Esfuerzos y Deformaciones en Un Pavimento

UNIVERSIDAD JOSE CARLOS MARIATEGUI MARIATEGUI FACULTAD DE INGENIERIAS CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

TEMA:

ESFUERZOS Y DEFORMACIONES EN EL PAVIMENTO CURSO: PAVIMENTOS

DOCENTE: ING. RENE REN E FLORES PAURO PAURO

CICLO: X

ALUMNA: ADUVIRI CA C ATACORA, NOELIA MARICRUZ

MOQUEGUA – PERU

INTRODUCCION

UNIVERSIDAD JOSE CARLOS MARIATEGUI CIVIL _____ ________________________________________________________________________

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Actualmente, la mayoría de los métodos de diseño de pavimentos no consideran la contribución de cada capa en la resistencia a la fatiga, asentamientos permanentes y el de agrietamiento por temperatura, más aún, cuando cada capa del pavimento tiene una función propia. Los métodos denominados empíricos - mecanísticos pueden considerar la contribución estructural de las diferentes capas de un pavimento fleible, lo !ue no ocurre por e"emplo, con el método AA#$%& '((). *ecientemente la incorporación de los conceptos de la mecánica estructural denominados +conceptos mecanísticos es utiliada en el análisis, diseño y refuero de la estructura de los pavimentos. Las Agencias de %ransportes de los stados de /llinois, 0entuc1y, 2innesota y 3as4ington están adoptando procedimientos de diseño mecanísticos. l presente capítulo se difunde la consideración de los conceptos mecanísticos en la resiliencia de los materiales y la evaluación de la sub-rasante.

I.

MÓDULO ELÁSTICO

l parámetro !ue se utilia en la estimación de deformaciones ba"o cargas estáticas es el módulo de elasticidad. l módulo elástico relaciona los esfueros aplicados y las deformaciones resultantes. l nivel de esfueros aplicado al suelo a través de la estructura del pavimento es mínimo comparado con la

_____ ________________________________________________________________________ PAVIMENTOS CLASIFICACION DE CARRETERAS


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deformación en falla, por ello se asume !ue eiste una relación lineal entre los esfueros y las deformaciones. La teoría de la elasticidad permite utiliar ensayos de laboratorio y campo para la determinación del módulo elástico. La 5igura 6.' muestra los ensayos disponibles en nuestro medio. l ensayo de compresión confinada utiliando el consolidómetro simula el comportamiento deformacional !ue tendrá el suelo deba"o de una cimentación superficial. l esfuero de confinamiento lateral es variable durante la prueba, dada por la pared metálica del e!uipo !ue no permite la deformación 4oriontal de la muestra. l ensayo permite obtener el módulo elástico en la condición natural y 4umedecida. n suelos arenosos el 4umedecimiento ba"o carga ocurre de manera inmediata y es posible medir el asentamiento adicional por este efecto. l ensayo triaial estudia el comportamiento deformacional del suelo ba"o confinamiento y permite obtener módulos elásticos para cual!uier nivel de presión de confinamiento y deformación. Los parámetros se utilian cuando las presiones verticales transmitidas alcanan profundidades importantes. l e!uipo no permite medir el efecto del 4umedecimiento. l ensayo 7.8.*. y el ensayo de placa de carga permite obtener los parámetros elásticos en la evaluación de la sub-rasante. #in embargo, en nuestro medio no se utilia la práctica ingenieril recomendada por 9alle *odas, '(:; de ensayar muestras inalteradas. La venta"a del ensayo 7.8.*. es la evaluación de la influencia de la densidad natural y el 4umedecimiento.

n la 5igura 6.< se estudia el efecto de las cargas en el pavimento. 7ada ciclo de carga produce en el suelo una componente de deformación plástica, no recuperable y una componente de deformación elástica, recuperable. 7on los ciclos siguientes de cargas los incrementos de deformación plástica producidos tienden a desaparecer, en cambio las deformaciones elásticas tienden a ser constantes. l 2ódulo *esiliente, 2* relaciona el esfuero aplicado y la deformación elástica en la condición estable o residual cuando el suelo presente un comportamiento elástico. l módulo resiliente no representa el comportamiento total, desde el inicio del ciclo de cargas 4asta el final. #in embargo, el módulo resiliente relaciona las cargas móviles o rápidas y las deformaciones instantáneas resultantes. l valor del 2r puede ser '= veces el valor del 2ódulo lástico.



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Los suelos granulares !ue conforman las capas del pavimento, presentan una adecuada gradación y compactación. l comportamiento de estas capas granulares, ba"o los ciclos de carga, no presentará deformaciones plásticas significativas. #e asume !ue durante el adecuado proceso constructivo, las deformaciones plásticas se anularán. n este caso es apropiado modelar el comportamiento de las capas con el 2ódulo *esiliente, 2*. Al respecto la >uía AA#$%&, () presenta valores establecidos en el laboratorio, basados en el valor 78*.

l caso crítico lo constituye cuando la sub-rasante contiene fracciones importantes de finos limoarcillosos. s sabido !ue los suelos limo-arcillosos sometidos a cargas estáticas permanentes presentan deformaciones diferidas ?con el tiempo@ asociado al fenómeno de consolidación. 8a"o cargas no permanentes, de corta duración y repetidas, como son las cargas de tránsito, el tiempo !ue demorará en consolidarse será mayor, lo !ue traduce en el mayor número de ciclos. s decir, el adecuado proceso constructivo no será suficiente para anular las deformaciones plásticas. l estado final resiliente solo se consigue con un número grande de ciclos de carga y la deformación plástica acumulable será significativa. l módulo resiliente, 2* al representar solamente el comportamiento deformacional final, no será representativo del comportamiento del suelo. Las sub-rasante con componentes importantes limo-arcillosas su"etas a deformaciones plásticas acumulables significativas ?ba"o valor de 78*@, estarán su"etas a dos alternativas estabiliar primero el subsuelo para luego diseñar el pavimento o ale"ar el subsuelo de la influencia de las cargas ?considerando un espesor mayor de relleno granular@ esto es, del bulbo de presiones generadas por las cargas de tránsito.

II.

SUBRASANTE

La sub-rasante es +el nivel superior de la plataforma de una carretera..donde se coloca la estructura del pavimento ?>-<===, 2%7@. #in embargo, el concepto de capacidad de soporte a nivel de subrasante o simplemente +capacidad de soporte de la sub-rasante implica la evaluación estructural y por



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consiguiente la determinación de la respuesta mecánica del subsuelo 4asta la +profundidad donde pueden generarse deformaciones significativas. La re4abilitación de carreteras y pavimentos urbanos eige disponer anualmente de montos importantes del Bresupuesto de la Cación. n los .DD. también ocurrió esta misma situación 4ace más de '= años. La conclusión fue !ue los métodos de diseño de estructuras de pavimentos eran básicamente empíricos y los conceptos de la mecánica estructural !ue se 4abían incorporado en las últimas décadas a la ingeniería civil, aún no se 4abían incorporado en la ingeniería de pavimentos. Actualmente la tendencia en los .DD. y países europeos es considerar períodos de diseño de E=-6= años mediante estructuras denominadas +pavimentos perpetuos, !ue no re!uieren mantenimiento durante los primeros <= años. n la estructura de pavimento, las capas ?elementos estructurales@ !ue componen el pavimento no presentan asentamientos significativos, siendo la sub-rasante o cimentación del pavimento propenso a deformarse. ntonces, la primera conclusión es !ue las fallas estructurales !ue aún se presentan en nuestro medio, se deben a una limitada, incorrecta y no actualiada metodología de evaluación de la sub-rasante. La ingeniería geotécnica nos describe un país donde se presentan suelos con respuesta mecánica variadas, utiliando términos como suelos colapsables, epansivos, densificables, licuables, compresibles, suelos inestables no consolidados o de formación reciente ?módulos elásticos menores a '== 1gFcm<@, cuyo común denominador es presentar deformaciones significativas !ue afectarán estructuras de concreto y más aún a estructuras !ue admiten muc4o menor valor de asentamiento admisible ?menor a 'mm@, como son las estructuras de pavimento. Gefinitivamente, un asentamiento mayor ocasiona la fatiga prematura de la carpeta asfáltica, elemento !ue es muy rígido ?módulo elástico superior a )=,===1gFcm<@. n nuestro país, muc4as generaciones de ingenieros utilian el ensayo 78*, A#%2 G 'HH) para determinar la capacidad de soporte de la sub-rasante, sin embargo, no se considera la 4umedad ni la densidad +in situ. #e asume generalmente !ue la capacidad de soporte de la sub-rasante es el resultado del ensayo asociado a la 2áima Gensidad #eca del ensayo Broctor 2odificado. #i bien es cierto !ue el ensayo 78* de campo es costoso y no sería recomendable realiarlo, eiste otra alternativa propuesta basado en utiliar el mismo molde 78*, llevarlo al campo y con ello etraer una muestra inalterada. n suelos finos, arenolimosos, los suelos más susceptibles a presentar alta deformabilidad se prestan para esta práctica. n el laboratorio, se realia la prueba de penetración sobre la muestra en condiciones naturales obtenida con el molde 78*, obteniéndose un valor representativo del comportamiento de la sub-rasante. n depósitos de suelos granulares con presencia de boleos y blo!ues no consolidados de formación reciente, generalmente como resultado de fenómenos geodinámicos presentarán deformaciones permanentes acumulables debido a la densificación producida por el impacto de las cargas dinámicas de tránsito. n este aspecto, es preciso indicar !ue la deformación de estos suelos suelen ser de magnitudes similares a los suelos limo-arcillosos compresibles.



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nsayos para medir las deformaciones producidas en suelos granulares sueltos utiliando la mesa vibradora arro"aron resultados ilustrativos.

III.

TEORÍA ELÁSTICA DE MEDIOS SEMI-INFINITOS

l cálculo de los esfueros transmitidos al terreno debido a la aplicación de las cargas de tránsito se basa en las siguientes consideraciones

a. #e asume !ue el terreno se comporta elásticamente I es decir, !ue las deformaciones !ue se generan serán proporcionales a las cargas aplicadas.

b. La aplicación de una carga circular uniforme genera esfueros ?normales y tangenciales@ en el terreno.



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#e utilia un sistema de coordenadas cilíndricas donde J, Jr y Jt, son esfueros normales y Kr es el esfuero tangencial. Los cuatro componentes definen el estado de esfueros en el punto inferior ?r,@.

c. La aplicación de la %eoría lástica, basado en la integración numérica de la solución de 8oussines! ?'HH6@. 7onsiderando un medio 4omogéneo, elástico, isotrópico y semi-infinito, se tiene

IV.

APLICACIÓN DE LA SOLUCIÓN DE BOUSSINESQ Y LA TEORÍA ELÁSTICA

7onsiderando una carga circular uniformemente repartida de magnitud q, y un plano 4oriontal cual!uiera a una profundidad z1, se tendrán los máimos esfueros verticales transmitidos, J má, cuando r= ?punto ubicado en el e"e vertical@.

#egún 5oster y A4lvin ?'(6E@ tenemos los valores de Jmá, M y la defleión ?asentamiento máimo en el centro del área circular para = es a. sfuero máimo vertical ?en el e"e vertical@

note !ue el J es independiente de  y N. b. Geformación máima vertical ?en el e"e vertical@



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c. Gefleión vertical máima en la superficie y en el centro de la carga circular.

9.

SISTEMA ELÁSTICO DE MÚLTIPLES CAPAS l sistema elástico de múltiples capas está compuesto por el sistema de n-capas en coordenadas cilíndricas, la capa n-ésima es de espesor infinito. Bara cada capa se debe conocer su módulo de elasticidad  y su relación de Boisson N. 5igura 6.;. Bara restablecer la condición entre las interfaces de este sistema de múltiples capas, se debe evaluar la condición +ligada o +no ligada. l término OligadoO es un re!uerimiento necesario para establecer la condición de frontera o interfase entre las capas de una estructura de pavimentos, de tal manera !ue se facilite la solución numérica de la ecuación diferencial del problema elástico, vía elementos finitos o diferencias finitas. sto !uiere decir !ue el término tiene una connotación matemática y física, e!uivalente a un modelo de interfase entre capas. n una interfase tenemos !ue modelar la OtransiciónO !ue eiste entre los desplaamientos, deformaciones y esfueros de los materiales vecinos. #i asumimos !ue estas variables serán iguales, estaremos en la condición OligadaO, si alguna de estas variables fuera diferente la condición sería Oligado intermedioO y si las variables del estado de esfuero tensional fueran diferentes seria Ono ligadoO. n cual!uier caso estaremos ante la necesidad de modelar la interfase. ste problema es común en un problema geotécnico donde se involucran materiales diferentes, sobre todo si uno de ellos está sometido a esfueros mayores o concentrados, por e"emplo un ancla"e o una capa de refuero, en el pavimento por e"emplo sería el modelar la presencia de una geomalla. ste problema puede ser de difícil solución, salvo se implementen modelos de transferencia, basados en investigaciones eperimentales. n un problema convencional de pavimentos, la cosa se simplifica, dado !ue los materiales granulares con especificaciones rigurosas, friccionantes y compactados siempre obedecerán a una interfase OligadaO. Bor ello los tetos de pavimentos cuando se refieren a este aspecto indican !ue el problema se debe considerar casi siempre como OligadoO. #in embargo, siempre 4ay ecepciones y se puede dar el caso de ligado intermedio. s muy difícil encontrar una interfase no ligada, salvo corresponda a un diseño particular deficiente, y por lo tanto no tendría importancia en la práctica ingenieril. #e me ocurre por e"emplo, de una carpeta asfáltica en caliente rígida sobre una subrasante arcillosa 4úmeda ?aun!ue sea de consistencia dura, pero con interfase de ba"a resistencia tangencial o cortante@.



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Las arcillas 4úmedas presentan un comportamiento del tipo no drenado ?fricción nula@ y en la carpeta eistiría una concentración de esfueros donde los esfueros tangenciales 4oriontales generarían desplaamientos relativos en la interfase. n conclusión, se recomienda utiliar la condición ligada, en los programas de análisis deformacional !ue eisten en nuestro medio. Garle solución a sistemas elásticos de múltiples capas es tarea difícil, para ello se usan 4erramientas como los programas de cómputo. n el medio 4ay diferentes programas entre ellos el Brograma 0enlayer de la Dniversidad de 0entuc1y, este programa puede ser aplicado sólo en problemas de pavimentos asfálticos.


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