Apuntes Firmes

INGENIERÍA VIARIA: PARTE II: FIRME Escuela de Grado en Ingeniería Civil UCAM.

INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE

INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE PARTE DE FIRMES TEMA 17: ESTUDIOS GEOLÓGICOS Y GEOTÉCNICOS

5

17.1 Explanaciones

5

17.2 Problemas Geotécnicos

6

17.3 Metodología de los Estudios

7

17.4 Reconocimiento geológico y geotécnico

9

17.5 Tipos de terreno

11

TEMA 18: LOS SUELOS: CARACTERÍSTICAS-COMPACTACIÓN

13

18.1 Clasificación por tamaños

13

18.2 Métodos de Análisis granulométrico

13

18.3 Tipos de Clasificaciones

16

18.4 Identificación de suelos in situ

26

18.5 Factores afectados en la compactación

30

18.6 El Ensayo Próctor

31

18.7 Métodos Nucleares

31

TEMA 19: EXPLANACIONES

33

19.1 Operaciones Previas

33

19.2 Arranque, Carga y Transporte

35

19.3 Costes

37

19.4 Construcción de Terraplenes

39

19.5 Tipos de Suelos de Terraplenes

41

19.6 Recomendaciones Francesas

42

19.7 Maquinaria de Compactación

46

19.8 Control de Calidad

47

1

INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE 19.9 Pedraplenes

48

19.10 Terminaciones y Protecciones

48

TEMA 20: CAPACIDAD SOPORTE DE EXPLANADAS

51

20.1 Definición

51

20.2 El Ensayo C.B.R.

51

20.3 Aplicación del Índice C.B.R.

53

20.4 Otros ensayos

54

TEMA 21: DESAGÜES Y DRENAJES

57

21.1 Introducción

57

21.2 Estudios Hidrológicos

57

21.3 Estudios Hidráulicos

59

21.4 Cálculo del drenaje subterráneo

62

21.5 Geotextiles

64

21.6 Esquemas de sistemas de drenaje

66

TEMA 22: DESCRIPCIÓN DE LOS FIRMES

71

22.1 Características

71

22.2 Materiales y Tipología de los firmes

71

22.3 Constitución de los firmes

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TEMA 23: LIGANTES Y ÁRIDOS

77

23.1 Conglomerantes

77

23.2 Ligantes Hidrocarbonados

77

23.3 Betunes Asfálticos

77

23.4 Emulsiones Bituminosas

79

23.5 Ligantes modificados y Alquitranes

80

23.6 Aplicaciones de los Ligantes

80

23.7 Áridos empleados

81

23.8 Capas Granulares

83

2

INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE 23.9 Macadam y Zahorras

85

TEMA 24: ESTABILIZACIONES DE SUELOS

89

24.1 Introducción

89

24.2 Estabilización de suelos con cemento

89

24.3 Estabilización de suelos con cal

90

24.4 Estabilización con otros materiales

90

24.5 Ejecución de las estabilizaciones

90

24.6 Empleo de gravas tratadas

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TEMA 25: TRATAMIENTOS SUPERFICIALES

95

25.1 Definición y Clasificación

95

25.2 Riegos sin gravilla

95

25.3 Riegos con gravilla

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25.4 Lechadas Bituminosas

TEMA 26: MEZCLAS BITUMINOSAS

102 107

26.1 Introducción

107

26.2 Clasificación

107

26.3 Empleo y Utilizaciones

112

26.4 Métodos de dosificación

112

26.5 Fabricación

113

26.6 Puesta en Obra

116

TEMA 27: FIRMES RÍGIDOS

119

27.1 Introducción

119

27.2 Características

119

27.3 Tipos de pavimentos

120

27.4 Proyecto de firmes rígidos

122

27.5 Ejecución

127

TEMA 28: DIMENSIONAMIENTO DE FIRMES

129

3

INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE 28.1 Introducción

129

28.2 Métodos analíticos

129

28.3 Métodos empíricos

129

28.4 Características superficiales.

132

28.5 Tipologías de sección de forme en la norma 6.1. IC

135

28.6 Secciones de firmes. Norma 6.1-IC

136

TEMA 29: CONSERVACIÓN DE CARRETERAS

139

29.1 Introducción

139

29.2 Gestión de la Conservación

139

29.3 Actuaciones de Conservación

142

29.4 Rehabilitaciones

144

29.5 Renovaciones Superficiales

147

29.6 Reciclado

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TEMA 17: ESTUDIOS GEOLÓGICOS Y GEOTÉCNICOS 17.1 Explanaciones La infraestructura de una carretera comprende las obras necesarias para conseguir una explanada definitiva; las explanaciones son las obras de remodelación del terreno natural que son necesarias para conseguir la explanación prevista. Representamos un esquema de sección transversal de una carretera a media ladera.

La construcción de una carretera, sobre todo sus explanaciones producen una modificación del entorno, que habría que valorarlo con un E.I.A. (Estudio de Impacto Ambiental), como ya estudiamos en el Tema 8; los Reales Decretos de 1.302/86 y 1.131/88, proponen las medidas correctoras pertinentes; en la siguiente figura vemos un tratamiento ambiental en una carretera al paso de una zona arbolada, parecido al caso de la autopista Cartagena-Alicante, donde al paso por las inmediaciones de San Miguel de Salinas, la medida correctora es un túnel artificial.

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17.2 Problemas Geotécnicos Resulta vital que los terraplenes y desmontes se proyecten y construyan de forma que tengan estabilidad volumétrica, resistencia mecánica e inalterabilidad frente a agentes externos. Otras características son: Terraplenes y pedraplenes: Se deben formar con suelos apropiados, bien procedentes de la excavación de los desmontes de la misma carretera, o de prestamos, en función de las características del suelo que veremos en el tema siguiente. La construcción de pedraplenes constituidos por rocas fragmentadas, es cada vez más frecuente en terrenos accidentados en que haya que realizar importantes excavaciones en roca. Los taludes han de ser estables, sin que se produzcan deslizamientos o una erosión excesiva, para lo cual deberán estudiarse las pendientes más adecuadas a cada tipo de suelo y protegerlos con plantaciones, mallas bermas, etc., en la figura vemos los taludes más normales de terraplenes y desmontes.

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Desmontes: En ellos es necesario un reconocimiento geotécnico para estimar las características y espesores de las capas de suelos y rocas afectados por la excavación así como las condiciones hidrológicas de la zona. Los problemas que se presentan, son la estabilidad del talud de la excavación, el desagüe superficial y drenaje subterráneo que influye en la estabilidad, y la capacidad de soporte del fondo del desmonte, que influye en el tipo de sección transversal, en el espesor de cargas de explanada, entre el firme y el fondo de desmonte, y en los sistemas de drenaje. Explanadas: Son las formadas en la cota de coronación de terraplenes y fondos de desmontes, y sobre ellos apoya el firme, en cuyo proyecto intervienen como factores fundamentales que veremos posteriormente, el tráfico previsto de vehículos pesados y la resistencia a la deformación o capacidad de soporte de la explanada. Otros problemas geotécnicos que estudiaremos si se nos presentan en la carretera a proyectar son: zonas de arcillas o turbas muy compresibles, zonas de rocas alteradas, erosiones y arrastres de materiales en laderas, zonas inundables, zonas de suelos yesíferos o salinos, de nivel freático muy superficial etc...

17.3 Metodología de los Estudios Los estudios geológicos y geotécnicos han adquirido una gran importancia en los últimos años, pues su coste, sobre el 4% del presupuesto, es despreciable frente a las ventajas que nos ofrece a la carretera para evitar fracasos (ejemplo A-92), que nos da un conocimiento del terreno como cimiento de la carretera y de sus estructuras, de las condiciones hidrológicas y de drenaje, de los materiales a utilizar en el firme y de su procedencia etc... Según la fase del proyecto, los estudios deben de recoger lo siguiente: •

Estudios previos o informativos:

Como sabemos tienen tienen por objeto la

evaluación económica general de la obra, la comprobación de su viabilidad técnica y la discusión de las posibles soluciones. El estudio previo se realiza por cuadrantes de 9x14 km, y debe comprender una geología de la zona (topografía, paisaje, vegetación, estratigrafía, tectónica, hidrología), unas características geotécnicas generales (clasificación de suelos, capacidades

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INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE soporte), y un estudio de préstamos. La información se recoge en unos fotoplanos obtenidos a partir de fotografías aéreas, en unos cortes geológicos de tipo general, en unos mapas litológicos y en una memoria donde se terminará con unas conclusiones. •

Anteproyectos: Tienen por objeto la descripción funcional, técnica y económica de la obra a realizar, fijando el trazado definitivo de la carretera tras un análisis técnico y económico de las posibles soluciones. Aquí se estudian fundamentalmente las zonas con problemas (terrenos peligrosos, escasez de canteras, zonas de túneles, etc...); el estudio abarca una franja de 200 m. de anchura centrada en la traza, para los estudios geotécnicos, de 2 km. para los geológicos, y 20 km. para canteras. Se harán sondeos como veremos posteriormente. La información se recogerá en planos y

mapas geológicos y geotécnicos. • Proyectos: Aquí ya se han de fijar para el trazado elegido, las secciones tipo de las explanaciones en desmonte y terraplén, los desagües y drenajes, las cimentaciones de obras de fábrica, obras de defensa, etc... Igualmente, los estudios se presentarán en planos, mapas y cortes geológicos y geotécnicos detallados, y una memoria en la que figuren: o

Estudio hidrológico

o

Estudio de yacimientos y canteras

o

Reconocimiento geológico y geotécnico

o

Plan de control de calidad Plan de medidas para proteger el medio ambiente

o

Plan de seguridad e higiene

o

Estudio de resistencia y deformabilidad de los suelos

o

o

Estudio de estabilidad de los taludes y sus asientos Estudios necesarios en la ejecución de las obras

o

Artículos a incluir en el Pliego, relacionados con la calidad de los

o

materiales y su sistema de ejecución y control. Las escalas utilizadas en los estudios y proyectos citados, son las que se recogen en tabla de página siguiente:

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17.4 Reconocimiento geológico y geotécnico Antes de todo se debe visitar la zona, y ver las obras existentes, luego usar la fotografía, a la que seguirá un reconocimiento de campo con un programa de sondeos con máquinas como las de la figura, todo esto, para un estudio previo.

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En la fase de anteproyecto se acometerán reconocimientos subterráneos con prospecciones geofísicas, la eléctrica, que mide la resistividad del suelo, y la sísmica, luego se realizan sondeos mecánicos para extraer muestras, a una distancia de unos 250 m. y profundidad variable según la zona; estos sondeos son caros, últimamente se utilizan los taladros destructivos que permiten la prospección estática y dinámica, y los de carga con placa, posteriormente se realizan ensayos de laboratorio, ensayos de análisis granulométrico y limites de Atterberg, para utilizar las clasificaciones AASHTO y ASTM, ensayos de compactación, de capacidad de soporte, tipo Próctor, normales y modificados y C.B.R., y otros como los edométricos, de compresión, etc... que iremos viendo en los temas siguientes. En la tabla siguiente comparamos los diversos medios de prospección del terreno.

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17.5 Tipos de terreno La península ibérica está dividida casi al 50% entre material rocoso y terroso y los terrenos podemos dividirlos según mapa siguiente en silíceos, calizos y arcillosos. Para las carreteras los terrenos silíceos son un buen cimiento, los calizos pueden dar problemas.

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Respecto a las formaciones litológicas, los granitos son excelentes para pedraplenes y cimentaciones, y los pórfidos para áridos de firmes por su dureza y resistencia. Las rocas silíceas sueltas es el material más empleado, para áridos de firme y terraplenes, los taludes deben ser muy tendidos y suelen dar problemas de deslizamiento. Las calizas y dolomías constituyen un excelente material para explanaciones y también proporcionan áridos para el firme.

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TEMA 18: LOS SUELOS: CARACTERÍSTICAS-COMPACTACIÓN 18.1 Clasificación por tamaños Los suelos están constituidos por una mezcla de partículas sólidas inorgánicas, cuyos huecos o intersticios los ocupan agua y aire. Para identificar un suelo hacemos un análisis granulométrico que veremos más adelante; pero para su denominación lo primero que vemos y nos interesa es la fracción que predomina; en la figura siguiente se hace una clasificación de los suelos por el tamaño de sus partículas, según diversas asociaciones.

18.2 Métodos de Análisis granulométrico El estudio granulométrico se realiza en laboratorio por ensayos de tamizado o sedimentación, los primeros se utilizan para los suelos granulares, mientras que para los limos y arcillas, se realizan los segundos, para poder conocer su composición granulométrica en tamaños inferiores a 0,08 mm la interpretación de un análisis granulométrico, se hace por medio de la curva granulométrica, que es la que sale llevando en abscisas el diámetro de las partículas en mm y en ordenadas 13

INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE el porcentaje de partículas de diámetro menor que el indicado que pasa. Así por ejemplo, una curva casi vertical, correspondería a una arena fina. Las series normalizadas de tamices UNE y ASTM son las siguientes:

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18.3 Tipos de Clasificaciones La clasificación de un suelo, es útil para evaluar de forma rápida, las características y propiedades; las clasificaciones más utilizadas, se basan en la granulometría y plasticidad, y la que resulta más interesante para las carreteras es la francesa, para terraplenes y explanadas, y la A.A.S.H.T.O.

A) Clasificación A.S.T.M. Es un sistema ideado por Casagrande en 1.942, y que fué utilizado por primera vez en la Segunda Guerra Mundial para construir aeropuertos; en esta clasificación, los suelos se dividen en tres grandes grupos como vemos en la tabla de página siguiente: los suelos de grano grueso, los de grano fino y los de estructura orgánica. Para los símbolos se utilizaron iniciales en inglés de prefijos o sufijos, así tenemos:

G→ de gravel, grava S → de saud, arena W → de well graded, bien gradado P → de poorly graded, mal gradado C → de clay, arcilla O→ de organic, orgánico L → de low, bajo el limite líquido H→ de ligh, alto M → de mo, limo (en suelo)

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INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE La clasificación queda reflejada en la tabla siguiente:

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B) Clasificación A.A.S.H.T.O. Este sistema de debe a Hogentogler y Terzaghi y se empezó a utilizar en 1.931 agrupando los suelos según su comportamiento en las explanadas; en 1.945 un comité del Highway Research Board lo revisó, dando lugar al actual, que es de gran utilización en las obras de carreteras. Como vemos en la tabla siguiente, los suelos se dividen en siete grupos:

Para la clasificación es suficiente realizar un análisis granulométrico abreviado (tamices 10, 40, y 200 ASTM). Según vemos en la tabla, los grupos A.4, A-5, A-6 y A.7 comprenden a los suelos limoso-arcillosos, con más de un 35% de material pasando por el tamiz 200. Para su clasificación se atiende únicamente al límite liquido, y al índice de plasticidad, según las zonas definidas en el gráfico de plasticidad de la figura. El comportamiento de estos suelos en explanadas puede calificarse como malo. Los distintos grupos admiten suelos con porcentaje de finos y plasticidad muy diferentes, por lo que resulta conveniente una evaluación dentro de cada grupo. Para ello utilizamos el índice de grupo definido por:

IG = (F-35)[0,2+0,005 (LL-40)] + 0,01 (F-15) (IP-10)

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INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE En la que F es el porcentaje en peso que pasa por el tamiz 200 del material inferior a 0,075 mm expresado con un número entero, al igual que el índice de grupo IG, que se escribe entre paréntesis a continuación de los símbolos del grupo o subgrupo a que pertenece el suelo, como por ejemplo A-7-6 (16). Para la determinación del IG puede utilizarse el gráfico de la derecha. Sobre el índice de grupo, puede decirse de forma general, que cuanto mayor es IG peor son sus cualidades como explanada; los valores críticos del limite liquido y del índice de plasticidad son 40 y 10. Para calcular el IG de los subgrupos A-2-6 y A-27 sólo se considera el segundo sumando.

Las características de los suelos que pertenecen a los distintos grupos, las reflejamos en la tabla inferior.

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Como comparación con el sistema ASTM, en aquél, el limite para separar los suelos granulares de los de grano fino era del 50% de material que pasaba pas aba por el tamiz 200, cuando en al AASHTO es del 35%.

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C) Clasificación FAA Esta clasificación americana de la Federal Aviation Agency se utiliza en las explanadas de los aeropuertos. Como vemos en tabla superior se establecen 13 grupos, y la clasificación se realiza teniendo en cuenta la granulometría del material que pasa por el tamiz nº 10 (2 mm). .

Al clasificar un suelo de grano fino puede ocurrir que cumpla con las condiciones de más de un grupo. grupo. En este caso utilizaremos el gráfico siguiente. Cuando el

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INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE porcentaje retenido en el tamiz 10 sea mayor ma yor que el limite, se podrá mejorar la clasificación del suelo en uno o dos grupos.

D) Clasificación Francesa

Es más completa que las anteriores al incluir tanto los suelos como las rocas para la construcción de terraplenes y pedraplenes. Se establecen seis grupos principales que se subdividen en varios subgrupos, como vemos en tabla de página siguiente. El grupo A incluye los suelos con alto porcentaje de finos tanto los poco plásticos como los de plasticidad elevada. El B engloba los suelos arenosos y gravas. El C se refiere a las zahorras con finos. El D incluye los suelos insensibles al agua (zahorras y gravas). El grupo R engloba las rocas duras alterables y el F los suelos orgánicos. La clasificación francesa utiliza como criterios básicos para la diferenciación de los suelos su naturaleza, definida por su granulometría y arcillosidad (IP,AMS,EA), su comportamiento mecánico en coronación, y su humedad. Así los subgrupos de categorías A, B y C se dividen a su vez en otros tres, denominados con las letras h, m y s que sirven para indicar su contenido de agua por sus iniciales, húmedo, medio y seco, como vemos en tabla anterior. Estos estados se definen a través de una o varias de las siguientes características:

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INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE -

CBR inmediato, sin esperar los 4 días en inmersión en agua que dice la Norma.

=

W L

−w

-

Índice de consistencia

-

Relación del contenido de agua w con relación a la humedad óptima,

I c

IP

Proctor normal WOPT de la fracción 0/20.

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18.4 Identificación de suelos in situ Los suelos y rocas se pueden identificar y clasificar con ensayos rápidos y sencillos en el campo. Los elementos que debemos de llevar que se ven en la figura A de página siguiente son: cuchillo, martillo, regla, papel, agua oxigenada y vasos de plástico transparente. Los métodos de identificación son: -

Apreciación de tamaño de los granos: Desmenuzamos el suelo sobre un papel y lo separamos en tamaños 25, 5 y 0,05 mm; para las fracciones

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INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE pequeñas, se introduce suelo en vaso de agua, se agita y se espera a que sedimente (figura B). -

Apreciación de resistencia a rotura: Con los dedos se trata de romper una muestra seca de suelo, vemos también la rugosidad (figura C).

-

Apreciación de plasticidad: Con suelo húmedo tratamos de formar cilindros de medio centímetro de diámetro, y con ellos una bola, y de nuevo un cilindro, suelos no plásticos son los que no permiten formar cilindros, cuando mejor se forman y se deshagan para formarse otra vez, más plásticos (figura D).

-

Apreciación de dilatancia: Se forman muestras con suelos finos de varias humedades que se colocan en palma de la mano y son golpeados lateralmente (figura E) produciendo una vibración, si afluye el agua a la superficie, y al apretarla con los dedos desaparece, y esto ocurre en sucesivos ensayos no hay reacción de dilatancia, y la hay en caso contrario.

-

Apreciación de corte: Con suelo de diversas humedades se efectúan cortes con navaja, viendo si es limpio y liso o se aprecian rugosidades (figura F).

-

Apreciación de fractura: Golpeamos las rocas con el martillo hasta romperla viendo su resistencia, tipo de fractura, brillo, desmenuzamiento, etc... (figura G).

-

Apreciación de alterabilidad: Introducimos una piedra en agua oxigenada y observamos como se desmenuza, si el agua cambia de color, si salen burbujas, etc...(figura H).

-

Apreciación de olor: Los suelos con materia orgánica tienen olor a estiércol o tierra vegetal, y mayor si se calienta el suelo.

Una vez realizadas estas apreciaciones, entraríamos en las tablas de la figura siguiente, y tendríamos clasificado el suelo o bien la roca, entrando en las filas y columnas correspondientes.

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18.5 Factores afectados en la compactación La compactación es un tratamiento de mejora de los suelos para que resistan las solicitaciones indicadas con deformaciones admisibles. Los materiales se extienden en capas que se compactan mediante compactadores durante este proceso las partículas del suelo se mueven con una disposición cada vez más densa. La densidad seca del suelo constituye por ello un buen índice para evaluar el proceso, pero como cada suelo tiene un comportamiento diferente, utilizaremos un índice relativo llamado grado de compactación o porcentaje alcanzado respecto a una densidad patrón, obtenida con cada suelo en un ensayo normalizado. Como veremos, la densidad seca alcanzada depende de la humedad del suelo, del tipo y energía de compactación y del tipo de suelo, por lo que los factores que debemos considerar son el espesor de la capa compactada, el número de pasadas de la compactadora y las condiciones atmosféricas. En la tabla siguiente vemos las características generales de compactación de los distintos tipos de suelos.

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18.6 El Ensayo Próctor Hasta 1.930 no se contemplaban los terraplenes, y se admitía un posterior asentamiento, en 1.931 el ingeniero R. Proctor puso de manifiesto en la construcción de presas de tierra en California la relación humedad, densidad seca y la influencia de la energía de compactación, por lo que propuso un ensayo de laboratorio en el que se alcanzan unas densidades secas máximas y unas humedades óptimas del mismo orden de las obtenidas en obra. Años después el Corp of Engineers de la U.S. Army propuso un ensayo Proctor modificado en el que se aplica una mayor energía de compactación por unidad de volumen, siendo por tanto más elevadas las densidades secas máximas y unas humedades óptimas menores que en el ensayo normal; esta modificación surgió por el empleo de maquinaria cada vez más pesada. Los ensayos Proctor están normalizados por las NLT.107 y NLT-108 en España, y la forma de realizarlos entendemos que ya ha sido estudiada.

18.7 Métodos Nucleares Se iniciaron en 1.950 en Estados unidos, y en España se empezaron a utilizar en 1.962; se basan en la interacción con el suelo de las radiaciones emitidas por isótopos radiactivos, y sirven para la determinación in situ de la densidad y humedad de los suelos, para la humedad hay otros métodos como secado en horno hasta peso constante, el más exacto. El método del alcohol, el del picnómetro, el del carbono de calcio y métodos eléctricos, para la densidad otros métodos son el topográfico y el método de la arena; pero volviendo a los métodos nucleares, respecto a los anteriores, que son tradicionales, tenemos enormes ventajas, como la rapidez en la realización de los ensayos (10 minutos), destructibilidad nula, posibilidad de exploración profunda etc... La medida de la densidad se basa en los fenómenos de Absorción parcial por la materia de los rayos gamma emitidos por una fuente radiactiva como el Cesio 137. Por el efecto Compton, al chocar un fotón gamma con un electrón libre poco ligado al núcleo atómico, cede una parte de su energía y cambia su trayectoria. La absorción depende de la proporción de electrones que a su vez es proporcional a la cantidad de materia o densidad. Hay dos métodos para calcular la densidad in situ, según se mida la absorción de la radiación directa de la radiación difundida, lo vemos en la figura. 31


La medida de la humedad se basa en la interacción de neutrones de alta energía y el suelo. Al chocar elásticamente con los núcleos de los átomos del suelo, los neutrones rápidos pierden su velocidad convirtiéndose en neutrones lentos. No entraremos en más consideraciones al entender que estos ensayos ya han sido estudiados y realizados

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TEMA 19: EXPLANACIONES 19.1 Operaciones Previas La construcción de explanaciones es lo que se conoce comúnmente, como movimiento de tierras, que trataremos a lo largo de este capítulo siguiendo un ordenamiento cronológico, desde el arranque, carga y transporte pasando por la construcción de terraplenes y pedraplenes, su control de calidad, la terminación y refino, y su protección contra la erosión; pero antes de todo debemos de hacer unas operaciones previas que son: El despeje y desbroce, la retirada de servicios, los caminos de acceso y los drenajes y desagües de la obra.

CAMINO ACCESO AL DESMONTE RECORTE POSTERIOR

CAMINO ACCESO POR EL EJE

CAMINO ACCESO AL TERRAPLÉN ESCALONADO

a) Despeje y desbroce: El despeje es la eliminación de los obstáculos que pueden interferir a los equipos de explanaciones, que suelen ser las edificaciones existentes y el arbolado cuyo tronco supere los 10 cm de diámetro, si el árbol se encuentra en lo que será plataforma de la carretera que vamos a construir, deben eliminar el tocón, si no es así, basta cortar a ras del suelo. El desbroce es la eliminación de la cobertura vegetal restante,

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INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE arbustos, cultivos, hierba, etc... materiales que podremos utilizar como tierra vegetal para la protección de taludes en la obra. b) Retirada de servicios: Esta debiera hacerse antes de la contratación de la obra pues suele provocar retrasos importantes en los plazos de ejecución de las obras, el problema es que si bien con las expropiaciones primero se ocupa y después se paga según la legislación vigente, no ocurre lo mismo con los servicios, que deben ser pagados o restituidos por anticipado. Los servicios más problemáticos son las líneas telefónicas, las líneas eléctricas, las tuberías, que pueden ser de abastecimiento, alcantarillado, o de transporte de algún fluido como oleoductos o gas ciudad, y de suma importancia las interferencias con líneas férreas como RENFE, aunque éstas tienen la ventaja de venir reflejadas y previstas en el proyecto, lo que no suele ocurrir con los restantes servicios.

c) Caminos de acceso: Suelen plantearse en una obra tres tipos: el camino o pista de acceso principal, que suele ir coincidiendo con el eje de la explanación, camino de acceso a la coronación de los taludes de desmonte, y el camino de acceso al fondo de los terraplenes o pedraplenes. El camino de acceso por el eje debe de tener una rasante que coincida prácticamente con la del camino terminado, y es obvio que será innecesaria en obras de ensanche o refuerzo de carreteras existentes, pues éstas cumplen dicha función.

d) Drenaje y desagüe: Es importante que antes de comenzar la obra, la protejamos de situaciones atmosféricas adversas que se pudieran producir durante la construcción estableciendo los correspondientes sistemas de desagüe superficial y drenaje subterráneo.

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19.2 Arranque, Carga y Transporte De las varias clasificaciones del terreno, destacamos, según su grado de excavabilidad en roca, tránsito y tierras; por el tipo de excavación utilizada, en roca con explosivos, en roca mediante ripado, en terreno mixto mediante ripado y excavación en tierras. El precio también se suele diferenciar según que la excavación sea en desmontes, zonas de préstamos, zanjas o cimientos, y además sea con o sin agotamiento de agua. La forma más común de abonar las operaciones de arranque, carga y transporte es por m3 y se debe clasificar, así por ejemplo la relación de excavación en tierra y la de roca es de 1 a 8. La medición se efectúa sobre perfil. Excavación con explosivos: es explosivos: es una operación vertical, en la que un frente análogo al de una carretera que forma un plano más o menos vertical, se hace retroceder en cada voladura. Los esquemas de perforación y carga son los de figura inferior, y los parámetros que intervienen son entre otros, la resistencia y grado de diaclasamiento de la roca, la distancia entre taladros, el tipo de explosivos, la inclinación de taladros, la granulometría de los productos de voladura, el diámetro de los taladros, la altura del frente, el nivel freático, la proximidad de construcciones, etc...

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Ripado: Se Ripado: Se emplea para este sistema, un ripper, que es un escarificador de un solo diente arrastrado por un tractor pesado, cuando la roca está muy fisurada o es blanda. En las excavaciones en tierra, el arranque se suele realizar mediante una explanadora, conocida como bulldozer, si la distancia de transporte es muy corta

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INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE para que el rendimiento sea aceptable, o bien mediante una trailla, conocida como Scraper, que integra en una sola máquina el arranque, carga y transporte. En la figura inferior vemos diversas máquinas de movimiento de tierras.

19.3 Costes El empleo de maquinaria en las carreteras necesita de una buena planificación, pues influye en plazos, precios y calidades, mucho más que otros elementos como mano de obra, materiales o transportes, así por ejemplo, el porcentaje del coste de 37

INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE la maquinaria sobre el coste total de la obra, es del orden de 80% en desbroce del terreno, excavación en tierra vegetal y roca, pedraplén y refino de taludes; y la repercusión aproximada de los costes de maquinaria en los costes globales de una carretera, es la de al tabla siguiente. REPERCUSIÓN APROXIMADA DEL COSTE DE LA MAQUINARIA EN EL COSTE TOTAL DE LAS UNIDADES DE OBRA DE UNA CARRETERA

GRUPO DE UNIDADES

COSTE MAQUINARIA

EXPLANACIONES

75%

DESAGÜE Y DRENAJE

30%

FIRMES

40%

OBRAS DE FÁBRICA

25%

SEÑALIZACIÓN

10%

VARIOS

25%

De igual manera, la estructura del d el coste medio de una carretera es:

De anteriores tablas, podemos deducir la que vemos a continuación, donde vemos que el coste de la maquinaria en las obras de carretera es del orden del 42% del total, y de ese coste, la amortización o alquileres, el mantenimiento y la reparación,

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INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE supone el 40%, la maquinaria, combustibles, carburantes e impuestos otro 40%, y el 20% restante para la mano de obra auxiliar.

19.4 Construcción de Terraplenes La representación esquemática de un terraplén, es la de la figura:

CORONACIÓN EXPLANADA

TERRENO NATURAL

D U L T A

NÚCLEO

m 0 ,5 0

CIMIENTO

El cimiento está por debajo del terreno original y es la zona vaciada en el desbroce, que se suele rellenar con suelos de aportación. 39

INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE La construcción del terraplén que se realiza por tongadas o capas con un espesor uniforme se desarrolla de la siguiente forma: a) Excavación, transporte y extensión del suelo: suelo: Los suelos proceden de desmontes

de

la

traza,

de

préstamos

próximos,

reuniendo

unas

características que posteriormente veremos; el espesor máximo de las tongadas viene limitado por la maquinaria utilizada, el tipo de suelo y el grado mínimo de compactación que queramos, oscilando de 15 a 80 cm, es importante dar una pendiente transversal para evacuar las posibles aguas de lluvia. b) Humectación del suelo: suelo: Para que el suelo alcance la humedad óptima de compactación se suelen regar las tongadas una vez extendidas, con un camión- cisterna, en caso contrario, excesiva humedad por lluvias, se espera a su desecación natural, se acelera por escarificación. c) Compactación: Su objeto es alcanzar cada tongada una densidad seca mínima que dé estabilidad al suelo, y se consigue mediante varias pasadas de máquinas compactadoras. En el PG-3/1.975 se estipula que en los cimientos y núcleos de los terraplenes se alcance una densidad no inferior al 95% de la máxima obtenida con el mismo suelo en el ensayo Proctor. En la coronación se exige como mínimo un valor del 100% de la densidad máxima Proctor normal. En cada caso será necesario determinar el espesor máximo de la tongada y el número mínimo de pasadas necesario para alcanzar la densidad exigida, la gráfica que nos daría la relación sería del tipo siguiente:

40


19.5 Tipos de Suelos de Terraplenes Como hemos comentado antes, los suelos se obtienen de los desmontes de la traza o bien de préstamos adecuados; los mejores serán aquellos que se compactan fácilmente y que son resistentes a la deformación, como es el caso de los suelos granulares. Los suelos de grano fino o materiales limo-arcillosos también pueden ser utilizados, así como ciertos desechos industriales como materiales mineros. Son inadecuados en terraplenes los suelos con materia orgánica como la tierra vegetal. El artículo 330 referido a terraplenes del PG-3 distingue para su empleo varios tipos de suelos en función de varias características como vemos en tabla siguiente:

CLASIFICACIÓN DE SUELOS PG-3 (art. 330) CARACTERISTICAS

SUELOS INADECUADOS

SUELOS MARGINALES

SUELOS TOLERABLES

SUELOS ADECUADOS

COMPOSICION GRANULOMETRICA

---

---

máx. 25% de piedras > 15 cm

100% < 10 cm Max 35% pasa 0,008 UNE

---

Si LL>90 IP<0,73(LL 20)

LL< 65 o bien LL> 40 IP>0,73(LL20)

Si LL>30 entonces IP>4

LL < 30 e IP < 10

---

Hinchamiento <5%

CBR > 3

CBR > 5 Hinchamiento <5%

CBR > 10 Sin hinchamiento

---

---

min. 1.450 kg/dm3

min. 1.750 kg/dm3

---

---

Inferior 5%

Inferior2%

Inferior 1%

Inferior 0,2%

---

SS < 1% Yeso < 5%

SS < 0,2%

SS < 0,2%

PLASTICIDAD

CAPACIDAD DE SOPORTE E HINCHAMIENTO DENSIDAD MAXIMA PROCTOR

CONTENIDO DE MATERIA ORGANICA CONTENIDO SALES SOLUBLES

---

SUELOS SELECCIONADOS

41

INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE El PPTG establece como decíamos antes, que los suelos inadecuados no se utilicen en ninguna zona del terraplén. En núcleos y cimientos se pueden emplear cualquiera de los tres de la tabla, y en la coronación deben utilizarse suelos adecuados o seleccionados. Así vemos que se será más estricto cuanto mayor es la altura del terraplén, y más cerca se encuentre el suelo de las capas de tráfico. La especificación AASHTO M 57-64 sobre empleo de suelos en carreteras considera tres casos: En terraplenes de más de 15 m. de altura propone se utilicen suelos A-1, A-2-4, A2-5 o A-3 debiéndose alcanzar una densidad no inferior al 95% de la máxima Proctor. Si los terraplenes son inferiores a 15 m. de altura, se podrían utilizar otros suelos si se consigue una densidad mayor, del orden del 98%. En coronación de prescriben los suelos A-1, A-2-4, A-2-5 y A-3 con densidad mínima del 100% del Proctor.

Adecuados o seleccionados seleccio nados Tolerables, adecuados, seleccionados osibilidad de marginales Tolerables, adecuados o seleccionados

Coronación CBR > 5

Cimiento CBR > 3

19.6 Recomendaciones Francesas Estas recomendaciones distribuyen los suelos y rocas en más de 150 grupos como recordamos, cada suelo recibía diferente consideración en función de su estado, muy húmedo (th (th), ), húmedo (h (h), medio (m (m), seco (s (s), o muy seco (ts (ts). ). Estos estados varían con condiciones meteorológicas que en las tablas siguientes se recogen con los signos ++, ++, +, = y – que indican el sentido en que el contenido de agua tiende a variar según dichas condiciones desde lluvia fuerte a evaporación importante. La interpretación de los datos de la tabla es la siguiente:

42


43


E ⇒ Modo de extracción: 1 – Por capas (0,1 – 0,3 m) 2 – Frontal G ⇒ Acción sobre granulometría: 1 – Eliminación de bloques superiores a 800 mm. 2 – Eliminación de bolos superiores a 250 mm para estabilización 3 – Fragmentación adicional tras la excavación. W ⇒ Acción sobre el contenido de agua: 1 – Reducción por aireación. 2 – Oreo por almacenamiento provisional. 3 – Riego para mantener la humedad. 4 – Riego con mezcla para aumentar la humedad. T ⇒ Tratamiento o estabilización: 1 – Tratamiento del suelo con un reactivo o aditivo adecuado. 2 – Estabilización solo con cal. R ⇒ Extendido: 1 – Tongadas delgadas (20-30 cm) 2 – Tongadas medias (30 – 50 cm.) C ⇒ Compactación: 1 – Intensa 2- Media 3 – Débil H ⇒ Altura del relleno: 1 – Limitada a rellenos de pequeña altura (hasta 5 m.) 2 – Hasta (10 m.) En la tabla de página página 13 se recogen las técnicas de preparación y protección de los materiales, de esa tabla se deduce que con la mayor parte de los suelos, se recomienda algún tipo de tratamiento si se quieren utilizar en capa de coronación.

44


45


19.7 Maquinaria de Compactación Las primeras que se utilizaron fueron las apisonadoras de rodillos lisos, ahora el abanico en el mercado es muy amplio, como vemos en figura de página siguiente; las utilizadas, suelen compactar por uno de los principios siguientes, o combinación de ellos: presión estática, impacto y vibración.

TIPOS DE MAQUINARIA DE COMPACTACIÓN

Entre la maquinaria de compactación por presión estática, estática, destacan las apisonadoras de rodillos lisos (tándem, triciclo, triejes), los rodillos de patas de 46

INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE cabra, los rodillos de reja y los compactadores de neumáticos. En la maquinaria por impacto dinámico, dinámico, destacan los pisones automáticos, los de caída libre y los rodillos de impactos (tamper); en cuanto a los compactadores por vibración, vibración, destacamos los rodillos vibratorios y las placas vibrantes. En la figura siguiente vemos varios va rios tipos de rodillos vibratorios.

19.8 Control de Calidad En la ejecución de los terraplenes, se deben controlar, los suelos utilizados (que el material cumple las prescripciones exigidas, tanto en el lugar de origen como en el

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INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE de empleo), la extensión (una inspección visual del espesor y anchura de tongadas), la compactación (controlando la densidad seca y humedad, de un lote, un valor medio recomendado es el de 5.000 m 2 de tongada o fracción diaria compactada, si ésta es menor) y control geométrico (comprobar que superficie resultante del terraplén terminado se ajusta a los planos del proyecto).

19.9 Pedraplenes Si tenemos roca, bien procedente de la excavación de la traza, de un túnel o de las inmediaciones, su empleo en pedraplén, puede ser conveniente, por aprovechar materiales, permitir que los taludes sean más inclinados y reducir el volumen total del relleno, además de tener mayor capacidad de drenaje, mayor estabilidad, suelo de más calidad y mayor espesor de tongada. El PG-3/75 clasifica las rocas como materiales compactos, resistentes e inalterables como pórfidos, granitos, calizas y cuarcitas. -

Rocas que requieren estudio, que son rocas blandas, como margas, areniscas, pizarras, en la que habrá que estudiar su evolución en sus aspectos mecánico y físico-químico (meteorización).

-

Rocas inadecuadas, que son de fácil desintegración, como tobas, anhidrita y diversas rocas solubles.

El tamaño máximo del material no debe ser superior a 2/3 del espesor de la tongada compactada, que suele ser del orden de 1 m.

19.10 Terminaciones y Protecciones La terminación son las operaciones de refino que consisten en recortar las creces (incrementos de 1 m a cada lado de las obras), las tolerancias de explanada serán de ± 3 cm, como máximo. Importante también en la terminación, es la protección contra la erosión, por lo que debe establecerse una cubierta vegetal en las cunetas y zanjas de desagüe no revestidas, así como en los taludes. Entre las medidas que pueden adoptarse para reducir la erosión superficial en la construcción podemos p odemos citar:

48

-

Establecimiento de cunetas de guarda en la coronación de los desmontes.

-

El escalonamiento de los taludes y el establecimiento de bermas horizontales.


El revestimiento de los taludes.

-

El establecimiento de pequeñas presas en las cunetas.

-

Construcción de areneros.

EJEMPLOS DE PROTECCIONES DE TALUDES

La solución definitiva, una vez concluida la obra es el establecimiento de una capa vegetal plantada con especies herbáceas, como vemos en la figura.

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50


TEMA 20: CAPACIDAD SOPORTE DE EXPLANADAS 20.1 Definición Definimos capacidad de soporte de una explanada a su resistencia a la deformación bajo las cargas del tráfico. Depende de la resistencia al esfuerzo cortante del suelo que la constituye, por lo que no solo será función del tipo de suelo, sino de su densidad y de su humedad. La identificación y clasificación de los suelos de la explanada permiten formarse una idea de la capacidad de soporte de ésta. En carreteras y aeropuertos suelen emplearse para la caracterización mecánica de los suelos y explanadas el C.B.R. y los ensayos de carga con placa.

20.2 El Ensayo C.B.R. Es el ensayo más utilizado desde que en 1.928 lo adoptó el ingeniero Porter para determinar la capacidad soporte de una explanada, que es el factor básico para el dimensionamiento de firmes. Este ensayo C.B.R. (California Bearing Ratio) se empezó a utilizar en California; es un ensayo de penetración o punzonamiento, midiéndose el hinchamiento del suelo al sumergirlo durante 4 días en agua. Para este ensayo, según la norma española de ensayo NLT-111, que se corresponde con la ASTM 1833; para el ensayo de penetración se emplea una prensa y un pistón como el de la figura inferior que se desplaza a una velocidad uniforme de 1,27 mm/min.

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El índice resistente C.B.R. se define como el % entre la presión necesaria para que el pistón penetre en el suelo hasta una cierta profundidad y la presión correspondiente a la misma penetración en una muestra patrón de grava machacada (como vemos en figura superior de página siguiente). Las penetraciones fijadas son de 2,54 y 5,08 mm y como índice C.B.R. se toma el valor mayor

Cuanto mayor sea el índice, mayor es la capacidad de soporte de la explanada, siendo en la normativa de carreteras el valor v alor 5 como el menor admitido. Este ensayo puede hacerse también in situ sobre una explanada existente como vemos en la figura. 52


20.3 Aplicación del Índice C.B.R. Como veremos posteriormente, su aplicación es para el dimensionamiento de firmes flexibles. En la figura inferior se representan unas curvas, que dan el espesor de firme necesario en función del CBR, que han quedado obsoletas al ir aumentando las cargas por eje.

La utilización del ensayo CBR para el dimensionamiento de firmes, supone la normalización de las explanadas, según el espesor de las capas y la capacidad de soporte de las mismas. En el epígrafe siguiente veremos la clasificación en nuestro país, la inglesa es la siguiente:

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20.4 Otros ensayos Para carreteras y aeropuertos, también se suelen utilizar los ensayos de carga con placa que en un principio se utilizaban para el estudio de cimentaciones, estos se deben al ingeniero Westergaard y consisten en la aplicación de cargas sobre una placa circular, apoyada sobre la explanada o una capa de firme, y en la medida de los asientos producidos.

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Si los materiales compactados son gruesos se utiliza el ensayo de huella normalizado en Suiza que consiste en medir la deformación permanente en 10

puntos situados en la trayectoria de las ruedas gemelas de un camión con un eje de 10 tn. En la tabla siguiente se indican las especificaciones suizas para terraplenes que relacionan los valores mínimos a exigir en el ensayo de huella con el módulo ME , el C.B.R. in situ y el porcentaje de densidad in situ mínimo respecto a la densidad máxima Proctor Normal.

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TEMA 21: DESAGÜES Y DRENAJES 21.1 Introducción El buen drenaje de una carretera es fundamental, pues el agua produce un gran efecto destructivo sobre los firmes, está comprobado que el grado de deterioro es 30 veces mayor cuando las capas del firme están saturadas que cuando están secas. El estudio del drenaje puede dividirse en el del desagüe superficial y en el del drenaje subterráneo. El primero se refiere al agua que fluye por la superficie y que debe ser encauzada, tanto la que cae sobre la calzada, como la que afluye a ella, el drenaje subterráneo se refiere al flujo de agua subterránea que debe ser controlado en las capas inferiores de los firmes con un buen drenaje. El efecto del exceso de agua sobre la vida de los firmes, queda representado en la figura siguiente:

21.2 Estudios Hidrológicos Será necesario a la hora de proyectar una carretera determinar los caudales máximos procedentes de las cuencas adyacentes; la Instrucción 5.2 IC Drenaje superficial fija

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INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE como vemos en tabla de página siguiente unos periodos de retorno, para caños y tajeas se toman 25 años. La D.G.C. dispone de planos de todo el país con las isolíneas de precipitaciones diarias máximas Pd (mm), para periodos de retorno de 5, 10, 25, 50, y 100 años.

La relación entre la intensidad media It (mm/h) correspondiente a un aguacero de duración t(h), y la intensidad media correspondiente a la referencia I d = Pd /24, /24, se toma como: I t / I d

0 0 ,1 = ( I 1 / I d )2,5(28 −t )

El parámetro I1 /I /Id relaciona la intensidad horaria y la diaria de la precipitación, y en España varía entre 8 y 12, siendo el valor 8 en Cantábria y el mayor en la zona mediterránea como nuestra Región. Será también importante determinar el coeficiente de escorrentía que fija la relación entre la precipitación que se evacúa por el desagüe al cabo de un cierto tiempo y la total. Los coeficientes más altos corresponden a zonas arcillosas con pendientes fuertes, en tabla siguiente, vemos algunos valores.

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La fórmula que nos da la Norma y la Instrucción 5.2 IC, es la de Témez, para la determinación del coeficiente de escorrentía, y es:

⎛ Pd ⎞ ⎛ Pd ⎞ ⎜⎜ − 1⎟⎟ ⋅ ⎜⎜ + 23 ⎟⎟ ⎝ P0 ⎠ ⎝ P0 ⎠ C = 2 ⎛ Pd ⎞ ⎜⎜ + 11⎟⎟ ⎝ P0 ⎠ en la que Pd (mm) representa la precipitación máxima diaria para el periodo de retorno considerado y Po (mm) el umbral de escorrentía. esc orrentía. Q

=

CI t A

3,6

donde It es la intensidad máxima correspondiente al periodo de retorno elegido y duración igual al tiempo de concentración Tc y se expresa en mm/h, A será la superficie en km2 de la cuenca. Q

= k ⋅ A 3 / 4 donde

k = 0,06 ⋅ P10 ⋅ log T

siendo:

P10⇒ máxima precipitación diaria de periodo de retorno 10 años. T ⇒ periódo de retorno considerado.

21.3 Estudios Hidráulicos Una vez determinado el caudal a desaguar se dimensiona éste, y puede hacerse viendo la velocidad alcanzada por el agua en ellos o a su salida puede provocar erosiones, mayores o menores según la naturaleza del revestimiento, así dimensionamos los dispositivos de desagüe.

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TIPO DE REVESTIMIENTO

VELOCIDAD MÁXIMA ADMISIBLE DEL AGUA(m/s)

Hierba bien cuidada en cualquier clase de terreno Terreno parcialmente cubierto de vegetación Arena fina o limo con poca arcilla Arena arcillosa dura o marga Arcilla, grava Pizarra blanda Mampostería, hormigón, rocas duras Cubierta vegetal, gravas gruesas, pizarras blandas Conglomerantes, pizarras duras, rocas blandas Hormigón

1,80 0,60-1,20 0,20-0,60 0,60-0,90 1,20-1,50 1,50-1,80 3,00-4,50 1,20-1,50 1,80-2,40 4,5-9,0

Los dispositivos de desagüe suelen ser, caces, cunetas, sumideros, imbornales, y obras transversales como caños cajeas, y alcantarillas. La capacidad hidráulica de un caz es:

Q

=

Z ⋅ J 1 / 2 ⋅ H 8 / 3

600n

donde:

Z : Pendiente transversal del fondo del caz (m/m) J : Pendiente longitudinal del caz (m/m) H : Profundidad máxima alcanzada por el agua. n : Coeficiente de seguridad de Manning (0,012 – 0,016) La capacidad de una cuneta es: Q =

S ⋅ R 2 / 3 ⋅ J 1 / 2

R : S/P radio hidráulico (m). S : Sección de la corriente (m2) P : Perímetro mojado (m) J : Pendiente de la línea de carga (m/m) El caudal recogido por un sumidero será: 3/ 2

Si es lateral ⇒ Q =

60

L (a + H ) n

n

donde:

INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE Si es horizontal ⇒ H < 12 cm ⇒ Q =

PH 3 / 2

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⇒ H > 40 cm ⇒ Q = 300S H

Si H está entre 12 y 40 cm, será el mayor de los valores anteriores. a : Depresión de la entrada(cm) H : Altura de al lámina de agua estimada en el caz, junto al sumidero (cm) L : Anchura libre (cm) P : Perímetro de la abertura (cm) S : Área del sumidero (m2)

Las alcantarillas son conductos que llevan agua a través de un terraplén, según la Norma 5.2-IC, se recomiendan unos diámetros mínimos de los tubos de hormigón en función de la longitud de la obra transversal, así para una longitud inferior a 3 m, el diámetro será de 0,6 m; de 3 a 5 m entre 0,8 y 1 m; y de más de 15 m, de diámetro superior a 1,80 m. LONGITUD DE LA OBRA TRANSVERSAL (m). <3 3-5 >15

DIÁMETROS MÍNIMOS (m). 0,6 0,8-1 1,80

En figuras siguientes vemos los diversos tipos de cunetas y sumideros.

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21.4 Cálculo del drenaje subterráneo Como es complicado eliminar completamente el agua de los pavimentos y hacerlos totalmente impermeable, se deben diseñar buenos drenajes. En el proyecto de drenaje es conveniente estimar la permeabilidad mediante ensayos, pues varía desde 30 cm/s, en capas granulares a 10-9 cm/s en algunas arcillas. En la tabla siguiente vemos el coeficiente de permeabilidad (cm/s) de suelos según Casagrande y Fadum. 62


De igual forma, en la figura siguiente, se relaciona el coeficiente de permeabilidad con el tipo de suelo y la densidad seca.

El objetivo que debemos establecer con el drenaje es que las capas de la carretera estén libres de saturación, con lo que los caudales de salida deben ser mayores que los de entrada (infiltraciones), con lo que: Q A

+ Q D ≥ QS + QT donde:

QA = Caudal de salida por filtración hacia abajo QD = Caudal eliminado por drenaje 63

INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE QS = Caudal de entrada por filtración superficial QT = Caudal transferido por las zonas laterales o profundas Se suele adoptar como caudal de cálculo de infiltración superficial, el equivalente a la máxima precipitación horaria del año, para un periodo de retorno de 10 o 20 años. Como toda la lluvia que cae sobre un pavimento no penetra, hay que multiplicar por un coeficiente que es: -

Zonas secas con mezcla bituminosa de gran espesor (autovías, autopistas ⇒ 0,30).

-

Zonas de pluviometría normal, carreteras secundarias ⇒ 0,40.

-

Zonas lluviosas y carreteras locales ⇒ 0,50.

La disposición de un sistema de drenaje es la de una capa drenante bajo el pavimento que desagua lateralmente a unas zanjas drenantes longitudinales que recogen el agua y la conducen por medio de tubos perforados a arquetas, las que por otra parte conectan con el sistema de desagüe general. La cantidad de finos de las capas drenantes debe ser pequeña y la granulometría comprendida entre 5 y 20 mm. los materiales utilizados como capas drenantes, deben de tener un coeficiente de permeabilidad entre 10 -2 y 10-3 cm/s.

21.5 Geotextiles Es un material moderno que se presenta en forma de lámina sintética flexible y de poco espesor y peso, y que se está empleando mucho en obras de construcción, y en carreteras para proteger taludes, como elemento separador anticontaminante, y en el caso que nos ocupa, como filtros y drenes, pues ofrecen mayor permeabilidad y seguridad que los filtros granulares. Los geotextiles son fibras sintéticas obtenidas por hilado y estirado de polímeros fundidos de unos 10 a 30 µm de diámetro, y los materiales más utilizados son el poliéster y el polipropileno.

64


En la figura siguiente, vemos las propiedades necesarias de los geotextiles, para los diversos empleos constructivos que hemos comentado.

65


21.6 Esquemas de sistemas de drenaje Los sistemas de drenaje en las carreteras, suelen constar de una capa inferior drenante que capta las infiltraciones superficiales, como la representada en la figura inferior.

Igualmente suele disponer de zanjas drenantes laterales, que recogen las aguas procedentes de la capa drenante, como las de la siguiente figura.

66


También se dispondrá de un tubo drenante que recoge el agua de las zanjas, de arquetas de conexión entre los tubos drenantes, y de tubos de desagüe que conectan los colectores longitudinales, taludes o caces naturales. Aquí se representan varios ejemplos de zanjas drenantes.

En la figura siguiente se esquematiza la sección transversal en carreteras con desagüe y drenaje.

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La ejecución de zanjas drenantes se realiza en carreteras de nueva construcción con una máquina de rendimiento 4.000 m/día del tipo de figura.

68


69


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TEMA 22: DESCRIPCIÓN DE LOS FIRMES 22.1 Características Como hemos venido diciendo en los temas anteriores, el firme es un conjunto de capas que ha de soportar unas determinadas cargas de tráfico, durante el periodo de proyecto considerado, repartiendo las presiones de forma que como vemos en la figura, a la explanada solo llegue una pequeña fracción de aquellas, compatible con su capacidad de soporte.

TRANSMISIÓN DE LA CARGA DE UNA RUEDA A TRAVÉS DEL FIRME

Igualmente, los firmes, han de poseer unas determinadas características funcionales para proporcionar una superficie de rodadura segura y cómoda, como adecuada resistencia al deslizamiento, regularidad superficial también adecuada y un desagüe superficial rápido.

22.2 Materiales y Tipología de los firmes Los materiales utilizados y que iremos viendo en los temas siguientes, son los áridos

naturales

y

artificiales,

los

ligantes

hidrocarbonados

(emulsiones

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INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE bituminosas, betunes asfálticos), los conglomerantes hidráulicos (cementos, cenizas), las cales aéreas, el agua, y otros materiales como aireantes y plastificantes. La tipología los clasifica en flexibles y rígidos. -

Firmes flexibles: Están formados por varias capas constituidas por materiales con una resistencia a la deformación decreciente con la profundidad; éstos tienen al menos una capa de rodadura bituminosa.

-

Firmes semirrígidos: Podemos clasificarlos dentro de los anteriores, pero aquí las capas están tratadas o estabilizadas con cemento, son interesantes para grandes intensidades y cargas de tráfico.

-

Firmes rígidos: Tienen rígidos: Tienen un pavimento de hormigón, y por su mayor rigidez distribuyen las cargas verticales sobre un área grande y con presiones muy reducidas.

22.3 Constitución de los firmes -

Firmes flexibles y semirrígidos: Están formados por varias capas denominadas, pavimentos, base y súbase como vemos en ejemplos de figura.

-

El pavimento, es la parte superior del firme y la que soporta directamente las solicitaciones del tráfico. Los pavimentos pueden ser: tratamientos superficiales por riego con gravilla (empleados en firmes nuevos para tráficos ligeros o para restaurar existentes), y las mezclas bituminosas (empleadas en carreteras nuevas para tráficos medios y pesados, que se suelen ejecutar en dos capas denominadas de rodadura e intermedia.

-

La base, es la capa del firme debajo del pavimento, de función resistente, para tráficos medios y ligeros se emplean el macadam y la zahorra artificial, para tráficos pesados se emplean bases de mezcla bituminosa, gravacemento y suelocemento.

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La súbbase, es la capa debajo de la base y sobre la explanada, suelen ser

gravas y arenas naturales que tienen función drenante. C) FIRMES FLEXIBLES Y SEMIRRÍGIDOS

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ZAHORRA ARTIFICIAL

ZAHORRA ARTIFICIAL

-

Firmes rígidos: Constan de un pavimento de hormigón, con una capa de base, y a veces de una capa de subbase. En figura de página siguiente vemos nuevos ejemplos de secciones tipo de firmes rígidos.

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INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE D) FIRMES RÍGIDOS

ZAHORRA ARTIFICIAL

ZAHORRA ARTIFICIAL

20 cm. SUELO CEMENTO

El pavimento más empleado es el de hormigón vibrado en masa, aunque también se utiliza armado, si está sobre puentes. En los firmes rígidos para tráficos intensos y pesados se emplean bases tratadas con cemento, como gravacemento.

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TEMA 23: LIGANTES Y ÁRIDOS 23.1 Conglomerantes Son materiales que al mezclarlos con agua desarrollan un poder aglomerante, tras su fraguado, destacan las cales aéreas tipo I con pureza superior al 90%, los conglomerantes puzolánicos como las escorias y las puzolanas.

23.2 Ligantes Hidrocarbonados Se incluyen todos los materiales aglomerantes, sólidos o líquidos relativamente viscosos a temperatura ambiente, constituidos por mezclas complejas de hidrocarburos. Los más importantes y que veremos en los epígrafes siguientes son los betunes asfálticos y sus derivados (betunes fluidificados, fluxados y emulsiones bituminosas), los asfaltos naturales y los alquitranes.

23.3 Betunes Asfálticos Son los más utilizados en carreteras, y se obtienen como subproductos de las refinerías de petróleo según el esquema siguiente.

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En nuestro país , se consumen para carreteras al año, año, sobre 1,3 millones millones de toneladas en las 8 refinerías españolas que producen betún, una de ellas en nuestra Región, en Escombreras. Los mejores betunes para carreteras se obtienen a partir de los crudos de base nafténica constituidos por hidrocarburos no saturados y proceden de Venezuela. Los betunes asfálticos se denominan betunes de penetración; es la penetración a 25º C de una aguja calibrada, la que sirve para clasificarlos de manera primaria. Las especificaciones españolas definen los betunes B 20/30, B 40/50, B 60/70, B 80/100, B 150/200 y B 200/300; 200/300; los dos números indican el intervalo en el cual debe estar comprendido el valor de dicha penetración en décimas de milímetro; cuanto menor es la penetración, más consistente y duro es el betún. Los más empleados en carreteras son B 40/50, B 60/70 y B 80/100. 80/100. Betunes fluidificados: Llamados Cut-backs, Cut-backs, son derivados de los anteriores, obteniéndose mediante su disolución en un aceite o fluidificante, que se elimina después por evaporación y que sirve para facilitar la puesta en obra; hay dos

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INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE tipos, el FR de FR de curado rápido, y el FM de de curado medio. Se dividen a su vez en tres subtipos: FR 100, FR 150, FR 200, FM 100 (el 100 (el más utilizado), FM 150 y FM 200. El consumo es prácticamente nulo. Betunes fluxados: Donde el fluidificante es un producto de la hulla; los hay de dos tipos FX175 y FX350, FX350, se utiliza mucho en Francia, en nuestro país exclusivamente en los riegos monocapa doble engravillado.

23.4 Emulsiones Bituminosas Son productos líquidos (dispersiones coloidales de betún asfáltico) a temperatura ambiente, con una viscosidad tan reducida que no suele ser necesario ningún calentamiento, por lo que su puesta en obra se hace a diferencia de los betunes asfálticos en frío. Las emulsiones bituminosas pueden ser básicas ó aniónicas, aniónicas, que tienen buena adhesividad con los áridos calizos, y las catiónicas ó ácidas ácidas que tiene buena adhesividad con los áridos silíceos. Las emulsiones bituminosas se conservan y manejan en estado acuoso. Al ponerlas en obra en contacto con la superficie de los áridos, por reacción química o por evaporación del agua las partículas de betún se vuelven a juntar formando la película contínua deseada; este proceso se llama rotura de la emulsión. emulsión. Según que la emulsión aniónica (EA) ó catiónica (EC), (EC), y que su velocidad de rotura sea rápida (R), media (R), media (M) ó (M) ó lenta (L), la (L), la especificación española nos habla de EAR 0, EAR 1 y EAR 2, con contenido de betún del 43 al 65%, de EAL 1 y EAL 2, con contenido de betún del 55 y 60% respectivamente, ECR 0, ECR 1, ECR 2 y ECR 3, con contenido de betún del 43 al 66%, y EAM, ECM, ECL 1, ECL 2 y otros tipos a los que se añade la letra d, como ECL 1d ó EAL 2d, que significa que el betún es más duro, 60/100 en vez de 130/200. Igualmente, también tenemos las de tipo EAI y ECI, que son especiales para los riegos de imprimación, con un contenido de betún residual del 40% y de fluidificante sobre el 15%.

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23.5 Ligantes modificados y Alquitranes En algunas ocasiones se incorporan aditivos para mejorar las susceptibilidad térmica, la deformación deformación o la durabilidad, los aditivos pueden ser de diversos diversos tipos, polímeros, caucho, polietileno, azufre, celulosa, etc. Los ligantes modificados más usados, para hacer mezclas más porosas y drenantes son el EVA, EVA, a base de (etileno- acetato de vinilo), que también eleva la resistencia a la deformación plástica, y el SBS (estireno-butadieno-estireno) que mejora la flexibilidad y la adhesividad con los áridos. Los alquitranes son productos hidrocarbonados que resultan de la destilación de la hulla, y los hay de dos tipos AQ tipos AQ y BQ, BQ, según los tipos de aceites y breas que intervienen en su composición; fueron muy utilizados hasta mediados del siglo pasado (1960), ahora no se suelen usar en carretera al decretarse una directiva comunitaria que los supone sustancias cancerígenas.

23.6 Aplicaciones de los Ligantes En la tabla siguiente, vemos el tipo de ligante hidrocarbonado usado, para cada procedimiento constructivo.

80


En los artículos 211, 213, 215 y 216 del PPTG, figuran los especificaciones de los ligantes, recogidas en varias tablas. Las Normas de ensayo están recogidas en NLT-122, que es la de densidad, que en los betunes es del orden del 1.03, las NLT-133 y NLT138, relativas a viscosidad, la NLT125 de punto de reblandecimiento, la NLT126 relativa relativa a la ductilidad, la NLT182 sobre el punto de fragilidad, fragilidad, la NLT130 de solubilidad, la NLT-123

de

contenido de agua, la NLT-185 relativa al envejecimiento y el ensayo de penetración recogido en la NLT-124; con las emulsiones bituminosas se suelen hacer ensayos específicos como en NLT-14, para ver su homogeneidad, el NLT140 o ensayo de sedimentación, el de carga de las partículas NLT-194, el NLT-195 del pH, y el NLT-136 relativo al punto de inflamación.

23.7 Áridos empleados En las capas de firme, su porcentaje porcentaje gira entre entre un 90% en peso y un 80% en volumen, los tipos de árido más empleados son: 81


A). Áridos Áridos naturales:

son los más utilizados en carreteras, carreteras, extrayéndose extrayéndose de

areneros o graveras, y se emplean o bien directamente (rodados), o después de un proceso como el de la figura, llamado de machaqueo.

Este tipo de áridos naturales, podemos clasificarlos en : a.1) Calizos: Los más comunes en España, excepto en Galicia, y que son buenos para el firme, excepto para capa de rodadura, pues producen superficies deslizantes. a.2).Silíceos: Bueno para todas las capas del firme.

82

INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE a.3). Ígneas y metamórficas: son buenísimos para la capa de rodadura, tanto en mezclas bituminosas

como en tratamientos superficiales (basaltos, pórfidos,

granitos), el inconveniente es la mayor dificultad del proceso de fabricación. B). Áridos artificiales: en ocasiones la escasez de áridos naturales, hace que se empleen otros subproductos, como desechos de explotaciones mineras, o de industrias de cerámica, vidrio o residuos sólidos, son interesantes las arcillas expandidas , obtenidas por proceso industrial de áridos naturales, que presentan una gran resistencia al deslizamiento en capas de rodadura. Es importante el uso de neumáticos (producto altamente contaminante).

Propiedades: Según su uso será importante delimitar varias características de los áridos como son, su granulometría, así se habla de 0/2, 2/5, 5/12, 12/18,... mm. y decimos que la separación del árido grueso y el fino son 2,5 mm., y arena lo inferior a 5 mm. Igualmente es interesante estudiar la forma y angulosidad del árido, su rozamiento interno y cohesión, su adhesividad, su plasticidad en el árido fino, y su resistencia resistencia al desgaste que se obtiene por el ensayo NLT-149, ya conocido por otra asignatura, como es el ensayo de Los Los Ángeles, y en el que podemos decir que los coeficientes coeficientes de desgaste de Los Ángeles > 40, son de áridos no aptos para firme de carreteras, y los < 20 buenos para capas de rodadura. En cuanto al equivalente equivalente de arena NLT-113, < 20, áridos áridos muy contaminados y no utilizables, > 50 muy buenos. Los valores máximos del coeficiente de Los Ángeles para calzada son de 30 con tráfico de T00 a T2 y 35 con T31, T32, T41 y T42, y en arcenes 40. El coeficiente de pulimiento acelerado (CPA)>0,45 para ser apto en capa de rodadura.

23.8 Capas Granulares Constituidos exclusivamente por áridos y en las la s que distinguiremos dos tipos: a). Las constituidas por partículas gruesas de granulometría uniforme entre 5 y 10 centímetros, como es el caso del macadam, que se puede recebar con finos.

83

INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE b) Las formadas por áridos de diversos tamaños, como es el caso de zahorras, que pueden ser drenantes en caso de eliminar los finos. En las figuras siguientes, siguientes, vemos los tipos y sus granulometrías.

84

INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE En el siglo pasado los firmes de los caminos eran de macadam, con un pequeño recebo de material material fino para una rodadura mejor, mejor, hasta el año 1940 en que el incremento del tráfico, y su velocidad obligan a disponer sobre el macadam capas asfálticas; a partir de 1960 empiezan a utilizarse más las capas de base de granulometría contínua, como

zahorras artificiales que posteriormente para

tráficos pesados se han sustituido por gravas tratadas con cemento que dan una mayor capacidad de soporte del firme, por lo que en la actualidad las capas granulares se emplean para bases en carreteras carreteras con tráficos medios y ligeros y para subbases en carreteras con todo tipo de tráficos.

23.9 Macadam y Zahorras Como hemos dicho en el epígrafe anterior, el macadam es poco utilizado en la actualidad excepto en la comunidad gallega y en Andalucía Oriental al presentar varios inconvenientes como su dificultad de compactación y que al tratarse de una capa de granulometría

discontínua solo se aprovecha una fracción de lo

producido en el proceso de machaqueo de los áridos. En las tablas siguientes vemos los husos granulométricos para el árido grueso y el recebo de las capas de macadam.

85


Como decimos últimamente se utilizan más las zahorras, con las que se obtiene una elevada compacidad, y en las que la puesta de obra se realiza mejor. A menudo se emplean emplean zahorras zahorras naturales

en espesores de 20-50 cm. para

subbases, y para bases en carreteras de baja IMD. Suelen ser áridos rodados, si queremos disponer de una capa con alta capacidad de soporte es preciso lograr un mayor rozamiento interno que el obtenido con áridos rodados, por lo que recurrimos a las zahorras artificiales compuestas por áridos de cantera que se utilizan

en bases y subbases en espesores de 20-30 cm. Los usos

granulométricos exigidos a las capas de zahorra natural y artificial son los de las tablas siguientes:

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Si queremos que una capa granular sea permeable, coeficiente permeabilidad >10-3 cm/s, es preciso que la proporción de tamaños de árido inferior a 1mm. sea menor del 10%. En tabla inferior tenemos los husos granulométricos de zahorras artificiales drenantes, drenantes, que son recomendadas en la instrucción 6.1 y 2 IC de secciones de firme de la DGC, para bases de arcenes pavimentados y en subbases sobre explanadas no estabilizadas y con índice de plasticidad superior a 10.

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Entre las características de los áridos para zahorras, destacamos que el tamaño máximo de los áridos no debe exceder de los 25 mm en capas de base ni los 40 mm. en capas de subbase. En la tabla siguiente resumimos las especificaciones de áridos para zahorras. RESUMEN DE ESPECIFICACIONES DE ÁRIDOS PARA ZAHORRAS. DIRECCIÓN GENERAL DE CARRETERAS (1986)

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Zahorras naturales

Zahorras Artificiales

Partículas gruesas fracturadas(%) Índice de lajas(%)

-

>75(Tráficos T00,T0,T1) >50(T2,T31,T32,T41 y T42)

-

<35

Desgaste de los Ángeles(%)

<40 <50(Huso ZNA)

<30(Tráficos T00,T0 y T1) <35(T2,T31,T32,T41 y T42)

Coeficiente de limpieza (%)

<2

<2

Equivalente de arena (%)

>30 >25 (Huso ZNA)

>35 (Tráficos T00,T0 y T1) >30(T2,T31,T32,T41 y T42)

Plasticidad

NP(Tráficos T00,T0,T1 y T2) LL<25, IP<6(T31,T32,T41 y T42)

NP

CBR

>20

-


TEMA 24: ESTABILIZACIONES DE SUELOS 24.1 Introducción La estabilización de un suelo, tiene por objeto mejorar entre otras cosas su durabilidad y su resistencia a la deformación, y eso se logra con mezclas de cemento y otros conglomerantes como veremos a lo largo del tema.

24.2 Estabilización de suelos con cemento Los suelos estabilizados con cemento: Mejoran la sensibilidad a la acción del agua y la capacidad soporte; la mezcla se realiza in situ, y según la Instrucción 6.1 y 2 IC, hay tres tipos, el S-EST-1 con un CBR a 7 días > 6 y con el 2% de cemento, y el S-EST 2 con un CBR a 7 días > 12, y con más del 3% de cemento y el S-EST 3 sobre el 5% de cemento normalmente. En los suelos estabilizados: LL > 40 , IP<=15. Suelocemento: Es cuando el suelo anterior lo empleamos en capas de firme, exigiéndole una resistencia a compresión simple mínima de 2,5 Mpa a 7 días. La cantidad de cemento necesaria para obtener un material resistente, depende del tipo de suelo, como vemos en la tabla siguiente, en la que vemos que los suelos más adecuados para estabilizar con cemento son los granulares con finos de plasticidad reducida, fundamentalmente A-1, A-2, y A-3. El contenido mínimo de cemento es del 3%. Hay dos tipos de suelocemento (SC40 y SC20), para ninguno de ellos se utilizarán materiales con M.O. > 1% y los materiales granulares granulares debe debe cumplir cumplir

LL < 30 e

IP < 15. Los valores máximos del coeficiente de Los Ángeles para calzada son de 30 con tráfico de T00 a T2 y 35 con T31, T32, T41 y T42, y en arcenes 40.Densidad 97% del proctor modificado.

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24.3 Estabilización de suelos con cal Se obtiene mezclando el suelo con cal aérea y agua; los suelos son de granulometría fina, las proporciones de cal, son del 4% al 7% si la cal es apagada y del 2 al 5% si es viva. La aplicación más usual de estas estabilizaciones, que aumentan la humedad óptima de compactación, lo que permite una puesta en obra más fácil, es en explanadas y en firmes de caminos agrícolas en zonas de suelos arcillosos.

24.4 Estabilización con otros materiales También se pueden estabilizar suelos con betunes fluidificados, sobre todo si el único material existente son arenas de granulometría uniforme como en los Países Bajos y Arabia, en España no se utiliza, al ser además costoso. Igualmente para caminos no pavimentados se suele emplear el cloruro sódico y el cálcico.

24.5 Ejecución de las estabilizaciones El suelo a estabilizar debe ser escarificado antes de mezclarlo, no dejando tamaños superiores a 80 mm., la mezcla se realiza in situ en explanaciones y en central si se destina a capas de firme. En las figuras vemos las fases de ejecución de una estabilización in situ y la maquinaria empleada.

90

INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE Con el equipo de gran potencia de la figura, con un espesor de unos 30 cm, se realizan en una sola pasada todas las operaciones de distribución, mezcla y extensión del suelo estabilizado.

91


24.6 Empleo de gravas tratadas A partir de 1.965, y debido al aumento del tráfico pesado en nuestro país, surgió la necesidad de abandonar las bases granulares y emplear otras más resistentes a la fatiga y la deformación, como las gravas tratadas que veremos a continuación: gravacemento, gravaescoria, gravaceniza y gravaemulsión, que tienen en común que la dosificación y mezcla se realizan en central. A) Gravacemento: Suele ser el material más utilizado en España en los firmes semirrígidos donde absorbe la mayor parte de las tensiones procedentes del tráfico. El espesor no debe ser inferior a 20 cm; aunque el mínimo se fija en 15 cm. Un problema de esta grava tratada, es que al tratarla con cemento se suele agrietar por retracción, lo que se combate interponiendo capas de geotextiles impregnados con ligantes. Hay dos tipos de gravacemento GC-25 y GC-20. El contenido mínimo de cemento será del 3,5%, la mínima resistencia a 7 días será 4,5. El árido fino para capas de gravacemento en carreteras con categoría de tráfico pesado T00 a T2 será no plástico y cumplirá en los demas casos LL<25 e IP<6. La resistencia compresión a 7 días es de 6 Mpa, Coeficiente de desgaste de los Ángeles<30 y Equivalente de Arena>30. En una gravacemento la proporción mínima de partículas trituradas de árido grueso es:

Calzada Arcenes

T00 a T1

T2

T31,T32,T41 y T42

75 50

50

30 30

El equivalente de arena será superior a 40 para GC-20 y a 35 para GC-25 B) Hormigón Magro: Si en la gravacemento, el contenido oscila del 3 al 5%, en este material muy utilizado en Inglaterra con la denominación lean concrete, es del 6 al 9% de cemento, por lo que al alcanzar 92

INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE mayores resistencias a compresión es bueno como base en carreteras de tráfico pesado, en España solo se utilizó con frecuencia en las décadas de los setenta y ochenta, destacando la Autopista BilbaoBehovia, la variante de Aranjuez, y las grandes avenidas de Madrid. Coeficiente de los Ángeles < 35 y equivalente de arena > 75. La resistencia media a compresión simple a 28 días estará comprendida entre 15 y 22 MPa. C) Gravaescoria: Se obtiene añadiendo al árido sobre un 20% de escoria granulada de alto horno y un 1% de cal viva o apagada, es muy usado en Francia, y en España en el Principado de Asturias. Su característica fundamental es el crecimiento de su resistencia, que es lento, pero que a largo plazo llega a superar a la obtenida con gravacemento. Hay dos tipos GEG-1 y GEG-2. Coeficiente de los Ángeles < 30, equivalente de arena > 30 D) Gravaceniza: La ceniza, que como sabemos es un subproducto de las centrales térmicas, también se emplea en bases, combinándose con los áridos en un porcentaje del 10%, y del 2% de cemento o de cal viva o apagada. E) Gravaemulsión: Es un tipo de mezcla bituminosa en frío constituida por áridos de granulometría continua, emulsión bituminosa y agua. Las emulsiones bituminosas empleadas pueden ser catiónicas o aniónicas, pero deben ser siempre de betún puro y de rotura lenta, fundamentalmente ECL 2 y EAL 2. La gravaemulsión se emplea fundamentalmente para el acondicionamiento de carreteras con tráficos medios y ligeros. Sus ventajas son su flexibilidad, y su sencillez de fabricación y puesta en obra, que se hace en capas de 8 a 15 cm., y con compactadores potentes como rodillos vibratorios. Coeficiente de los Ángeles < 30, equivalente de arena > 45 con emulsiones catiónicas y > 25 con aniónica.

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Espesores máximos y mínimos para materiales granulares y tratados con cemento a emplear en firmes.

Material

Firmes

94

Espesor Máx. Espesor Mín. (cm)

(cm)

Gravacemento

25

20

Suelocemento

30

20

Zahorra artificial

30

20


TEMA 25: TRATAMIENTOS SUPERFICIALES 25.1 Definición y Clasificación Es una fina capa que oscila de 1 a 4 cm de espesor que no trata de aumentar la capacidad resistente, sino solo de mejorar las características superficiales del firme, como su impermeabilidad y textura. La clasificación es la de la tabla adjunta:

25.2 Riegos sin gravilla De tabla anterior, los tipos y sus características son: A) Riegos en negro: Son negro: Son los que se realizan en vías de baja intensidad de tráfico sobre superficies de rodadura pobres en ligante, la dotación suele ser de 0,2 a 0,4 kg/m2, y los ligantes utilizados, emulsiones tipo EAL1 y EAM diluidas en agua. B) Riegos antipolvo: antipolvo: Son aplicaciones de un ligante sobre la superficie de un camino no pavimentado, con objeto de eliminar el polvo, y protegerlo de la erosión y la humedad. Se utilizan emulsiones aniónicas EAM o EAL disueltas en agua. La dotación es de 0,2 kg/m2.

95

INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE C) Riegos de imprimación: imprimación: Consisten en la aplicación de un ligante fluido sobre una superficie no tratada, como explanada, con el único objetivo de preparar la superficie de apoyo para sujetar la capa bituminosa o tratamiento superficial posterior; la dotación es de 1 kg/m2 de betún residual, y los ligantes EAI y ECI, en ningún caso inferior a 0,5 kg/m2. El equivalente de arena del árido > 40, se ejecutarán con temperaturas superiores a 5ºC. D) Riegos de adherencia: adherencia: Es la aplicación de 0,3 kg/m2 de betún de emulsión bituminosa EAR 1 o ECR 1 sobre una superficie bituminosa o tratada con un aglomerante hidráulico, con el fin de conseguir su unión con una capa bituminosa que ha de ejecutarse posteriormente en ningún caso inferior a 0,2kg/m2. E) Riegos de curado: se curado: se utilizan para asegurar el fraguado de capas tratadas con conglomerantes hidráulicos (suelocemento, gravacemento,...), y su objetivo es formar una película que impermeabilice la superficie de la capa para evitar la pérdida de humedad por evaporación, sobre 0,6 kg/m2. En todos los riegos se hará un control al menor de: 1) 500 m. de calzada. 2) 3500 m2 de calzada. 3) Superficie hecha diariamente.

25.3 Riegos con gravilla Son los que se aplican con más frecuencia como tratamientos superficiales, y están constituidos por un riego con un ligante hidrocarbonado seguido de la extensión de una gravilla. Si las extensiones de ligante y árido tienen lugar una sola vez se llaman r i e g o s m o n o ca c a p a , si hacemos varias aplicaciones con tamaños decrecientes de

gravilla, tenemos como vemos en la figura los ri eg os bicapa o multicapa. multicapa.

96


Los áridos utilizados suelen ser de machaqueo, resistentes, limpios, poco pulimentables y con una granulometría uniforme y unos husos como vemos en la figura.

Trafico pesado T0, T00

T1 y T2

T31,T32, T41 y T42

Coef. Max de los Ángeles

15

20

30

Coef. Mínimo pulido accelerado

0,50

0,45

0,40

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Los ligantes más recomendables son las emulsiones de rotura rápida EAR1, EAR2, ECR1, ECR2, y ECR3, y si se trata de riegos monocapa doble engravillado se engravillado se utilizan los betunes fluxados FX 175 y FX 350. A riegos monocapa con árido fino, le llamamos de sellado. sellado. La ejecución de un riego monocapa o simple tratamiento superficial , que es

una única aplicación de ligante y gravilla, es la que vemos en la figura.

98


A) EJECUCIÓN DE UN RIEGO MONOCAPA

Para dosificar estos riegos se utiliza la r eg la del décimo , si d es es el tamaño mínimo de la gravilla y D el máximo, el medio será A = (D + d)/2; la dotación de la gravilla d/D (mm) ha de ser de A tn/m2 y la del betún A/10 tn/m2.

99

INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE Los riegos más importantes son los que llamamos bicapa o doble tratamiento s u p e r f i c i ale al e s , que están formados por dos aplicaciones sucesivas de ligante y

gravilla, su ejecución como veremos, es muy importante para su vida, que puede superar los seis años con tráficos medios. La D.G.C establece los siguientes tipos unificados de riegos bicapa.

La dotación de ligante puede determinarse aplicando dos veces la r eg la del décimo . En cuanto a la ejecución, como decíamos es fundamental, queda reflejada en la figura de página siguiente, y para iniciarla, se ha de preparar la superficie mediante un barrido, seguida posteriormente de un riego de imprimación, por medio de una cisterna como la que vemos en la figura.

100


Posteriormente se extiende el árido mediante una extendedora, del tipo de las de la figura. 101


Otro tipo de tratamiento superficial, es el rieg o monocapa dobl doblee eng r avillado avillado que es la realización de un solo riego de ligante, betún fluxado, seguido de la extensión sucesiva de una gravilla gruesa y de otra fina.

25.4 Lechadas Bituminosas Consisten en la aplicación sobre una superficie de una o varias capas de un mortero bituminoso fabricado en frío con áridos, emulsión bituminosa b ituminosa y agua.

102

INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE Cada año se pavimentan en España de esta forma sobre 25 millones de m2, mientras que de riegos con gravilla son unos 75. El proceso de fabricación es el de la figura. Los husos son:

El ligante es una emulsión bituminosa de rotura lenta (EAL1, EAL2, ECL1, y ECL2). Los contenidos de agua varían entre el 19 y el 20% respecto al peso de los áridos, y los contenidos de emulsión igualmente varían del 10 al 20%; en cuanto a los tamaños máximos especificados del árido van de 2,5 a 10 mm estando los menores indicados para tratamientos de sellado y los mayores para tratamientos antideslizantes, en estos casos, LB1 y LB2 hablamos de microaglomerados bituminosos en frío. La cantidad a emplear va desde 5 kg/m2 para tratamientos de sellado con lechadas finas y un espesor inferior a 5 mm, hasta los 20 kg/m2 para tratamientos antideslizantes con lechadas gruesas y de un espesor que supera los 15 mm. Los coeficientes de rozamiento deben ser como mínimo del orden de 0,55. Respecto a su puesta en obra, estas lechadas se fabrican en mezcladoras móviles sobre camión que también las extienden.

103

INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE En la figura siguiente representamos un equipo montado sobre camión para la fabricación y extensión de lechadas bituminosas, que con una dotación del orden de 10 kg/m2, da unos rendimientos superiores a 1.000 m2 /día.

El equivalente de arena será > 40 con emulsión aniónica y > 60 con emulsión catiónica. El valor máximo del coef. De desgaste de los Ángeles será:

104

T00,T0

T2,T31,T32

y T1

y arcenes

20

25

T41-T42 30


El coeficiente de pulimento acelerado del árido grueso será > 0,50 para T00, T0, T1 y T2 y > 0,45 en demás casos.

Característica Dotación media kg/cm2 Capa donde se aplica Betún residual Campo aplicación

LB1 14-18 2ª o única 5-6,5 T00 a T2 y T3 y T4 en vías de servicio

TIPO DE LECHADA LB2 LB3 11-14 8-11 Cualquiera 5,5-9

6-10 T2 a T4, arcenes de T00 a T2 t 1ª capa

LB4 5-8 1ª o única 9-12 Arcenes T3 y T4 sellado en 1ª capa

105


106


TEMA 26: MEZCLAS BITUMINOSAS 26.1 Introducción Si bien ya en 1.830 se empleó alquitrán en pavimentación en el reino Unido, su desarrollo provino en la II Guerra Mundial donde fue empleado en pistas de aeródromos militares. En España también se empleó el alquitrán en 1.850 para la Puerta del Sol en Madrid, y sobre 1.930 se planificó por primera vez el Circuito Nacional de Firmes Especiales, que eran 225 km de pavimentación con mezclas bituminosas. Para que tengamos una idea de su importancia actual, destacaremos que en el año 2.002,se fabricaron y extendieron en España casi 32 millones de toneladas de mezclas bituminosas, lo que supuso una inversión de casi 700 millones de Euros, y por encima del 15% de la inversión total en carreteras. ca rreteras. Las mezclas bituminosas, o aglomerados bituminosos están formados por una combinación de áridos y un ligante hidrocarbonado. En peso, los ligantes más utilizados son los betunes de penetración B 40/50, B 60/70 y B 80/100 para las mezclas en caliente, y las emulsiones de rotura media o lenta para las mezclas en frio.

26.2 Clasificación En función del parámetro considerado, las clasificaciones son, según tabla:

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A) Según fracciones del árido empleadas: tenemos tenemos la siguiente clasificación: Mástico bituminoso: filler más betún. Mortero bituminoso: árido fino más mástico. Macadam bituminoso: árido grueso más betún. Hormigón bituminoso: árido grueso más mortero. B) Según temperatura de puesta en obra: Tenemos las mezclas en frío en las que el ligante suele ser una emulsión bituminosa, y se suelen utilizar en construcción, o en conservación de carreteras secundarias, las mezclas más normales son las abiertas AF 25 y AF 20, y las densas DF; pero más importantes son las mezclas en caliente que se fabrican con betunes de penetración a temperaturas superiores a 150 ºC, las normalizadas en España son las de la tabla siguiente:

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C) Según porcentaje de huecos en la mezcla: Tras la compactación incluso las mezclas más cerradas, dejan huecos para que no se produzcan deformaciones plásticas, así como mínimo ese porcentaje de huecos será del 3% y llegará hasta el 6% en mezclas densas o cerradas, si no supera el 12% hablaremos de abiertas y si es superior al 20% drenantes o porosas. Las cerradas son las más empleadas en rodadura, al ser las más impermeables, son las denominadas densas (D y DF) y semidensas (S). Las semidensas son las empleadas en capas intermedias y de base, (G). Las abiertas (A y AF) tienen gran flexibilidad y se recomiendan en capas de rodadura de espesor muy pequeño, que luego se sellan con lechadas bituminosas. Las porosas o drenantes (P) son las más empleadas actualmente en las capas de rodadura de mayor tráfico pesado e intensidad, como autovías y autopistas, los espesores son muy pequeños, sobre 3 a 5 cm.; por lo que el agua evacua rápidamente por infiltración, y la capa inferior, como vemos en la figura garantiza la impermeabilidad.

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D) Según el tamaño del árido: Aquí podemos hablar de dos tipos, las que llamaremos mezclas finas o microaglomerado (F y M) de espesor menor a 3 cm y muy utilizadas en zonas urbanas, donde tenemos las mezclas F destinadas a capas de 2-3 cm, y las M de espesores de 1-2 cm, cuyos husos figuran en tabla siguiente:

110


El otro tipo, son las mezclas gruesas con tamaños de árido 10, 12, 20 y 25, y que suelen proporcionar mayor macrotextura; los espesores recomendados son los de tabla:

E) Según la estructura del árido: aquí distinguiremos las mezclas que tienen un esqueleto mineral resistente como todos los aglomerados, y son las más comunes, otras son las que no lo tienen, caso de másticos y asfaltos fundidos. F) Según la granulometría: Tenemos las mezclas continuas donde la curva granulométrica de los áridos es continua, y son las más usuales, excepto en algunos países como Inglaterra donde al faltar tamaños entre 2 y 8 mm., se forman mezclas discontinuas, que necesitan mayor contenido de ligante; son discontinuas los microaglomerados para capas de rodadura de pequeño espesor. Respecto a otro tipo de mezclas, cabría destacar las de alto módulo de elasticidad, así como la resistencia a la fatiga; se utilizan en espesores de 8 a 15 cm para refuerzos y en firmes nuevos para tráficos pesados, y dan mejores resultados que la gravacemento, pues éste puede dar problemas de agrietamiento por retracción. En mezclas bituminosas en frío: 111

INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE El coeficiente de desgaste de la Ángeles será<30 en capas de base y <25 en capas intermedias o de rodadura. El coeficiente de pulido acelerado será > 0,45 en carreteras para tráfico pesado.

26.3 Empleo y Utilizaciones Los cuatro tipos de mezclas más empleados, y sus utilizaciones son: a) Hormigones bituminosos en caliente: Son los más empleados empleados y se utilizan para todas las capas; se fabrican con betunes asfálticos del 3 al 5% de betún. b) Mezclas porosas o drenantes: Empleadas en capas de rodadura de grandes vías; fabricadas con betunes modificados en proporciones del 5%. Se mejora la rodadura reduciendo ruido. Se ponen en zonas urbanas bajando el ruido de 6 a 8 dB. c) Microaglomerados: Se emplean con granulometrías continuas continuas y discontinuas, y tanto en frío como en caliente, su mayor aplicación es para renovaciones superficiales, y su contenido de betún supera el 5%.Se utiliza un betún 70/60. d) Mezclas abiertas en frío: De utilización en conservaciones, y con porcentajes del 3% de betún.

26.4 Métodos de dosificación Los métodos existentes determinan las proporciones más adecuadas para cada tipo de mezcla de los áridos, el polvo mineral y el betún; para la dosificación de másticos y asfaltos se utiliza el ensayo de inductación; para la dosificación de morteros bituminosos se utiliza el ensayo NLT-160 de Hubbard-Field; para la dosificación de mezclas abiertas y porosas se utiliza el ensayo NLT-352 conocido como ensayo cántabro, y el más empleado el de dosificación de mezclas tipo hormigón bituminoso (NLT-159) que es el ensayo Marshall, que es un ensayo mecánico en el que se rompe una probeta cilíndrica de 101,6 mm. de diámetro y 63,5 mm. de altura mediante la aplicación de una mordaza perimetral que impone una velocidad de deformación constante de 50,8 mm/min., con ello determinamos la densidad aparente y los huecos en áridos y mezcla, así como estabilidad y deformación. Es interesante 112

INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE completar este ensayo con el NLT-162 de inmersión-compresión para ver el efecto de la acción del agua con el NLT-173 y NLT-381 que para tráficos pesados son interesantes. En tabla siguiente se nos da la dosificación de mezclas en caliente según Método Marshall : DOSIFICACIÓN DE MEZCLAS EN CALIENTE SEGÚN EL MÉTODO MARSHALL (D. G. DE CARRETERAS) CARACTERÍSTICAS Nº de golpes por cara cara Estabilidad (kN) Deformación (mm) Huecos mezcla (%) Capa de rodadura Capa intermedia Capa de base

CATEGORIA DE TRÁFICO PESADO T00, T0, T1 y T2 T31, T32, T41 y T42 75 >10 7,5-12,5 2-3,5 4-6 4-8 4-9

3-5 3-8 3-9

Huecos en áridos(%) Mezclas D8 Mezclas D12 y S12 Mezclas D20,S20 y G20 Mezclas S25 y G25

Tipo de capa. Rodadura Intermedia Base

≥16 ≥15 ≥14 ≥13

Tipo de mezcla.

Dotación mínima %.

Drenante

4.5

Densa y Semidensa

4.74

Densa, Semidensa y Gruesa

4.0

Alto módulo

5.2

Semidensa y Gruesa

3.5

Alto módulo

5.2

26.5 Fabricación Podemos hablar de la fabricación de las mezclas en frío, en el que al no tener que calentar los áridos, las mezcladoras más utilizadas hoy en día, son las mezclas sobre

113

INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE camión que extienden a la vez el material sobre la carretera, como vemos en figura de página siguiente. En cuanto a las mezclas en caliente se realizan en centrales que suelen tener una producción de 250 t/h., de las que existen en España cerca de quinientas, de las cuales unas cien son móviles; el precio, según su capacidad de producción, oscila entre 1.5 y 4 millones de Euros, y las unidades de las que consta las vemos en las figuras siguientes:

114


115


26.6 Puesta en Obra Hablaremos de cuatro fases, que son, la preparación de la superficie existente, el transporte, la extensión y la compactación. a) Preparación de la superficie: Se debe realizar un buen barrido, y realizar una buena imprimación, o riego de adherencia adherencia si la superficie de apoyo apoyo

es

bituminosa, si se trata de echar una capa de refuerzo sobre un pavimento agrietado, antes se debe de fresar. b) Transporte: De la central, la mezcla se deposita deposita en camiones volquetes que se deben proteger con lonas para conservar temperatura. La distancia que recorren para el transporte no debe ser mas de 25 Km. c) Extensión: Aunque hace años se hacía con motoniveladoras, actualmente se

utilizan máquinas llamadas extendedoras que pueden ser sobre orugas o neumáticos, en figuras siguientes vemos una puesta en obra, y el esquema y proceso de trabajo de una extendedora. Para tráficos de T00 a T1 se efectuará a ancho completo.

116

INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE d) Compactación: Se realiza antes de que la mezcla baje de 120 ºC recordamos que su puesta en obra es entre 130 y 150 ºC, se realiza normalmente con rodillos vibratorios, hasta alcanzar un mínimo entre 95 y el 98% de la densidad Marshall de referencia. Las puestas tendrán una separación mínima de 5 metros las transversales y de 15 cm. las longitudinales. Durante la puesta en obra, habrá que realizar los correspondientes controles de calidad, lo mismo que se suelen hacer los de los dos componentes de la mezcla, del proceso de fabricación, y de la unidad de obra terminada. Con menos de 5ºC no se debe poner en obra, al igual que si llueve. En el artículo 542 del PG-3 se determinan todos los tipos de ensayos a realizar.

117


118


TEMA 27: FIRMES RÍGIDOS 27.1 Introducción Firmes rígidos, son los pavimentos de hormigón, que se emplearon por primera vez en una carretera de Míchigan en 1.909, posteriormente llegaron a Europa en la II Guerra Mundial, así Alemania construyó 4.000 km. de autopistas. En España el primer ensayo corresponde a 1.915 en el tramo Barcelona- Calafell, después ya no se utilizó hasta la década de 1.970-1.980 donde se construyó la autopista Oviedo-GijónAvilés, y casi 200 km en la A-7 Alicante-Barcelona, posteriormente ya en los años 90 destaca el túnel de Cadí, y el tramo Granada Sevilla de la A-92, que ha dado numerosos problemas, aunque no debidos al pavimento, sino a la pésima calidad de la base. Las últimas obras realizadas se desarrollaron con un hormigón compactado con rodillo. Actualmente en España hay casi 2.000 km de calzada de dos carriles con pavimento de hormigón.

27.2 Características Sobre el pavimento de hormigón vibrado, que representamos en la figura, recae la responsabilidad estructural y funcional.

El espesor de la losa puede ser si el tráfico es ligero, inferior a 20 cm, y en el caso de pistas de aeropuertos de grandes tráficos, pasar de 40 cm, la relación de cemento suele ser de 300-350 kg/m3.

119

INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE Entre las características, cabe destacar la rigidez del pavimento, que hace que sea extremadamente resistente a presiones de vehículos pesados. Otra característica es la necesaria disposición de juntas para evitar fisuras; la conservación no es muy costosa y consiste sobre todo en sellar juntas y grietas a base de resinas. Uno de los más importantes problemas, el de la textura superficial, que influye en el ruido se está mejorando empleando arenas silíceas que también mejoran la resistencia al deslizamiento.

27.3 Tipos de pavimentos Los pavimentos de hormigón, podemos agruparlos en cinco categorías, como vemos en figura de página siguiente. a) Pavimentos de hormigón vibrado (sin o con pasadores), son los más utilizados. b) Pavimentos de hormigón compactado. c) Pavimentos de hormigón armado d) Pavimentos de hormigón pretensado. pretensado. e) Pavimentos prefabricados de hormigón (adoquín). Los más empleados por su menor coste son los de hormigón en masa. a) Pavimentos de hormigón vibrado: En este tipo de pavimentos se disponen juntas transversales de contracción y longitudinales de alabeo entre carriles. También se colocan las juntas transversales al inicio y final de una obra de fábrica, como es el caso de los puentes. Para tráficos T00,T0 y T1 se exigen los pasadores, para mejorar la transmisión de cargas entre losas contiguas, son barras de acero lisas no adheridas al hormigón, como veíamos en figura de página anterior, situadas a mitad de espesor, paralelas entre sí y al eje de la vía. Los espesores de estos pavimentos están comprendidos entre los 2040cms. Se ponen juntas entre 3 y 5 metros. b) Pavimentos de hormigón compactado: Son pavimentos de un hormigón con bajo contenido en agua, la relación agua / cemento es 0,35, que se compacta con rodillos vibratorios y de neumáticos, el contenido de cemento es de unos 300 kg/m3, con un porcentaje de cenizas del 35-45%; las juntas se colocan cada 8 mts.; una vez compactado se suele proteger con un riego de curado; se empleó en la autopista A-92 de Granada a Sevilla, pero su principal aplicación es en refuerzos de carreteras de poco tráfico.

120

INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE c) Pavimentos de hormigón armado: Son buenos, al suprimir las juntas transversales a costa de meter unos 10 kg/m2 de armadura longitudinal de acero de alto límite elástico, que se coloca en el centro del espesor de la losa, es el empleado para autopistas en Estados Unidos, en Europa se emplea en Bélgica, en España se ha empleado en Asturias y en la Autovía del Cantábrico;

121

INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE como es un pavimento caro, se suele recurrir al pavimento de hormigón armado con juntas, donde colocamos armaduras, para ampliar las losas hasta longitudes que pueden superar los 20 m, como vemos en la figura de la página, como es el caso de aeropuertos e instalaciones portuarias. d) Pavimentos de hormigón pretensado: Por la compresión que se introduce, se pueden construir losas de más de 100 m y reducir el espesor a la mitad. Su mayor utilidad está en pistas de aeropuertos, al presentar un trazado sin curvas, destaca el aeropuerto de Ámsterdam, en carreteras se experimentó en España en la N-II entre Madrid y Zaragoza pero no dio buen resultado. e) Pavimentos prefabricados de hormigón: Los adoquines adoquines o bloques de hormigón, que tienen unas dimensiones de 200x100 mm. Se emplean en zonas urbanas, industriales y portuarias; en carreteras no son convenientes, por su coste, y mala rodadura.

27.4 Proyecto de firmes rígidos A) Estructura: El pavimento considerado es hormigón en masa, que para tráfico pesado (T00,T0, T1, y T2) dará HP-45 o HP-40 y para tráfico ligero (T3 y T4), HP-40 o HP-35. Las losas varían de 20 a 30 cm. B) Juntas: Como vemos en figuras siguientes, tenemos las longitudinales que se disponen entre carriles de circulación, con una sierra de disco se suele abrir una ranura de unos 3 mm de anchura y con una profundidad del tercio del espesor de la losa, que posteriormente se sella.

Resistencia característica mínima a Tipo de Hormigón para pavimento

122

flexotracción a 28 días (MPa)

HA-4.5 HA-4.0

4.5 4.0

HA-3.5

3.5


Las juntas transversales suelen ser de contracción y la profundidad del corte, una cuarta parte del espesor de la losa, también las hay de dilatación, que se emplean en curvas de radio inferior a 200 m, y en obras de paso, antes y después de ellas. Las juntas se realizan entre 24 y 36 horas después de la puesta de hormigón. Los pasadores están constituidos por barras lisas de acero de 25 mm. de diámetro y 50 cm. de longitud de acero de tipo S-275-JR las barras de unión serán corrugadas de 12 mm. de diámetro y 80 cm. de longitud. Las barras para pavimentos constituidos de HA, serán de acero B-500-S o B-500SD; para las longitudinales el diámetro nominal máximo será de 20 mm. en pavimentos con mas de 20 cm. de espesor y de 16 mm. para espesores inferiores. Las barras transversales serán de 12 mm. de diámetro en todos los casos.

123


Los esquemas de sellado de juntas, son los de figuras siguientes:

124

INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE a) CON PRODUCTO DE SELLADO

b) CON PERFIL DE POLICLOROPENO

C)

Drenaje: Éste se consigue mediante una zanja drenante a lo largo del borde exterior, en la cual se coloca un tubo ranurado rodeado de hormigón poroso, o bien una capa drenante, situada bajo el pavimento que puede estar tratada o no, e incluso estar constituida por un geotextil grueso que garantice la función mecánica y la de drenaje.

125


D)

Materiales: Como ya hemos dicho el cemento empleado, debe tener sobre un 40% de cenizas, los áridos, si es posible deben deben ser gravas y arenas naturales de tres fracciones: grava, gravilla y arena, siendo el tamaño máximo de 40 mm. El coeficiente de desgaste de las Ángeles con árido grueso < 35, y en árido fino el coeficiente de pulimento acelerado

126

INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE > 0,5. Se suelen emplear fluidificantes y aireantes. Las barras de juntas longitudinales son de acero con un diámetro de 12 mm, y los pasadores, empleados con tráfico pesado en juntas transversales, son de acero liso, los anteriores eran de corrugado, con un diámetro de 25 mm. Los materiales de sellado son de 3 tipos: Elastómeros, productos bituminosos de aplicación en caliente o en frío, y perfiles extruídos de policloropreno.

27.5 Ejecución Primero se empezará por una preparación de la superficie de apoyo, después se fabrica el hormigón en una central como la de la figura, de capacidades entre 150 y 300 m3 /h, después se efectúa el transporte mediante camiones volquete u hormigonera, posteriormente se pone en obra mediante pavimentadoras de encofrados deslizantes que extienden, vibran y enrasan, y al mismo tiempo introducen los pasadores; el rendimiento de estas máquinas supera el kilómetro diario. Posteriormente se construyen y sellan las juntas. La máxima caida vertical libre del hormigón será 1,5 m y la descarga antes de los 45 minutos de su fabricación. Terminada la puesta en obra se debe

127

INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE comprobar la integridad de las losas, el espesor, la resistencia a flexotracción, y la regularidad y textura superficial. La apertura del tráfico no se dará antes de 7 días. Todos los controles de caliadad figuran especificados en el art. 550 del PG-3

128


TEMA 28: DIMENSIONAMIENTO DE FIRMES 28.1 Introducción El objetivo es la definición de la naturaleza y espesor de cada capa del firme a partir de la consideración de una serie de factores básicos como son la capacidad soporte de la explanada, el tráfico, los materiales de que disponemos y las condiciones climáticas. El dimensionamiento se puede hacer, tanto mediante métodos analíticos, que se apoyan directamente en el cálculo, o por métodos empíricos, basados en el comportamiento de los firmes. Así pues, el proyecto de un firme, define las características y propiedades de las distintas capas (elementos estructurales) así como los procedimientos constructivos para garantizar un determinado periodo de proyecto (vida útil) en unas condiciones adecuadas.

28.2 Métodos analíticos Estos métodos se basan en el cálculo de las tensiones, deformaciones y desplazamientos producidos por la acción de las cargas del tráfico y las condiciones climáticas existentes y en su comparación con los valores admisibles en cada caso. Por tanto, y sin entrar en detalles diremos que un método analítico consta de un modelo de respuesta, con el que determinamos tensiones, deformaciones y desplazamientos, y en el que destacan los de Burmister y Westergaard, y los famosos programas comerciales de Bisar, Elsym y Alizé; y un modelo de comportamiento con el que se determinan las condiciones en las que se produce el agotamiento estructural del firme, que están basados en leyes de fatiga, y donde también hay diversos programas como el de Alizé o Miner.

28.3 Métodos empíricos Estos métodos proporcionan, para cada combinación posible de los factores básicos de dimensionamiento, soluciones que se han obtenido por acumulación de experiencias sobre el comportamiento normal de los firmes en tramos de carreteras con tráfico real, tramos experimentales con tráfico especial o pistas de ensayo. Así, en España, destaca por su diseño y tecnología la pista del CEDEX construida en 1.988 en el Goloso, en las cercanías de Alcobendas, cuyo esquema y sección transversal, representamos en las figuras. 129


ESQUEMA EN PLANTA DE LA PISTA DE ENSAYO DEL CEDEX

En términos generales, consta de un circuito cerrado formado por dos tramos rectos unidos por curvas circulares, en el cual se pueden construir con métodos

130

INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE convencionales las secciones de firme que se vayan a estudiar. Las cargas, semiejes de 6,5 Tn con ruedas gemelas, se aplican mediante dos carretones teleguiados que giran simultáneamente de forma continuada, de manera que en 5 o 6 meses se pueden reproducir los efectos que en una carretera tardarían en aparecer bastantes años. El método empírico más conocido es el basado en los resultados del ensayo AASTHO, y para firmes flexibles el Shell, y para rígidos el PCA (Pórtland Cement Association)

131


28.4 Características superficiales.

En las figuras siguientes, vemos las características geométricas de la superficie y su influencia en la interacción vehículo-carretera.

132


CONDICIONES DE CONTACTO ENTRE UNA RUEDA EN MOVIMIENTO Y UNA SUPERFICIE MOJADA

133


INFLUENCIA DE LA TEXTURA Y DE LA VELOCIDAD EN EL COEFICIENTE DE RESISTENCIA AL DESLIZAMIENTO

Para la medida de las diversas características, tenemos el SCRIM que nos da entre otras cosas el coeficiente de deslizamiento, para la regularidad superficial tenemos el viágrafo y los perfilómetros digitales; para la medida del ruido se instala un micrófono a 1,2 m. de altura sobre el suelo y a 7,5 m del eje del vehículo.

134


28.5 Tipologías de sección de firme en la norma 6.1. IC

Espesor de capas de mezcla bituminosa en caliente. Tipo de capa Tipo de Categoría de tráfico pesado mezcla T00 a T2 y T32 y T4 (*) T1 T31 (T41 y T42) PA 4 M 3 2-3 Rodadura F DyS 6-5 5 Intermedia DyS 5-9(**) Base SyG 7-15 MAM 7-13 (*)Ver artículos 542 y 543 del PG-3 (**) Salvo arcenes. 135


28.6 Secciones de firmes. Norma 6.1-IC

136


137


138


TEMA 29: CONSERVACIÓN DE CARRETERAS 29.1 Introducción Como bien sabemos las características iniciales de una carretera se van degradando con el tiempo, debido sobre todo al paso del tráfico y a las acciones climáticas, restituir estas características será una parte de la conservación, la otra será mejorar el trazado y el firme, para mejorar la calidad de la red. Para efectuar una buena política de conservación se deben tener unos determinados determinados medios, como una estructura operativa, medios humanos y materiales, recursos financieros y una tecnología. La conservación se ha venido haciendo directamente por las distintas administraciones, hasta hace unos 10 años, en el que los trabajos son desarrollados por empresas privadas mediante contratos de conservación de carácter plurianual.

29.2 Gestión de la Conservación A) Sistemas de gestión: Podemos definirlo como el procedimiento consistente en coordinar y controlar todas las actividades encaminadas a conservar los firmes, asegurando la mejor utilización posible de los recursos disponibles. dis ponibles. Lo primero que se debe hacer es crear un banco de datos, que tendrá una base de datos constituida por el inventario de la red, con datos geométricos y puntos singulares existentes, datos de tráfico, secciones estructurales de los firmes, y deterioros superficiales, además de datos de accidentes, señalización y otros. Los modelos de comportamiento, de evolución o de predicción del deterioro de un firme constituyen la parte fundamental de un sistema de gestión, éstos representan la variación en función del tiempo de un índice representativo del estado del firme (como vemos en la figura de la página siguiente). B) Catálogos de deterioros: Es fundamental en la base de datos, y su detección se basa en la inspección visual; existen unas fichas de la DGC que los catalogan, como vemos en figura de la página siguiente. Los cinco grandes grupos de deterioros son: -

La desintegración de los materiales de la capa de rodadura, los conocidos como baches.

139


Los agrietamientos de la capa de rodadura (pieles de cocodrilo)

-

Las deformaciones superficiales (por defectos de ejecución)

-

Las deformaciones de la capa de rodadura (por elevadas cargas)

-

Pulimento de la textura superficial (por abrasión de los neumáticos).

FICHA CATÁLOGO DE DETERIOROS EN FIRMES, DIRECCIÓN GENERAL DE CARRETERAS (1.986)

140


C) Auscultación con aparatos: Después de la inspección visual, se debe auscultar con aparatos para para cuantificar el estado estructural, en firmes flexibles se mide la deformación vertical elástica recuperada o deflexión que produce una carga tipo en la superficie del pavimento; entre los equipos que miden la deflexión, destacan la viga Beukelman, los deflectores de impacto, el curviámetro, y en éstos últimos años los georrádares que van montados sobre un vehículo, y nos dan el espesor de las capas, su adherencia, presencia de huecos y agua, etc...

141


Para que la gestión de la conservación dé buen resultado, se adecuarán programas de evaluación y seguimiento, actualizando permanentemente la base de datos.

29.3 Actuaciones de Conservación Como actuaciones de conservación, podemos hablar de la preventiva, que impide aparecer los deterioros o la curativa que remedia los existentes, y dichas actuaciones, se pueden dar, en el entorno de la carretera (actuaciones sobre las plantaciones y tareas de limpieza), sobre los elementos de señalización y de seguridad, sobre las obras de fábrica y drenaje, y fundamentalmente, las que se refieren al firme y pavimento, donde encontramos:

142

INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE a) Baches: Consisten en reparar los baches que como sabemos son irregularidades superficiales localizadas, la forma de bachear es cortar los bordes del bache para darle una forma cuadrada o rectangular, limpiar con aire a presión, rellenar capa a capa compactando, y dejar la superficie final con rasante superior en 3 mm, por posterior compactación del tráfico. b) Saneamiento de blandones: Los blandones al contrario que los baches, tienen su origen en el fondo del firme y no en la superficie, y suelen ser hundimientos localizados, la actuación es la misma que la descrita para los bacheos, pero saneando hasta la explanada, la mayoría se debe a la acción del agua sobre la explanada. En estos casos la explanada se puede estabilizar con gravacemento o suelo cemento.

c) Reparación de mordientes: Se realiza en carreteras sin arcenes pavimentados

donde las ruedas exteriores de los vehículos pesados van degradando el borde del pavimento. Caso de carreteras de tipo rural donde los arcenes están sin pavimentar.

d) Sellado de grietas: Hay que actuar sobre ellas rápidamente, antes que entre el agua. Los productos de sellado pueden ser, en frío (resinas de baja viscosidad) o en caliente (masillas de betún modificado); una forma de aplicación como vemos en la figura es el “ponteado” “ponteado”..

143


SELLADO DE GRIETA

e) Sellado de juntas: La aplicación es la misma que en las anteriores, y esto suele

ocurrir en las longitudinales entre carriles. Otras

actuaciones

a

considerar,

son

la

eliminación

de

exudaciones

(concentraciones excesivas de ligante, o gravilla en los riegos); los fresados localizados en zonas del pavimento donde haya resaltos, y la limpieza de pavimentos drenantes para que no se produzca su colmatación.

29.4 Rehabilitaciones Podemos decir que son actuaciones de conservación de carácter extraordinario, y por tanto de aplicaciones no puntuales, sino en tramos de gran longitud, y se suelen conocer como refuerzos, en los cuales sobre el firme original, se extienden una o varias capas de materiales nuevos mejorando su capacidad estructural, y ello se suele acometer cuando el tráfico ha sobredimensionado las características iniciales. Respecto al dimensionamiento de las rehabilitaciones estructurales, aunque de forma genérica nos vale lo comentado en el apartado anterior, existe una normativa especial, así, para firmes flexibles, hay una orden circular de la DGC del año 1.997, la 323/97 que nos da unas recomendaciones para el proyecto de las actuaciones de rehabilitación de firmes con pavimento bituminoso, y en el que tenemos dos tipos de actuaciones, la primera sería el fresado de parte del firme existente y reposición con mezcla bituminosa, en cuyo caso, los espesores mínimos serían los de la tabla siguiente:

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E S P E S OR O R E S M Í N I M OS O S ( c m ) D E M E ZC ZC L A S B I T U M I N O S A S N UE U E V A S , I N CL C L U Y E N D O R E P OS O S I C I Ó N Y R E C R E CI C I M I E N TO TO TIPO DE FIRME CATEGORÍA DE TRÁFICO PESADO Flexibles y semiflexibles Semirrígidos 35 20 T00 30 18 T0 25 15 T1 20 12 T2 15 12 T31-T32 5 4 T41-T42

La otra actuación, que es la más común, es la de recrecer con mezclas bituminosas, según las opciones de las tablas siguientes. En las zonas sombreadas se hará un estudio especial para decidir entre la reconstrucción del firme, el refuerzo u otras posibilidades. Respecto a la rehabilitación estructural de firmes rígidos, también se consideran dos tipos de actuación, el primero seria demolición y reposición del pavimento de hormigón y el segundo, el recrecimiento con mezclas bituminosas o con hormigón. En el recrecimiento con mezclas bituminosas, los espesores recomendados de refuerzo son los indicados en tabla; en cuanto a los refuerzos o recrecimientos son en general no adheridos al firme existente, por lo que se interpone una capa de separación de mezcla bituminosa o una lámina de polietileno; si empleamos un hormigón en masa, los espesores recomendados son los de la tabla en página siguiente.

145

INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE ESPESORES DE RECRECIMIENTO (cm) SOBRE FIRMES FLEXIBLES Y SEMIFLEXIBLES dkc(10-2mm)

0-40 40-60 60-80 80-100 100-125 125-150 150-200 >200

T00

T0 T1 ACTUACIÓN PREVENTIVA 12 10 8 15 12 10 18 15 12 18 15 18

T2 5 10 12 15 18

T31-T32 --4 8 10 12

T41-T42 -----

4 8

ESTUDIO ESPECIAL

ESPESORES DE RECRECIMIENTO (cm) SOBRE FIRMES SEMIRRÍGIDOS T00 T0 T1 T2 T31-T32 T41-T42 0-35 ACTUACIÓN PREVENTIVA 35-50 15 12 10 50-80 18 15 12 10 8 80-125 15 12 8 4 125-150 18 15 10 4 150-200 18 12 8 >200 ESTUDIO ESPECIAL

dkc(10-2mm)

ESPESORES DE REFUERZO DE PAVIMENTOS DE HORMIGÓN CON MEZCLAS BITUMINOSAS (cm). T31 T41 Método de refuerzo T00 T0 T1 T2 T32 T42 Rotura controlada y asentamiento del firme 24 20 16 12 9 6 existente Interposición de sistemas antirreflexión de --15 12 10 7 4 fisuras Nota: Los espesores espesores de los sistemas sistemas antirreflexión de fisuras no deben tenerse tenerse en cuenta a efectos de refuerzo

ESPESORES DE REFUERZO CON PAVIMENTO DE HORMIGÓN EN MASA (cm) Tipo de T00 T0 T1 T2 T31-T32 T41-T42 Hormigón HF-4,5 24 23 21 HF-4,0 25 23 20 18 HF-3,5 22 20 18

146


29.5 Renovaciones Superficiales Suelen ser mejoras de la textura, la regularidad y la impermeabilidad. Para mejorar la textura las soluciones que se s e adoptan son: o

Riegos con gravilla Lechadas bituminosas

o

Microaglomerados

o

Mezclas bituminosas porosas o drenantes

o

Fresados y ranurados.

o

Para mejorar la regularización las soluciones que se adoptan son: o

Hormigones bituminosos en caliente.

o

Mezclas bituminosas abiertas en frío.

o o

Fresados. Cepillados.

En cuanto a las soluciones que se plantean para mejorar la impermeabilización tenemos: o

Riegos con gravilla Lechadas bituminosas

o

Microaglomerados

o

Sellados de grietas.

o

29.6 Reciclado Es una técnica reciente que consiste en la reutilización de los materiales de los firmes existentes; se suele realizar in situ en frío en donde las operaciones son: disgregación de sus capas superiores por fresado, adición a los materiales fresados de conglomerantes hidráulicos o emulsiones bituminosas, y después de una mezcla, compactación de todos los elementos. La dosificación será la de la tabla siguiente:

147


Las operaciones que comentábamos del proceso de reciclado, se hacen con equipos como el de la figura.

148

INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE El reciclado se puede realizar con emulsión bituminosa o con cemento; las diferencias son, que el espesor con emulsión bituminosa es menor (de 5 a 15 cm) que con cemento (de 20 a 35 cm); por otra parte la función de un reciclado con emulsión bituminosa, es la de aprovechar el firme antiguo y su ligante, y no cambiar sus características estructurales; en cambio, con un reciclado con cemento se obtiene un soporte de cierta rigidez, con distinto comportamiento estructural que los materiales antiguos, sobre el cual se van a extender unas capas de mezcla bituminosa para constituir un firme semirígido.

149

Apuntes Firmes

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