uso de geosintéticos en pavimentos -...

Ing. Augusto Alza VilelaGerente Técnico Corporativo Grupo TDM

Past-President, IGS Perú

Uso de Geosintéticos enPavimentos

Congreso Nacional de Carreteras

Lima, 10 de Julio 2019

• Muy resistente

• Durable

• Impermeable

• Fabricado

• Muy caro

• Resistente

• Drenante

• Procesado

• Caro

• Resistencia moderada

• Drenante

• Material natural

• Económico

• Pobre

• Sensible a la humedad

• Suelo natural

Sección de un Pavimento Convencional

Fuente: Christopher et al. (2006)

Geosintéticos en Pavimentos

• Geotextiles

– Tejidos o no tejidos

– PP, PET

• Geomallas

– Uniaxial, biaxial, traxial

– HDPE, PP, PET, PVA

• Geoceldas

• Geocompuestos de drenaje

• Productos de Control de ErosionFuente: Geosynthetic Institute (GSI)

SOBRECAPA ASFALTICA

PAVIMENTO ORIGINAL

BASE

SUBBASE

SUBRASANTE

Funciones de Geosintéticos enPavimentos

Fuente: Zornberg (2017)

BASE

Separación

Refuerzo

Filtración

Barrera

Drenaje

SOBRECAPA ASFALTICA

PAVIMENTO ORIGINAL

SUBBASE

SUBRASANTE

Rigidización

Fuente: Zornberg (2017)

Funciones de Geosintéticos enPavimentos

Geosintéticos en PavimentosFunciones:1. Separación2. Filtración3. Refuerzo4. Rigidización5. Barrera

hidráulica6. Drenaje

Applications:1. Reducción de mezcla

entre capas2. Estabilización de

Subrasantes3. Estabilización de

Bases4. Mitigación de daños

ambientales5. Reducción de

humedad6. Retardo de la

reflexión de grietas

SOBRECAPA ASFALTICA

PAVIMENTO ORIGINAL

1. Reducción de mezcla entre capas: Funciones de GS

Fuente: Zornberg (2017)

BASE

SUBBASE

SUBRASANTE

Separación

Filtración

Los mecanismos identificados incluyen:• Bombeo de los finos de la subrasante:

– Los finos migran de la subrasante hacia los vacíos de la base

– La migración se da por las presiones de porosgeneradas en la subrasante

• Intrusión del agregado de base:– Penetración de partículas de agregado de la base en

la subrasante– Inducida por el mecanismo de falla local de

capacidad de carga

Reducción de mezcla entre capas:Mecanismos

Separación

Fuente: Koerner (2012)

Mecanismo de bombeo de finos hacia los vacíos del agregado de la base,

y su minimización usando un geotextil

Mecanismo de intrusion del agregado de base dentro del suelo de

subrasante, y su minimización usando un geotextil

Capa asfáltica

Geosintético

Base

Subrasante

Bombeo de

finos

Intrusión de

agregado

Reducción de mezcla entre capas

Sin separador Con separador

Fuente: Zornberg (2017)

SOBRECAPA ASFALTICA

PAVIMENTO ORIGINAL

BASE

SUBBASE

SUBRASANTE

2. Estabilización de Subrasantes: Funciones de GS

Rigidización

Refuerzo

Separación

Rigidización

Filtración

Estabilización de Subrasantes:Mecanismos

Los mecanismos identificados incluyen:• Efecto Membrana:

– Requiere deformación significativa en la subrasante– Provee una pequeña contribución a la estabilización

• Restricción Vertical en la subrasante:– Existe un incremento en el confinamiento vertical

provisto por el geosintético– Provee una contribución relevante en la

estabilización

Base

Subrasante

Falla por punzonamiento

Geosintetico en tension

Zona de distribución de esfuerzos

Geosintetico

Falla General

Soporte de carga

incrementado por el

Geosintetico

Confinamiento de

Subrasante

incrementado por el

Geosintetico

Estabilización de Subrasantes

Falla General

Subrasante no

estabilizada

Subrasante

estabilizada

Source: Zornberg (2017)

CARRETERA IQUITOS

NAUTA

(2003)

• Aplicable a suelos que tienen:

– CBR ≤ 3 (no sumergido) , o

– CBR ≤ 1 (sumergido)

• La solución de estabilización se define comola colocación de una capa de mejoramientodirectamente sobre el geosintético

• Existen metodologías de diseñoestablecidas

• El enfoque está en la reducción del espesorde la capa de mejoramiento

Estabilización de Subrasantes

CARRETERA IQUITOS

NAUTA

Construcción 2004-2005

Geomalla sobre subrasante blanda y capa de sub-base de arena

(a) Caso sin geosintético

• Espesor sin geosintético:

𝑐 =𝑃

2𝜋 𝑃/𝑝𝑐 + 2ℎ𝑜 tan 𝛼𝑜 𝑃/2𝑝𝑐 + 2ℎ𝑜 tan 𝛼𝑜

• Espesor con geosintético:

𝜋 + 2 𝑐 =𝑃

2 𝐵 + 2ℎ tan𝛼 𝐿 + 2ℎ tan 𝛼+

𝐸𝜀

𝑎 1 + 𝑎/2𝑆 2 1/2Fuente: Giroud and

Noiray (1981)

(b) Caso con geosintético

Estabilización de Subrasantes

Giroud&Han (2004)

➢ Basado en la teoría de capacidad de soporte,

modificada por la inclusión del geosintético• El Geosintético permite desarrollar la capacidad

última de soporte del suelo (límite plástico) contra el

límite elástico sin geosintético

➢ Caracterización del Refuerzo de Geomalla basada en su

capacidad de trabazón mecánica con la capa de base

Presión aplicada, p

d Deflexión

Sobrecarga Lateral, q Sobrecarga Lateral, q

Bajo condiciones no drenadas, la capacidad

última de soporte está dada por:

= +uult cN cp q

La sobrecarga, q, incrementa la capacidad de

soporte.

Giroud&Han (2004)

Fuente: Giroud and Han (2004)

Giroud&Han (2004)

d

p

SIN GEOSINTETICO

CON GEOSINTETICO

c uN c

+c uN c q

deflexión

aceptable

Esfuerzo

sobre la

subrasante

para

mantener

una deflexión

aceptable

Fuente: Giroud and Han (2004)

Ecuación Giroud&Han (2004)

ℎ =1 + 𝑘 log𝑁

tan𝛼0 ሻ1 + 0.204(𝑅𝐸 − 1

𝑃𝜋𝑟2

𝑠𝑓𝑠

1 − 𝜉 exp −𝜔𝑟ℎ

𝑛𝑁𝑐𝑐𝑢

− 1 𝑟

h = compacted base course thickness {m}

N = number of axle passes

k = constant dependent on base thickness and reinforcement

α0 = initial stress distribution angle = 38.5°

𝑅𝐸 = min𝐸𝑏𝑐𝐸𝑠𝑔

, 5.0 = min3.48𝐶𝐵𝑅𝑏𝑐

0.3

𝐶𝐵𝑅𝑠𝑔, 5.0

P = tire load {kN}

r = radius of equivalent tire contact area {m}

s = allowable rut depth {m}

fs = reference rut depth {m}

cu = subgrade undrained shear strength {kPa}

Nc = bearing capacity factor (5.71 for geogrid-reinforced roads)

ξ, ω, and n are constants calibrated by Giroud and Han (2004) using data from unpaved,

unreinforced roads (ξ = 0.9, ω = 1.0, and n = 2.0)

SOBRECAPA ASFALTICA

PAVIMENTO ORIGINAL

BASE

SUBBASE

SUBRASANTE

3. Estabilización de Base Granular: Funciones de GS

Rigidización

• Soporte por membrana tensionada

• Incremento de capacidad de soporte

• Restricción lateral

Los posibles mecanismos de refuerzo

provistos por los geosintéticos son:

Estabilización de Base Granular:Mecanismos

Fuente: Haliburton et al. (1981)

Soporte por membrana tensionada Incremento de capacidad de soporte

Restricción lateral

Estabilización de Base Granular:Mecanismos

Estabilización de Base Granular:

Beneficios

Los beneficios identificados incluyen:

• Minimización de la degradación del modulo de la base granular:– Control de los desplazamientos laterales de las

partículas de agregado de la base– Confinamiento a largo plazo del material de la base

granular

Geosintético Stress distribution

Restricción lateral

producida por el

geosintetico

Estabilización de Base Granular

Capa asfáltica

Base

Subrasante

Tendencia del agregado a

desplazarse lateralmente

Stress

distribution

Stress distribution

Base no estabilizada Base estabilizada

Fuente: Zornberg (2017)

CARRETERA IQUITOS NAUTA

Construcción 2004-2005

Geomalla de refuerzo de base granular y base de material chancado

CONDICIONDEL

PAVIMENTO

EXCELENTE

POBRE

Tráfico / Tiempo

CondiciónMínimaAceptable

DETERIORO

Tratamiento

aplicado

Predicción de la condición del pavimento

Los Pavimentos son diseñados por serviciabilidad!!

Diseño de PavimentosAASHTO

Ecuación de Diseño AASHTO 93

( ) ( )

( )

( ) 07.8log32.2

1

109440.0

5.15.4log

20.01log36.9log 10

19.5

10

101810 −+

++

−

+−++= RoR M

SN

PSI

SNSZW

Número Estructural

• W18 (carga)– Número de ESALs que define la vida del pavimento.

• SN (número estructural)– Número adimensional que expresa la resistencia estructural

– SN = a1D1 + a2D2m2 + a3D3m3 + …

• ΔPSI (cambio en el índice de serviciabilidad)– Cambio en el índice de serviciabilidad durante la vida del pavimento

– Típicamente de 1.5 a 3.0

• MR (módulo resiliente de la subrasante)– Típicamente de 3,000 a 30,000 psi (10,000 psi es moderadamente bueno)

Número Estructural SN

SN = a1D1 + a2D2m2 + a3D3m3 + …

a = coeficiente de capa

D = espesor de capa, en pulgadas

m = coeficiente de drenaje

Relación entre número estructural y las características de

las capas del pavimento:

Definición del Beneficio

• Traffic Benefit Ratio (TBR)

• Base Course Reduction (BCR)

Definición de TBR

Ratio entre tráficode diseño de loscasos reforzado y no reforzado para un espesor de base definido

U

R

N

NTBR =

W18 (reforzado) = TBR W18 (no reforzado)

Definición de TBR

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 20,000 40,000 60,000 80,000

Pases de tráfico

Ah

uellam

ien

to

TBR= 75,000/12,500 = 6

12,500 Pases 75,500 Pases

TBR= 4

Secciones reforzada y no reforzada de un pavimento con

las mismas propiedades y espesores de capas

No reforzada Reforzada

Definición de BCR

Reducción porcentualdel espesor de la base de un pavimentoreforzado respecto al no reforzado, para unamisma vida de diseño

SN = a1 D1 + a2 D2 / (1-BCR) m2 + ...

U

RU

D

DDBCR

−

−− −=

2

22D2-U

D2-R

La geomalla biaxial BX 1200 colocada

debajo de la base granular ha permitido los

siguientes beneficios:

1. Incrementa el módulo de la capa de base,

aproximadamente a 40,000 psi, al que

corresponde un coeficiente de capa de

0.17.

2. Esto permite la reducción del espesor y el

consiguiente ahorro en los costos del

pavimento.

CARRETERA IQUITOS

NAUTA

• Dada la lejanía de las fuentes de

agregados pétreos, el uso de la

geomalla BX1200, generó un ahorro

ascendente a un monto aproximado de

US$ 1´000,000.00, sólo en costo

directo (menor volumen de material) sin

considerar la disminución en el tiempo

de ejecución.

CARRETERA IQUITOS

NAUTA

MONITOREO DE TRAMO REFORZADO

CON GEOMALLA BIAXIAL BX1200

MARZO 2007

CARRETERA IQUITOS

NAUTA

• Los trabajos de campo se realizaron los

días 14 y 15 de marzo/2007.

CARRETERA IQUITOS

NAUTA

Deflexiones promedio y característica 26.9 y 14.6 % menores que las

determinadas al término de obra

Radios de curvatura mayores: 212 % promedio y 18.6 % crítico

Módulo resiliente (promedio) de la subrasante estimados en Marzo

2007 es 7600 psi y en Junio 2005 es 6600 psi

Resultados del monitoreo

La deflexión característica medida es menor que la deflexión admisible y el radio de curvatura crítico (95 percentil) mucho mayor de 80 m, por tanto el pavimento tendrá un buen comportamiento

Se estimó el valor del módulo de la base mediante retroanálisis,

obteniéndose que para un módulo de 45,000 psi el modelo se

ajusta para una deflexión de 94 x 10-2 mm y un radio de

curvatura de 95 m.

De no haberse colocado la geomalla BX 1200 de refuerzo, el módulo

de la base sería probablemente de 30,000 psi.

El espesor de pavimento hubiera tenido que ser mucho mayor.

Conclusiones del monitoreo

SOBRECAPA ASFALTICA

PAVIMENTO ORIGINAL

BASE

SUBBASE

SUBRASANTE

Rigidización

4. Mitigación de Daños Ambientales: Funciones de GS

Part of unit (generally less than 50%) consists of clay having high swelling potential

Part of unit (generally less than 50%) consists of clay having high swelling potential

Unit contains abundant clay having high swelling potential

Unit contains abundant clay having high swelling potential

Arcillas Expansivas

Fuente: USGS 1989

Mitigación de Daños Ambientales :Mecanismos

Loss mecanismos identificados incluyen:• Restricción lateral:

– Para mantener el confinamiento de la base– Para mantener homogeneidad en las propiedades

mecánicas de la base

• Adición de ductilidad de la capa base:– Para minimizar la concentración de esfuerzos que

inician las fisuras longitudinales– Para mantener la integridad de la capa base

Perfil Original de rasante

CL

Ubicación de grietaslongitudinales

Mitigación de Daños Ambientales(Pavimentos sobre Arcillas Expansivas)

Fuente: Zornberg and Gupta (2009)

Geomalla Sección 1: Sin grietas

longitudinales

Sección de Control: Grietas

Longitudinales

Geomalla Sección 2: Sin grietas

longitudinales

Efecto del Refuerzo Geosintético

Lección: El Refuerzo con Geomallas previno el

desarrollo de grietas longitudinales

FM 1915 (Milam County)

Fuente: Zornberg and Gupta (2009)

Estabilización de Bases sobre Subrasantes de Arcillas Expansivas

• Los Refuerzos Geosintéticos permiten minimizar losefectos dañinos de las subrasantes de suelosexpansivos en pavimentos flexibles.

• Pruebas de campo con 32 secciones de pruebademostraron el efecto benéfico de los geosintéticos.

• Comparadas con las secciones no reforzadas, el tratamiento con cal mitigó el ahuellamiento. Sin embargo, el tratamiento con cal de la subbase no mostró ningún beneficio en mitigar las grietaslongitudinales.

Investigación de Campo en desarrollo

• Estabilización Mecánica (refuerzogeosintético):

– Sección de Control (sin refuerzo)

– Geosintético 1

– Geosintético 2

– Geosintético 3

• Estabilización Química (cal):

– Sección de Control (sin cal)

– Estabilización con cal

Fuente: Roodi and Zornberg (2012)

Conclusiones sobre refuerzo de base

• Resultados de campo, laboratorio y estudios numéricoshan demostrado los beneficios de usar geosintéticos para estabilizar bases de pavimentos flexibles.

• Investigaciones previas han permitido la cuantificación de tales beneficios, usando un enfoque empírico.

• TBR y BCR son usados por AASHTO para el diseño.

• El Refuerzo Geosintético minimiza los efectos perjudicialesde las arcillas expansivas.

• El estado de la práctica avanza rápidamente hacia la identificación de las propiedades que gobiernan estemecanismo.

Resumen General • Las aplicaciones de geosintéticos en pavimentos pueden

ser asociados a funciones y mecanismos bien definidos• Existen significativas oportunidades para mejorar el

desempeño del pavimento mediante el uso de geosintéticos en diversas aplicaciones

• Se ha realizado un importante progreso en identificar y cuantificar las propiedades asociadas con las funcionesdel GS, relevantes para las diferentes aplicaciones

• Existe normatividad AASHTO para la introducción de losgeosintéticos en el refuerzo de las capas de base granulares

• Tenemos experiencia peruana comprobable

¿Preguntas?

…muchas gracias