EVOLUCION DE LA GEOTECNIA EN LA INGENIERIA DE PAVIMENTOS (Primera parte)

Grupo CECATA. Universidad Javeriana

Fredy Reyes L, Ing PhD Profesor investigador de pavimentos, Director especialización en geotecnia vial y pavimentos de la Universidad Javeriana.

Carlos Montenegro Ing Civil Uniandes, Esp Geotecnia Vial y Pavimentos Universidad

Javeriana.

RESUMEN Los métodos actuales son generalmente empíricos y con frecuencia basados en el uso del ensayo CBR el cual fue abandonado en California hace unos cincuenta años. Este paper recolecta la investigación de muchos anos de los investigadores F. Brown, Gomes Correira, D Croney. Terzhagi, Skempton, Roscoe, Seed, Burmister, Paute , Bachelez, Jeuffroy, Terzaghi, Skempton, Uzan, y otros. Uno de los problemas de la mecánica de suelos es entender como responden los suelos y los materiales granulares al efecto de repetición de las cargas y la aplicación de este comportamiento al diseño de pavimentos con la ayuda de análisis teóricos apropiados y la comprensión de los mecanismos de falla. Las características del esfuerzo-deformación máximos no lineales son un distintivo particular y deben ser abarcados por la evaluación y el diseño. El ingeniero de pavimentos dispone de muchas herramientas para asistir sus diseños. Estos incluyen análisis teóricos, ensayos de laboratorio, campos testigos a gran escala con instrumentación apropiada. La resiliencia y la respuesta a la deformación de las arcillas, y los materiales granulares son revisados en el contexto de los requerimientos para el diseño. Los métodos de diseño esencialmente empíricos de la agencia de autopistas UK y su evolución es discutida a la luz del conocimiento de la mecánica de suelos. En contraste, el desarrollo mecánico, basado en aproximaciones es expuesto, en ambos con insinuaciones de la implementación del actual conocimiento en la práctica del diseño para fundaciones de pavimentos. Son mostrados paralelos entre el diseño de carreteras y carrileras, y también son revisados desarrollos acerca de lo más reciente. Una mirada al futuro que sugieren nuevas investigaciones, perfeccionan el entendimiento de los estados de esfuerzos efectivos bajo el pavimento y la aplicación de recientes trabajos teóricos acerca de suelos parcialmente saturados pueden formar las bases para perfeccionar la ingeniería de pavimentos en el futuro. 1. INTRODUCCIÓN Los pavimentos son estructuras de ingeniería civil usadas con el propósito de la operación de rodadura de los vehículos segura y económicamente. Según lo anterior, se encuentran un muy amplio rango de estructuras de pavimento dependiendo de la

naturaleza de los vehículos que se acomodan, las cargas de las ruedas involucradas y el número de cargas que se lleva a cabo en un periodo de tiempo dado. La Figura 1 muestra las diferentes secciones transversales para un número diferente de distintos tipos de pavimentos extendidos para vías con capas de ‘grava’, comúnmente encontrada en países desarrollados, para pavimentos flexibles de asfalto o rígidos en concreto. Las vías férreas son incluidas como otro tipo especial de pavimento en el cual el método de transmisión de carga al suelo difiere de una vía de automóviles o de un aeropuerto, pero en la cual los principios esenciales de la mecánica de suelos se aplican de igual forma. Un ingrediente esencial es que la mecánica de suelos donde todas las estructuras están en íntimo contacto con la tierra y existen muchas combinaciones o muchas capas no confinadas de materiales granulares. Por lo tanto, con una completa ingeniería de pavimentos es necesaria para entender los principios de la mecánica de materiales, los asfaltos, la tecnología del concreto, la estabilización así como también la más compleja configuración estructural usada en las vías férreas. La ingeniería necesita ponerse de acuerdo en la carga del vehículo, y del camión, avión, tráfico de la terminal del container y con la influencia del ambiente (notablemente la temperatura y el agua), en la estructura del pavimento. El uso apropiado de geosintéticos para drenaje, filtración, separación y refuerzo son también importantes como lo son el uso de otras técnicas de perfeccionamiento de tierra cómo la estabilización. Cada vez más, la profesión está llegando a concertar con la mejor evaluación y mantenimiento de los pavimentos que en el diseño y construcción de nuevos trabajos.

Figura No. 1. Sección Transversal de varios tipos de pavimentos

Este artículo no intenta abarcar todos los aspectos de la ingeniería de pavimentos o considerar todos los tipos de pavimento, pero si las generalidades de su fundamentación. Se concentra más en la importancia de la mecánica de suelos y por lo tanto en la fundación del pavimento, la cual puede ser definida tanto para una o más capas de materiales granulares no confinados colocados sobre el suelo de subrasante (Fig. 2). El suelo también puede estar inalterado, en cortes, o remoldeado, sobre terraplenes. Dado que la interacción entre la fundación y el asfalto o el concreto, es el diseño central del pavimento y los procedimientos de evaluación estructural, se debe tener alguna discusión sobre los materiales confinados y los mecanismos de falla que son requeridos. La aceptación de la aplicación de los principios de la mecánica de suelos para la fundación puede ser puesta en un contexto correcto. En orden, únicamente la construcción del pavimento asfáltico será considerada.

Figura No. 2. Definición de la Fundación del pavimento: (a) Vía; (b) Carrilera

Este artículo presenta el problema de diseño, donde se explican los antecedentes, esencialmente empíricos, la práctica y la presentación de los resultados más significativos de las investigaciones llevadas a cabo desde mediados de los 50’s con énfasis en los desarrollos recientes. La discusión cubre la filosofía de diseño, análisis teóricos, propiedades de los materiales, pruebas de laboratorio, pruebas de campo, experimentos pilotos a escala y extensiones del conocimiento actual de la práctica de la ingeniería. Aunque los procedimientos de la ingeniería de pavimentos varían un poco alrededor del mundo, los aspectos esenciales de la practica actual son generalmente comunes y hasta cierto punto empíricos. En vista de estos detalles y como esto podría ser perfeccionado para su implementación en investigaciones, la situación del UK (United Kingdom, o Reino Unido) es considerada. Un estudio de la mayoría de los trabajos de mecánica de suelos, tanto de revistas como de conferencias, desde los últimos treinta años demuestra que la mecánica de suelos para pavimentos ha llegado a ser una parte menor de la ingeniería geotécnica. Aunque ha habido una mayor cantidad de estudios de investigación sobre suelos y

materiales granulares para pavimentos, estos generalmente no han sido publicados o discutidos en publicaciones serias o conferencias internacionales. Además, como las investigaciones se han concentrado crecientemente sobre pavimentos de trabajo pesado, los problemas asociados con las capas bituminosas y de concreto han predominado. Las etapas tempranas del programa de reconstrucción de vías del Reino Unido en los finales de los años 1970’s claramente identifico la necesidad para el diseño justo de las fundaciones (Cox, 1980). Las excavaciones revelaron humedad e inadecuadas sub-bases con drenajes que habían perdido su función o que no tenían. Estas revelaciones, junto con la realización de algunos mantenimientos superficiales o estructurales de la mayoría de las autopistas tendrían siempre que requerirlo en intervalos en el futuro, basados en la necesidad de mejorar el diseño y formas de construcción para evitar periódicamente tener que reconstruir completamente el pavimento. Desafortunadamente, esta no fue acompañada por una investigación seria del Departamento de Transporte de los problemas complicados de la mecánica de suelos. De cualquier modo, la necesidad de fundaciones que no tuvieran que ser remplazadas pero pudieran servir bajo pavimentos rehabilitados en el futuro era aparente. Una esencial parte principal de esto fue la necesidad para mejorar el diseño de los drenajes y su mantenimiento. El papel principal del Laboratorio de Investigación de Transporte (TRL) ha sido siempre centrado en la práctica del desarrollo de la ingeniería de pavimentos en el Reino Unido. Después de la Segunda Guerra Mundial, ellos adoptaron procedimientos Americanos para las pruebas y diseños de pavimentos (Davis, 1949).Esto fue seguido por un programa extensivo en las capas bajas por el Dr. David Croney. Las investigaciones significativas de los estudios de las condiciones de agua bajo las superficies selladas continuaron por 15 años, aparentemente con el desarrollo paralelo de la mecánica de suelos. Las dos se encontraron en la conferencia sobre Presión de Poros y Absorción en suelos en 1960 en los cuales había diferencias aparentes de definición, de parámetros y de filosofía habían avanzado. Aplicación del principio de los esfuerzos efectivos fue central al problema. Esto y los aspectos relativos son analizados el la sección sobre el Desarrollo de Diseño de Pavimentos. Esto es importante para reconocer el pasado y presente de las prácticas en El Reino Unido para la caracterización de las subcapas para el desarrollo del diseño de las diferencias esenciales originadas de las de Terzhagi, Skempton, Roscoe y los otros pioneros de la moderna mecánica de suelos. Un programa de experimentos en escala real sobre vías publicas fue introducido por TRL, en los 60’s. El desempeño de estas esta basado en el diseño y las practicas de mantenimiento en el Reino Unido. Aunque solamente un 4% del trabajo total de las vías del Reino Unido son de responsabilidad del Departamento de Transporte, a través de la Agencia de Autopistas, los estándares y las especificaciones y recomendaciones de diseño dadas por este estamento (Agencia de Autopistas, 1994b) determinan la práctica para la mayoría de los pavimentos en el sector de las autopistas. La mayoría del sector de los pavimentos para aviones ha desarrollado sus propios procedimientos con una pequeña referencia de la experiencia de las autopistas del

Reino Unido pero con un denominador común en los desarrollos de la Segunda Guerra mundial de los Estados Unidos, aumentados por la teoría y práctica desde entonces (Autoridad Británica de Aeropuertos, 1993). Aparte del desarrollo independiente de la investigación de las subcapas del Reino Unido en el TRL., los requerimientos para la ingeniería de pavimentos son diferentes significativamente de la importancia en otras aplicaciones geotécnicas. Las diferencias esenciales pueden ser resumidas como sigue: (a) El suelo y materiales granulares existentes sobre el nivel freático, no siempre son protegidos por la carpeta impermeabilizada, ya que esta, no inhibe completamente el ingreso de agua. Por lo tanto, pueden presentarse condiciones de saturación y de suelo parcialmente saturado. (b) Los suelos y materiales granulares que hacen parte de un pavimento, están sujetos por grandes números de aplicaciones de carga, a esfuerzos de corte (como se muestra por los datos de campo en la obtenidos del ensayo de escala completa en Wakefiel (Brunton & Argde,1990)

(c) Bajo pavimentos parcialmente terminados, cuando el tráfico es aplicado directamente a las capas granulares, el número de aplicaciones de carga es menor, pero los niveles de esfuerzo son mucho mayores como se muestra en la figura. Estos datos fueron obtenidos del experimento de transporte de la arcilla blanda ubicada en Bothkerman en Escocia.

(d) Bajo una aplicación simple de una carga de la llanta en movimiento, el pavimento responde de una manera esencialmente resilente. No obstante, las deformaciones plásticas y viscosas pueden acumularse bajo el efecto de cargas repetitivas. Se puede hacer un análisis para la aplicación de teorías solamente elasto – plásticas (o elasto-visco-plásticas), como es usual en problemas de cargas monotónicas en geotecnia. Otras ramas de la mecánica de suelos las cuales tienen algo en común con los pavimentos, incluyedo la Ingeniería Sísmica y la Ingeniería de Fundaciones en altamar y el Diseño de fundaciones para maquinaria. En estos casos, existe el tema común de la repetición cíclica de las cargas. Es importante resaltar que el resiente profesor Harry Seal Seed, que contribuyo muchísimo en el entendimiento de la mecánica de suelos en el contexto de las cargas sísmicas comenzando su interés en las cargas repetitivas con los problemas de pavimentos (Seed et al 1995). Adelantándonos más, acerca de la más grande estructura fue empezada a diseñarse para la explotación petrolera del mar del norte en los años 70´s, la experiencia de las cargas repetitivas de las subcapas fue usada para desarrollar o cambiar los programas de investigación para arcillas con relación a las cargas de las olas.

Figura No. 3. Esfuerzo Vertical in situ medido en la subrasante: (a) debajo de 165mm de construcción asfáltica en Wakefield; (b) debajo de 350 mm de la capa granular en

Bothkennar La interacción entre los pavimentos y la mecánica de suelos y otras áreas que involucran cargas cíclicas han formado un elemento importante de estos trabajos del profesor F Brown en la universidad de Nottingham desde 1963. Un ensayo tentativo ha sido hecho al aplicar los principios de la mecánica de suelos al problema de los pavimentos dentro de todo el contexto del desarrollo de los métodos mejorados de diseño y la evaluación estructural. Uniendo el trabajo de la mecánica de pavimentos a la mecánica de suelos, ha sido un tema central así como también lo ha sido la evaluación de los métodos de ensayo apropiados y simplificados para ayudar a su implementación en la práctica.

2. HERRAMIENTAS DE INGENIERÍA DE PAVIMENTOS 2.1. Teoría Ha existido una extensa aplicación de la teoría de la elasticidad en el análisis de las capas de los sistemas de pavimentos. Burmister (1943) desarrolló las ecuaciones esenciales. Siguiendo al primer grupo de soluciones tabuladas, diversos programas de computador que fueron desarrollados para permitir la obtención de resultados en una forma conveniente. Hoy los más ampliamente usados son el “BISAR” y el “ELSYM 5”, programas originalmente desarrollados por investigadores de las compañías petroleras Shell y Chevron respectivamente. En ambos casos se asume que las capas de pavimento deben ser lineales elásticas y los valores de esfuerzo, deformación y desviación componentes de algunos puntos determinados en la estructura pueden ser calculados dada la geometría y la superficie cargada. Detalles típicos se aprecian en la figura 4. La carga de las llantas es representada por la presión uniformemente

distribuida sobre un área circular y configuraciones dobles o multiruedas pueden ser tenidas en cuenta.

Figura No. 4. Sistema Lineal Elástico para análisis de pavimentos

En los pavimentos reales la carga es transitoria, el suelo y las capas granulares (la fundación del pavimento) tienen marcadamente las relaciones de no-linearalidad del esfuerzo-deformación, las cuales son influenciadas por un rango de variables, y las capas asfálticas tienen propiedades que son sensibles a la velocidad de aplicación de las cargas y a la temperatura. La fig. 5-a. muestra la relación de presión esfuerzo-deformación para sedimentos compactos de arcilla determinada combinando in situ medidas de esfuerzo total fuerza y deformación (Brown & Bush 1972). Estos fueron obtenidos de la prueba de experimentos a escala guía sometiendo los materiales a placas dinámicas de carga y superposición in situ, medidas en diversas profundidades y orientaciones. La relación no lineal del esfuerzo-deformación, está claramente ilustrada. Datos similares de medidas en una capa de roca desintegrada son mostrados en la fig.5 (b) en la forma del módulo de Young es dibujado con el primer esfuerzo invariante de tensiones. No obstante estas no-linealidades, la habilidad de obtener estructuras elásticas de análisis de pavimentos ha probado la extremada utilidad en el desarrollo de métodos de diseño, particularmente cuando las características reales de los materiales constituyentes han sido apreciadas mejor.

Figura No. 5. No Linearibilidad desde medidas in situ: (a) Relación entre esfuerzo

cortante y deformación para una arcilla (después de Brown & Bus, 1972); (b) Modulo

Resiliente contra el primer esfuerzo invariante para rocas trituradas (Fuente: Brown & Bus, 1967)

La principal justificación para utilizar la teoría elástica es que bajo una simple aplicación de carga, más pavimentos responderán en una forma elástica. Alguna deformación irrecuperable será pequeña relacionada con el componente elástico. La Fig.6 muestra una deformación vertical puntual medida dentro de la capa asfaltica, como resultado de un movimiento de la carga de las llantas. Allí hay una respuesta de retraso elástico pero no de deformación residual. La validez de utilizar la teoría elástica lineal fue el principal objetivo de muchos y completos experimentos realizados en los 1960 y 1970.

Figura No. 6. Pulso de la Deformación Vertical en Pavimentos Asfálticos desde

medidas in situ Convencionalmente cada capa está caracterizada por el valor del módulo de Young y la relación de Poisson. En vista de las diferencias entre el comportamiento real y el idealizado de los materiales del pavimento, el parámetro “módulo elástico” fue introducido en California en los 50’s, siguiendo los trabajos pioneros de Francis Hveem, del Estado de Materiales de Ingeniería y del profesor Harry Seed y sus colegas de la universidad de California, Berkeley Hveem fue el primero en conocer las propiedades elásticas para la fundación y asociarlas con la incidencia de la falla por fatiga en superficies bituminosas (Hveem,1955). Seed y sus colegas realizaron repetidas pruebas de triaxiales en suelos compactos y definiendo el módulo resiliente como la magnitud repetida del esfuerzo desviador dividido por la fuerza elástica axial, que la hace equivalente al modulo elástico de Young. Una definición similar fue aplicada en trabajos posteriores por Hicks & Monismith (1971), cuando probaron materiales granulares compactos. Este trabajo es tratado mas adelante en la sección de Diseños y Desarrollos del pavimento. En la tecnología asfáltica, el termino rigidez – dureza, fue introducido por Van Der Poel (1954) y definido como una fuerza uniaxial divida por la presión uniaxial.

Cuando el componente de formación es esencialmente recuperable, este es nueva mente equivalente al modulo de Young, pero puede ser aplicado sobre un amplio rango de carga, tiempo y condiciones de temperatura. Los materiales bituminosos muestran comportamientos elásticos y frágiles comportamientos a bajas temperaturas y cortos tiempos de carga, el comportamiento viscoso al otro lado del espectro y visco- elástico, responde a condiciones intermedias. Para diseñar pavimentos cuando el movimiento del tráfico es considerado bajo temperaturas normales; la respuesta de una mezcla bituminosa a una pulsación de carga, será esencialmente elástica, como se muestra en la fig. 6. Los análisis lineales elásticos pueden ser utilizados con una confianza razonable para pavimentos con asfalto denso o capas de concreto, pero es inapropiado para capas no superficiales o capas delgadas de pavimento, a menos que los cálculos puedan ser tomados de comportamientos no lineales como se debate mas adelante. Para pavimentos en condiciones normales de movimiento de tráfico, una vez la velocidad vehicular, y por lo tanto el tiempo de carga es especificado y la condición de temperatura conocida, la capa bituminosa puede ser asumida para comportarse en una forma esencialmente elástica lineal. Inversamente cuando el pavimento responde a la carga es dominado por las propiedades elásticas de los materiales granulares y del suelo, sus características no lineales deben ser apropiadamente tomadas en cuenta en análisis teóricos. La no lineal esfuerzo-deformación, características de suelos y materiales granulares bajo repetidas cargas son tratadas en la sección sobre “Comportamiento de suelos y materiales granulares bajo cargas repetidas”. En la ingeniería de pavimentos, ha sido usual expresar el módulo elástico como función del nivel de esfuerzo aplicado. Para adoptar esto en análisis teóricos, han sido tomados dos métodos generales. El método simple encierra un procedimiento repetitivo usando el sistema de soluciones lineales elásticas. Las capas de material granular y suelos son subdivididos en subcapas para adaptar las variaciones en los módulos elásticos causados por los cambios en esfuerzos que ocurren con la profundidad. Los esfuerzos involucrados son ambos debido a la carga del tráfico y a la sobrecarga. El procedimiento analítico general es como el siguiente: a) Se subdivide las capas en subcapas de más grande en número y más exactitud. b) Estimar el valor del módulo de Young para cada estrato. Esto puede dar una valor

singular para todos los estratos de material granular y otros valores singulares para la subrasante.

c) Se computa el tráfico por el propio esfuerzo del peso en el centro de cada capa. Las actuales componentes de esfuerzo pueden depender de un modelo no lineal usado.

d) Ajustar los valores de los módulos resilentes de las subcapas por el camino de la modelación y volver a calcular los esfuerzos.

e) Repetir el proceso hasta que los valores del módulo resiliente usados para todas las capas sean compatibles con los cálculos de los esfuerzos.

Este procedimiento no toma en cuenta las variaciones de los esfuerzos en la dirección horizontal. Por lo tanto, la extensión lógica del proceso del análisis simple es adoptar el método de elementos finitos. Muchos de los análisis serios de pavimentos en la actualidad se acomodan a modelos no lineales de esfuerzo deformación, que ha usado un número de programas de elementos finitos, los cuales han sido desarrollados para los problemas del pavimento. Esto incluye SENOL (SEcant modulus Non –linear análisis Brown & Papin, 1981) y el desarrollo de FENLAP (Finite Element Non-linear Análisis for Pavments) en Nottingham, GT PAVE (Tutumluer & Barksdale, 1995) del Instituto de Georgiano de tecnología. FENLAP usa una idealización de asimetría en la estructura del pavimento bajo una carga circular vertical (Fig. 7). Las condiciones del límite están disponibles en la figura 7 (d´Almeida 1993) parece ser más realista. Duncan (1968) sugirió que el análisis debe extenderse 50 veces el radio del área cargada en la dirección vertical pero podría limitarse horizontalmente a 20 veces el radio. Para minimizar tiempo de la cálculo, el límite más bajo en FENLAP se representa como un que puede caracterizarse de varias maneras. Puede incluir una base rígida que puede ser de usada cuando se analice el pavimento, por encima de la tierra, en una piedra poco profunda o cuando otra inclusión rígida se presente.

Figura No. 7. Representación de FENLAP de la estructura de un Pavimento (Fuente:

Almeida, 1993)

Ocho nodos simples en los elementos rectangulares son usados con la generación de la malla automática. Los datos de la entrada incluyen los pesos unitarios de materiales, la posición de nivel freático, los valores estimados de la succión y los valores de K0. Esto le permite al usuario reconocer los valores que los esfuerzos laterales pueden acumular en las capas granulares como resultado del proceso de compactación. Esto es análogo al resultado de la sobre consolidación en arcillas lo que conduce a que K0 >1. Esto ha probado la dificultad en la practica de la medida de Los esfuerzos laterales residuales. Algunos resultados de ensayos box (box test) en cascajo o balastos de ferrocarriles reportados por Stewart (1985) indican que los valores de K0 crecen hasta 11 y los autores consideraron que valores por encima de 6 pueden ser posibles en la practica. El procedimiento del cómputo en FENLAP tiene lugar en dos escenarios, repartiéndose sucesivamente su propio esfuerzo causado por el peso seguido por la aplicación de la rueda de carga. Las relaciones esfuerzo -deformación para cada material pueden ser seleccionadas en un menú de posibilidades. La capa bituminosa es considerada como elástica-lineal. El esfuerzo del peso propio ubica los valores iniciales del módulo de Young y de la relación de Poisson para cada elemento. Los esfuerzos causados por la rueda de carga son luego computados y sumados a los a los valores del peso propio. Sigue un proceso reiterativo hasta que los valores de los parámetros elásticos se estabilizan. Éstos son los valores secantes pero, como los efectos de la rueda cargada son de esencial interés, los valores de la cuerda o ‘chord’ que se movilizan únicamente por la rueda de carga que puede ser calculada .Los esfuerzos correspondientes y los desplazamientos de estos son de interés en el diseño. Fig. 8 ilustra estos puntos.

Figura No. 8. Definición de la deformación resiliente en cálculos de elementos finitos

Uno de los problemas encontrados por todos los investigadores en el desarrollo de los programas de análisis de elementos finitos, en sistemas que involucran materiales

granulares compactados sobre suelos, consiste en la tendencia a calcular el esfuerzo de tensión horizontal en el fondo de la capa granular. Puesto que los materiales no confinados tienen insignificantes fuerzas de tensión aparte de que inducen la succión y la trabazón entre partículas, ajustes en los procedimientos de cálculo son normalmente aplicados para evitar falsos errores en las condiciones desarrolladas de ciertos elementos. Estrictamente hablando, si los modelos constitutivos para materiales son precisos, cada corrección no puede ser requerida. De manera que, en la realidad estos lo son. En el programa SENOL, un valor del módulo resiliente de Young igual a 100MPa es asignado a cualquier elemento en donde el esfuerzo medio normal efectivo llega a ser el de tensión, este esfuerzo es el valor neto causado por la sobrecarga. En FENLAP, un procedimiento de ‘no-tensiónes adoptado usando el principio de esfuerzos de transferencia (d’Almeida, 1993). Esto implica la especificación de una fuerza nominal de tensión. Si el calculo del esfuerzo principal de tensión excede esto, este será puesto en cero y una redistribución de los esfuerzos será calculada. Esto aplica para la dirección tangencial, la cual es también la dirección del esfuerzo principal. En el plano radial, el máximo esfuerzo de compresión es asumido para permanecer constante, y el círculo de Mohr es desplazado para eliminar el esfuerzo de tensión como se muestra en la Fig. 9.

α α

τ

σσ3

(σ2,τ)

Original Stresses

(σ2∗,τ2)

(σ.f∗,τ∗) (σf,τ)

σ1∗ σ1

Corrected Stresses

Figura No. 9. Corrección del Esfuerzo de Tensión en FENLAP (Fuente: d’Almeida,

1993) Rowe (1995) tiene desarrollos recientes de un programa de elementos finitos llamado PACE. Este permite que las capas bituminosas sean caracterizadas por modelos reológicos visco-elasto-plásticos con una perspectiva de la mejor representación del actual comportamiento de una mezcla bituminosa bajo un rango de carga y condiciones ambientales. En este escenario en el desarrollo del programa, las capas de fundación del pavimento son modeladas como elásticas lineares. Este programa proporciona un mejor cálculo del ahuellamiento en las capas asfálticas y proporciona valores de la energía de disipación bajo la repetición de cargas para ser determinado como un indicador de la falla de desintegración (cracking) por fatiga en las capas bituminosas (van Dijk & Visser, 1997).En el futuro, combinando los méritos de FENLAP y PACE un

paquete o programa de análisis comprensivo será asequible al modelo de comportamiento de un pavimento flexible más correctamente. 2.2. Experimentos en pavimentos Introducción. Un enorme número de experimentos a gran escala y a escala reducida han sido conducidos para obtener un conocimiento de la respuesta del pavimento a las cargas dinámicas de llantas. Una apropiada instrumentación ha sido desarrollada para monitorear los parámetros clave. Otros experimentos, han sido una inquietud para el monitoreo del deterioro del pavimento bajo el tráfico y los ciclos ambientales. Experimentos parecidos no han incluido mucha instrumentación, pero, se han basado en observaciones y medidas. El experimento del TRL sobre A1 al Alconbury Hill (Lee & Croney, 1962) y el ensayo ASSHO Road Test (Liddle, 1962) en Illinois son clásicos ejemplos de este tipo de experimentos, datos de estos experimentos han formado las bases de los métodos de diseño empíricos de pavimentos ampliamente usados hasta el día de hoy. Dispositivos de carga acelerada. Otra serie importante de experimentos, principalmente los afectados por el deterioro de pavimento, son aquellos que implican dispositivos de carga acelerados a escala real. El programa más extenso fue realizado en Sudáfrica usando el Simulador de Vehículo Pesado (HVS) (Walker, 1985). Este dispositivo es móvil y varias unidades fueron usadas en sitios diferentes para probar secciones de pavimento en su condición construida. Usando altas cargas vehiculares repetidas y durante varias semanas, simulando el equivalente de la carga del tráfico de muchos años. Varias técnicas básicas fueron usadas para investigar como los pavimentos se deterioraron como consecuencia de este régimen de carga. Los apiques y el examen de cada capa después de un período de tráfico permitieron al desarrollo de mecanismos de falla para ser supervisados. El inmenso banco de datos generado por el programa de prueba de HVS formó la base para el sistema de diseño de pavimento sudafricano (NITRR, 1985a), el modelo teórico fue usado para interpretar los resultados de investigación y ampliarlos para diseñar. La mayor parte de los datos obtenidos de estos dispositivos de carga acelerada se han relacionado con mecanismos de falla, principalmente en las capas ligadas del pavimento. Por consiguiente, el conocimiento de la mecánica de suelos ha sido acumulado. La Fig. 10 ilustra datos típicos para pavimentos con diferentes características de capas granulares. Las ventajas de usar una roca triturada densa de buena calidad, tipo G1 (NITRR 1985b) son claras. La influencia de drenaje eficaz también puede ser apreciada. En Nottingham, un instrumento de guía (Brown y Brodrick, 198 la) ha sido usado durante más de 20 años para estudiar una serie de problemas de pavimentos en condiciones controladas. Las cargas hasta 1.7t y velocidades de 16Km/h pueden ser aplicadas sobre pavimentos construidos a 1.5m de profundidad, 4.8m de longitud y 2.4m de ancho.

Figura No. 10. Influencia del agua, drenaje y tipo de material granular en la

acumulación de la deformación permanente (Fuente: Freeme & Servas, 1985) Instrumentación del pavimento. Para experimentos que impliquen instrumentación situ, varios transductores han demostrado ser eficaces en la supervisión tanto respuesta individual de cargas vehiculares individuales como los cambios en esfuerzo, deformación y deflexión con la carga repetida. Además de estos tres parámetros, también han sido medidas anteriormente y con gran éxito temperaturas y presiones de poro, usando termocuplas simples, éste último con menos éxito. Esto es desafortunado, ya que la determinación de esfuerzos en y debajo de pavimentos implica el esfuerzo total, entonces sin las medidas de succión o de presión de poro, el estado de esfuerzos efectivos es confiablemente conocido. La instrumentación apropiada es revisada por Brown (1978) y esto aplicado como guía en experimentos a escala natural; en Nottingham es descrito por Brown y Brodrick (1981b). Los instrumentos más usados han demostrado ser una celda de presión que incorpora un diafragma calibrado de deformación simple e induciendo espirales de deformación. Para experimentos a escala natural realizados en Sudáfrica y Australia, el deflectómetro multi-profundidad también ha demostrado ser sumamente útil para medir deflexiones en varios puntos dentro de la profundidad de un pavimento (Basson et al., 1981). Una técnica prometedora de bajo costo para medir el contenido de agua actualmente es usada en E.E.U.U en secciones de prueba de pavimento forman parte de los experimentos de funcionamiento de la Administración Federal de Carreteras. El Time Domain Reflectometry (TDR) principalmente es utilizado por insertar una sonda de tres puntas en el suelo. La transmisión y la reflexión de un pulso electromagnético permiten una longitud aparente de la sonda para ser determinadas. Esta es una función de la constante dieléctrica del suelo constantes que directamente proporcional con el contenido volumétrico de agua que usa ecuaciones creadas por Topp et al., (1984). El contenido habitual de agua por la masa entonces puede ser calculado sabiendo la densidad seca del suelo. Los experimentos de pavimento Bothkennar. En 1987, la Ciencia y el Consejo de Investigación de Ingeniería compraron un terreno de arcilla suave en Bothkennar cerca del Estuario Forth y lo estableció para experimentos de investigación geotécnica a

escala natural. Los detalles del sitio y los resultados de pruebas extensas sobre la arcilla son descritos en Greenwood et al., (1992). Una pista de pavimento sin rodadura fue construida en 1989 incorporando 16 secciones de prueba con el objetivo principal de estudiar el efecto de refuerzo de varios geosintéticos colocados en la interfase entre una capa granular y la arcilla (Little, 1993). Los datos que fueron analizados sobre el funcionamiento de estas secciones bajo cargas vehiculares repetidas que fueron usadas para evaluar métodos de diseño para vías de transporte reforzadas y no reforzadas. Más de 400 instrumentos fueron instalados cerca de todas las secciones analizadas. La disposición de instrumentación fue diseñada para medir efectos específicos relacionados con suposiciones en los métodos de diseño. Los espirales de deformación inducida, fueron usados para medir tanto la deformación transitoria bajo una carga vehicular que pasa, como la acumulación de deformación permanente bajo las cargas repetidas. Los piezómetros de entrada de aire fueron instalados 200 mm debajo del nivel de la subrasante, pero demostraron poco éxito en la práctica, ya que ellos medían la succión y el aire fácilmente entró en el sistema. Los tubos verticales fueron instalados en cuatro posiciones a lo largo de la vía para determinar la posición del nivel freático. La carga de los pavimentos fue proporcionada por un camión con las cargas por eje conocidas que siguen la línea de centro de las secciones, la Fig. 11 (a) muestra salidas típicas registradas de un par de espirales de deformación que mide la deformación vertical en el nivel de formación, mientras que la salida desde una celda de presión en la misma profundidad es presentada en la Fig. 11 (b).

Figura No. 11. Salidas Típicas (a) Registradas de un par de espirales de deformación; (b) de una celda de presión.

2.3. Ensayos de Laboratorio La Figura 12 ilustra el régimen de esfuerzo general experimentado por un elemento de material debajo de una estructura de pavimento como consecuencia de una carga vehicular móvil sobre la rodadura, es decir el plano longitudinal, hay pulsos de esfuerzos vertical y horizontal acompañados por un pulso doble de esfuerzos cortantes

con una inversión de signo sobre los planos horizontales y verticales, la Fig., 13 muestra el modelo asociado de esfuerzos principales que ilustran la rotación de los planos principales. Para los elementos de material en la parte inferior de una capa asfáltica o de concreto, los esfuerzos horizontales son los tensores, por otra parte son de compresión, una aproximación a pruebas de laboratorio es seleccionar el equipo que reproduce la situación de campo.

Figura No. 12. Condiciones de Esfuerzo bajo una carga de rueda en movimiento: (a) esfuerzos en el elemento del pavimento; (b) Variación de los esfuerzos con el tiempo

Claramente, para el pavimento esto exigiría instalaciones complejas. Una situación cercana para presentar estas condiciones puede ser obtenido por el empleo de un Hollow Cylinder Apparatus (Aparato de Cilindro Hueco) (HCA), este permite el control tanto de esfuerzos normales como de esfuerzos cortantes en una similar con el caso in situ como se muestra en la Fig., 14, la carga Repetida HCA´s ha sido desarrollada en la Universidad de California, Berkeley (Alavi, 1992), principalmente para probar materiales bituminosos, y en Nottingham para materiales granulares.

Figura No. 13. Esfuerzos en un elemento del Pavimento: (a) Esfuerzos Principales –

Elementos Rotados; (b) no rotación – respuesta del esfuerzo cortante.

Figura No. 14. Condiciones de Esfuerzo en el ensayo del Cilindro Hollow

(Chan y Brown, 1994), tuvieron interés en el HCA en parte por los problemas asociados con el Aparato de Cortante Simple (SSA), que también tiene el potencial para reproducir el rango de esfuerzos in situ. La mayoría de las dificultades con el SSA eran las aplicaciones de condiciones de esfuerzo uniforme y la medida exacta de esfuerzos y deformaciones sobre el espécimen en condiciones de carga repetida. Shaw y Brown (1986) describen un SSA en el cual los esfuerzos vertical y de cortante pueden ser aplicados cíclicamente, pero para el que los problemas de medida de esfuerzos fueron identificados. Ya que el HCA Y SSA son esencialmente instrumentos de investigación y han limitado la productividad, la mayor parte de pruebas de suelos, materiales granulares y ligantes para pavimentos ha implicado configuraciones más simples. La aproximación que ha sido concentrada en esa parte del régimen de esfuerzo aplicado más significativo, o realizar un programa de prueba más fundamental que usando esfuerzos invariantes, Esta aproximación permite el régimen de esfuerzos para ser expresado en términos de cortante octaedro y esfuerzos normales y para estudiar la respuesta del material en el laboratorio bajo un rango de valores para estos dos parámetros. Esta última aproximación implica asumir que los materiales son isotrópicos y presentan problemas en relación con la rotación de planos principales. Sin embargo, Brown (1975) demostró esta aproximación para capas asfálticas y Brown y Bell (1977) lo adoptaron en cálculos predictivos para el ahuellamiento de pavimentos bituminosos. Los datos relatados por Chan y Brown (1994) para materiales granulares indicaron que el cortante invertido es sólo de importancia considerando el desarrollo de deformaciones plásticas. La aproximación del invariante que se toma como la base para el uso de carga repetida triaxial ha sido probado en estudios de suelos y materiales granulares en años recientes (Boyce 1976). La Fig. 15 muestra el aparato desarrollado en Nottingham para probar especimenes de suelo de 75mm de diámetro bajo carga cíclica. Las características esenciales son:

a) El empleo de un sistema cerrado de carga servo-hidráulico para el ciclo de

esfuerzos desviadores y de confinamiento b) la medida exacta de deformaciones axiales y radiales directamente sobre el

espécimen de prueba usando LVDTS y transductores de proximidad respectivamente

c) la medida de carga axial sobre la lámina superior d) la medida de presión de poros tanto en la lámina inferior como cerca del centro del

espécimen; el transductor central es localizado antes de la consolidación de especimenes reconstituidos, pero no es usado para muestras de campo

e) el control computarizado y la adquisición de datos.

Figura No. 15. Equipo para el ensayo Triaxial de carga repetida para suelos (Fuente: mRaybould, 1992): (a) Sistema de Esfuerzo axial y deformación; (b) Sistema de

Esfuerzo confinado y deformación radial Este equipo es totalmente descrito por Brown (1980) y Raybould (1992). Esto ha sido usado para estudios que se relacionan con las estructuras de fundación (Brown 1977) y carga de sismo (Raybould y Brown, 1993) además del prob1ema del pavimento de interés aquí. Para ensayar materiales granulares con tamaño de partículas hasta 40 mm, un triaxial más grande fue desarrollado en Nottingham para especimenes de 150mm de diámetro (Brown 1989). La Fig. 16 muestra este aparato que contiene la mayor parte de los rasgos relevantes del suelo más pequeño probando la facilidad. En este caso, las deformaciones radiales son medidas por aros de deformación de un molde epóxico adaptados con un lámina de metal que calibra tensión.

Figura No. 16. Equipo para pruebas de materiales granulares con el Triaxial de cargas

repetidas (Fuente: Brown et al., 1989): (a) Equipo de Diagramas de carga; (b) Transductores de Posición de deformación.

El aparato similar ha sido usado en Francia (Paute 1993), mientras especimenes 400 mm día. Fueron adoptados en el equipo holandés desarrollado por Sweere (1990). Él demostró que el diámetro grande era necesario para acomodar partículas con tamaño hasta 40mm y obtuvo resultados inexactos obtenidos usando el espécimen más pequeño. Igualmente, si la clasificación es reducida o las fracciones más grandes son omitidas cuando se usan especimenes más pequeños, se obtienen datos no representativos. . En tiempos recientes, piezas simplificadas del aparato han sido desarrolladas para el uso en la ingeniería práctica, sacados de las instalaciones más complejas usadas en estudios de investigación, Para mezclas asfalticas, el NAT; Nottingham Asfalth Tester (Cooper y Brown, 1989), ha surgido como un instrumento práctico y confiable para medir las propiedades mecánicas de materiales asfálticos. El desarrollo de instalaciones de pruebas comparables, simplificadas para suelos y materiales granulares no ha progresado tanto como las mezclas asfálticas. Esto es algo sorprendente ya que la carga repetida en el triaxial ha sido usado en EE. UU desde los años 1950´s (Seed 1955). Transportation Research Board de E.U publicó una guía detallada para tales pruebas en 1975 (el Consejo de Investigación de Transporte 1975) y allí hay una especificación AASHTO para tales pruebas (AASHTO, 1986). Como las pruebas de suelos son intrínsecamente más difíciles de realizar que las de asfalto, las pruebas simplificadas presentan más de un cambio, uno de los principales problemas es la preparación de especimenes confiables y representativos. Sin embargo un reciente trabajo en Nottingham en conjunto con el TRL ha intentado desarrollar pruebas prácticas para suelos y materiales granulares los cuales pueden ser adoptados para propósitos de diseño. Esto acomoda especimenes de 100mm de diámetro en una celda estándar y es encajado con la deformación sobre el espécimen midiendo los

transductores que son fáciles de ensamblar. La Fig. 16 muestra la técnica usada para la deformación axial, el elemento activo empieza una deformación calibrada por una tira de bronce sobre un ensamble que pesa solamente 26g. Las medidas son hechas en posiciones diametralmente opuestas. Estos transductores son para leer pequeños deformaciones resistentes bajo carga repetida y pueden realizarse a 28 micro deformaciones. El LVDT externo es usado medir las deformaciones plásticas más grandes y deformaciones totales en pruebas monotónicas de falla. Para la deformación radial, los mismos transductores son usados en cuanto a la facilidad de carga cíclica (Fig. 15 (b)).El objetivo para cada transductor es 30mm cuadrados de papel de aluminio colocado dentro de la membrana de látex. Las deformaciones radiales pueden ser realizadas a 10 micro deformaciones. Ninguna provisión es hecha para la medida de presión de poro, ya que los especímenes, en general, parcialmente serán saturados y recomiendan la determinación de la absorción del suelo independiente. La carga axial es medida por una celda de carga formada de deformación calibrando una sección estrecha de la barra que carga dentro de la celda triaxial, una técnica usada antes por Austin (1979). La carga aplicada es controlada por un regulador electro-neumático ubicado cerca del actuador. Los esfuerzos desviadores hasta 200 kPa pueden ser aplicados. El medio de presión de confinamiento es el aire con un valor máximo de 200 kPa, pero sin facilidad para aplicación cíclica. Un sistema automatizado es usado para controlar experimentos y supervisar los datos. Un ambiente de Windows con el software de DCS (Sousa y Chan, 1991) proporciona un control muy fácil de usar y un sistema de adquisición de datos. Los especimenes de prueba son de 280mm de diámetro que, después de un estudio en otro lugar, fue considerado adecuado para la partícula de tamaño hasta 40 mm reconociendo que pocas partículas gradadas de este tamaño en realidad son incluidas a este tamaño nominal máximo. El esfuerzo de confinamiento constante es aplicado usando un vacío parcial interno con accesorios porosos en ambas láminas, permitiendo así, a la celda triaxial ser prescindido Este arreglo permite esfuerzos de confinamiento hasta de 90kpa. La carga axial puede ser aplicada de tres modos diferentes según la disponibilidad de instalaciones. Si circuito cerrado servo-hidráulico está disponible, entonces este sistema puede proporcionar el control de carga habitual sofisticado para pruebas de carga monotónicas o repetidas. Un hidráulico manual, puede ser usado para la carga repetida simple para determinar las características resilientes que, para estos materiales, no son sensibles con estos valores de carga. Sin embargo, sólo un número limitado de aplicaciones de carga puede ser aplicado. Un simple dispositivo de martillo –manejado manualmente que cae es algo más conveniente para la carga repetida para estudiar la acumulación de

deformaciones plásticas. 10kg de masa que cae a alturas hasta 500mm proporciona esfuerzos máximos hasta 700kpa. Una celda de carga es localizada inmediatamente encima de la lámina superior. El espécimen de prueba es sellado con una membrana de PVC mientras el molde de compactación es quitado después del uso del vacío interno parcial. La medida axial es efectuada por LVDTS entre bloques pegados a la membrana. Esta técnica fue comprobada cuidadosamente para asegurar que no ocurra pérdida de velocidad entre la membrana y el espécimen de prueba. La precisión de la medición es de 17microstrain. La deformación mayor es asociada con pruebas de falla monotónicas, son medidas con un émbolo de 100mm LVTD insertado en el actuador de carga cuando puede leer con una exactitud de 86 micro deformaciones. La deformación radial es obtenida de tres salidas LVDT, adaptadas a un anillo con los núcleos que son resorte cargados contra placas metálicas delgadas pegadas a la membrana. El anillo portador es apoyado sobre tres bloques que también son pegados a la membrana. La precisión de estas medidas es 27 micro deformaciones. Aunque el trabajo desarrollado sea necesario para las dos instalaciones de triaxial descritas antes, ellos tienen el potencial para el uso en el diseño de la ingeniería práctica para medir el módulo resiliente, características de deformación permanente y esfuerzos cortantes de suelos y materiales granulares. Algunos resultados típicos de varios de los métodos de pruebas de laboratorio repasados aquí son dados en la sección sobre el Comportamiento de Suelos y Materiales Granulares en la Carga Repetida. Pruebas de campo: Las pruebas de Laboratorio de pequeños elementos siempre producen preguntas sobre si los resultados son representativos de las condiciones del terreno para el suelo en grandes cantidades. Las pruebas sobre el terreno, aunque más costosas, se han convertido en una parte cada vez más importante de la ingeniería geotécnica. Para la mecánica de suelo de pavimento, el ensayo de carga de placa estática ha sido usado muchos años, al principio para determinar un módulo de reacción de subrasante en conexión con el diseño de pavimentos en concreto y como una técnica indirecta para evaluar el California Bearin Ratio (CBR) (Croney, 1977), pp. 412 - 416. El ensayo de carga de placa es sin embargo, incómodo y requiere de tiempo y lo que es más importante, éste no reproduce las condiciones reales de carga vehicular para las que el factor de tiempo es importante. En particular, una prueba estática sobre el material con un alto grado de saturación puede permitir la disipación de presión de poro y terminar en resultados más favorables que una prueba de carga transitoria que es esencialmente no drenado. Sweere (1990) condujo una revisión útil de las pruebas in situ de dispositivos y concluyó que el ensayo de carga de placa era apropiado por evaluar el módulo resiliente de capas granulares. Esta prueba es una versión especial del más sofisticado aparato Falling Weight Deflectometer (FWD) (Sorenson y Hayven, 1982), los principios son mostrados en la Fig. 23. En ambos casos, un pulso de carga es generado por una masa que cae en un resorte encima de un disco de carga. La carga máxima es medida usando el FWD, la forma desviada de la superficie cargada es registrada por un juego de geofonos que mide en puntos hasta

un radio de aproximadamente 2 m del disco. Una integración electrónica de las medidas geophone de la velocidad del geófono cede deflexiones. En el ensayo de carga de placa, sólo la deflexión de la carga del disco es registrada. Usando este parámetro y la carga máxima, un módulo de rigidez efectivo de fundación registrada (Ef) puede ser calculado usando la ecuación:

un radio de aproximadamente 2 m del disco. Una integración electrónica de las medidas geophone de la velocidad del geófono cede deflexiones. En el ensayo de carga de placa, sólo la deflexión de la carga del disco es registrada. Usando este parámetro y la carga máxima, un módulo de rigidez efectivo de fundación registrada (Ef) puede ser calculado usando la ecuación:

E p adf =

−2 1 2

1

( υE p adf =

−2 1 2

1

( υ ) (1) ) (1)

Donde p es la presión de contacto debajo de la placa, a es el radio de placa), ν es la relación de Poisson y d1 es la deflexión de la placa. Donde p es la presión de contacto debajo de la placa, a es el radio de placa), ν es la relación de Poisson y d1 es la deflexión de la placa. El FWD generalmente es usado para probar pavimentos en servicio' para evaluar la integridad estructural (Brown 1987). Procedimientos analíticos han sido desarrollados los cuales implican un análisis retrospectivo de la superficie deflectada bajo la carga dada para determinar el módulo resiliente eficaz de cada capa principal de pavimento. Tiene que ser conocido los grosores de capa y son obtenidos de centro o pueden ser estimados por revisiones de radar (Highways Agency, 1994a).

El FWD generalmente es usado para probar pavimentos en servicio' para evaluar la integridad estructural (Brown 1987). Procedimientos analíticos han sido desarrollados los cuales implican un análisis retrospectivo de la superficie deflectada bajo la carga dada para determinar el módulo resiliente eficaz de cada capa principal de pavimento. Tiene que ser conocido los grosores de capa y son obtenidos de centro o pueden ser estimados por revisiones de radar (Highways Agency, 1994a). Algunos procedimientos analíticos se han desarrollado de la forma de programas de computador para analizar las ondulaciones. Los mas importantes tienen en cuenta las propiedades elásticas no lineares de los suelos y, donde es necesario, capas granulares, mientras que las capas asfalticas o de concreto son tratadas como lineares elásticas.

Algunos procedimientos analíticos se han desarrollado de la forma de programas de computador para analizar las ondulaciones. Los mas importantes tienen en cuenta las propiedades elásticas no lineares de los suelos y, donde es necesario, capas granulares, mientras que las capas asfalticas o de concreto son tratadas como lineares elásticas. Las herramientas analíticas centrales son esas listadas anteriormente pero el análisis de los elementos finitos no se utiliza rutinariamente debido al tiempo de cómputo involucrado. Este tema se discutirá posteriormente en la sección final. Estos procedimientos permiten que los parámetros en modelos de suelos elásticos simples y no lineares para ser calculados, ligando la teoría a la medida por medio del perfil de las ondulaciones de la superficie.

Las herramientas analíticas centrales son esas listadas anteriormente pero el análisis de los elementos finitos no se utiliza rutinariamente debido al tiempo de cómputo involucrado. Este tema se discutirá posteriormente en la sección final. Estos procedimientos permiten que los parámetros en modelos de suelos elásticos simples y no lineares para ser calculados, ligando la teoría a la medida por medio del perfil de las ondulaciones de la superficie.

Figura No. 17. Ensayo de Placa Cargada con peso (Fuente: Sweere, 1990): (a) principio del ensayo de placa portante dinámica; (b) Principio de Ensayo de

deflectómetro de Impacto

Suministra una base para posteriores análisis teóricos del pavimento. El procedimiento básico del análisis puede también ser utilizado cuando estas pruebas son conducidas en fundaciones de pavimentos, también la información tiende a ser menos precisa por la superficie rugosa, comparada con un pavimento completo, que puede interferir con los geofonos. 3. MECANISMOS DE FALLAS DE PAVIMENTOS 3.1. Agrietamiento o Cracking. El agrietamiento de pavimentos bituminosos bajo la influencia del cilindro es un fenómeno de fatiga .Hveem fue el primer ingeniero que identificó la relación entre agrietamiento por fatiga y la elasticidad de la estructura del pavimento de soporte, que fue principalmente influenciada por las características del suelo. Para las superficies delgadas comúnmente utilizadas en los cincuentas, la teoría de Hveem, mostrada en la figura 18 se refiere al agrietamiento de la superficie por fuera de la parte del área cargada inducida por un esfuerzo de tensión horizontal o deformaciones resultante de la curvatura del pavimento. A medida que capas bituminosas mas gruesas fueron introducidas y mediciones de deformaciones por tensión in situ fueron hechas, se torno aparente que el mayor valor ocurrió en el fondo de la capa en vez de la superficie, como se muestra en la figura 19 tomada de Klomp y Niesman (1967). Estudios de laboratorio en los cincuentas y los sesentas revelaron que la iniciación del agrietamiento de mezclas bituminosas bajo la flexión repetitiva es controlada por el nivel de la principal deformación por tensión. Relaciones de fatigas, tal como la mostrada por la figura 20, fueron desarrolladas para varias mezclas bituminosas. Consecuentemente, la base teórica para cálculos diseñados para manejar el agrietamiento por fatiga involucra el uso de la deformación horizontal por tensión en el fondo de la capa bituminosa como el principal criterio de diseño. Numerosos métodos de diseño se han desarrollado utilizando la teoría elástica lineal e incorporando este concepto (Brown 1995).

Figura No. 18. Ilustración de modos de Falla (Fuente: Hveem & Sherman, 1962)

Figura No. 19. Medidas de la deformación Horizontal in situ en una capa asfáltica bajo

la carga de una rueda (Fuente: Klomp & Niesman, 1967)

Figura No. 20. Típica Relación de la Fatiga del Asfalto (Fuente: Pell & Taylor, 1969)

La investigación de la propagación del agrietamiento ha revelado que, una vez una grieta se ha iniciado, su tasa de propagación depende del esfuerzo de tensión en la punta del la grieta (Ramsamooj, 1972). Hay, sin embargo, requerimientos conflictivos entre la necesidad de prevenir la iniciación del agrietamiento, que requiere de una alta rigidez del asfalto, y para minimizar la propagación del agrietamiento, que necesita de una baja rigidez. También tiene influencia el grosor de la capa. La aproximación general es la de utilizar una baja rigidez para la superficie bituminosa que es de menos de 100mm de grosor y alta rigidez para el mayor grosor que comprende la mayoría de la pavimentación moderna.

El análisis teórico permite una indicación para la obtención de la influencia que el modulo elástico del suelo tiene en el esfuerzo por tensión y deformación en la capa bituminosa. Un análisis sensitivo reportado por Dawson y Plaistow (1993) basado en computaciones con el programa FENLAP revelo que un cambio en el modulo resiliente en la subrasante de 40 a 90 Mpa causo un cambio en el criterio de deformación por tensión en el asfalto de menos de un 2%. Cambios en las características resilientes de la capa granular sobre un rango real, utilizando modelos no lineares, fueron mas significativos, causando que la deformación por tensión del asfalto variara por alto hasta un 70%. Estos cálculos involucraron niveles de grosor de la capa bituminosa entre 100 y 250mm con valores de módulos de rigidez de entre 2 y 8 Gpa. Aparecerá, entonces que el fenómeno de agrietamiento no es fuertemente influenciado por la resilencia del suelo cuando una capa bituminosa razonablemente gruesa es utilizada. Inversamente, la resilencia de la base granular de soporte es muy significativa. 3.2. Ahuellamiento El segundo mecanismo de falla en pavimentos flexibles es el ahuellamiento. Esto resulta de la acumulación vertical de deformaciones permanentes en el camino de la llanta que pueden, en un principio, incluir contribuciones de todas las capas del pavimento. Para pavimentos de gran espesor, el ahuellamiento suele aparecer de las deformaciones permanentes de las capas asfálticas, frecuentemente en la superficie. La interpretación de la información de Lister para pavimentos con superficies asfaltadas en caliente y capas de base sobre fundaciones tradicionales, por Brown y Brunton (1984) indicaron que un surco de 20mm puede incluir una contribución del 48% de las capas asfálticas. Es difícil generalizar acerca de esta materia, desde que deformaciones permanentes se pueden desarrollar donde quiera que haya una debilidad en la estructura. Para carreteras de tráfico pesado en el Reino Unido, se manifiesta en la superficie, pero para pavimentos con capas asfálticas delgadas, la capa granular y subrasantes dominan, particularmente si las condiciones de drenaje son insatisfactorias. En la construcción de la fundación del pavimento y la influencia de la operación de tráfico, el ahuellamiento se debe tener muy en cuenta y debe ser limitado para prevenir daños en esta capa o en la subrasante que queda debajo. En los experimentos con pavimentos realizados por Bothkennar, la capa granular contribuyó con una tercera parte del surco de la superficie, pero hubo casos donde toda la deformación se desarrollo en el subsuelo. El análisis de sensibilidad llevado a cabo por Dawson y Plaistow (1993) utilizo la relación de cizamiento o corte del esfuerzo normal como el parámetro que mas influencia en la deformación plástica desarrollada en suelos y en materiales granulares. Para pavimentos sin revestimientos, las características resilientes de la capa granular fueron mas influenciadas por la relación de esfuerzos en la parte de arriba de las ambas capas. Un rango real de parámetros para el modelo resiliente no lineal de la

capa granular indica cambios de hasta 15 y 40% en las relaciones de esfuerzos para la parte de arriba de la capa granular y en la subrasante respectivamente. El módulo resiliente de la subrasante tiene alguna influencia sobre la relación de esfuerzos en el nivel de formación. En adición al cuantificar las características resilientes no lineares de los materiales granulares y suelos, es claramente necesario para entender la relación entre la acumulación de deformación plástica y el esfuerzo aplicado junto con variables relevantes que pueden influenciar esta relación. 4. COMPORTAMIENTO DE SUELOS Y MATERIALES GRANULARES BAJO CARGAS REPETITIVA 4.1. Introducción La discusión precedente de mecanismos de falla en pavimentos sugiere que es una habilidad el diseñar para prevenir la falla requiere un conocimiento de cómo los suelos y los materiales granulares responden a una presión repetitiva del tipo impuesta por el trafico en movimiento. Bajo presiones repetitivas, hay componentes recuperables e irrecuperables de la deformación. Lo anterior indica el valor del modulo resiliente, que es un requisito para llevar a cabo el análisis estructural de pavimentos, mientras que el posterior necesita de ser cuantificado para actuar con relación al diseño para minimizar la formación de ahuellamiento. 4.2. Propiedades del subrasante Las propiedades mecánicas del subrasante son influenciadas por el régimen de esfuerzos impuesto. Esto debe considerarse en dos partes; una, la resultante de las condiciones de equilibrio establecidas después de construir, cuando las condiciones de humedad se hayan estabilizado y esa impuesta ligeramente por la carga de una rueda en movimiento. Estas se consideraran a su debido tiempo. Condiciones de equilibrio de esfuerzos. La respuesta de un elemento de suelo al aplicarle carga depende crucialmente de la historia de esfuerzos de consolidación y de su estado corriente de esfuerzos efectivos. Teniendo en cuenta que los niveles de formación que existen en las subrasantes por encima del nivel freático, la determinación de la presión de poros y, por lo tanto, del esfuerzo efectivo generalmente no es clara. Inmediatamente por encima del nivel freático, donde el suelo esta saturado, la presión negativa de los poros es proporcional a la altura por encima del nivel freático. La proporcionalidad se rompe a medida que el suelo se va saturando parcialmente a mayores alturas como se ilustra en la figura 21. El tipo de suelo influenciara fuertemente esta distribución de la presión de los poros. Para suelos de granos finos y niveles freáticos superficiales, las condiciones que se aplican para la mayoría del Reino Unido, la situación se simplifica desde que las condiciones de saturado pueden asumirse hasta el nivel de formación, ciertamente para

propósitos de diseño, y la presión de poros puede ser determinada. Desafortunadamente, hay muy pocas medidas de campo de presiones de los poros por encima del nivel freático. Sin embargo, los experimentos conducidos en los cincuentas por Black (1958) no tienen valor alguno, por lo menos porque los resultados formaron parte del panorama utilizado para establecer el método corriente del Reino Unido para fijar las fuerzas de la subrasante del pavimento. La figura 22 muestra las medidas llevadas a cabo utilizando presiometros a varias profundidades bajo las placas de concreto. La información original ha sido colocada en un plano de nuevo y la relación lineal entre el suelo que era una mezcla entre arena y limo arcilloso por encima de un grava arenosa donde el nivel freático se localizaba.

Figura No. 21. Presión de Poros en la Subrasante

Los resultados de la figura 22 son típicos de acuerdo con las medidas hechas en cuatro locaciones. En el área E las presiones de poros negativas estuvieron por debajo de los valores hidrostáticos, mientras que en al área G valores un poco mas altos fueron tomados.

Figura No. 22. Medidas de Presión de Poros en el experimento RRL debajo de las

superficies selladas (Fuente: Black et al., 1958) Solo hubo pequeñas variaciones temporales, soportando el concepto de equilibrio del agua bajo superficies selladas. El uso del valor hidrostático para el diseño cuando se trata con muchas arcillas que son muy plásticas puede ser justificado, pero la información de campo de buena calidad es claramente necesaria. El suelo bajo el pavimento puede estar en su estado natural inalterado o puede estar remoldeado dependiendo en que área la sección del pavimento se encuentra: en la de corte o relleno. Estas dos situaciones requieren de una consideración por separado. Para arcillas inalteradas, la historia de esfuerzos se representa por la figura 23. Los parámetros utilizados son: Esfuerzo normal efectivo p’ = (σv’ + 2σh’)/3 (2) Esfuerzo desviador q = σ v ’σh’ (3)

Donde σ v’ y σ h’ son los esfuerzos vertical y horizontal, respectivamente. Volumen específico

v = 1 + wGs = 1 + e (4) Donde w = contenido de agua, Gs = gravedad específica de los sólidos del suelo y e = relación de vacíos. Condiciones saturadas fueron asumidas

Figura No. 23. Historia de esfuerzos para suelos en “corte”

La figura 23 muestra la preconsolidación involucrando la compresión hacia el punto C y la subsecuente ondulación hacia el punto A, todo bajo condiciones anisotropicas (cero deformaciones laterales). Esta secuencia histórica genera un suelo sobreconsolidado, siendo típica de un deposito de arcilla consistente. La operación de la construcción involucra tres procesos que van a influenciar en el esfuerzo efectivo del suelo. Estos son: a. Remoción de sobrecarga durante la construcción de trabajos de remoción de tierras. b. Disminución del nivel freático mediante provisión de drenaje. c. adición de sobrecarga debido a la construcción del pavimento. El efecto neto de estas operaciones será para el estado esfuerzos efectivos al mover desde el punto A en la figura 23 al punto P por medio de P’. La figura 24 muestra una vista alargada del punto P’ contra Q para ilustrar estos tres cambios. La remoción de la sobrecarga causara un cambio no inmediato en el esfuerzo efectivo pero reducirá el esfuerzo desviador por AB. A medida que la presión de poros alcanza el equilibrio y una ondulación posterior ocurre, el esfuerzo efectivo se moverá del B hacia P’. La extensión a la que el puede acercarse a P’ depende de la escala de

tiempo y de la permeabilidad del suelo y características de consolidación. Puede ser usual el instalar drenajes a los lados para proveer una baja del nivel freático en un corte. Este proceso también se demora en volverse efectivo pero puede causar una reducción en la presión de poros e incrementar el esfuerzo efectivo a lo largo de P’E hacia D. La construcción del pavimento podrá casi llevarse a cabo antes que el punto D sea alcanzado. Esto aumenta la sobrecarga, dicho desde E hasta F en términos del esfuerzo desviador y, a medida que el cambio positivo asociado en la presión de poros se disipa, el esfuerzo efectivo se moverá hacia el equilibrio en P. En realidad, por el tiempo necesitado para que los cambios de este contenido de agua se lleven a cabo, la actual trayectoria de esfuerzos durante la totalidad de la operación de la construcción se representa por la línea curva punteada BGEP.

Figura No. 24. Efectos de las operaciones de construcciones en las condiciones de

esfuerzo en “corte” Para suelos que son cortados, transportados y compactados como en un relleno o en una bancada, el régimen de esfuerzos efectivos es más bien diferente y menos entendido. Un escenario sugerido se presenta en la figura 25. La operación de raspado causa que en el suelo lleve a una falla en un estado de cero drenajes, representados por AB. El cambio subsecuente en el estado de esfuerzos dependerá del medio ambiente en el que se coloca y compactado y bajo condiciones climáticas. Si el clima es seco y el suelo se coloca bien por encima del nivel freático, las succiones serán mas altas y el esfuerzo efectivo tenderán a aumentar a un punto tal como Q. Si las condiciones de clima seco permanecen, el suelo que se encuentra bajo succión absorberá agua, reduciendo su esfuerzo efectivo y se moverá a un punto tal como Q’. Subsecuentemente, las condiciones de equilibrio que mas bien la mueven desde Q’ hacia Q se establecerán. Esto sera asistido por la adición de sobrecarga a través de la construcción del pavimento. El efecto neto de estas operaciones es que el suelo todavía se conserva en un estado sobre consolidado pero con una relación de sobre consolidación p’x /p’Q comparado con p’c /p’A antes de la excavación. Esta discusión asume que el suelo permanece en un estado saturado a través de la secuencia de los eventos. Mientras esto pueda ser cierto para el cortado, en una

bancada, la situación en menos cierta. Farrer(1979) reporto presiones de poro por debajo del pavimento en un bancada de 12 m de alto en una arcilla de Londres. Sus medidas fueron consistentes con el nivel freático estando a un nivel de formación cuatro años después de la construcción. Esto sugiere que las condiciones de saturado pueden ser apropiadas. Conceptualmente, se puede discutir que la excavación y recompactacion involucra la producción de pedazos de suelo saturado que son después recombinados en una masa saturada como un resultado de la compactación. Inclusive si un poco de aire se incluye, que parece más bien, mucha de la masa de suelo estará en un estado de saturación y esta suposición es apropiadamente conservativa para propósitos de diseño.

Figura No. 25. Régimen posible de esfuerzos para construcción en “relleno”

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