Investigación y evaluación de suelos para el diseño de un pavimento.

Para la obtención de la información geotécnica básica de Los diversos tipos de suelos deben ejecutarse investigaciones, de campo y laboratorio, que determinen su distribución y propiedades físicas. Una investigación de suelos debe comprender:

1. Selección de las unidades típicas de diseño: Consiste en la delimitación de las unidades homogéneas de diseño con base en las características:
geológicas, pedológicas, climáticas, topográficas y de drenaje de la zona en proyecto.

2. Determinación del perfil de suelos; La primera labor por llevar a cabo en la investigación de suelos consiste en la ejecución sistemática de perforaciones en el terreno, con el objeto de determinar la cantidad y extensión de los diferentes tipos de suelos, la forma como éstos están dispuestos en capas y la detección de la posición del nivel de agua freática.

Teniendo en cuenta que es imposible realizar un estudio que permita conocer el perfil de suelos en cada punto del proyecto, es necesario acudir a la experiencia para determinar el espaciamiento entre las perforaciones con base en la uniformidad que presenten los suelos. 

 

Un criterio para la ubicación, profundidad y número de las perforaciones se presenta a continuación en la tabla 3.6:

Lógicamente la ubicación, profundidad y número de perforaciones deben ser taL  que permitan determinar toda variación importante de la calidad de Los suelos. En cada perforación que se efectúe, se debe anotar el espesor de las diversas capas encontradas y su posición exacta en sentido vertical, as como la identificación visual de los materiales, indicando su color y consistencia.

Deberá registrarse, además, la posición del nivel freático en caso de detectarse, por cuanto este dato es importante para el diseño de los dispositivos de subdrenaje que sean necesarios en la obra vial.

3. Muestreo de las diferentes capas de suelos: En cada perforación ejecutada deberán tomarse muestras representativas de las diferentes capas de suelos encontradas las muestras pueden ser de dos tipos: alteradas o inalteradas. Una muestra es alterada cuando no guarda las mismas condiciones en que se encontraba en el terreno de donde procede e inalterada en el caso contrario.

En la obtención de muestras alteradas debe efectuarse el siguiente procedimiento:

a) Se retira la parte seca y suelta de cada estrato con el propósito de obtener una superficie fresca..
b) Se toma una muestra de cada capa en un recipiente y se coloca una tarjeta de identificación que debe contener nombre del proyecto, sector en estudio, número de la perforación, localización de la perforación, número de Ja muestra, espesor del estrato y enumeración de los ensayos de laboratorio a que será sometida.
c) Las muestras se envían en bolsas al laboratorio.

Para obtener muestras inalteradas, el caso más simple consiste en cortar un determinado trozo de suelo del tamaño deseado, normalmente de O.30m x O.30m X O.30m, cubriéndolo con parafina para evitar pérdidas de humedad y empacándolo adecuadamente para su envío y procesamiento en el laboratorio.

4. Ensayos de laboratorio a las muestras obtenidas para determinar sus propiedades físicas en relación con la estabilidad y capacidad de soporte de la subrasante:

Con el objeto de establecer las propiedades físicas de cada suelo muestreado y estimar su comportamiento bajo diversas condiciones, es necesario efectuar varias pruebas. Al respecto, se encuentran normalizadas cierto número de pruebas cuyos nombres identifican las características que determinan.

A continuación se indican las pruebas más aplicables en la pavimentación de carreteras y aeropistas.

a) Determinación del contenido de humedad: Es un ensayo que permite determinar la cantidad de agua presente en una cantidad dada de suelo en términos de su peso en seco.

Una masa de suelo tiene tres constituyentes: las partículas sólidas, el aire y el agua. En los suelos que consisten en partículas finas, la cantidad cJe agua presente en los poros tiene un marcado efecto en las propiedades de los mismos,

El conocimiento de la humedad natural de un suelo no sólo permite definir a priori el tratamiento a darle, durante la construcción, sino que también permite estimar su posible comportamiento, como subrasante, pues, si el contenido natural de agua de un suelo está próximo al límite liquido, es casi seguro que se está tratando con un suelo muy sensitivo y si, por el contrario, el contenido de agua es cercano al limite plástico, puede anticiparse que el suelo presentará un buen comportamiento.

b) Análisis granutométrico: Es una prueba para determinar cuantitativamente la distribución de los diferentes tamaños de partículas del suelo.
Existen diferentes procedimientos para la determinación de la composición granulomtrica de un suelo. Por ejemplo, para clasificar por tamaños las partículas gruesas, el procedimiento más expedíto es el tamizado. Sin embargo, al aumentar la finura de los granos, el tamizado se hace cada vez más difícil teniéndose entonces que recurrir a procedimientos por sedimentación.

c) Determinación del ¡imite plástico de los suelos. El límite plástico se define como la mínima cantidad de humedad con la cual el suelo se vuelve a la condición de plasticidad. En este estado, el suelo puede ser deformado rápidamente o moldeado sin recuperación elástica, cambio de volumen, agrietamiento o desmoronamiento.

Para contenidos de humedad mayores que el límite plástico se presenta una caída muy pronunciada en la estabilidad del suelo.

d) Determinación cíe? límite líquido de los suelos: El límite líquido es el mayor contenido de humedad que puede tener un suelo sin pasar del estado plástico al líquido El estado líquido se define como la condición en la que la resistencia al corte del suelo es tan baja que un ligero esfuerzo lo hace fluir.

El cálculo del índice de plasticidad es la diferencia numérica entre el límite líquido y el límite plástico, e indica el grado de contenido de humedad en el cual un suelo permanece en estado plástico antes de cambiar al estado líquido.

e) Peso especifico: Se define como peso específico de un suelo a la relación entre el peso de los sólidos y el peso del volumen de agua que desalojan. El valor del peso específico, que queda expresado por un número abstracto, además de servir para fines de clasificación, determinación de la densidad de equilibrio de un suelo y corrección de la densidad en el terreno por la presencia de partículas de agregado grueso, interviene en la mayor parte de los cálculos de Mecánica de Suelos.

f) Ensayos de compactación de suelo: Se entiende por compactación todo proceso que aumenta el peso volumétrico de un suelo. En general, es conveniente compactar un suelo para incrementar su resistencia al esfuerzo cortante, reducir su compresibilidad y hacerlo más impermeable.

Para efectos del control de la compactación durante la construcción, es necesario efectuar pruebas que permiten conocer la máxima densidad y el óptimo contenido de humedad de los diferentes tipos de suelos.

• Máxima densidad: Es el máximo peso seco, obtenido cuando el material se mezcla con diferentes porcentajes de agua y se compacta de una manera normal preestablecida.
• Óptimo contenido de humedad: Es el porcentaje de agua con el cual se obtiene la máxima densidad para el esfuerzo de compactación especificado.

g) Determinación de la densidad del suelo en el terreno: Este ensayo tiene por objeto determinar el peso seco de una cierta cantidad de suelo de La capa cuya densidad se desea conocer, así como el volumen del orificio excavado para recoger el suelo, el cual se mide mediante una arena y procedimiento normalizados. La relación entre el peso seco del material y el volumen del orificio del cual se extrajo es la densidad seca de la capa cuyo nivel de compactación se verifica.

h) Determinación de la resistencia de los suelos:

Los ensayos de resistencia más difundidos en nuestro medio son el CBR (de laboratorio y campo) y los ensayos de carga sobre una placa.

• Ensayo de CBR (Relación Californiana de Soporte): (AASHTO-T193-63)

El índice de California (CL3R) es una medida de la resistencia al esfuerzo cortante de un suelo, bajo condiciones de densidad y humedad cuidadosamente controladas. Se usa en el diseño de pavimentos flexibles. El CBR se expresa en porcentaje como, la razón de la carga unitaria que se requiere para introducir un pistón dentro del suelo, a la carga unitaria requerida para introducir el mismo pistón a la misma profundidad en una muestra tipo de piedra partida.

• Ensayo de carga directa sobre placa: (AASHTO Dl195 y Dl196):

Esta prueba se utiliza para valuar la capacidad portante de las subrasantes, las bases y en ocasiones, los pavimentos completos. Aunque  esta prueba es generalmente aplicada al diseño de pavimentos rígidos, en la actualidad también se utiliza en pavimentos flexibles.

El ensayo básicamente consiste en cargar una placa circular, en contacto estrecho con el suelo por probar, midiéndose las deforma- clones finales correspondientes a los distintos incrementos de carga utilizados. A través de esta prueba es posible calcular el módulo de reacción de una subrasante dada. Este concepto se define como la presión necesaria que ha de transmitirse a la placa para producir en el suelo una deformación prefijada.

Teniendo en cuenta que la mayoría de los laboratorios no poseen los equipos necesarios para elaborar cualquier prueba de resistencia se han establecido relaciones empíricas entre las diversas medidas de resistencia, como la que se muestra en la Figura 3.5 

Figura 3.6.- relación aproximada entre la clasificación del suelo y los valores del CBR y K.

i) Ensayos Adicionales: En algunas ocasiones, existen o se prevee condiciones especiales o poco usuales de los suelos, en tales casos es necesario efectuar pruebas adicionales. Por ejemplo, un suelo expansivo afectado por grandes variaciones dimáticas de humedad pueda requerir estabilización con algún aditivo, o compactación a baja densidad, con alto contenido de humedad; en cada caso ajustándose a las indicaciones de la práctica local, tipo de superficie y cargas de diseño. Los suelos con bajas densidades de campo y/o susceptibles de consolidación, pueden necesitar un aumento de la densidad hasta mayores profundidades que las necesarias para un diseño normal.

Estos suelos de características difíciles deben ser reconocidos y deben tomarse las medidas de corrección adecuadas cuando sea necesario.

De otra parte, deberá tenerse en cuenta que todos los suelos de subrasante, cohesivos o no, son susceptibles de consolidarse bajo la acción de las cargas del tránsito a las que serán sometidos cuando trabajen como parte de una obra vial. El grado de consolidación y la magnitud de la corrección aumenta rápidamente con la frecuencia y magnitud de las cargas circulantes del tránsito. El diseñador deberá entonces especificar la profundidad y el grado de densificación y/o la estabilización que se requiere para asegurar un comportamiento adecuado del pavimento.

Los resultados de los ensayos de laboratorio y la información obtenidos en la explotación de campo se condensan en cuadros resumen como el que se muestra en la Tabla 3.7. 

 

5. Determinación del suelo típico de subrasante para una unidad de diseño.

A partir de la determinación de la granulometría y los límites líquidos y  plásticos de los diversos suelos encontrados, es posible clasificarlos y dibujar un perfil como el que se presenta en la Figura 3.6. 

 

 

Figura 3.6.- Perfil de Suelos.

La observación cuidadosa del perfil de suelos de cada unidad, permitirá definir el suelo típico de ella.

6. Medida y selección del valor de resistencia de un suelo típico de subrasante.

Sobre los suelos de subrasante que predominan en cada unidad, se adelantarán ensayos “in situ” o en laboratorio, que permitan conocer su resistencia en las condiciones de equilibrio que se espera presenten durante el período de servicio del pavimento. La cantidad de ensayos por realizar sobre cada suelo, debe ser tal que permita definir sus características de resistencia, con un apropiado grado de confiabilidad.

El número recomendable de pruebas oscila entre seis (6) y ocho (8) y sus resultados deben procesarse por medios estadísticos que permitan Ja selección de un valor correcto de resistencia de diseño para cada unidad o suelo predominante de cada una de ellas.

El criterio mas difundido para la determinación del valor de resistencia de diseño es el propuesto por el Instituto del Asfalto, el cual recomienda tomar un valor total, que el 60, el 75 o el 8 7.5% de los valores individuales sea igual o mayor que él, de acuerdo con el transito que se espera circule sobre el pavimento, como se muestra en la Tabla 3.8.