Diseño de pavimento flexible y rígido

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO
Vía Aeropuerto EL EDEN
1
DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO
LINA MERCEDES MONSALVE ESCOBAR
LAURA CRISTINA GIRALDO VASQUEZ
JESSYCA MAYA GAVIRIA
2012

2
DISEÑO DE PAVIMENTO FLLEXIBLE Y RIGIDO
LINA MERCEDES MONSALVE ESCOBAR
LAURA CRISTINA GIRALDO VASQUEZ
JESSYCA MAYA GAVIRIA
PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL
Armenia
2012

3
LINA MERCEDES MONSALVE ESCOBAR – 1094914262
LAURA CRISTINA GIRALDO VASQUEZ – 1094922194
JESSYCA MAYA GAVIRIA – 41954362
REVISADO POR:
ING. MARIA ROSA GUZMAN MELENDEZ
TITULAR DE LA ASIGNATURA DE PAVIMENTOS
PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL
Armenia
2012

4
TABLA DE CONTENIDO
PAG.
1. INTRODUCCIÓN
10
2. OBJETIVOS
11
2.1. Objetivo General
11
2.2. Objetivos Específicos
11
3. JUSTIFICACIÓN
12
4. ALCANCE
13
5. METODOLOGÍA
14
5.1. Método AASHTO para el diseño de pavimentos flexibles
14
5.2. Método racional para el diseño de pavimentos flexibles
14
5.3. Método de la Portland Cement Association (PCA)
15
6. MARCO TEÓRICO
16
6.1. Estudios geotécnicos
16
6.1.1. Caracterización geotécnica
16
6.1.1.1. Tamaño de las partículas de suelo
16
6.1.1.2. Curva de distribución granulométrica
17
6.1.1.3. Consistencia del suelo
18
6.1.1.4. Clasificación del suelo
18
6.2. Pavimentos
21
6.2.1. Clasificación de los pavimentos
22
6.3. Diseño Marshall
26
6.4. Diseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA)
27
6.5. Tránsito
28
6.5.1. Cálculo del tránsito de acuerdo al manual de diseño de pavimentos asfálticos para vías con bajos volúmenes de tránsito (INVIAS)
28
6.5.1.1. Niveles de tránsito
29
6.5.1.2. Componentes de tránsito
30
6.5.1.3. Determinación del nivel de confianza en la proyección del tránsito
30
6.5.1.4. Conversión de vehículos a ejes equivalentes de 8.2 ton. Factores de daño por tipo de vehículo
30
6.5.1.5. Tránsito en el carril de diseño en función de ancho de la calzada. Factor direccional (Fd)
31
6.5.1.6. Tránsito acumulado en ejes equivalentes de 8.2 ton, en el carril de diseño durante el periodo de diseño
31
6.5.1.6.1. Pronóstico de la componente de tránsito normal
31
6.5.1.7. Pronóstico de la componente de tránsito atraído
34
6.5.1.8. Pronóstico de la componente de tránsito generado
34
6.5.2. Cálculo del tránsito de acuerdo al manual de diseño de pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de tránsito (INVIAS)
35
6.5.2.1. Factor camión (Fc)
38
6.5.2.2. Cuantificación del tránsito en una vía
38
6.5.2.2.1. Tránsito promedio diario (TPD)
38

5
6.5.2.2.2. Periodo de diseño y vida útil
38
6.5.2.3. Clasificación de las vías
39
6.5.2.4. Asignación del tránsito según las características y el ancho de la vía
39
6.5.2.5. Porcentaje de vehículos para el carril de diseño
39
6.6. Ensayo California Bearing Ratio (CBR)
40
6.7. Modulo resiliente
41
6.8. Modulo de reacción de la subrasante
42
6.9. Modulo dinámico Witczak
43
6.10. Leyes de Fatiga
44
7. DESARROLLO PRÁCTICO
47
7.1. Descripción de la vía
47
7.2. Estudio de tránsito
48
7.2.1. Tránsito pavimento flexible
48
7.2.2. Tránsito pavimento rígido
60
7.3. Evaluación de suelos
68
7.3.1. Magnitud del estudio
68
7.3.1.1. Trabajo de campo
68
7.3.1.2. Características de los sondeos
68
7.3.1.3. Perfil estratigráfico
73
7.4. Caracterización estructura del pavimento
75
7.4.1. Subrasante
75
7.4.2. Subbase
76
7.4.3. Base
77
7.4.4. Carpeta asfáltica
78
7.5. Diseño del pavimento flexible
82
7.5.1. Método AASHTO
82
7.5.2. Método racional
89
7.6. Diseño de pavimento rígido
94
7.6.1. Diseño de pavimento rígido mediante el método PCA
94
8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
100
9. ANEXOS

6
LISTA DE TABLAS
PAG.
Tabla 1. Límites de tamaño de suelos separados
17
Tabla 2. Sistema unificado de clasificación; símbolos de grupo para suelos arenosos
19
Tabla 3. Sistema unificado de clasificación, símbolos de grupo para suelos limosos y arcillosos
20
Tabla 4. Niveles de tránsito
28
Tabla 5. Factor daño por tipo de vehículo
30
Tabla 6. Tránsito por adoptar para el diseño según el ancho de la calzada. Factor direccional (Fd)
30
Tabla 7. Valores del parámetro Zr (suponiendo una distribución normal)
31
Tabla 8. Porcentaje de tránsito generado como función del tránsito normal
34
Tabla 9. Máximo peso por eje para los vehículos de transporte de carga
34
Tabla 10. Carga máxima admisible por vehículo
37
Tabla 11. Cargas patrón y exponenciales para el cálculo del Factor de equivalencia
38
Tabla 12. Clasificación de las vías
39
Tabla 13. Porcentaje de vehículos para el carril de diseño
40
Tabla 14. Valores de esfuerzo en la muestra patrón
41
Tabla 15. Clasificación del suelo de acuerdo a los valores de CBR
41
Tabla 16. Periodo de diseño (en años) recomendado
49
Tabla 17. Serie histórica y composición del tránsito promedio diario semanal (TPDS) de la vía Santander de Quilichao – Te de Villa Rica, estación 284
51
Tabla 18. Camiones de conteo total semanal y distribución porcentual, año 2008
51
Tabla 19. Factor direccional
53
Tabla 20. Factor carril para vías con diferentes números de carriles
53
54
Tabla 22. Valores de tránsito equivalente diario
54
Tabla 23. Valores de tránsito equivalente diario calculado
56
Tabla 24. Cálculo de la sumatoria de las diferencias al cuadrado de cada año de la serie histórica y el año medio de dicha serie histórica
57
Tabla 25. Error pronóstico para cada uno de los años del periodo de diseño
57
Tabla 26. Valores del parámetro Zr que asegura el nivel de confianza deseado
58
Tabla 27. Valores de corrección para cada año del periodo de diseño
58
Tabla 28. Ejes equivalentes para todos los años del periodo de diseño con confiabilidad del 90%
59
Tabla 29. Datos históricos de tránsito (estación 284)
59
Tabla 30. Corrección de datos históricos
61
Tabla 31. Tránsito promedio diario semanal (TPDS) calculado
62
Tabla 32. Cálculo de la sumatoria de las diferencias al cuadrado de cada año de la serie histórica y el año medio de dicha serie histórica
63
Tabla 33. Error de pronóstico para cada uno de los años del periodo de diseño
64
65

7
65
Tabla 36. Ejes equivalentes para todos los años del periodo de diseño, con confiabilidad del 90%
66
Tabla 37. Número de repeticiones de carga
67
Tabla 38. Categorías de subrasante
75
Tabla 39. Datos de entrada para el método de la AASHTO
83
Tabla 40. Niveles de confiabilidad recomendada por AASHTO
83
Tabla 41. Capacidad del drenaje para remover la humedad
84
Tabla 42. Valores mi recomendados para modificar los coeficientes estructurales de capa bases y subbases sin tratamiento
84
Tabla 43. Datos para calcular espesores por método AASHTO
87
Tabla 44. Espesores mínimos admisibles para las capas asfálticas y la base granular
87
Tabla 45. Espesores pavimento flexible AASHTO
89
Tabla 46. Características de las capas de la estructura del pavimento asfáltico
89
Tabla 47. Coeficientes de Calage
91
Tabla 48. Características de las capas de la estructura del pavimento asfáltico
92
Tabla 49. Comparación de las deformaciones calculadas con las admisibles
94
Tabla 50. Influencia del espesor de la base en el valor de k
96
Tabla 51. Resistencia que debe alcanzar el concreto
96

8
LISTA DE FIGURAS
PAG.
Figura 1. Curvas de distribución del tamaño de partículas (curvas granulométricas)
17
Figura 2. Carta de plasticidad
21
Figura 3. Estructura típica de un pavimento asfáltico (flexible)
22
Figura 4. Estructura típica de un pavimento rígido
23
Figura 5. Estructura típica de un pavimento articulado
23
Figura 6. Esquema de clasificación de vehículos
29
Figura 7. Representación esquemática de los vehículos de transporte de carga más comunes en el país
35
Figura 8. Esquematización de los diferentes tipos de ejes y su carga máxima
36
Figura 9. Porcentaje de camiones en el carril de diseño
40
49
Figura 11. Localización estaciones de conteo. Estación 284
50
Figura 12. Perfil estratigráfico
73
Figura 13. Nomograma para calcular el coeficiente estructural de la subbase granular
76
Figura 14. Nomograma para calcular coeficiente estructural de la base granular
77
Figura 15. Indice de penetración nomogramas Van Der Poel
78
Figura 16. Temperatura de mezcla
79
Figura 17. Nomograma para el cálculo del modulo de rigidez de la carpeta asfáltica
80
Figura 18. Nomograma para el calculo del modulo de rigidez de la carpeta asfáltica
81
Figura 19. Coeficiente estructural de la carpeta asfáltica
82
Figura 20. Relación entre la clasificación del suelo y los valores de CBR y K
95
Figura 21. Diseño de pavimento rígido espesor 263 (mm)
97
Figura 22. Repeticiones esperadas de ejes simples
97
Figura 23. Repeticiones esperadas de ejes tándem
98
Figura 24. Repeticiones esperadas de ejes tridem
98

9
LISTA DE IMÁGENES
PAG.
Imagen 1. Ubicación vía de estudio
47
Imagen 2. Vía Santander de Quilichao – Te de Villa Rica
48
Imagen 3. Número estructural
85
Imagen 4. Número estructural carpeta asfáltica (SN1)
85
Imagen 5. Número estructural carpeta asfáltica y base (SN2)
86
Imagen 6. Número estructural carpeta asfáltica, base y subbase (SN3)
86
Imagen 7. Determinación de esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV para la estructura diseñada
89
Imagen 8. Esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV para la estructura diseñada
90
90
Imagen 10. Determinación de esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV para la estructura diseñada
92
93
93
LISTA DE GRÁFICOS
PAG.
Grafico 1. Variación histórica de autos
51
Grafico 2. Variación histórica de buses
52
Grafico 3. Variación histórica de camiones
52
Grafico 4. Modelos de regresión
55
Grafico 5. Tránsito equivalente diario del periodo de diseño con confiabilidad de 90%
59
Grafico 6. Regresión lineal de la serie histórica del tránsito
61
Grafico 7. Regresión lineal de la serie histórica cde tránsito corregida
62
Grafico 8. Transito equivalente diario del periodo de diseño con confiabilidad de 90%
67

10
1. INTRODUCCION
El Municipio de Santander de Quilichao, está ubicado en Colombia, en el sector Norte del Departamento del Cauca, a 97 Km al norte de Popayán y a 45 Km al Sur de Santiago de Cali, Valle del Cauca Este sector de gran importancia para la comunicación ya que corresponde a una vía indepartamental y municipal, lo que la convierte en una red vial de gran importante para la economía y el desarrollo del país.
Para garantizar que la vía ofrezca un nivel de serviciabilidad adecuado que genere bienestar, confort y seguridad tanto al comercio, al turismo y al transporte urbano, es necesaria una vía que se encuentre en buen estado y que se ajuste a las condiciones tanto del tránsito, nivel de importancia y tipo de terreno.
Con el objetivo de conseguir una vía que se acomode a las condiciones a la cuales es sometida, se realiza un estudio para el diseño de una pavimento flexible con el método de la AASHTO y el método racional, junto con un estudio de pavimento rígido por el método de la PCA.
El presente informe tiene como objetivo mostrar los diseños de los pavimentos rígidos para un periodo de diseño de y flexibles con un periodo de diseño de 20 años, para el municipio Santander de Quilichao con un periodo de diseño, que permitan sustituir el actual pavimento que no presenta condiciones adecuadas. Para esto l se hace necesario un análisis del tránsito proyectado a un periodo de diseño de 20 años con conversión del tránsito a ejes equivalentes , un estudio de geotécnico el cual se hace por medio de una caracterización de los apiques que permiten determinar las condiciones de las subrasante, incluyendo ensayos de consistencia, granulometría, CBR.

11
2. OBJETIVOS
2.1. OBJETIVO GENERAL
Diseñar una estructura de pavimento rígido y flexible para 17 Km de la vía que conduce de Santander de Quilichao – Te de Villa Rica.
2.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS
 Determinar las condiciones geotécnicas del terreno por medio de ensayos y análisis del suelo.
 Por medio de apiques caracterizar la subrasante y las capas del terreno.
 Determinar el tipo transito, volumen y las cargas a las que el pavimento será sometido durante el periodo de diseño.
 Determinar los espesores de las capas del pavimento, por medio de los diferentes métodos de la AASHTO, método racional, Marshall Shell y PCA
 Determinar los materiales del diseño de pavimentos.

12
3. JUSTIFICACIÓN
El proyecto de diseño de la vía Santander de Quilichao – Te de Villa Rica, se realizara con el fin de mejorar las condiciones de comunicación intermunicipal en el departamento del Cauca, e interdepartamental con el departamento del Valle del Cauca, debido a que es una ruta de gran importancia para el desarrollo económico del departamento.
Una evaluación funcional realizada al pavimento existente en el tramo de vía, hace notoria la necesidad de realizar una evaluación estructural del mismo. De la evaluación estructural se determinó, que la estructura existente presenta elevados índices de deterioro y no posee vida residual; por lo que se recomienda la reconstrucción total, y la realización de un nuevo diseño de pavimento, que proporcione seguridad y comodidad a los habitantes de la zona.

13
4. ALCANCE
El proyecto comprende el diseño de la estructura de pavimento para El proyecto comprende el diseño de la estructura de pavimento para 17 Km de la vía que conduce de Santander de Quilichao – Te de Villa Rica.
El diseño consiste en un pavimento flexible por los métodos de la AASHTO y racional, y un pavimento rígido por el método PCA (Portland Cement Association). Los lineamientos que se consideran para el diseño corresponden a los consignados en los manuales de diseño de pavimentos del Instituto Nacional de Vías (INVIAS), para la realización de los estudios de suelos, tránsito y la caracterización de la subrasante.
Para el diseño de la nueva estructura de pavimento no se modifica el diseño geométrico de la vía, ni las características del tránsito de la misma.

14
5. METODOLOGÍA
5.1. MÉTODO AASHTO PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES
El método AASHTO-1993 para el diseño de pavimentos flexibles, se basa primordialmente en identificar un “número estructural (SN)” para el pavimento, que pueda soportar el nivel de carga solicitado. Para determinar el número estructural, el método se apoya en una ecuación que relaciona los coeficientes , con sus respectivos números estructurales, los cuales se calculan con ayuda de un software, (AASHTO 93) el cual requiere unos datos de entrada como son el número de ejes equivalentes, el rango de serviciabilidad, la confiabilidad y el modulo Resiliente de la capa a analizar; esta ecuación se relaciona a continuación:
Donde:
5.2. MÉTODO RACIONAL PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE
El método racional consiste en asumir unos espesores para cada una de las capas de la estructura del pavimento. A partir del módulo resiliente y los espesores asumidos, se caracterizan dichas capas. El módulo resiliente se obtiene mediante la siguiente relación:
Donde:
El método racional, al igual que el método de la AASHTO, se apoyan en modelos computacionales, para determinar las deformaciones de la estructura del pavimento ante las cargas de diseño. Para el método racional se usará el DEPAV y se compararán los resultados obtenidos, con las leyes de fatiga.

15
5.3. MÉTODO DE LA PORTLAND CEMENT ASSOCIATION (PCA)
El propósito de este método al igual que el de los anteriores es determinar los espesores mínimos de pavimento que permiten optimizar costos en una obra.
Este método consiste en una hoja de cálculo que reúne una serie de datos para el análisis de la estructura por fatiga y por erosión. El análisis de fatiga se basa en el cálculo de esfuerzos por caga en el borde de las losas y el análisis de erosión se basa en que la deflexión mas critica ocurre en la esquina de la losa.

16
6. MARCO TEÓRICO
6.1. ESTUDIOS GEOTECNICOS
Al evaluar un pavimento existente la exploración del suelo y los ensayos de laboratorio realizados a los distintos materiales utilizados en las capas del pavimento juegan un papel muy importante, debido a que éstos proporcionan información de gran valor a la hora de tomar decisiones con respecto al estado en que se encuentran los materiales de la estructura de pavimento.
Para la obtención de la información geotécnica básica de las propiedades del suelo, deben efectuarse ensayos de campo y laboratorio que determinen su distribución y propiedades físicas. Una investigación de suelos debe comprender:
 Determinación del perfil del suelo: La cual consiste en ejecutar perforaciones en el terreno, con el objeto de determinar la cantidad y extensión de los diferentes tipos del suelo, la forma como estos están dispuestos en capas y la determinación de aguas freáticas. Lógicamente, la ubicación, profundidad y número de perforaciones deben ser tales que permitan determinar toda variación importante de la calidad de los suelos.
 Toma de muestras de las diferentes capas de suelos: En cada perforación deberá tomarse muestras representativas de las diferentes capas encontradas. Las muestras pueden ser de dos tipos: Alteradas e inalteradas.
En vías se recomienda hacer sondeos con espaciamientos entre 350 y 600 m, teniendo en cuenta las semejanzas del material a partir de uno de los cortes presentes.
En general, las muestras obtenidas sirven para determinar las propiedades y clasificación del material extraído valiéndose de los siguientes ensayos:
 Humedad natural
 Granulometría
 Limites de consistencia.
 Humedad Natural
6.1.1. CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA
6.1.1.1. Tamaño de las partículas de suelos
Los tamaños de las partículas que conforman un suelo, varían en un amplio rango. Los suelos, en general, son llamados grava, arena, limo o arcillas, dependiendo del tamaño predominante de las partículas. La tabla 1 muestra los límites de tamaño de suelo

17
separado desarrollados por el Instituto tecnológico de Massachusetts y la Asociación de Funcionarios del Transporte y Carreteras Estatales (AASHTO).
Tabla 1. Límites de tamaño de suelos separados Nombre de la organización Tamaño del grano (mm) Grava Arena Limo Arcilla Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT)
>2
2 a 0.06
0.06 a 0.002
<0.002 Departamento de Agricultura de Estados Unidos (USDA)
>2
2 a 0.05
0.05 a 0.002
<0.002 Asociación Americana de Funcionarios del Transporte y Carreteras Estatales (AASHTO)
76.2 a 2
2 a 0.075
0.075 a 0.002
<0.002 Sistema unificado de clasificación de suelos (U.S. Army Corps of Engineers; U.S. Bureau of Reclamation; American Society for Testing and Materials)
76.2 a 4.75
4.75 a 0.075
Finos (limos y arcillas) <0.075
6.1.1.2. Curva de distribución granulométrica
Los resultados del análisis mecánico se presentan generalmente en graficas semilogaritmicas como curvas de distribución granulométrica. Los diámetros de las partículas se grafican en escala logarítmica y el porcentaje correspondiente de finos en escala aritmética.
Figura 1. Curvas de distribución del tamaño de partículas (curvas granulométricas)

18
6.1.1.3. Consistencia del suelo
Albert Mauritz Atterberg desarrollo un método para describir la consistencia de los suelos de grano fino con contenidos de agua variables a muy bajo contenido de agua, el suelo se comporta mas como un sólido frágil. Cuando el contenido de agua es muy alto, el suelo y el agua fluyen como un líquido. Por tanto, dependiendo del contenido de agua, la naturaleza del comportamiento del suelo se clasifica arbitrariamente en cuatro estados básicos, denominados sólidos, semisólido, plásticos y liquido.
 Limite liquido (LL): Se define como el contenido de agua de un suelo fino, para el cual su resistencia al corte es aproximadamente de 25 g/cm2
 Limite platico (PL): Se define como el contenido de agua, en porcentaje, con el cual el suelo, al ser enrollado en rollitos de 3.2 mm de diámetro, se desmorona. Es el límite inferior de la etapa plástica del suelo.
 Limite de contracción (SL): La masa de suelo se contrae conforme se pierde gradualmente el agua del suelo. Con una pérdida continua de agua, se alcanza una etapa de equilibrio en la que más pérdida de agua conducirá a que no haya cambio de volumen.
6.1.1.4. Clasificación del suelo
Los suelos con propiedades similares se clasifican en grupos y subgrupos basados en su comportamiento ingenieril. Los sistemas de clasificación proporcionan un lenguaje común para expresar en forma concisa las características generales de los suelos, que son infinitamente variadas sin una descripción detallada. Actualmente, dos sistemas de clasificación que usan la distribución por tamaño de grano y plasticidad de los suelos son usados comúnmente por los ingenieros de suelos. Estos son el sistema de clasificación AASHTO y el sistema unificado de clasificación de suelos. Los ingenieros geotécnicos usualmente prefieren el sistema unificado.
Sistema unificado de clasificación de suelos
La forma original de este sistema fue propuesto por Casagrande en 1942 para usar en la construcción de aeropuertos emprendida por el cuerpo de ingenieros del ejército durante la según guerra mundial. El sistema unificado de clasificación se presenta en las siguientes tablas; clasifica los suelos en dos amplias categorías:

19
1. Suelos de grano grueso, tipo grava o arenosos con menos del 50% pasando por la malla No. 200. Los símbolos de grupo comienzan con un prefijo G o S.G significa grava o suelo gravoso y S significa arena o suelo arenoso.
2. Suelos de grano fino, con el 50% o más pasando por la malla No. 200. Los símbolos de grupos comienzan con un prefijo M, que significa limo inorgánico, C para arcilla inorgánica u O para limos y arcillas orgánicos. El símbolo Pt se usa para turbas, lodos y otros suelos altamente orgánicos.
Otros símbolos son también usados para la clasificación:
 W: bien graduado
 P: mal gradado
 L: baja plasticidad (limite liquido menor que 50)
 H: alta plasticidad (limite liquido mayor que 50)
Tabla 2. Sistema unificado de Clasificación; símbolos de grupo para suelos arenosos

20
Tabla 3. Sistema unificado de Clasificación, símbolos de grupo para suelos limosos y arcillosos
Para la clasificación apropiada con este sistema, debe conocerse algo o todo de la información siguiente:
1. Porcentaje de grava, es decir, la fracción que pasa la malla de 76.2 mm y es retenido en la malla No. 4 (abertura de 4.75mm)
2. Porcentaje de arena, es decir, la fracción que pasa la malla No. 4 (abertura de 4.75mm) y es retenido en la malla, No. 200 (abertura de 0.075mm)
3. Porcentaje de limo y arcilla, es decir, la fracción de finos que pasan la malla No. 200 (abertura de 0.075 mm)
4. Coeficiente de uniformidad (Cu) y coeficiente de curvatura (Cz)
5. Limite líquido e índice de plasticidad de la porción de suelo que pasa la malla No. 40.
Los símbolos de grupo para suelos tipo grava de grano grueso son GW, GP, GM, GC, GC-GM, GW-GM, GW-GC, GP-GM, y GP-GC. Similarmente, los símbolos de grupos para suelos de grano fino son CL, ML, OL, CH, MH, OH, CL-ML y Pt.

21
Figura 2. Carta de plasticidad
6.2. PAVIMENTOS
Un pavimento está constituido por un conjunto de capas superpuestas, relativamente horizontales, que se diseñan y constituyen técnicamente con materiales apropiados y adecuadamente compactados. Estas estructuras estratificadas se apoyan sobre la subrasante de una vía obtenida por el movimiento de tierras en el proceso de exploración y que han de resistir adecuadamente los esfuerzos que las cargas repetidas del tránsito le transmiten durante el periodo para el cual fue diseñada la estructura del pavimento. Un pavimento debe cumplir adecuadamente sus funciones deben reunir los siguientes parámetros:
 Ser resistente a la acción de las cargas impuestas por el transito
 Ser resistente ante los agentes de intemperismo
 Presentar una textura superficial adaptada a las velocidades previstas de circulación de los vehículos, por cuanto ella tiene una decisiva influencia en la seguridad vial. Además debe ser resistente al desgaste producido por el efecto abrasivo de las llantas de los vehículos.

22
 Debe presentar una regularidad superficial, tanto transversal como longitudinal, que permitan una adecuada comodidad a los usuarios en función de las longitudes de onda de las deformaciones y de la velocidad de circulación.
 Debe ser durable
 Debe ser económico
 El ruido de rodadura, en el interior de los vehículos que afectan al usuario, así como en el exterior, que influyen en el entorno, deber ser adecuadamente moderado.
 Deber poseer el color adecuado para evitar reflejos y deslumbramiento y ofrecer una adecuada seguridad al tránsito.
6.2.1. CLASIFICACIÓN DE LOS PAVIMENTOS
En nuestro medio los pavimentos se clasifican en: pavimentos flexibles, semirrígido, rígidos y articulados.
Pavimentos flexibles: Este tipo de pavimentos están formados por una carpeta bituminosa apoyada generalmente sobre dos capas no rígidas, la base y la subbase. No obstante puede prescindirse de cualquiera de estas dependencias de las necesidades particulares de cada obra.
Figura 3. Estructura típica de un pavimento asfáltico (flexible)
Pavimento semirrígido: Aunque este tipo de pavimentos guarda básicamente la misma estructura de un pavimento flexible, una de sus capas se encuentra rigidizada artificialmente con un aditivo que puede ser: asfalto, emulsión, cemento, cal y químicos. El empleo de estos aditivos tiene la finalidad básica de corregir o modificar las propiedades mecánicas de los materiales locales que no son aptos para la construcción de las capas del pavimento, teniendo en cuenta que los adecuados se encuentran a distancias tales que encarecerían notablemente los costos de construcción.

23
Pavimento rígido: son aquellos que fundamentalmente están constituidos por una losa de concreto hidráulico, apoyada sobre la subrasante o sobre una capa, de material seleccionado, la cual se denomina subbase del pavimento rígido. Debido a la alta rigidez del concreto hidráulico así como de su elevado coeficiente de elasticidad, la distribución de los esfuerzos se produce en una zona muy amplia. Además como el concreto es capaz de resistir, en ciertos grados, esfuerzos a la tensión, el comportamiento de un pavimento rígido es suficientemente satisfactorio aun cuando existan zonas débiles en la subrasante. La capacidad estructural de un pavimento rígido depende de la resistencia de las losas y por lo tanto, el apoyo de las capas subyacentes ejerce poca influencia en el diseño del espesor del pavimento.
Figura 4. Estructura típica de un pavimento rígido
Pavimento articulado: los pavimentos articulados están compuestos por una capa de rodadura que está elaborada con bloques de concreto prefabricado, llamados adoquines, de espesor uniforme e iguales entre sí. Esta puede ir sobre una capa delgada de arena la cual, a su vez, se apoya sobre la capa de base granular o directamente sobre la subrasante, dependiendo de la calidad de esta y de la magnitud y frecuencia de las cargas por dicho pavimento.
Figura 5. Estructura típica de un pavimento articulado

24
Funciones de las capas de un pavimento flexible:
Subbase granular
 Capa de transición: la subbase bien diseñada impide la penetración de los materiales que constituyen la base con los de la subrasante y por otra parte, actúa como filtro de la base impidiendo que los finos de la subrasante la contaminen menoscabando su calidad.
 Disminución de la deformación: algunos cambios volumétricos de la capa subrasante, generalmente asociados a cambios en su contenido de agua (expansiones), o a cambios externos de temperatura, pueden absorberse con la capa subbase, impidiendo que dichas deformaciones se reflejen en la superficie de rodamiento.
 Resistencia: la subbase debe soportar los esfuerzos transmitidos por las cargas de los vehículos a través de las capas superiores y transmitidas a un nivel adecuado de la subrasante.
Base granular
 Resistencia: la función fundamental de la base granular de un pavimento consiste en proporcionar un elemento resistente que transmita a la subbase y a la subrasante los esfuerzos producidos por el transito en una intensidad apropiada.
Carpeta Asfáltica

25
 Superficie de rodadura: la carpeta debe proporcionar una superficie uniforme y estable al tránsito, de textura y color conveniente y resistir los efectos abrasivos del tránsito.
 Resistencia: su resistencia a la tensión complementa la capacidad estructural del pavimento.
 Impermeabilidad: hasta donde sea posible, debe impedir el paso del agua al interior del pavimento.
Funciones de las capas de un pavimento rígido.
Subbase
 La función más importante es impedir la acción del bombeo en las juntas, grietas y extremos del pavimento. Se entiende por bombeo a la fluencia de materiales fino con agua fuera de la estructura del pavimento, debido a la infiltración de agua por las juntas de las losas. El agua que penetra a través de las juntas licua el suelo fino de la subrasante facilitando así su evacuación a la superficie bajo la presión ejercida por las cargas circulantes a través de las losas.
 Servir como capa de transición y suministrar un apoyo uniforme, estable y permanente del pavimento.
 Facilitar los trabajos de pavimento
 Mejorar el drenaje y reducción por tanto al mínimo la acumulación de agua bajo el pavimento.
 Ayudar a controlar los cambios volumétricos de la subrasante y disminuir al mínimo la acción superficial de tales cambios volumétricos sobre el pavimento.
Losa de concreto
 Las funciones de la losa en el pavimento rígido son las mismas de la carpeta en el flexible, mas la función estructural de soportar y transmitir en nivel adecuado los esfuerzos que le apliquen.
Funciones de las capas de un pavimento articulado.
Base
 Es la capa colocada entre la subrasante y la capa de rodadura. Esta capa le da mayor espesor y capacidad estructural al pavimento. Puede estar compuesta por dos o más capas de material seleccionado.
 Capa de arena: es una capa de poco espesor, de arena gruesa y limpia que se coloca directamente sobre la base; sirve de asiento a los adoquines y como filtro para el agua que eventualmente pueda penetrar por las juntas entre estos.

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 Sellos de arena: está constituido por aren fina que se coloca como llenante de las juntas entre los adoquines; sirve como sello de las mismas y contribuyen al funcionamiento, como un todo, de los elementos de la capa de rodadura.
Factores a considerar en el diseño de pavimentos
 El transito: interesa para el dimensionamiento de los pavimentos las cargas más pesadas por ejes esperados en el carril de diseño solicitado, que determinara la estructura del pavimento de la carretera durante el periodo de diseño adoptado. La repetición de las cargas del tránsito y la consecuente acumulación de deformaciones sobre el pavimento son fundamentales para el cálculo. A demás, se deben tener en cuenta las máximas presiones de contacto, las solicitaciones tangenciales en tramos especiales, las velocidades de operación de los vehículos y la canalización del tránsito etc.
 La subrasante: de la calidad de esta capa depende en gran parte el espesor que deber tener un pavimento, sea este flexible o rígido. Como parámetro de evaluación de esta capa se emplea la capacidad de soporte o resistencia a la deformación por esfuerzo cortante bajo las cargas de transito. Es necesario tener en cuenta la sensibilidad del suelo a la humedad, tanto en lo que se refiere a la resistencia como a las eventuales variaciones de volumen de un suelo de subrasante de tipo expansivo pueden ocasionar graves daños en las estructuras que se apoyen sobre este, por esta razón cuando se construya un pavimento sobre este tipo de suelos deberá tomarse la precaución de impedir las variaciones de humedad del suelo para lo cual habrá que pensar en la impermeabilización de la estructura. Otra forma de enfrentar este tipo de suelo con algún aditivo, en nuestro medios los mejores resultados se han logrado mediante la estabilización de suelos con cal.
 El clima: los factores que en nuestro medio más afectan a un pavimento son las lluvias y los cambios de temperatura. Las lluvias por su acción directa en la elevación del nivel freático influyen en la resistencia, la compresibilidad y los cambios volumétricos de los suelos de subrasante especialmente. Este parámetro también influye en algunas actividades de construcción de capas granulares y asfálticas. Los cambios de temperatura en las losas de pavimentos rígidos ocasionan en éstas esfuerzos muy elevados, que en algunos casos pueden ser superiores a los generados por las cargas de los vehículos que circulan sobre ellas.
6.3. DISEÑO MARSHALL

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El concepto del método Marshall para diseño de mezclas de pavimentación fue formulado por Bruce Marshall, ingeniero de asfaltos del Departamento de Autopistas del estado de Mississippi. El cuerpo de ingenieros de Estados Unidos, a través de una extensiva investigación y estudios de correlación, mejoró y adicionó ciertos aspectos al procedimiento de prueba Marshall y desarrollo un criterio de diseño de mezclas.
El método original de Marshall, sólo es aplicable a mezclas asfálticas en caliente para pavimentación que contengan agregados con un tamaño máximo de 25 mm (1”) o menor.
El método modificado se desarrolló para tamaños máximo arriba de 38 mm (1.5”). Está pensado para diseño en laboratorio y control de campo de mezclas asfálticas en caliente con graduación densa. Debido a que la prueba de estabilidad es de naturaleza empírica, la importancia de los resultados en términos de estimar el comportamiento en campo se pierde cuando se realizan modificaciones a los procedimientos estándar. El método Marshall utiliza especímenes de prueba estándar de una altura de 64 mm (2 ½”) y 102 mm (4”) de diámetro. Se preparan mediante un procedimiento específico para calentar, mezclar y compactar mezclas de asfalto-agregado. (ASTM D1559). Los dos aspectos principales del método de diseño son, la densidad-análisis de vacíos y la prueba de estabilidad y flujo de los especímenes compactados. La estabilidad del espécimen de prueba es la máxima resistencia en N (lb) que un espécimen estándar desarrollará a 60ºC cuando es ensayado. El valor de flujo es el movimiento total o deformación, en unidades de 0.25 mm (1/100”) que ocurre en el espécimen entre estar sin carga y el punto máximo de carga durante la prueba de estabilidad.
6.4. DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS DE LA PORTLAND CEMENT ASOCIATION (PCA)
El procedimiento de diseño de la PCA está basado en información obtenida de diferentes fuentes, incluyendo investigaciones, desarrollos teóricos, ensayos de pavimentos a escala real, y el monitoreo de la performance de pavimentos en servicio. Un programa de investigación llevado a cabo por la Portland Cement Association correlacionó la información de diseño de estas fuentes obteniendo como resultado un procedimiento desarrollado únicamente para pavimentos suelo cemento.
Bases para el Procedimiento de Diseño de Espesores
Desde 1935 más de 140,000 km de pavimentos suelo-cemento han sido construidos en Norteamérica. La performance demostrada por estos pavimentos a través de los años provee una valiosa información para el diseño, para los niveles de espesor que fueron utilizados. La mayoría de estos pavimentos en servicio son de 15 cm de espesor. Este espesor ha probado ser satisfactorio para las condiciones de servicio de caminos

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secundarios, calles residenciales y pistas de aterrizaje de tráfico ligero. Algunos pavimentos de 10 cm y 12.5 cm han sido construidos y han dado un buen servicio bajo condiciones favorables de tráfico ligero y fuerte resistencia del suelo. Muchos kilómetros de pavimentos de 17.5 cm y 20 cm de espesor están en servicio en caminos principales y vías secundarias de alto tráfico. Pavimentos con suelo cemento con espesores de 22.5 cm o mas no son numerosos, aunque algunos proyectos de aeropuertos han sido construidos con espesores de hasta 40 cm. En carreteras interestatales en algunas áreas de tráfico comparativamente más bajos, un amplio rango de espesores de suelo cemento, de 10 a 30 cm, han sido incorporados en la estructura total de los pavimentos. Se ha obtenido también información valiosa de diseño de ensayos de caminos a escala real y de investigaciones de laboratorio conducidas por universidades, departamentos de carreteras, y por la Portland Cement Association.
Propiedades Estructurales Básicas
Las propiedades estructurales del suelo-cemento dependen del tipo de suelo, condiciones de curado, y edad. Los rangos típicos para una amplia variedad de tipos de suelo- cemento, a sus respectivos contenidos de cemento requeridos para durabilidad, son:
Tabla 4. Propiedades estructurales Básicas PROPIEDAD VALORES A 28 DÍAS Resistencia a la compresión, saturada
400 - 900 psi Módulo de ruptura
80 - 180 psi Módulo de elasticidad (módulo estático a la flexión)
600,000 - 2’000,000 psi
Relación de Poisson
0.12 – 0.14^1 Radio de curvatura crítico^2, en viga de 6 x 6 x 30 pulg
4,000 – 7,500 pulg.
6.5. TRANSITO.
6.5.1. CÁLCULO DEL TRÁNSITO DE ACUERDO AL MANUAL DE DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS PARA VÍAS CON BAJOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO (INVIAS)

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Para el dimensionamiento de los pavimentos interesan las cargas por eje esperadas en el carril de diseño, estas me determinarán la estructura del pavimento para el periodo de diseño adoptado. Es por esto que, probablemente, la variable mas importante en el diseño de un pavimento de una vía es el transito; éste se define como la determinación del número, tipo y peso de vehículos que transitan por determinada ella. Es necesario cuantificar la variable transito existente ya que ésta genera cargas y deformaciones sobre el pavimento.
El Instituto Nacional de Vías INVIAS ha designado la siguiente terminología para los vehículos que circulan en el país:
A: Vehículos livianos (automóviles)
B: Buses
C: Camiones
Además se ha clasificado el tipo de vehículos de acuerdo con el número y disposición de los ejes, como se muestra en la figura 6

30
FUENTE: Manual de diseño de pavimentos asfálticos para vías con bajos volúmenes de tránsito, INVIAS
6.5.1.1. Niveles de tránsito
El Instituto Nacional de Vías (INVIAS) en su manual de diseño de pavimentos asfálticos para vías con bajos volúmenes de tránsito clasifica el tránsito de diseño en dos niveles, en función del número de ejes equivalentes de 8.2 ton previstos durante el periodo de diseño en el carril. En la tabla 4 se indican las categorías adoptadas.

31
Tabla 5. Niveles de tránsito
FUENTE: Manual de diseño de pavimentos asfálticos para vías con bajos volúmenes de tránsito,
INVIAS
6.5.1.2. Componentes de tránsito
Para cuantificar adecuadamente los volúmenes de transito, se divide en:
Transito normal: Tránsito que circularía por la red si no se realizara el proyecto
Tránsito atraído: Tránsito que utilizará el proyecto, por las ventajas o beneficios
que ofrece.
Tránsito generado: Se origina por el proyecto debido a mejores condiciones de
oferta (tránsito nuevo por efecto del desarrollo del área de influencia).
6.5.1.3. Determinación del nivel de confianza en la proyección del tránsito
El proyectista deberá considerar en el cálculo del número de ejes equivalentes de 8.2 ton
para el diseño, el nivel de confiabilidad que considere pertinente.
En el caso en que existe serie histórica del tránsito, el modelo estadístico que se adopte,
a través de los errores estándar del modelo y de predicción para cada uno de los años del
periodo de diseño, considerara la confiabilidad indicada por el proyectista.
6.5.1.4. Conversión de vehículos a ejes equivalentes de 8.2 ton. Factores de daño
por tipo de vehículo
Los factores de daño se indican en la tabla 5, y serán los que se deberán aplicar para
calcular los ejes equivalentes de 8.2 ton.

32
6.5.1.5. Tránsito en el carril de diseño en función del ancho de la calzada. Factor direccional (Fd)
En la tabla 6 Se indica el factor direccional (Fd) por adoptar para el diseño según el ancho de la calzada.
Tabla 7. Tránsito por adoptar para el diseño según el ancho de la calzada
Factor Direccional (Fd)
6.5.1.6. Tránsito acumulado en ejes equivalentes de 8.2 ton, en el carril de diseño durante el periodo de diseño
6.5.1.6.1. Pronostico de la componente de tránsito normal
Cuando existe serie histórica de tránsito: Cuando en el tramo de vía analizado se encuentra una estación de conteo de tránsito, con información continua de por lo menos 5 años. El procedimiento para la determinación del tránsito normal se describe a continuación:
1. Identificación de la serie histórica del tránsito en la estación de conteo seleccionada
2. Conversión de la serie histórica del tránsito a ejes equivalentes de 8.2 ton
Donde:

33
3. Análisis estadístico de la serie histórica: se establecen los modelos de crecimiento factibles para las condiciones del estudio.
4. Selección del modelo factible de crecimiento de tránsito: se acepta o rechaza un modelo sobre la base de los resultados de los coeficientes estadísticos, del análisis de las variables independientes adoptadas y de consideraciones acerca de las particularidades del proyecto.
5. Estimación del tránsito proyectado para el periodo de diseño, en el carril de diseño y considerando un nivel de confianza predeterminado.
a. Cálculo del error estándar (σ) del modelo de crecimiento del tránsito seleccionado.
Donde:
b. Cálculo del error estándar en la predicción del tránsito, error de pronóstico ( año por año en el periodo de diseño
(
Donde:
(

34
c. Cálculo de los valores de corrección para el tránsito equivalente proyectado en cada uno de los años del periodo de diseño , con base en el nivel de confianza deseado. En la tabla 7 se muestran los valores de Zr para diferentes niveles de confianza
Tabla 8. Valores del parámetro Zr (suponiendo una distribución normal)
d. Cálculo del número de ejes equivalentes de 8.2 ton diarios, corregidos por confiabilidad, en cada uno de los años del periodo de diseño
Donde:
e. Cálculo del número de ejes equivalentes de 8.2 ton acumulados durante el periodo de diseño.

35
f. Cálculo del número de ejes equivalentes de 8.2 ton acumulados en el carril de diseño durante el periodo de diseño, por concepto de la componente normal del tránsito.
6.5.1.7. Pronóstico de la componente de tránsito atraído
Para iniciar la discusión de este tipo de análisis, se debe estar seguro que el proyecto vial si ocasionará cambios en el comportamiento de los usuarios. Entre los métodos para estimar el tránsito atraído, se cuentan los siguientes:
a. Estudio de origen y destino: Aplicación de un estudio de origen y destino que permita establecer los flujos entre pares origen-destino, flujos básicos, que en forma potencial, podrían utilizar el proyecto en el futuro.
b. Estudio de utilización del proyecto por usuarios potenciales: Se lleva a cabo a través de una encuesta a usuarios potenciales, en las que se indaga si harían uso o no del nuevo proyecto.
6.5.1.8. Pronóstico de la componente de tránsito generado
Crecimiento que se presenta por el incremento que se presenta por el incremento que en la producción agrícola, pecuaria, minera, industrial, comercial o turística que se genera en una zona por la construcción de una nueva carretera o el mejoramiento y/o pavimentación de una vía existente.
Cuando no se dispone de información detallada, se puede hacer uso de los factores relacionados en la tabla 8, obtenidos del seguimiento a proyectos de pavimentación en vías de bajo transito en el país.
Tabla 9. Porcentaje de tránsito generado como función del tránsito normal

36
6.5.2. CÁLCULO DEL TRÁNSITO DE ACUERDO AL MANUAL DE DISEÑO DE PAVIMENTOS DE CONCRETO PARA VÍAS CON BAJOS, MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO (INVIAS)
La determinación de la variable tránsito se puede hacer con diferentes grados de aproximación. Las más precisas parten del análisis de registros históricos de conteos y pesajes sobre la vía que se va a pavimentar. Los conteos permiten que se haga una proyección con la idea de que el tránsito pasado permite predecir el que pasará. Por su parte los menos precisos se hacen teniendo en cuenta el ancho y el tipo de la vía que se tiene, o con base en algunas consideraciones acerca del servicio que va a prestar la vía.
La clasificación vehicular se acoge a los lineamientos regulativos de la regulación 4100 de 2004, expedida por el Ministerio de Transporte. Los vehículos se clasifican así:
A: Automóviles, camperos, camionetas y microbuses
B: Busetas y buses
C: Vehículos de carga
Los vehículos de carga se designan de acuerdo a la configuración de sus ejes de la siguiente manera:
Con el primer dígito se designa el número de ejes del camión o del tracto camión
La letra S significa semirremolque y el dígito inmediato indica el número de sus ejes
La letra R significa remolque y el dígito inmediato indica el número de sus ejes
La letra B significa el remolque balanceado y el dígito inmediato indica el número de sus ejes
Figura 7. Representación esquemática de los vehículos de transporte de carga más comunes en el país

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FUENTE: Resolución 4100 de 2004
En la tabla 9 se registra la carga máxima admisible para los vehículos más comunes en el
país de acuerdo con la resolución 4100 de 2004, en la figura 8 se indica la carga máxima
para los ejes más frecuentes
Tabla 9. Máximo peso por eje para los vehículos de transporte de carga
Figura 8. Esquematización de los diferentes tipos de ejes y su carga máxima

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NOTA: Por ley, los vehículos deben cumplir simultáneamente con las condiciones de máxima carga vehicular y máximo peso por eje.
Los métodos de diseño de pavimentos recurren a establecer un eje patrón, debido a la gran cantidad de cargas que pueden circular por una vía. El caso más representativo (eje patrón) es una carga de 8.2 ton para el eje sencillo de llanta doble.
La relación que existe en el daño proporcionado al pavimento por el peso ejercido por una carga cualquiera y el eje patrón, se determina a partir del factor de equivalencia.
Donde:

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Tabla 10. Carga máxima admisible por vehículo
En la tabla 11 Se encuentran los valores de las cargas patrón y exponenciales para el
cálculo del factor de equivalencia, dependiendo del tipo de eje, para un índice de servicio
final de 2.5, aplicable para los pavimentos de concreto.
Tabla 11. Cargas patrón y exponenciales para el cálculo del Factor de equivalencia
FUENTE: Manual de diseño de pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes
de tránsito
6.5.2.1. Factor camión (Fc)
El factor camión se puede entender como el número de aplicaciones de ejes sencillos
cargados con 8.2 toneladas que es necesario que circulen por un pavimento para hacer el
mismo daño que un camión con una carga cualquiera. El factor camión equivale a la
sumatoria de los factores de equivalencia calculados para cada eje.
6.5.2.2. Cuantificación del tránsito en una vía
6.5.2.2.1. Tránsito promedio diario (TPD)

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El TPD se hace contando, durante un lapso establecido, todos los vehículos que pasan por una sección de la vía (todos los carriles y ambas direcciones), luego se saca un promedio diario que se conoce con el nombre de TPD. La información del TPD se refina estableciendo el porcentaje de vehículos clase A, B ó C.
6.5.2.2.2. Periodo de diseño y vida útil
Por las características funcionales de los pavimentos de concreto, se recomienda que el periodo de diseño sea igual o superior a 20 años. La vida útil es el número de años en que el pavimento está en condiciones de permitir la circulación de los vehículos en unas condiciones buenas de operación.
6.5.2.3. Clasificación de las vías
Tabla 12. Clasificación de las vías CRITERIO DE CLASIFICACIÓN CLASIFICACIÓN Según entidad territorial de que depende la vía Vías nacionales primarias (Vp) Vías departamentales secundarias (Vs) Carreteras municipales terciarias (Vt)
Se pueden considerar como las carreteras más importantes y hacen parte de la red primaria de vías
Hacen parte de la red secundaria. Unen municipios de uno o más departamentos
Pueden unir dos o mas municipios isn llegar a ser departamentales Por sus características Autopistas (AP) Carreteras multi carriles (MC) Carreteras de dos direcciones (CC)
Vías en las que no se interrumpe el tránsito. Los vehículos pueden circular en una dirección determinada, separados,
Vías divididas, con dos o más carriles por sentido, con control parcial o total de acceso y salida
Vías de dos carriles, uno por cada sentido de circulación, con intersecciones a nivel y accesos directos

41
por algún tipo de elemento físico de los vehículos que viajan en otra dirección, en dos o más carriles
desde sus márgenes. Según el ancho de la vía Estrechas (E) Medias (M) Anchas (A)
Ancho inferior a los 5m
Ancho que va de 5m a 6m
Pueden tener más de dos carriles y cada uno de ellos tienen más de 3.5m de ancho
6.5.2.4. Asignación del tránsito según las características y el ancho de la vía
En las carreteras de dos direcciones, la asignación del tránsito para el carril de diseño dependerá del ancho de la vía así:
Para vías estrechas: la totalidad del tránsito
Para vías de ancho medio: 75%
Para vías anchas: 50%
En la figura… se tiene un gráfico con el que se puede definir el porcentaje de vehículos que circulan en el carril de diseño en función del tránsito promedio diario anual, sin tener en cuenta los vehículos que tienen menos de 6 llantas.
6.5.2.5. Porcentaje de vehículos para el carril de diseño
Los factores de distribución vehicular por carril se establecen en la tabla 13
Tabla 13. Porcentaje de vehículos para el carril de diseño

42
Figura 9. Porcentaje de camiones en el carril de diseño
6.6. ENSAYO CALIFORNIA BEARING RATIO (CBR)
La finalidad de este ensayo, es determinar la capacidad de soporte de suelos y agregados
compactados en laboratorio, con una humedad óptima y niveles de compactación
variables. El ensayo mide la Resistencia al cortante (punzonamiento) de un suelo bajo
condiciones de humedad y densidad controladas, permitiendo obtener un % de relación
de soporte.
El ensayo más utilizado es el CBR, el cual representa la relación, en porcentaje, entre el
esfuerzo requerido para penetrar un pistón a cierta profundidad dentro del suelo ensayado
y el esfuerzo requerido para penetrar un pistón igual, a la misma profundidad, dentro de
una muestra patrón de piedra triturada.
La muestra patrón fue elegida y ensayada por O.J. Poter, en California, en 1929,
presentando los siguientes esfuerzos para diferentes profundidades de penetración del
pistón:
Tabla 14. Valores de esfuerzo en la muestra patrón

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Para cada muestra preparada se debe dibujar una grafica relacionando esfuerzo vs penetración del pistón y se calcula el valor de CBR para penetración de 0.1´´ (2.5mm) y 0.2´´ (5mm) con las siguientes expresiones
Los valores de índice de CBR oscilan entre 0 y 100. Cuando mayor es su valor, mejor es la capacidad portante del suelo. Valores por debajo de 6, deben descartarse
Tabla 15. Clasificación y usos del suelo de acuerdo a los valores de CBR CBR Clasificación cualitativa del suelo Uso 2-5
Muy mala
Sub-rasante 5-8
Mala
Sub-rasante 8-20
Regular-buena
Sub-rasante 20-30
Excelente
Sub-rasante 30-60
Buena
Sub-base 60-80
Buena
Base 80-100
Excelente
Base
6.7. MODULO RESILIENTE
El modulo resiliente se define, como aquel que relaciona las tensiones aplicadas y las deformaciones recuperables (AASHTO, 1993). Se introdujo el termino modulo resiliente como la relación que existe entre la magnitud del esfuerzo desviador cíclico en comprensión triaxial y la deformación axial recuperable (Rondon & Reyes 2007).
Matemáticamente la ecuación del modulo resiliente está dada por:
Donde:

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Sobre las capas del pavimento se producen deformaciones permanentes y recuperables o resilientes. Después de un cierto número de ciclos de carga, el material tiende a poseer casi en su totalidad deformaciones resilientes.
En la teoría elástica tradicional el modulo de elasticidad (E) y la relación de possion define las propiedades elásticas de un material. Para describir el comportamiento recuperable de un material sujeto a cargas cíclicas cargado en un aparato triaxial se utiliza . El modulo resiliente es no lineal y dependiente del esfuerzo
Factores que afectan el modulo resiliente
Como se ha observado en los estudios llevados a cabo sobre modulo resiliente, este parámetro no es una propiedad constante del pavimento, sino que depende de muchos factores.
 Factores que afectan el modulo resiliente en pavimentos asfalticos
Existen diversos factores que afectan al modulo resiliente del pavimento asfaltico. A continuación se muestra un resumen de estos factores:
 Nivel de esfuerzos
 Frecuencia de carga
 Contenido de betún
 Tipo de agregado
 Contenido de vacios
 Tipo y contenido de modificadores
 Tipo de prueba
 Temperatura 6.8. MODULO DE REACCIÓN DE LA SUBRASANTE  Ensayo de placa Modulo de reacción de subrasante , se define como:
Donde

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Los ensayos de placa de carga permiten determinar las características resistencia - deformación de un terreno. Consisten en colocar una placa sobre el suelo natural, aplicar una serie de cargas y medir las deformaciones. El resultado del ensayo se representa en un diagrama tensión deformación.
A partir de este ensayo se pueden obtener numerosos datos entre los que se destacan:
Obtención de la capacidad de carga del suelo para un asentamiento determinado
Determinación del modulo de reacción o coeficiente de balasto (K)
Determinación de las características de la curva carga contra deformación del suelo
Realización de estudios sobre la estabilidad de pavimentos o bases de caminos ya existentes.
La información proporcionada es posible usarla en la evaluación y diseño de pavimentos de tipo rígido o flexible de carreteras y aeropuertos y aplicarse tanto a suelos en estado natural como compactados.
6.9. MODULO DINÁMICO WITCZAK
Se determina con la ecuación predictiva de Witczak, la cual se basa en la frecuencia de aplicación de la carga, la composición volumétrica de la mezcla compactada, la viscosidad del ligante y la granulometría de los agregados
Donde:
La ecuación de Witczak también puede ser expresada en la forma de una curva maestra, como:

46
Conocida la viscosidad del ligante en cualquier instante ( ), el sistema determina el modulo dinámico de la mezcla para cualquier tiempo de aplicación de carga, tanto en la ecuación de la curva maestra, como en la ecuación de Witczak, utilizando un valor apropiado. Para ello, emplea una expresión obtenida en el “sistema de envejecimiento Global”
6.10. LEYES DE FATIGA
En el modelo tradicional de fatiga las fisuras se originan en la fibra inferior de la mezcla bituminosa (zona donde la tensión de tracción es mayor) y se propaga verticalmente hacia la superficie del pavimento.
Daño por fatiga significa que un estado de tensión provocado por una solicitación, muy alejada del valor de rotura, llega a producir por acumulación (es decir, por repetición de la solicitación un número muy elevado de veces) el agotamiento del material, agotamiento que se manifiesta por la fisuración del mismo.
Ensayos de laboratorio han verificado que la relación entre la deformación, ϵ1, (producida por la solicitación) y la duración o vida de la fatiga del material representada por el número N de veces que soporta la solicitación antes de romperse por fatiga. ϵ y N están ligadas por la expresión:
Donde N representa el número de ciclos de carga hasta la fatiga del material al nivel de deformación ϵ, que es la deformación unitaria de tracción (en micro deformaciones μ m/m) y k1 y k2 constantes que describen el comportamiento a fatiga del material.

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Numerosos estudios se han realizado para establecer que parámetros de la mezcla intervienen de manera significativa en la determinación de los valores de k1 y k2. Se ha comprobado que están principalmente afectados por:
El módulo de la Mezcla
El contenido de betún
La viscosidad del betún (medida por el Índice de Penetración, IP)
La granulometría y la naturaleza de los áridos
El contenido de aire (huecos en la mezcla)
La temperatura del pavimento
La acumulación de daño de fatiga D en cada punto a lo largo de la carretera debido al paso de los vehículos se estima mediante la aplicación de la ley de Miner de acumulación lineal del daño.
Donde es el número de ciclos al nivel de deformación ϵi, es el número de ciclos a rotura al nivel de deformación y es el número de niveles diferentes de deformación.
Métodos de estimación de leyes de fatiga
La determinación de la ley de fatiga de una mezcla bituminosa es una cuestión compleja que requiere muchos y costosos ensayos de laboratorio y calibraciones y calados posteriores del modelo in situ. Por ello se suele recurrir a los estudios genéricos realizados por laboratorios nacionales o por organizaciones con grandes recursos. Para el caso que nos ocupa se describen los dos métodos más conocidos aunque solo se aplica el método del Instituto del Asfalto para determinar las características de fatiga de la mezcla de Alto Módulo.
El método desarrollado por la SHELL.
La expresión simplificada que establece la SHELL para definir una ley de fatiga de una mezcla bituminosa es:
Donde es el porcentaje de betún en volumen y es el módulo de la mezcla en Mega
Pascales.
El método anterior permite estimar el comportamiento a fatiga de cualquier tipo de Mezcla bituminosa, incluidas las Mezclas de Alto Módulo.

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Mezcla convencional:
Mezcla alto modulo:
7. DESARROLLO PRÁCTICO

49
7.1. DESCRIPCION DE LA VIA
La vía Santander de Quilichao - Te de Villa Rica está ubicada dentro del perímetro rural del departamento del Valle del Cauca, forma parte de la vía que de Cali conduce al municipio de Santander de Quilichao.
Las vías primarias, arterias principales son corredores viales que garantizan la integración de las principales zonas de producción y consumo del país. Las secciones transversales de éstas, permiten los desplazamientos de altos volúmenes vehiculares.
Imagen 1. Ubicación vía de estudio
La vía objeto de estudio, es una vía arteria principal está compuesta por dos (2) carriles cada uno de 4 metros (m).
Te de Villa Rica
Santander de Quilichao

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7.2. ESTUDIO DE TRANSITO
Imagen 2. Vía Santander de Quilichao-Te de villa Rica
Para el diseño de pavimentos es importante tener en cuenta elementos, entre los que se cuentan como los más importantes: la capacidad de soporte del suelo, el tránsito que circulará sobre la estructura durante su periodo de diseño, las condiciones climáticas y los materiales con que será construida.
El tránsito es una de las variables más determinantes y/o importantes en el diseño de una estructura de pavimento o una vía, ya que las dimensiones de los vehículos influyen en el diseño geométrico, mientras que el número de ejes y peso de estos son factores determinantes para el diseño de la estructura.
7.2.1. TRÁNSITO PAVIMENTO FLEXIBLE
Estudio de volúmenes vehiculares
Como parte de los resultados generados del análisis de este estudio, se debe establecer el volumen de vehículos que se movilizan y su distribución por tipo de vehículo, con lo cual es posible determinar la carga que debe soportar la estructura de pavimento durante su periodo de diseño.
Te de Villa Rica
Santander de Quilichao

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El periodo de diseño de la estructura de pavimento depende tanto de la categoría de la
vía, como del rango de tránsito promedio diario (TPD) inicial de la misma. A continuación,
en la tabla 16 se muestran los valores de periodo de diseño recomendados por el Instituto
Nacional de Vías (INVIAS) para los pavimentos asfálticos.
Tabla 16. Periodo de diseño (en años) recomendado
La vía Santander de Quilichao – Te de Villa Rica, por ser una vía arteria principal, se
considera en la categoría I de la tabla anterior, por lo tanto, el periodo de diseño del
pavimento flexible toma como 20 años.
Variables medidas
Para el estudio de volúmenes vehiculares se hace mayor énfasis en la determinación de
la distribución vehicular típica de la zona y la estimación del volumen de vehículos
pesados, para lo cual se consideran los siguientes tipos:

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FUENTE: manual de diseño de pavimentos asfálticos para vías con bajos volúmenes de tránsito
Series históricas
En la tabla 17 se presenta la información existente entre los años 1997 y 2008 del Instituto Nacional de Vías (INVIAS), en la cual se presentan los datos de la información de la serie histórica y composición del tránsito promedio diario semanal (TPDS) de la estación 284, ubicada en la vía Santander de Quilichao – Te de Villa Rica. En la figura 11 se observa la localización de las estaciones de conteo.
Figura 11. Localización estaciones de conteo. Estación 284

53
FUENTE: instituto nacional de vías, volúmenes de tránsito
La tabla 17 muestra la información correspondiente al tránsito promedio diario semanal y el porcentaje de automóviles, buses y camiones entre los años 1997 y 2008, a partir de los cuales se puede determinar el porcentaje de crecimiento anual del tránsito y establecer mediante modelos matemáticos de regresión, el comportamiento del flujo vehicular en años futuros. Se presentan también, las gráficas 1, 2 y 3 Con las variación histórica del tránsito discriminadas por tipo de vehículo.
Tabla 17. Serie histórica y composición del tránsito promedio diario semanal (TPDS) de la vía Santander de Quilichao-Te de Villa Rica, estación 284 AÑO TPDS AUTOS BUSES CAMIONES % A % B % C 1997
5792
66
8
26 1998
7109
63
12
25 1999
6595
60
13
27 2000
6214
59
14
27

54
2001
5110
60
13
27 2002
5452
60
13
27 2003
6611
57
16
27 2004
5394
56
19
25 2005
7618
55
16
29 2006
9080
56
18
26 2007
9500
57
19
24 2008
8989
55
17
28
FUENTE: instituto nacional de vías, volúmenes de tránsito
Tabla 18. Camiones de conteo total semanal y distribución porcentual, año 2008 CATEGORÍA VEHÍCULO CANTIDAD PORCENTAJE C2-P
4079
22.96% C2-G
5271
29.67% C3 Y C4
3674
20.68% C5
2556
14.39% >C5
2186
12.30%
FUENTE: instituto nacional de vías, volúmenes de tránsito 2008
Grafico 1. Variación histórica de autos
Grafico 2. Variación histórica de buses
010002000300040005000600019961998200020022004200620082010 VOLUMEN AÑOVARIACIÓN HISTÓRICA DE AUTOS

55
Grafico 3. Variación histórica de camiones
La información obtenida de las gráficas anteriores sirve para establecer unos parámetros
iniciales que permiten evaluar el comportamiento de los volúmenes de tráfico sobre la vía
Santander de Quilichao – Te de Villa Rica; además, para la proyección de los volúmenes
y el cálculo de las cargas mediante el método de ejes equivalentes según las series
históricas.
Calculo ejes equivalentes
Se hace la conversión de la serie histórica del tránsito a ejes equivalentes de 8.2 (Ton). El
cálculo del número de ejes equivalentes de 8.2 (Ton) se realiza de la siguiente manera:
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010
VOLUMEN
AÑO
VARIACIÓN HISTÓRICA DE BUSES
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010
AÑO
VARIACIÓN HISTÓRICA DE CAMIONES

56
Donde:
Para determinar el factor direccional se toma como referencia el manual de diseño de pavimentos asfálticos para bajos volúmenes de tránsito del INVIAS, donde se apoyan en el ancho de calzada para determinar el (Fd) a utilizar.
Tabla 19. Factor direccional
Al tener la vía un ancho de calzada mayor a 6m, el factor de dirección adoptado para el cálculo del número de ejes equivalentes a 8.2 Ton es de 0.5.
El factor carril se determina basado en la tabla 20 de la guía metodológica para el diseño de obras de rehabilitación de pavimentos asfálticos de carreteras, basado en el número de carriles que presenta la vía.
Tabla 20. Factor carril para vías con diferentes números de carriles.
Al tener la vía un carril por sentido, el factor carril adoptado para el cálculo del número de ejes equivalentes a 8.2 Ton es de 1.0.

57
Los vehículos por su variedad en tamaño y configuración de ejes, generan diferentes
efectos sobre la estructura del pavimento. Por esto, establecemos la proporción como
factor del daño provocado por cada tipo de vehículo sobre la estructura.
NOTA: Los valores que se toman del factor daño, corresponden a los valores
consignados en la tabla anterior para cada vehículo cargado.
Tabla 22. Valores de tránsito equivalente diario
En la tabla 22 Se resumen los valores de tránsito equivalente en ejes simples de 8.2
toneladas calculados para cada año de la serie histórica.
En la gráfica 4 se observa un análisis de regresión realizado a los datos de la tabla 22,
con el fin de determinar el modelo que mejor se ajuste al comportamiento de los datos de
tránsito equivalente observado.
AÑO
Año Relativo
(año-1996)
N 8.2 Ton (Diario
observado) Yi
1997 1 5212.637129
1998 2 6458.060861
1999 3 6473.05357
2000 4 6161.238542
2001 5 5015.512319
2002 6 5351.188486
2003 7 6687.087718
2004 8 5277.675693
2005 9 8186.181064
2006 10 9079.74467
2007 11 8995.52264
2008 12 9465.836247

58
Grafico 4. Modelos de regresión
El modelo lineal es el que mejor representa el comportamiento de los datos, por lo tanto, dicho modelo es el que se toma en cuenta para analizar el crecimiento del tránsito. La ecuación para tal comportamiento se presenta a continuación:
Donde:
Se debe además, estimar la proyección del tránsito para el periodo de diseño, en el carril de diseño y con un nivel de confianza determinado. Para esto, es necesario seguir una serie de pasos que se describen a continuación:
 Cálculo del error estándar (σ) del modelo de crecimiento del tránsito. Esto se calcula mediante la siguiente ecuación:
y = 350.06x + 4588.3R² = 0.5888y = 4899.5e0.0479xR² = 0.5453010002000300040005000600070008000900010000012345678910111213 Ejes equivalentes de 8.2 Ton/dia/ambas direcciones Ano Relativo (Año-1996) SERIE HISTORICA DE TRÁNSITO

59
Donde:
En la tabla 23 Se presentan los resultados del cálculo del número de ejes equivalentes,
para determinar el error estándar para cada uno de los años de la serie histórica.
Tabla 23. Valores de tránsito equivalente diario calculado
Con los datos anteriores procedemos a calcular el error estándar (σ), como sigue:
El valor estándar del modelo corresponde entonces a 1106.31.
Procedemos a calcular el error estándar en la predicción del tránsito año por año en el
periodo de diseño; o error de pronóstico (
AÑO
Año Relativo
(año-1996)
N 8.2 Ton (Diario
observado) Yi
N 8.2 Ton (Diario
Calculado) Yi modelo
(Yi - Yi modelo)^2
1997 1 5212.637129 4938.36 75227.94347
1998 2 6458.060861 5288.42 1368059.743
1999 3 6473.05357 5638.48 696513.0432
2000 4 6161.238542 5988.54 29824.78628
2001 5 5015.512319 6338.6 1750561.013
2002 6 5351.188486 6688.66 1788830.052
2003 7 6687.087718 7038.72 123645.2618
2004 8 5277.675693 7388.78 4456761.395
2005 9 8186.181064 7738.84 200114.0279
2006 10 9079.74467 8088.9 981773.1609
2007 11 8995.52264 8438.96 309761.9722
2008 12 9465.836247 8789.02 458080.2321
Σ 12239152.63
σ 1106.307038

60
En las tablas 24 y 25 se presenta el resumen de resultados de los cálculos realizados.
Tabla 24. Cálculo de la sumatoria de las diferencias al cuadrado de cada año de la serie
histórica y el año medio de dicha serie histórica
AÑO (Xi - X)^2
1997 36
1998 25
1999 16
2000 9
2001 4
2002 1
2003 0
2004 1
2005 4
2006 9
2007 16
2008 25
Σ 146
AÑO σ (pronostico)
2013 1013.023505
2014 1100.291875
2015 1188.20611
2016 1276.632787
2017 1365.472353
2018 1454.649162
2019 1544.104784
2020 1633.793423
2021 1723.678703
2022 1813.731391
2023 1903.927732
2024 1994.248235
2025 2084.676761
2026 2175.199838
2027 2265.806134
2028 2356.486049
2029 2447.2314
2030 2538.035168
2031 2628.891299
2032 2719.794546

61
El tránsito proyectado en cada uno de los años del periodo de diseño debe corregirse con
base en el nivel de confianza deseado. El nivel de confianza para la vía objeto de estudio,
se considera apropiado del noventa por ciento (90%).

62
Año Cj ejes de 8.2 ton/dia/ambas direcciones20131298.69613320141410.57418320151523.28023320161636.64323320171750.53555720181864.86022620191979.54233320202094.52316820212209.75609820222325.20364420232440.83535320242556.62623720252672.55560820262788.60619320272904.76346420283021.01511520293137.35065420303253.76108520313370.23864520323486.776608

63
De acuerdo al modelo de regresión seleccionado anteriormente, y para una confiabilidad
de 90%, la tendencia seguida por el transito equivalente diario durante el periodo de
diseño se puede observar en la siguiente gráfica.
Año
(N'j) ejes de 8.2
Ton/dia/ambas
direcciones
2013 11838.01613
2014 12299.95418
2015 12762.72023
2016 13226.14323
2017 13690.09556
2018 14154.48023
2019 14619.22233
2020 15084.26317
2021 15549.5561
2022 16015.06364
2023 16480.75535
2024 16946.60624
2025 17412.59561
2026 17878.70619
2027 18344.92346
2028 18811.23511
2029 19277.63065
2030 19744.10108
2031 20210.63865
2032 20677.23661
Σ 325023.9438
0
5000
10000
15000
20000
25000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38
Ejes equivalentes de 8.2 Ton/dia/ambas direcciones
Ano Relativo (Año-1996)
SERIE HISTORICA DE TRÁNSITO
Proyección con
confiabilidad de 90%
Periodo
de diseño
Periodo
de conteo

64
El cálculo del número de ejes equivalentes de 8.2 ton acumulados en el carril de diseño,
durante el periodo de diseño, se calculan mediante la siguiente expresión
7.2.2. TRÁNSITO PAVIMENTO RÍGIDO
En el diseño del pavimento rígido no se tienen en cuenta las mismas consideraciones que
en el diseño de pavimentos flexibles
Tabla 29. Datos históricos de tránsito (estación 284)
En la gráfica 6 se muestra la regresión lineal de la serie histórica, que es la que mejor se
ajusta a un comportamiento uniforme del tránsito promedio diario semanal (TPDS).
N 8.2 ton carril de
diseño normal
59316869.74
AÑO
Año Relativo
(año-1996)
TPDS (Yi)
1997 1 5792
1998 2 7109
1999 3 6595
2000 4 6214
2001 5 5110
2002 6 5452
2003 7 6611
2004 8 5394
2005 9 7618
2006 10 9080
2007 11 9500
2008 12 8989

65
Gráfica 6. Regresión lineal de la serie histórica del tránsito
En la gráfica 6 Se observa que el valor de R2 no es cercano a 1, por lo tanto,
descartamos datos atípicos, dichos datos corresponden a los años 2001, 2002 y 2004.
Así, tenemos que:
Tabla 30. Corrección de datos históricos
La gráfica que resulta se muestra a continuación
y = 290.6x + 5066.4
R² = 0.4673
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
0 2 4 6 8 10 12 14
TPDS (Yi)
AÑO RELATIVO (Año-1996)
SERIE HISTÓRICA DE TRÁNSITO
AÑO
Año Relativo
(año-1996)
TPDS (Yi)
1997 1 5792
1998 2 7109
1999 3 6595
2000 4 6214
2003 7 6611
2005 9 7618
2006 10 9080
2007 11 9500
2008 12 8989

66
Grafica 7. Regresión lineal de la serie histórica de tránsito corregida
El crecimiento del tránsito se analiza entonces, por medio de la ecuación que se presenta a continuación:
Donde:
De la ecuación anterior obtenemos los siguientes datos: En la tabla 31 Se presentan los resultados de los cálculos realizados, para determinar el error estándar para cada uno de los años de la serie histórica.
Tabla 31. Tránsito promedio Diario Semanal (TPDS) Calculado
y = 290.15x + 5598.8R² = 0.772701000200030004000500060007000800090001000002468101214 TPDS (Yi) AÑO RELATIVO (Año-1996) SERIE HISTÓRICA DE TRÁNSITO

67
Con los datos anteriores procedemos a calcular el error estándar (σ), como sigue:
El valor estándar del modelo corresponde entonces a 699.39.
Procedemos a calcular el error estándar en la predicción del tránsito año por año en el
periodo de diseño; o error de pronóstico (
En las tablas 32 y 33 se presenta el resumen de resultados de los cálculos realizados.
Tabla 32. Cálculo de la sumatoria de las diferencias al cuadrado de cada año de la serie
histórica y el año medio de dicha serie histórica
AÑO
Año Relativo
(año-1996)
TPDS (Yi) TPDS (Yi modelado) (Yi - Yi modelado)`^2
1997 1 5792 5888.95 9399.3025
1998 2 7109 6179.1 864714.01
1999 3 6595 6469.25 15813.0625
2000 4 6214 6759.4 297461.16
2003 7 6611 7629.85 1038055.323
2005 9 7618 8210.15 350641.6225
2006 10 9080 8500.3 336052.09
2007 11 9500 8790.45 503461.2025
2008 12 8989 9080.6 8390.56
Σ 3423988.333
σ 699.3862955

68
AÑO(Xi - X)^219973619982519991620009200302005420069200716200825Σ140

69
El tránsito proyectado en cada uno de los años del periodo de diseño debe corregirse con base en el nivel de confianza deseado. El nivel de confianza para la vía objeto de estudio, se considera apropiado del noventa por ciento (90%).
AÑOσ (pronostico) 2013659.91083912014715.51320912015771.63703942016828.17632192017885.05143972018942.20157772019999.579564820201057.14830120211114.87823920221172.74557120231230.73091820241288.81835120251346.99466420261405.24881620271463.57151520281521.95487920291580.39218620301638.87766420311697.40633520321755.9738820331814.57653420341873.21100320351931.87438920361990.56413620372049.2779820382108.01390520392166.77011820402225.54501120412284.33714220422343.145213

70

71
Año TPDS Cj dia/ambas direcciones2013846.00569572014917.28793412015989.238684520161061.72204520171134.63594620181207.90242320191281.46100220201355.26412220211429.27390220221503.45982220231577.79703720241652.26512620251726.84715920261801.52898320271876.29868220281951.14615520292026.06278220302101.04116620312176.07492220322251.15851420332326.28711720342401.45650620352476.66296720362551.90322320372627.1743720382702.47382720392777.79929120402853.14870420412928.52021620423003.912163

72
De acuerdo al modelo de regresión seleccionado anteriormente, y para una confiabilidad de 90%, la tendencia seguida por el transito equivalente diario durante el periodo de diseño se puede observar en la siguiente gráfica
Año TPDS (N'j) dia/ambas direcciones201311377.3557201411738.78793201512100.88868201612463.52204201712826.58595201813190.00242201913553.711202013917.66412202114281.8239202214646.15982202315010.64704202415375.26513202515739.99716202616104.82898202716469.74868202816834.74616202917199.81278203017564.94117203117930.12492203218295.35851203318660.63712203419025.95651203519391.31297203619756.70322203720122.12437203820487.57383203920853.04929204021218.5487204121584.07022204221949.61216

73
El cálculo del número de ejes equivalentes de 8.2 ton acumulados en el carril de diseño,
durante el periodo de diseño, se calculan mediante la siguiente expresión
Conocido lo anterior, se debe establecer el número de pasadas por cada tipo de vehículo,
como se muestra en la tabla 37.
Tabla 37. Número de repeticiones de carga
Con los datos de tránsito calculado, se puede proceder al diseño del pavimento rígido y
flexible por cada uno de los métodos.
0
5000
10000
15000
20000
25000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849
Ejes equivalentes de 8.2 Ton/dia/ambas direcciones
Ano Relativo (Año-1996)
SERIE HISTORICA DE TRÁNSITO
Proyección con
confiabilidad de 90%
Periodo de
diseño
Periodo de
conteo
TPA carril de diseño normal 91190059.79
Eje simple - rueda
simple (6 ton)
Eje simple - rueda
doble (11 ton)
Eje tandem - rueda
doble (22 ton)
Eje tridem -
rueda doble
(24 ton)
Repeticiones de Carga 144408578.7 63495638.63 62054835.69 11216377.35

74
7.3. EVALUACIÓN DE SUELOS
El factor más importante en la determinación de los espesores de diseño del pavimento, es la respuesta del suelo de subrasante ante las cargas del tránsito. De la calidad que tenga ésta capa dependerán, en gran parte, los espesores sean de un pavimento rígido o flexible.
Del estudio geotécnico se determinan las características físico mecánicas de la subrasante, y se determinan la capacidad de soporte o resistencia a la deformación por esfuerzo cortante bajo las cargas del tránsito. Se determina, además, el perfil del suelo mediante perforaciones o excavaciones (apiques) que permiten identificar los estratos y calcular sus propiedades: Límites de Atterberg, CBR inalterado y Penetrómetro dinámico de cono (PDC).
La subrasante es la capa más importante para el diseño de una estructura de pavimentos, ya que es esta la que va a dar soporte a la estructura.
7.3.1. MAGNITUD DEL ESTUDIO
7.3.1.1. TRABAJO DE CAMPO
Con el fin de conocer el perfil estratigráfico de la vía, y sectorizarla en tramos homogéneos, se realizaron 21 apiques de forma tal que permitieran la recolección de datos representativos. Se realiza el registro de los espesores de las diferentes capas, y la toma de muestras de la subrasante, con el fin de determinar las características de la misma.
7.3.1.2. CARACTERÍSTICAS DE LOS SONDEOS
A continuación se presenta el análisis de los resultados obtenidos de cada uno de los apiques, mediante los ensayos de laboratorio y el perfil estratigráfico.
Apique 1:
Se realizó un sondeo a una profundidad comprendida entre 0.0m y 0.70m, la estratificación obtenida de este sondeo fue:
 Carpeta asfáltica con espesor de 0.10m
 Base granular triturada, grava limo arenosa no plástica con espesor de 0.20m
 Grava areno limosa con sobre tamaño >3”, con espesor de 0.40m

75
Apique 2:
El sondeo se realizó a una profundidad comprendida entre los 0.0m y los 1.5m. La estratificación obtenida corresponde a:
 Relleno limo arenoso contaminado, de espesor 0.10m
 Grava limo arenosa de espesor 0.30m
 Material de relleno limo de espesor 0.25m
 Limo de espesor 0.85m
Apique 3:
Sondeo realizado a una profundidad comprendida entre 0.0m y 1.0m, la estratificación obtenida de este sondeo corresponde a:
 Capa de relleno con descapote, espesor 0.10m
 Base triturada, grava limo arenosa de espesor 0.20m
 Grava areno limosa de espesor 0.70m
Apique 4:
Sondeo realizado a una profundidad entre 0.0m y 1.40m, la estratificación obtenida se describe a continuación:
 Capa de descapote, espesor 0.10m
 Grava triturada limo arenosa, espesor 0.15m
 Grava limosa (material de río), espesor 0.35m
 Grava limo arenosa, espesor 0.8m
Apique 5:
Este sondeo se realizó a una profundidad comprendida entre 0.0m y 1.0m, la estratificación obtenida se muestra a continuación:
 Base granular triturada areno limosa, espesor 0.30m
Apique 6:
Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.60m, a continuación se describe la estratificación obtenida:
 Base granular triturada limo arenosa, espesor 0.30m
 Grava areno limosa, espesor 0.30m
 Limo, espesor 0.50m

76
Apique 7:
 Carpeta asfáltica, espesor 0.10m
 Grava triturada areno limosa, espesor 0.20m
Apique 8:
 Material orgánico con escombros, espesor 0.20m
 Base granular triturada areno limosa, espesor 0.20m
 Limo arenosa, espesor 1.0m
Apique 9:
 Capa de relleno, espesor 0.10m
 Grava areno limosa con sobre tamaño, espesor 0.70m
Apique 10:
 Capa de relleno, espesor 0.15m
Apique 11:
 Descapote, espesor 0.15m

77
Apique 12:
 Limo orgánico contaminado, espesor 0.20m
 Grava areno limosa (de río), espesor 0.40m
 Material meteorizado grava areno limosa, espesor 0.40m
Apique 13:
 Grava limo arenosa (triturada), espesor 0.30m
Apique 14:
 Grava areno limosa triturada, espesor 0.25m
 Grava limo arenosa de río, espesor 0.35m
 Material meteorizado grava limo arenosa, espesor 0.20m
Apique 15:
 Descapote orgánico, espesor 0.15m
 Arcilla, espesor 0.6m
Apique 16:

78
 Descapote orgánico, espesor 0.15m
 Grava areno limosa meteorizada, espesor 0.60m
Apique 17:
 Material orgánico, espesor 0.10m
Apique 18:
Apique 19:
 Grava de río areno limosa, espesor 0.90m
Apique 20:
 Orgánico con gravilla, espesor 0.10m
 Grava arcilla arenosa meteorizada, espesor 0.60m
 Grava arcilla arenosa, espesor 0.30m
Apique 21:

79
 Orgánico, espesor 0.05m
7.3.1.3. PERFIL ESTRATIGRÁFICO
El perfil estratigráfico se hace con el fin de observar los cambios de estratos y suelos presentes a lo largo de toda la vía.
El perfil se presenta a continuación:
Figura 12. Perfil estratigráfico

80
Carpeta asfálticaCapa de relleno limo arenoso contaminado de baja plasticidadCapa de relleno con descapoteCapa de descapoteMaterial orgánico con escombrosOrgánico con gravillaGrava arcilla arenosa de mediana plasticidad, meteorizada color rojizo con vetas rojas, blancas, negras y amarillas, humedad baja, compacidad compactaArcilla de alta plasticidad color negro con vetas rojas, amarillas y grises, humedad menor al límite plástico, consistencia mediaGrava areno limoso sin plasticidad color negro, humedad baja, compacidad media a compactaLimo de alta plasticidad de color café con vetas negras, humedad natural menor al límite plástico, consistencia mediaArcilla de mediana plasticidad, color negro, humedad cercana al límite plástico consistencia firmeGrava areno limosa sin olasticidad meteorizado color rojo con vetas rojas, negras, amarillas y blancas, humedad mayor al límite plástico, compacidad compactaArcilla de mediana plasticidad color café oscuro con vetas amarillas, negras y oxidación, humedad menor al límite plástico, consistencia mediaLimo de baja plasticidad con arenas y gravas color café amarilloso, con trazas negras y rojas, humedad mayor al límite Limo de alta plasticidad color café amarilloso con trazas negras, grises y rojas, humedad natural cercana al límite plástico, Material meteorizado arena limosa con gravas sin plasticidad, color con trazas rojas, negras, grises y amarillas, humedad baja, compacidad compactaLimo de mediana plasticidad con gravas y arenas de color rojizo con vetas negras, humedad natural menor al límite plástico, Capa de base triturada grava limo arenosa, sin plasticidad, color gris, humedad baja, compacidad compactaGrava limo arenosa de color meteorizado, color café con vetas amarillas, sin plasticidad, compacidad compactaArcilla de alta plasticidad, color negro, humedad cercana al límite plástico, consistencia mediaArena limosa con gravas trituradas, sin plasticidad color gris, compacidad compactaBase granular triturada grava limo arenosa, sin plasticidad, humedad baja, compacidad compactaGrava areno limosa de color café con sobre tamaño >3" humedad baja, compacidad compactaMaterial de gravas limo arenoso, color café sin plasticidad. Humedad media a alta, compacidad media a compactaMaterial de relleno limo de alta plasticidad, con arenas y gravas color rojizo amarillo, humedad menor al límite plástico, CONVENCIONES

81
7.4. CARACTERIZACIÓN ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO
El buen diseño de la estructura debe garantiza el funcionamiento de la vía, para su diseño se consideran cargas dinámicas estimadas para un periodo de diseño, el cual está relacionado con el nivel de transito, para esto es necesario determinar las características mecánicas de los materiales que cumplan con los parámetros especificados en la parte estructural como funcional ya que debe garantizar al usuario parámetros físicos relacionados con el diseño geométrico y el índice de servicio necesario para su confort y seguridad.
7.4.1. SUBRASANTE
De acuerdo al valor obtenido del CBR se tiene una estructura de soporte apta para la estructura de pavimento, para el cálculo del modulo resiliente de esta capa se calcula según el manual de bajos volúmenes de transito INVIAS, tabla 4.4 bajos se debe hacer una corrección del CBR, ya que se presenta un valor muy pequeño.
Se toma un valor de acuerdo a la tabla 38
Tabla 38. Categorias de subrasante
Se toma un comportamiento de bueno para la subrasante, obteniendo una categoría de S3 y un valor de 7%
Donde

82
7.4.2. SUB-BASE
Para trabajar el material de la subbase es necesario tomar un CRB de acuerdo a las especificaciones del INVIAS el cual establece, un mínimo de 30%.
En nomograma de la AASHTO se entra con el valor escogido del CBR para este caso un CBR: 50% y con este se determina el modulo resiliente del material
Figura 13. Nomograma para calcular coeficiente estructurar de la sub-base granular

83
Para un valor de CBR de 50% en el nomograma se obtiene el valor de y un modulo resiliente
7.4.3. BASE
Para la caracterización el material debe cumplir con las especificaciones de la norma INVIAS; que exige un CBR minimo de 80% el cual debe ser analizado en el nomograma de la ASSHTO y de esta manera obtener el coeficiente a2y modulo resiliente del material.
Para este caso se toma un CBR: 80%
Figura 14. Nomograma para calcular coeficiente estructurar de la base granular
Del nomograma se obtiene un a2: 0.134 y un modulo resiliente (MR):28400Psi

84
7.4.4. CARPETA ASFÁLTICA
De la caracterización dinámica se tomaron los siguientes datos:
T800=53 grados
Penetración a 25 grados= 64 0.1mm
Figura 15. Índice de penetración nomogramas Van Der Poel
 Temperatura de mezclado
Es necesario hallar la temperatura de la mezcla, la cual se obtiene del grafico entrando con los siguientes datos.

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Figura 16. Temperatura de mezcla
De la grafica se obtuvo la temperatura de la mezcla que es T: 38°C
Módulo de rigidez del asfalto

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Figura 17. Nomograma para el cálculo del modulo de rigidez del asfalto
En el nomograma de Van Der Poel se determina un módulo de rigidez del asfalto
Módulo de rigidez de la mezcla asfáltica
 % Vol. asfalto 13.8.
 % Volumen de agregados (Vg): 95.10


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Figura 18. Nomograma para el cálculo del modulo de rigidez de la carpeta asfáltica
Coeficiente estructural a1 para capas de concreto asfaltico:
Se halla el coeficiente estructural a1 en función del Módulo Resiliente del concreto asfaltico

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