MEJORAMIENTO DE SUELOS MEJORAMIENTO DE SUELOS DE LA SUBRASANTEDE LA SUBRASANTE

ING. ROBERT MARTINEZ DONGOESPECIALISTA DE SUELOS Y PAVIMENTOS

- PVDDOCENTE UNI – FIC - DATVT

I. Objetivo

El objetivo principal es determinar sectores de suelos inadecuados, para su mejoramiento con sus respectivas dimensiones (largo, ancho y profundidad de reemplazo de suelos inadecuados). Estos sectores serían mejorados (reemplazo) por suelos cuyas características técnicas superen las deficiencias descritas en el presente capitulo.

II. II. Criterios para Determinar Suelos Inadecuados

A partir de las características físicas y mecánicas de los suelos, se ha establecido criterios de selección, con la finalidad de poder establecer los sectores con presencia de suelos inadecuados, los mismos que pasamos a describir

2.1 Valoración del Suelo de Subrasante (AASHTO).

De acuerdo a la figura adjunta del apéndice CC-1, Mechanistic- Empirical Design of New & Rehabilited Pavement Structures 2002, se observa que la clasificación de suelos AASHTO califica a los suelos de subrasante en 4 categorías, los suelos A-1, A-2 y A-3 presentan una calificación como suelo de subrasante de excelente a bueno, los suelos A-4 hasta A-5 califican como suelo de subrasante de regular a malo y los suelos A-6 y A-7 califican como suelo de subrasante malo.

Para el presente proyecto se está contemplando mejorar a los suelos que se encuentren dentro de la categoría de suelo de subrasante mala.

2.2 Descripción de los Suelos de Fundación.

Otras formas de clasificar el comportamiento del suelo que se ha tomado en cuenta para el análisis de sectores que presentan suelos inadecuados es mediante la capacidad de soporte (CBR), la cantidad de arcilla y el índice de grupo.

En la etapa de estudio se determina el CBR de Diseño, considerando que este se encuentra al 95% de la MDS, es probable que se presenten suelos de baja capacidad de soporte que se encuentren por debajo de este nivel de compactación, siendo así la resistencia ofrecida inferior a la supuesta, también se encontrará suelos cuya humedad se aleje demasiado del OCH de la misma manera esto originará que la compactación de este suelo natural no sea la supuesta en la etapa de Diseño.

Siendo que no se puede determinar la verdadera resistencia en sus condiciones naturales de densidad y humedad, ya que el ensayo de CBR se trabaja bajo condición óptima y posterior saturado, se tratará en lo posible de eliminar todo suelos calificados como muy pobre y pobre.

De esta manera se garantizará que la estructura del terraplén este conformado por capas consolidadas (afirmado antiguo) y materiales granulares provenientes de mejoramiento del terraplén anterior así como mejoramientos de subrasante y ampliación de la plataforma.

Asimismo, de acuerdo al Manual Peruano de Carreteras Suelos, Geología, y Pavimentos, se tiene las siguientes características y clasificaciones de suelos, según el índice de plasticidad e índice de grupo (AASHTO) respectivamente.

2.3 Otros criterios para proponer Mejoramiento

Índice de Consistencia : Grado de Trabajabilidad del suelo de acuerdo a su humedad y Límites de Attemberg.

Índice de Liquidez : Inestabilidad del suelo al absorber agua rápidamente.

Suelos Expansivos : Arcillas Expansivas capaces de producir levantamiento de la plataforma.

Suelos Comprensibles : Arcillas que pueden sufrir asentamientos considerables por el peso del Terraplén o las cargas vehiculares.

a. Índice de Consistencia

Los límites de consistencia están relacionados con la humedad en el Índice de Consistencia (Arquié, 1972), mediante la siguiente expresión:

Dónde:Ic : Índice de ConsistenciaLL : Límite LíquidoW : HumedadIp : Índice de Plasticidad

IpWLLIc

Si el valor tiende a Cero es indicativo que se encuentra en el estado Líquido y si tiende a 1.0 indicará que está en su estado sólido, en el intermedio existen otros estados en los cuales será posible o no la trabajabilidad del suelo dependiendo de la Humedad y Límite Líquido. El Índice de Consistencia puede clasificar de acuerdo a la siguiente Tabla:

Índice de Consistencia Caracterización

< 0.00 El suelo es líquido

0.00 – 0.25 Semi Líquido

0.25 – 0.50 Plástico muy blando

0.50 – 0.75 Plástico blando

0.75 – 1.00 Plástico Duro

> 1.00 Estado Sólido

b. Índice de Liquidez

Cuando el suelo absorbe grandes cantidades de agua y muy rápidamente se produce una pérdida de resistencia y un desequilibrio en sus partículas. Se puede calcular de la siguiente manera: “Diferencia entre la Humedad y Límite Plástico, todo dividido entre el Índice Plástico”, según Reynolds, Henry y Protopodokes P.

IpLPWIl

Dónde:Il : Índice de LiquidezW : HumedadLP : Límite plásticoIp : Índice de Plasticidad

Cuando el valor del Índice de Colapso supera la unidad es indicativo de que ocurra el colapso, presentándose el suelo como una masa viscosa. Pero si el la Humedad es menor que el Límite Plástico el valor resultante es negativo, indicativo que la consistencia del suelo es bastante seca y no se pueda amasar ni es trabajable.

c. Suelos Expansivos

Los suelos arcillosos presentan características de expansividad, es decir sufren grandes cambios de volumen cuando absorben agua afectando su estabilidad volumétrica y características de resistencia al esfuerzo cortante. . Los principales efectos que un suelo expansivo puede producir a un pavimento flexible son:

Contracción por secado. Expansión por humedecimiento. Desarrollo de presiones de expansión en los suelos

confinados en que se restringe la expansión. Disminución de la resistencia al esfuerzo cortante y

capacidad de carga como consecuencia de la expansión.

El Potencial de Expansión se determina a partir de los Índices de Consistencia, humedad o clasificación del suelo. También puede definirse en base al Límite de Contracción, Índice Plástico, % de partículas menores a una micra y la expansión libre. La siguiente es una clasificación según Raman (1967).

Potencial de Expansión Índice de Plasticidad Límite Líquido

Muy alto >32.0 > 70.0

Alto 23.0 – 32.0 50.0 – 70.0

Medio 12.0 – 23.0 35.0 – 50.0

Bajo < 12.0 20.0 – 35.0

d. Suelos Compresibles

Los asentamientos de los suelos cohesivos pueden ser causa de grabes problemas a nivel superficial del Terraplén. Estos asentamientos pueden causar:

Pérdida de bombeo, la presión en el terraplén es mayor bajo el centro de la corona que bajo los hombros.

Los asentamientos diferenciales en el sentido longitudinal por heterogeneidad en el terreno de cimentación; en especial en los ensanches de la plataforma donde se ha efectuado un mejoramiento por presencia de suelo fino y que aún puede sufrir algún grado de asentamiento debido al peso del terraplén y de vehículos.

Disminución de la altura del terraplén es posible cuando se atraviesan zonas inundables o inundadas.

En suelos de Compresibilidad relativamente baja, CL y ML no se plantean problemas especiales, es diferente el panorama cuando el terreno de cimentación está constituido por Limos o Arcillas altamente Compresibles, suelos OH, MH, CH y Pt. Según Carlos Crespo Villalaz, determina el grado de Compresibilidad de un suelo en función del Índice de Compresibilidad:

Cc Compresibilidad

0.00 - 0.19 Baja

0.20 - 0.39 Media

0.39 - 0.40 Alta

Terzaghi y Peck, demuestran que el índice de compresibilidad de un suelo puede ser expresado en función al límite líquido, la expresión es la siguiente (W. Lambe - R. Whitman, "Mecánica de Suelos"),

Cc = 0.009(LL-10)

Con esta expresión podemos calcular inmediatamente la Compresibilidad de un suelo en el cual se considera como inadecuado cuando el índice de compresibilidad (Cc) es mayor o igual a 0.20.

DETERMINACIÓN DEL ESPESOR DE MEJORAMIENTO DE SUELOS

1. Método Manual Peruano (AASHTO 93)

Este método es recomendado por el Manual de Carreteras Suelos, Geología, Geotecnia y Pavimentos - 2013. Sección “Suelos y Pavimentos”. Este procedimiento de cálculo para determinar en sectores localizados, el espesor de material a reemplazar se aplicará solo en casos de subrasantes pobres, con suelos de plasticidad media, no expansivos y con valores soporte entre CBR ≥ 3% y CBR < 6%, calculándose según lo siguiente:

a. Se calculará el número estructural SN del pavimento para 20 años, el material a emplear tendrá un CBR ≥ 10% e IP menor a 10, o en todo caso será similar.

Cuando en los sectores adyacentes al sector de sustitución de suelos presentan un CBR >10%, para el cálculo del SN se utilizará el mayor valor de CBR de diseño, que representa el material de reemplazo, este número estructural SN calculado se denominará SNm (mejorado), luego se calculará el SN del pavimento para el CBR del material de subrasante existente (menor a 6%), que se denominará SNe (existente).

b. Se realizará la diferencia algebraica de números estructurales

c. Habiéndose escogido el material de reemplazo (CBR ≥ 10%) a colocar (según SN Calculado), se obtendrán los valores correspondientes de coeficiente estructural (ai) y coeficiente de drenaje (mi), luego de obtener dichos valores se procederá a obtener el espesor E, aplicando la siguiente ecuación:

Siendo:

E: Espesor de reemplazo en cm.ai: Coeficiente estructural del material a colocar en cm.mi: Coeficiente de drenaje del material a colocar.

Asimismo, según el Manual de Carreteras, Suelos, Geología, geotecnia y pavimentos: Sección Suelos y Pavimentos hace las recomendaciones siguientes para los espesores de reemplazo, en el siguiente cuadro:

2. Método del Esfuerzo Admisible (Pavimento)

Este método contempla la falla del pavimento, considerando los esfuerzos actuantes y admisibles, donde el esfuerzo vertical z de la subrasante supera el límite admitido por ella, caso en el cual se presenta una deformación permanente y por consiguiente un ahuellamiento en el pavimento.

Es decir, en una estructura de pavimento se debe cumplir que el esfuerzo vertical de comprensión sobre la subrasante debe ser menor que el esfuerzo vertical admisible de compresión sobre la misma, con el objeto de controlar el ahuellamiento del pavimento y la deformación de la subrasante.

Esfuerzos Admisibles

Los límites admisibles se pueden obtener con las ecuaciones que se muestran en el siguiente cuadro recomendadas por algunos organismos internacionales de investigación.

Ecuación de Esfuerzo Unidad Autores

Kg./cm2

C = 0.008 (JEUFFROY)

C = 0.007 (Dormon & Kerhoven)

C = 0.006 (ACUM & FOX)

MpaCentro de investigaciones viales de Bélgica (CRR), CBR en %

ADOPTADO

)(7.01/ NLogEC SRz

35.4/12.1 )(09607.0 NCBRz

)(7.01/007.0 NLogESRz

Donde N es el número de solicitaciones del eje estándar de 8.2 toneladas, los cuales son los mismos considerados para el diseño de pavimentos para los sectores evaluados, para este caso consideraremos el W18 para 20 años.

El análisis se basa en el comportamiento de los esfuerzos que se desarrollan en el interior de la estructura del pavimento cuando es solicitada por las cargas externas.Para la obtención de los parámetros que alimentaran las ecuaciones del modelo, se consideró aproximaciones posibles recomendadas por diversas fuentes de información.

Consideración para Esr (Terreno Natural)

Consideramos al terreno natural con un suelo inestable y blando de origen arcilloso o limoso con CBR variable y un espesor infinito.Para el cálculo del módulo de elasticidad del terreno natural, se ha usado la siguiente correlación para suelos blandos recomendadas por JEUFFROY Y BACHELEZ.

65.05.6 CBRESR (MPa)

Cálculo del Espesor de Reemplazo de Suelos Inadecuados

La metodología para la determinación del espesor de reemplazo de suelos inadecuados en pavimentos, se apoya en los principios de la teoría elástica y la mecánica de pavimentos.

Estos valores se plotearán en una curva Esfuerzos v.s. Profundidad, donde por medio de la capacidad portante admisible, se obtendrá la profundidad en la cual los esfuerzos aplicados por la carga asumida sean iguales o menores a la capacidad de soporte admisible del suelo, a estas profundidades se le descontará el espesor del pavimento, dándonos como resultado el espesor de reemplazo de suelos inadecuados.