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Estudio de subrasante en pavimentos - estudio tecnico de la subrasante, el agua en el terreno de cimentación, procediemto a seguir en un estudio geotécnico de la subrasante



ESTUDIO TECNICO DE LA SUBRASANTE.
Las solicitaciones a las que se encuentran sometidas las cimentación de una estructura de pavimento son específicas y muy diferentes a las que tiene que soportar un suelo como cimiento de otra estructura cualquiera. Por lo tanto se hace necesario la programación de una serie de estudios de campo y de laboratorio, inspecciones y recorridos a la zona de proyecto, evaluar y analizar dicha información con el fin de establecer una serie de normas de tipo geotécnico alas cuales se debe ceñir el proyecto y el procedimiento constructivo. Loas aspectos anteriormente mencionados hacen parte de lo que comúnmente se conoce con el nombre de estudio geotécnico, mediante el cual se pone a disposición del Ingeniero proyectista, la información acerca del proyecto de fundación del pavimento, los diferentes tipos de materiales que se pueden utilizar para la construcción de las distintas capas de la estructura, los posibles métodos de mejoramiento o estabilización, el procedimiento constructivo mas acorde con los recursos disponibles de la región, etc



2.1.-DEFINICION DE SUBRASANTE.
Existen diversas definiciones de subrasante en una estructura de pavimentos, entre ellas las mas conocidas son.
+ La subrasante es la parte de la corteza terrestre que sirve de cimiento para una estructura de pavimento.
+ La subrasante es el terreno que conforma la superficie final de la explanación de una vía.
+ La subrasante comprende por lo general los últimos 50cm del relleno o del corte proveniente del movimiento de tierras, que sirve de soporte a toda estructura del pavimento.
2.2-FUNCIONES DE LA SUBRASANTE.
Se pueden nombrar lassiguientes funciones que debe cumplir una subrasante, independientemente del tipo de pavimento, estas son
2.2.1.-RESISTENCIA.
Debe ser resistente a los esfuerzos y deformaciones producidas por el transito y el intemperismo, proporcionando un valor de soporte mínimo a la estructura de pavimento en tal forma que limite las deflexiones a los valores tolerables. Las deflexiones causadas por una subrasante comprende entre un 70% y un 90% de la deflexión total de la estructura.
2.2.2.-TERRENO DE FUNDFACION PROPIAMENTE DICHA.
Debe proporcionar un soporte continuo, sin asentamientos significativos, ni diferenciales, evitando que se presente flujos de tipo plastico o desplazamiento lateral que atente contra la estabilidad de toda la estructura.


Entre las cualidades de una subrasante, que generalmente son deseables por los ingenieros de vías , se tienen las siguientes.
- Una alta resistencia.
- Permanencia de la resistencia por lo menos durante la vida útil del pavimento.
- Una buena uniformidad en todas las direcciones.
- Una alta densidad.
- Poco susceptibles a los cambios volumétricos.
- Poco susceptibles a la acción del agua.
- Buena trabajabilidad durante el proceso de compactación.
- Permanencia de las propiedades inducidas mediante la compactación.
-
2.3.-TIPOS DE TERRENO DE FUNDACIÓN.
De manera muy general, los terrenos en que se cimentara una estructura de pavimento, se puede clasificar en
2.3.1.-ROCA.
2.3.2.-SUELO.
2.3.1.-LA ROCA COMO SUBRASANTE.
En la mayoría de los casos, la roca no plantea problemas como terreno de fundación ya que la estructura de pavimento le comunica esfuerzos de bajaintensidad en relación a su resistencia.
Las propiedades de la roca como terreno de fundación varían entre límites muy amplios
Nos interesa el desgaste bajo la acción de los agentes mecanicos, que sean resistentes a los agentes atmosféricos y sean medianamente trabajables por medio de maquinaria o explosivos.
Las rocas se clasifican
- Rocas Ígneas.
- Rocas Sedimentarias.
- Rocas Metamórficas.
2.3.1.1 LAS ROCAS IGNEAS.- Tienen su origen en el enfriamiento y cristalización del MAGMA. Son rocas que inicialmente estan sanas, pero luego son atacadas por la acción química de los agentes atmosféricos. El costo de la excavación es elevado, por su alta dureza permite la construcción de taludes casi verticales. Para eliminar las irregularidades es necesario colocar una capa de suelo suprayacente (SUBRASANTE).
2.3.1.2 LAS ROCAS SEDIMENTARIAS.-Estan formadas por materioales producto de la desintegración de otras rocas que al ser arrastradas por los agentes de transporte y bajo la acción del intemperismo, se depositan en una zona determinada, consolidandose posteriormente.
El costo de la excavación es menor por su menor dureza; en este grupo abundan las rocas deleznables, especialmente la de estructura aglomerada.
Las rocas sedimentarias sanas permiten, por lo general, taludes muy próximos a la vertical.
Las lutitas y las margas suelen ser faciles de excavar; frecuentemente son rocas poco estables ante el agua; también, al igual que los yesos, pueden ser expansivas al absorber agua, lo que las hace peligrosas en cortes y rellenos.
2.3.1.3.-LAS ROCAS METAMORFICAS Son rocas sedimentarias o ígneas transformadas por procesos geológicosñeque intervienen grandes presiones y altas temperaturas. Son faciles de excavar y muchas veces no se requiere el uso de explosivos. Las rocas metamórficas rompen a lo largo de los planas de foliación, los cuales son muy marcados en la mayoría de los casos. Como producto final de su desintegración y descompoción, producen, en tiempos inferiores a los de la vida útil de la vía, arcillas muy inestables.
2.3.2.-LOS SUELOS COMO SUBRASANTE.
Este tipo de subrasante se puede dividir en dos grades grupos, a saber
- Subrasantes constituidas por suelos friccionante.
- Subrasante constituidas por limos plasticos y arcillas.


2.3.2.1.-SUBRASANTE CONSTITUIDAS POR SUELOS FRICCIONANTES Los suelos friccionantes, tales como: gravas, arenas y limos no plasticos; constituyen generalmente un excelente terreno de fundación, con capacidad de carga suficiente y sin problemas de asentamiento de importancia.
Algunos problemas que se pueden presentar con estos suelos, estan ligados al flujo de agua a través de ellos y su grado de compacidad; entre los mas frecuentes se pueden nombrar:
• Colapso rapido de la estructura.- Se presentan en las arenas y limos muy sueltos, los cuales presentan problemas de asentamiento brusco por colapso rapido de su estructura simple; este efecto, sin embargo, es poco importante bajo rellenos, pues estos absorben los movimientos producidos con facilidad; el efecto es mas importante cuando el terreno de fundación soporta las estructuras rígidas que suelen construirse en una vía terrestre.
• Tubificación Este fenómeno se produce cuando el agua se filtra a través del suelo de cimentación con un gradiente hidraulico superioral crítico, de modo que produce arrastre de partículas. Este fenómeno aunque no es muy común en la subrasante de vías terrestres, se presenta en ocasiones cuando la estructura corta el drenaje superficial en una zona, embalsandose el agua, de manera que alcance diferentes niveles en ambos la dos del terraplén . Los suelos mas susceptibles este fenómeno de la tubificación en los friccionantes permeables, sin cementación de grano fino, con índice plastico menor a 10; los suelos que ademas de cumplir los requisitos anteriores son ligeros ( arenas pumíticas) resultan particularmente afectados por el flujo de agua.
• Licuación Las fuerzas producidas por el flujo ascendente del agua provocan, al vencer el peso de las partículas, efectos de flotación que hacen que el suelo pierda total o casi totalmente su capacidad de carga. El flujo de agua es lento comparado con la velocidad de disipación de las altas presiones intersticiales, disminuyendo los valores de resistencia al esfuerzo cortante hasta valores nulos o muy próximos a ceros. Los suelos friccionantes susceptibles a la licuación, son las arenas uniformes, sueltas, finas y saturadas.
2.3.2.2.-SUBRASANTE CONSTITUIDAS POR LIMOS PLASTICOS Y ARCILLAS.-
En los terrenos de fundación constituidos por limos plasticos y arcillas han de distinguirse dos casos diferentes, a saber
• Subrasantes constituidas por suelos de baja compresibilidad (CL, ML, OL )
• Subrasantes constituidas por suelos de alta compresibilidad (CL, MH, OH)
En el primer caso, no suelen presentarse problemas especiales qu4e repercutan desfavorablemente en la estructura del pavimento. Los asentamientos son absorbidos por laestructura y la resistencia del terreno de cimentación es suficiente para soportar a los terraplenes que hayan de ser construidos.
Los suelos clasificados como OL, pueden no ser apropiados para su uso como cuerpo de terraplén, debido a su contenido de materia organica.
Los suelos plasticos de alta compresibilidad que constituyen gran parte de terrenos de cimentación, esta asociados a grandes problemas de falta de resistencia y compresibilidad, a no ser que su contenido de agua sea permanentemente muy bajo.
Esto terrenos blandos y compresibles suelen ser típicos de formaciones fluviales ( deltas o llanuras deyección), lacustre o marinas.
Atendiendo al problema de falta de resistencia, este es particularmente crítico cuando los suelos que constituyen la fundación son de naturaleza plastica (especialmente si son arcillosos) y se encuentran normalmente consolidados, lo que puede reconocerse en el campo por sus contenidos altos de humedad cercanos al límite líquido pues en este caso independientemente de la denominación de suelo fino plastico, sus condiciones de constitución hacen probable una baja resistencia.
El problema mas grave que ocasionan los suelos finos de alta plasticidad ews el asentamiento que se produce en ellos al aplicarle la sobrecarga de la estructura vial, dichos asentamientos producen entre otros efectos los siguientes:
• Perdida de bombeo
• Aparición de asentamientos diferenciales en el sentido longitudinal.
• Disminución de la altura de un terraplén.
2.3.3.-EL AGUA EN EL TERRENO DE CIMENTACIÓN.
Parte del agua que cae sobre el suelo de subrasante en el lugar en que se construira una vía terrestre, escurre por lasuperficie, parte se infiltra y parte se evapora.
El agua que corre sobre la superficie de terreno lo erosiona y mas tarde, se incorpora a agua corriente superficial. El agua que se infiltra a través del suelo, lo penetra hasta ser detenida por una capa de suelo impermeable satura la zona superior a dicha capa dando origen al nivel freatico.
Cuando el agua freatica aflora, da lugar a zonas pantanosas; si se encuentra a relativa profundidad y el terreno so0bre ella es fino, puede presentarse el fenómeno de ascensión capilar llegando a perjudicar el pavimento o al terraplén. La variación de los niveles de nivel freatico van a afectar las propiedades de los suelos, los principales efectos son
• Al variar el contenido de humedad, varia la resistencia al esfuerzo cortante, disminuyendo con el aumento de aquel, particularmente en suelos arcillosos; la compresibilidad aumenta con el contenido de agua, reflejandose en los asentamientos producidos en los terraplenes, en la falla de estos, en la deformabilidad de la capa subrasante.
• Las variaciones en el nivel de agua freatica no son nunca uniformes, produciéndose areas de diferentes propiedades en el suelo de subrasante propiciando asentamientos diferenciales.
• En suelos de naturaleza expansiva los cambios en el contenido de agua generan cambios de volumen perjudiciales.
• Al invadir el agua a el pavimento, pueden producirse efectos destructivos en este, tales como la separación de la película de asfalto de las partículas de agregado en bases asfalticas o carpetas.
• El agua puede producir erosiones en la vía y en el terreno de cimentación si se le deja correr superficialmentedurante tramos largos.
2.4.-PROCEDIEMTO A SEGUIR EN UN ESTUDIO GEOTÉCNICO DE LA SUBRASANTE.
Para realizar una evaluación geotécnica de la cimentación de una estructura de pavimento se deben definir las siguientes actividades
2.4.1.-LOS TRABAJOS DE EXPLORACIÓN, RECOLECCION DE DATOS Y PROGRAMACIÓN DE LOS ENSAYOS DE LABORATORUOO.
Al desarrollar la primera actividad, el ingeniero debe decidir sobre la forma en que va a manejar el gran número de variables que se van a obtener para luego convertirlas en variables de diseño, que le permitan utilizarlas en un método seleccionado como parte de un proceso total. Como se dijo anteriormente, el diseño de un pavimento es diferente de el de otra estructura de ingeniería, por una parte es una estructura que se apoya de una manera de una subrasante y que se encuentra altamente influenciada por las acciones del clima. El pavimento debe atravesar una multiplicación de depósitos de suelos, cada un con propiedades muy diferentes, lo que hacen que su evaluación sea una tarea muy compleja que es necesario simplificar. La manera mas racional y simple de realizar un estudio detallado de la subrasante, con el propósito de poder evaluar su capacidad de soporte y obtener una de las variables para el diseño de la estructura, consiste en la definición y selección de unidades homogéneas las cuales presentan características similares: litología, pedología, drenaje, condiciones ambientales, topograficas, transito esperado, materiales de construcción, etc.; siendo de una gran ayuda para estos casos el uso de fotografía aéreas complementado por una exploración bien programada.
Las unidades de diseño se deben determinar en lo posible,antes del muestreo pero es muy frecuente hacerlo simultaneamente.
Una vez definidas las unidades de diseño deben efectuarse una serie de trabajos que nos van a permitir determinar la distribución y las propiedades físicas de cada una de ellas, dichos trabajos son
2.4.1.1- Clasificación geológica y geotécnicas.
2.4.1.2- Medida de la resistencia.
2.4.1.3- Estudio de las condiciones de drenaje.
2.4.1.4- Estudio de la estabilidad volumétrica.
2.4.1.5- Definir la posibilidad y medio de mejoramiento.
2.4.1.1- Clasificación geológica y geotécnicas La clasificación geológica y geotécnica tiene como objetivo la clasificación y conocimiento de todos y cada uno de los estratos o capas que conforman la subrasante, para lo cual es necesario realizar las siguientes actividades.
• Determinación del perfil de los suelos.
• Toma de muestras.
• Realización de laboratorio.
• Sección del suelo típico en a cada unidad de suelo.
• Estudio de los materiales provenientes de cortes y préstamos.
Determinación del perfil de suelos.-El perfil del suelo se define como una sección transversal vertical de todos los horizontes del suelo desde la superficie hasta la rocas madre o basal. Para definir el perfil de suelos es necesario realizar Sondeos ( ver fig. 01).
Como criterios generales para definir el estacionamiento y la profundidad de los sondeos se tienen
• Acudir a la experiencia que tenga en la realización de trabajos similares, ya que es imposible la realización de un estudio detallado que permita conocer el perfil en cada punto de terreno.
• La uniformidad del el suelo es factor que permitira racionalizar el número de sondeos aprogramar.
• Importancia del proyecto.





En estudios de carreteras el estacionamiento entre sondeos suele ser de 100-500m y la profundidad entre 1.20 y 1.50m bajo la subrasante proyectada.
Loa datos que se esperan obtener son
• Espesor de las capas y su posición en sentido vertical.
• Identificación visual de los materiales, indicando su color y consistencia.
• Posición del nivel de aguas freaticas.
Toma de muestras En cada sondeo se tomaran muestras a diferentes profundidades con el propósito de poder determinar, las humedades naturales del suelo. Igualmente es necesario realizar pruebas manuales en el campo que nos permitan identificar el tipo de suelo; en Subrasantes rocosas es necesario estudiar los afloramientos y establecer en lo posible su clasificación desde el punto de vista macroscópico y estructural.
Es necesario tener muy en cuenta que la humedad va a sufrir variaciones importantes durante el año, por lo que su estudio nos permitira
• Definir con anterioridad el tratamiento que se le va a dar al suelo durante la construcción.
• Estimar el comportamiento que tendra el suelo como subrasante de un pavimento, para lo cual se debe tomar en cuenta que si la humedad natural esta cerca del límite líquido es posible que estemos ante la presencia de un suelo sensitivo que perdera gran parte de su resistencia natural cuando sea alterado por la acción del equipo de movimiento de tierra. Si por el contrario, la humedad natural es aproximadamente natural al límite plastico durante cualquier periodo estacional, se puede decir con cierta seguridad que el suelo presentara un buen comportamiento como subrasantede pavimento.
Un ensayo que nos ayude a definir el tratamiento que se le dara al suelo durante el proceso de compactación es el de densidad in situ.
El muestreo debe complementarse tomando muestras de diversos suelos para la realización de ensayos de laboratorio correspondientes; las muestras deben referenciarse y empacarse adecuadamente ya que ello debera en gran parte, los resultados que se obtengan. El tamaño de las muestras a enviar al laboratorio debe seleccionarse de manera racional, siendo el geotecnólogo el encargado de la realización de estas actividades.
Realización de ensayos de laboratorio las pruebas basicas de laboratorio seran realizadas por el geotecnólogo e incluye entre otros los siguientes ensayos:
• Determinación de las humedades naturales, límite de consistencia granulométrica. Con estos resultados es posible lograr la clasificación del suelo de acuerdo a los métodos convencionales.
• Determinación de la humedad óptima y la densidad maxima de compactación para una energía dada, con la cual se podra definir el grado de compactación de la subrasante, así como también, la densidad y humedad de equilibrio.
• Realización de ensayos especiales; prever condiciones especiales de comportamiento del suelo, se puede realizar ensayos para la obtención de la formula de trabajo en el proceso de estabilización copa algún proceso químico En el peor de los casos.
Los resultados de estos ensayos se consignaran en tablas que se presentaran en graficos con el propósito de poder visualizar de una manera objetiva e integral la información. La presentación debe ser sencilla, clara y sistematizada , se deben emitir lasrecomendaciones
de una manera escueta con el fin de que sean entendidas por otros profesionales especializados en otras disciplinas.
Selección del suelo típico en cada unidad de diseño La selección se realiza mediante el analisis y observación visual de los perfiles de suelos en cada en cada unidad de diseño; para sui selección se tendra en cuenta la continuidad tanto en sentido transversal como longitudinal y la frecuencia con que se presenta a lo largo de esa unidad homogénea de diseño.
Estudio de los materiales provenientes de cortes y prestamos Se tomaran muestras de los cortes por realizarse en el proyecto, con el fin de definirse si son aptos para la construcción de rellenos que necesite la obra vial; ensayos de granulometría, plasticidad, humedad, compactación, compresibilidad y resistencia, nos dara bases necesarias para tal definición. Si son aptos se reduciran los costos, sin no lo son, sera necesario la realización se estudios adicionales para determinar las posibles zonas de explotación del material adecuado para la construcción de los rellenos ( zonas de préstamos).
2.4.1.2.-Medida de la resistencia Como se mencionó anteriormente la solicitaciones a que se encuentran sometida una subrasante son muy diferente de las que tienen que soportar un suelo como cimiento de otra estructura civil.
En la practica, para determinar la resistencia de diseño de una subrasante se utilizan ensayos sencillos que nos proporcionan índices relativos sobre la capacidad de soporte del suelo. Estos ensayos pueden, a simple vista, parecer muy escuetos e incompletos para dimensionar la estructura de los pavimentos.
Los ensayos para determinar la resistencia de lossuelos de subrasante se puede clasificar en dos grupos :
• Ensayos de resistencia “in situ”.
• Ensayos de resistencia en el laboratorio.
En los ensayos en situ se trabajan en las condiciones ambientales reales al que el suelo se encuentra sometido: En loe ensayos de laboratorio se trabaja regularmente con muestras de suelos alterados y adecuando el medio de tal manera que represente las condiciones probables que tendra el suelo como subrasante. En los resultados obtenidos en cada grupo de ensayos intervienen , de alguna manera, los d}efectos derivados de la acumulación de cargas tales como la fatiga, mientras que en otros se tienen en cuenta, empírica y secundaria.
La subrasante por lo general y teniendo en cuenta un buen dimencionamiento de las capas superiores, estara sometida a repeticiones de carga de pequeñas magnitudes, que son inferiores a su resistencia al esfuerzo cortante, por lo que por la forma de falla mas común es la debida a la acumulación de deformaciones no recuperables.
Para medir la resistencia de los suelos de subrasante nos auxiliamos en los APIQUES. El area superficial de un apique sera el que permita trabajar cómodamente a una presión, regularmente puede ser de 1.00 * 1.60 m , su profundidad sera mínima de 1.50 m por debajo de la subrasante ( Fig. 2).
Para seleccionar los sitios donde se realizara un apique, se debe basar en los perfiles estratigraficos deducidos en la primera parte del estudio, evaluando las condiciones de humedad y consistencia de los suelos. Se deben llevar a cavo en los sitios que presten las condiciones favorables y las condiciones críticas, determinando familias de suelos y puntosexcepcionales, graficando los límites en una carta de plasticidad.
Se deben tomar muestras en cada apique con el fin de realizar las siguientes determinaciones
• Humedad natural.
• Límite de consistencia.
• Ensayo de compactación.
• Gravedad específica.
• C.B.R. de laboratorio


En el campo se determinara
• Densidad de campo.
• C.B.R. de campo.
• C.B.R. tallado en situ.
• Ensayo de placa.
Es necesario anotar las ubicaciones exactas con abscisa y carril, del sitio en donde se realizó el apique, de igual manera de se debe llevar un registro completo de la perforación.
Es conveniente tener en cuenta que la mayoría de los ensayos de resistencia son caros y demorados y por lo tanto no sera posible realizarlos con la frecuencia requerida, por lo cual la experiencia y criterio profesional seran prioridades en esta etapa de estudio de la subrasante.
Para medir la resistencia de los suelos de sub.-rasante con el fin de diseñar un pavimento se han desarrollado técnicas muy variadas, la gran mayoría de ellas son estaticas o de aplicación lenta, en contra posición a las cargas móviles del transito.
Los métodos habituales de caracterización de Subrasantes se basan en ensayos de fundamentación empírica: C.B.R., valor de soporte S de AASTHO, valor R de California, entre otros; de fundamentación analítica: determinación de módulos y leyes de fatiga, resistencia, etc. Y los ensayos que tienen fundamentos de caracter mixto: ensayo de placas, índice de grupo, clasificación de suelos, etc.
Entre los ensayos de resistencia mas comunes, podemos citar los siguientes:


|PUEBAS IN SITU|PRUEBAS DE LABORATORIO |
|Pruebas de Placa |C.B.R de Laboratorio |
|C.B.R de Campo |Estabilómetro de Hveem |
|Ensayos vibratorios |Pruebas Triaxiales |

En los ensayos modernos de pavimentos flexibles se esta utilizando el modulo resilente o dinamico de la subrasante, sin dejar a un lado los convencionales que utilizan los ensayos C.B.R. y el de placa, este último utilizado para la obtención del módulo de reacción de la subrasante, parametro necesario para el diseño de pavimentos rígidos..
2.4.1.2.-EL ENSAYO C.B.R. (California Bearing Ratio
El valor de C.B.R. de un suelo es el parametro de caracterización mas utilizado en la tecnología de dimencionamientos de la estructura de pavimento.
Este índice fue propuesto en el año de 1929 por los ingenieros T.E. Stanton y O.J. Porter, el Departamento de Carreteras de California.
Desde esa época a nivel mundial sea generalizado su uso en la caracterización de la resistencia de los suelos de subrasante, sub.-bases granulares, valor que se utilizara posteriormente en el dimencionamiento de la estructura de pavimentos.
El C.B.R. establece una relación entre la resistencia a la penetración de un suelo y su capacidad de soporte como base de sustentación para el diseño de pavimentos flexibles, a pesar de ser un método netamente empírico, esta sustentado por numerosos trabajos deinvestigación llevados a cabo en los laboratorios con soporte en el campo, lo cual permite considerar como uno de los mejores parametros practicos conocidos hasta el día de hoy.
Existe muchas correlaciones de este índice con otros parametros característicos, tales como los módulos de elasticidad estaticos y dinamicos del suelo, algunas de ellas se enuncian a continuación.
Módulo de elasticidad estatico de la subrasante E.
E(Mpa)= 6.5x (C.B.R.)0.65
Módulo de elasticidad dinamico de la subrasante Ed.
Ed(Mpa)= 10 C.B.R.
El C.B.R. es una medida comparativa de la resistencia al corte de un suelo o material granular que se puede definir como la relación porcentual entre la carga unitaria requerida para penetrar un pistón normalizado dentro de la muestra de material y la carga unitaria requerida para penetrar el mismo pistón y a la misma profundidad de una muestra patrón de piedra triturada, es decir:
C.B.R.= Esfuerzo en suelo ensayado / esfuerzo en suelo patrón *100
Las penetraciones y esfuerzos normalizados para el material patrón, se muestra en la tabla 1

TABLA1.ESFUERZOS NORMALIZADOS EN UN SUELO PATRON


|PENETRACIÓN PULGAGDA |CARGA UNITARIA (PSI) |
|0.1 |1.000 |
|0.2 |1.500 |
|0.3 |1.900 ||0.4 |2.300 |
|0.5 |2.600 |

El C.B.R. se determina para 0.1 y 0.2 de penetración, eligiéndose el mayor como el mas representativo.
2.4.1.2.2 La prueba de Placas.
Este ensayo cuantifica la capacidad de soporte de la subrasante, sub. Bases, bases, y estructuras de pavimentos, mediante el coeficiente de balasto, módulo de reacción de la subrasante o módulo de Westergaard K, el cual se define como la relación entre la presión que se transmite a una placa para que se produzca una deformación prefijada.
K = PRESION / DEFORMACIÓN
La prueba consiste en cargar una placa circular en el suelo a ensayar y registrar las deformaciones que se producen. El suelo que necesite mas carga para sufrir una misma deformación, tendra mayor valor de K. El método se basa en la hipótesis de que existe una proporcionalidad entre la presión aplicada y la deflexión (esto es cierto para deformaciones pequeñas).
La placa utilizada en carreteras tiene un diametro de 12 plg. (deformación de 0.2) mientras que el diametro de la placa utilizada en aeropuertos es de 30 plg. (deformación de 0.5).De acuerdo a la expresión, las unidades mas utilizadas son Kg/cm2 o Lb/pg2/pg. Los mayores valores se encuentran en las gravas arenosas bien graduadas y son del orden de 15 Kg/cm2/cm, el menor valor se da a los suelos CH en donde K=1.5 Kg/cm2/cm aproximadamente.

El módulo de reacción de la subrasante tiene su aplicación en el dimencionamiento depavimentos rígidos, Debido a lo dispendioso y costoso para realizar un ensayo de placa, muchas veces es necesario determinarla mediante su correlación con el C.B.R., según se muestra en la figura 3

2.4.1.2.3 Módulo Resilente (Mr)

Los métodos de diseño actuales emplean el valor de los módulos de elasticidad E de los materiales, por ser el resultado de una serie de ensayos fundamentales científicos en sustitución del ensayo del C.B.R..
El módulo de elasticidad de los materiales normalmente empleados en la construcción de subrasantes naturales y/o mejoradas , se denomina Módulo Resilente (Mr), el cual es el resultado de un ensayo de tipo dinamico. Se define como la relación entre los esfuerzos principales y deformación axial recuperable. El ensayo se realiza en una celda triaxial equipada con sistemas capaces de trasmitir cargas repetidas a una briqueta de ensayo de dimensiones especificas. La briqueta de ensayo tiene generalmente 10cm de diametro por 20 cm de altura.

Mr = (d / (a

(1,(2,(3, Esfuerzos Principales

(d = ((1
(1


(3


(2

Debido a la carencia de los equipos especializadores para determinar el módulo resilente, es posible la utilización de correlaciones en el C.B.R. Algunas de ellas se muestran en la figura 4 . Es de anotar que tanto la ecuación WES como la ecuación SHELL solo son validas para valores de C.B.R. menores a 10.
El módulo de elasticidad en las sub-bases y bases granulares se denomina Módulo de elasticidad dinamica E, y puede calcularse mediante la ecuación general :
Esub-base = K1 (K²
El valor del coeficiente k1,es función de estadode humedad de material .
K1 = 7000 si el material esta seco
K1 = 5400 cuando esta húmedo
K1 = 4600 cuando esta saturado

En la tabla 2 se muestran los valores de(, que son función del espesor esperado de la capa de rodadura asfaltica en la estructura del pavimento.

Tabla 2. Determinación Del Valor De ( Par Sub-Bases

|ESPESOR DE LA CAPADE RODADURA (CM) |( |
|(5.0 |10.0 |
|5-0 |7.5 |
|(10 |5.0 |

Nota. Estos valores son validos para espesores de sub-base entre 15 y 30 cm.

El módulo de las bases granulares de denomina igualmente Módulo de elasticidad Dinamico E, y se define según la ecuación que se muestra a continuación:

Ebase = (((K²

El valor de K1 es función de la humedad del material base y varía de 9000 en estado seco, 8000 cuando esta humedo y 3200 cuando se encuentra saturado. Por su parte el valor mas frecuente de K2 varía entre 0.50 y 0.70.

Tabla 3. Valores De ( En Materiales De Base Granular

|ESPESOR DE CAPA ASFÄLTICA
Mr DE LA SUBRASANTE |
|Cm |3000 |7500 |15000|
|(5.0 |20 |25 |30 |
|5-10 |10.0 |5 |20 |
|10-15 |5 |10 |15 |
|( |5.0 |5 |5 |


Los valores del módulo de elasticidad en las bases y en las sub-bases aumentan a medida que se incrementa su densidad, el grado de trituración de sus partículas y disminuye el grado de saturación.

2.4.1.3Estudio de las condiciones De Drenaje.
Las condiciones de drenaje ya sean buenas o malas que se presentan en la sub-rasante, son fundamentales para la estabilidad de la vía, ya que van a controlar el buen o mal manejo de la estructura de un pavimento. Los problemas de drenaje superficial o sub-drenaje (subterraneo) so de gran importancia en la construcción de carreteras; y se van a reflejar en los siguientes aspectos

• Duración de la estructura de pavimento
• Funcionamiento de otras estructuras
• Costos de conservación
• Disminución de la resistencia de la subrasante
• Contribuye a la licuación, expansión y tubificación de los suelos susceptibles de sufrir estos fenómenos.
• Afecta las propiedades físicas y químicas de la estructura de pavimento
• Disminuye el valor K de la sub-rasante ya que hay un aumento en la deformación
• Dificulta la conservación y el proceso constructivo de lavía

Una solución practica es la de dar al agua el mejor trato posible abundandole una circulación cómoda para ella y segura para la estabilidad de la vía. Esto se logra mediante la construcción de económicos y practicos sistemas de drenaje, entre los mas conocidos se tienen los siguientes:

DRENAJE SUPERFICIAL

• Pendiente transversal o bombeo
• Cunetas
• Bordillos
• Rondas o zanjas de coronación o contracunctas alcantarillas
• Las guarniciones los lavaderos
• Bajadas
• Bermas
• El uso apropiado de vegetación
• Canales interceptores



EL SUB.DRENAJE



• Filtros o sub-drenes

• Drenes horizontales

• Capas rompedoras de capilaridad

• Pozos verticales

• Galerías filtrantes

• Trincheras estabilizadoras

• Bases o sub-bases permeables


Otra solución propuesta es la de trabajar con valores de resistencia obtenidos en ensayos de laboratorio sobre muestras sometidas a condiciones extremas, como por ejemplo, saturar el especimen y rnedir su resistencia a la penetración, esta solución de ninguna manera implica descuidar o eliminar el drenaje en la vía pues no es lo mismo el efecto estatico del agua, al efecto producido cuando fluye en la estructura.

2.4.1.4 Estudio De La Estabilidad Volumétrica De La Subrasante.
Cuando se utiliza como material de subrasante suelos arcillosos o suelos con importante contenido de arcilla se van a presentar frecuentemente problemas de expansión, que van a repercutir en el comportamiento de la estructura.


1. Principales efectos que sufre un suelo expansivo.
Entre los principales efectos que produce un suelo expansivo en una estructura depavimento, se tienen


• Contracción por secado.

• Expansión por humedecimiento.

• Desarrollo de presiones de expansión en los su4os confinados en que se restringe la expansión.

• Disminución de la resistencia al esfuerzo cortante y de la capacidad de carga como consecuencia de la expansión.

1
2.4.1.4.2Daños producidos en un pavimento por los suelos expansivos.
Los efectos que sufre un suelo expansivo pueden presentarse de manera simultanea, afectando la estabilidad de toda la estructura de pavimento; entre los principales daños causados se encuentran los siguientes


• Levantamientos o hundimientos de la superficie de rodamiento que se traducen en desigualdades e irregularidades, aunque no se produzcan agrietamientos u otros daños.

• Agrietamiento longitudinal.

• Deformaciones localizadas, generalmente en las alcantarillas y que van acompañadas

• de agrietamientos.

• Agrietamiento generalizado en la carpeta (piel de cocodrilo con baches).

2.4.1.4.3 Evaluación de los efectos de un suelo potencialmente expansivo.
Cualquier intento que se haga ya sea en el laboratorio o en el campo, para tener en cuenta la presencia de un suelo expansivo en el comportamiento de una estructura de pavimento, debe partir de ciertas condiciones iniciales, como son

• La estimación racional de las condiciones de humedad en el momento de la construcción.

• La estimación de la consistencia, límite de contracción, así como otras propiedades que pueda tener en el momento de la construcción.

• Estimación de los cambios en el contenidode agua que van a ocurrir durante la vida útil de la estructura vial.

• El establecimiento de técnicas sencillas para clasificar los sti4os finos, ya sea en el campo o en el laboratorio y así poder detectar su potencial efecto expansivo.


4. Criterios para identificar suelos expansivos.

Los criterios que se siguen actualmente para la identificación de suelos finos de características expansivas, son


• Actividad de la arcilla ( Skempton).

• Grado de expansión de la Bureau Reclamation de los E.U.A. (Holtz y Gibbs).

• Criterio de Medowell

• Criterio de Seed

• Criterio de lambel



Criterio de SKEMPTON.

El señor Skempton propuso un criterio de clasificación de suelos expansivos teniendo en cuenta la actividad de la arcilla, ver tabla 4

Tabla4 CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS FINOS SEGÚN SU TENDENCIA A LA EXPANSION



| ACTIVIDAD | CATEGORIA DEL SUELO |
|Menor que 0,75 |Suelo Inactivo |
| 0,75 – 1.25 |Suelo Normal |
|Mayor que 1.25 |Suelo Activo |


Teniendo en cuenta la clasificación anterior es posible afirmar que las arcillas caoliníticas
Son inactivas, mientras que las illitas normales y las montmorillonitas son arcillas activas.

Criterio de la Bureau Reclamation de losE.U.A.
El criterio se basa en la intensidad del potencial de expansión de las arcillas, medio mediante el grado de expansión definido este como; el porcentaje de expansión de una muestra de suelo secada al aire y colocada después en un cosolidómetro, sumergida en agua y sometida a una presión vertical de 0.07 kg/cm².

Ademas el criterio anterior, es posible definir el potencial de expansión mediante otras características de las arcillas facilmente medibles, tales como: límite de contracción, él
Índice de plasticidad, el porcentaje de partículas menores de 1 micra y la expansión libre entre otras.
En la tabla 5 se resumen las principales características que tiene en cuenta este criterio.

Tabla 5. Clasificación De Suelos Expansivos Según la Bureau Of Reclamation De Los E.U.A (Holtz y Gibbs)

|POTENCIAL DE EXPANSIÓN |EXPANSIÓN EN CONSOLIDOMETRO BAJO PRESIÓN |PARTICULAS MENORES QUE
VERTICAL DE 0.07KG/CM² |LC |IP |UNA Micra (%) |E.LIBRE |
|(%) |(%) (%) |
|MUY ALTO |> 30 |< 10 |>32 |>37 |>100 |
|ALTO |20-30 |6-12 |23-45 |18-37 |>100 |
|MEDIO |10-20 |8-18 |12-34 |12-27 |50-100 |
|BAJO |13 |





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