ESTUDIO Y DISEÑO DE LA ESTRUCTURA VÍA CHAGUAR by GAD SAN ANTONIO DE PICHINCHA

LABSCOTEST LABORATORIO DE MECร NICA DE SUELOS RESISTENCIA DE MATERIALES

Proyecto:

ESTUDIO Y DISEร O VIAL CALLES CHAGUAR Y CALLE LAS MONJAS

1373 DISEร O DE PAVIMENTOS CALLE CHAGUAR Y LAS MONJAS

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MARZO 2016

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INGENIERÍA

Código No.:

1373 DPF ESTUDIO Y DISEÑO VIAL CALLES CHAGUAR Y CALLE LAS MONJAS

Revisión:

Página No.:

INFORME DE CALCULO DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLE ESTUDIO Y DISEÑO VIAL CALLES CHAGUAR Y CALLE LAS MONJAS

ÍNDICE

GENERALIDADES................................................................................................................... 3

ALCANCE DEL DISEÑO DE PAVIMENTOS.............................................................................4

DESCRIPCIÓN DE LA ZONA DE ESTUDIO.............................................................................5

TRABAJOS DE CAMPO Y LABORATORIO.............................................................................6

MÉTODO DE DISEÑO............................................................................................................8

TRÁFICO PROMEDIO DIARIO ANUAL (TPDA)...................................................................9

CONFIABILIDAD EN EL DISEÑO (R)....................................................................................11

VARIACIÓN PERMISIBLE EN LA RELACIÓN SERVICIO - CAPACIDAD (PSI)..................12

CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL DE LA SUB-RASANTE Y DEFINICIÓN DE LA UNIDAD DE DISEÑO..................................................................................................................... 13

10 DETERMINACIÓN DEL NÚMERO ESTRUCTURAL (SN) EN CADA UNIDAD DE DISEÑO REQUERIDO................................................................................................................... 14 11 MATERIALES Y MEZCLAS PARA LAS CAPAS DE LA ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO..........15 12 ALTERNATIVAS DE DISEÑO.................................................................................................21 13 ESPESORES DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO RECOMENDADO...................................25 14 CONCLUSIONES ALTERNATIVA FINAL A SER SELECCIONADA.........................................25 15 BIBLIOGRAFÍA................................................................................................................... 27

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GENERALIDADES

La JUNTA PARROQUIAL DE GADSA, GOBIERNO AUTÓNOMO DESCENTRALIZADO DE SAN ANTONIO, tiene a su cargo el proyecto de ESTUDIO Y DISEÑO VIAL DE LAS CALLES CHAGUAR Y LAS MONJAS, en el cual contempla el estudio del eje vial comprendido entre las abscisas 0+000 A 0+329.33 calle CHAGUAR y 0+198.93 calle Monjas, ubicada en la ciudad de San Antonio de Pichincha.

La ubicación de la población de San Antonio se encuentra en el cantón Quito, en la Provincia de Pichincha.

El proyecto plantea que la vía existente en su estado actual a ser regeneradas con la colocación de un pavimento multicapa flexible, generando un grupo de

capas que permitan la circulación segura

de vehículos, que implique

además que el diseño de drenaje evite la inundación y daños, así mismo se requiere un sello que preserve el pavimento multicapa y, que permita la circulación de vehículos motorizados, en un estado todo tiempo y permanente.

ALCANCE DEL DISEÑO DE PAVIMENTOS

El objetivo de este informe tiene el propósito de determinar las propiedades físico - mecánicas del terreno de fundación, evaluar las condiciones de la vía existente y el tramo a ser construido, definir y diseñar el pavimento requerido para los ejes viales de LAS CALLES CHAGUAR Y LAS MONJAS. Analizar las variables de diseño y materiales de construcción para definir la estructura de pavimento para la Rehabilitación, apertura y mejoramiento de la Carretera.

No se cuentan con datos de valores de TPDA (Trafico Promedio Diario Anual), proyectados, ya que la circulación vehicular no ha sido contabilizada, de tal forma que se trabajaran los cálculos en función de los tráficos similares observados en zona de similares características asumiendo valores de tráfico de un estudio similar en el sector de Rumicucho.

Considerar la inclusión de la estructura de un pavimento multicapa flexible en el tramo, en donde se proyecta mejorar las vías. Por lo que se hace necesario realizar el estudio de mecánica de suelos para conocer la disposición de estratos y determinar la profundidad de una capa de suelo portante y su respuesta ante la solicitación de trafico asumido en función de peso y volumen, tráfico continuo en condiciones todo tiempo, por lo que se propone la creación de una vía de circulación doble con un uso de 80% de factor de circulación, que permita una circulación segura

maniobras y elimine accidentes o daños de vehículos circulantes. Para lo cual ha sido necesario realizar un muestreo en campo por medio de calicatas de perforación de profundidad 1.50 metros para obtener las muestras que fueron llevadas a cabo en campo por medio de ensayos CBR CALIFORNIA BEARING RATIO determinar así las características y módulos de resciliencia del suelo existente en los sitios analizados.

DESCRIPCIÓN DE LA ZONA DE ESTUDIO

La zona específica del estudio se caracteriza por poseer una topografía del tipo ondulada, con pendientes naturales que varían de 0 a 10 por ciento de inclinación.

TRABAJOS DE CAMPO Y LABORATORIO

En el sitio donde se proyecta la estructura se realizó una excavación y toma de muestras cada 50 centímetros hasta la profundidad de 1.50 metros, con extracción de muestras para análisis de

tres (3) CBR CALIFORNIA BEARING

RATIO bajo registros en nuestros anexos detallados en los siguientes cuadros de resumen:

4.1

TRABAJOS DE LABORATORIO

Las muestras alteradas representativas del suelo de cimentación, se analizaron en el laboratorio, sometiéndolas a ensayos que permitieron conocer sus características físicas y los resultados se adjuntan en los anexos.

4.2

NORMAS UTILIZADAS

El procedimiento de laboratorio tiende a complementar las labores de campo, en ese sentido las muestras obtenidas del suelo de fundación son clasificadas y seleccionadas siguiendo el procedimiento descrito en ASTM D-2488 “Práctica Recomendada para la Descripción de Suelos”.

Estas muestras representativas fueron sometidas a los siguientes ensayos:

•

ENSAYOS ESTÁNDAR

Análisis Granulométrico por tamizado (ASTM C-136)

Límites de Consistencia (ASTM D-4318)

Límite Líquido

Límite Plástico

Índice de Plasticidad

Clasificación SUCS (ASTM D-2487)

Clasificación AASHTO (ASTM D-3282)

Contenido de Humedad (ASTM D-2216)

•

ENSAYOS ESPECIALES

Proctor Modificado (ASTM D-1557)

CBR (ASTM D-1883)

DCP (ASTM D6951/D6951M- 09)

4.3

DESCRIPCIÓN DEL SUBSUELO

El muestreo efectuado, indica la presencia de un tipo de material predominante, principalmente:

- Limos de mediana a alta plasticidad del tipo ML según SUCS y A-4 según AASHTO.

-Determinándose materiales constituidos por suelos de grano fino de baja a nula plasticidad en el 100 % de los ensayos.

MÉTODO DE DISEÑO

El Método seleccionado es el desarrollado por la Asociación Americana de Administradores Estatales de Carreteras y Transporte (AASHTO), para lo que se usaran como base los siguientes medios:



GUÍA DE DISEÑO AASHTO-93



PROGRAMA DE DISEÑO DE PAVIMENTOS DESARROLLADO POR PAVCO R.3.0 (aplicación para pavimentos flexibles)

5.1

ECUACIÓN DE DISEÑO

Para el diseño de espesores del pavimento se siguió el procedimiento recomendado por la AASHTO en la Guía de Diseño de Pavimentos (1993). Se La información del presente documento es de propiedad de LABSCOTEST CIA. LTDA. LABORATORIO DE SUELOS, CONCRETOS Y ASFALTOS y no deberá ser usada para otros propósitos distintos a los especificados.

usa la metodología convencional, es decir se calcula el número estructural necesario para soportar la carga de tráfico del escenario correspondiente, mediante iteraciones sucesivas hasta lograr la convergencia de la serie. Este número estructural se traduce a espesores de las diferentes capas que conforman el pavimento conforme se estableció. El análisis se hace por iteraciones hasta lograr una estructura de pavimento razonable. (AASHTO flexible pavement design equation)

VARIABLES INDEPENDIENTES: Wt18 :

Número de aplicaciones de cargas equivalentes de 80 kN

acumuladas en el periodo de diseño (n). ZR

: Valor del desviador en una curva de distribución normal, función de la

Confiabilidad del diseño (R) o grado confianza en que las cargas de diseño no serán superadas por las cargas reales aplicadas sobre el pavimento. So:

Desviación estándar del sistema, función de posibles variaciones en las

estimaciones de tránsito (cargas y volúmenes) y comportamiento del pavimento a lo largo de su vida de servicio. PSI: Pérdida de Serviciabilidad (Condición de Servicio) prevista en el diseño, y medida como la diferencia entre la “planitud” (calidad de acabado) del pavimento al concluirse su construcción (Serviciabilidad Inicial (po) y su planitud al final del periodo de diseño (Serviciabilidad Final (pt). MR: Módulo Resiliente de la sub rasante y de las capas de bases y sub-bases granulares, obtenido a través de ecuaciones de correlación con la capacidad portante (CBR) de los materiales (suelos y granulares).

VARIABLES DEPENDIENTES: SN:

Número Estructural, o capacidad de la estructura para soportar las

cargas bajo las condiciones (variables independientes) de diseño. La información del presente documento es de propiedad de LABSCOTEST CIA. LTDA. LABORATORIO DE SUELOS, CONCRETOS Y ASFALTOS y no deberá ser usada para otros propósitos distintos a los especificados.

TRÁFICO PROMEDIO DIARIO ANUAL (TPDA)

El Tráfico Promedio Diario Anual (TPDA) representa el transito total que circula por la carretera durante un año divido entre 365 días. Para la determinación del TPDA se utilizó un análisis de una población similar asumiendo estos valores de tráfico.

Estimación de TPDA 10 AÑOS

Estimación de TPDA 20 AÑOS

CONFIABILIDAD EN EL DISEÑO (R)

El método AASHTO incorpora el criterio de la confiabilidad (%R) que representa la probabilidad que una determinada estructura se comporte, durante su periodo de diseño, de acuerdo con lo previsto. Esta probabilidad está en función de la variabilidad de los factores que influyen sobre la estructura del pavimento y su comportamiento; sin embargo, solicitaciones diferentes a las esperadas, como por ejemplo, calidad de la construcción, condiciones climáticas extraordinarias, crecimiento excepcional del tráfico pesado mayor a lo previsto y otros factores, pueden reducir la vida útil prevista de un pavimento.

De lo que escogemos el valor de nivel de confiabilidad %R en 70% y en función de este el valor de Coeficiente Estadístico De Desviación Estándar

que

representa la confiabilidad seleccionada para un conjunto de datos de distribución normal ZR= -0.524, tal como lo describe la tabla:

VARIACIÓN PERMISIBLE EN LA RELACIÓN SERVICIO - CAPACIDAD (PSI)

El índice de serviciabilidad presente es la comodidad de circulación ofrecida al usuario. Su valor varía de 0 a 5, un valor de 5 refleja la mejor comodidad La información del presente documento es de propiedad de LABSCOTEST CIA. LTDA. LABORATORIO DE SUELOS, CONCRETOS Y ASFALTOS y no deberá ser usada para otros propósitos distintos a los especificados.

teórica (difícil de alcanzar) y por el contrario un valor de 0 refleja el peor. Cuando la condición de la vía decrece por deterioro, el psi también decrece. Serviciabilidad inicial (po) = 4.2 Condición de servicio de un pavimento flexible nuevo al concluir su construcción. Serviciabilidad final (pt) = 2.00 Condición de servicio de un pavimento en una vía rural principal al final de su vida de servicio.

CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL DE DEFINICIÓN DE LA UNIDAD DE DISEÑO

SUB-RASANTE

Partiendo de los resultados de los ensayos CBR realizados en MARZO de 2015, se calculó el valor de soporte para una incidencia del 85%. Este valor es conservador y obedece a los siguientes valores: Según la fórmula:

FUENTE NEVI 2012

CBR =7.48 que corresponde a un Módulo Resciliente de la sub rasante de 11220 psi. Mr = 1500*(CBR) Mr = 1500*7.48 = 11220 psi NUMERO ESTRUCTURAL REQUERIDO PERIODO 10 AÑOS

NUMERO ESTRUCTURAL REQUERIDO PERIODO 20 AÑOS

DETERMINACIÓN DEL NÚMERO ESTRUCTURAL (SN) EN CADA UNIDAD DE DISEÑOREQUERIDO

En función del programa de la ecuación AASHTO, que utiliza el algoritmo iterativo, de la ecuación AASHTO 93, se determinan los valores de NÚMEROS ESTRUCTURALES REQUERIDOS para la carretera en los diferentes periodos de diseño:

MATERIALES Y MEZCLAS PARA LAS CAPAS DE LA ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO

Para definir las diferentes capas del pavimento se establecen las siguientes consideraciones:

Tanto para la etapa de construcción como para la operación de la vía, el pavimento estará formado una capa de asfalto, una capa de base y una La información del presente documento es de propiedad de LABSCOTEST CIA. LTDA. LABORATORIO DE SUELOS, CONCRETOS Y ASFALTOS y no deberá ser usada para otros propósitos distintos a los especificados.

capa de Sub base, conforme se la define en las Especificaciones vigentes del MTOP

NORMA

ECUATORIANA

VIALIDAD

NEVI-12

VOLUMEN

ESPECIFICACIONES GENERALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE CAMINOS Y PUENTES y en función de esto deben tener las siguientes características:

CAPA DE ASFALTO Para la capa asfáltica debe emplearse mezcla de concreto asfáltico densamente gradadas, mezcladas en planta en caliente, de las características que se indican en la Tabla 11, determinadas de acuerdo al Ensayo Marshall (AASHTO T-245).

Índice de capa arodadura = 0.43 y coeficiente de drenaje = 1.0

CAPA DE BASE

Para la capa de material de base granular se recomienda una mezcla de materiales granulares, debidamente triturados y gradados, que resulten con un CBR mínimo de 80%. La correlación para este tipo de material arroja un MR de 28000 psi. La Guía de Diseño AASHTO-93 asigna a estas mezclas un coeficiente estructural (a2) de 0.047 a 0.055 y un coeficiente de drenaje de 1.00.

CAPA DE SUB BASE

Para la capa de Sub base granular se recomienda una mezcla de materiales granulares, debidamente triturados y gradados, que resulten con un CBR mínimo de 30%. La correlación para este tipo de material arroja un MR de 14900 psi. La Guía de Diseño AASHTO-93 asigna a estas mezclas un coeficiente estructural (a1) de 0.035 a 0.043 y un coeficiente de drenaje de 1.00.

Tabla de coeficientes de capa AASHTO 93

CUADRO DE CONDICIONES DE DRENAJE Drenaje

Agua eliminada naturalmente en:

Excelente

2 horas

Bueno

1 día

Regular

1 semana

Pobre

1 mes

Muy pobre

(el agua no drena)

CUADRO COEFICIENTES DE DRENAJE DE LAS CAPAS GRANULARES Porcentaje del tiempo que la estructura del pavimento está expuesta a grados de humedad próxima a la Condición del drenaje

saturación Menos de 1 %

1–5%

5- 25%

Más de 25%

Bueno

1.35 – 1.25

1.25 – 1.15

1.15 – 1.00

1.00

Regular

1.25 – 1.15

1.15 – 1.05

1.00 – 0.80

0.80

Pobre

1.15 – 1.05

1.05 – 0.80

0.80 – 0.60

0.60

Muy pobre

1.05 – 0.95

0.95 – 0.75

0.75 – 0.40

0.40

Son valores que permiten tener un adecuado material para lograr un buen pavimento. Pese a que el diseño se presenta para 20 de años de vida útil, se deberá verificar el tráfico usuario y en caso de que las solicitaciones superen las previsiones realizadas, se revisará el diseño del pavimento.

ALTERNATIVAS DE DISEÑO 12.1 DETERMINACIÓN DE LOS ESPESORES DE CAPAS

Los cálculos iniciales realizados establecen los siguientes resultados de espesores de las capas estructurales del pavimento. El programa establece el número estructural requerido para diferentes períodos de duración del pavimento, a fin de establecer la conveniencia de construirlo por etapas, para este caso se determina para el proyecto, a los diez años un valor NE

req

= 3.17 y

a los veinte años un valor NE req = 3.69.

Para el diseño se plantea la alternativa a ser colocada y de ahí extraer el número estructural obtenido con la solución de multicapa propuesto de acuerdo a la siguiente tabla:

De lo cual se plantea generar los NE obtenidos en función de los coeficientes de capa de los materiales detallados en centímetros y pulgadas:

Los espesores de pavimento que se obtienen usando capas granulares son relativamente medianos dadas las condiciones de suelo, resultando de 59.00 cm. Arrojan un valor de Numero Estructural Obtenido de 3.70

mayor al

Numero Estructural Requerido de 3.69.

Esta alternativa mejora sensiblemente el comportamiento del pavimento pues la acción del refuerzo garantiza la uniformidad del apoyo y evita el ahuellamiento por acción del tráfico. El espesor para 20 años de vida útil es el más adecuado a ser considerado, en sus valores redondeados por facilidad en modulación y con un coeficiente de seguridad, Debe recordarse que es de vital importancia llevar un control estrictico de los espesores de las capas y sus respectivas densidades en campo de acuerdo, a los valores obtenidos en laboratorio en los anexos de ensayos de compactación y basarse en la Norma, se deberá realizar la compactación del material granular en capas las que

deberán cumplir con el 95% de la densidad máxima en base del análisis proctor estándar modificado Norma AASHTO T180 o ASTM C- 1557.

Además debe tomarse en cuenta el desarrollo de la programación de mantenimientos preventivos y reparaciones anuales.

ESPESORES DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO RECOMENDADO

El Diseño del Pavimento recomendado con material granular y geo sintéticos, brindara un mejoramiento en la vía permitiendo un NE número estructural de 3.70 superior al requerido por lo que nos encontramos con un factor de seguridad. Los valores obtenidos con este pavimento propuesto,

llegan a

cubrir por completo una proyección de tráfico, en cuanto a los valores del La información del presente documento es de propiedad de LABSCOTEST CIA. LTDA. LABORATORIO DE SUELOS, CONCRETOS Y ASFALTOS y no deberá ser usada para otros propósitos distintos a los especificados.

incremento vehicular en la vía para un periodo de 20 años, por lo que se debe considerar usar las capas de materiales granulares debidamente probadas con muestreos aleatorios de mina e instalación, tal como lo muestran los valores que arrojan los cálculos de acuerdo a las formulas AASTHO.

CONCLUSIONES ALTERNATIVA FINAL A SER SELECCIONADA

El presente informe debe considerarse como un análisis de factibilidad y no de diseño definitivo pues consideramos que los ensayos realizados no constituyen un universo de muestras suficiente para las longitudes y características de estos ejes viales.

Además se han asumido valores de tráfico situación que de no ser confirmada podría alterar significativamente los valores aquí obtenidos.

Tampoco se cuentan con valores de materiales de las capas de o pavimento, ya que no existen análisis de mina ni ubicación de las mismas o sus análisis de abrasión y granulometrías. Se adoptara un diseño de pavimento multicapa flexible con 3.50 pulgadas de asfalto tipo carpeta con Marshall mínimo de 1600 con un espesor de capas de abajo hacia arriba para la vía en este tramo de:



SUB BASE = 35.00 cm conformada por Sub base clase III con un CBR >= 30.



BASE = 15.00 cm conformada por base clase II con un CBR >= 80



CAPA DE RODADURA = Carpeta asfáltica

9.00 cm o 3.50”

pulgadas de asfalto tipo carpeta con Marshall mínimo de 1600

Se deberán usar los materiales granulares provenientes de una mina aprobada para el proyecto (para los materiales de Base y Sub base, de acuerdo a la logística del constructor y se realizarán stocks adecuados de material con el fin de garantizar su adecuada disposición al momento de la construcción. Estos materiales deberán tener un valor un valor menor al 50% de desgaste realizado en la máquina de los Ángeles ensayo de abrasión.

Se deberán cumplir con todas las normativas de acuerdo a los parámetros establecidos por el

Ministerio de Transportes y Obras

Públicas, efectuando todas las pruebas que garanticen la adecuada colocación, control dimensional y control de calidad de los materiales empleados con sustentos pruebas, de laboratorios calificados para el efecto.

Se deberán realizar mantenimientos periódicos para garantizar la funcionabilidad de la vía tanto en espesores como en calidad de material,

cumplirse

deberán

ajustarse

para

correcto

desempeño proyectado de la vía.

15 

BIBLIOGRAFÍA AMERICAN ASSOCIATION OF STATE HIGHWAY AND TRANSPORTATION OFFICIALS, Washington D.C.: AASHTO, 2004, A Policy on Geometric Design of Highway and Streets.



AMERICAN ASSOCIATION OF STATE HIGHWAY AND TRANSPORTATION OFFICIALS, Washington D.C.: AASHTO, 1993. Guide for design of pavement structures. A Police on Geometric Design of Highway and Streets.



BERGER INTERNATIONAL Y PROTECVIA CIA. LTDA., Quito, Ecuador, 1984, Manual de Diseño de Caminos Vecinales, MTOP.



(INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS (INV), Bogotá, Colombia, 2001, Manual de Diseño Geométrico para Carreteras.



Manual de Carreteras “Suelos, Geología, Geotecnia y Pavimentos, Sección: Suelos y Pavimentos Del Ministerio De Transportes Y Comunicaciones Del Perú

ING. MARCELO GALLARDO LP 175644

ANEXO 1 INFORME FOTOGRAFICO

SECUENCIA FOTOGRAFICA HOJA 1

CALICATA 1

HOJA 2

CALICATA 2

HOJA 3

CALICATA 3

HOJA 4

ENSAYOS CBR

ANEXO 2 PERFILES ESTRATIGRAFICA