Ingeniería de Pavimentos: Conceptos Clave y Aplicaciones en Carreteras

Estructura de un Pavimento Flexible y Características de sus Capas

Un pavimento flexible es una estructura compuesta por varias capas que se apoyan sobre la subrasante del terreno. Cada capa tiene una función específica para garantizar la durabilidad y el buen funcionamiento del pavimento.

• Carpeta de rodadura o carpeta asfáltica: Es la capa superior del pavimento asfáltico, compuesta por una o varias capas de mezcla asfáltica. Su principal función es proporcionar una superficie segura, cómoda y estable para el tránsito vehicular.
• Capa base: Se encuentra directamente debajo de la carpeta asfáltica. Recibe los esfuerzos de la capa de rodadura y los transmite de forma adecuada a la sub-base y a la subrasante.
• Capa sub-base: Actúa como capa de transición entre la base y la subrasante, impidiendo la penetración de materiales finos de la subrasante.
• Subrasante: Es el terreno natural donde se ubica toda la estructura del pavimento. No forma parte de la estructura en sí, pero es fundamental para su soporte.

Cubicación en Movimiento de Tierras

La cubicación es el cálculo del volumen de tierras a mover durante la ejecución de un proyecto. Es fundamental para determinar la cantidad de material necesario y planificar el proceso de movimiento de tierras.

Tipos de Movimientos de Tierra en Carreteras

• Conformaciones: No modifican sustancialmente la topografía (limpieza, refine, perfilados).
• Explanaciones: Producen grandes modificaciones de la topografía (excavaciones, rellenos, cortes, explanadas y terraplenes).

Ingeniería de Pavimentos: Definición y Objetivos

La ingeniería de pavimentos es una rama de la ingeniería civil que se ocupa del diseño, la construcción, el mantenimiento y el rendimiento de los pavimentos. Su objetivo principal es proyectar, construir, mantener y gestionar pavimentos de manera eficiente, minimizando los costos para la sociedad. Es una actividad multidisciplinaria que involucra conceptos y técnicas de ingeniería geotécnica, de estructuras, de materiales, de transportes y de sistemas.

Tipos de Ejes en Vehículos de Carga

• Eje sencillo: Compuesto por un solo eje, motriz o no, sin articulación a otro eje. Común en vehículos ligeros y algunos camiones. (Peso máx. 15 y 24 kips)
• Eje tándem: Dos ejes articulados por dispositivos comunes, separados por menos de 2.4 metros. Mejora la distribución de carga y tracción. (Peso máx. 22, 31 y 40 kips)
• Eje trídem: Ideal para vehículos pesados que requieren alta capacidad de carga y estabilidad. (Peso máx. 37, 46 y 55 kips)

Pasadores o Dowels en Pavimentos Rígidos

Los dowels son elementos prearmados compuestos por un conjunto de pasadores de barra lisa montados sobre una canastilla de acero soldada. Su función es transmitir la carga en las juntas del pavimento rígido.

Tipos de Pavimento Rígido

Debido a su gran rigidez, la losa absorbe casi completamente los esfuerzos generados por las cargas de tránsito, proyectando menor intensidad de esfuerzos en las capas inferiores y la subrasante.

• Pavimentos de concreto simple con juntas:
  • De concreto simple con juntas sin elementos de transferencia de cargas (no presentan refuerzo de acero ni elementos para transferencia de cargas).
  • De concreto simple con juntas sin elementos de transferencia de cargas (constituidos por losas de dimensiones relativamente pequeñas, en general menores de 6 m de largo y 3.50 m de ancho).
• Pavimentos de concreto reforzado con juntas: Se adaptan bien a la realidad nacional debido a su buen desempeño y a los periodos de diseño empleados. Se dividen en losas con una longitud mayor, y la armadura no se dispone de forma continua.
• Pavimentos de concreto continuamente reforzados: El refuerzo asume todas las deformaciones, especialmente las de temperatura. Se eliminan las juntas de contracción, quedando solo las de construcción y dilatación cerca de obras de arte.

Finalidad de un Pavimento

Un pavimento es una estructura construida sobre la subrasante de la vía para resistir y distribuir los esfuerzos originados por los vehículos, mejorando las condiciones de seguridad y comodidad para el tránsito. Generalmente, está conformado por subbase, base y capa de rodadura.

Módulo Resiliente: Definición, Determinación y Relación con el CBR

El módulo resiliente es un parámetro fundamental en el diseño de pavimentos. Mide la capacidad de un material para recuperar su forma tras ser sometido a cargas repetidas. Se define como la relación entre el esfuerzo desviador aplicado y la deformación axial recuperable durante ensayos de carga cíclica.

Se determina mediante ensayos triaxiales de carga repetida. Es un parámetro importante en el análisis y diseño de pavimentos flexibles.

En algunos métodos de diseño, se pueden usar tablas o fórmulas empíricas para estimar el módulo resiliente a partir del CBR, ya que ambos parámetros reflejan la capacidad del material para soportar cargas.

Consideraciones para el Cálculo de Esfuerzos en el Terreno

• Se asume que el terreno se comporta elásticamente, es decir, las deformaciones son proporcionales a las cargas aplicadas.
• La aplicación de una carga circular uniforme genera esfuerzos en el terreno.
• Se aplica la teoría elástica, considerando un medio homogéneo, elástico, isotrópico, etc.

Parámetros que Debe Cumplir un Pavimento

Los parámetros clave que debe cumplir un pavimento son:

• Espesor
• Serviciabilidad
• Tráfico
• Transferencia de carga
• Propiedades del concreto
• Resistencia de la subrasante
• Drenaje
• Confiabilidad

Subrasante: Importancia en el Diseño de Pavimentos

La subrasante es la capa sobre la cual se soporta la estructura del pavimento. Es la principal variable de diseño, ya que los esfuerzos en la subrasante son fundamentales para el diseño del pavimento. La calidad de la subrasante afecta sustancialmente el comportamiento y la durabilidad del pavimento. Una mejor calidad permite reducir el espesor del pavimento, ahorrando costos sin mermar la calidad.

Ensayos para Caracterizar el Suelo con Fines de Pavimentación

Para caracterizar el suelo con fines de pavimentación, se realizan diversos ensayos que evalúan sus propiedades físicas, mecánicas y químicas. Entre los más comunes se incluyen:

• Granulometría
• Plasticidad (Índice de Plasticidad - IP)
• Compresión uniaxial
• California Bearing Ratio (CBR)
• Ensayo triaxial
• Densidad in situ

CBR (California Bearing Ratio)

El CBR es un ensayo que evalúa la capacidad portante de materiales de suelo, especialmente en la construcción de pavimentos. Mide la resistencia del suelo a la penetración, determinando su calidad y adecuación para soportar cargas.

Procedimiento para la Investigación de una Cantera

• Descripción: El consultor describe las características del afloramiento rocoso (fracturamiento, volumen, dimensionamiento de los bloques).
• Muestreo: Se realizan al menos 3 prospecciones (calicatas o trincheras) para determinar el basamento rocoso.
• Ensayos de laboratorio: Se realizan ensayos para determinar las propiedades del material.
• Rendimiento de cubicación: Se calcula el rendimiento, la potencia del basamento rocoso, el período y el equipo de explotación.

Conceptos Adicionales

• Altura badén: Un badén es una estructura de drenaje superficial que permite el paso de agua sobre la superficie de rodadura. La altura del badén se refiere a la elevación máxima de la estructura con respecto al nivel de la calzada.
• Tipos de movimientos de tierras: Excavación, Relleno, Nivelación, Compactación, Terraplenado, Desmonte, Perfilado.
• Ensayos para movimientos de tierras: Granulometría, Límites de Atterberg, Proctor (estándar y modificado), CBR, Densidad in situ, Contenido de humedad.
• Fórmula de CBR: CBR = (Carga unitaria del ensayo / Carga unitaria patrón) * 100
• Fórmula de CBR (2555): Mr (psi) = 2555 x CBR^0.64

Procedimiento Básico en Laboratorio para el Ensayo CBR

1. Preparar muestras de suelo con diferentes contenidos de humedad.
2. Compactar las muestras en moldes CBR.
3. Sumergir las muestras en agua durante 96 horas.
4. Medir el hinchamiento.
5. Realizar el ensayo de penetración con un pistón normalizado.
6. Calcular el CBR comparando la carga necesaria para una penetración dada con la carga estándar.

Proceso de Selección de Cantera

1. Identificación de posibles fuentes de material.
2. Evaluación geológica y geotécnica del sitio.
3. Muestreo y ensayos de laboratorio para determinar propiedades del material.
4. Análisis de calidad, cantidad y accesibilidad del material.
5. Evaluación de impacto ambiental y permisos necesarios.
6. Análisis económico considerando costos de extracción y transporte.