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19/03/2019
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“Tecnología en Materiales Asfálticos”2019 MUJERES EN INGENIERÍA
Uso de Geotecnia en Suelos No
Saturados en el Diseño de
Pavimentos: Enfoque Empírico
Claudia E. Zapata Ospina
Universidad Estatal de Arizona
INTRODUCCIÓN
CONDICIONES AMBIENTALES
MODELOS DE PREDICCION DEL MODULO RESILIENTE
IMPLEMENTACION EN LA GUIA DE DISEÑO DE PAVIMENTOS
CONCLUSIONES
CONTENIDO
CO
NT
EN
IDO
19/03/2019
2
Introducción
• Procedimientos para el diseño de pavimentos usados en el mundo entero, se han basado en la suposición costosa de que los agregados y los materiales de subrasante eventualmente se van a saturar durante la vida del pavimento.
• Sin embargo…• Mayoría de los suelos no están en un estado de total saturación
• Aunque el pavimento actúa como cubrimiento del material suelto, el contenido de humedad cambia con el tiempo, buscando un estado de equilibrio con el estado de presiones internas (succión)
• El estado de succión esta influenciado por el régimen climático y las propiedades del suelo.
Áreas con deficiencia de agua temporal:
65% ! (700 millones – 43 países)
Por definición, en climas de deficiencia de agua, la
evaporación mensual desde una superficie libre excede la
precipitación mensual a través del año
Fedderna, 2005
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3
NCHRP 1-37A
Design Guide
Desarrollo de la Guía de Diseño de
Pavimentos AASHTOware
2006
2010
2013
MEPDG…• Incorporó, por primera vez, una metodología de diseño para
sistemas de pavimentos, considerando:• Respuesta de los materiales en estado no saturado
• Técnicas de predicción basadas en condiciones ambientales específicas
• Esta presentación..• Descripción general del enfoque dado a la incorporación de
condiciones climáticas y los principios de la mecánica de suelos no saturados en la predicción del comportamiento de los materiales granulares y de subrasante en un sistema de pavimentos
• Mejoras a varios modelos posteriores al lanzamiento de la MEPDG
• Limitada a modelos que tienen en cuenta los efectos de cambios de humedad en el suelo, no de temperatura
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I of VIII: CondicionesAmbientales
Movimiento de humedad bajo estructuras
de pavimentoPara un nivel freático relativamente cercano a la superficie,
existe un potencial significativo de aumento de capilaridad
en suelos de subrasante
Point of
Interest
Suction
Profile, yw
Ground Surface
Water Table
Pavement Este supuesto es
apropiado solo cuando los
suelos se humedecen a
una saturación de 85% o
más
Houston et al. 2000
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Condiciones Ambientales
Precipitación Radiación solar Velocidad del viento
Temperatura Humedad relativa
PROPIEDADES DEL MATERIAL
Influencia en la rígidez de las capas
Factores Externos
Pavimento y Subrasante
Procesos Internos
Gradientes de humedad
Gradientes de temperatura
Ciclos de congelación/descogelación
Drenaje
Potencial de infiltración
Nivel de aguas freáticas
Dada la complejidad y la gran cantidad de variables, es
necesario representar el clima de una manera mas simple
TMI es un índice que indica la aridez o humedad relativa
de un sistema de suelo-clima determinado
Los factores incluidos en TMI son:
o Precipitación
o Almacenamiento/escurrimiento
(tipo de suelo)
o Temperatura ambiental
o Evapotranspiración
o Radiación solar
Indice de humedad de Thornthwaite (TMI)
Lytton et al. 1990
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P = Precipitación anual
PE = Evapotranspiración
f (temperatura)
10175
PE
PTMI
Indice de humedad Thornthwaite
modificado (TMI)
II:predicción de la succión de equilibrio bajo pavimentos
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Predicción de la succión de equilibrio
• El contenido de humedad debajo de los pavimentos alcanza una condición de equilibrio varios años después de la construcción• Aitchison and Richards 1965, Basma and Ai-Suleiman 1991, Richards 1965
• El microclima controla las condiciones de límite de flujo • Flujo lateral desde las bermas
Flujo vertical desde las grietas
• Evapo-transpiración
• Para modelar el movimiento del agua en losmateriales sueltos:• Necesidad de vincular las condiciones iniciales
y de límite de flujo impuestas por loscambios climáticos, al estado de presionesinternas del material
Debido a que el suelo está en un estado no saturado…
• La succión controla directamente la capacidad del suelo de retener la humedad; por lo tanto afecta significativamente:• la cabeza de presión total – que a su vez afecta el flujo de
humedad
• la conductividad hidráulica o permeabilidad
• Para considerar el efecto de los cambios de humedad en la resistencia al corte y el módulo de resiliencia, se debe caracterizar la succión matricial del suelo
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Proyecto NCHRP 9-23: Efectos Ambientales en
Mezclas y Diseño Estructural de Pavimentos
30 sitios
visitados enEstados Unidos Shoulder
Outside Lane
LEGEND:
Sample Locations near TDR Instrumentation
Traffic
Te
st S
ectio
n L
imit
Outer Wheel Path
5+00 ft TDR
Instrumentation
TEST SECTION
2-3 ft
10-20 ft
Jo
int/C
rack
21 3
S
Transition Zone
C
1
CSample Location near a Crack
Sample Location near Shoulder (Side Sample)S
3' 3'
5'-10'
12'
Fieldwork Groton, CT Perera 2008
En el desarrollo del modelo de predicción de succión…• Se obtuvieron Curvas Características de Suelo-Agua (SWCCs) de
Secado – también llamadas Curvas de Retencion de Humedad
• Los valores de succión matriciales in-situ se estimaron en función del contenido de humedad in-situ
• Los valores de succión fueron analizados con respecto a varios parámetros ambientales• Humedad relativa
• Precipitación anual
• Temperatura promedio
• Nivel de aguas freáticas
• Índice de humedad de Thornthwaite (TMI)
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Ejemplo: Modelo TMI-P200/wPI
Material de subrasante
Perera et al. 2004
Modelos TMI-Succión
La predicción de succión basada en TMI resultó mucho más superior a la predicción basada en la extrapolación ascendente tradicional desde el nivel de aguas freáticas
Los modelos son más fáciles de implementar con el concepto de TMI modificado
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III:Enlace entre succión y el contenido de agua
20
Modelo de Succión de Fredlund and Xing (SWCC)
• 𝑆 = 𝐶(ℎ)1
𝑙𝑛 exp 1 +ℎ
𝑎𝑓
𝑏𝑓𝑐𝑓
• 𝐶 ℎ = 1 −𝑙𝑛 1+
ℎ
ℎ𝑟
𝑙𝑛 1+106
ℎ𝑟
Grado de Saturación
Succión Matricial
Fredlund and Xing 1994
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Más preciso
Equipo sofisticado
Alto costo
Mayor incertidumbre
Muy bajo costo
Mas fácil de implementar
Como se obtiene la SWCC?
Medición directa
Medición en el laboratorio
Plato de presión
Membrana de presión
Método con papel de filtro
Medición de campo
Sensores de
conductividad térmica
Tensiómetros
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Medición Indirecta de Succión
Aunque estos procedimientos introducen mayor incertidumbre en los resultados…
…el menor costo y la simplicidad son factores críticos que hacen que los métodos indirectos sean candidatos ideales para la implementación en la práctica de la ingeniería
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Estimación de la succión basada en las
propiedades básicas (Zapata 1999)
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Un modelo más reciente..
• Torres-Hernandez and Zapata (2011)
• Basado en informacián obtenida de1’227000 suelos
• Catálogo nacional disponible
con más de 36000unidades de suelo• 31876 suelos plásticos
• 4518 suelos no-plásticos
Origen de la base de datos• Servicio de Conservación de Recursos Naturales (NRCS)
– Inicialmente previsto para fines agrícolas
– Acuerdo conjunto con el entonces Bureau de Vías Públicas (BPR)
– Propiedades clave del suelo útiles en ingeniería de carreteras /
pavimentos
• Los datos son de dominio público y están disponibles en el sitio
web de Soildatamart http://soildatamart.nrcs.usda.gov/)
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• Propiedades Indice de Suelos
• Granulometría, límites de Atterberg
• Clasificación AASHTO
• Índice de Grupo
• Conductividad hidráulica saturada
• Nivel de aguas freáticas
• Annual average (32%), Seasonal (29%)
• Fredlund and Xing SWCC parameters (66%)
• CBR
o Estimado de propiedades índice
• Módulo de resiliencia
o Estimado del CBR
Propiedades recogidas o estimadas
IV:Enlace entre succión y módulo de resiliencia
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Modulo de resiliencia
32
11
k
a
oct
k
a
aRpp
pkM
Materiales sueltos sin congelación
Witczak and Uzan 1988
• MR utilizado para la caracterización de materiales sueltos es un parámetro fundamental en el diseño de pavimentos flexibles
• Esta propiedad no es constante, sino una función de diferentes factores:• estado de esfuerzos
• contenido de humedad, densidad seca
• número de repeticiones de carga
• energía de compactación
Modulo de resiliencia
• Varios autores han demostrado una fuerte correlación entre el módulo de resiliencia y la succión matricial• Khoury and Zaman 2004; Theyse et al. 2007, Sawangsuriya et
al. 2009
• Modelo Universal (Witczak and Uzan 1988) no incluye la succión como variable fundamental.
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Métodos para incorporar la succión en la predicción del módulo resiliente
1. Usar el concepto de esfuerzos efectivos para suelos saturados en suelos no saturados, según lo propuesto por Bishop• Bishop 1959, Yang et al. 2005, Liang et al. 2008
• Atractivo para propósitos de implementación, pero resultó inexacto para grados de saturación menores de 85%
Métodos para incorporar la succión en la predicción del módulo resiliente
2. Usar un factor que tenga en cuenta la contribución de la succión matricial independientemente de la contribución de las presiones aplicadas externamente
• De naturaleza empírica (enfoque desacoplado)
• Fácil de usar
• Fácil de implementar
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0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30
(S-Sopt)%
MR/M
Ro
pt
Coarse-Grained Materials
Fine-Grained Materials
Fine-Grained
Coarse-Grained
Dry of Optimum Wet of Optimum
Efecto de la humedad sobre el módulo
Andrei and Witczak 2003
0
2
4
6
8
10
12
-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30
S-Sopt (%)
FU
-ST
D
- E
nv
iro
nm
en
tal
Fa
cto
r
wPI = 0
wPI = 10
wPI = 15
wPI = 20
wPI = 25
wPI = 5
wPI = 45
wPI = 40
wPI = 35
wPI = 30
wPI = 50
Cary and Zapata 2010
Métodos para incorporar la succión en la predicción del módulo resiliente
3. Considerando el MR como una función del estado de esfuerzos
• Fredlund and Rahardjo 1987
• Cary and Zapata modificado (Palanivelu 2016)
- Requiere pruebas de laboratorio para su calibración
- Fundamentalmente sano
)](),(),[( 313 waaR uuufM
𝑀𝑟 = 𝑧1. 𝑝𝑎 .𝜃𝑛𝑒𝑡
𝑝𝑎
𝑧2.𝜏𝑜𝑐𝑡
𝑝𝑎+ 1
𝑧3.𝛹𝑚0
𝑝𝑎+ 1
𝑧4
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V:Consideraciones del clima en la implementación de guías de diseño de pavimentos
Limitado!…
• Guía de Diseño de Pavimentos AASHTO (1993)• Solo el 4% de su contenido está dedicado a la consideración
de factores ambientales en sus 580 páginas
• El modesto éxito de las correlaciones empíricas, como la CBR, ha retrasado la implementación de un enfoque más racional
• Guía de Diseño AASHTOware Pavement ME (2007)• Incorporó los conceptos y muchos de los modelos
presentados anteriormente por un modelo climático denominado Modelo Climático Integrado Mejorado (EICM)
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Factores climáticos
EICM
Propiedades del Material
Función de Transferencia(Empírica)
Rendimiento previstoAnálisis Mecanístico
Tráfico
El papel del EICM en la guía de diseño de
pavimentos AASHTOWare Pavement ME
Modelo de flujo de humedad y calor
unidimensional
Versión inicial (ICM) fue desarrollada para la
Administración Federal de Vías (FHWA) in 1989 o Lytton et al. 1989, Dempsey et al. 1985, Guymon et al. 1986,
Larson and Dempsey 1997.
Version EICM desarrollada en la Universidad
Estatal de Arizona (ASU)o Incorporada en la actual Guia de Diseño AASHTOWare
o Witczak, Houston and Zapata 2006
EICM
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Resultados generados por el Modelo
Climático EICM
Modelo Climático EICM
- Distribución de temperatura dentro
del sistema de pavimento en capas
- Profundidad de penetración de
escarcha y deshielo.
- Ciclos de congelación /
descongelación
- Modulo de agrietamiento térmico
- Módulo de deformación
permanente
- Módulo de agrietamiento por fatiga
- Grietas y fallas JPCP / Punchouts
CRCP
- Cambios en la humedad (succión)
- Factores de ajuste por efectos
ambientales en el módulo de
resiliencia
- Módulo de análisis de elementos
finitos
- Módulo de análisis linear-elástico
- Módulo de deformación permanente
para materiales sueltos
El número de parámetros de entrada que necesita el
EICM es bastante grande
Propiedades de los
materiales sueltos
Parámetros de la curva
característica agua-suelo
(succión)
Nivel de aguas freáticas
Información climática
+ 800 estaciones
o 10-15 años de datos
o Datos cada hora
Parámetros iniciales
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NIVEL 1
Ensayos de laboratorio o investigación de campo
NIVEL 2
Estimar las propiedades del material a través de correlaciones con otras propiedades del material
NIVEL 3
Estimar las propiedades del material con base en la experiencia local
Sistema jerárquico para determinar los
parámetros de entrada
Co
sto
Ince
rtid
um
bre
Nivel 1
• Gradación
• Límites de Atterberg
• Índice de Plasticidad
• Límite líquido
• Compactación
• Máximo peso unitario seco
• Contenido de humedadóptimo
• Permeabilidad a saturación
• Gravedad específica
• Parámetros de la curva de succión SWCC
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Uniendo todo…
SucciónMatricial
EntradaSWCC Contenido de
Humedad
TMI
Condiciones límite de flujof(Clima + NAF)
Propiedadesdel suelo
AjustesCongelación/
Deshielo
Fenv
Mr = Fenv x Mropt
Predicción de efectos ambientales en módulo resiliente
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VI:Medición de los efectos ambientales en la vida del pavimento
Efecto del clima sobre agrietamientoBottom up % Damage (Alligator Cracking)
0
100
200
300
400
500
600
700
0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132
Time (Month)
Dam
ag
e (
%)
Phoenix Tenn. Mn
Phoenix
Tennessee
Minnesota
0
500
1000
1500
2000
2500
Barrow Fargo Billings Chicago
Environmental Location
Th
erm
al
Cra
ck
ing
Am
ou
nt
(ft/
mil
e)
Min. Air Temp.
(-47oF)
Min. Air Temp.
(-34oF)
Min. Air Temp.
(-29oF)
Min. Air Temp.
(-15oF)
Agrietamientolongitudinal
Agrietamientotérmico
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VII:Calibración a condiciones locales
La Guía de Diseño AASHTOWare es un producto
excelente y una mejora importante para la
tecnología actual, pero..
No espere predicciones
perfectas
Necesita calibración a condiciones de campo
locales
Calibración a condiciones locales
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part VIII: Concluyendo…
Por primera vez, una metodología que ajusta las propiedades
de los materiales debido a los efectos ambientales y basada en
principios de suelo no saturado, está disponible en el análisis y
diseño de pavimentos
Se obtienen predicciones más precisas del comportamiento del
pavimento debido a la incorporación de efectos ambientales en
tiempo real en un diseño Mecanístico-Empírico
El Modelo Climático es muy completo. Sin embargo, el enfoque
jerárquico permite utilizar información conocida en cada
agencia y modelos empíricos que aceleran en gran medida el
proceso de análisis
Concluyendo…