DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO FLEXIBLE POR EL

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DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO FLEXIBLE POR EL MÉTODO AASHTO – 93, PARA 1.3 KILÓMETROS, DE LA VÍA DE ACCESO A LA

VEREDA LA PALMITA DEL MUNICIPIO DE NATAGAIMA TOLIMA.

MARITZA ALEJANDRA QUIMBAYO MORALES EVER ANDRÉS USECHE AYERBE

UNIVERSIDAD COOPERATIVA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

ESPECIALIZACIÓN EN DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PAVIMENTOS IBAGUÉ - TOLIMA

2021

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/













DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO FLEXIBLE POR EL MÉTODO AASHTO – 93, PARA 1.3 KILÓMETROS, DE LA VÍA DE ACCESO A LA

VEREDA LA PALMITA DEL MUNICIPIO DE NATAGAIMA TOLIMA.

MARITZA ALEJANDRA QUIMBAYO MORALES EVER ANDRÉS USECHE AYERBE

Trabajo Presentado como Requisito Parcial para Optar al Título de Especialistas en Diseño y Construcción de Pavimentos.

Ing. Humberto González Mosquera Director Disciplinar

Ing. Norma Patricia Gutiérrez Murillo Director Metodológico

UNIVERSIDAD COOPERATIVA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

ESPECIALIZACIÓN EN DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PAVIMENTOS IBAGUÉ - TOLIMA

2021














NOTA DE ACEPTACIÓN

______________________________________

_______________________________________

_______________________________________

Firma del director:

_______________________________________ Firma del codirector:

_______________________________________ Firma del jurado:

_______________________________________ Firma del jurado:

Ibagué, marzo de 2021














AGRADECIMIENTOS

A Dios por todas las oportunidades que nos ha brindado y permitirnos culminar satisfactoriamente este logro en nuestra formación profesional; a nuestras familias por el apoyo y la comprensión que siempre nos han brindado en cada meta a la que nos hemos propuesto. A la Universidad Cooperativa de Colombia, sus docentes ingenieros, con su excelencia académica y excelencia humana, que permitieron llenarnos de interés, motivación, para profundizar en cada una de las asignaturas proyectadas y realizadas del pensum. A los ingenieros compañeros de clase, de la especialización, resaltando su grado de empatía y su colaboración, contribuyendo a un aprendizaje armónico, humano muy valioso.

Maritza Alejandra Quimbayo Morales

Ever Andrés Useche Ayerbe














DEDICATORIA

Primero que todo queremos dar gracias a Dios por las bendiciones que nos brinda cada día, por llevarnos por el camino correcto de la vida personal y profesional para de esta forma poder ayudar a nuestras familias como también a los que se benefician del trasegar por nuestra profesión. También dedicamos este trabajo a nuestros familiares que siempre han creído en nuestra vocación y amor a nuestra profesión, que, así como nosotros también luchan para que seamos unos profesionales de bien para poder servirle a la sociedad. De esta manera agradecer a las personas que nos han ayudado y han estado en las buenas y en las malas para salir adelante y así mismo poder culminar esta gran etapa de estudios profesionales para con su ayuda formarnos como todo un profesional de bien. También dedicamos este trabajo a nuestros compañeros de posgrado de la universidad por ser parte fundamental de este proceso. Gracias a todo el plantel académico que se encargó de formarme dentro del campo de esta maravillosa profesión como lo es la Ingeniería Civil, además de compartirme sus conocimientos los cuales hoy en día han sido retroalimento para mi formación profesional. Gracias a mi grupo de trabajo con el cual se pudo sacar adelante el proyecto además de recibir la ayuda de los docentes encargados de guiarnos correctamente para poder concluir efectivamente nuestro seminario de supervisión e interventoría.

GLOSARIO














AFIRMADO: “Capa compactada de material granular natural o procesado con

gradación específica que soporta directamente las cargas y esfuerzos del tránsito. Debe poseer la cantidad apropiada de material fino cohesivo que permita mantener aglutinadas las partículas”. Funciona como superficie de rodadura en carreteras (Monografías Plus. s.f., párr. 1). ALCANTARILLA: “Tipo de obra de cruce o de drenaje transversal, que tienen por

objeto dar pasó rápido al agua que, por no poder desviarse en otra forma, tenga que cruzar de un lado a otro del camino” (Instituto Nacional de Vías, 2018, p. 1). ASFALTO: Se denomina así a determinadas sustancias de color oscuro que

pueden ser liquidas, semisólidas o sólidas, compuestas esencialmente de hidrocarburos solubles en un sulfuro de carbono en su mayor parte y procedentes de yacimientos naturales u obtenidos como residuo del tratamiento de determinados crudos de petróleos por destilación o extracción. Estos últimos representan más del 90 % de la producción total de asfaltos (Montejo, 2006, p.469). BANCA: Distancia horizontal, medida normalmente al eje, entre los extremos

exteriores de las cunetas o los bordes laterales (Instituto Nacional de Vías, 2018, p. 1). BASE GRANULAR: Capa granular de un pavimento flexible situada

inmediatamente debajo de la capa asfáltica de rodadura (Montejo, 2006, p. 471). BERMA: Fajas comprendidas entre los bordes de la calzada y las cunetas. Sirven

de confinamiento lateral de la superficie de rodadura, controlan la humedad y las posibles erosiones de la calzada. (Glosario Manual Diseño Geométrico de Carreteras Instituto Nacional de Vías, INVIAS, 2018).

BOMBEO: Pendiente transversal en las entre tangencias horizontales de la vía, que

tiene por objeto facilitar el escurrimiento superficial del agua. Está pendiente, va generalmente del eje hacia los bordes. (Glosario Manual Diseño Geométrico de Carreteras Instituto Nacional de Vías, INVIAS. 2018). CALZADA: Zona de la vía destinada a la circulación de vehículos. Generalmente

pavimentada o acondicionada con algún tipo de material de afirmado. (Glosario Manual Diseño Geométrico de Carreteras Instituto Nacional de Vías, INVIAS. 2018). CAPACIDAD: Número máximo de vehículos que puede circular, por un punto o

tramo uniforme de la vía en los dos sentidos por unidad de tiempo, bajo las condiciones imperantes de vía y de tránsito. (Glosario Manual Diseño Geométrico de Carreteras Instituto Nacional de Vías, INVIAS. 2018).














CARRETERA: Infraestructura del transporte cuya finalidad es permitir la circulación

de vehículos en condiciones de continuidad en el espacio y el tiempo, con niveles adecuados de seguridad y de comodidad. Puede estar constituida por una o varias calzadas, uno o varios sentidos de circulación o uno o varios carriles en cada sentido, de acuerdo con las exigencias de la demanda de tránsito y la clasificación funcional de la misma. (Glosario Manual Diseño Geométrico de Carreteras Instituto Nacional de Vías, INVIAS. 2018). CARRIL: parte de la calzada destinada al tránsito de una sola fila de vehículos.

(Glosario Manual Diseño Geométrico de Carreteras Instituto Nacional de Vías, INVIAS. 2018). NIVEL DE SERVICIO: Refleja las condiciones operativas del tránsito vehicular en

relación con variables tales como la velocidad y tiempo de recorrido, la libertad de maniobra, la comodidad, los deseos del usuario y la seguridad vial. (Glosario Manual Diseño Geométrico de Carreteras Instituto Nacional de Vías, INVIAS. 2018). OBRAS DE DRENAJE: obras proyectadas para eliminar el exceso de agua

superficial sobre la franja de la carretera y restituir la red de drenaje natural, la cual puede verse afectada por el trazado. (Glosario Manual Diseño Geométrico de Carreteras Instituto Nacional de Vías, INVIAS. 2018). OBRAS DE SUBDRENAJE: obras proyectadas para eliminar el exceso de agua del

suelo a fin de garantizar la estabilidad de la banca y de los taludes de la carretera. Ello se consigue interceptando los flujos subterráneos, y haciendo descender el nivel freático. (Glosario Manual Diseño Geométrico de Carreteras Instituto Nacional de Vías, INVIAS. 2018). PAVIMENTO: conjunto de capas superpuestas, relativamente horizontales, que se

diseñan y construyen técnicamente con materiales apropiados y adecuadamente compactados. Estas estructuras estratificadas se apoyan sobre la Subrasante de una vía y deben resistir adecuadamente los esfuerzos que las cargas repetidas del tránsito le transmiten durante el período para el cual fue diseñado la estructura y el efecto degradante de los agentes climáticos. (Glosario Manual Diseño Geométrico de Carreteras Instituto Nacional de Vías, INVIAS. 2018). PAVIMENTO FLEXIBLE: tipo de pavimento constituido por una capa de rodadura

bituminosa apoyada generalmente sobre capas de material no ligado, climáticos. (Glosario Manual Diseño Geométrico de Carreteras Instituto Nacional de Vías, INVIAS. 2018). PAVIMENTO RÍGIDO: es aquel que fundamentalmente está constituido 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. (Glosario Manual Diseño Geométrico de Carreteras Instituto Nacional de Vías, INVIAS. 2018).














RASANTE: es la proyección vertical del desarrollo del eje de la superficie de

rodadura de la vía. (Glosario Manual Diseño Geométrico de Carreteras Instituto Nacional de Vías, INVIAS. 2018). REPLANTEO: actividades topográficas encaminadas a localizar un proyecto vial en

el terreno para su posterior construcción. Se apoya en los planos de diseño y en las bases de topografía empleadas previamente en el levantamiento del corredor vial. (Glosario Manual Diseño Geométrico de Carreteras Instituto Nacional de Vías, INVIAS. 2018). RIEGO DE IMPRIMACIÓN: Consiste en la aplicación de un ligante bituminoso

(emulsiona asfáltica catiónica de rotura lenta), sobre una superficie granular terminada, previamente a la extensión de una capa asfáltica (Montejo, 2006, p.492). SUB-BASE-GRANULAR: Capa de material granular situada entre la base granular

del pavimento y la sub-rasante (Montejo, 2006, p.493). SUB-RASANTE: superficie especialmente acondicionada sobre la cual se apoya la

estructura del pavimento (Glosario Manual Diseño Geométrico de Carreteras Instituto Nacional de Vías, INVIAS. 2018).

VEHÍCULO DE DISEÑO: tipo de vehículo cuyo peso, dimensiones y características

de operación se usan para establecer los controles de diseño que acomoden vehículos del tipo designado. Con propósitos de diseño geométrico, el vehículo de diseño debe ser uno, se podría decir que imaginario, cuyas dimensiones y radio mínimo de giro sean mayores que los de la mayoría de vehículos de su clase (Glosario Manual Diseño Geométrico de Carreteras Instituto Nacional de Vías, INVIAS. 2018).

VEHÍCULO: todo aparato montado sobre ruedas que permite el transporte de

personas o mercancías de un punto a otro (Glosario Manual Diseño Geométrico de Carreteras Instituto Nacional de Vías, INVIAS. 2018).

VELOCIDAD DE DISEÑO: velocidad guía o de referencia de un tramo homogéneo

de carretera, que permite definir las características geométricas mínimas de todos los elementos del trazado, en condiciones de seguridad y comodidad (Glosario Manual Diseño Geométrico de Carreteras Instituto Nacional de Vías, INVIAS. 2018).














CONTENIDO

RESUMEN 13

INTRODUCCIÓN 14

1. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA 15

2. JUSTIFICACIÓN 16

3. OBJETIVOS 17

3.1 OBJETIVO GENERAL 17

3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS. 17

4. MARCO TEÓRICO 18

4.1 ALCANCE 20

4.2 LOCALIZACIÓN 22

4.3 ACCESIBILIDAD 24

4.3.1 Limites 24

4.4 TEMPERATURA Y PRECIPITACIÓN DE LA ZONA 25

5. METODOLOGÍA DE TRABAJO 27

6. RESULTADOS 29

6.1 AFORO VEHICULAR 29

6.2 TRABAJO DE CAMPO AFORO MANUAL DE VEHÍCULOS 30

6.3 CALCULO DE LA VARIABLE TRÁNSITO. 32

6.4 DETERMINACIÓN DEL FACTOR CAMIÓN 33

6.5 ESTUDIO DE SUELOS 34

6.6 INVESTIGACIÓN DE CAMPO 38

6.7 ESTRATIGRAFÍA 38

6.8 CARACTERÍSTICAS DEL SUELO 40

6.9 CBR DE DISEÑO 41

6.10 CAPACIDAD DE SOPORTE DE LA SUB RASANTE 42

6.11 DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO FLEXIBLE, MÉTODO

AASHTO – 93. 45

7. CONCLUSIONES 61

RECOMENDACIONES 63

REFERENCIAS 64














LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Datos Meteorológicos. 26

Tabla 2. Cargas Máximas por Tipo de Eje Vigentes en Colombia. 29

Tabla 3. Aforo vehicular. 31

Tabla 4. Tabulación de la Información del Aforo Vehicular. 31

Tabla 5. Porcentaje de Vehículos. 32

Tabla 6. Niveles de tránsito. 34

Tabla 7. Exploración Geotécnica, Ensayo CBR para 1,3 Km del Tramo Vial Verada

la Palmita, Municipio de Natagaima Tolima. Toma de Muestra km 0 + 300. 35


la Palmita, Municipio de Natagaima Tolima. Toma de muestra km 0 + 750. 36





Tabla 11. Exploración Geotécnica, Estratigrafía para 1,3 Km del Tramo Vial Verada


Tabla 12. Exploración Geotécnica, Estratigrafía para 1,3 km del Tramo Vial Verada






Tabla 15. Percentil a Seleccionar Para Determinar el CBR de Diseño. 41

Tabla 16. Valores Obtenidos en los Ensayos de CBR. 41

Tabla 17. Determinación del CBR Para una Unidad de Diseño. 41

Tabla 18. Requisitos Mínimos de Calidad de los Agregados Pétreos para Material

Tipo Afirmado. 43

Tabla 19. Granulometría Para Material Tipo Afirmado (A-38). 43

Tabla 20. Determinación del Espesor de la Capa de Mejoramiento Empleando la

Ecuación de IVANOV con Material Tipo Afirmado A-38. 44

Tabla 21. Nivel de Serviciabilidad Inicial (Po) de Acuerdo con la AASHTO. 46

Tabla 22. Nivel de Serviciabilidad Final (Pt) de Acuerdo con la AASHTO. 46

Tabla 23. Niveles de Confiabilidad. 46

Tabla 24. Desviación Normal Estándar Zr. 47

Tabla 25. Error normal combinado, para pavimentos asfalticos (flexible) (So). 47

Tabla 26. Criterios Para Diseño de Concreto Asfaltico (ensayo Marshall) 48

Tabla 27. Clases de Bases Granulares de Acuerdo al Nivel de Tránsito. 50

Tabla 28. Granulometría Para Bases Granulares Tipo BG-40. 50

Tabla 29. Requisitos Mínimos de Calidad para Bases Granulares. 51

Tabla 30. Clases de Sub Bases Granulares de Acuerdo al Nivel de Tránsito. 52

Tabla 31. Granulometría Para Sub Base Granular Tipo SBG - 50. 52

Tabla 32. Requisitos Mínimos de Calidad Para Sub Bases Granulares. 53














Tabla 33. Calidad de Drenaje. 54

Tabla 34. Valores de mí. 54

Tabla 35. Espesores Mínimos Recomendados por la AASHTO 93. 57

Tabla 36. Chequeo de los Espesores de la Estructura de Pavimento. 60














LISTA DE ILUSTRACIONES

Ilustración 1. Método de diseño AASHTO – 93. 20

Ilustración 2. Plano Topográfico (ubicación y área) del Proyecto para 1,3 Kilómetros

de Vía, Vereda la Palmita Municipio de Natagaima Departamento del Tolima. 21

Ilustración 3. Plano Topográfico (ubicación y área) del Proyecto para 1,3 Kilómetros

de Vía, Vereda la Palmita Municipio de Natagaima Departamento del Tolima 22

Ilustración 4. Departamento del Tolima, Municipio de Natagaima. 23

Ilustración 5. Municipio de Natagaima, con sus Veredas. 24

Ilustración 6. Vía de Acceso a la Vereda la Palmita Municipio de Natagaima. 25

Ilustración 7. Esquema de Clasificación de Vehículos. 30

Ilustración 8. Selección del CBR de Diseño. 42

Ilustración 9. Coeficientes Estructurales para Capas de Concreto Asfáltico con

Varios Ensayos. 49

Ilustración 10. Coeficiente Estructural a2 Para Base Granular no Tratada. 51

Ilustración 11. Coeficiente Estructural a3 para una Sub Base Granular no Tratada.

53

Ilustración 12. Ecuación AASHTO 93. SN 1. 55

Ilustración 13.Ecuación AASHTO 93. SN 2. 56

Ilustración 14. Ecuación AASHTO 93. SN 3. 56

Ilustración 15. Modelo de Diseño de la Estructura de Pavimento Flexible. 57

Ilustración 16. Espesores de la estructura de Pavimento Asfaltico calculado. 60














RESUMEN

El objetivo del presente trabajo es la realización de un diseño de estructura de pavimento flexible empleando el método de diseño de la AASHTO – 93, para la vía de acceso a la vereda la Palmita del municipio de Natagaima departamento del Tolima, considerando la gran importancia que tiene este corredor vial para el desarrollo turístico y agropecuario del sector. Para la realización del presente trabajo iniciamos con la recopilación de la información necesaria para la estructuración del proyecto, que sirve de orientación para el diseño de la estructura de pavimento. Es así como aplicamos y desarrollamos el método de diseño AASHTO – 93, con base a los conocimientos adquiridos como estudiantes de la especialización en diseño y construcción de pavimentos, y contribuir con un diseño de una estructura de pavimento asfaltico, presentando los respectivos análisis e interpretación de los resultados para llegar a una serie de conclusiones y recomendaciones encaminadas a la solución y mejoramiento del tramo vial (Padilla y Pinto, 2019). FALTAN DOS PARRAFOS: UNO CON LA METODOLOGIA UTILIZADA Y OTRO CON UN RESUMEN DE LAS CONLCUSIONES.














INTRODUCCIÓN

Este trabajo consiste en la elaboración del diseño de pavimento flexible por el método AASHTO – 93, de la vía de acceso a la vereda La Palmita del municipio de Natagaima Tolima, con todos los parámetros técnicos y de calidad necesarios para ejecutar dicho proyecto. Dentro de los parámetros investigativos se encuentra la metodología AASHTO - 93 con la cual se pretende diseñar la estructura de pavimento, con el seguimiento exhaustivo en el cumplimiento de normas técnicas colombianas de construcción de carreteras aplicables para la verificación de ciertos requerimientos que se deben llevar a cabo identificando la necesidad por la cual se procede a efectuar el proyecto (García, 2015). La información que se necesitó posteriormente para la realización del presente proyecto se obtuvo en campo haciendo estudios precisos de los suelos, topografía, aforos vehiculares y con base a cada uno de los resultados obtenidos consolidar la información y aplicar el método de diseño correspondiente.














1. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA

La vía de acceso a la vereda la Palmita, se encuentra en precarias condiciones de transitabilidad en los 1,3 Kilómetros de longitud que comprende el presente diseño de la estructura de pavimento flexible. Se realizó una visita de campo para identificar las condiciones actuales de la estructura de la vía, donde se pudo evidenciar el deterioro de la capa de rodadura tipo fresado que se encuentra desde el Km 0 + 0 al Km 0 + 65, presentándose desprendimientos en bloques y descascaramiento del material de la capa de rodadura, del Km 0 + 65 al Km 1 + 300 se evidencia que la capa de rodadura está conformada por un material de tipo afirmado no uniforme y presentándose baches que generan inconvenientes en la movilidad de los usuarios. La falta de mantenimiento por parte de la administración municipal del municipio de Natagaima y al no contar con estructuras de drenaje, tipo cunetas han generado el deterioro progresivo de la de la vía del presente estudio debido a que el agua lluvia y la escorrentía generan surcos conllevando a la pérdida del material tipo afirmado que sirve como capa de rodadura. En la actualidad la vereda La Palmita tiene como actividad económica la agricultura, ganadería y el turismo siendo eje fundamental para su desarrollo (Colombia Turismo Web, 2021). Esta situación causa a la comunidad traumatismos en los desplazamientos; tanto en la comercialización de sus productos como riesgos en la transitabilidad, afectando la integridad de sus moradores y turistas. Generando un estancamiento comercial incidiendo directamente en la calidad de vida de los lugareños.














2. JUSTIFICACIÓN

El presente proyecto consiste en diseñar una estructura de pavimento flexible para la vía de acceso a la vereda la Palmita del Municipio de Natagaima Tolima, tramo que consta de una longitud de 1.3 Kilómetros y un ancho de calzada de 6.50 metros en promedio, para su respectivo diseño; obra con la cual se beneficiarán alrededor de 1,500 habitantes residentes del sector (Secretaria de Planeación y Desarrollo Social Municipio de Natagaima Tolima, 2021). Por tal razón el mejoramiento de la vía es de vital importancia para la comunidad residente en la Verde la Palmita, ya que es un aporte fundamental en el desarrollo turístico, económico y que facilitaría el transporte de los productos agrícolas que son los que fortalecen la economía de este sector, como también se lograría mitigar los problemas y los daños que se producen a los vehículos que transitan por el corredor vial a intervenir, debido a los grandes baches que se extienden a lo largo y ancho de la vía provocando altos niveles de accidentabilidad en el sector; debido a la falta de mantenimiento por parte de los entes gubernamentales a cargo de las vías terciarias. En la actualidad por el corredor vial circulan vehículos tipo motocicleta, automóviles, buses y de carga pesada. Al ser una vía que presenta gran deterioro sobre la capa de rodadura como consecuencia a las afectaciones de las aguas lluvias y de escorrentía y por no contar con estructuras hidráulicas adecuadas y a la falta de mantenimiento de las estructuras existentes, conlleva a un deterioro más acelerado del carreteable. Los efectos positivos de la inversión en infraestructura de transporte, se ven reflejados a nivel macroeconómico, regional y en términos de competitividad, con ello se iniciaría a cerrar la brecha de infraestructura y atender los requerimientos que le impondrá el crecimiento de la demanda productiva y de servicios de transporte en la vía. Los deterioros de la vía generan sobrecostos en la movilización vehicular y en la productividad en general del sector. Así como también se presume un aumento en las probabilidades del riesgo de accidentalidad.














3. OBJETIVOS

3.1 OBJETIVO GENERAL

Diseñar una estructura de pavimento flexible empleando el método de diseño AASHTO – 93, para el tramo vial, de la vía de acceso a la vereda la Palmita en el Municipio de Natagaima en el departamento del Tolima. 3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS.

● Llevar a cabo estudios de laboratorios de suelos para identificar y caracterizar

los materiales existentes y definir el comportamiento de la sub-rasante. ● Conocer las características físicas y mecánicas de cada una de las capas

(granulares y asfáltica) que componen la estructura de un pavimento flexible. ● Realizar el levantamiento topográfico del área de la vía a diseñar. ● Determinar el Tránsito Promedio Diario TPDS mediante aforos, de acuerdo a las

condiciones y tipología de la vía. ● Diseñar una estructura de pavimento flexible que cumpla con todos los requisitos

establecidos en el manual de diseño de la AASHTO – 93. ● Cumplir con todas las especificaciones técnicas y de diseño de acuerdo a las

normas INVIAS 2013.














4. MARCO TEÓRICO

La inversión en infraestructura es de vital importancia para incrementar la productividad y competitividad económica de una región, ya que sin una infraestructura vial en óptimas condiciones no se lograría alcanzar un desarrollo económico. Para el desarrollo del presente proyecto, diseño de la estructura de pavimento flexible por el método AASHTO – 93, para 1.3 kilómetros, de la vía de acceso a la Vereda la Palmita del Municipio de Natagaima departamento del Tolima, emplearemos el método de diseño de la AASHTO – 93, ya que es ampliamente conocido y avalado en la ingeniería de pavimentos. El método de diseño AASHTO – 93 se basa en criterios técnicos, teniendo en cuenta las características estructurales y funcionales de los materiales que conforman la estructura de pavimento, para poder cumplir con lo anterior el método de diseño AASHTO – 93 debe apoyarse teniendo en cuenta las siguientes variables. ● Características del terreno de cimentación (capa de sub-rasante) valor obtenido

con el ensayo del (CBR) con base a las muestras obtenidas en el terreno y estudiadas en el laboratorio de suelos contratado.

● Cargas de tránsito de ejes equivalentes de 8,2 Ton, de acuerdo al estudio de tránsito realizado en el tramo vial acceso a la vereda la Palmita, información tabulada y procesada matemáticamente para hallar las proyecciones de tránsito en el periodo de diseño.

● Efectos climáticos (temperatura del área del proyecto y precipitación) los cuales

son fundamentales para poder hallar el módulo dinámico de la mezcla asfáltica y los coeficientes de drenaje a emplear de acuerdo a las lluvias que se presentan en la zona, datos suministrados por el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia IDEAM.

● Características estructurales de las diferentes capas que componen la estructura

de pavimento, (carpeta asfáltica, bases granulares) (Cueva del Ingeniero Civil, s.f.).

Una vez conocidas las variables descritas anteriormente procedemos a calcular los números estructurales (SN) ecuación 1, cuyos valores representan la resistencia total de la estructura de pavimento de acuerdo a las variables ambientales, sub-rasante y tránsito. Una vez calculados los (SN), se procede a seleccionar los espesores de las capas estructurales del pavimento asfaltico, empleando la ecuación 2, la cual proporcionara la capacidad de carga de la estructura y los espesores de las capas de granulares y asfálticas.














A continuación, se presenta la ecuación básica de diseño de la AASHTO.

Ecuación 1. Determinación del Numero Estructural de la Estructura de Pavimento.

Fuente Manual de la AASHTO – 93. Dónde:

● W18 = Numero admisible de ejes equivalentes de 8,2 Ton. ● Zr = Desviación normal estándar. ● So = Error normal combinado. ● ΔPSI = Diferencia entre el índice de serviabilidad inicial Po y final Pt. ● Mr = Modulo resiliente de la sub-rasante. ● SN = Numero estructural indicativo del espesor total del pavimento.

SN = a1* d1 + a2* d2* m2 + a3* d3* m3

Ecuación 2. Cálculo de los espesores de las capas del pavimento.

Fuente Manual de la AASHTO – 93.

Donde:

● SN = Numero estructural. ● ai = Coeficiente estructural de las capas. ● di = Espesor de las capas. ● mi = Coeficiente de drenaje de las capas granulares.

Adicional a lo descrito debemos tener en cuenta que el método de diseño de la AASHTO - 93 debe cumplir con la condición de que el número estructural calculado (SN_transito), tránsito de diseño calculado para un periodo de diseño, debe ser menor o igual al (SN_estructura), ecuación 3, si esta propiedad cumple los espesores calculados para la estructura del pavimento son los adecuados para soportar las cargas de tránsito de diseño calculados y la resistencia de la capa de sub-rasante.

SN (transito) ≤ SN (estructura)














Ecuación 3. Chequeo de los números estructurales para el cumplimiento de los

espesores calculados. Fuente Manual de la AASHTO – 93. A continuación, se presenta el siguiente organigrama, en el cual se ilustra de una manera ordenada todos y cada uno de los pasos a tener en cuenta para el diseño de estructuras de pavimento flexible mediante el método de diseño de la AASHTO – 93. Ilustración 1. Método de diseño AASHTO – 93.

Fuente Elaboración Propia.

4.1 ALCANCE

El alcance del presente proyecto para los estudios y diseños de la estructura de pavimento del tramo vial ubicado en la vereda la palmita del municipio de Natagaima departamento del Tolima comprende un área de 8,450 M2, correspondientes a una longitud de 1,3 kilómetros y un ancho de calzada promedio de 6,50 metros. Las labores realizadas previas para el diseño fueron los trabajos de campo. Los cuales consistieron en la recolección y toma de muestras, para realizar los ensayos de laboratorio al igual que los de campo, que arrojaron datos que permiten tener mayor conocimiento acerca del comportamiento y características de la estructura














de pavimento actual sobre la cual se realiza el estudio para así poder plantear una propuesta de intervención y diseño para el mejoramiento de la estructura de la vía. En la (ilustración 1 tramo 1 e ilustración 2 tramo 2), se hace el respectivo levantamiento topográfico de la vía del presente estudio. Ilustración 2. Plano Topográfico (ubicación y área) del Proyecto para 1,3 Kilómetros

de Vía, Vereda la Palmita Municipio de Natagaima Departamento del Tolima.


Ilustración 3.Plano Topográfico (ubicación y área) del Proyecto para 1,3 Kilómetros

de Vía, Vereda la Palmita Municipio de Natagaima Departamento del Tolima















4.2 LOCALIZACIÓN

La vereda la Palmita hace parte de las 35 veredas, pertenecientes al municipio de Natagaima y constituye una parte considerable del suelo rural del municipio, (862 Km2), (secretaria de planeación y desarrollo social municipio de Natagaima Tolima 2021). La Vereda la Palmita se encuentra localizada al sur del municipio de Natagaima dentro de las coordenadas: ● Planas

X1 = 864.000 m. n a X2 = 900.500 m.n. Y1 = 863.800 m. n a Y2 = 905.100 m.n. ● Geográficas

03º 21’46” a 03º 42’23” LN. 74º 56’00” a 75º18’47” LW.














Ilustración 4. Departamento del Tolima, Municipio de Natagaima.

Fuente: Enciclopedia Libre Wikipedia (2020)

Ilustración 5. Municipio de Natagaima, con sus Veredas.














Fuente: Enciclopedia Libre Wikipedia (2020)

4.3 ACCESIBILIDAD

Al Municipio de Natagaima se llega partiendo de la Capital del Departamento del Tolima Ibagué, rumbo al Sureste, por la ruta 40 que conduce a la ciudad de Bogotá, hasta el Municipio de El Espinal; donde se toma la ruta 45 que conduce a Neiva en dirección Sur, pasando por las localidades de Guamo, Saldaña, Castilla hasta llegar a su cabecera municipal, en un trayecto de 118 Km (Viaja Colombia, 2004-2020). 4.3.1 Limites. Los límites del Municipio de Natagaima son los siguientes:

● “Al Noroccidente con el municipio de Coyaima.

● Al Occidente: con el Municipio de Ataco.

● Al Nororiente con el Municipio de Prado. ● Al Oriente con el Municipio de Dolores.

● Al Sur con el Departamento del Huila” (La Enciclopedia Libre Wikipedia, 2020,

párr. 2).











https://es.wikipedia.org/wiki/Coyaima

https://es.wikipedia.org/wiki/Ataco_(Tolima)

https://es.wikipedia.org/wiki/Prado_(Tolima)

https://es.wikipedia.org/wiki/Dolores_(Tolima)

https://es.wikipedia.org/wiki/Departamento_del_Huila




La distancia entre el municipio de Natagaima Tolima y la vereda la Palmita es de 35 kilómetros con un tiempo aproximado de 30 minutos, saliendo de la cabecera Municipal de Natagaima tomamos la ruta 45 con dirección al departamento del Huila (Enciclopedia Libre Wikipedia, 2020). Ilustración 6. Vía de Acceso a la Vereda la Palmita Municipio de Natagaima.

Fuente: Google Maps (2020)

4.4 TEMPERATURA Y PRECIPITACIÓN DE LA ZONA

Para la obtención de los datos de clima y precipitación tomamos como base la serie histórica del año 2020, los datos fueron suministrados por la estación meteorológica del Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales (IDEAM). Tabla 1. Datos Meteorológicos.














Fuente: Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales (IDEAM) (2020)














5. METODOLOGÍA DE TRABAJO

Para el desarrollo del presente proyecto emplearemos una metodología teórico - práctica, en la cual estructuramos nuestro proyecto con base a los estudios de campo realizados, recopilación y procesamiento de la información para así poder llevar acabo la estructuración del proyecto y cumplir con el objetivo en el cual diseñaremos una estructura de pavimento flexible empleando el método de diseño AASTHO – 93, y en el cual describiremos cada una de las etapas a realizar. 5.1 REALIZACIÓN DE TOMA DE MUESTRAS Y ENSAYOS DE LABORATORIO. Se contrató los servicios que presta el laboratorio de suelos y pavimentos de la universidad Cooperativa de Colombia sede Ibagué, para poder llevar acabo los apiques para la toma de muestras de los materiales y así poder identificar y caracterizar las muestras obtenidas en campo, las muestras obtenidas para los ensayos de materiales y de estudio de sub-rasante, son caracterizadas de acuerdo al Manual de Normas de Ensayo de Materiales para Carreteras, sección 100 (suelos), I.N.V.E 102 descripción e identificación de suelos (procedimiento visual y manual, I.N.V.E 104 toma de muestras inalteradas de suelo en superficie, I.N.V.E 148 CBR de suelos compactados en el laboratorio y sobre muestra inalterada, I.N.V.E. 180 clasificación de suelos, mezclas de suelos y agregados confines de construcción de carreteras (sistema AASHTO). La aplicación de estas normativas se ven reflejadas en los ensayos de laboratorio realizados y los cuales son el punto de partida para nuestro diseño de la estructura de pavimento. 5.2 CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES GRANULARES Para el estudio, calculo y caracterización de los materiales granulares y asfalticos de las diferentes capas de la estructura de pavimento (afirmado, sub-base, base, mezcla asfáltica y riego de imprimación) nos apoyamos a las normativas vigentes en la república de Colombia, Manual de Normas de Ensayo de Materiales para Carreteras, sección 100 (suelos) descritos anteriormente y a las Normas y Especificaciones 2013 INVIAS, Capitulo 3 (afirmados, sub-bases y bases) y Capitulo 4 (pavimentos asfalticos), según los artículos que se describen a continuación. ART 300, disposiciones generales para la ejecución de afirmados, sub-bases, bases granulares y estabilizadas. ART 311 material de afirmado, ART 320 sub-base granular, ART 330 base granular, ART 420 riego de imprimación, ART 450 mezclas asfálticas en caliente de gradación continua (concreto asfaltico). Lo descrito anteriormente lo empleamos ya en el diseño y espesor de cada una de las capas que conformaran la estructura de pavimento a diseñar. 5.3 LEVANTAMIENTO TOPOGRÁFICO

Se contrató los servicios de un topógrafo para llevar a cabo el levantamiento

topográfico de la vía de acuerdo a las coordenadas Magna – Sirgas Datum Bogotá y así poder determinar el área a intervenir, llevando a cabo una nivelación del terreno con un equipo de nivel de precisión para determinar cotas y alturas del














terreno, llevándose acabo también la localización de la vía a intervenir con estación total, se hace entrega de un plano topográfico en la cual se describe todas las actividades anteriores. 5.4 AFOROS VEHICULARES Llevamos a cabo el aforo vehicular durante una semana del 3 de febrero de 2020 al 9 de febrero del 2020, en el cual contamos con el apoyo de un residente del sector (vereda la Palmita), el cual llevo un conteo y clasificación de vehículos (automóviles, buses, camiones) para así obtener la información necesaria para poder calcular la proyección de tránsito para un periodo de tiempo de 15 años, el procedimiento a realizar es la clasificación de vehículos de acuerdo a la disposición de sus ejes equivalentes de 8,2 Ton, seguido a esto llevamos acaba cálculos estadísticos y matemáticos para determinar el porcentaje de vehículos y las proyecciones para un periodo de diseño de 15 años, de acuerdo a las normativas del Manual de Diseño de Pavimentos Asfalticos en Vías con Medios y Altos Volúmenes de Transito 2015 INVIAS, en su sección Estimación del Tránsito de Diseño, en el vual empleamos la metodología a emplear en la determinación del tránsito para diseño de pavimentos asfalticos. 5.5 DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO

Empleamos la metodología de diseño de la AASHTO- 93 (AASHTO Guide for. Design of Pavement Structures), en el cual empleamos las ecuaciones de diseño y con base a la caracterización de los materiales (sub-rasante, afirmado, sub-base, base y asfalto), y estudio de tránsito, obtenemos los parámetros del número estructural (SN) el cual es un factor determinante para el cálculo de los espesores de las diferentes capas que conformaran la estructura del pavimento.

● Para la realización del presente proyecto ponemos en práctica todos nuestros

conocimientos adquiridos durante el proceso de formación en la especialización de diseño y construcción de pavimentos, Para realizar la metodología en sus diferentes procesos se tuvieron en cuenta los informes, estudios y demás, para unificar criterios y así llevar a cabo un documento con bases sólidas sobre la guía técnica para su elaboración, se realiza la inspección e identificación de las condiciones actuales de la vía generando la valoración y el diagnostico correspondiente, como resultado se efectuaría el respectivo diseño de acuerdo a los datos encontrados.

6. RESULTADOS














6.1 AFORO VEHICULAR

Teniendo como finalidad la obtención de las proyecciones de tránsito del corredor vial de la vereda la palmita del municipio de Natagaima departamento del Tolima, mediante conteos (aforo) manuales se llevó a cabo durante una semana, la recopilación de la información para conocer la composición vehicular, su distribución por carril y establecer el número de ejes equivalentes para determinar una proyección futura para una estructura nueva de pavimento flexible. El Ministerio de Transporte, mediante diferentes resoluciones, ha reglamentado a través de los años los pesos y dimensiones máximos de los vehículos de carga que operen en las vías del país. A continuación, se presenta la (tabla 2) con las cargas máximas por tipo de eje vigentes en Colombia y la (ilustración 6) con el esquema de clasificación de vehículos. Tabla 2. Cargas Máximas por Tipo de Eje Vigentes en Colombia.

Fuente: Higuera (2011)

Ilustración 7. Esquema de Clasificación de Vehículos.














Fuente: Rondón y Reyes (2015).

6.2 TRABAJO DE CAMPO AFORO MANUAL DE VEHÍCULOS

Se recopilo información durante la semana del lunes 3 de febrero al domingo 9 de febrero del 2020, durante 13 horas diarias de 6 am a 7 pm. La información recolectada se considera suficiente y confiable desde el punto de vista de cantidad y calidad para el conocimiento del tránsito actuante. Es importante recalcar que durante los días escogidos para ejecutar los aforos vehiculares se contó con condiciones climáticas de días soleados y no se presentaron eventualidades que pudiesen inferir con el flujo vehicular normal de los usuarios de la vía. A continuación, se presenta el registro del aforo vehicular. Se presenta la (tabla 3) con los resultados obtenidos. Tabla 3. Aforo vehicular.














Fuente: Elaboración Propia. Una vez obtenidos los resultados del aforo del tránsito promedio diario semanal, tabulamos la información para obtener el número de vehículos comerciales que circulan por la vía del presente estudio y así poder determinar la proyección a futuro e incremento del tránsito para un periodo de diseño de 15 años. Tabla 4.Tabulación de la Información del Aforo Vehicular.

Fuente: Elaboración Propia. De los resultados anteriores podemos determinar que el porcentaje más alto son los automóviles con el 89,36 %, seguido por un 7,98 % de la sumatoria de los camiones C2p, C2g y C3 y camión C2p, un 2,66 % de la sumatoria de buses y busetas.














Tabla 5. Porcentaje de Vehículos.

Fuente: Elaboración Propia.

6.3 CALCULO DE LA VARIABLE TRÁNSITO.

𝑁 = 𝑇𝑃𝐷𝑆 ×𝐾1

100×

𝐾2

100× 365 ×

(1 + 𝑟)𝑛 − 1

𝑙𝑛(1 + 𝑟)× 𝐹𝐶

Ecuación 2. Fuente Pavimentos Materiales, Construcción y Diseño (Rondón y

Reyes, 2015). En donde: ● TPDS = Tránsito promedio diario semanal. ● K1 = Porcentaje de vehículos comerciales (buses + busetas + camiones). ● K2 = Es el factor carril y tiene en cuenta el porcentaje de vehículos que circularan

por el carril de diseño de la vía, se escoge por lo general el carril derecho ya que por allí es donde se moviliza en teoría los vehículos pesados y circulan a menor velocidad). Para nuestro caso como la vía es de dos carriles (uno en cada dirección) el K2 se puede suponer en 50% según la teoría tomada del libro pavimentos materiales, construcción y diseño de los autores (Rondón y Reyes, 2015).

● r = Tasa de crecimiento anual de tránsito, dado que no se cuenta con información histórica del tránsito actuante en la vía, se tomará como referencia el valor de la tasa de crecimiento recomendado por el manual de diseño de pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de tránsito del instituto nacional de vías INVIAS, donde se toma un valor del 3% de crecimiento.

● n = Periodo de diseño, para el presente proyecto, tomaremos un periodo de diseño de 15 años.














● FC = Factor camión es un parámetro que tiene como función inicialmente pasar

el número de vehículos a número de ejes con su respectiva masa para luego convertir el daño que genera cada eje en comparación con el de referencia.

6.4 DETERMINACIÓN DEL FACTOR CAMIÓN

Según el Ministerio de Transporte – Instituto Nacional de Vías (2003), según la teoría tomada del libro pavimentos materiales, construcción y diseño de los autores Rondón y Reyes (2005), se presentan los siguientes factores de daño según el tipo de vehículo. ● Buseta = 0,05. ● Bus = 1,0. ● Camión C2P = 1,14. ● Camión C2G = 2,15. ● Camión C3 = 3,15. De acuerdo con la (tabla 3), tabulación de los datos de tránsito se obtienen los valores de los vehículos comerciales para hallar el factor camión. Bus = 2. Buseta = 3. Camión C2P = 7. Camión C2G = 5. Camión C3 = 3. Con la sumatoria de los vehículos comerciales = 20 y el factor de daño se procede a calcular el factor camión.

𝐹𝐶 = 3 ∗ 0,05 + 2 ∗ 1,0 + 7 ∗ 1,14 + 5 ∗ 2,15 + 3 ∗ 3,15

20= 1,5

Ecuación 3. Fuente: Pavimentos Materiales, Construcción y Diseño. (Rondón y

Reyes, 2015).

La variable tránsito (N) tomando como eje de referencia 8,2 toneladas es igual: Remplazando los valores en la ecuación 2.

𝑁 = 188 ×10,64

100×

50

100× 365 ×

(1 + 0,03)15 − 1

𝑙𝑛(1 + 0,03)× 1,5 = 103,365














N dis = 103,365 El valor N calculado corresponde a nivel de transito NT-1, según (tabla 5), capítulo 1, artículo 100 de las especificaciones técnicas de INVIAS. Tabla 6. Niveles de tránsito.

Fuente: Instituto Nacional de Vías (2013)

6.5 ESTUDIO DE SUELOS

Se realizaron 4 apiques a cielo abierto, tal como aparece en el estudio de suelos y exploraciones geotécnicas de campo, realizados por el laboratorio de suelos de la Universidad Cooperativa de Colombia, contratado para el presente estudio de la toma de muestras del suelo para su respectivo ensayo de laboratorio (Bernal, 2020). Dentro de los resultados a evaluar para el diseño de la estructura de pavimento, es el CBR de la sub rasante, a continuación, se presenta las (tablas 6, 7, 8, 9) suministrada por el laboratorio de suelos contratado con los valores de CBR (Del Castillo, 2014).















la Palmita, Municipio de Natagaima Tolima. Toma de Muestra km 0 + 300.
















la Palmita, Municipio de Natagaima Tolima. Toma de muestra km 0 + 750.





















El presente informe contiene los resultados del estudio de suelos para él diseño pavimento flexible. Vereda la Palmita, zona rural, municipio de Natagaima, departamento del Tolima, el cual se desarrolló con base a cuatro (04) sondeos descritos en el perfil estratigráfico, tomando CBR inalterados; anexando además los ensayos de laboratorio. Para la realización del estudio se llevó a cabo un programa de exploración del terreno y ensayos de laboratorio, tendientes a caracterizar el suelo encontrado in situ, y establecer capacidad de soporte de la sub rasante, profundidad de cimentación y perfil de suelo. Se clasificaron los sectores donde se realizaron los sondeos y se dieron recomendaciones de cimentación y construcción para el correcto funcionamiento de la estructura durante su vida útil. El informe contiene la descripción de los trabajos de campo, laboratorio y oficina. Dentro de los objetivos obtenidos se reconoció y efectuaron los estratos perforados y obtiene por los medios más precisos y confiables las propiedades geo mecánicas del terreno. Se pudo obtener muestras alteradas e inalteradas en cada una de las perforaciones realizadas, con las cuales se determina las características generales y las propiedades físicas y mecánicas de los suelos. De igual forma se localiza (si las hay), las profundidades de los niveles freáticos y bolsas aisladas que puedan














perjudicar la estabilidad del proyecto. Se emitieron recomendaciones constructivas para garantizar el correcto desempeño de la obra en el largo plazo. 6.6 INVESTIGACIÓN DE CAMPO

La investigación de campo se desarrolla sobre la base de cuatro (04) sondeos, a profundidades descritas en los perfiles estratigráficos, desarrollando además penetración continua con el SPT hasta las profundidades indicadas. Se recolectaron muestras inalteradas y alteradas para la realización de los siguientes ensayos: ● Humedad Natural. ● Granulometría por lavado sobre el tamiz No. 200

● Límites de Consistencia (límite líquido, Limite Plástico, Índice de Plasticidad). ● Clasificación de los suelos por medio de los métodos de la U.S.C y la AASHTO. 6.7 ESTRATIGRAFÍA

En las (tablas 10, 11, 12 y 13) se presenta la estratigrafía de las muestras de suelo tomadas, en los 1,3 Kilómetros del tramo vial vereda la Palmita municipio de Natagaima departamento del Tolima. Tabla 11. Exploración Geotécnica, Estratigrafía para 1,3 Km del Tramo Vial Verada



Tabla 12. Exploración Geotécnica, Estratigrafía para 1,3 km del Tramo Vial Verada



















Tabla 14. Exploración Geotécnica, Estratigrafía para 1,3 Km del Tramo Vial Verada la Palmita, Municipio de Natagaima Tolima. Toma de muestra km 1 + 250.















6.8 CARACTERÍSTICAS DEL SUELO

Estos suelos aparecen por toda la zona del área donde se pretende realizar futuras remodelaciones. Estos suelos son Arenas tipo peñón, de grano fino, de compacidad relativa media, las cuales presentan espesores considerables y son aptos para el desplante de este tipo de estructura. Este sitio presenta un poco de material de relleno tipo sub base granular, compacidad relativa media, a una profundidad des considerable de 0.30 mts, encontrado en el área de los cuatro sondeos realizados. A una profundidad de 0.40 mts, se encuentran suelos Arenosos de grano fino, compacidad relativa media, con humedad natural promedio de 2 al 4 %; estos suelos clasificados como SP, como muestra los perfiles estratigráficos, presentan las siguientes características geotécnicas: Características Geotécnicas de los Suelos SP ● Permeabilidad en Estado Compacto: Permeable. ● Resistencia al Corte en Estado Compacto y Saturado: Buena. ● Compresibilidad en Estado Compacto y Saturado: Muy Baja. ● Facilidad de Tratamiento en Obra: Regular. ● Valor como Fundación: Aceptable a Bueno.














● Valor Como base de Pavimentos: Inaceptable.

6.9 CBR DE DISEÑO

Basado en los valores de CBR, obtenidos en las exploraciones geotécnicas de campo descritos, se utiliza el método del percentil, teniendo en cuenta el criterio del instituto del asfalto, para la selección del CBR de diseño, el instituto del asfalto, recomienda tomar un valor tal que el 60%, 75%, o el 87,5% de los valores del CBR individuales, sea igual o mayor que él, de acuerdo con el tránsito que se espere circule sobre el pavimento. Para un nivel de transito NT1 (103,365), el percentil a seleccionar para determinar el CBR de diseño es el valor de (75%). Tabla 15. Percentil a Seleccionar Para Determinar el CBR de Diseño.

Fuente: Sánchez y Campagnoli (2016).

Tabla 16. Valores Obtenidos en los Ensayos de CBR.


Tabla 17. Determinación del CBR Para una Unidad de Diseño.


Ilustración 8. Selección del CBR de Diseño.














Fuente. Elaboración Propia.

● CBR de diseño 3,6 %.

Para el cálculo del CBR de diseño se selecciona el percentil, para lo cual se requiere el valor de N dis, el percentil seleccionado correspondiente para un nivel de tránsito (N = 103,365), que equivale al 75,0%. Por consiguiente, para un percentil seleccionado del 75,0 % el CBR para la unidad de diseño es 3,6 %. 6.10 CAPACIDAD DE SOPORTE DE LA SUB RASANTE

De los resultados del ensayo de CBR, el valor que se toma para el diseño de la estructura de pavimento es de 3,6 %, siendo la condición más crítica. Como el valor de CBR es < que 5 % se propone un remplazo con material de mejoramiento tipo afirmado A-38, que cumpla con los requisitos mínimos de calidad de los agregados pétreos para Afirmados acordes con Instituto Nacional de Vías (2013) según las (tablas 17 y 18). Tabla 18. Requisitos Mínimos de Calidad de los Agregados Pétreos para Material

Tipo Afirmado.














Fuente: Instituto Nacional de Vías (2013).

Tabla 19. Granulometría Para Material Tipo Afirmado (A-38).


Para calcular el módulo equivalente de apoyo de la estructura de pavimento, planteamos la utilización de la ecuación de IVANOV.

ℎ1 = 2𝑎

𝑛∗𝑡𝑎𝑛 𝑡𝑎𝑛 [(1 −

𝐸𝑖𝑛𝑓𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟𝐸𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒2𝜋 ∗(1 −

1𝑛3,5

))] 𝑛 = (

𝐸𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟

𝐸𝑖𝑛𝑓𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟) ^

1

2,5

Ecuación 4 Ecuación de IVANOV, Para Mejoramiento de Suelos de Sub Rasante

Fuente (https://es.slideshare.net/rsuaza/ivanov-12818736)














En donde: ● CBR = capa inferior. ● CBR = capa superior. ● E inferior = 100 * CBR (para CBR < 10%). ● E superior = 130*CBR 0.714

● h1 = espesor de remplazo. ● a = radio área de carga 15. En la (tabla 19) se presentan los cálculos para el mejoramiento de la sub rasante según la fórmula de IVANOV. Tabla 20. Determinación del Espesor de la Capa de Mejoramiento Empleando la

Ecuación de IVANOV con Material Tipo Afirmado A-38.

Fuente: Elaboración propia.














6.11 DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO FLEXIBLE, MÉTODO AASHTO – 93.

“El método AASHTO – 1993, para el diseño de estructuras de pavimentos flexibles, se basa primordialmente en identificar un “número estructural (SN)” para el pavimento” (Higuera, 2011, p. 65), 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 módulo resiliente de la capa a analizar. A) Condiciones Climáticas. De acuerdo a la (tabla 1), datos del Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales (IDEAM), obtenemos: Temperatura media anual ponderada 35° C. Precipitación media anual 1204,97 mm. Número de días con lluvia al año 105 días /año. Porcentaje de tiempo que la estructura del pavimento está sometida a grados de humedad próximos a la saturación en %.

105

365∗ 100% = 28,77%.

B) Ejes Equivalentes. Ejes equivalentes de 8,2 Ton en el carril de diseño, para un periodo (N dis = 103,365) corresponde a nivel de transito NT-1, según Instituto Nacional de Vías (2013). C) Nivel de Serviciabilidad. Nivel de serviciabilidad de acuerdo con la AASHTO para carreteras de pavimento asfaltico se recomienda una serviciabilidad inicial de Po 4,2 y una serviciabilidad final de Pt 2,0 para pavimento urbano secundario. Obteniéndose un Δ Psi 4,2 – 2,0 = 2,2. De acuerdo a las (tablas 20 y 21). Tabla 21. Nivel de Serviciabilidad Inicial (Po) de Acuerdo con la AASHTO.














Fuente: Montejo (2008).

Tabla 22. Nivel de Serviciabilidad Final (Pt) de Acuerdo con la AASHTO.


D) Nivel de Confianza. Nivel de confianza. Básicamente, es una medida que incluye algún grado de seguridad en el proceso de diseño y que permite asegurar que las alternativas de diseño duraran en el periodo de análisis. Para tramos viales se sugieren valores del nivel de confianza entre el 85% y el 99% para el diseño de la estructura de pavimento se toma un nivel de confianza de R = 80% con una desviación estándar normal de Zr = - 0,841. (Tipo de carretera, locales e interurbana para un 80%). De acuerdo a las (tablas 22 y 23) (Salamanca y Zuluaga, 2014). Tabla 23. Niveles de Confiabilidad.


Tabla 24. Desviación Normal Estándar Zr.















● Confiabilidad 80 % y desviación normal estándar -0,841.

E) Error Normal Combinado. Tabla 25. Error normal combinado, para pavimentos asfalticos (flexible) (So).


F) Módulo Resiliente de la Sub Rasante. Resistencia de la sub rasante, para una capacidad de soporte expresada en términos de CBR del 6,45% y de acuerdo con las correlaciones para valores de CBR < al 10 % se estima el módulo resiliente de la sub rasante (Mr). Empleando la ecuación:

Mr = 1500 x CBR% = Psi.

Ecuación 5. Correlaciones Para Valores de CBR < al 10 %.

Remplazando los valores en la (ecuación 5)

Mr = 1500 x 6,45 = 9675 Psi (Lb/pul²). G) Coeficiente Estructural a1 Capa Asfáltica. Coeficiente estructural de la capa asfáltica (a1) y módulo dinámico del concreto asfaltico. De acuerdo a lo establecido en el artículo 450 mezcla densa caliente de














las normas INVIAS y estableciendo una mezcla tipo MDC 19, para un nivel de transito NT1 y utilizando la información del criterio para diseño de la mezcla por el método Marshall. Utilizando la tabla, criterios para el diseño preliminar de la mezcla asfáltica en caliente de gradación continua por el método Marshall, se toma la estabilidad mínima 5000 N equivalente a 1124 Lb, para un nivel de transito NT1 (Quintana, Rincón y Anselmi, 2007). Tabla 26. Criterios Para Diseño de Concreto Asfaltico (ensayo Marshall)


Con base a los datos obtenidos de la estabilidad Marshall, se ingresa a la (Ilustración 8) coeficientes estructurales para capas de concreto asfáltica con varios ensayos, hallando los valores aproximados del módulo de la mezcla asfáltica en (psi) y el coeficiente estructural (a1) (Gómez, Morales y Herrera, 2019, Pavimentos, 2012). Ilustración 9. Coeficientes Estructurales para Capas de Concreto Asfáltico con

Varios Ensayos.














Fuente: Pavimentos (2012)

● Coeficiente estructural a1 = 0,32 concreto asfaltico. ● Módulo dinámico del asfalto = 249,900 psi. H) Coeficiente Estructural a2 Base Granular. Coeficiente estructural (a2), para base granular. Considerando las especificaciones del instituto nacional de vías INVIAS, para una base granular (BG 40) clase C, la cual debe tener como mínimo un CBR ≥ al 80% (mínimo exigido por las especificaciones INVIAS 2013 para bajos y medios volúmenes de transito NT1 y NT2). A continuación, se describen los requisitos del material de base granular en las (tablas 26, 27, 28). Tabla 27. Clases de Bases Granulares de Acuerdo al Nivel de Tránsito.















Tabla 28. Granulometría Para Bases Granulares Tipo BG-40.


Tabla 29. Requisitos Mínimos de Calidad para Bases Granulares.















Para obtener el coeficiente estructural a2 para una base granular no tratada, empleamos la (Ilustración 10). Ilustración 10. Coeficiente Estructural a2 Para Base Granular no Tratada.

Fuente: Transportation Officials (1993)

I) Coeficiente Estructural a3 Sub Base Granular.














Coeficiente estructural (a3), para subbase granular. Considerando las especificaciones del instituto nacional de vías INVIAS, para una sub base granular (SBG 50) clase B, la cual debe tener como mínimo un CBR ≥ al 30% (mínimo exigido por las especificaciones INVIAS 2013 para bajos y medios volúmenes de transito NT1 y NT2). A continuación, se describen los requisitos del material de subbase granular en las (tablas 29, 30, 31). Tabla 30. Clases de Sub Bases Granulares de Acuerdo al Nivel de Tránsito.


Tabla 31. Granulometría Para Sub Base Granular Tipo SBG - 50.


Tabla 32. Requisitos Mínimos de Calidad Para Sub Bases Granulares.















Para obtener el coeficiente estructural a3 para una sub base granular no tratada, empleamos la (Ilustración 11). Ilustración 11. Coeficiente Estructural a3 para una Sub Base Granular no

Tratada.

Fuente: Transportation Officials (1993)

J) Coeficientes de Drenaje.














Coeficientes de drenaje, para obtener los valores de m2 y m3, el método AASHTO se enfoca en la capacidad que tiene el drenaje de remover la humedad interna de la estructura del pavimento (base y sub-base), para que la conducción del drenaje sea buena y rápida se asume la calidad del drenaje como regular (agua removida en 1 semana) y con un porcentaje de tiempo en que la estructura del pavimento estará expuesta a grados de humedad próxima a la saturación 28,77% de acuerdo a los días de lluvia durante el año. Tabla 33. Calidad de Drenaje.


Tabla 34. Valores de mí.


Por lo tanto, se considera que el drenaje de la nueva estructura tendrá una condición (regular) y los tiempos de exposición a niveles de humedad próximos a la saturación no sean mayores del 28,77%. ● Por lo tanto, m2 = 0,80 y m3 = 0,80.














K) Calculo de los Números Estructurales (SN1, SN2, SN3). Calculo de los (SN), con base a los datos ya calculados anteriormente y empleando el programa de la AASHTO 93 obtenemos los SN1 (Base) SN2 (Sub-Base) y SN3 (Sub-Rasante). (Ilustraciones, 12, 13, 14). ● Calculo del SN 1 Base Granular. Ilustración 12. Ecuación AASHTO 93. SN 1.

Fuente: Higuera (2011).

● Cálculo del SN 2 Sub Base Granular.

Ilustración 13.Ecuación AASHTO 93. SN 2.















● Cálculo del SN 3 Sub rasante. Ilustración 14. Ecuación AASHTO 93. SN 3.


L) Determinación de los Espesores de la Estructura de Pavimento. Determinación de los espesores de las capas de la estructura de pavimento flexible. De acuerdo a la magnitud del tránsito equivalente (103,365) se considera evaluar el siguiente modelo de la estructura de pavimento para el tramo vial vereda la Palmita














municipio de Natagaima Tolima. Con base a los espesores mínimos recomendados por la AASHTO 93. Tabla 35. Espesores Mínimos Recomendados por la AASHTO 93.


Ilustración 15. Modelo de Diseño de la Estructura de Pavimento Flexible.


M). Calculo de los espesores de las capas de la estructura del pavimento. ● Carpeta Asfáltica.

𝐷1 =𝑆𝑁1

𝑎1

Ecuación 6. Cálculo del Espesor del Concreto Asfaltico Fuente: Montejo (2008).

Remplazando los valores en la (ecuación 6).














𝐷1 = 1,27

0,32= 3,97" = 10𝑐𝑚𝑠.

Se reduce el valor de 3,97” (10 cms) a 2” (5 cms), ya que según los espesores mínimos recomendados por la AASHTO para un nivel de transito NT 1 de 103,365 el espesor de la capa asfáltica recomendado es de 2”. Retro calculando el SN1 obtenemos el SN1* (un asterisco (*) en D o SN, indica que representa el valor realmente usado, el cual debe ser mayor o igual al requerido. SN1* = a1 x D1 (seleccionado 2”). SN1* = 0,32 x 2” = 0,64. SN1* = 0,64.

● Base Granular. SN (base granular) = SN2 – SN1* SN (base granular) = 1,67 – 0,64 = 1,03. SN (base granular) = a2 x D2 x m1; despejando D2.

𝐷2 = 𝑆𝑁(𝑏𝑎𝑠𝑒𝑔𝑟𝑎𝑛𝑢𝑙𝑎𝑟)

𝑎2𝑥𝑚1

Ecuación 7. Cálculo del Espesor de la Capa de Base Granular. Fuente: Montejo

(2008). Remplazando los valores en la (ecuación 7).

𝐷2 = 1,03

0,135𝑥0,80= 9,54" = 24𝑐𝑚𝑠

Se reduce el valor de 9,54” (24 cms) a 6” (15 cms), ya que según los espesores mínimos recomendados por la AASHTO para un nivel de transito NT 1 de 103,365 el espesor de la capa de base granular es de 4” (10 cms), pero lo más recomendable es tomar como un espesor mínimo de capa de base granular 6” o (15 cms). Retro calculando el SN2*.














SN2* (base granular) = a2 x D2 (seleccionado 6”) x m1 SN2* (base granular) = 0,13 x 6” x 0,80 = 0,62. SN2* = 0,62. ● Sub – Base Granular. SN (sub – base) = SN3 – (SN1* - SN2*). SN (sub – base) = 1,98 – (0,64 – 0,62) = 1,96 SN (sub – base) = 1,96. SN (sub – base) = a3 x D3 X m2 despejando D3.

𝐷3 =𝑆𝑁(𝑠𝑢𝑏𝑏𝑎𝑠𝑒)

𝑎3𝑥𝑚2

Ecuación 8. Cálculo del Espesor de la Capa de sub base. Fuente: Montejo (2008).

Remplazando los valores en la (ecuación 8).

𝐷3 =1,96

0.11𝑥0,80= 22,27" = 56,56𝑐𝑚𝑠.

Se reduce el valor de 22,27” (56,56 cms) a 8” (20 cms), ya que la capa de Sub base granular se apoyará sobre una capa de material de mejoramiento, sobre la capa de Sub Rasante con material tipo Afirmado (A-38), con un espesor de 12” o 30 cms. (N) Chequeo de la Estructura de Pavimento. Teniendo en cuenta los espesores mínimos recomendados por la AASHTO, los coeficientes estructurales y de drenaje de las diferentes capas, se hace el chequeo del número estructural del pavimento diseñado para comprobar que es adecuado para las condiciones consideradas en el presente diseño. Para la presente comprobación del diseño, Se debe cumplir la condición de que el número estructural (SN3 o volumen estructural del pavimento a partir del módulo resiliente de la sub rasante), sea menor o igual al número estructural (SN estructura) total del pavimento calculado, mediante la expresión general del número estructural. (Bautista, s.f.) SN (mr. de la Sub Rasante) ≤ SN Estructura Calculada. Ecuación 9. Expresión General del Número Estructural.














Tabla 36. Chequeo de los Espesores de la Estructura de Pavimento.

Fuente: Elaboración propia.

● Calculando:

● Remplazando los valores en la Ecuación 9. SN (mr de la sub rasante) 1,98 ≤ SN estructura calculada 2,0 (cumple). Los espesores adoptados en el diseño estructural son adecuados, por lo tanto, la capacidad estructural del pavimento considerado es suficiente para soportar las condiciones de tránsito de diseño y de resistencia de la sub rasante. O) Esquema de la Estructura Diseñada. Ilustración 16. Espesores de la estructura de Pavimento Asfaltico calculado.















7. CONCLUSIONES

El presente diseño está basado en la aplicación de las especificaciones técnicas, contenidas en los manuales AASHTO-93 y en las especificaciones generales de construcción de carreteras de Instituto Nacional de Vías INVIAS (2013). De acuerdo a los estudios realizados por parte del laboratorio de suelos contratado (centro de estudios y ensayos de ingeniería civil) Universidad Cooperativa de Colombia se obtuvo la caracterización del material de la capa de sub-rasante (CBR de diseño) el cual es un factor muy importante para poder determinar los procedimientos de cálculo y diseño de la estructura de pavimento. Una vez obtenido el valor del CBR de la sub-rasante procedimos a realizar los aforos vehiculares en un periodo de tiempo de una semana, el cual nos arrojó el TPDS (transito promedio diario semanal) y mediante el cual realizamos las proyecciones para un periodo de diseño de 15 años. Una vez obtenidos los resultados de los estudios de sub-rasante (CBR) y de tránsito, se procedió a realizar el levantamiento topográfico del área del proyecto para hallar las cotas, altura y localización del área del proyecto. Se procedió una vez obtenidos todos los datos anteriores a calcular la estructura de pavimento flexible, empleando el método de diseño (guía AASHTO para el diseño de estructuras de pavimento 1993) donde se realizaron los respectivos cálculos empleando las fórmulas matemáticas y adaptándolas con las especificaciones generales de construcción de carreteras de Instituto Nacional de Vías INVIAS (2013), (niveles de tránsito, requisitos de los materiales granulares, etc.), realizados todos los procedimientos de diseño obtuvimos los espesores de la estructura de pavimento asfaltico (Cárdenas, 2005).














En el desarrollo de la presente actividad, aplicamos todos nuestros conocimientos adquiridos durante el aprendizaje de la especialización en diseño y construcción de pavimentos, y estructurar una adecuada investigación de cada una de las actividades a desarrollar como proceso principal para así poder lograr cumplir con los objetivos, metas, recursos y previsiones y llevar a feliz término el proyecto. Se concluye de todo lo anterior, que no es posible, llevar acabo reparaciones puntuales debido al deterioro progresivo que presenta el tramo vial a lo largo y ancho de los 1.3 kilómetros del presente estudio. Por lo tanto, la solución óptima medida en términos: económicos, técnicos, tiempo, durabilidad y el confort (bienestar y comodidad) de los usuarios que utilizan la vía (tramo vía principal de acceso vereda la Palmita) que favorece la situación analizada es; diseñar y construir la vía acorde a las normativas vigentes y así garantizar una estructura de pavimento que cumpla con las especificaciones técnicas con el propósito de garantizar una estructura duradera.














RECOMENDACIONES

Con base en las observaciones de detalle ejecutadas en campo, en la investigación del subsuelo, en la interpretación de los resultados de laboratorio y las condiciones del entorno del sitio, así como en las hipótesis de diseño, se han establecido las siguientes recomendaciones: No se considera la existencia de material granular remanente que cuente con adecuadas propiedades geo mecánicas que aporten a la estructura del pavimento a diseñar, por lo tanto, se propone un mejoramiento de la Sub rasante existente mediante la implementación de una capa de 30 cm con material tipo afirmado A-38. Realizar un control permanente durante el proceso constructivo, de los espesores de las capas de sub-base y bases granulares, tal que la estructura coincida con los espesores determinados en este estudio, además se sugiere seguir en detalle, los requisitos desde la adquisición del material, su acopio, extendida, y en general el proceso constructivo, y control de calidad, que describen los artículos 311, 320 y 330 de las especificaciones generales de construcción de carreteras de Instituto Nacional de Vías (2013). Se deben construir cunetas y alcantarillas, para garantizar la captación y el drenaje de corrientes de aguas superficiales, asegurando la durabilidad del proyecto.














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DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO FLEXIBLE POR EL