Ingenieria de pavimentos - Alfonso Montejo Fonseca PDF

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PRESENTACiÓN © Primera edición, 1997 © Segunda edición, 1998 © Reimpresión segunda edición, 2001 © Segunda reimpresión de la segunda edición, 2002 Esta segunda edición de INGENIERíA DE PAVIMENTOS PARA CARRETE- ©Universidad Católica de Colombia RAS expresa la voluntad, la disciplina y el rigor con qu...

Description

PRESENTACiÓN © Primera edición, 1997 © Segunda edición, 1998 © Reimpresión segunda edición, 2001 © Segunda reimpresión de la segunda edición, 2002

Esta segunda edición de INGENIERíA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS expresa la voluntad, la disciplina y el rigor con que su autor ha asumido el estudio de su especialidad. Al hacer la presentación de este libro, quiero en primer lugar exaltar estas virtudes, porque las obras humanas son el producto de las condiciones personales.

©Universidad Católica de Colombia Ediciones y Publicaciones ©2002 Alfonso Montejo Fonseca Bogotá, D.e.

Las problemáticas de nuestro diario vivir, tienen desde luego, diferentes causas y por lo tanto, diferentes fuentes de solución. Una de ellas es el conocimiento como principio para la acción. Por eso, para la Universidad Católica de Colombia es realmente muy satisfactorio hacer entrega de esta obra, que es sin duda alguna un gran aporte para la comunidad académica especializada en el tema y para la sociedad misma, que en últimas debe ser la beneficiaria directa de la aplicación seria y juiciosa de los conocimientos que en materia de pavimentos, se consignan en esta nueva edición.

Coordinación editorial: Stella Valbuena de Fierro ISBN: 958-96036-2-9 Todos los derechos reservados. Prohibida su reproducción total o parcial por cualquier medio sin permiso del editor.

Felicitaciones para el Ingeniero Alfonso Montejo y nuestra voz de aliento en su tarea de estudioso de la materia y en su empeño -muy loable por ciertode querer transmitir y compartir todo su conocimiento a través de obras como ésta.

Diagramación y artes: Gráficas Ámbar Teléfono: 5486089 Diseño de carátula: Juanita Isaza Merchán

EOGAR GÓMEZ BETANCOURT

Presidente Impreso: Agora Editores Teléfono: 3104397

Impreso en Colombia

Printed in Colombia

PREFACIO

Sóio han transcurrido dos años desde la publicación de la primera edición de este libro sobre ingeniería de pavimentos para carreteras. Su rápida y favorable acogida por parte de los profesionales de la ingeniería vial, investigadores, docentes y estudiantes universitarios, ha sido el mejor reconocimiento que ha recibido el autor quien, en buena hora, emprendió la tarea de elaborar una obra actualizada sobre la mecánica de las calzadas, ciencia en la cual el desarrollo tecnológico y el conocimiento han evolucionado de manera espectacular durante las dos últimas décadas del presente siglo. La brillante trayectoria del ingeniero Alfonso Montejo Fonseca como funcionario de las entidades estatales rectoras en la ingeniería de carreteras, su amplia experiencia como docente en el área de pavimentos en reconocidas instituciones de educación superior y su incuestionable pericia como conferencista en un sinnúmero de foros nacionales de la viabilidad, son los factores que le han permitido preparar un libro que, además de alta riqueza conceptual y profundo contenido técnico, posee la sencillez y claridad necesarias para que su consulta sea amena y brinde fácil y rápida respuesta a las inquietudes del lector. Aquí radica, sin duda, el notable éxito de la obra. Quien escribe estas líneas conoce los sacrificios y desvelos que trae consigo la preparación de un libro técnico en el país y ha sufrido los efectos de la desprotección en que se encuentran los autores ante la publicación de ediciones no autorizadas. Por ello, aplaude sin reservas la abnegación con la cual el ingeniero Montejo se empeña en seguir sirviendo con desinterés a la comunidad vial colombiana al entregarle esta segunda edición de su libro, en la cual incluye temas de gran actualidad no abordados en la edición anterior, como los referentes a las últimas tecnolo~ías de los asfaltos, la estabilización

VIII _

ING. ALFONSO MaNTElO FONSECA

de suelos, el reciclado de pavimentos asfálticos y el control estadístico de la calidad de las obras. La culminación de una obra tan calificada como ésta n~ es, sin ,en:bargo, e: resultado de un esfuerzo meramente individual. Detras esta~a siempre e apoyo y el amor de los seres queridos. Por eso, como ~ompanero, coleg~ y amigo, felicito al ingeniero Montejo en nombre ?e qUle~es hemos logr~, o mejorar y actualizar nuestros conocimientos graCias a s~. libro, ~ero tambl~n debo hacer un reconocimiento a su señora y a sus hiJOS, qUienes muc o debieron sacrificar para que su esposo y padre pudiera entregarnos un

INTRODUCCiÓN

documento de tanta utilidad. FERNANDO SÁNCHEZ SABOGAL Ingeniero Civil Este libro constituye un texto básico, dentro de la ingeniería civil, en los cursos de diseño de pavimentos. También puede ser de utilidad como obra de consulta para profesionales . y técnicos dedicados a esta , especialidad. En la actualidad la tecnología de los pavimentos se ha desarrollado a tal grado de constituir un campo de nuevas especializaciones, por ello, y dado que en nuestro medio la información especializada en el campo de los pavimentos para carreteras se encuentra muy dispersa, el autor ha considerado necesario condensar parte de ella en el presente texto, a fin de contribuir a la difusión de los conocimientos que se han adquirido en nuestro medio sobre el tema. Esta obra está organizada en los siguientes capítulos: El Capítulo 1 contiene los elementos básicos de la ingeniería de pavimentos que necesitará el lector que desee comprender corretamente las aplicaciones. El Capítulo 2 presenta la metodología para la evaluación del tránsito vehicular existente y esperado para el período previsto de diseño.

(

El Capítulo 3 establece un sistema de estudio de los suelos, que se presentan a lo largo del proyecto el cual se orienta a definir las propiedades geotécnicas de éstos y la resistencia de la unidad típica para diseño. En el Capítulo 4 se presentan los métodos de estabilización de suelos con los aditivos y procedimientos más utilizados en el mundo y en especial en nuestro medio. Los Capítulos S, 6 Y 7 contienen los últimos métodos de diseño de pavimentos (flexibles, rígidos y articulados) propuestos por diversas entidas foráneas de investigación.

x-

ING. ALFONSO MONTElO FONSECA INGENIERíA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS _

En el Capítulo 8 se estudian las características geotécnicas de los materiales que se utilizan en la construcción y mantenimiento de los diversos tipos de pavimento y de forma suscinta se presentan las pruebas de control de campo y laboratorio, necesarias para lograr un correcto aseguramiento de calidad de la obra.

una localización alea~oria. ?e puntos de muestreo y un adecuado análisis de los resultados y la ap(¡cacron de reglas de decisión. A .tod~s I~s personas que han colaborado en este trabajo deseo expresarles mis mas ~m~ero.s ~gradecimientos, en especial al señor Decano de la Facultad d: Ingenlena Civil ?e la Universidad Católica de Colombia, ingeniero Rafael Pere~ Carmona, qUien con su apoyo entusiasta permitió que esta obra pudiera culmmarse.

En el Capítulo 9 se estudia la compactación de suelos y mezclas bituminosas, enfocándose ésta al logro de la permanencia de un comportamiento mecánico adecuado de las capas de un pavimento, a través de toda su vida útil. En el Capítulo lOse establece una metodología para la evaluación de los pavimentos en servicio y se presentan métodos de diseño de las obras de mejoramiento.

ALFONSO MONTElO FONSECA

Ing. de Vías y Transportes Especialista en Gerencia de Obra

El Capítulo 11 esta dedicado al estudio del reciclado de pavimentos flexibles, tema que en nuestro medio tiene una buena acogida, pero que aún presenta algunas dificultades en el diseño y construcción. En el Capítulo 12 se estudian las características de los asfaltos modificados y sus principales componentes. Este capítulo ofrece especial interés en mostrar al lector las ventajas que presentan los asfaltos modificados en las diversas aplicaciones de obra. El Capítulo 13 trata sobre una nueva técnica de aplicación del asfalto mediante un procedimiento de espumado. Esta forma de utilización del asfalto apenas se inicia y su aplicación en obra aún es incipiente y no muy desarrollada. En el Capítulo 14 se estudian las mezclas asfálticas drenantes, técnica que brinda importantes mejoras en la seguridad de los usuarios al proporcionar texturas de pavimentos lo suficientemente rugosas, para un adecuado contacto entre la llanta y la superficie de la capa de rodadura. Este tipo de mezcla suministra un adecuado drenaje superficial a la estructura del pavimento en épocas de lluvia. En el Capítulo 15 se presenta un resumen de los resultados de los estudios adelantados por los Estados Unidos en su programa SHRP, sobre los ligantes bituminosos y las mezclas asfálticas. En el campo de los ligantes se han definido nuevos tipos y ensayos de identificación de los mismos, totalmente novedosos. Algo similar ocurre con las mezclas asfálticas donde se aplican nueV05 criterios de diseño. Finalmente se ha dedicado el Capítulo 16 al estudio del control estadístico de calidad en el cual se plantea un modelo que establece un nivel de confiabilidad, un mínimo necesario de muestras a extraer en un programa de control,

XI

\

CONTENIDO V

PRESENTACiÓN •••

VII

INTRODUCCiÓN

IX

PREFACIO

CAPíTULO 1 PAVIMENTOS, CONSTITUCiÓN Y CONCEPTOS GENERALES.

1

1. Descripción y funciones de los pavimentos de carreteras . 1.1

Pavimento...................

1.2

Características que debe reunir un pavimento

1.3

Clasificación de los pavimentos .

2

1.3.1

Pavimentos flexibles . . .

2

1.3.2

Pavimentos semi-rígidos

5

1.3.3

Pavimentos rígidos

..

5

1.3.4

Pavimentos articulados

7

2. Las bermas

8

3. Factores a considerar en el diseño de pavimentos.

8

3.1

El tránsito . . .

8

3.2

La subrasante

9

3.3

El clima. . ..

9

3.4

Los materiales disponibles.

10

4. Obras de drenaje y subdrenaje en carreteras

10

4.1

Obras de drenaje

.......... .

10

INGENIERíA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS

XIV -

-

XV

ING. ALFONSO MONTEjO FONSECA

4.1.1

El bombeo.

4.1.2

Los bordillos.

4.1.3

Los lavaderos

4.1.4

Las cunetas

4.1.5

La vegetación

4.1.6 4.1.7 4.2

Zanjas de coronación . Las alcantarillas

Obras de subdrenaje 4.2.1

Subdrenes longitudinales

4.2.2

Capas drenan tes

Referencias bibliográficas CAPíTULO 2 ESTUDIO DEL TRÁNSITO PARA DISEÑO DE PAVIMENTOS.

2.1

Introducción . . . . . . . . .

2.2

Definiciones generales

2.3

Clasificación de los vehículos

2.4

Clasificación del tipo de vehículo de acuerdo con la disposición de sus ejes Carga máxima legal . . . . . . . . . Carga máxima legal . . . . . . . . .

2.5

Determinación del tránsito existente

2.6

Suputación del tránsito durante el período de diseño

2.7

Cargas equivalentes para el diseño de pavimentos.

2.8

Determinación del factor camión . . . . . . . .

2.9

2.8.1

Determinación del factor camión por el método de conteo y pesaje. . . . . . .

2.8.2

Determinación del factor camión por los métodos Mopt-Ingeroute Y la Universidad del Cauca . . . . . . . . . . . . . . . . .

Determinación del número de ejes equivalentes de 8.2 toneladas en el carril de diseño y durante el período de diseño (N) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

Referencias bibliográficas

10 11 11 11

CAPíTULO 3 ESTUDIO DE lOS SUELOS PARA DISEÑO DE PAVIMENTOS . . . . . . . . . . . . . . .

39

11

3.1

Definición de suelo y roca . . .

39

12

3.2

Origen y formación de los suelos

39

12

3.3

Características de los suelos residuales

41

12

3.4

Características de los suelos transportados

42

13

3.5

Clasificación de los suelos . . . . . . . .

43

13

3.5.1

Clasificación de suelos AASHTO

44

16

3.5.2

Clasificación unificada de suelos .

49

Investigación y evaluación de suelos para el diseño de un pavimento

60

17

Referencias bibliográficas

73

CAPíTULO 4 ESTABILIZACiÓN DE SUELOS.

75

17 17

18

4.1

19 19 19 19 25 31 31

4.2.

Introducción..........

75

4.1 .1

Estabilidad volumétrica

76

4.1.2

Resistencia

..

77

4.1.3

Permeabilidad.

4.1.4

Compresibilidad.

79 79

4.1.5

Durabilidad...

80

Suelos problemáticos comunes en colombia. Recomendaciones generales para su identificación y manejo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Suelos arcillosos blandos compresibles y suelos orgánicos

82

4.2.2

Suelos volcánicos .

83

4.2.3

Suelos expansivos .

85

4.2.3.1

Generalidades.

85

4.2.3.2

Identificación de suelos expansivos

87

4.2.3.3

Muestreo en suelos expansivos. . .

87

4.2.1 32

34

35

81

XVI -

ING. ALFONSO MONTE)O FONSECA INGENIERíA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS

4.2.3.4 4.2.4.

4.2.6 4.3

Determinación del porcentaje óptimo de cal

4.2.4.1

Reemplazo del material expansivo .

94

4.5

Estabilización de suelos con cemento

4.2.4.2

Aplicación de sobrecargas . . . . .

94

4.6

Estabilización de suelos con asfalto . .

4.2.4.3

Minimizar los cambios de humedad

95

4.6.1

4.2.4.4

Prehumedecimiento del suelo expansivo . . . . . . . . . . . . . .

Propiedades que presentan los suelos estabilizados con asfalto

95

4.6.2

Diseño de las mezclas

96/

4.6.3

Construcción

Estabilización de suelos expansivos

Precauciones para estudios y diseños de pavimentos sobre suelos expansivos . . . . . Técnicas comúnmente utilizadas en Colombia para tratar suelos expansivos . . . . . . . Generalidades sobre la estabilización de suelos . . . . . . . . . . . . . . . . .

97 98

99

99

"

119

Estabilización con ácido fosfórico.

4.8

Estabilización con cloruro de sodio

4.9

Estabilización con soda cáustica

4.10

Uso de polímeros y resinas . . . .

4.11

El drenaje como sistema de estabilización .

4.12

Estabilización electroquímica con aceite sulfonado

120 120

.

121 121

101

Acción del aceite sulfonado sobre las partículas del suelo . . . . . . . . . . .

4.3.3.1

Suelos

101

Densificación del suelo .

4.3.3.2

Cal . . .

101

Fundamento geotécnico .

4.3.3.3

Cal viva

102

4.3.3.4

Cal-Grasa

102

4.3.3.5

Cal Magra

103

4.3.3.6

Cales Hidráulicas

103

Influencia de la cal sobre las constantes físicas del suelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.5.1

104

Límite líquido- Límite plástico-índice plástico . . . . . . . . . . '. . . . .

104

4.3.5.2

Límite de contracción . . . . . . . .

105

4.3.5.3

Influencia sobre la textura elemental

105

Influencia sobre la densidad seca . . . . . .

105

117 118

..... . .

Materiales usados en la estabilización de suelo-cal . . . .

104

107

117

Características físico-químicas . . . . . . . . . .

Influencia de la cal en las características de los suelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

106

112

4.7

4.13

.

107

100

4.3.3

4.3.6

4.3.8

Estabilización mecánica . . . . . . . .

Objetivos de la estabilización con cal

4.3.5

Influencia sobre la resistencia de los suelos

4.4

4.3.2

4.3.4

4.3.7

94

Estabilización de suelos con cal . . . . . . . . . . 4.3.1

88

Métodos para minimizar los cambios volumétricos de la subrasante . . . . . . . . . . . . . . .

4.2.4.5 4.2.5

Técnicas de ensayo para identificación de suelos expansivos . . . . . . . . .

XVII

_

121 122 122 122 123 123

Capas estabilizadas

124

Referencias bibliográficas

124

CAPíTULO 5 DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES Y SEMIRíCIDOS PARA CARRETERAS . . . • . . . • . . .

.......

5.1

Introducción . . . . . . . . . . . . . .

5.2

Dis:ño de pavi~entos asfálticos en vías con bajos vo(umenes de transito . . . .. ....... . 5.2.1

Introducción.

5.2.2

Tránsito . . .

5.2.3

Estudio de la subrasante

5.2.4

Ejemplo de aplicación. .

129

129

130 130 130

133 135

XVIII -

INGENIERíA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS

ING. ALFONSO MONTEjO FONSECA

5.2.5 5.3

Selección de la estructura. . . ..

....

Método de diseño de pavimentos asfálticos. en vías con ... . medios y altos volúmenes de tránsito. 5.3.1

Introducción.......

5.3.2

Proyección del tránsito y cálculo del número de ejes equivalentes en el período de diseño .... para el nivel 1 . . . . . . ..

5.3.3

. ...... .

Evaluación del tránsito

230

161

5.4.2

La subrasante

231

5.4.3

Materiales de construcción

232

5.4.4

Figuras de diseño . . .

236

166

5.3.4

Factores ambien...