Universidad Privada Boliviana
P R A C TI C A N ° 5
Docente: M.Sc. Ing. Luis Lazarte Villarroel 1.
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El siguiente ejercicio permite comprender los pasos a seguir en el dimensionamiento de un pavimento flexible por el método del MOPT: Diseñar un pavimento flexible para una carretera de dos carriles en una zona en la que el nivel freático permanecerá a una distancia de la superficie subrasante (aproximadamente 1,8 metros). El suelo de subrasante consiste en una arcilla limosa de alta plasticidad cuyo C.B.R. en condiciones representativas es de 4%. El tránsito promedio diario durante el primer año de servicio del pavimento se estima en 520 vehículos, de los cuales el 70% serán comerciales (buses y camiones). El factor camión es 1,6. La tasa de crecimiento anual del tránsito se espera que sea 8% y el pavimento ha de diseñarse para un período de 12 años. Diseñar un pavimento de concreto asfáltico (Método del Instituto del Asfalto) para una vía de cuatro carriles en la que se espera un tránsito promedio diario inicial de 1200 vehículos, de los cuales un 55% de buses y camiones, cuya tasa anual de crecimiento se estima en 7,5% durante cada uno de los 15 años previstos como período de diseño. El factor camión es 1,8. El suelo de subrasante es una grava arcillosa cuyo C.B.R. es 8,5%. En base al ejemplo N° 2 determinar los espesores de pavimentos con bases estabilizadas, con emulsión asfáltica tipo I; II y III. En base al ejemplo N° 2 determinar espesores espesores de pavimento con base de tipo granular. Debe construirse una capa de sub-base de 10 centímetros de espesor en un ancho promedio de 10 metros. El material a utilizar presenta, en estado suelto, un peso unitario seco de 1.600 kg/m 3 y las especificaciones exigen que en la obra se compacte a 1.920 kg/m 3. ¿Si se dispone de volquetes de 4 m3. de capacidad, a qué separación deben colocarse los viajes en la vía? Supóngase que debe construirse una base de 12 12 centímetros de espesor en un ancho de 8.0 metros, mediante la mezcla de dos materiales, A y B en proporciones en peso de 35 y 65% respectivamente, según dosificación previa. ¿Cómo deben distribuirse los materiales a lo largo de la vía para obtener un material uniforme que cumpla con la especificación, si los pesos unitarios secos de ellos en estado suelto son 1.350 y 1.450 kg/m3 respectivamente y la mezcla debe compactarse en la vía a una densidad seca de 2.000 kg/m3? Diseñar un pavimento de concreto asfáltico en todo su espesor, espesor, para las siguientes condiciones: - Módulo de sub-rasante: Mr = 44 MPa - Tráfico de Diseño: EAL = 107 Diseñar un pavimento asfáltico usando una base de de agregados no tratados, para las siguientes condiciones: - Módulo de sub-rasante: Mr = 46,4 MPa - Tráfico de Diseño: EAL = 106 - Preparar dos diseños: uno para bases de 150 milímetros y otro para 300 milímetros. Diseñar un pavimento flexible para una vía rural troncal, por el método AASHTO - 93 para un período de diseño de 15 años y en cual se espera un tránsito promedio diario inicial de vehículos comerciales de 488 en cuatro carriles, con un crecimiento de tránsito de 3,0% anual y un factor camión de 1.5. Teniendo en cuenta que se trata de una carretera de 4 carriles (2 por sentido), se asume un coeficiente de confiabilidad de 95% y una desviación estándar de 0,35. Según el estudio de suelos, no existirán materiales expansivos, pero la pluviosidad de la zona exigirá la construcción de dispositivos de drenaje que evacuen los excesos de agua en el término de un día. Se espera que la calidad de la construcción sea tal que el índice de servicio inicial (p 0) sea 4,1 y se ha seleccionado un índice final (pt) de 2,0. El suelo de subrasante presenta, bajo las condiciones de humedad y densidad esperadas, un CBR de diseño de 3,5% . Los materiales disponibles para la construcción de las capas de subbase y base granular tienen CBR de 35 y 80% a los niveles de construcción exigidos por las especificaciones. Para la temperatura media de la zona de proyecto (15ºC), se estima que el módulo elástico del concreto asfáltico sea 25.000 Kg/cm2 (350.000 psi). En relación con el drenaje, y considerando lo expuesto, se puede tomar un valor m i = 1.15
10. Diseñar un pavimento de concreto asfáltico en todo su espesor, para las siguientes condiciones: - Módulo de sub-rasante: Mr = 41.4 MPa - Clima: MAAT = 15.5°C - Tráfico de Diseño: EAL = 106 Explicación de los Términos: El módulo de sub-rasante (Mr) o Módulo Resiliente es un ensayo triaxial cíclico que intenta reproducir los esfuerzos en las capas de un pavimento de las cargas móviles del tránsito. Considerando las limitaciones de la mayor parte de los laboratorios para efectuar éste ensayo el I. del A. permite correlacionarlo con el CBR mediante: Mr (MPa) = 10.3 CBR El tráfico de diseño (EAL-Equivalent Axle Loads), es el número de aplicaciones de un eje simple de 18.000 lbs (80 kN). Se determina de la siguiente manera: a) Determinar el número promedio de cada tipo de vehículo espectado en el Carril de Diseño (cualquiera de los dos carriles en una vía de dos carriles y el carril exterior en una vía de carriles múltiples) durante el primer año de tránsito. b) Determinar de los datos de cargas por eje o seleccionar de la Tabla 4.3.2.b, un Factor Camión (Número de aplicaciones de cargas por eje simple equivalente a 80 kN, en una pasada de un vehículo) para cada tipo de vehículo hallado en 1. Factor Camión se determina de los datos de carga por eje, multiplicando el número de ejes en cada clase de peso por el correspondiente Factor de Equivalencia de Carga (Tabla 4.3.2.c) y dividiendo la suma de los productos por el número total de vehículos involucrados. En la práctica se han reportado Factores Camión superiores al máximo de 2.21 indicado en la Tabla 4.3.2.b, en carreteras sujetas a un tránsito de grandes volúmenes de camiones muy pesados. Bajo ciertas circunstancias (entradas a zonas comerciales o mineras), el Factor Camión puede exceder de 5.0. En esas circunstancias especiales y por consideraciones de diseño, se puede usar un Factor Camión obtenido de mezclar el tráfico normal con ciertos porcentajes de los correspondientes a esos volúmenes de tránsito muy pesado. c) Seleccionar de la Tabla 4.3.2.d un Factor de Crecimiento para todos los vehículos o factores separados para cada tipo de vehículo. d) Multiplicar el número de vehículos de cada tipo por el Factor Camión y el Factor (o Factores) de crecimiento determinados en los pasos 2 y 3. e) Sumar los valores obtenidos para hallar el EAL. 11.- Diseñar un pavimento teniendo en cuenta estas características Ubicación: rural Clasificación: primaria Datos de tránsito Tránsito anual inicial esperado (ambas direcciones) = 1, 67 x 106 ESALs Distribución direccional DD = 0,50 Distribución de camiones TD = 0,70 Crecimiento de camiones (por año) = 4% Propiedades de materiales Módulo de concreto asfáltico M AC = 2070 MPa = 300000 psi Módulo resiliente base granular MBS = 172 MPa = 25000 psi Módulo resiliente sub base granular MSB = 82,7 MPa = 12000 psi Módulo resiliente subrasante: Invierno (med. Diciembre –fines Febrero) MR = 207 MPa = 30000 psi Primavera (med. Marzo-fines Abril) MR = 6,89 MPa = 1000 psi Verano y otoño (princ. Mayo-med. Diciembre) MR = 34,5 MPa = 5000 psi 12.- Diseñar un pavimento flexible para una autopista urbana, W 18 = 2 x 106 ESALs. El agua drena del pavimento en aproximadamente una semana y la estructura del pavimento está expuesta a niveles próximos a la saturación en un 30% del tiempo. Los datos son: Módulo elástico del concreto asfáltico a 20ºC (68ºF) = 3100 MPa = 450000 psi -Base CBR = 100% MBS = 214 MPa = 310000 psi -Sub base CBR = 22% MSB = 93,1 MPa = 13500 psi -Subrasante CBR = 6% MR = 62,1 MPa = 9000 psi 13.- Diseñar un pavimento flexible para un período de diseño de 12 años y en cual se espera un tránsito promedio diario inicial de vehículos comerciales de 388 en dos carriles, con un crecimiento de tránsito de 3% anual y un factor camión de 1.5. Teniendo en cuenta que se trata de una vía rural troncal, se asume un coeficiente de confiabilidad de 90 % y una desviación estándar de 0,45. Según el estudio de suelos, no existirán materiales expansivos, pero la pluviosidad de la zona exigirá la construcción de dispositivos de drenaje que evacuen los excesos de agua en el término de un día. Se espera que la calidad de la construcción sea tal que el índice de servicio inicial (p 0) sea 4.3 y se ha seleccionado un índice final (pt) de 2.0. El suelo de subrasante presenta, bajo las condiciones de humedad y densidad esperadas, un CBR = 5% . Los materiales disponibles para la construcción de las capas de subbase y base granular tienen CBR de 25 y 80% a los niveles de construcción exigidos por las especificaciones, a los cuales corresponden coeficientes estructurales de 0.10 y 0.13 respectivamente.
Para la temperatura media de la zona del proyecto (15ºC), se estima que el módulo elástico del concreto asfáltico sea 25.000 Kg/cm2 (350.000 psi). En relación con el drenaje, y considerando lo ya expuesto, se puede tomar un valor mi = 1.15 14. Se tienen los siguientes datos, hallar el Factor Camión. Pt = 2.5 SN = 4” TIPO DE VEHICULO
Carga por eje (Kips)
Volumen de tráfico Diario
Tipo de eje
Nº de ejes
LEFs
Nº de Esals
Automóviles o vagonetas, 4 Simple 850 otros livianos Microbuses, camión 10 Simple 440 pequeño Bus y camión mediano 16 Simple 260 Bus grande 34 Tandem 230 Camión Semiremolque 36 Tandem 240 Camión Semiremolque 48 Tridem 196 TOTALES 15. Diseñar un pavimento flexible por el método AASHTO Periodo de Diseño = 20 años Tasa de crecimiento anual = 2% Indice de serviciabilidad final Pt = 2.5 Factor de Distribución direccional Fd = 0.5 Factor de distribución por carril Fc = 0.8 Número Estructural SN = 4” TIPO DE VEHÍCULO
Nº de Ejes
Bus y Camión mediano
2
Bus grande Tandem
2
Tipo de Eje/Peso por eje (Kips) Simple
Tandem
Tridem
12 20 14 28 14
Semi remolque Tridem
3
36 50
TOTALES
16. Diseñar un pavimento teniendo en cuenta estas características Ubicación: rural Clasificación: primaria Datos de tránsito Tránsito anual inicial esperado (ambas direcciones) = 1, 23 x 106 ESALs Distribución direccional DD = 0,50 Distribución de camiones TD = 0,80 Crecimiento de camiones (por año) = 5% Propiedades de materiales Módulo de concreto asfáltico M AC = 2070 MPa = 300000 psi Módulo resiliente base granular MBS = 172 MPa = 25000 psi Módulo resiliente sub base granular MSB = 82,7 MPa = 12000 psi Módulo resiliente subrasante: Invierno (med. Diciembre –fines Febrero) MR = 207 MPa = 30000 psi Primavera (med. Marzo-fines Abril) MR = 6,89 MPa = 1000 psi Verano y otoño (princ. Mayo-med. Diciembre) MR = 34,5 MPa = 5000 psi 17.- Diseñar un pavimento flexible para una autopista urbana, W 18 = 2 x 106 ESALs. El agua drena del pavimento en aproximadamente una semana y l a estructura del pavimento está expuesta a niveles próximos a la saturación en un 30% del tiempo. Los datos son: Módulo elástico del concreto asfáltico a 20ºC (68ºF) = 3100 MPa = 450000 psi -Base CBR = 100% MBS = 214 MPa = 31000 psi -Sub base CBR = 22% MSB = 93,1 MPa = 13500 psi -Subrasante CBR = 6% MR = 62,1 MPa = 9000 psi 18. Cálculo de la carga acumulada equivalente en un eje para una carretera propuesta con 8 carriles, usando factores de equivalencia de carga. Se va a construir una carretera dividida, de ocho carriles, en un nuevo trazo. Los pronósticos de volumen de tránsito indican que el tránsito promedio diario anual (AADT) en ambas direcciones durante el primer año de operación será 12 000, con la siguiente mezcla de vehículos y cargas por eje. Automóvil (1 000 lb/eje) = 50 por ciento Camiones sencillos de 2 ejes (6 000 lb/eje) = 33 por ciento Camiones sencillos de 3 ejes (10 000 lb/eje) = 17 por ciento
Se espera que la mezcla vehicular permanezca igual durante la vida de diseño del pavimento. Si la tasa anual esperada de crecimiento de tránsito es 4 por ciento para todos los vehículos, determinar la ESAL de diseño, para un periodo de diseño de 20 años. Se aplicaran los siguientes datos: Factores de equivalencia de carga (de la tabla 20.3) Automóviles (1 000 lb/eje) = 0.00002 (despreciable) Camiones sencillos de 2 ejes (6 000 lb/eje) = 0.01043 Camiones sencillos de 3 ejes (10 000 lb/eje) = 0.0877 Tabla 20.3 Factores de equivalencia de carga Carga bruta por eje
Factores de equivalencia de carga
kN
lb
Ejes sencillos
4.45 8.9 17.8 26.7 35.6 44.5 53.4 62.3 71.2 80.0 89.0 97.9 106.8 115.6 124.5 133.4 142.3 151.2 160.1 169.0 178.0 187.0 195.7 204.5 213.5 222.4 231.3 240.2 249.0 258.0 267.0 275.8 284.5 293.5 302.5 311.5 320.0 329.0 338.0 347.0 356.0 364.7 373.6 382.5 391.4 400.3
1 000 2 000 4 000 6 000 8 000 10 000 12 000 14 000 16 000 18 000 20 000 22 000 24 000 26 000 28 000 30 000 32 000 34 000 36 000 38 000 40 000 42 000 44 000 46 000 48 000 50 000 52 000 54 000 56 000 58 000 60 000 62 000 64 000 66 000 68 000 70 000 72 000 74 000 76 000 78 000 80 000 82 000 84 000 86 000 88 000 90 000
0.00002 0.00018 0.00209 0.01043 0.0343 0.0877 0.189 0.360 0.623 1.000 1.51 2.18 3.03 4.09 5.39 6.97 8.88 11.18 13.93 17.20 21.08 25.6 31.00 37.24 44.50 52.88
Ejes tándem
Ejes trídem
0.0003 0.001 0.003 0.007 0.014 0.027 0.047 0.077 0.121 0.180 0.260 0.364 0.495 0.658 0.857 1.095 1.39 1.70 2.08 42.51 3.00 3.55 4.17 4.86 5.63 6.47 7.41 8.45 9.59 10.84 12.22 13.73 15.38 17.19 19.16 21.32 23.66 26.22 29.0 32.0 35.3 38.8 42.6 46.8
0.0003 0.001 0.002 0.003 0.006 0.011 0.017 0.027 0.040 0.057 0.080 0.109 0.145 0.191 0.246 0.313 0.393 0.487 0.597 0.723 0.868 1.033 1.22 1.43 1.66 1.91 2.20 2.51 2.85 3.22 3.62 4.05 4.52 5.03 5.57 6.15 6.78 7.45 8.2 8.9 9.8 10.6 11.6
Nota: se muestran kN convertidos a lb con margen de 0.1 por ciento en libras lb. FUENTE : Thickness Design – Asphalt Pavements for Highways and Streets, Manual Series No. 1, The ASphalt Institute, Lexington, Ky., febrero de 1991.
19. Cálculo de la carga acumulada equivalente en un eje para una carretera propuesta con dos carriles, usando factores de camión La proporción proyectada de vehículos, para una carretera principal rural de dos carriles durante su primer año de operación se presenta a continuación. En el primer año, el AADT será 3 000, la tasa de crecimiento anual es 5 por ciento y el periodo de diseño es 20 años. Determinar la ESAL acumulada con los factores de camión de la tabla 20.5.
Automóviles = 66 por ciento Camiones sencillos De 2 ejes y 4 ruedas = 18 por ciento De 2 ejes y 6 ruedas = 8 por ciento De 3 ejes o más = 4 por ciento Tractores-semiremolques y combinación De 4 ejes o menos = 4 por ciento 20. Cálculo del espesor de un pavimento asfáltico de profundidad total (espesor pleno).Se va a tender un pavimento asfáltico de profundidad total para soportar una ESAL de 2 172 042. Si el CBR para la subrasante es 8, y la temperatura del aire ambiente media anual (MAAT) es 60ºF, determine la profundidad necesaria de la capa de asfalto 21. Diseño de un pavimento formado por superficie de concreto asfáltico y base de emulsión asfáltica. Diseñar un pavimento adecuado para soportar una ESAL de diseño de 1 303 225 sobre una subrasante que tiene módulo de resiliencia de 15 000 lb/pulg 2 , en una zona con MAAT de 60ºF. 22. Diseño de un pavimento formado por superficie de concreto asfáltico y base de agregado sin tratamiento Diseñar un pavimento adecuado en un área con MAAT de 60ºF, para soportar una ESAL de diseño de 1.3 x 106 sobre una subrasante con módulo de resiliencia de 15000 lb/pulg2 , estando el pavimento construido con una superficie de concreto asfáltico y una capa de base granular no tratada de 6 pulg. 23. Diseño de un pavimento de concreto asfáltico para construirlo en dos etapas Se va construir un pavimento total en concreto asfáltico, en dos etapas. El periodo de diseño es 10 años, y la segunda etapa se construirá 10 años después de la primera. Si la ESAL del carril de diseño durante el primer año es 60 000 y la tasa de crecimiento para todos los vehículos es 5 por ciento, determinar los espesores de asfalto para la primera y segunda etapas de la construcción, si el módulo de resiliencia de la subrasante es 15 000 lb/pulg2 , y la MAAT del área es 60ºF. 24. Diseño de un pavimento flexible usando el método de la AASHTO Se va a diseñar un pavimento flexible para una carretera interestatal urbana con el procedimiento de la guía AASHTO de 1993, para soportar una ESAL de diseño de 2 x 106 . Se estima que el agua tarda aproximadamente una semana en drenarse desde el interior del pavimento, y que la estructura del pavimento, y que la estructura del pavimento estará expuesta a niveles de humedad que se acercan a la saturación, el 30 por ciento del tiempo. Hay disponible la siguiente información adicional: Módulo de resiliencia del concreto asfáltico a 68ºF = 450 000 lb/pulg 2 Valor CBR del material de la capa de base = 80; Valor CBR del material de la capa de sub base = 22 Valor CBR del material de la capa de subrasante = 6 Determinar una estructura adecuada del pavimento, 25. Describa los componentes estructurales de un pavimento f lexible. 26. Describa el objetivo de la estabilización del suelo y al menos tres métodos para lograrla . 27, Describa el proceso de estabilización con cal, e indique las características del suelo en el cual es más efectiva. 28. Un estudio relativo a los pesos en ejes de un tramo en una carretera, obtuvo los siguientes datos sobre distribución de cargas en eje: Grupo de carga en eje sencillo (1 000lb)
No. de ejes por 1 000 vehículos
Grupo de carga en eje tándem (1 000lb)
No. de ejes por 1000 vehículos
<3 3-7 7-8 8-12 12-16 16-18 18-20 20-22 22-24 24-26
678 600 175 500 150 60 40 7 4 3
<6 6-12 12-18 18-24 24-30 30-32 32-34 34-36 36-38 38-40
18 236 170 120 152 66 30 12 4 1
Determine el factor de camión para este tramo ca rretero. 29. ¿En que difiere una ESAL de un factor de Camión? 30. Se va diseñar una carretera dividida de 6 carriles para sustituir otra existencia. Se espera que el (Tránsito Promedio Diario Anual) AADT (en ambas direcciones) de 6000 vehículos, aumente un 5 por ciento anual. Determinar la ESAL de diseño para que la vida de diseño sea de 20 años, con una mezcla de vehículos como sigue: Automóviles (1 000 lb/eje) = 60 por ciento Camiones sencillos de 2 ejes (5 000 lb/eje) = 30 por ciento Camiones sencillos de 3 ejes (7 000 lb/eje) = 10 por ciento 31. Se va a cambiar el trazo de una carretera rural de dos c arriles, y se reemplazará por una de cuatro carriles con una completa de pavimento de asfalto. El (Tránsito Promedio Diario Anual) AADT (en ambas direcciones) de la sección existente se puede representar con una ESAL de 500. Se espera terminar la construcción dentro de 4 años. Si la tasa de crecimiento del tránsito es de 5 por ciento y la CBR del terreno en el nuevo trazo es 10, determine el espesor del pavimento de asfalto aplicando el método del Asphalt Institute (Instituto del Asfalto). Asigne 12 años como vida de diseño del pavimento. MAAT = 60º. 32. La mezcla pronosticada de tránsito en una autopista urbana propuesta con 4 carriles es: Automóviles = 69 por ciento Camiones de eje simple 2 ejes, 4 ruedas = 20 por ciento 2 ejes, 6 ruedas = 5 por ciento 3 ejes o más = 4 por ciento Tractocamiones con semirremolque y combinaciones 3 ejes = 2 por ciento El (Tránsito Promedio Diario Anual) AADT proyectado durante el primer año de funcionamiento es 3500 (en ambas direcciones). Si la tasa de crecimiento de tránsito se estima como 4 por ciento y el CBR de la subrasante es 9, determine el espesor del pavimento con el método del Asphalt Institute y n = 20 años. MAAT = 60º. 33. Se está diseñando un camino que se espera soporte un (Tránsito Promedio Diario Anual) AADT de 4.500 durante el primer año de operación, cuya tasa anual de crecimiento es de 6 por ciento durante la vida de diseño de 14 años. La mezcla esperada de tránsito es de 60 por ciento de automóviles, 20 por ciento de camiones de 2 ejes simples y 4 ruedas, 10 por ciento de camiones de 2 ejes simples y 6 ruedas, 5 por ciento de 3 ejes simples, 3 por ciento de tractocamiones de 3 ejes y 2 por ciento de tractocamiones de 4 ejes. Si la subrasante tiene un módulo de resiliencia de 8 000 lb/pulg2 y la temperatura promedio del aire ambientes 60º, diseñe un pavimento adecuado formado por una superficie de concreto asfáltico y una base con agregado. 34. La vida de diseño de una autopista urbana de 4 carriles es 20 años. La ESAL estimada (ambas direcciones) durante el primer año de operación es 150 000, con una tasa de crecimiento de 5 por ciento. Diseñe una capa de concreto asfáltico para construirla en dos etapas, con el método del Asphalt Institute, la segunda 5 años después de la primera. El módulo de resiliencia de la subrasante es 500 lb/pulg2. 35. El tránsito sobre un carril de diseño de una carretera interestatal rural de 4 carriles que se propone, consiste en 40 por ciento de camiones. Si se ha demostrado con estudios de clasificación, que el factor de camión se puede tomar como 0.45, diseñe un pavimento flexible adecuado con el procedimiento de AASHTO 93, si el (Tránsito Promedio Diario Anual) AADT en el carril de diseño durante el primer año de operación es 1 000 y pi = 4.2. Tasa de crecimiento = 4 por ciento Vida de diseño = 20 años Nivel de confiabilidad = 95 por ciento Desviación estándar = 0.44 La estructura de pavimento estará expuesta a niveles de humedad cercanos a la saturación durante el 20 por ciento del tiempo, y el agua tarda aproximadamente 1 semana en drenar. El CBR del material de la subrasante es 7; el de la base y la sub base es 70 y 30, respectivamente, y M r para el concreto asfáltico es 450 000 lb/pulg 2. 36. Repita el problema 35 con los valores de M r para la subrasante, en cada uno de los meses de enero a diciembre de 20000, 20000, 6000, 9000, 9000, 8500, 9000, 9500, 95000, 8000, 12000 y 20000 lb/pulg 2, respectivamente. La estructura del pavimento quedará expuesta a niveles de humedad cercanos a la saturación durante el 20 por ciento del tiempo, y el agua tarda unas 4 semanas para drenarse del pavimento. Use arena grava no tratada con Mr de 15 x 103 lb/pulg2 en la sub base, y un material granular sin tratamiento con M r de 28 x 10 3 lb/pulg2 en la capa de base. 37. Se va a sustituir una carretera rural existente, de 2 carriles, por una dividida en 4 carriles en un nuevo trazo. La construcción de la nueva carretera se iniciará dentro de 2 años, y se espera tarde 3 años en terminarse. La vida de diseño del pavimento es 20 años. El (Tránsito Promedio Diario Anual) AADT actual (dos sentidos) en la carretera de 2 carriles es 3600, formado por 60 por ciento de automóviles, 20 por c iento de combinaciones tractor-semirremolque de 4 ejes. Diseñe un pavimento flexible formado por u na superficie de concreto asfáltico y b ase granular, usando el método AASHTO. Suponga que el valor del CBR de la subrasante es 5%, y que la tasa de crecimiento de tránsito es de 6 por ciento anual. 38. El tránsito promedio diario de vehículos comerciales de la c arretera La Uribe-La Padilla durante los años 1980-1985 aparece en la Tabla 2.1 a) Hallar las ecuaciones de los modelos lineal y exponencial que se ajusten a los datos del tránsito. b) Estimar el tránsito promedio con los valores reales de 3218 y 3497 vehículos comerciales, respectivamente. c) Determinar la curva de aproximación que mejor se ajuste a los datos de tránsito. d) Hallar el valor de la tasa anual de crecimiento del tránsito.
Años TPD (V.C.)
1980 2322
Tabla 2.1 1981 1982 1983 1984 1985 2327 2368 2472 2682 2789
e) Calcular con la ecuación de ajuste elegida, el tránsito de vehículos comerciales para el primer año de servicio del pavimento, que se estima sea 1991. f) Calcular el tránsito acumulado de vehículos comerciales en el carril de diseño para un período de diseño de 10 años, contados a partir del primer año de servicio del pavimento. La vía es de dos (2) carriles de tránsito. 39. Determinar el factor camión de un tramo de carretera cuyo TPDS es de 1368 vehículos de los cuales el 78% son automóviles, el 4% son buses y el 18% son camiones, el tránsito de camiones está distribuido así: C-2=25%, C-3=21%, C-4=30%, C-5=15% y mayores de C-5=9%. Utilizar los factores de equivalencia propuestos por el MOPT-Ingeroute. 40- Cual es el factor de equivalencia de una carga por eje tándem de 35 toneladas con relación a una de 14.5 toneladas de iguales características. 41. Determinar el factor camión de una vía cuyo TPDS es de 2500 vehículos de lo s cuales el 50% son automóviles, el 30% son buses y el 20% son camiones. La distribución de camiones es: C-3=80% y C-4=20%. Utilizar los factores de equivalencia de carga propuestos por la Universidad del Cauca. 42. Determinar el factor camión de una vía en la que se tiene las siguientes características de carga: Carga por eje simple Nº de ejes por cada 1000 (t) camiones y buses < 6.99 9.36 7 – 7.99 10.48 8 – 8.99 17.92 9 – 9.99 10.92 10 – 10.99 17.63 43. Para el estudio de tránsito de un sector de carretera se dispone de los siguientes datos históricos: Año TPD (Vehículos comerciales) 1981 260 1982 283 1983 290 1984 295 1985 300 Determinar: a) la ecuación de la mejor curva de ajuste. b) La rata promedio anual de crecimiento del tránsito. c) El tránsito para el primer año de servicio del pavimento que se considera sea 1991. d) El número acumulado de ejes equivalentes de 8.2 toneladas en el carril de diseño y para un período de diseño de 10 años. Asumir un factor camión de 1.5. 44. Una muestra de suelo tiene las siguientes características granulométricas: Tamaño Porcentaje (mm) que pasa 2.0 (Nº.10) 100 0.075 (Nº. 200) 71 0.050 67 0.005 31 0.002 19 El límite líquido es 53 por ciento, y el índice de plasticidad 22 por ciento. Clasifique este suelo de acuerdo con el sistema AASHTO. 45. En un estudio de suelos se determinaron las características médicas de un e strato de arena encontrándose que, al obtener una muestra representativa, su volumen era de 450 cm3 y su peso húmedo de 780 gramos. Después de secado al horno, el espécimen pesó 660 gramos. El peso unitario de las partículas sólidas fue de 2.63, determinar: a) Porcentaje de humedad de la muestra. b) Relación de vacíos de la arena en su estado natural. c) Porosidad de la arena en su estado natural. d) Grado de saturación de la arena. e) Densidad humedad de la arena. f) Densidad seca de la arena.
46. El suelo típico de subrasante de una unidad de diseño es una arcilla sobre la c ual se efectuaron 6 ensayos C.B.R. y los resultados fueron 3.5, 7.2, 4. 5.5 y 5%. ¿Cuál es el C.B.R. de diseño para la unidad, si el estudio de tránsito indica que se esperan 0.80 x 105 ejes simples equivalentes de 8.2 toneladas durante el período de diseño? 47. Clasificar por el sistema unificado de clasificación de suelos, el siguiente suelo: Porcentaje que pasa por el tamiz No. 200=8%. Porcentaje que pasa por el tamiz No. 4 = 60% de la fracción gruesa. Coeficiente de curvatura (Cc) = 5. Límite líquido de la fracción fina = 60%. Límite plástico de la fracción fina = 40%. 48. Una muestra de suelo se compacta según el ensayo proctor estándar o normal, hasta un 100% de densificación, nivel para el cual presenta un pes o volumétrico de 2100 Kg/m 3 y una Humedad óptima de 14% se desea saber: a) Cuál es el peso volumétrico del suelo seco? b) Cuál es peso volumétrico cuando el aire en los huecos de la muestra de suelo es cero? c) Si los huecos se llenan de agua. Cuál sería el peso volumétrico del suelo saturado? Asúmase que la materia sólida tiene un peso específico de 2.67 49. En un tramo de carretera de tránsito pesado (N es mayor 10 6 ejes equivalentes de 8,2 toneladas) el suelo típico de subrasante de una unidad de diseño es un limo arcilloso sobre el cual s e efectuaron ocho (8) ensayos de C.B.R. cuyos resultados fueron de 7 , 9 , 11, 6, 8, 8, 10 y11. Determinar el C.B.R. de diseño para la unidad. 50. Diseñar un pavimento flexible para una carretera que representa las s iguientes características: Número de carriles = 2 Tránsito promedio diario, durante el primer año de servicio del pavimento = 1000 vehículos. Porcentaje de vehículos comerciales = 60% Factor camión =1.4 Crecimiento anual del tránsito = 4.5% Período de diseño = 10 años El suelo de subrasante consiste en una arcilla limosa de alta plasticidad cuyo CBR en condiciones representativas es de 5% El nivel freático permanecerá 2.50 metros de la superficie de la subrasante. 51. Diseñar un pavimento flexible para una vía cuyo número esperado de ejes equivalentes de 8,2 toneladas en el carril de diseño y durante el período de diseño es de 0.8 x 10 6 La evaluación geotécnica de la subrasante permitió, definir que la resistencia de diseño de esta capa, evaluada a través del ensayo CBR es de 6%. 52. Diseñar un pavimento flexible para una vía de dos carriles en la que se espera un tránsito promedio diario inicial de 760 vehículos, de los cuales un 40% son comerciales. La tasa anual de crecimiento del tránsito se estima en 8%. Se ha previsto un período de diseño de 10 años. El factor camión es de 1.5. El suelo de subrasante es una arena arcillosa cuyo CBR es de 9%. 53. Diseñar un pavimento flexible para un período de diseño de 15 años y en el cual se espera un tránsito promedio diario inicial de vehículos comerciales de 388 en dos carriles, con un crecimiento de tránsito de 3% anual y un factor camión de 1.5. Teniendo en cuenta que se trata de una vía rural troncal, se asume un coeficiente de confiabilidad de 90% y una desviación estándar de 0 .45. Según el estudio de suelos, no existirán materiales expansivos, pero la pluviosidad de la zona exigirá la construcción de dispositivos de drenaje que evacuen los excesos de agua en el término de un día. Se espera que la calidad de la construcción sea tal que el índice de servicio inicial (p 0) sea 4.3 y se ha seleccionado un índice final (pt) de 2.0, lo que implica una pér dida total de PSI = 4.3 - 2.0 = 2.3. El suelo de subrasante presenta, bajo las condiciones de humedad y densidad esperadas, un CBR = 5% (MR = 1500 x 5 = 7500 psi). Los materiales disponibles para la construcción de las capas de subbase y base granular tienen CBR = 25 y 80% a los niveles de construcción exigidos por las especificaciones, a los cuales corresponden coeficientes estructurales a determinar. Para la temperatura media de la zona del proyecto (15ºC), se estima que el módulo elástico del c oncreto asfáltico sea 25000 Kg/cm2 (350000 psi). En relación con el drenaje, y considerando lo ya expuesto, se puede tomar un valor m i = 1.15 (ver Tabla 4.17) Tabla 4.17 Valores de mi recomendados para modificar los coeficientes de capas de base y subbase granulares % de tiempo de exposición de la estructura Calidad del del pavimento a nivel de humedad Drenaje próximos a la saturación <1% 1-5% 5-25% >25% Excelente Bueno Aceptable Pobre Muy pobre
1.40-1.35 1.35-1.25 1.25-1.15 1.15-1.05 1.05-0.95
1.35-1.30 1.25-1.15 1.15-1.05 1.05-0.80 0.95-0.75
1.30-1.20 1.15-1.00 1.00-0.80 0.80-0.60 0.75-0.40
1.20 1.00 0.80 0.60 0.40
54. Diseñar un pavimento flexible para los siguientes parámetros de diseño: Temperatura w-MAAT = 15,5ºC Módulo de resiliencia de la subrasante (MR) = 5 x 10 7 N/m2 (CBR=5%). N= 5 x 106 ejes de 8.2 toneladas. 55. Diseñar un pavimento asfáltico usando una base de agregados no tratados, para las siguientes condiciones: - Módulo de sub-rasante: Mr = 48,6 MPa - Utilizar el valor de percentil de diseño correspondiente al nivel de tráfico expresado como EAL (Número de aplicación de un eje simple de 18000 lbs (80 KN) - Periodo de diseño 20 años - Datos para análisis del tránsito: Tipo de vehículo
Número de vehículos esperado en el carril de diseño durante el primer año de tránsito
Camiones de unidades simples 2 ejes, 4 llantas 2 ejes, 6 llantas 3 ejes, 6 llantas Camiones de unidades dobles 3 ejes, 4 ejes 5 ejes ó más
factor camión
87.600 23.600 4.400
0,02 0,19 0,56
2.100 7.300 50.200
0,51 0,62 0,94
Preparar dos diseños: uno para bases de 150 milímetros y otro para 300 milímetros. 56. Calcular el número de repeticiones de eje equivalente (ESAL de diseño para pavimento flexible) que circularan por una vía de cuatro carriles durante un periodo de diseño de 20 años, considerando que la tasa de crecimiento de los camiones será de 5,5%, de los c amiones articulados 6%, para el tráfico que se muestra en el siguiente cuadro. Aplicar el método del factor camión del Instituto del Asfalto. TIPO DE VEH CULO AADT (Tráfico Promedio Diario de Tasa de crecimiento Camiones) C2 camión de 2 ejes y 6 neumáticos 52.000 5,5 C3 camión de 3 ejes y 10 12.400 5,5 neumáticos C4 camión de 4 ejes 3.000 5,5 T2S2 camión articulado de 4 ejes 15.200 6,0 T2S3 camión articulado de 5 ejes 124.000 6,0 T3S4 camión articulado de 6 ejes 2.000 6,0 57. Cuál es el factor de equivalencia de una carga por eje tándem de 35 toneladas en relación con una carga patrón de iguales características. Y una carga por eje tridem de 40 toneladas con relación a la carga patrón de iguales características?
58. Para la construcción de un terraplén se prevé un volumen de 300.000 m 3 de suelo con una relación de vacíos en el terraplén de 0,8. Para ello se dispone de tres bancos de materiales: A, B y C. Los materiales de los bancos A, B y C presentan las siguientes relaciones de vacíos y costos de movimientos por metro cúbico de material: BANCO E $/m3 A 2,0 $ 90,00 B 0,9 $ 102,00 C 1,6 $ 94,00 La pregunta es, ¿Cuál banco es, económicamente, mejor explotable? 59.- Determinar el EAL de diseño de una autopista de dos carriles para un periodo de diseño de 20 años. El tráfico diario inicial es de 4000 vehículos de los cuales el 50% circulan en el carril de diseño, 12% son camiones pesados de 2 ejes, 6 ruedas y mayores y el 12% son camiones panel y pick-up. Considerar un factor de crecimiento de 2%. Tipo de Vehículo Número de Factor Camión Vehículos Unidades eje simple 2 ejes, 4 ruedas 240 0,02 2 ejes, 6 ruedas 64 0,19 3 ejes o más 12 0,56 Semitrailer y combinaciones 3 ejes 6 0,51 4 ejes 20 0,62 5 ejes o más 138 0,94
60. Para los datos mostrados en el cuadro siguiente calcular el ESAL con el método AASHTO para pavimentos flexibles y el método del Instituto del Asfalto. El pavimento flexible está compuesto por una capa de rodadura de 5 pulgadas, base granular de 10 pulgadas con CBR 100% y subbase granular de 10 pulgadas y un CBR 70%, la subrasante tiene un CBR de 10% y una serviciabilidad final de 2,5.
61. Calcular los espesores de pavimento de concreto asfáltico para una carretera de dos carriles, utilizando los métodos: a) AASHTO, b) Instituto del Asfalto, determinar: a) Full-depth (profundidad total o puro concreto asfáltlco), b) Concreto asfáltico con base granular y subbase granular. MR Caracterización de (psi) AASHTO Inst. del Asfalto Materiales Subrasante
7000
P = 20 años
Subbase
15000
R = 90 %
Capa base
30000
So = 0,45
Concreto asfáltico Clima Templado
400000
P = 10 años
pt = 2,5 Humedad próximo a saturación = 4%
Calidad drenaje = bueno
ANALISIS DE TRAFICO TIPO DE VEHICULO
Tipo y peso por eje (Kips)
Vol. Tráfico diario
Nº de ejes
Camión, bus mediano 1RS-1RD
710
2
Bus 2RS-2RD
396
2
Camión grande 1RS-2RD
298
2
Simple (2) 14 22
Tándem
Tasa Crecimiento 4
20 36 14 36
3 3
14
Semiremolque Tandem 1RS-2RD-2RD
194
3
Remolque Tandem 2RS-2RD-1RD-2RD
104
4
36 36 20 36 22
2
2
36 TOTAL RESPUESTA RESULTADOS
A.A.S.H.T.O.
Instituto de Asfalto
ESALs de Diseño [N] SN (1ª Iteración) SN (2ª Iteración) Espesor Subbase Espesor Capa base Espesor Carpeta 62. El suelo que se utilizará en la construcción de un terraplén tiene las siguientes características en el banco: e = 1,5 Gs = 2,78 y ɣm = 1,65 a) Calcular el volumen a cortar para c onstruir un terraplén de 20.000 m3 y la especificación de compactación corresponde a un ɣd = 1,45 b) Cuánta agua debe perder por m 3 si la humedad de compactación es del 28%. 63. Dosificar un Tratamiento Superficial por el método de Mc. Leod, de acuerdo a la información siguiente: % que pasa Tamiz 1 capa 2 capa 3 capa 100 1 ½” (38 mm) 85 100 1” (25,4 mm) 25 90 100 ¾” (19,1 mm) 15 45 85 ½” (12,7 mm) 5 10 30 3/8” (9,5 mm) No. 4 (4,8 mm) 5 12 No. 10 (2,4 mm) 5 TPDA = 520 veh/día Ligante bituminoso CR-2 Pérdida de distribución = 15% Textura avida 2h (0,272 lt/m 2) A = 0,136 lt/m2 V = 25% M = 0,9 K = 1 G = 2,61 RESPUESTA Materiales 1 capa 2 capa 3 capa Total Agregado (m3/m2) Bitumen (Lts/m 2)
Tabla 20.5 Distribución de factores de camión (TF) para distintas clases de carreteras y vehículos - Estados Unidos* Factores de camión Sistemas rurales Clase de vehículos Camiones sencilla
de
Interestatal
Otras principales
Arterial menor
Colectoras Mayor Menor
Sistemas urba Intervalo
Interestatal
Otras autopistas
Otras principales
Ar m
unidad
0.003 0.003 0.003 0.017 0.003 0.003-0.017 0.002 0.015 De 2 ejes, 4 ruedas 0.21 0.25 0.28 0.41 0.19 0.19-0.41 0.17 0.13 De 2 ejes, 6 ruedas 0.61 0.86 1.06 1.26 0.45 0.45-1.26 0.61 0.74 De 3 ejes o más 0.06 0.08 0.08 0.12 0.03 0.03-0.12 0.05 0.06 Todas las unidades Sencillas Tractor0.62 0.92 0.62 0.37 0.91 0.37-0.91 0.98 0.48 semirremolque 1.09 1.25 1.05 1.67 1.11 1.05-1.67 1.07 1.17 De 4 ejes o menos 1.23 1.54 1.04 2.21 1.35 1.04-2.21 1.05 1.19 1.04 1.21 0.97 1.52 1.08 0.97-1.52 1.05 0.96 De 5 ejes** De 6 ejes o más** Todas las unidades 0.52 0.38 0.21 0.30 0.12 0.12-0.52 0.39 0.23 Múltiples Todos los camiones Nota: Compilado con datos suministrados por Highway Statistics Division, Federal Highway Administration. *Incluyendo combinaciones totales de remolques en algunos estados. **Para los valores que se usan cuando la cantidad de camiones pesados es baja, véase la fuente original. FUENTE: Thickness Design – Asphalt Pavements for Highways and Streets, Manual Series No. 1, The Asphalt Institute, Lexington, Ky., febrero de 1991.
0.002 0.24 1.02 0.09
0.71 0.97 0.90 0.91
0.21
0
