estudio de canteras y diseÑo de pavimentos

MEJORAMIENTO DE LA TRANSITABILIDAD VEHICULAR Y PEATONAL DE LA AVENIDA ALEMANIA EN LA URB. SATELITE CHICO EN EL DISTRITO DE JOSE LUIS BUSTAMANTE Y RIVERO

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ESTUDIO DE SUELOS Y DISEÑO DE PAVIMENTOS

PROYECTO: MEJORAMIENTO DE LA TRANSITABILIDAD VEHICULAR Y PEATONAL DE LA AVENIDA ALEMANIA EN LA URB. SATELITE CHICO EN EL DISTRITO DE JOSE LUIS BUSTAMANTE Y RIVERO AREQUIPA- AREQUIPA

1. ANTECEDENTESSe han realizado estudios geotécnicos de Arequipa, por parte de los ingenieros Yanqui y Aguilar en los años 1990 y 1991, respectivamente donde se establecen características específicas, sobre todo sobre la capacidad portante del suelo en la zona donde se ejecutará el presente proyecto

2. OBJETIVODebido a la poca importancia estructural del proyecto, por tratarse de calles con poco o casi nada de tránsito de vehículos pesados o con pendientes muy fuertes donde sería poco probable y hasta sumamente riesgoso que transiten vehículos pesados; es que el objetivo de la presentación de este estudio de Ingeniería es tomar como base sus resultados, como son la capacidad portante del suelo y las condiciones propias de la zona de trabajo y con estos parámetros, diseñar los pavimentos a nivel de base y superficie de rodadura tanto rígida como flexible (asfáltica), con capacidad estructural suficiente y adecuada para soportar las cargas actuales y futuras proyectadas; es decir debe ser capaz de la fluencia del tráfico proyectado para la vida útil estimada con una serviciabilidad que brinde seguridad y confort a los usuarios. En consecuencia se reducirán los costos actuales de operación tanto de carga como de pasajeros. Por ello es que se ha prescindido de un estudio localizado del suelo y es suficiente considerar conservadoramente los parámetros del estudio global.

3. UBICACIÓN.El área de estudio se encuentra ubicado a una cota promedio de 2,340 msnm, dentro de la jurisdicción del Distrito Municipal de Jose Luis Bustamante y Rivero, dentro de la Provincia de Arequipa, en la Región Arequipa

4. CLIMADe acuerdo al SENAMHI, el clima en la zona corresponde a una topografía ondulada seca subtropical (dd-s), la biotemperatura media anual máxima es de 16 grados centígrados y la media mínima de 5 grados centígrados el promedio máximo de precipitación por año es de 72.4 milímetros y el promedio mínimo de 50 milímetros por día.

5. ESTUDIO DE SUELOS

5.1 CARACTERISTICAS DEL SUELOSegún los parámetros que arrojan los estudios antes mencionados, y de acuerdo a los mapas e índices que allí figuran, los cuales se adjuntan a este documento.

La característica del suelo en donde se realizarán las pavimentaciones, corresponde a un suelo Q-fb1, Q-fb2 y Qr-e, que se refiere a Flujo de Barro Brechoso, Flujo de Barro Rosáceo y material Aluvial Reciente respectivamente; enmarcado dentro de la Zona C, que señala la presencia de Suelos Erráticos, Aluviales, Gravas, y Arenas compactas, con condiciones favorables y capacidad portante entre 1.0 y 2.5 kg/cm2 y niveles freáticos mayores a 5 metros de profundidad y periodos predominantes de 0.3 a 0.45 seg.


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Dentro del Sistema Unificado de Clasificación de Suelos, la zona de proyecto corresponde a suelos del tipo GM-pA-sS cuyo contenido se refiere a suelos de gravas limosas, mezclas de grava-arena-arcilla, pobremente graduadas.

a) Capacidad Portante del suelo de Fundación.Se ha considerado conservadoramente para el suelo de fundación del proyecto una capacidad portante de 2.0 kg/cm2

De acuerdo al trafico de diseño (EAL=0.12 * l0^6), se empleará el percentil 75% en consecuencia del C.B.R de diseño será 17% (al 95% de la máxima densidad seca).

6.0 ANÁLISIS DEL TRAFICO

El pavimento debe ser diseñado para que sirva a las necesidades del trafico durante un cierto numero de años (periodo de diseño), por lo tanto se debe predecir su crecimiento para determinar las necesidades estructurales del pavimento para la estimación no fue posible contar con historias de crecimiento de trafico por falta de una política de censos y los problemas de orden social han permitido que no cuente con datos históricos mínimos para el análisis indicado.

Se tiene solo como antecedente el conteo efectuado durante la ejecución de los estudios de suelos, el cual consistió en una encuesta origen destino de los vehículos, el trafico encontrado se caracteriza por la circulación de vehículos ligeros, autos, camionetas (No mas de 50 vehículos) y combis camiones de 02 ejes (no más de 5 vehículos), cabe resaltar que dicho conteo se efectuó en estados normales de trafico, ya que no existe mayor flujo vehicular.

Trafico Diario Estimado 120 vehículos. Tasa de Crecimiento 1.5 % (estimado) Periodo de Diseño 10 años

El EAL durante el periodo de diseño es:

Datos:

ADT=120 vehículos

T=0.67

Tf=3.73

D=0.5

L=0.5

Y=10 años

G=10.7


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En consecuencia y dado el poco significado de trafico actual, se establece un trafico de acuerdo a la categoría de la vía, con este valor se espera salvar la incertidumbre del crecimiento vehicular, una vez pavimentadas las vías (independientemente de la tasa normal de su crecimiento), sirviéndonos de base de conteo efectuado, considerándose para efecto de diseño un:

repeticiones

7.0 DISEÑO DEL PAVIMENTO

El pavimento es la capa o conjunto de capas de materiales apropiados, comprendidos entre la superficie de la subrasante y la superficie de rodadura, cuyas principales funciones son las de proporcionar una superficie uniforme, de textura apropiada, resistente a la acción del transito, intemperismo y de otros agentes perjudiciales, así mismo transmitir adecuadamente al terreno de fundación, los esfuerzos producidos por las cargas impuestas por el trafico. En otras palabras, el pavimento es la superestructura de la obra vial, que hace posible el transito fluido de los vehículos, con la seguridad confort y economía prevista por el proyecto,

La estructura del pavimento, así como las características de los materiales empleados en su construcción, ofrecen una variedad de posibilidades de tal manera que se pueda estar formado por solo una capa o varias, a su vez dichas capas pueden ser de materiales naturales seleccionados, procesados o sometidos a algún tipo de tratamiento o estabilización. La superficie de rodadura propiamente dicha puede ser una carpeta asfáltica, un tratamiento superficial (monocapa, bicapa, tricapa, etc) o una de material granular con resistencia al desgaste y límites de consistencia específicos.

8.1 PARÁMETROS DE DISEÑOCon los valores antes indicados se resumen los datos necesarios para el diseño del pavimento en:

EAL = 0.12*10^6 Factor Regional = 0.5 índice de Serviciabilidad Fina 1 = 2.5C.B.R(95%MDS) = 17%

8.2 DISEÑO ESTRUCTURALPara efectos de determinar el espesor de la estructura nueva, se utiliza el método de diseño para pavimentos flexibles de la American Association of State Highway and Transportation Offícials (AASHTO).

El método AASHTO permite calcular el espesor del pavimento necesario para satisfacer un valor estructural determinando este valor o número estructural (SN), se asegura que la estructura diseñada sea capaz de soportar un flujo determinado de trafico (EAL), sin que los esfuerzos inducidos excedan la capacidad de soportar el suelo de subrasante (C.B.R),

Con los datos indicados se obtiene un número estructural de:

SN=1:71

Con el cual se obtiene la siguiente estructura.

Carpeta asfáltica : 5.00 cm.


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Base granular : 15.00 cm.

8.3 ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO PROPUESTO

Se asumirá para este proyecto la siguiente estructura:

Carpeta asfáltica : 5.00 cm. Base Granular : 15.00 cm.

9. ESTUDIOS DE TRÁFICO Y DISEÑO GEOMÉTRICO

9.1 ESTUDIOS DE TRÁFICO

Es necesario definir un Índice Medio Diario (IMD), el que transita por la zona del proyecto no supera las 60 unidades/día, desde ligeras (autos y camionetas), hasta vehículos de mediano tonelaje y longitud, se considera porcentajes de vehículos semi pesados de 9%. Dada la incertidumbre de los datos de tráfico se optará por un periodo de diseño de 10 años y cuya tasa de crecimiento del mismo se establece en 1.5% anual.

El Bajo IMD (55 vehículos / día) que presenta e! proyecto y su influencia en el diseño, se hace necesario seleccionar un adecuado método para obtener valores de ESAL acordes con la clase y tipo de proyecto, Para ello se utilizará el Método desarrollado por T.R.B en su manual "Systhesis 4 Structural Desing of low Volume Roads, donde el IMD es afectado por un valor (M) de tráfico mixto de acuerdo a tres categorías de porcentajes de camiones (bajo, medio y alto) y tres categorías de carga (ligero, medio y alto).

DISTRIBUCIÓN DE CARGA (N18 por camión)

Porcentajes de Camiones

Bajo

(menor de 15%)

Medio

(15%-25%)

Alto (Más de 25%)

Ligeros (Menor de 0.75) 9 18 27

Medio (0.75-1.5) 23 46 69

Pesado (más de 1.5) 37 73 110

El período de diseño para pavimentos flexibles es de 10 años, entonces los datos de diseño, considerando la información anterior, es la siguiente.

IMD = 120Tasa de crecimiento = 1.5% Período de diseño =10 añosDistribución de carga = Medio Porcentaje de camiones medianos = 9 %

Aplicando estos datos a la siguiente fórmula


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N18 (n años) = IMD x M ((1+n n -1)x Ln(1+Í)

IMD = Índice Medio DiarioM = Factor de composición de tráficoI = tasa de crecimientoN = periodo de diseño

Obtenemos los siguientes números de ejes de repeticiones a eje de 8.2 tn de acuerdo al porcentaje de vehículo pesados.

N18 (años) = 55 x 23 x 148.9 = 1.88 x 105 (8.7% de vehículos pesados)

9.2 DISEÑO GEOMÉTRICO

De acuerdo a las Normas Peruanas para el Diseño de Carreteras, de la Dirección de Infraestructura Vial del Ministerio de Transportes y Comunicaciones se ha determinado las características geométricas de la via como sigue:

Clasificación de la via, Mediante el tráfico de diseño se determinará las características geométricas de la vía. El volumen considerado será el Índice Medio Diario (IMD), en este caso se tiene un tráfico inferior a los 400 vehículos por día, por lo tanto se trata de una carretera de 3° Clase.

Velocidad Directriz, en base al tipo de topografía de la zona y a la clasificación de la vía, la Velocidad Directriz a considerar es de 30 Km/h.

Pendientes Máximas, los límites máximos de las pendientes se establecerán teniendo en cuenta la seguridad y la capacidad de ascenso de los vehículos más pesados que circularán por el camino; el limite fijado es de 10 %.

Ancho de la Superficie de Rodadura, que está en función a los volúmenes de tráfico, de las dimensiones de los vehículos que circularán por el camino y de la Velocidad Directriz adoptada., corresponde una ancho de rodadura de 4.00 m.

Bombeo, el bombeo transversal de la superficie de rodadura será de 2%.

Radios Mínimos, los radios mínimos que se adoptarán para las curvas circulares estarán en función de la Velocidad Directriz (Vd.), del Peralte (p) y del coeficiente de fricción lateral entre la llanta y el pavimento), en este caso se tiene como Radio Mínimo = 10 m.

10.00 DISEÑO DE PAVIMENTOS

10.1 DISEÑO DE PAVIMENTO ASFALTICO

A. DISEÑO DE MEZCLA ASFÁLTICA EN FRIO

Se ha considerado para este proyecto el diseño de mezcla asfáltica en frío.


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a. Ensayos de Laboratorio

Las muestras serán clasificadas e identificadas siguiendo las recomendaciones y procedimientos indicados en ASTM D -2448 "Práctica Recomendada para la descripción de Suelos", Las muestras representativas serán sometidas a los siguientes ensayos:

• Análisis Granulométrico por tamizado (ASTM C-131)• Constantes físicas.• Limite liquido (ASTIvl D-423) Limite plástico (ASTM D-424)

b. Ensayos especiales.

• Ensayo Proctor Modificado (ASTIvl 13-1557)• Ensayo C. B.R (AASHTO T-180- D)

Basándose en la información obtenida durante los trabajos de campo y los resultados de los ensayos de laboratorio, se efectuó la clasificación de los suelos (Sistema SUCS y AASHTO).

B. DISEÑO DE PAVIMENTO

El pavimento es el conjunto de capas granulares de materiales apropiados que conforma una estructura que es colocada sobre la superficie de la subrasante adecuadamente preparada y diseñada 'tanto en calidad y espesor que lo hace resistente la acción de tráfico, intemperismo y otros agentes perjudicial. La acción fundamental es la transmisión adecuada de los esfuerzos de las cargas del tráfico al terreno de fundación durante su vida útil. En conjunto hace posible el tránsito fluido de vehículos, con seguridad, confort y economía.

La estructuración del pavimento obedece a la selección de materiales y métodos de diseño que por su naturaleza sean, convenientes para los requerimientos que se estén persiguiendo. Por otro lado es común establecer los datos básicos para el diseño, es decir: tráfico, tipo de suelo de la subrasante (suelo de fundación), importancia de la vía, condiciones de drenaje, etc. El diseño de pavimentos flexibles, materia del presente tendrá como consideraciones básicas los datos señalados y como superficie de rodadura una carpeta asfáltica en frío.

C. METODOLOGÍA DE LA AASHTO (1993)

La versión de la gula AASSTHO 86 y 93 realiza modificaciones en su metodología agregando nuevos parámetros que afectan la confiabilidad de diseño y reemplazando otros.

Los factores de aporte estructural son castigados por coeficientes de drenaje dependiendo de la calidad de las capas granulares, los que reemplazan el Factor Regional utilizando versiones anteriores, por otro lado se sigue utilizando en su mismo concepto e! tráfico, índice de Serviciabilidad y tipo de suelo de Fundación. La metodología AASHTO determina un Número estructural (SN) sobre el cual se encuentra el pavimento de acuerdo a la disponibilidad de materiales y recomendaciones señaladas en la guía.


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De acuerdo a las condiciones propias de la zona de proyecto, a continuación se indican los siguientes datos de diseño.

Zr = Standard Normal Deviate : - 0.841 (confiabilidad de 80%)So = Overall Standard Deviation : 0.45 Pi= Serviciabilidad Inicial : 4.20Pt= Serviciabilidad final : 2.5 a1= Coeficiente estructural de C:A : 0.17/cm a2= Coeficiente estructural de B.G : 0.10/cmm2 = Coeficiente estructural de B.G : 1.00a3= Coeficiente estructural de S.B.G : 0.04/cmm3 = Coeficiente de drenaje S.B.G : 1.0W18 = Trafico de diseño : 1.55 x105

Mr = Mód. resilente de la subrasante : 5500psi (CBR=18% al 95%MDS)

Aplicando la ecuación de Diseño, se obtiene un Numero estructural (SN) igual a 1.72. Asi mismo, la guía recomienda espesores mínimos para la carpeta asfáltica en función del tráfico de diseño que garantice la transmisión de los esfuerzos en la estructura de! pavimento y en la subrasante.

N 8.2 Espesores mínimos en pulgadas

Concreto asfáltico Base granular

50001 -150000 2.0 6.0

Por lo tanto, tomando en consideración todos los datos antes mencionados se tendrá la siguiente estructuración del pavimento.

Estructura Espesor (pulg)

Carpeta Asfáltica en frío 2.0 pulg

Base Granular 6 pulg


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10.2. DISEÑO DE PAVIMENTO RIGIDO

A. METODOLOGIA

Las losas sobre terreno frecuentemente se diseñan como losas de concreto simple, en las que el refuerzo, si se usa en cualquier forma, sirve de una manera diferente a proporcionar resistencia a la losa no agrietada.

El propósito de una losa de concreto simple sobre el terreno es la de trasmitir cargas a la subrasante con un mínimo de dalos, los métodos de diseño, consideran la resistencia de la losa de concreto en base a las propiedades del concreto no fisurado y sin refuerzo.

Para este proyecto se ha considerado el método de la PCA (Asociación de Cemento Pórtland, el cual está basado en el análisis PICKETT, donde, las variables usadas son la resistencia a la flexión, el esfuerzo de trabajo, el area de contacto y espaciamiento entre ruedas y el módulo de subrasante. Los módulos asumidos son la relación de Poisson (0.15) y el módulo de elasticidad del concreto (4000 ksi). El método de la PCA es para cargas interiores únicamente; esto para el caso de zona interior de la losa.

Para el caso de borde, se utilizará el método de COE (Método de Cuerpo de Ingenieros), el que considera cargas por rueda y cargas axiales, aplicadas en el borde o en la junta. El método de COE, está basado en la fórmula de WESTERGAARD, para esfuerzos de borde en losas de concreto sobre el terreno, el efecto de borde es reducido por un coeficiente de transferencia en la junta de 0.75, el cual toma en cuenta la transferencia a través de la junta. Las variables son la resistencia de concreto a la flexión, el módulo de subrasante y la categoría del índice de diseño, el factor de impacto de 25%, módulo de elasticidad del concreto de 4000 ksi, una relación de Poisson de 0.20, el área de contacto de cada rueda y los espaciamientos entre ruedas.


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CASO ZONA CENTRAL

Datos:

Carga por eje : 24.25 kipsArea de Contacto : 195.25 plg2Espaciamiento entre Ruedas : 72 plgMódulo se Subrasante K : 200psi (de acuerdo a cap. portante obtenida)Resistencia del Cº f’c : 3,000 psi (210 kg/cm2)Módulo de Rotura : 570 psi (40 kg/cm2)Factor de Seguridad : 1.2Esfuerzo Permisible : 335 psi (23.5 kg/cm2)


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Entrando los datos al Abaco, podemos observar que el espesor del pavimento rígido de concreto simple en la zona central es de 6” (0.15 m.).

CASO ZONA DE BORDE

Datos:

Indice de Diseño: Interpolando se obtiene 3.34


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Del Abaco de obtiene para la zona de borde un espesor de 5 3/4”, consideramos 6” (0.15m.).

Por tanto se tendrá:

Capa de Base granular principalmente de material gravoso arcilloso con un CBR=17%, para las Calles Nº 1 y Venezuela y el Pasaje Nº2.

Carpeta Asfáltica en frío de 2” (0.05 m.), para la Calle Nº 1 y el Pasaje Nº 2.

Pavimento Rígido de concreto simple f’c=210 kg/cm2 (20 MPA), con espesor de 6” (0.15 M.), en losas de 3 metros por 3 metros, separadas por juntas asfálticas de 1”

El bombeo en todas las vías será menor de 2% Se construirán cunetas de concreto a ambos lados de las superficies de

rodadura, sólo en las calles Nº 1 y Venezuela, pero no en el pasaje.

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