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Informe de Ingeniería: “Rehabilitación “Rehabilitación a Nivel de Afirmado del Camino Vecinal Autama – Autama – Emp. R467 en Calluril” Calluril” Ubicado en el Distrito de Santiago de Paucaray, Provincia Sucre, Region Ayacucho. Autor: Bach. José Carlos Riveros Zorrilla Asesor: Ing. Gustavo Aybar Arriola.
CAPÍTULO III: SUELOS, CANTERAS, FUENTES DE AGUA Y PAVIMENTOS 3.1
OBJETIVO
El presente estudio de suelos para la Rehabilitación del Camino Vecinal AUTAMA – EMP. R 467 – EN CALLURI de aproximadamente 12.421 Kilómetros el objetivo principal es realizar los trabajos de campo para estudiar la estrategia de subsuelo y así obtener las características físico mecánicas y el comportamiento de los suelos de fundación por medio de los ensayos de laboratorio realizado en las diferentes muestras obtenidas en las calicatas obscultadas como también determinar la existencia y la profundidad de la Napa freática. f reática. Así mismo, se verifico las canteras existentes evaluadas en el estudio para el empleo de los materiales que se utilizaran en la rehabilitación de la carretera y cuya información es para la evaluación estructural del pavimento que definió el diseño.
3.1.1 EVALUACIÓN DEL PAVIMENTO
Para la evaluación del estado actual del pavimento se programaron actividades de evaluación superficial las cuales comprendieron trabajos de campo, laboratorio y gabinete ya que el pavimento se encuentra a nivel de subrasante, la evaluación del pavimento se ha concentrado fundamentalmente en todos los aspectos que inciden en el comportamiento funcional de la estructura, en base a la determinación detallada de todos los deterioros y fallas observadas en la superficie transitable y visible del mismo estableciéndose estableciéndose la ubicación, extensión y grado de severidad de los mismos, así como también la calidad del material que tiene la subrasante. 65
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3.2
METODOLOGÍA DEL TRABAJO
3.2.1 TRABAJOS DE CAMPO
El trabajo consistió en la recopilación de toda la información del estado situacional del pavimento, así como también en efectuar exploraciones con calicatas a cielo abierto, para obtener el perfil estratigráfico sobre todo de las canteras a utilizar. Se efectuó una detallada descripción de los diferentes estratos y muestras en cada calicata, las cuales fueron identificadas y registradas, luego, debidamente embalada fueron remitidas al laboratorio de mecánica de suelos, con el objeto de ser evaluadas para su posterior análisis e interpretación; de esta manera se confecciona el perfil estratigráfico y se establece parámetros para el diseño del pavimento en los suelos de fundación semejantes. Se hace hincapié que durante la exploración, no se detectó la presencia de la napa freática a la profundidad investigada y en la oportunidad realizada.
3.2.2 TRABAJOS DE LABORATORIO
Con toda la información obtenida en el campo referida a la descripción y ubicación de los suelos tanto de la subrasante y canteras y con los resultados obtenidos en el laboratorio se ha podido obtener las características físico-mecánicas de todos los suelos de las canteras y suelos de fundación.
3.2.3 ANÁLISIS DE LABORATORIO
Se han efectuado los ensayos de laboratorio para determinar las características físico-mecánicas de los suelos encontrados y son las que a continuación se mencionan:
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Análisis granulométrico por tamizado
ASTM - D - 422
Límite líquido
ASTM - D - 423
Límite plástico
ASTM - D - 424
Contenido de humedad
ASTM - D - 2216
Ensayo de Proctor modificado
ASTM - D - 1557
Ensayo de C.B.R.
ASTM - D -1883
Ensayo de Abrasión
ASTM – D - 131
Ensayo de Equivalente de Arena
ASTM – D - 2419
Clasificación AASHTO y SUCS
ASTM - D – 2487
3.2.4 PERFIL ESTRATIGRÁFICO
Con los resultados obtenidos se ha podido determinar el perfil estratigráfico, siendo el siguiente:
En la fotografía se observa las Calicatas Nº5, Km 2+500 y , Nº15, Km 9+000 donde se aprecia las arenas limosas de color marrón naranja
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SECTOR
Km.0+000 al Km 12+421
DESCRIPCIÓN
En todo el Tramo encontramos que el terreno se encuentra con Material de Suelo Natural y en algunas zonas de la Plataforma se encuentra estabilizada con material granular o rocas que se han colocado para poder transitar luego encontramos el Terreno natural constituido por un Suelo Homogéneo de un Limo Arcilloso de alta plasticidad con escaso porcentaje de grava y en algunos sectores grava arcillosa de mediana plasticidad semi compacta con regular porcentaje de humedad encontrándose los siguientes suelos clasificados por los métodos: AASHTO
SUCS
A-1
29%
CL
8%
A-2
21%
ML
17 %
A-4
38
SM-SC
41 %
A-6
04%
GP-M-GC
34 %
A-7
08%
El Índice de plasticidad se encuentra entre el 0 al 22 % y el Limite Liquido se encuentra entre el 17 – 44 % como se puede apreciar todos los materiales se encuentran con presencia de buen porcentaje de Arcilla Arenosa de mediana plasticidad.
3.3
ESTUDIO DE CANTERAS
Siendo las canteras, las fuentes de aprovisionamiento del suelo y rocas necesarias para la construcción de la carretera, se procedió a efectuar el 68
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reconocimiento de los depósitos existentes para determinar la calidad de las canteras, conocer si cumple con las especificaciones de material que se busca, conociendo la potencia, rendimiento, el estado de los accesos y su situación legal de las mismas.
3.3.1 CANTERAS SELECCIONADAS
En la Rehabilitación del camino vecinal se ha encontrando que la plataforma en algunos tramos se encuentra conformada en la parte superficial por un suelo natural de roca dura, para luego encontrar el terreno natural conformado por un limo arcilloso de mediana plasticidad en su mayoría en la parte superficial con presencia de material orgánico, se han ubicado las canteras que se utilizaran y a la vez se ha verificado y se dan a conocer sus características principales, las cuales se han ubicado en las partes más cercanas a la carretera. Los materiales de las canteras se encuentran constituidos por suelos granulares con regular porcentaje de arcilla arenosa las canteras se encuentran ubicadas a lo largo de la carretera la primera se encuentra ubicada a 1.60 km del Km. 00+000 hacia Soras, lado derecho, cantera que servirá como material de afirmado y relleno la segunda cantera se encuentra ubicada en el Rio Chicha a 28.60 km del Km. 00+000 hacia Soras, Lado Izquierdo que será utilizada como material de agregado ambas canteras serán utilizadas para todo el tramo. Las canteras son bancos de materiales muchas veces hetereogenos y por génesis presenta variaciones tanto horizontales como verticales, por lo tanto la propuesta de utilización de estos bancos de materiales como cantera, será si es adecuadamente explotada. Se realizó un reconocimiento a lo largo de las zonas próximas a la carretera determinándose áreas de probable explotación como canteras en las cuales se ejecutaron calicatas con sus muestreos exploratorios para determinar los volúmenes aprovechables. 69
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Existen zonas donde se observaron indicios de explotación anterior en las cuales muestran el corte y/o talud del material, en estos casos fue necesario un reconocimiento de las áreas a utilizarse se tomaron muestras disturbadas representativas en cantidades suficientes para los análisis correspondientes. En el presente estudio se han ubicado canteras que se puedan utilizar como materiales de construcción en las diferentes etapas como es relleno, lastrado y agregado se ha verificado sus características Físico Mecánica para su utilización teniendo las siguientes canteras: A)
Cantera de Cerro a 1.60 km del inicio, hacia Soras, Lado Derecho.
Se encuentra en el tramo en estudio Volumen estimado = 50,000 m3. Rendimiento = 90 % Límite Líquido promedio = 27.72 % Índice de Plasticidad = 8.98 Pasa la malla Nº200 = 12.8 % Abrasión = 39.56 C.B.R. al 100% = 63.7 Clasificación = GP-GC - A-1-a Material para = Lastrado y Relleno Explotación con = Cargador frontal Acceso = Fácil B)
Cantera Agregados ubicado en el Rio Chicha a 28.60 km del inicio del tramo, hacia Soras, Lado Izquierdo
Se encuentra en el tramo en estudio Volumen estimado = 30,000 m3. Rendimiento = 90 % Límite Líquido = 18.59 Índice de Plasticidad = N.P. 70
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Pasa la malla Nº200 Abrasión C.B.R. al 100% Clasificación Material para Explotación con Acceso 3.4
= = = = = = =
04.1 32.16 119 % GP - A-1-a Agregado y Relleno Cargador frontal Fácil
PUNTOS DE APROVISIONAMIENTO DE AGUA
Se ha determinado los puntos de abastecimiento de agua, la misma que proviene de los cauces de las quebradas que se encuentran en todo el tramo, los resultados indican que las aguas se pueden utilizar para cualquier obra estructural de concreto ya que no poseen ningún elemento químico que ataque al concreto, Los puntos de agua se encuentran a lo largo del tramo en rehabilitación. Se ha determinado los puntos de abastecimiento de agua, la misma que proviene de las quebradas que cruzan en todo el tramo los puntos principales se encuentran ubicadas, en el Km 8+995 y en el Km 10+050, los resultados indican que el agua se puede utilizar para cualquier obra estructural de concreto ya que no poseen ningún elemento químico que ataque al concreto ya que las fuentes enunciada sirve para el consumo humano. Se concluye que el cemento a usar será el tipo I.
3.5
DISEÑO DEL PAVIMENTO
3.5.1 INTRODUCCIÓN
El pavimento es la capa o conjunto de capas de materiales apropiados, comprendidos entre la superficie de la subrasante (capa superior de las explanaciones) y la superficie de rodadura, cuyas principales funciones son las de proporcionar una superficie uniforme, de forma y textura apropiados, resistentes a la acción del tránsito, a la del intemperismo y 71
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de otros agentes perjudiciales, así como transmitir adecuadamente al terreno de fundación, los esfuerzos producidos por las cargas impuestas por el tránsito fluido de los vehículos, con la comodidad, seguridad y economía previstos por el proyecto. La estructuración de un pavimento, o disposición de las diversas partes que los constituyen, así como las características de los materiales empleados en su construcción, ofrecen una gran variedad de posibilidades, de tal suerte que puede estar formado por una sola capa o de varias, y a su vez, dichas capas pueden ser de materiales naturales seleccionados, procesados o sometidos a algún tipo de tratamiento o estabilización. La superficie de rodadura propiamente dicha puede ser una carpeta asfáltica, un tratamiento superficial o la superficie de una capa de material granular con resistencia al desgaste. La actual tecnología de pavimentos contempla una gama muy diversa de secciones estructurales, las cuales están en función de los distintos factores que intervienen en la performance de una vía: tránsito, tipo de suelo, importancia de la vía, condiciones de drenaje, recursos disponibles, etc. Debe elegirse la solución más apropiada, de acuerdo a las facilidades y experiencias locales y a las condiciones específicas de cada caso, lo cual es una tarea que requiere de un balance técnicoeconómico de todas las alternativas. Debido a su amplia difusión, a la experiencia acumulada y a las connotaciones económicas que implica su uso, los pavimentos flexibles de capas granulares comprenden casi la generalidad de vías que forman la red vial nacional. Para la estructuración de este tipo de pavimentos juegan papel importante, en la mayoría de métodos de diseño, dos parámetros: La capacidad de soporte del suelo de sub-rasante y el volumen de tráfico al que estará sujeto la vía. De acuerdo a lo expresado por los términos de referencia del estudio, la alternativa a considerarse para la estructura del pavimento es a nivel de una base granular de rodadura, también denominada “pavimento afirmado” o lastrado con un tratamiento superficial. 72
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3.5.2 MÉTODO PARA EL DISEÑO DEL PAVIMENTO
En este estudio se tomará en cuenta, en la decisión del tipo de estructuración a usarse, un factor igualmente fundamental, sobre todo por su incidencia en el aspecto económico: El nivel de importancia de la vía. Por tratarse de una carretera de cuarto orden, con características de un camino vecinal de bajo volumen de tránsito, el diseño de la estructura del pavimento tendrá en consideración criterios más que todo de serviciabilidad mínima (transitabilidad). El método que será empleado para el diseño del espesor del pavimento es el establecido por el cuerpo de Ingenieros del Ejército Norteamericano (U.S. Army Corps Of. Ingenieers), para el dimensionamiento de caminos afirmados (Ref1). En ese método se contempla la utilización de una capa de material granular de cierta plasticidad que a la vez cumple la función de capa de rodadura, permitiendo mantener un nivel de servicio adecuado cuando el volumen de tráfico proyectado es bajo, considerándose periodos de diseño entre 7 a 10 años. La capa granular puede estar constituida por materiales que pueden calidad de sub-base o de base dependiendo de su capacidad de soporte o CBR. La Figura Nº 1 contiene las curvas de diseño elaboradas por el USACE, en donde se observa que los factores tomados en cuenta para determinar el espesor de la capa granular de rodadura son: 1. El valor de Soporte de California (CBR) del suelo de sub-rasante 2. La intensidad del tráfico, en número de ejes simples equivalentes al eje standard de 18,000 libras de carga, en el periodo de diseño (N18).
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3.5.3 ANÁLISIS DEL TRÁFICO
Las conclusiones del estudio de tráfico indican que los volúmenes mayores de tránsito se producirán en los meses de verano, mientras que en el resto del año se tendrá un tráfico mínimo. Esta situación justifica la adopción de valores conservativos para diseño, los cuales pueden definirse en base a métodos aproximados. El criterio que se empleará entonces será el diseñar el pavimento adoptando un valor límite de tráfico que pueda soportar la vía, cuya determinación se expone a continuación. La carga y el volumen de tráfico juegan un rol importante en el diseño estructural de pavimentos, particularmente cuando tanto la carga como el número de repeticiones son altos. Sin embargo, cuando ambos factores tienden hacia valores mínimos su importancia como parámetros de diseño es relativa. Por ello, es raramente justificable realizar un complejo y preciso análisis de tráfico para caminos de bajo volumen, con menos de 500 vehículos por día. No obstante, siempre es recomendable tratar de establecer datos realistas, para cada caso específico, sobre todo si el tráfico proyectado es mayormente pesado. Por otro lado, es común la carencia de un registro sistemático de datos en caminos de bajo volumen, que permitan efectuar un análisis de tráfico exhaustivo, como sería deseable; en nuestro caso al tomar el conteo de tráfico hemos encontrado en promedio que solamente circulan 10 vehículos por día; tomando en consideración este aspecto y que en realidad los requerimientos de espesores de diseño para pavimentos tienen una variación poco sensible, para valores bajos de repeticiones del eje de carga equivalente, se aplicará para fines del análisis del tráfico un método aproximado. El método aproximado consiste en determinar un factor de composición de tráfico (M) basado en 3 categorías de porcentajes de camiones (bajo, 74
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mediano, alto) y 3 categorías de rango probable de la distribución de ejes de carga (liviano, mediano, pesado), de los camiones. Una vez estimado el factor M, el cálculo del número de ejes equivalentes a 18 kips, durante el primer año y durante el periodo de diseño (en función de la tasa de crecimiento), se realiza en forma convencional. Para el cálculo de Número de ejes Equivalentes (N18) se dispone de la siguiente información: Tipo de Pavimento
=
Afirmado
Carriles
=
1
Tráfico diario estimado y proyectado
=
15 v d.
Tasa de Crecimiento
=
2.5
Periodo de Diseño
=
10 años
Tráfico Pesado
=
< 10%
Se determinará el número total de repeticiones del eje equivalente de 18 kips. Usando el método aproximado. Para entrar al Cuadro nº 1 y determinar el Factor de Tráfico Mixto (M), se establece Porcentaje de camiones :
<14%
Distribución de cargas
:
Bajo
Del cuadro N° 1
:
M = 9 (para un sólo carril M=18)
El número total acumulado de ejes equivalentes de 18 kips (N18) durante el período de diseño es: N18= (TPD x M) (1+i)n-1 Ln (1+i) N18= (14+18x1) (11.4) N18=2,873 Considerando que es una carretera que va a servir para el bienestar de la población y va unir con diferentes poblados .se considerara: N18=20,000 ejes equivalentes 75
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3.6
EL SUELO DE RASANTE
El suelo de rasante es la capa superficial de las explanaciones y sobre el que construye la estructura el pavimento, El diseño del espesor del pavimento se basa en el valor de la resistencia mecánica de este suelo. Las curvas de diseño mostradas en la Figura Nº 1 se basan en el indicador de la resistencia del suelo mas difundido y que es el Valor de Soporte de California o C.B.R. (California Bearing Ratio). En el estudio de suelo realizado se ha encontrado que la capacidad de soporte del “suelo de subrasante” para el tramo se ha podido determinar que el pavimento de la plataforma desde el Km. 0+000 hasta Km. 12+421, se encuentra constituido por un material limo arcilloso de mediana plasticidad con escaso porcentaje de grava. Considerando la clasificación de los materiales, el estado de la dosificación y humedad, puede calificarse como regular, en todo el tramo, ello debido a que las secciones correspondientes se encuentran sobre suelos limo arcilloso de compacidad media y regular estado de humedad; tomando en consideración los criterios procedentes, los resultados de los ensayos de laboratorio, las observaciones de campo, para el análisis del CBR de la subrasante se ha encontrado un CBR del 11.8 % el cual se tomará como base para el diseño de todo el tramo. . 3.7
DISEÑO ESTRUCTURAL
Con los valores establecidos para el tráfico (N18) y la capacidad de soporte de la subrasante (CBR), se determina el espesor de la capa de pavimento afirmado (escala de lado derecho), empleando la curva “B”
del gráfico de diseño (Figura Nº 1), obteniéndose lo siguiente. Datos de Insumo:
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Desde el Km. 0+000 al Km. 12+421
CBR =
11.8 %
N18 =
20,000 ejes equivalentes
El espesor obtenido con su coeficiente de seguridad es: HD
=
8¨ 0.20 m.
METODO DE NAASRA
Aplicando el Método de NAASRA para caminos de bajo transito con los datos obtenidos: Entrando a la curva encontramos CBR =
11.8 %
N18 =
20,000 ejes equivalentes
El espesor obtenido con su coeficiente de seguridad es: 8” = 0.20 m
3.8
SOLUCIÓN PROPUESTA.
El Método para Diseño de pavimentos afirmados de USACE, establece la verificación de la calidad que deberá tener el material a utilizarse en la construcción de la estructura, ya que de dicho factor dependerá su perfomance respecto a las deformaciones permanentes (ahuellamiento) a través del periodo de diseño considerado. El cuadro N° 2 según el tráfico, y el CBR de la subrasante nos dará el espesor total del pavimento se procederá a verificar entonces la calidad del material de afirmado requerida para los espesores de pavimentos calculados. Datos de Insumo: Desde el Km. 0+000 al Km. 12+421
N18 =
10,000 ejes equivalentes
CBR =
11.8 %
HD
0.20 m.
=
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Aplicando el Cuadro Nº 2 obtendremos un CBR para lastrado: CBR al 100% de la Máx. Densidad Seca = 40% El valor calculado indica que los materiales a usarse en la construcción del pavimento deberán tener un CBR mínimo de 40%. Como puede verse en los resultados de los materiales de cantera, tal valor cumple con lo requerido que se puede obtener mediante procedimientos de producción económicamente aceptables, utilizando las canteras asignadas para tal material del lastrado.
3.9
REQUISITOS PARA EL MATERIAL DE PAVIMENTO
La solución propuesta para la estructura del pavimento de la carretera, consiste en una base granular de rodadura (lastrado) sin ningún tipo de acabado superficial bituminosos, por tal motivo los materiales utilizados en su construcción deberán satisfacer ciertos requerimientos físicos mecánicos que garanticen la bondad de su servicio durante el mayor período posible, es decir, buscando que la “vida útil” sea igual que el
en general, los materiales de granulares que conformarán las capas del pavimento lastrado deberán tener las siguientes características: “período de diseño”
1.
El tamaño máximo de agregado debe estar entre 1” y ½” con el objeto de
facilitar el mantenimiento, aumentar la resistencia y la durabilidad de la capa, así como para mejorar el rodamiento de los vehículos, teniendo un máximo del 6% que retenga la malla de 2¨, así mismo deberá pasar 40% como máximo la malla N° 4. 2.
3.
El porcentaje pasante del tamiz Nº 200 debe estar entre 10 y 25% según sea el tamaño máximo del agregado, con la finalidad de reducir la permeabilidad de la cara y disminuir la infiltración de agua de las capas inferiores. Los finos en una capa granular de rodadura sin revestimiento deben poseer un Índice de Plasticidad entre 4 y 9%, así como un límite líquido 78
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entre 20 y 35%. Los finos plásticos sirven como material cementante y ligante de la matriz granular, aumentando la durabilidad de la capa y reduciendo la pérdida del material de rodadura. La capa del pavimento afirmado estará constituido por gravas naturales sin triturar, mezcladas con la cantidad necesaria de finos locales para satisfacer la granulometría y plasticidad requeridas. Estas mezclas deberán experimentar valores de CBR mayores de 70% para ensayos de laboratorio en muestras moldeadas al 100% de la máxima densidad proctor (AASHTO T-180), y dentro de un rango de contenido de humedad del 3% y tendrá un C.B.R. mayor o igual al 40% al 95% de la máxima densidad. Así mismo, las pérdidas observadas en los ensayos de abrasión en la máquina de los Ángeles no deberán ser mayores al 50%. En cuanto a las consideraciones constructivas de compactación, la capa del pavimento deberá tener una densidad mayor del 95% de la densidad máxima obtenida según el ensayo proctor modificado (Norma AASHTO T-180-D).
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