1.2 Guia diseño estabilización de subrasantes Fortgrid y Fortex

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Gua de Diseo de Pavimentos y Estabilizacin Mecnica de Subrasantes Blandas Compresibles con Geosintticos Aplicacin de Geotextiles de Alto Mdulo FORTEX y Geomallas FORTGRIDEl presente documento est basado en el artculo Diseo De Estructuras Granulares Para Pavimentos Reforzados Con Geosintticos presentado en el XV Simposio Colombiano sobre Ingeniera de Pavimentos realizado por la Universidad Javeriana en Marzo de 2005.

geomalla por si sola lo hace en trminos de

1.

Alcance

refuerzo.

A continuacin se presentan los lineamientos para el diseo de subestructuras granulares reforzadas con geotextiles de alto mdulo FORTEX y geomallas FORTGRID ,

2.

Enfoque

El geosinttico al colocarse directamente sobre la subrasante, revistiendo el fondo de la estructura de pavimento, se comporta como una membrana cncava hacia arriba que cubre una gran rea y se tensiona por accin de la sobrecarga del material de construccin, de los vehculos y ante la compresibilidad del suelo de subrasante. Al deformarse esta membrana, se generan tensiones sobre su plano que resultan en una reaccin de sentido contrario a la sobrecarga que se le impone al pavimento, disminuyendo el valor real aplicado a la subrasante. Lo anterior significa reduccin en la deformacin resiliente del conjunto subrasante geosinttico capa granular, disminucin de la deformacin permanente y mayor mdulo mecnico (CBR), lo cual es proporcional al mdulo o resistencia del geosinttico seleccionado.

las

cuales

pueden

emplearse como capas para mejoramiento de subrasantes blandas compresibles como capas de subbase granular en estructuras de pavimentos flexibles, rgidos o articulados para todo tipo de vas, aeropuertos, caminos temporales o definitivos, locaciones, alamedas, senderos

peatonales, ciclorrutas, etc. Dado el alto mdulo de deformacin de los geotextiles de alto mdulo FORTEX y geomallas FORTGRID como una

su aprovechamiento se cuantifica reduccin en el espesor de la

subestructura granular debido al aporte mecnico de stos en la interfase subrasante capas granulares. El geotextil aporta en cuanto a separacin entre materiales, filtro y refuerzo del conjunto subrasante granulares, en tanto que la

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3.

Secuencia para el Diseo

A continuacin se presenta la secuencia para el diseo, teniendo en cuenta que las capas resultantes pueden considerarse como el espesor total de la estructura granular en caminos de bajo trnsito o como capas de subbase o capas de mejoramiento de subrasante en carreteras de alta especificacin.

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3.1.

Diseo para Condicin de Carga Cuasi-esttica (Capas de Mejoramiento de Subrasante o Carreteras de Bajo Trnsito)

EJEMPLO 1. Definicin del tipo de estructura segn el proyecto Determinar si se trata de una capa de mejoramiento Supongamos el caso de una carretera sobre un suelo de subrasante o un pavimento para una carretera de blando compresible con los siguientes valores de los parmetros de diseo: bajo trnsito

2. Determinacin de los parmetros de diseo Trnsito: Para el diseo de pavimento se establecieron dos etapas, la fase constructiva y la fase de operacin. Para el anlisis de la estabilizacin de la subrasante se considera el trnsito de construccin (Nc) y para la condicin de operacin el trnsito para el periodo de servicio de la va (N).

El pavimento se proyecta para un N de 1.0 E +06 ejes equivalentes acumulados en un perodo de servicio de 10 aos Para la etapa de construccin se prev el movimiento de 4000 m3 para cada tramo de construccin en volquetas de eje simple con capacidad para 4 m3. Considerando dos pasadas por volqueta, se tienen aproximadamente 2000 repeticiones de carga. (Por facilidad de clculo se supone que cada volqueta aplica una carga estndar de 8.2 ton) Nc = 2000 E

Capacidad de soporte de la subrasante Es la resistencia del suelo de subrasante medida en La capacidad de soporte de la subrasante CBR es de trminos de CBR (California Bearing Ratio) o 1% intercepto de cohesin medido en la prueba de resistencia a la compresin inconfinada Cu. 3. Seleccin del nivel de ahuellamiento tolerable a travs del parmetro r El parmetro r se ilustra en las cartas de diseo, Dado que se trata de una la capa de mejoramiento Figuras 1 a 8. El valor de este parmetro se debe cuyo servicio al trfico ser temporal, se estima un determinar con base en el nivel de servicio mnimo valor de r de 0.18 m (ahuellamiento s = 0.09 m) tolerable, la compresibilidad del suelo y equipo de construccin. Seleccionar entre las siguientes posibilidades: 0.075, 0.12, 0.15 o 0.18 m, en las Figuras 1 a 8 anexas. 4. Determinar el espesor de material granular h0 Es el espesor que requiere la estructura en condicin Utilizando la carta de diseo para r=0.18 (ver Figura 7) no reforzada. Se determina en funcin del trnsito Nc y para el valor considerado del trnsito de para el nivel de deformacin r previsto. Ver baco para construccin se establece que h0 = 0.56 m. el r correspondiente.

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5. Seleccionar el tipo de geosinttico a utilizar El diseador puede elegir entre un geotextil de alto mdulo o una geomalla, para lo cual se recomienda utilizar el siguiente criterioCBR < 1.0 1.0 - 2.0 > 2.0 Geotextil FORTEX BX 90 FORTEX BX 60 FORTEX BX 40 Geomalla FORTGRID BX 50 FORTGRID BX 50/25 FORTGRID BX 25

Dado que el CBR es de 1% se recomienda utilizar geotextil FORTEX BX 60

Nota: el diseador puede elegir varios materiales para hacer un anlisis econmico y determinar con cual de ellos logra mejores resultados. En caso de utilizarse geomallas, se debe considerar la necesidad de colocar un geotextil de separacin sobre la subrasante. 6. Determinar la reduccin de espesor H Es el espesor de material granular que se ahorra al considerar el aporte del geotextil. Este valor se denomina H y se lee del mismo baco 7. Determinar el espesor de material granular en la condicin reforzada h Se determina como la diferencia entre h0 y H. 8. Resultado El resultado se presenta haciendo una comparacin de espesores entre la condicin no reforzada y la condicin reforzada Utilizando la misma carta de diseo (Figura 7) se establece que H para FORTEX BX 60 = 25 cm

Para este caso h0 - H = 56 25 = 31 cm Para la condicin no reforzada se requieren 56 cm de granulares, en tanto que para la condicin reforzada con FORTEX BX 60 se requieren 31 cm, lo cual equivale a un ahorro de 25 cm de material granular. Resultado Final para una carretera de bajo trnsitoMaterial granular 31 cm Geotextil Fortex BX 60 SUBRASANTE

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ESPESOR DE AGREGADO (h`0) Y REDUCCIN DE ESPESORES ( H) r = 0.075 m1.02a 2a

0.9sPosicin inicial del geosinttico

r e

0.8

0.7

H (m) - h0 (m)

0.6

0.5

0.4

0.3

Nc = 10,000

0.2

Nc = 1,000 Nc = 100

0.1 FORTEX BX 90FORTEX BX 60 Nc = 10

0.0 0

FORTEX BX 40

1

2

3

CBR (%) Cu (kPa)

4

0

30

60

90

120

Figura 1 Carta de diseo para r = 0.075 m. FORTEX

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1.0

ESPESOR DE AGREGADO (h`0) Y REDUCCIN DE ESPESORES ( H) r = 0.075 m

2a

2a

0.9sPosicin inicial del geosinttico

r e

0.8

0.7

H (m) - h0 (m)

0.6

0.5

0.4

0.3

Nc = 10,000

Nc = 1,000

0.2Nc = 100

0.1

FORTGRID BX 50 FORTGRID BX 25 Nc = 10

0.0 00

130

260

390

CBR (%)

4

Cu (kPa) 120

Figura 2 Carta de diseo para r = 0.075 m. FORTGRID

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ESPESOR DE AGREGADO (h`0) Y REDUCCIN DE ESPESORES ( H) r = 0.120 m

1.02a 2a

0.9Posicin inicial del geosinttico

s e

r

0.8

0.7

H (m) - h 0 (m)

0.6

0.5

0.4

0.3

Nc = 10,000

0.2

Nc = 1,000 Nc = 100

0.1

FORTEX

BX 90 Nc = 10 FORTEX BX 60 FORTEX BX 40

0.0 0

1

2

3

CBR (%)

4

0

30

60

90

Cu (kPa) 120

Figura 3 Carta de diseo para r = 0.12 m. FORTEX

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ESPESOR DE AGREGADO (h`0 ) Y REDUCCIN DE ESPESORES ( H) r = 0.120 m

1.02a 2a

0.9sPosicin inicial del geosinttico

r e

0.8

0.7

H (m) - h0 (m)

0.6

0.5

0.4Nc = 10,000

0.3Nc = 1,000

0.2Nc = 100 FORTGRID BX 50 FORTGRID BX 25 Nc = 10

0.1

0.0 0 1 260

3

CBR (%)

4

0

30

90

Cu (kPa) 120

Figura 4 Carta de diseo para r = 0.12 m. FORTGRID

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ESPESOR DE AGREGADO (h`0) Y REDUCCIN DE ESPESORES ( H) r = 0.150 m1.02a 2a

0.9s r e

0.8

Posicin inicial del geosinttico

0.7

H (m ) - h 0 (m )

0.6

0.5 0.4

0.3 0.2FORTEX BX 90 FORTEX BX 60 FORTEX BX 40

Nc = 10,000 Nc = 1,000

Nc = 100 Nc = 10

0.1 0.0 00

130

260 90

3

CBR (%)Cu (kPa)

4120

Figura 5 Carta de diseo para r = 0.15 m. FORTEX

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ESPESOR DE AGREGADO (h`0) Y REDUCCIN DE ESPESORES ( H) r = 0.150 m

1.02a 2a

0.9sPosicin inicial del geosinttico

r e

0.8

0.7

H (m ) - h 0 (m )

0.6

0.5

0.4Nc = 10,000

0.3Nc = 1,000

0.2Nc = 100 FORTGRID BX 50

0.1FORTGRID BX 25 Nc = 10

0.0 0 1 2 3

CBR (%)Cu (kPa)

4

0

30

60

90

120

Figura 6 Carta de diseo para r = 0.15 m. FORTGRID

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ESPESOR DE AGREGADO (h`0) Y REDUCCIN DE ESPESORES ( H) r = 0.180 m

1.02a 2a

0.9sPosicin inicial del geosinttico

r e

0.8

0.7

H (m) - h 0 (m)

0.60.56

0.5

0.4Nc = 10,000 Nc = 2,000 0.25

0.3

0.2FORTEX BX 90 FORTEX BX 60 FORTEX BX 40

Nc = 1,000

Nc = 100

0.1

Nc = 10

0.0 0 1 2 3

CBR (%)

4

0

30

60

90

Cu (kPa) 120

Figura 7 Carta de diseo para r = 0.18 m. FORTEX

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ESPESOR DE AGREGADO (h`0) Y REDUCCIN DE ESPESORES ( H) r = 0.180 m

1.02a 2a

0.9Posicin inicial del geosinttico

s e

r

0.8

0.7

H (m) - h 0 (m)

0.6

0.5

0.4

0.3

Nc = 10,000

0.2

Nc = 1,000

0.1 FORTGRID BX 50FORTGRID BX 25

Nc = 100

Nc = 10

0.0 0 1 2 3

CBR (%)

4

0

30

60

90

Cu (kPa) 120

Figura 8 Carta de diseo para r = 0.18 m. FORTGRID

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3.2.

Valoracin de la Solucin para Pavimentos de Alto Trnsito. Mtodo Aashto 93

Dado que la metodologa de diseo de capas de mejoramiento de subrasante con geosintticos garantiza la suficiencia de la capa para soportar cierto nmero de repeticiones de carga, esta condicin puede ser valorada mediante el coeficiente de aporte estructural Aa establecido en el mtodo de diseo AASHTO 93, el cual dimensiona la capacidad de cada capa como componente estructural a fin de alcanzar en suma el Nmero Estructural SN previsto. A continuacin se presenta la secuencia para la valoracin estructural del arreglo geosinttico capa granular diseado. requerido para las condiciones de CBR, serviciabilidad y trnsito

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1. Verificar que el espesor de la capa granular cumpla con los siguientes criterios de espesores mnimos: Capas reforzadas con geotextiles FORTEXCBR (%) 0.25 0.50 1.00 1.50 2.00 3.00 Espesor mnimo de la capa reforzada (cm) 50 40 30 25 22 18

EJEMPLO Para el caso en anlisis, el espesor obtenido de la capa reforzada con geotextil FORTEX BX 60 fue de 31 cm para un CBR de 1%, mayor a los 30 que se indican en la gua.

SN mx 2.854 2.169 1.646 1.373 1.216 0.999

Capas reforzadas con geomallas FORTGRIDCBR (%) 0.25 0.50 1.00 1.50 2.00 3.00 Espesor mnimo de la capa reforzada (cm) 40 32 23 20 18 16 SN mx 3.215 2.435 1.846 1.562 1.380 1.148

2. Determinar el SN requerido Determinar de acuerdo con los criterios de Nivel de Confiabilidad R, Desviacin Estndar So, Nivel de serviciabilidad inicial pi, y Prdida de serviciabilidad psi.

Para el presente ejemplo se han supuesto: R : 90% So : 0.45 pi: 4.2 psi : 2.2 Con base en lo anterior SN = 5.6

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3. Colocar la capa reforzada con geosinttico en la parte inferior de la estructura y asignar el valor de Aa Determinar segn las Figuras 9 10 y verificar SN segn el cuadro anterior 4. Colocar las dems capas del pavimento asignando los espesores, coeficientes de aporte estructural y coeficientes de drenaje necesarios para lograr el SN buscado 5. Presentacin de resultados La solucin usualmente se presenta haciendo un anlisis comparativo entre la condicin sin refuerzo y la condicin con refuerzo geosinttico

En la Figura 9 se obtiene un Aa = 0.14 para 31 cm de capa de mejoramiento reforzada con geosinttico sobre un CBR de 1%,. El SN de la capa, calculado para un coeficiente de drenaje m = 0.95 es 1.623, menor al 1.646 que se indica en el cuadro del paso 1. En la Figura 11 se observa un cuadro con la memoria de clculo del ejemplo.

En la Figura 10 se presenta un cuadro con la memoria de clculo en la condicin sin refuerzo

6. Anlisis El anlisis de costos debe considerar adems de los costos directos del material, los ahorros por concepto de excavacin y transporte de material a botadero, disminucin de imprevistos (fallos), reduccin del tiempo de construccin y mayor estabilidad de obra. Generalmente, todo proyecto vial considera el diseo de capas de mejoramiento de subrasante, dada la variabilidad en las condiciones del suelo de subrasante a lo largo del corredor vial. Utilizando geotextil, con un solo material se logra separacin y refuerzo, lo cual representa mayor facilidad de construccin, mejor desempeo estructural y funcional y mayor durabilidad del pavimento, a menores costos.

Para este caso, se tiene en siguiente anlisis comparativo:Costo Unitario Costo total ($) ($) CA 2 250000 5000 BG 4 45000 1800 SBG 2 30000 600 MEJ 25 28000 7000 Ahorro a costo directo. No incluye ahorro por 14400 excavacin y transporte a botadero capa Ahorro (cm)

Como se aprecia, el ahorro obtenido es importante. El costo del geotextil vara entre 2500 y 6500 $/m2, valor que llega cuando ms al 44% del valor del ahorro indicado para este caso. El resultado final sera el presentado en la Figura 11

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Curvas de Aa Vs CBR para diferentes espesores de capas reforzadas con geotextiles de alto mdulo Fortex (m)0.25

0.20

0.15 Aa

0.14

0.10

0.05

0.00 0.0 0.5 1.0 1.5 CBR % 2.0 2.5 3.0 3.5

h=0.20

h=0.22

h=0.25

h=0.30

h=0.40

h=0.50

Figura 9 Curvas de Aa para el arreglo FORTEX capa de material granular

Curvas de Aa Vs. CBR para diferentes espesores de capas reforzadas con geomallas Fortgrid (m)0.25

0.20

0.15

Aa0.10 0.05 0.00 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

CBR (%) h=0.20 h=0.25 h=0.30 h=0.35 h=0.40 h=0.45 h=0.50

Figura 10 Curvas de Aa para el arreglo FORTGRID capa de material granular

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DISEO DE PAVIMENTOS MTODO AASHTO-93

CONDICIN SIN REFUERZOPARMETRO Trnsito R So ZR SN pi pt DPSI CBR MR Log(W18) (Ecuacin) Log ( W18) a m VALOR 1.00E+06 90 0.45 -1.282 5.655 4.2 2.0 2.2 1.0 1,500 6.03 6.00 COEFICIENTE ESTRUCTURAL COEFICIENTE DE DRENAJE NMERO DE EJES EQUIVALENTES ACUMULADOS DE 8.2 TON PARA EL PERODO DE DISEO (%) CONFIABILIDAD ERROR ESTANDAR COMBINADO DE LAS PREDICCIONES DE TRANSITO DESVIACION ESTANDAR NORMAL NUMERO ESTRUCTURAL COLOCADO SN = (ai*mi*hi) INDICE DE SERVICIO INICIAL INDICE DE SERVICIO FINAL PERDIDA DE SERVICIABILIDAD FINAL (%) CBR DE LA SUBRASANTE (psi) MODULO RESILIENTE DE LA SUBRASANTE

ESTRUCTURA Espesor cm pulg Material

DE

PAVIMENTO a m SN

Mdulo Dinmico Kg/cm2 PSI

12.0 19.0 30.0 56.0 117.0

4.72 7.48 11.81 22.05

Rodadura Asf Base granular Subbase granular Mejoramiento T max 4" Subrasante

31,000 2,800 1,350 500 105

442,857 40,000 19,286 7,143 1,500

0.443 0.169 0.134 0.036

1.00 1.00 0.98 0.95

2.093 1.264 1.548 0.750

5.655 3.562 2.299 0.750

N Nf

ANLISIS 1.00E+06 1.08E+06

NMERO DE APLICACIONES DE EJES EQUIVALENTES PREVISTOS QUE ACTUARN EN EL PERODO DE DISEO NMERO DE APLICACIONES DE EJES EQUIVALENTES QUE SOPORTAR LA ESTRUCTURA

DISEO OK

Figura 11 Memoria de clculo condicin sin refuerzo geosinttico

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DISEO DE PAVIMENTOS MTODO AASHTO-93

CONDICIN CON REFUERZOPARMETRO Trnsito R So ZR SN pi pt DPSI CBR MR Log(W18) (Ecuacin) Log ( W18) a m VALOR 1.00E+06 90 0.45 -1.282 5.603 4.2 2.0 2.2 1.0 1,500 6.00 6.00 COEFICIENTE ESTRUCTURAL COEFICIENTE DE DRENAJE NMERO DE EJES EQUIVALENTES ACUMULADOS DE 8.2 TON PARA EL PERODO DE DISEO (%) CONFIABILIDAD ERROR ESTANDAR COMBINADO DE LAS PREDICCIONES DE TRANSITO DESVIACION ESTANDAR NORMAL NUMERO ESTRUCTURAL COLOCADO SN = (ai*mi*hi) INDICE DE SERVICIO INICIAL INDICE DE SERVICIO FINAL PERDIDA DE SERVICIABILIDAD FINAL (%) CBR DE LA SUBRASANTE (psi) MODULO RESILIENTE DE LA SUBRASANTE

ESTRUCTURA Espesor cm pulg Material

DE

PAVIMENTO a m SN

Mdulo Dinmico Kg/cm2 PSI

10.0 15.0 28.0 31.0 84.0

3.94 5.91 11.02 12.20

Rodadura Asf Base granular Subbase granular Mejoramiento T max 4" Subrasante

31,000 2,500 1,200 105

442,857 35,714 17,143 1,500

0.443 0.157 0.122 0.140

1.00 0.99 0.98 0.95

1.745 0.916 1.319 1.623

5.603 3.859 2.943 1.623

Geotextil de alto mdulo Fortex BX 60

N Nf

ANLISIS 1.00E+06 1.00E+06

NMERO DE APLICACIONES DE EJES EQUIVALENTES PREVISTOS QUE ACTUARN EN EL PERODO DE DISEO NMERO DE APLICACIONES DE EJES EQUIVALENTES QUE SOPORTAR LA ESTRUCTURA

DISEO OK

Figura 12 Memoria de clculo condicin con refuerzo geosinttico

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4.

Conclusiones y RecomendacionesEl procedimiento indicado arroja

5.

Referencias

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resultados que facilitan el anlisis de la estructura de pavimento tanto para la etapa de construccin como para la etapa de servicio. La determinacin del espesor mnimo de material que se requiere colocar bajo condicin de carga cuasi-esttica pone a salvaguardo al suelo de subrasante ante fallas por capacidad portante debidas al peso de los equipos de construccin. Una vez construida, esta capa puede considerarse como el total o parte de la subbase granular, pudiendo acogerse en forma prctica mtodos tradicionales de diseo de pavimentos para completar el dimensionamiento de la estructura. La presencia del geosinttico permite llevar el suelo de subrasante a un mayor nivel de esfuerzo y deformacin, dado que se incorpora un refuerzo a tensin que el suelo por si solo no resiste. El aporte del geosinttico a la estructura del pavimento permite reducir los espesores de material granular requeridos convencionalmente para una capacidad de soporte dada. A mayor mdulo de deformacin del geosinttico, mayor beneficio para un nivel de ahuellamiento dado. El geosinttico, al cubrir una gran rea confinada por material granular trabaja como una membrana que refuerza la interfase, ampliando la distribucin de esfuerzos hacia las capas de suelo inferiores y generando confinamiento en las capas superiores de material, con lo cual se mejora el desempeo mecnico de stas y la interaccin suelo estructura.

[5] Webster, S.L. y Alford, S.J., Investigation of Construction Concepts for Pavements Across Soft Ground. Technical Report S-78-6, United States Army Engineer Waterways Experiment Station, Vicksburg , Miss, July, 1978. [6] Headquarters, Department of The Army (2003). Technical Letter TL 1110-1-189. Use of Geogrids In Pavement Construction

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