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CARRETERAS, CALLES Y AEROPISTAS PRTiVCIPlOS G E N E R ALES D E LA MECANICA DE SUELOS APLICADOS A LA PAVIMENTACIdN Y METODOS PARA EL CALCULO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES POR RAGL VALLE ROODS INGENIERO CIVIL CUARTA EDICIdN LreRERlA "EL ATENEO'' EDITORIAL BUENOS AlRES - LIMA - RIO DE JANEIRO - ...

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CARRETERAS, CALLES Y AEROPISTAS PRTiVCIPlOS G E N E R ALES D E LA MECANICA DE SUELOS APLICADOS A LA PAVIMENTACIdN

Y METODOS PARA EL CALCULO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES

POR

RAGL VALLE ROODS INGENIERO CIVIL

CUARTA EDICIdN

LreRERlA

BUENOS AlRES

"EL ATENEO''

EDITORIAL

- LIMA - RIO DE JANEIRO - CARACAS - MEXICO - BARCELONA

MONTEVIDEO

Corno en ediciones anteriores, presentamos e n esta .$F cdicidtk las clasificc~cionesd e suelos lnds cmpleadas en la actwulidnd, irtnto cot!.21t1a breve descripci6n de 10s principales ensavos d e suelos y nlnfcrialev de con.~truccidnrelueionados con la pavimcntaci6n de cor rstrras. cnllcs j~ pistas d e aterrixaje. Asimismo, indicamos 10s nzt;toilos mcis ~ n l p l ~ a d en o s el clikzllo d e pavimentos flexibles. Todos 10s ettsayos de lahoratorio, me'todos de culculo y clasificaeiones de suelos, Itrr?? sido revisados y se 10s presenta e n esta edicidn con las m o d i f i c a c i o ~ ~ v s recienteme~ztc~fectuadus y apro badas por 20s principlcles orgunismos f bcnicos de vialidnd. Gran parte drl. nzaferiab ticnico d e este libro ha sido tornado libremente de zcn sitln t i ? n ~ r ot7e libros, f olletos ?/ .I-e.t!istas, p~lblicitdos en 10s Estados Unidos y E?{ropn, tanfo por argar~ismozroficiales cowto por entidudes particulnr~s. Sin e t t ~ b a r g o cube , destaear las publicaciones te'cnicus editadas perihiicarnente por la American Society of Civil Engineers, Americnn Association of State Highway O f f i c i a l s ( A A S H O ) , Hig hwag Research Board, Asphalt I n s t i t u t e y Departumentos de Curretcratr de los diferentes Estados de la Unidn. Al final d e cadn capftvlo indicamos la bibliografia consultada. Asimisnio, a1 f i m l del libro presentamos el texto completo d e 20s ensayos dc In bo,oator.io rnds ernpleado8 e n la actualidad y que hart sido adoptados como Me'todos Standard por la AASHO. Nos sentimos altan!ente honrados 1~ e x p r e s a m s una vex mhs nuestro agradecimiento a 20s colegas ingenieros y egtudiantes d e ingenieria, por la favorable aeogida que han dispensado a este libro.

PRlNCIPlOS GENEKALES DE LA MECANICA

DE SUELOS APLICADOS A LA PAVIMENTACION

P R I 3 1 E R A

P A R T E

S U E L O S 1. InccstiyaciLin tlct s i t i o 3 pet'fil del subslcelo. .?. Explornciha y obtencidn de muestrus: de prkstarno, tewccplcnes y subrasrr?~ trjs.

Zonas

3. Formacid~zdc 10s szlolos.

4. Factores de f o ~ m a c i l i l zdc 10s sztelos. 5. Caructeristicas clt: 10s sue1o.s.

,

6. Andlisis d e suelns y

ensaws a ~ e a l i x n r s c .

1.

I N V E S T I G A C I ~ NDEL SZTIO Y PEKFIL DEL SUBSUELO INVESTIGA4CI6rNDEI, SITIO

Por lo general, no se asigna a esta primera operacihn la importancia que merece. El estudio del sitio donde se proyecta construir un pusnte, un pavimento, etcktera, 1- particukrmente la operacidn de obtener muestras, se deja muchas veces en manos de personal poco experimentado. Tanto el estudio del sitio donde se proyecta levantar una estructura, como la obtenci6n de muestras, es de gran importancia y deberia hacerse bajo la direccibn y constante s upervisjbn de un ingeniero especialista en suelos, o de un ge61ogo. El estudio del suelo no debe limitarse a1 Iuyar por donde pasarA una carretera, o donde se levantar5 un terraplhn, un puente, etcetera, sjno que debe comprender toda la zona circunvecjna. El estudio del sitio debe comprender 10s yrincipales accidentes naturales del terreno, como ser: quebradas, riachuelos, zonas anegadizas, vegetaci6n existente, etcktera, datos estos que son rnuy valiosos para poder proyectnr sistemas de dre~aje,prevenir y evitar deslizamientos que pudjeran presentame posteriormente, etcktera. Asirnisrnn, el conocimiento de las oaracteristicas de la regi6n: si es, o no, una zon:~ Iluviosa, etcCtera, es importante. Los taludes de 10s cortes a efectuarse, de 10s terraplanes a construirse, 10s espesores de pavimento, etcktera, pueden ser rnodificados de acuerdo con estoa datos de campo. Hoy en dia el estudio del sjtio se ha ximpljfieado grandemente. pues ae cuenia Fa con una informaci6n valiosa y detallada proveniente de 10s levantamientos topograficos que se realizan, de 10s estudios ~eol6gicosde la regirjn y de los levantamientos aerof cltogrambtricos. Los mapas topogrificos, geol6gjcos, fotografias akreas, mosaicos. etcetera, proporcionai-i datos valiosisimos al jngeniero o ge6lngo que estA a cargo del estudio de una zona determinada.

RAOL VALLE RODAS

PERFIL D m SUBSUELO Una vez conocidos 10s perfires topogrk€icosde la zona por donde pawarit la w e t e r a , avenida o pbta de aterrizaje, y eshblecida que haya i d o la subrasante, es conveniente conocer el "perfil del subsuelo", es decir, conocer la9 c k s de material que forman el subsuelo a dif erentea grofundidades. w 1 -

~h%&@ggulaal&

empleado para la bmn ale "nficl€#') tie l e a .

FOTO~$AF~R. 1.-Wdro

indicamos en L figura 1 el perfil deI aubsuelo levantado en un tramo de ametera. Pox regla general, deben obtenerse muestras del material tanto en sitios que quedan gobre la ~ubrasantecomo debajo de ella. Las muestras que ae obtengan en 10s sitioa que quedan encima de h subrasante, nos permitiran conocer la clue de material que rse w r 8 en terraglenes y rellenos en generaI. En cambio, las mueshaa que ob-

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tengarnos en aquellos sitios que quedan debnjo de la subrasante, nos permitiran conocer las condiciones de estabilidad que presenta el terreno de fundaci6n del pavimento p de 11s obras de a r k a cons-

txuirse. Generalmente, las muestras son extraidm utilizando equipos dc perforaeibn de tip0 sthndard semejnntes a 10s ilustrados en Ins fotografias l y 2. Si hay rocaa, habrzi que obtener "nticleos" rle estas rocas. Como vemos por el perfil de la figura 1, las perforacjones pueden hncerse en Eorma escalonarla, de tal mod0 que aproximadamenk a la cota doilde tennine wna perfor,zei6n, cornience otra. Asi se evitar& l s ejecucion de un nirmero exa~eradode perforacionea. El distanciamiento de estas per.Soraciones estar5 eondicionado a las carat-

FOTOGRAF~A 2.- Equipn dr perrorxci6n "tipo Inalde" rmplc:tdo para 1%tumn dc muestras de suelos,

teristicas del terreno. Como podemos ver, cuanto m8s accidentado sea el terreno, mayores s e r h las dificultadex de trmsporte de1 equipo, suministro de agus para las mAquinas, etc4tern. Algunas seces es prhctieamente imposible trasladar o colocnr el equipo de perforaci6n en sitios escarpnclos. En tal csso habra que procurar hcer ensayos utilizando taladros pequefios operables n mano, como el indicarlo en

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la fotografia 3, y, contando con el asesor~mientode un geblugu, limitarse a hacer una clasificacirin general del material existente. 2 . EXPLORACIVN Y OBTENC16N

nE MUESTRAS

La obtencihi de muestras es una de las operacio~~es mas importantes, puea reyuiere no s61u conocimientos de suelos y materiales, sino experiencia para seleccionar el o 1 0 ~ i sitios donde deberAn tomarse las nluestras y determinar, adernas, In profundidad a la cual debera extraerse dichas mueatras. E n primer tCrmino, la muestra que se extraiga debe ser ?*r:pl.usPnftcfivcc, es decir. rlebe ser, en lo posible, una fie1 representacih del material existente en el sitio. Si la obtenci6n dc mi~estrauo "testigos" no hi* sido cuidadosnmetlte realizada, se corre eI riesgo de q u e las muestras obtenidas den una idea falsa del t r r r e n ~de fundacj6n o del material a emplearfc. Asi, un material disgregado que se reci'ne en laboratorio y que s e clasif ica coma suelo limo-arcillo-arenoso, puede que "in si tn" sea u n a roca meteorizada, un esquisto. por ejemplo, que a1 extraerse ha sido des:nenuzado. Si las m u ~ s t r a sobtenidns no son una fie1 repreaentaci6n clel material existente e n el sitio, 10s rnejores anilisis y ensnpos de laboratorio s e r a n inutilea y la informacibn que se obtenga de estnr; ensayoa puede ser m8s bien confusa y, a veces, perjudicial. Debemos tener siempre presente, que la investipacibn del lupar, asi como la obtenci6n de muestras es de capital impostancia, y estos trabajos. repetimos, debelr estar no s61o bajo la direcci6n xino tambikn bajo la constante supervisibn de ingenjeros, geciloaos, o e s p e c i ~ listas en suelos. CLASES LIE MUESTRAS En general, Ixs muestras pueden clasifierrrse en "~lteradax" e "inalteradas". Conlo sus nombres indican, muestras "alteradas" o "perturbadas" serAn aquellas cuya estructura haya sido alteraria. y muestras "inalteradas" o "sin perturbar" ayuellas que practici>mente conservan la misma estructura q u e Ia que tenian en el sitio d e donde fucran extraidas. Coma es 16gico suponer. se tomarin muestras "alteradas" cuando el material que se analice vaya a ser empleado en la construccion~ de terrapIenes, en la preparation de muestras estabilizadas, etcetera ;: es decir, cuando se lo utiliza como "material de construcci6n".

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RAOL VALLE RODAS

En cambio, se obtendrhn muestras "inalteradas", euando se necesite conocer las condiciones de estabilidad del terreno, como en el e~tudiode talndes, o cuando se desee conocer la capacidad d e soporte del terreno donde se construirh un puente, edificio, etcetera. U n a excepci6n a esta reg13 es la toma de muestrax para eI estudio de subrasantes, donde, como veremos m8s adelante, se pueder~ extraer muestras "alteradas", aunque, dentro de Io posible, debe procurarse que sean "inalteradas". ZONAS Dl3 PRBSTAMO Lo que interesa f undamentalmente en 10s "sitios de preatamo" q u e han sido seleccionados para obtener el material destinado a Ia construcci6n de una carretera, calle, o pista de aterrizaje, es conocer la clase o clases de materia1 existente y el volumen aproximado que p u d a ser excavable y removible. Para explorar una "zona de pr6stamo" en terrenos llanos o se-

FOTOCR.IF~A 3. - Equil>o dc pcrforaci6n liviano y de f j e i l n p e r n ~ i i r l pava ~ scr cmpleado en sitios de dificil HCCCSV.

miplanos, es preferible cavar fosos o abrir zanjas, extrayendo el material que se desee analizar, y en el caso de colinas o terrenos accidentados es aconsejable hacer cortev o excavaciones. Las dimensiones de los fosus, zanjas y cortes estAn sujetas a las

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caracteristicas del lugar y a la clase de material o ~naterjalesexistentes. Si para la exploracibn de "zonas de prkstamo", no resulta prictico ni econ6mico abrir zanjas, hacer tortes, o efectuar otro tipo d e excavation, se utilizaran taladros o miquinas perfuradoras, como las indjcadns en Ins fotografias 1, 2 y 3, para ohtener muestras deI material.

TERRAPLENES En los terraplenes debemos estudiar no s61o el material que forn~ark el ter rnplkn propiamente dicho, sirlo tamhien el terreno de fundaci6n sobre el cual descansarh el terraplkn que, como ga sabemos, debe yer firme y estable. La obtenci6n de muestras del terreno de fundacj6n se hnra por rnedio d e taladros de tip0 standard, semejantes a 10s indicailos en las fotografias 1 y 2, procurando obtener muestras "inal teradas".

SURRASANTES Definiremos como subrasante la superficie del terreno de fundacion sobre la cual se constrniri un pavimento. Para eatutliar este terreno de fundacibn, se deberin tomar rnuestras hasta una profundidad tal que 10s eufuerzos trasmitidos por 10s pesos de 10s vehiculos, reducidos a sus "c:trg:.as por rje" o "cargas por rueda", sean priicticnmente jnapreciables. Las "cargas por eje" que tienen 10s vehiculos pesados: camiones, rernolques, etchtera, que transitan generalmente por carreteras y au topistas, esthn cornprendidas entre 18.000 lb. (ejes simples) y 48.000 lb. (2 ejes tAndem) . Como generalmente estas "cargas por eje" se distribuyen sobre cuatro llontas, la "carga por Ilanta", o "carga por rueda" sera de 4.600 a 6.000 libras. Para mayor inforrnacion, con respecto a 10s tipos e intensidades dr. carga, vease el capitulo "M4todns basados en pruehas directas de carga sobre el terreno". C,onsideremos, a rnodo de ilustracibn, uno de 10s vehiculos de transl~ortem8s pesado ; por ejemplo, u n cami6n de volteo de 22 toneladas americanas (44.000 lb.). Estos camiones, llevan en las ruedas de tracci6n 4 llantas. Como aproxirnadarnente un 80(:;, de la carga total se reyarte sobre el eje posterior y un 20 : ; sobre el e j e delantero, tendremos que las ruedas mix cargadas seritn las del eje trasero, ~ o p ~ r t a n dcada o una de ellas 8.800 libras. Esta earga por rueda de 8.800 libras, que se reparte sobre un Bren aproximada de 150 pulgadas2 (suponiendo llantas de 18 x 24 pul-

F o ~ o c n A r f a5. - Ejrcutxndo 10s col-tes y rcllenos necesarios para dar a la cnrrctera el prrfil y rtbcrioncs que se inrlican en 10s planox. (Autol?ista Caracas - IAx Gunisx).

C A R R E T E R A S , C A L L E S Y AEl+OPISTAS

fi:irias), ejercerh svbre la superficie del terreno nn esfuerzu vertical cle u l w s 4 kg/cm2. A un metro de &ofundidtLd, evte esfuerzo disrninuir6 aproximadamente a 0,18kg:cln2.*,que equjvale a la presi6n q u e rjercerin sobre el sue10 un hombre parado de pies que pese unos 85 kg-. Ikbemos tener preseilte que !a carga por rueda de 8.800 Ib., es rni1,y alta, pues este ti110 d e cnmihn, que tomarnos por ejemplo, sillo opera a, cap:~citfad maxima clurante 10s trabajoa de construcci6n cle I I I M carreter:t. Asimismo, debemos tener presente que 10s vehiculos pe~:irlo.s con "cargs por eje" mayores tle 18.000 libras rt3present:ln. seglin estudios rfectuados en 10s Et;. UU.. scilo un 1 0 ",, del trdnsito tolill de vehiculos. Por 10 tanto, yodemos t~drnitirclue una explaracihn del terrerlo cle funtlacibn hasta un nietrv de profundirlad a partir de la subrasntite, nos tlarB suficiente rnargen de seguridari. La, profundidad tie 1.0 m., puede considerarse cnmo suf iciente para la torn:i de rnuestr:~~.

FlCllRh

2.

--

Prrfiles lonj$adinales y transversalea dcl terrrnil, indicnndo la poslcion aproximada de 10s estratos.

cilsox especiales podrin aumcutarse esta profundidad pero. por l o general, se considera innecesario pasar de 1.5 metro. La toma de muertrxs para el estudio de suhrasantes, se hace generalmente por medio de taladros nperados a mano. Estos taladros pneden ser helicoidales o de "cuchara", xernejantes a 10s usados en tr;ll)a;josagricolax. En algiinoa casox, cuando se extime necesxrio, se El1

I'ara el rGiculo de prcsiones a difcrentes profurldidades, consulte~~sc 10s t t > x tns sobre .2IocAnica dr Suelc)s.

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RAOL VALLE RODAS

Porot;ic,~~'f.~ G . - R f e c C ~ ~ n t ~un d omvte e n latle~a,en un tralno

rle

la rarthctera

Panamr~.lcanx (Iiep6blica tle Costa Rica).

F o ~ o o ~ a ~ 5. i .4 C o r k s cn terraza y t r l - ~ a p l e n r sen un tramo dr: la Autopista Caracas - La Gnxirx,

CARRETEXAS, CALLES Y AEROPISTAS

FOTOGRAP-i~ 8. -1nieiando

10s trabajos de movirniento de tierras de un c o r k cn caj6n.

sacaran rnuestras inaIteradas empleando en c i d a caso el m6tocio mas apropiado.

Una vez analizadas las muestras obtenidas, deben dibujarse tanto 10s perfiles longitudinales como 10s perfiles transversales clel

FOTOGRAF~A 9. - Jlando a l a cal relera. 10s toques finxlcs para obtener la secei6n y el perfiI requeridos.

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R n f r L VALLE RODAS

subsuelo. Para determinar el perfil longitudinal del subsuelo se sncan rnuestras a To largo cle la linen central de la via, generalmente carla 280 metros, cunndo sc trata de czlrreteras, y cadn 50 metros cuanclo se trata de ralles o aveniclas.

Para 10s perfilee transversdea dc1 subsuelo sc tomnrdn muestras cada 500 metros en earreteras y cada 100 metros en (zvenjclas p calks. Kstas distancias podran ser rnodificadas, de acuerrlo con lsts cnracteristiws de la obra y de la segi6n. E n la. figura. 2 ae hnllan represcntados algunos perfiles del terreno de fuadaci6n, por tl ebt~jo

-

I;'OTOCRAP~AS 10 y 1 I. Tl'lunos rltre t i ~ n r nel psvfil y serciones de diseiin,

listos para inicixrsc lo8 csturlioa (IF suclo que 7ervir:in para estal~lereiA cspesoy y el tipo de pnvimcnlo a emplrfivse. Nbkw en la fotografia 30 las z n n j n s rie cort,rlxci6n en la Aulo],i.;ta C:tmcns-J,a Guaira, PII YenezueFa.

CARRETERAS, CALLES Y AEI" a de un macadam

;/{'',

empleada ril la primetmacapa

de penetracihn.

netraci6n est5 comprendida entre 85 y 200. El espesor es, generalmente, mayor de 5 cm. (2"). Las capas f ormadas por las mezcbs bi tuminosas anteriormente indicacias, no deben tener espesores menores de 2,s cm. (1"j. Se recomienda 12.5 ern. (5") como espesor mhximo.

Fnror.nn~.~h li I . - P ~ i m r ~apIicaci6n a de asfalto (1,: litros i n:'., nproxirnarl:imcnlc), R In capa de pietlra indicarla en Ia foto~mfirtantrrintq.

P R ~ UDR R descripci6n m8s completa g detnllada acerca de 10s (liferentee, .tipos de mezclas biturninosas, empleados en la actualidad, consitltense 10s manuales pubIicados por el Institute de Asfalto dc Ins Kstadoa Unidos de Amkrica, u otras puhlicaciones rsjmilares.

??QTOGRAP~A 62. - Firdm picnda cFe :/;" a !4*',eolocada encima de la primera capa. Esta sr~unrlactipa de a p r g a d o es debidamente compaetadn con rodillos tiil~demy luego rwada con asfalto.

CARRETEBAS, CALLES Y A EHOPISTAS

8. ENSAYOS DE LABORATORIO DE ASFALTOS USADOS

EN PAVIMENTACION Las pruebas que comunmente se ejecutan con 10s asfaltos ernpleadoa en pavimentaci611, son Ias siguientes :

La consistencia de 10s cementos asf8lticos (semisillidos) se mide por medio de la prueba de penetracidu, la de 10s asfaltos liquidos mediante la prueba de viscosidad y Ia de 10s residuos que r e s u l t a ~des~ pu6s de volatilizar 10s cuerpos ligeros en 10s asfaltos liquidos, por medio de la prueba de penetracjhn si el residuo es semis6lid0, y mediante el ensayo de flotnci6n si el residuo es lirluido.

Se mide la consistencia del cement0 asfaltico, mediante !a hiuca de una ayuja cargada con nn peso de 100 gramos. E ~ t acarga es aplicada durante 5 segundos (Ver fig. 33). Cuando se e j e t u t a la prueba, el asfalto debe tener una temperatura de 25O C. (77'? F.). El erlsayo ejecutado bajo estas condjciones tiene el nombre de penetracioti normal. La unidad de penetracibn es de 0.1 mm. Cuanto m b bland0 sea el asfalto, mayor serA su penetracihn.

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F~GUR %A ? ( A ) . - Ensayo de penetracihn.

- FIG.23 ( B )

Detalle de la aguja.

PRUERA DE VISCOS1I)AT) La prueba de viscosidad, sirve para conocer la resistencia a1 escurrimiento (f luidez) d e 10s productos asf8lticos. La vivcoaidad se mide con un aparato llamado viscosimetro (ver fotografia 6 5 ) . h t e es de tipo "xtindard" y se conoce roll el nornbre de viscosimetro F u rol. Los resultados se indican como liscosidad Furol. El ensayo se ejecuta a una determinada temperatura, registrando el tiempo en segundocr que necesita un volumen de 60 cm3. dme liquid0 asf5ltico para Pluir a. travhs de una abertura de dimenviones conocidas (ver figura 34). Cuanto magor sea la viscouidad, mhs cerca estara el material de tener una consistencia, aenlisdida y , por lo tanto, mayor ser8 el tiempo registrado durarlte la prueba. La vjs,osidad de un product0 asfaltico disminuye cuando au temperatnra aumenta. Hay productos asfiLlticos cuya viscosidad es mas ficil medirIa a temperaturas mayores de 259 C. Las pruebas de v i ~ c...