Deformación vertical en la parte superior. Esfuerzos verticales y horizontales en la parte superior corte. Deflexiones.. Pavimento conjunto. en Radio de curvatura.. Fisuramiento. Deformación permanente excesiva. Fisuramiento por acción de las cargas, contracción hidrotérmica y bajas temperaturas. Descompactación y pérdida por el módulo resistente. Deformaciones permanentes excesivas. Deformaciones elásticas excesivas. Deformaciones permanentes excesivas. Fatiga de los revestimientos y comportamiento estructural. Debilidad en la parte superior de la estructura y fisuramiento por deformaciones de tracción en las capas asfálticas superiores.. Tabla 1. Parámetros elásticos fundamentales Fuente: Ing.Carlos Higuera Sandoval -Mecánica de Pavimentos Flexibles, Principios Básicos.. 21.

(22) 3.6. Métodos Mecanicistas Las metodologías mecanicistas pretenden tener un enfoque puramente científico, con un marco teórico suficiente que permita el análisis completo de la mecánica del comportamiento de un pavimento ante las acciones del clima y del tránsito vehicular. Esto es, un marco teórico en donde las propiedades fundamentales de los materiales se conocen, y se pueden determinar en laboratorio o en campo. Esta metodología facilita la predicción correcta de la evolución en el tiempo de los diferentes deterioros que se pudieran presentar y, por ende, aumentar en gran medida la confiabilidad de los diseños [10]. Las metodologías basadas en métodos de regresión de resultados en tramos de prueba, como el método AASHTO actual, se le puede considerar como empírico en el sentido en que su aplicación está rigurosamente restringida a las condiciones que se utilizaron para su calibración. Por supuesto que ya se manejan conceptos mecanicistas como el Módulo de Resiliencia, pero sólo como parámetro de cálculo que se correlaciona con el CBR, y no como una propiedad fundamental del material. En el mejor de los casos, existen métodos de diseño que se les llama semiempíricos, o empírico-mecanicistas, porque consideran leyes de fatiga de los materiales en los cálculos de vida útil; por ejemplo, el método Shell o el del Instituto Norteamericano del Asfalto. Pero la visión que se tiene es tender a métodos puramente mecanicistas. Las componentes de entrada al proceso de diseño se refieren a la geometría de la estructura; básicamente son los espesores de cada capa, las propiedades de los materiales que conforman cada una de esas capas, que serán módulos dinámicos o resilientes, el tipo de clima del medio físico que atravesará la carretera, definido por precipitación y temperatura, y el nivel de tránsito vehicular definido ya sea en ejes equivalentes, o preferentemente a través de su correspondiente espectro de distribución de cargas.. Figura 3. Componentes claves de las metodologías mecanicistas Fuente: Garnica, Paul. Conceptos Mecanicistas en Pavimentos, Publicación Técnica No.258. Definido el diseño inicial se procede al cálculo de lo que se va a llamar, las respuestas estructurales en la sección estructural del pavimento. Estás respuestas estructurales consisten en conocer la distribución de esfuerzos (σ), deformaciones unitarias (ε), y deflexiones (δ). El cálculo se realiza básicamente considerando al pavimento como un medio multicapas en donde el comportamiento de los materiales se basa en la teoría de la elasticidad [10].. 22.

(23) 3.1.1.. Tránsito. El tránsito vehicular constituye la solicitación directa al sistema estructural que constituye el pavimento; es bajo el paso repetido de los vehículos que los pavimentos se deterioran. Su caracterización es fundamental, y a la vez muy compleja dada la gran distribución de tipos de vehículos. Desde el punto de vista estructural, la estimación del tránsito requiere, una estimación el número de ejes circulantes por carril y su distribución en diferentes grupos de carga, para la actualidad y para la vida futura del diseño. En algunos casos, también es necesario conocer el tránsito acumulado que ha soportado el pavimento hasta el instante de la construcción de las obras de rehabilitación. La tendencia cada vez más acentuada hacia la aplicación de métodos mecanicistas para el diseño de pavimentos asfálticos y de sus rehabilitaciones, exige una consideración directa y precisa de la relación existente entre las cargas por eje y los factores que determinan la vida de estas estructuras [1]. El estado colombiano en su visión de fortalecer al máximo su desarrollo social y económico, ha venido realizando acuerdos comerciales importantes con diferentes naciones del mundo desde 1969. Entre estos acuerdos se pueden mencionar: el Pacto Andino de Naciones, el grupo de los tres (G-3), acuerdos con la Organización Mundial del Comercio, Acuerdo CAN-Mercosur, y recientemente el tratado de libre comercio con Estados Unidos (TLC), entre otros. Estos acuerdos han potencializado el transporte de carga que se moviliza por las carreteras del territorio nacional, lo que ha traído como consecuencia un incremento gradual, pero significativo, en la magnitud y frecuencia de las cargas transmitidas por los vehículos comerciales de carga a las estructuras de pavimento, lo que puede traducirse en un deterioro acelerado de tales estructuras [11]. En consecuencia, es relevante caracterizar adecuadamente el tráfico de carga incluyendo la determinación de factores camión actualizado que den cuenta de los efectos progresivos del incremento de cargas pesadas en las vías como resultado de los avances en materia de intercambio comercial y actualización del parque automotor nacional [11]. Varios expertos a nivel internacional han desarrollado investigaciones encaminadas a estudiar el daño producido a los pavimentos a partir de las distintas configuraciones de ejes y camiones que generan las cargas de tránsito. Se ha indicado que el ahuellamiento en pavimentos asfálticos (o flexibles) es producido mayormente por los ejes tridem de vehículos con altos niveles de carga, mientras que los agrietamientos (i.e., daño por fatiga) son generados principalmente por el efecto de los ejes tándem y simples de camiones pesados [11]. En ese sentido, autores como Jeongho [12] indicaron que el potencial de deterioro acelerado sobre el pavimento se debe principalmente al uso de camiones con sobrepeso, situación que según Wang [13] es la principal causa de los agrietamientos longitudinales. Por otro lado, también se han llevado a cabo estudios orientados a examinar los efectos del incremento de cargas máximas legales de vehículos comerciales en el deterioro producido a las estructuras de pavimento. un incremento de entre 17 y 36% en los límites de carga por eje de camiones repercute en un aumento en el factor camión de un 200%, lo que a su vez se vio reflejado en este estudio particular en un incremento del número de ejes simples equivalentes de 8,2 toneladas del 75 al 136%. Finalmente, la investigación “Evaluación de factores camión de los vehículos comerciales de carga que circulan por la red vial principal colombiana” [11], estableció que entre mayores sean los valores de factor camión, mayores serán los efectos de pérdida de serviciabilidad, aspecto que se asocia con deterioro estructural acelerado del pavimento.. 3.1.2.. Factores climáticos. Los factores climáticos tienen su importancia, ya que las propiedades de los materiales dependen fuertemente de los valores de temperatura y humedad presentes en la sección estructural del pavimento. Por ello es necesario conocer fundamentalmente la distribución en el medio físico en cuestión de la precipitación, humedad, temperatura, viento, radiación solar, ciclos hielo/deshielo. A partir de esos datos, y utilizando un modelo matemático apropiado, se puede estimar la distribución de la temperatura y la humedad dentro del pavimento [10].. 23.

(24) 3.1.3.. Modelos de deterioro. En pavimentos asfálticos, los principales deterioros se asocian a fenómenos de agrietamiento y deformación permanente. El agrietamiento puede tener a su vez distintos orígenes, el más considerado es el generado por la aplicación de cargas repetidas que induce la fatiga del material, donde la carga repetida la puede inducir el tránsito vehicular (propagación ascendente), o los ciclos de temperatura existentes en el sitio (propagación descendente) [10]. Ver figura.. Figura 4. Esquema de generación del agrietamiento por Fatiga. Fuente: Garnica, Paul. Conceptos Mecanicistas en Pavimentos, Publicación Técnica No.258. Las deformaciones permanentes también se denominan ahuellamientos, se originan por la compresión y consolidación del material ante la acción de los esfuerzos normales y cortantes, transmitidos por el flujo vehicular. Por ello, los ensayos asociados involucran especímenes sometidos a condiciones triaxiales, o cortantes. En la figura 5 se ilustra cómo la deformación permanente se acumula con las repeticiones de carga.. Figura 5. Acumulación de la deformación permanente. Fuente: Garnica, Paul. Correa, Angel. Conceptos Mecanicistas en Pavimentos, Publicación Técnica No.258. La deformación permanente que observamos en la superficie de rodamiento, es la suma acumulada de la contribución de todas las capas de la sección estructural en un pavimento. Más aún, es práctica común para fines de diseño, que la componente principal se debe al terreno de cimentación, y que la que resulta de las otras capas se puede controlar con una buena selección de materiales y excelentes prácticas constructivas. Respuestas estructurales (esfuerzos, deformaciones y deflexiones) en la sección estructural de un pavimento flexible, se considera una serie de puntos críticos a fin de calcular los valores más desfavorables. La práctica más común consiste en fijar un punto para estimar el agrietamiento por fatiga de la mezcla asfáltica en 24.

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