Sistemas de Unidades

Sistemas de Unidades: La normativa chilena NCh 30 Of.98 (ISO 1000), denominada “Unidades SI y recomendaciones para el uso de sus múltiplos y de otras ciertas unidades”, establece los estándares para las unidades de medida.

Hormigón

El hormigón es una mezcla de cemento, agua, áridos y aditivos. Se clasifica de acuerdo con su resistencia a la compresión (f_c), medida en probetas cúbicas de 200 mm de arista, a la edad de 28 días. Por ejemplo:

• H35: 35 MPa (350 kg/cm²)

También se clasifica según su resistencia a la flexotracción (f_t), medida en probetas de d = 150 mm y longitud 4d. Por ejemplo:

• HF 6: 6,0 MPa (60 kg/cm²)

Acero

El acero es una aleación de hierro y carbono en diferentes proporciones que, según su tratamiento, adquiere especial elasticidad, dureza o resistencia. En el caso de barras de refuerzo del hormigón, se especifica de la siguiente forma:

• A63-42H: σ_u = 6.300 kg/cm², σ_y = 4.200 kg/cm²
• A44-28H: σ_u = 4.400 kg/cm², σ_y = 2.800 kg/cm²

Asfalto

El asfalto es un material viscoso de color negro, utilizado como aglomerante en mezclas asfálticas. Su principal componente es el betún, que es el residuo de la destilación del petróleo. Se especifican según su resistencia a la penetración a 25 ºC, 100 g, 5 seg:

• CA 60 – 80: Mínimo 60, Máximo 80
• CA 80 – 100: Mínimo 80, Máximo 100

Comportamiento del Suelo: Modelos y Propiedades

Comportamiento Real del Suelo: Modelo DIANA

El comportamiento real del suelo se describe a menudo con el acrónimo DIANA, que representa sus características complejas:

• Discontinuo: Sus propiedades varían en el tiempo y en el espacio.
• Inhomogéneo: Presenta muchos tipos de respuestas.
• Anisótropo: La respuesta depende de la dirección de la aplicación de la carga.
• No Lineal: No es única la pendiente que relaciona la tensión con la deformación.
• Anelástico: Las tensiones en un determinado instante no dependen solamente de la deformación local en ese instante, sino también de su historia.

Comportamiento Idealizado del Suelo: Modelo CHILE

Para simplificar los cálculos y modelos, a menudo se idealiza el comportamiento del suelo con el acrónimo CHILE:

• Constante: Sus propiedades no varían en el tiempo ni en el espacio.
• Homogéneo: Presenta solo un tipo de respuesta.
• Isótropo: La respuesta no depende de la dirección de la aplicación de la carga.
• Lineal: Única pendiente que relaciona la tensión con la deformación.
• Elástico: Las tensiones en un determinado instante dependen solamente de la deformación local en ese instante y no de su historia.

Ensayos de Identificación: Límites de Atterberg

Los Límites de Atterberg son uno de los ensayos básicos para la identificación de los suelos, proporcionando una primera idea acerca de la calidad de la fracción fina del suelo. Se realizan habitualmente en los laboratorios de Mecánica del Suelo, siendo determinaciones sencillas y rápidas. Los suelos cohesivos pueden encontrarse, según la cantidad de agua que contengan, en los siguientes estados:

• Sólido
• Semisólido
• Plástico
• Semilíquido o viscoso

Estos límites son una medida de la humedad de un suelo y marcan una separación entre estos cuatro estados, según sea el contenido de humedad.

Límite Líquido (LL o wL)

Se realiza un ensayo consistente en amasar con agua destilada una pequeña cantidad de suelo seco (que ha pasado por el tamiz n.º 40 de la serie ASTM (0,42 mm)) y se coloca con una espátula en la cuchara de Casagrande, ocupando solo su parte inferior.

Límite Plástico (LP o wp)

Para determinar el valor del límite plástico de un suelo, se realiza un ensayo consistente en formar un elipsoide con una pequeña cantidad de suelo (que ha pasado por el tamiz n.º 40 de la serie ASTM (0,42 mm)) y rodarlo entre la palma de la mano y una superficie lisa que no absorba mucha humedad, hasta llegar a un diámetro de 3 milímetros. Si al llegar a este diámetro no se ha cuarteado el cilindro, de modo que quede dividido en trozos de 6 milímetros de longitud como media, se vuelve a formar el elipsoide y a rodar hasta llegar a este tipo de resquebrajamiento. El suelo se encuentra en su límite plástico cuando se cuartea al llegar precisamente a los 3 mm.

Índice de Plasticidad (IP)

Es la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico:

IP = LL – LP

Solo con los datos del límite líquido y del índice de plasticidad se puede tener una idea del tipo de arcilla de que se trata, mediante el gráfico de plasticidad de Casagrande.

Nomenclatura del Gráfico de Casagrande

La nomenclatura empleada en el gráfico de Casagrande es la siguiente:

• C: Para designar a las arcillas (del inglés, clay).
• M: Para designar a los limos (del sueco, mo).
• L: Plasticidad baja (del inglés, low).
• H: Plasticidad alta (del inglés, high).
• O: Para designar suelos con materia orgánica coloidal.

Distribución por Tamaños de las Partículas del Suelo

Este es un ensayo básico para la identificación de los suelos. Nos da una idea de la cantidad de fracción fina y de la distribución por tamaños de partículas, lo cual es muy significativo en muchos aspectos geotécnicos de los suelos granulares. El método empleado en los laboratorios es el de tamizado del suelo a través de una serie normalizada de tamices, pesando la cantidad de suelo que queda retenido en cada uno de ellos, de acuerdo con una normativa establecida. La eficacia del tamizado disminuye para las partículas más finas.

A partir de un determinado tamaño de partícula (el correspondiente al tamiz 200 de la serie de la ASTM, de apertura igual a 0,074 mm, o bien al tamiz UNE de 0,080 mm), para realizar el análisis granulométrico se recurre a otros métodos, como la sedimentación o las técnicas con rayo láser. Es mucho más interesante realizar el análisis granulométrico en los suelos granulares que en los suelos finos cohesivos, ya que las propiedades de estos últimos dependen mucho más de otros parámetros.

Tipos de Granulometría

La forma de la curva granulométrica de un suelo da una primera idea acerca del comportamiento esperable del mismo, ya que su cantidad de finos, su variedad de tamaños, su tamaño máximo, etc., nos pueden dar una primera idea acerca de la aptitud del suelo para un determinado uso, de su posible compactabilidad, su posible utilización en determinadas zonas de terraplenes, presas, filtros, etc.

Suelo Bien Graduado

Aquel que tiene partículas de muchos tamaños, por lo que su curva granulométrica estará extendida. Generalmente son suelos que se compactan bien y que pueden alcanzar densidades elevadas.

Suelo Uniforme

El que presenta poca variedad de tamaños de partícula, por lo que su curva granulométrica estará poco extendida. Generalmente son suelos difíciles de compactar, con los que no se consiguen densidades elevadas.

Parámetros de la Curva Granulométrica

Se pueden definir los siguientes parámetros en una curva granulométrica:

• D60: Es el tamaño de apertura que deja pasar un 60% en peso de la muestra.
• D30: Es el tamaño de apertura que deja pasar un 30% en peso de la muestra.
• D10: Es el tamaño de apertura que deja pasar un 10% en peso de la muestra.

Ensayo Proctor Modificado

Este método establece el procedimiento para determinar la relación entre la humedad y la densidad de un suelo, compactado en un molde normalizado, mediante un pisón de 4,5 kg en caída libre, desde una altura de 460 mm.

Ensayo CBR (California Bearing Ratio)

Este método establece el procedimiento para determinar un índice de resistencia de los suelos, conocido como Razón de Soporte de California (CBR). Se utiliza para evaluar la capacidad de soporte de suelos de subrasante, así como de materiales empleados en la construcción de terraplenes, subbases, bases y capas de rodadura granulares. Consiste en medir la presión necesaria para hacer penetrar un pistón de 50 mm de diámetro en una masa de suelo compactada en un molde cilíndrico de acero, a una velocidad de 1,27 mm/min, para producir deformaciones de hasta 12,7 mm (1/2″).

Clasificación Unificada de Suelos (USCS)

Esta clasificación solo tiene en cuenta el tamaño de las partículas. Se utiliza la granulometría, los límites de Atterberg y el contenido de materia orgánica. De acuerdo con esta clasificación, los suelos se dividen en tres grupos:

1. Suelos de grano grueso: Arenas y gravas.
2. Suelos de grano fino: Limos y arcillas.
3. Suelos orgánicos.

Clasificación AASHTO

El suelo se divide en siete grupos, designados A-1, A-2,…,A-7. Para realizar la clasificación únicamente hay que realizar un análisis granulométrico del suelo y determinar la plasticidad de su fracción fina.

Módulo de Reacción (k)

Es el parámetro que se utiliza para caracterizar la capacidad de soporte de la subrasante. Se calcula a partir de la relación: k = p/δ. Interesa al momento de diseñar pavimentos rígidos. La indicada en el Manual de Carreteras corresponde a:

K (MPa/m) = 69,78log₁₀(CBR) – 10,16

Módulo Resiliente (MR)

Representa el módulo elástico del material. De acuerdo con AASHTO, se recomienda como propiedad definitiva del material para su caracterización. Pero habitualmente se define de forma indirecta, estimándolo a partir de relaciones con resultados del CBR. Las recomendadas en el Manual de Carreteras son:

• MR (MPa) = 17,6 (CBR)^0,64 para CBR < 12%
• MR (MPa) = 22,1 (CBR)^0,55 para 12 ≤ CBR < 80%

Clasificación y Tipos de Pavimentos

Plataforma

Es la superficie visible de un camino, formada por:

• Las calzadas.
• Las bermas.
• Los sobreanchos de la plataforma (SAP).
• Y la mediana en caso de existir.

El ancho es la suma de los elementos que la constituyen en caso de existir.

Calzada

Es una banda material y geométricamente definida, de tal modo que su superficie puede soportar las cargas que la solicitan, que son:

• Tránsito vehicular de cualquier tipo.
• Tránsito peatonal.

La calzada está formada por 2 o más pistas. De esta forma, una pista es cada una de las divisiones de la calzada donde puede circular una fila de vehículos desplazándose en un sentido.

• Calzadas unidireccionales: Donde los vehículos circulan por la pista o las pistas en un solo sentido.
• Calzadas bidireccionales: Donde los vehículos circulan por la pista o las pistas en ambos sentidos.

Las calzadas pueden ser pavimentadas o no. Los elementos importantes que definen la calzada, aparte de su estructura propiamente tal, son:

• La sección transversal del camino.
• El perfil longitudinal del camino.
• Bombeos.

Elementos complementarios:

• Elementos de drenaje superficial (soleras, cunetas, fosos, etc.).
• Elementos de drenaje interno (subdrenes).
• Elementos de seguridad vial.

Bermas

Son las franjas laterales a los lados de la calzada. Pueden estar construidas con pavimentos o sin pavimento. Sus funciones son:

• Proporcionan protección al pavimento y a sus capas inferiores.
• Permiten detenciones ocasionales.
• Aseguran una luz libre lateral que actúa psicológicamente sobre los conductores.
• Ofrecen espacio adicional para maniobras de emergencia.
• Sirven para el tránsito de los peatones y ciclistas en desplazamientos cortos.

Sobranchos de Plataforma (SAP)

Son las franjas laterales a los lados de la plataforma, que forman parte de ella. No son pavimentadas. Su función principal es la de dar confinamiento a la berma y lograr de esta forma la estabilidad de esta última, y por otro lado, servir de lugar donde se instalarán los elementos de seguridad vial.

Mediana

Corresponde al espacio libre existente entre los bordes interiores de los pavimentos de las calzadas unidireccionales. Se debe siempre tratar de construir en los trazados nuevos. Su función principal es la de seguridad, al permitir controlar la invasión premeditada o accidental de las pistas de la calzada de tránsito en sentido contrario. En ella se disponen todos aquellos elementos que impidan lo anterior.

Tipos de Pavimentos

Pavimentos No Pavimentados

• Superficie natural
• Agregados pétreos desnudos

Pavimentos Pavimentados

Pavimentos de Hormigón

• De concreto de hormigón.
• Bloques de hormigón.
• Otros, muchos y variados.

Pavimentos de Productos Asfálticos

• De concreto asfáltico.
• Tratamientos múltiples.
• Otros, muchos y variados.

Estructura de la Plataforma

En la plataforma se distinguen dos estructuras:

• La superestructura: El pavimento y sus capas estructurales.
• La infraestructura: Es la obra básica del camino. Resulta de modificar el terreno natural, construyendo las obras necesarias para procurar una superficie adecuada donde apoya la superestructura del camino. Comprende todo aquello necesario para cumplir con este fin, destacándose:
  • Movimientos de tierras.
  • Construcción de rellenos.
  • Ejecución de excavaciones.
  • Construcción de obras de drenaje.

Los rellenos, que conforman dos tipos:

• Terraplenes.
• Pedraplenes.

Rellenos

Entenderemos como “Rellenos” a todos aquellos materiales de origen natural, sin la presencia de material orgánico, estables física y químicamente, no susceptibles o potencialmente licuables, no susceptibles de densificación por vibración, no colapsables, que no sean suelos finos saturados con LL > 80, ni suelos finos saturados con sensitividad.

Pedraplén

Relleno conformado por suelos gruesos, con alto contenido de bolones y escaso contenido de finos, y que se construye en forma similar a un terraplén.

Terraplén

Obra construida empleando suelos apropiados, debidamente compactados, para establecer la fundación de un pavimento.

Condiciones Básicas de la Estructura de la Tierra

Ejecutabilidad

Que sea posible su puesta en obra en las debidas condiciones de compactación.

Estabilidad

Coeficiente de seguridad al deslizamiento suficiente.

Durabilidad

Materiales evolutivos, permanencia de las características de los materiales durante la vida de servicio, procesos de alteración. Factores influyentes: agua, temperatura, agentes biológicos, químicos, etc.

Terraplenes: Materiales y Especificaciones

Los suelos deberán ser:

• Inorgánicos.
• Libres de materia vegetal, escombros, basuras, materiales congelados, terrones, trozos de roca o bolones degradables o deleznables o trozos cementados de tamaño superior al especificado.

Los materiales a emplear en la construcción del cuerpo de los terraplenes deberán tener un poder de soporte no inferior al 10% CBR, medido al 95% de la Densidad Máxima Compactada Seca (DMCS). El tamaño máximo del material será de 150 mm, aceptándose una tolerancia de 5% en peso entre 150 mm y 200 mm. Si el material del terraplén es de origen fluvial, corte en roca o material de marina, debe tener una buena graduación, controlada mediante los coeficientes de curvatura y de uniformidad de la curva granulométrica, es decir, debe cumplir con lo siguiente:

• CU > 4
• 1 < CC < 3

Asimismo, los 0,30 m superiores del coronamiento de los terraplenes deberán construirse con suelos que se denominan «material de subrasante». Esta zona tendrá un poder de soporte que no deberá ser inferior a 20% CBR, medido en las mismas condiciones estipuladas para el cuerpo del terraplén. El tamaño máximo del material no será superior a 100 mm.

Subbases

Se define como una capa de agregados pétreos, convenientemente graduados y compactados, que cumplan con las Especificaciones Técnicas. Construida sobre la subrasante, y sobre la cual se construirá la base o la carpeta de rodado rígida. Pertenece a la superestructura del camino. Su función principal es la de contribuir a la resistencia de la superestructura.

Bases

Se define como una capa de agregados pétreos, convenientemente graduados y compactados, que puede o no contener algún material cementante. Debe cumplir con las Especificaciones Técnicas. Se construye sobre la subbase, y sobre ella se construirá la carpeta de rodado rígida. Pertenece a la superestructura del camino. Su función principal es la de contribuir a la resistencia de la superestructura.

Pavimentos Rígidos

Funciones y beneficios de las capas bajo pavimentos rígidos:

• Prevención del bombeo (pumping).
• Protección contra el congelamiento de la subrasante.
• Drenaje.
• Prevención contra cambios volumétricos de la subrasante.
• Incremento de la capacidad estructural.

Pavimentos Flexibles

Funciones y beneficios de las capas bajo pavimentos flexibles:

• Incremento de capacidad de soporte.
• Drenaje.
• Protección contra el congelamiento de la subrasante.

Propiedades de Calidad Requeridas para Agregados

Las propiedades de calidad requeridas para los agregados incluyen:

• Resistencia Mecánica.
• Estabilidad Volumétrica a cambios de humedad.
• Resistencia a la abrasión de la superficie.
• Homogeneidad.
• Resistencia a ciclos de hielo y deshielo.
• Permeabilidad.

Estas propiedades dependen de:

• Granulometría.
• Formas de las partículas.
• Porcentaje de finos y propiedades índice.
• Resistencia mecánica y a la abrasión.
• Densidad (grado de compactación).

Especificaciones Técnicas para Subbases y Bases

Requerimientos Generales

• Los agregados gruesos, retenidos sobre tamiz 5 mm (N.º 4), deben ser partículas resistentes, durables, constituidas de fragmentos de roca, grava o escorias. Materiales que se quiebran con los ciclos alternados de hielo-deshielo y humedad-sequedad no deben ser usados.
• Los agregados finos, que pasan por tamiz 5 mm (N.º 4), deben estar constituidos por arenas naturales o trituradas y por partículas minerales que pasan por tamiz 0,08 mm (N.º 200).
• Las fracciones que pasan por tamiz 0,08 mm (N.º 200) no deberán ser mayores que los dos tercios de la fracción que pasa por tamiz 0,5 mm (N.º 40).

Materiales

• El material deberá tener un soporte CBR ≥ 40%.
• La fracción gruesa deberá tener una resistencia al desgaste, medida por el ensayo de Los Ángeles, de no más de 40%.
• El equivalente de arena será de mínimo 20%.
• No habrá exigencia de material chancado.

Materiales Áridos para Subbases de Pavimentos Flexibles

Graduación Cerrada

Deberán ajustarse a la banda granulométrica TM-50a. El material deberá tener un CBR ≥ 40%. En zonas donde la precipitación media anual sea inferior a 50 mm, el ensayo se ejecutará sobre muestras no saturadas.

Graduación Abierta

En sectores que sufran frecuentes ciclos de hielo-deshielo, la subbase deberá cumplir con lo establecido anteriormente, salvo que el Índice de Plasticidad (IP) se limitará a un máximo de 4%. Por el tamiz 0,5 mm (ASTM N.º 40), el límite inferior será de 0% y por el tamiz 0,08 mm (ASTM N.º 200), el porcentaje que pasa deberá estar comprendido entre 0% y 5%.

Materiales Áridos para Subbases de Pavimentos Rígidos

Graduación Cerrada

En condiciones normales, deberán ajustarse a la banda granulométrica TM-50b, TM-50c o TM-25.

Graduación Abierta

En regiones que sufren frecuentes ciclos de hielo-deshielo, las subbases deberán cumplir con los requisitos estipulados en la Tabla 5.301.202.A, salvo que el Índice de Plasticidad (IP) se limitará a un máximo de 4%. Se podrá optar por cualquiera de las bandas granulométricas señaladas anteriormente, salvo que por el tamiz 0,5 mm (ASTM N.º 40), el límite inferior será de 0% y por el tamiz 0,08 mm (ASTM N.º 200), el porcentaje que pasa deberá estar comprendido entre 0% y 5%.

Especificaciones de Bases

• El porcentaje de chancado no deberá ser menor que 50%.
• Cuando el material se use como base para tratamiento superficial doble (DTS): El contenido mínimo de chancado será de 70%.
• Su tamaño máximo absoluto será de 40 mm.
• Su IP será de 4%.
• En general, el material deberá tener un soporte CBR ≥ 80%.
• La fracción gruesa deberá tener una resistencia al desgaste, medida por el ensayo de Los Ángeles, de no más de 35%.
• En caso de usar en DTS, CBR ≥ 100%.
• El equivalente de arena será de mínimo 25%.
• Las sales solubles no serán mayores a 4%.

Bases Granulares de Graduación Cerrada (Bajo Capa de Rodadura)

Deberán ajustarse a la banda granulométrica TM-50b, TM-50c o TM-25. Cuando la base esté destinada a ser recubierta con un tratamiento superficial, el tamaño máximo absoluto será 40 mm. El CBR y el porcentaje de material chancado varían, según el tipo de capa de rodadura a construir sobre la base granular.

Bases Granulares de Graduación Abierta (Bajo Capa de Rodadura)

En zonas que sufren frecuentes ciclos de hielo-deshielo, las bases granulares deberán cumplir con los requisitos estipulados para bases granulares de graduación cerrada, con excepción de lo siguiente:

• El IP se limitará a un máximo de 4%.
• Por el tamiz 0,5 mm (ASTM N.º 40), el límite inferior será de 0% y por el tamiz 0,08 mm (ASTM N.º 200), el porcentaje que pasa deberá estar comprendido entre 0% y 5%.