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PARTE 1. EXPLANACIONES
1. INFRAESTRUCTURA DE LA CARRETERA
EXPLANACIONES. Obras de remodelación del terreno natural que se precisan para conseguir la explanación prevista y definida en los planos de planta, perfil longitudinal y secciones transversales de la carretera.
La sección se puede desarrollar en desmonte (excavación y retirada del terreno natural) o en terraplén (aportación, extensión y compactación de materiales apropiados). Una sección mixta es la que requiere de ambas operaciones.
TERRAPLENES Y DESMONTES. Deben proyectarse y construirse de forma que cumplan tres condiciones fundamentales a lo largo de la vida de la obra: estabilidad volumétrica, resistencia mecánica e inalterabilidad frente a agentes externos.
Los movimientos de tierras pueden llegar a ser una parte considerable del presupuesto, por eso se debe intentar compensar el volumen entre terraplenes y material apto procedente de desmontes.
PEDRAPLENES. Constituidos por rocas fragmentadas.
EXPLANADA. Sobre ella se apoya el firme. Los factores fundamentales a considerar para su proyecto son el tráfico y la resistencia a la deformación o capacidad de soporte de la explanada.
2. RECONOCIMIENTO GEOLOGICO Y GEOTECNICO
OBJETIVO: Proporcionar información suficiente en la fase de proyecto sobre el análisis del terreno como cimiento, la naturaleza de los materiales, la estabilidad del terreno y las condiciones hidrológicas y de drenaje.
Metodología:
(a). ESTUDIOS PREVIOS
Objetivo: evaluación económica general de la obra, comprobación de su viabilidad técnica y discusión de las posibles soluciones.
Partes: Geología de la zona Características geotécnicas generales Estudio de materiales: préstamos, yacimientos granulares y canteras.
(b). ANTEPROYECTO
Objetivo: descripción funcional, técnica y económica de la obra a realizar, fijando el trazado definitivo de la carretera tras un análisis técnico y económico de las posibles soluciones. Especial interés del estudio de zonas problemáticas.
Partes: Reconocimientos geológicos; sondeos de prospección y ensayos. Profundización en el estudio de los materiales disponibles
El estudio debe abarcar una faja de 200m para estudios geotécnicos, 2km para los estudios geológicos y unos 20km en el caso de prospecciones de canteras y yacimientos.
(c). PROYECTO
Objetivo: definición de la obra con detalle suficiente para su ejecución.
Partes: Se debe fijar las secciones tipo, desagües superficiales y drenajes subterráneos, el pliego de prospecciones técnicas, obras de fábrica, plan de control, impacto ambiental, seguridad, etc.
(d) EJECUCIÓN DE LA OBRA
Objetivo: Comprobación de la información recogida y control de ejecución.
Pueden surgir problemas inesperados o requerimiento de estudios complementarios.
3. CARACTERÍSTICAS Y CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS
Tamaño de las partículas: según la fracción predominante, entre las partículas de tamaño grueso, puede haber bloques, bolos, gravas y arenas. Según las propiedades físicas de las partículas finas, se discriminan limos y arcillas.
Granulometría:
Gravas y arenas: - composición mineralógica
- forma y angulosidad de las partículas
- granulometría
- densidad, compacidad
Limos: pueden presentar susceptibilidad a las heladas (fenómeno de hinchamiento) Arcillas: partículas coloidales, de gran superficie específica, con afinidad por el agua, pueden presentar cohesión, plasticidad, impermeabilidad, baja capacidad de soporte.
h 2
h 1
SUPERFÍCIE DEL LÍQUIDO
SUPERFÍCIE DE LA ARCILLA
SUPERFÍCIE DE LA ARENA
100 2
1 h
h EA h 2
h 1
SUPERFÍCIE DEL LÍQUIDO
SUPERFÍCIE DE LA ARCILLA
SUPERFÍCIE DE LA ARENA
100 2
1 h
h EA
Equivalente de Arena. Suelos granulares (gruesos + finos)
EA = (h1 arenas/h2 arcillas) *
EA altos: pocos finos, mayor calidad EA bajos: contaminación, plasticidad
TAMIZADO. Para la clasificación de suelos granulares: gravas y arenas.
Utilización de una serie de tamices de malla cuadrada y abertura decreciente a través de los cuales se hace pasar una cantidad determinada de suelo de peso en seco P. Representación de los resultados en una curva granulométrica con el diámetro de las partículas en mm (luz de malla) en abscisas y en ordenadas el % de partículas de diámetro menor que el indicado (% que pasa del total).
Clasificación UNE. (clasificación española). Los números de los tamices indican la abertura en mm.
Clasificación ASTM ( tamaños > 0,080 UNE o Nº200 ASTM):
Suelos grano grueso: más del 50% es retenido por el tamiz nº200(Nº4). Suelos de grano fino: 50% o más pasa por el tamiz Nº200 (LL,IP). Suelos de estructura orgánica: color oscuro; LL (tras secado) < 0,75 LLi
Clasificación AASHTO. Específica para carreteras.
División de los suelos en 7 grupos principales. (A1, A2, A3, A4, A5, A6, A7) Análisis granulométrico abreviado (nº 10, 40,y 200 ASTM) y Límites de Atterberg de la fracción que pasa por el tamiz nº40.
SEDIMENTACIÓN. Para limos y arcillas (tamaños inferiores a 0,080mm). Ensayos de granulometría por sedimentación.
4. COMPACTACIÓN DE SUELOS
Los terraplenes, las explanadas y las capas de firme deben tener:
- estabilidad volumétrica
- resistencia mecánica
- inalterabilidad frente agentes externos
para que la carretera presente al usuario condiciones de rodadura permanentes, cómodas y seguras. Además, los materiales de aportación, los materiales granulares y las diferentes mezclas de áridos con ligantes y conglomerados utilizadas han de resistir a la acción repetida de las cargas de tráfico además de a la consolidación debido a su peso propio.
4.1. Factores que afectan al proceso de compactación.
a) Humedad de compactación. La densidad seca alcanzada en la compactación depende de la humedad.
Humedades bajas: Humedad óptima: Humedades altas: elevada resistencia al corte del suelo densidad seca máxima decrecimiento humedad seca baja densidad seca curva humedad-densidad casi % elevado de huecos de aire paralela a la curva de saturación.
Salvo en suelos muy permeables, la curva humedad-densidad seca no llega a alcanzar nunca la curva de saturación, pues siempre quedan burbujas de aire atrapadas. En los suelos con curvas de compactación muy tendidas se considera como humedad óptima el valor más pequeño con el que se alcanza la densidad seca máxima.
b) Tipo y energía de compactación. Cada tipo de compactación da lugar a una relación humedad-densidad seca para cada clase de suelo.
Un aumento de la energía de compactación por unidad de volumen conduce a un incremento de la densidad seca máxima y a una disminución de la correspondiente humedad óptima de compactación.
d
opt
Curva de saturación S (^) r = 1 (Va = 0)
4.3 Medida de la humedad
Se utiliza el método básico de secado en horno hasta obtener un peso constante que consiste en comparar el peso del suelo antes y después del secado en un horno a una temperatura de 105-110ºC.
4.4 Medida de la densidad in situ
La mayoría de métodos (con excepción de los nucleares) V consisten en excavar un hoyo más o menos cilíndrico en el suelo y determinar la masa de material extraído y el volumen que ocupaba. Para determinar el volumen extraído utilizamos:
Método de la arena: se utiliza arena natural muy uniforme y seca con densidad conocida. Se llena el hoyo con dicha arena y pesando el recipiente antes y después del ensayo se determina el volumen del hoyo.
Método del densitómetro de membrana: Consiste en un tubo lleno de agua con una membrana de caucho en un extremo y un pistón en el otro. Al apretar el pistón, la membrana se pega a las paredes del hoyo y el volumen de éste es proporcional al recorrido del pistón.
Método del aceite: para suelos impermeables.
Los métodos nucleares consisten en la interacción entre el suelo y las radiaciones gamma emitidas. Son más rápidos, permiten registros continuos, no son destructivos y tienen menor interferencia en obra, pero cuentan con el inconveniente de amortización de coste y conservación, manejo y correcciones.
SUELOS: los suelos necesarios para la construcción de los terraplenes se obtienen de los desmontes de la misma traza o de préstamos adecuados.
Nos interesan suelos fáciles de compactar y que una vez compactados sean resistentes a la deformación, poco sensibles a los cambios de humedad, de volumen y a las heladas. Por todo esto son preferibles los suelos granulares de granulometría continua, con un porcentaje adecuado de finos poco plásticos y sin piedras de gran tamaño.
Las arenas uniformes son difíciles de compactar. Los suelos orgánicos o con materia orgánica son inadecuados para terraplenes igual que las arcillas muy plásticas o los limos muy compresibles de elevado límite líquido. Se debe prestar también atención a los suelos con una cantidad apreciable de sulfatos y que tengan que estar en contacto con hormigón.
PEDRAPLÉN: Utilización de roca procedente de excavación.
Las zonas del pedraplén son parecidas a las del terraplén, aunque se distingue una zona de transición (de 1 m) para disminuir el tamaño de las partículas al llegar a la coronación (realizada con suelo de terraplén). Ventajas: taludes más inclinados, no existen presiones intersticiales, menor deformabilidad. El control de compactación es difícil, por lo que se procede a una evaluación de asientos.
RELLENOS TODO-UNO: extensión y compactación por tongadas de materiales de características intermedias de las necesarias para ser considerado material para terraplén y material para terraplén y material para pedraplén.
7. MAQUINARIA DE COMPACTACIÓN DE SUELOS Y SU EMPLEO - Compactación por presión estática - Compactación por impacto dinámico - Compactación por vibración - Compactación por métodos mixtos
Los equipos que entregan energía de compactación por vibración se emplean en suelos de tipo granular, mientras que los equipos que transmiten presión estática de amasado (rodillos pata de cabra) se usan para los suelos más finos.
8. CAPACIDAD SOPORTE DE LAS EXPLANADAS
CAPACIDAD SOPORTE: resistencia a la deformación bajo las cargas de tráfico. Depende de la resistencia al esfuerzo cortante del suelo, es decir, del tipo de suelo, su densidad y su humedad.
Se toma como valor representativo de tramo “homogéneo” de la explanada un valor suficientemente reducido como para ser superado en la mayoría de los puntos y en las épocas más desfavorables, con lo que evaluamos el material en las peores condiciones.
Penetración
Presión
La identificación y clasificación del suelo de la explanada permite tener una idea de la capacidad de soporte de ésta. Se requieren ensayos para evaluarla cuantitativamente. El ensayo más empleado es el CBR y los ensayos de carga con placa.
ENSAYO CBR o VALOR SOPORTE CALIFORNIA
Es un ensayo de penetración o punzonamiento, midiéndose adicionalmente el eventual hinchamiento del suelo al sumergirlo durante 4 días en agua.
Consiste en un molde cilíndrico de 152,4 mm de diámetro Interior y de 177,8 mm de altura provisto de un collar supletorio de 51mm de altura y una base perforada.
La muestra se compacta con la humedad y energía de compactación deseada y se sumerge después en agua durante 4 días, midiéndose el hinchamiento vertical y sometiéndose a una sobrecarga que ocasiona una presión equivalente a la del futuro firme sobre la explanada.
Siendo: P: presión ejercida por el pistón sobre el suelo para una penetración con velocidad v= 1,27 mm/min Po : presión correspondiente para la misma penetración en una muestra patrón (grava manchada) Existen dos penetraciones fijadas: 2,54 mm y 5,08 mm y se elige como CBR el mayor valor de ambos.
A mayor índice CBR, mayor es la capacidad de soporte de la explanada.
Limitaciones del ensayo:
- Hay que corregir la curva si se observa un punto de inflexión
- CBR > 40 tiene significación cualitativa
- El suelo debe tener menos del 30% del material superior a 20 mm
CBR de proyecto: se obtiene a partir de los valores obtenidos al ensayar 3 muestras de suelo de diferente densidad compactadas con la misma humedad óptima de compactación pero variando el número de golpes (12, 30, 70).
0
P
P
CBR
2,54 5,
Muestra patrón ó Suelo
Presión
Penetración (mm)
P (^0)
P
En la práctica, antes de realizar el ensayo se debe homogeneizar la superficie previamente. Se coloca una placa de un diámetro normalizado y encima se sitúa la columna de carga sobre su centro (a través de la cual se le transmitirán los escalones de presión a la placa). Se monta un bastidor que servirá de referencia para medir los asientos de la placa mediante comparadores, y estará apoyado a suficiente distancia de la placa para que no le afecten sus asientos.
Determinación del Módulo:
La norma española para el Ensayo de carga con Placa es la NLT-357/86, ésta define el módulo de compresibilidad Ei, según la siguiente fórmula:
D
S
P
Ei
i =1 ó 2
siendo
P : diferencia de carga específica transmitida por la placa entre dos escalones de carga al suelo p material granular en MPa. D: diámetro de la placa, igual a 298,5 mm. S : diferencia de asientos de la placa al aplicar P , en mm.
Los escalones de carga están especificados según la capa de explanada o de firmes que se esté evaluando:
- Suelo de núcleo de terraplenes: 0,05-0,15-0,25 MPa
- Suelos de coronaciones de desmontes y terraplenes: 0,05-0,15-0,25 MPa
- Capas de subbase y base de material granular: 0,05-0,15-0,25-0,35 MPa
La diferencia de asiento producida también deberá calcularse en un determinado intervalo de presiones, que varía con el tipo de capa (0,05-0,15 MPa para núcleo, 0,15- 0,25 MPa para coronación y 0,25-0,35 MPa para capas de base y subbase).
Vemos que la diferencia de carga entre dos escalones de carga siempre será de 0, MPa y cómo el diámetro de la placa es constante:
S mm
Ei
i =1 ó 2
APLICACIONES AL DIMENSIONAMIENTO DE FIRMES: Clasificación de explanadas (6.1 y 6.2 IC)
El firme se dimensiona en función de la categoría de explanada y del tráfico pesado (IMDp) que tendrá que soportar el firme durante el periodo de proyecto.
Como puede observarse en la tabla siguiente, se fijan además los espesores mínimos de los suelos empleados o existentes en las explanadas.
Se establecen tres categorías de explanada, denominadas E1, E2 y E3. Estas categorías se determinan según el módulo de compresibilidad en el segundo ciclo de carga (Ev2), obtenido de acuerdo con el ensayo de carga con placa, cuyos valores se recogen en la tabla siguiente.
- Módulos de compresibilidad en el segundo ciclo de carga:
Categoría de explanada
E1 E2 E
Ev 2 (MPa) 60 120 300
Control de ejecución de explanadas: para las categorías de tráfico pesado T00 a T2, el proyecto deberá exigir una deflexión máxima indicada en la tabla adjunta.
