20170313 perfil y_propiedades_subrasante

Universidad Nacional de Colombia
Sede Manizales
Facultad de Ingeniería y Arquitectura
Departamento de Ingeniería Civil
Pavimentos. Profesor: Luis Ricardo Vásquez Varela, M.Sc.
Perfil y propiedades.
Subrasante.
Aspectos geotécnicos de suelos derivados de ceniza volcánica y
caracterización mecánica de suelos de grano fino.
Referencias:
• Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras (INVIAS, 2014).
• El índice de liquidez en la identificación de suelos sensibles a cambio de propiedades por el remoldeo y/o por el secado
(Vásquez Torres, 1996).
• Aplicación de la difracción de rayos X y microscopia electrónica para la determinación de minerales detectables por
estos métodos en suelos derivados de cenizas volcánicas (Díaz y Villada, 2003).
• Mechanics of Residual Soils, Second Edition (Geoffrey E. Blight & Eng Choon Leong, 2012).
• Geotechnical Engineering in Residual Soils (Laurence D. Wesley, 2010).
• Pavement Design and Materials (Papagiannakis & Masad, 2008).
• Pavement Analysis and Design (Huang, 2004).
• Use of nonlinear subgrade modulus in AASHTO design procedure (Witczak, Qi y Mirza, 1995).
13/03/2017 LUIS RICARDO VÁSQUEZ VARELA, M.Sc. 1

Subrasante.
• Corresponde a la capa inferior del perfil del pavimento.
• Actúa como fundación del pavimento y determina la estabilidad y
serviciabilidad del mismo.
• Cota inferior de los cortes en terreno natural.
– Puede requerir un mejoramiento, la construcción de una capa de
conformación o medidas de separación como geosintéticos.
• Parte superior de los terraplenes, pedraplenes o rellenos.
– Materiales seleccionados y controlados de acuerdo con una
especificación.

Especificaciones Generales de Construcción
de Carreteras del INVÍAS.
• Capítulo 2. Explanaciones.
– Artículo 220-13. Terraplenes.
– Artículo 221-13. Pedraplenes.
– Artículo 230-13. Mejoramiento de la subrasante con adición de
materiales.
– Artículo 231-13. Separación de suelos de subrasante y capas granulares
con geotextil.
• A continuación se presentan algunos elementos fundamentales de
estas especificaciones. Es necesario su estudio integral en cada
proyecto de diseño y construcción de carreteras.

Artículo 220-13. Terraplenes.
• Colocación, humectación (o secado), conformación y compactación
de materiales de acuerdo con el diseño geométrico del proyecto.
• Partes del terraplén:
– Cuerpo del terraplén:
• Corona: Son los 30 centímetros superiores del terraplén y se consideran como
la subrasante del pavimento.
• Núcleo: Parte comprendida entre la corona y el cimiento.
– Cimiento: Parte construida por debajo de la superficie original del terreno,
luego de remover los materiales superficiales inadecuados.

C
L
Pavimento
Corona (0.30 m).
Núcleo
Terreno natural
Cimiento
Drenaje de la cimentación
Estrato portante

Tabla 220-1. Requisitos de los materiales para terraplenes.
Característica
Norma de
ensayo INV
Suelos
seleccionados
Suelos
adecuados
Suelos
tolerables
Partes del terraplén a las que se aplican Todas Todas
Cimiento y
núcleo
Tamaño máximo E-123 75 mm. 100 mm. 150 mm.
Porcentaje que pasa el tamiz de 2 mm (No.10) en masa E-123 80% máx. 80% máx. --
Porcentaje que pasa el tamiz de 75 μm (No. 200) en masa E-123 25% máx. 35% máx. 35% máx.
Contenido de materia orgánica E-121 0% máx. 1.0% máx. 1.0% máx.
Límite líquido E-125 30% máx. 40% máx. 40% máx.
Índice de plasticidad E-126 10% máx. 15% máx. --
CBR de laboratorio al grado de compactación indicado, en muestras
sometidas a cuatro días de inmersión.
Suelos A-1, A-2-4 o A-3, según ensayos normal o modificado:
Cimiento y núcleo: GC(90)≥90%
Corona: GC(90)≥95%
Suelos A-2-5, A-2-6 y A-2-7, según ensayo normal:
Cimiento y núcleo: GC(90)≥95%
Corona: GC(90)≥100%
E-148 10% mín. 5% mín. 3% mín.
Expansión en prueba CBR E-148 0.0% máx. 2.0% máx. 2.0% máx.
Índice de colapso E-157 2.0% máx. 2.0% máx. 2.0% máx.
Contenido de sales solubles E-158 0.2% máx. 0.2% máx. --

Clasificación general
Materiales granulares
(% que pasa el tamiz No. 200 [75μm] ≤ 35%)
Materiales limo – arcillosos
(% que pasa el tamiz No. 200 [75 μm] > 35%)
Grupos A-1
A-3
A-2
A-4 A-5 A-6
A-7
Subgrupos A-1-a A-1-b A-2-4 A-2-5 A-2-6 A-2-7
A-7-5 (1)
A-7-6
Granulometría (% que pasa los tamices indicados)
No. 10 (2.00 mm)
No. 40 (425 μm)
No. 200 (75 μm)
50% máx.
30% máx.
15% máx.
--
50% máx.
25% máx.
--
51% máx.
10% máx.
--
--
35% máx.
--
--
35% máx.
--
--
35% máx.
--
--
35% máx.
--
--
36% mín.
--
--
36% mín.
--
--
36% mín.
--
--
36% mín.
Características del material que pasa el tamiz No. 40 (425 μm)
Límite líquido (LL) -- -- NP 40% máx. 41% mín. 40% máx. 41% mín. 40% máx. 41% mín. 40% máx. 41% mín.
Índice de plasticidad
(IP)
6% máx. 6% máx. NP 10% máx. 10% máx. 11% mín. 11% mín. 10% máx. 10% máx. 11% mín. 11% mín.
Tipos de material
Fragmentos de roca,
grava y arena
Arena fina Gravas y arenas limosas o arcillosas Suelos limosos Suelos arcillosos
Terreno de fundación Excelente a bueno Regular a deficiente
(1) El índice de plasticidad del subgrupo A-7-5 es menor o igual que LL – 30. El índice de plasticidad del subgrupo A-7-6 es mayor que LL-30.
𝐼𝐺 = 𝐹 − 35 0.2 + 0.005 𝐿𝐿 − 40 + 0.01(𝐹 − 15)(𝐼𝑃 − 10)
IG: Índice de grupo (número entero).
F: Porcentaje que pasa el tamiz No.200 (75 μm) de una muestra que pasa el tamiz 3” (75 mm).
LL: Límite líquido.
IP: Índice de plasticidad.
Si el valor calculado del IG es negativo, se reporta IG = 0.
Si el límite líquido no puede determinarse, se reporta IG = 0.
Si el suelo es A-2-6 o A-2-7 el IG se calcula sólo con el factor que involucra el índice de plasticidad.
Clasificación de suelos y mezclas de suelos y agregados para propósitos relacionados con construcción de
carreteras (ASTM D3282-09).

http://www.mcfobraspublicas.es/wp-content/uploads/compactaci%C3%B3n-de-carretera.jpg

Artículo 221-13. Pedraplenes.
• Preparación de la superficie de fundación y colocación y
compactación de materiales pétreos adecuados.
• Partes del pedraplén:
– Transición: Parte superior del pedraplén (100 cm.).
– Cuerpo del pedraplén: Compuesto por núcleo y cimentación.
• Corona del pedraplén:
– Parte comprendida entre la transición y la superficie de la explanación. Se
aplican los requerimientos del Artículo 220-13.

• Granulometría de los materiales del pedraplén:
– El tamaño máximo no deberá ser superior a ⅔ del espesor de la capa compactada.
• Cimiento y núcleo: Espesor máximo de capa compactada: 100 cm.
• Transición: Al menos dos capas, pero que permitan la transición entre núcleo y
corona.
– El porcentaje en masa de partículas menores al tamiz de 25.0 mm (1”) será inferior al 30%.
– El porcentaje en masa de las partículas que pasen el tamiz de 75 μm (No. 200) será inferior al 10%.
– La curva granulométrica del material compactado se ajustará a una franja definida de acuerdo con su
tamaño máximo nominal (D). (Tabla 221-1).
– Los materiales pétreos en las capas sucesivas de la transición deben cumplir:
• D15 capa inferior / D85 capa superior < 5.
• D50 capa inferior / D50 capa superior < 25.
Tamaño % que pasa
D
D/4
D/16
D/64
90 – 100
45 – 60
25 – 45
15 - 35

• Resistencia a la abrasión de los materiales del pedraplén:
– Desgaste en la Máquina de Los Ángeles, gradación E: 50% máximo.
http://www.aridsgarcia.com/imatge/146-1267629103.jpg?amplada-maxima=750http://www.grimaux.com.ar/images/La%20Picasa%203.jpg

Artículo 230-13. Mejoramiento de la
subrasante con adición de materiales.
• Disgregación (y posible retiro) del material de la subrasante existente, y
adición, mezcla, humedecimiento (o secado), compactación y perfilado final
de la superficie de acuerdo con el diseño geométrico del proyecto.
• Los materiales de adición deberán tener una calidad tal que la capa de
subrasante mejorada con ellos cumpla requisitos exigidos para los “Suelos
seleccionados” del Artículo 220-13. Terraplenes.
• El espesor de escarificación y disgregación de la subrasante existente se
indicará en los documentos del proyecto.
• La mezcla de los materiales existentes y de adición se compactará previa
eliminación de partículas mayores de 75 milímetros si las hubiere.
• El criterio de aceptación del grado de compactación GC(90) es de por lo menos
el 95% del peso unitario seco máximo de referencia obtenido en el ensayo
modificado de compactación.

Artículo 231-13. Separación de suelos de
subrasante con geotextil.
• Suministro e instalación de un geotextil que prevenga la
mezcla entre los suelos de subrasante y los materiales que
conforman las capas granulares del pavimento.
• Para que la función de separación sea efectiva, el suelo debe
tener un CBR ≥ 3% o un valor de resistencia al corte Su ≥ 90
kPa.

• Geotextil.
– Pueden emplearse geotextiles tejidos o no tejidos, elaborados a partir de polímeros sintéticos de
cadena larga, compuestos con un porcentaje mínimo del 95% en masa de poliolefinas o poliéster.
Debe permitir el libre paso del agua.
– Las propiedades mecánicas e hidráulicas se expresan en valor mínimo promedio por rollo (VMPR)
(97.7% de nivel de confianza).
• Material de cobertura:
– Deberá cumplir con lo especificado para afirmado, subbase granular o base granular según los
Artículos 311, 320 y 330 de las Especificaciones.
Propiedad
Norma de
ensayo ASTM
Geotextiles tejidos Geotextiles no tejidos
Propiedades mecánicas del geotextil en términos del VMPR (medidas en la dirección principal más débil)
Elongación D4632 < 50% ≥ 50%
Resistencia a la tensión Grab D4632 1,100 N mín. 700 N mín.
Resistencia de la costura a la tensión Grab D4632 990 N mín. 630 N mín.
Resistencia a la penetración con pistón de 50 mm de diámetro D6241 2,200 N mín. 1,375 N mín.
Resistencia al rasgado trapezoidal D4533 400 N mín. 250 N mín.
Propiedades hidráulicas del geotextil en términos de VMPR
Permitividad (la Permitividad del geotextil debe ser mayor que la del suelo). D4491 0.02 / s mín.
Tamaño de abertura aparente (TAA), valor MÁXIMO promedio por rollo. D4751 0.60 mm máx.
Estabilidad ultravioleta después de 500 horas de exposición. D4355 50% mín.

http://geosyntheticsmagazine.com/repository/2/8534/full_0207_f6_1.jpg

ASPECTOS GEOTÉCNICOS DE SUELOS
DERIVADOS DE CENIZA VOLCÁNICA.
Vásquez Torres, 1996 y Vásquez et al., 2003.

Suelos derivados de cenizas volcánicas.
• Los suelos derivados de cenizas volcánicas se presentan de forma
abundante en la zona andina colombiana y constituyen la subrasante de
cientos de kilómetros de pavimentos.
– “Bajo el nombre de suelos volcánicos se agrupa a aquellos suelos originados a
partir de materiales piroclásticos y que contienen una alta proporción de minerales
con gran afinidad por las moléculas de agua. Nombres tales como Andosoles hacen
referencia a suelos originados a partir de material volcánico. No todos los suelos
desarrollados a partir de materiales volcánicos son Andosoles, pero si al menos
presentan ciertas propiedades ándicas”. (Regalado, Muñoz y Hernández, 2001).
• Estos suelos exhiben características especiales como la susceptibilidad al
cambio de humedad y la pérdida de consistencia y resistencia cuando son
remoldeados.
• Estas características se deben a su génesis y ambiente de depositación.

• Puede postularse que un suelo derivado de ceniza volcánica es, en su
etapa temprana, un suelo transportado, pero su posterior transformación
física – química es semejante a la de un suelo residual.
• La pérdida de resistencia por remoldeo afecta de forma significativa los
procesos de construcción de pavimentos sobre suelos derivados de ceniza
volcánica:
– Deterioro de la maquinaria de construcción.
• Se requieren equipos que apliquen bajas presiones al terreno.
• Los trabajos de corte deben realizarse con retroexcavadora, los buldóceres y traíllas
pueden destruir el suelo.
– Retraso en las obras e incremento de los costos del proyecto.
– No conformidad sistemática en el peso unitario para rellenos y terraplenes
construidos con suelo compactado derivado de ceniza volcánica.

• Se debe tener cuidado en la caracterización de propiedades índice de los
suelos derivados de ceniza volcánica en laboratorio.
– Los procedimientos estándar de secado alteran irreversiblemente las muestras para
granulometría, límites de Atterberg y relaciones peso unitario – humedad –
resistencia.
– La muestra de suelo alterado no tendrá relación alguna con el depósito en campo.
• Vásquez Torres (1996) propone un procedimiento de laboratorio para
establecer la susceptibilidad de un suelo al cambio de propiedades por
secado previo en laboratorio.
– El procedimiento incluye el análisis de los límites de Atterberg y el equivalente de
arena con secado previo y con humedad natural.
– A partir de este análisis se puede definir un compactograma para construcción.

Parámetros de identificación de susceptibilidad al
secado previo en laboratorio.
• Índice de agregación, I.A. (Tateishi).
– E.A.d : Equivalente de arena sobre una
muestra con secado previo al ensayo.
– E.A.ωn : Equivalente de arena sobre una
muestra sin secado previo al ensayo.
• Un índice de agregación mayor que 2.0 indica
que el suelo es susceptible a cambiar sus
propiedades de manera irreversible con el
secado previo.
𝐼. 𝐴. =
𝐸. 𝐴. 𝑑
𝐸. 𝐴. 𝜔𝑛

• Índice de liquidez, IL (Terzaghi): Determina
el comportamiento de un suelo al remoldeo.
– ωn: Humedad natural (%).
– LP.: Límite plástico con secado previo (%).
– LL: Límite líquido con secado previo (%).
– Interpretación convencional:
• IL < 0. Comportamiento frágil.
• 0 < IL < 1. Comportamiento plástico.
• IL > 1. Líquido muy viscoso.
• Humedad natural:
– Un suelo “no puede” tener una humedad natural
mayor que el límite líquido y encontrarse estable
en depósitos de campo con alta pendiente.
𝐼𝐿 =
𝜔 𝑛 − 𝐿𝑃
𝐿𝐿 − 𝐿𝑃

Resultados para algunos suelos andinos colombianos.
LUIS RICARDO VÁSQUEZ VARELA, M.Sc. 22
Procedencia
Humedad
natural (%)
Límite
líquido
Límite
plástico
Índice de
liquidez con
secado previo
Equivalente
de arena
Índice de
agregación
Montenegro – Quimbaya (K16+600) 67
58
(71)
47
(56)
1.8
20
(9)
2.2
Pereira – Cerritos (K1+700) -
59
(113)
53
(85)
-
37
(7)
5.3
Pereira – Marsella (K10+040) 95
57
(155)
46
(113)
1.2
29
(5)
5.8
Aranzazu – Salamina (K52+200) 46
43
(71)
38
(49)
1.6
20
(5)
4.0
41
(112)
35
(72)
10.0
18
(5)
3.6
47
(123)
40
(97)
7.3
29
(7)
4.1
Pereira – Dosquebradas (K0+238) 76
64
(111)
56
(76)
2.6
35
(4)
8.8
Pereira – Dosquebradas (K0+285) 87
70
(97)
58
(73)
2.4
15
(5)
3.0
Popayán – Cali (Piendamó) 115
73
(131)
NP
(114)
1.6
53
(10)
5.3
Manzanares – Marquetalia (Planes) 219
164
(211)
127
(146)
2.5
10
(10)
1.0
Los valores entre paréntesis () corresponden a los resultados de los ensayos sin secado previo de las muestras.
13/03/2017

CL
CH
MH-OH
ML-OLML
CL-ML
13/03/2017

Influencia del material de arcilla predominante en la posición del suelo en la carta de plasticidad (Adaptado de Blight & Choon Leong, 2012).
Datos de Vásquez (1996) y Díaz & Villada (2003).

Procedencia
Humedad
natural (%)
Peso unitario
seco (g/cm³)
Peso
específico de
sólidos
Porosidad (%) Saturación (%) CBR
Pereira – Marsella (K0+400) 132.8 0.548 2.47 77.8 93.7 9.3
Pereira – Marsella (K6+511) 79 0.782 2.55 69.3 89.1 7.0
Chinchiná – Pereira (K0+228) 63 0.862 2.52 65.8 82.7 9.5
Pereira – Armenia (K2+850) 71 0.863 2.54 66.0 93.4 7.4
Pereira – Cerritos (K3+600) 61 0.910 2.59 64.9 85.7 5.3
13/03/2017

• El análisis granulométrico con lavado
sobre el tamiz No. 200 también ofrece
elementos de juicio para determinar la
susceptibilidad del suelo al cambio de
propiedades por el secado previo a los
ensayos de laboratorio.
Muestra obtenida en el barrio Palermo de la
ciudad de Manizales (Abr. 2015). I.A. = 2.5.
Retenido en 75 μm
con secado previo
Retenido en 75 μm sin
secado previo

Relaciones peso unitario seco – humedad con secado y sin
secado previo.
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
30 40 50 60 70 80 90 100 110
Humedad -- (%)
Densidad(gr/cm3
)
Con secado previo
Sin secado previo
Figura 2.5. Compactograma Pereira – Marsella. K10+040.
Pesounitarioseco(g/cm³)
Humedad (%)
Pereira – Marsella K10+040
13/03/2017

0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
30 40 50 60 70 80 90 100 110
Humedad -- (%)
Densidad(gr/cm3
)
Con secado previo
Sin secado previo
Figura 2.6. Compactograma Pereira – Cerritos. K1+700.
Humedad (%)
Pereira – Cerritos K1+700
13/03/2017

0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
30 40 50 60 70 80 90 100 110
Humedad -- (%)
Densidad(gr/cm
3
)
Con secado previo
Sin secado previo
Figura 2.7. Compactograma Montenegro – Quimbaya. K16+600.
Humedad (%)
Montenegro – Quimbaya K16+600
13/03/2017

0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
CBR (%)
Frecuenciarelativaacumulada
Figura 2.8. Distribución de valores de CBR para andosoles.
Distribución estadística del CBR de suelos derivados de
ceniza volcánica.
LUIS RICARDO VÁSQUEZ VARELA, M.Sc. 3013/03/2017

Resultados de microscopía electrónica y difracción de rayos
X obtenidos en la U.N. Manizales.
• El trabajo de investigación de Díaz y Villada (2003) empleó la difracción de rayos X y el microscopio
de barrido electrónico para la identificación de minerales en seis muestras de suelos derivados de
ceniza volcánica de la ciudad de Manizales.
• El trabajo se realizó sobre muestras sin secado y con secado previo con el fin de detectar cambios
en la composición mineralógica.
Procedencia Humedad natural Límite líquido Límite plástico Índice de plasticidad Índice de liquidez
Vía La Rambla – Laureles 1 (Mzl-1) 55
39
(58)
30
(34)
9
(24)
2.8
(0.9)
Vía La Rambla – Laureles 2 (Mzl-2) 133
NL
(163)
NP
(90)
NP
(73)
--
(0.6)
San Rafael 1 (Mzl-3) 55
55
(65)
36
(39)
19
(26)
1.0
(0.6)
San Rafael 2 (Mzl-4) 56
34
(64)
31
(36)
3
(28)
8.3
(0.7)
Carrera 23 Calles 21 – 22 (Mzl-5) 51
27
(65)
24
(43)
3
(22)
9.0
(0.4)
Laureles (Mzl-6) 48
29
(44)
27
(30)
2
(14)
10.5
(1.3)
Los resultados entre paréntesis () corresponden a procedimientos sin secado previo en laboratorio.

Resultados de la fase húmeda.
• En la fase húmeda se encontraron
minerales poco cristalinos:
– Alófana.
[Al2O3 3.0-2.0 (SiO2) 2.5–3.0 (H2O)].
– Imogolita. [Al2SiO3 (OH)4].
– Ferridrita. [Fe5O7 OH·H2O].
– La presencia de estos minerales
explica el comportamiento de los
suelos derivados de ceniza
volcánica.
Resultados de la fase seca.
• En la fase seca (60°C) desaparecieron
los minerales poco cristalinos y se
detectaron minerales comunes como:
– Cristobalita.
– Cuarzo.
– Haloisita.
– Caolinita.
– Goethita y
– Montmorillonita, entre otros.

Difractograma 1. Muestra 1. Polvo total húmedo.

Grupos de suelos residuales tropicales de interés para el
Ingeniero Geotecnista (Wesley, 2010).
Nombres empleados
con frecuencia
Nombres pedológicos rigurosos Minerales
dominantes de
arcilla
Características importantes
FAO
Taxonomía de suelos
de los EE.UU.
Francia
Suelos lateríticos
Latosoles
Arcillas rojas
Ferrasoles Oxisoles Suelos ferralíticos
Haloisita
Caolinita
Gibsita
Goethita
Grupo muy grande con gran variedad de
características y propiedades usualmente
buenas.
Suelos de ceniza
volcánica
Andosoles
Andosoles Andepts
Suelos pardos
eutróficos de regiones
tropicales o ceniza
volcánica
Alófana y algo de
Haloisita
Caracterizado por un alto contenido de agua y
cambios irreversibles cuando se seca.
Suelos de algodón
negro
Vertisoles Vertisoles Vertisoles
Smectita
(montmorillonita)
Suelo problemático, con elevada contracción
o expansión, baja resistencia.

MÓDULO RESILIENTE DE SUELOS FINOS DE
SUBRASANTE Y MODELO EMPÍRICO DE
AHUELLAMIENTO.
Caracterización mecánica.

Comportamiento de los materiales en los
pavimentos.
Ablandamiento por esfuerzo.
• Se presenta en suelos finos. El módulo de Young
(E) se reduce con el incremento del esfuerzo (σ).
Endurecimiento por esfuerzo.
• Se presenta en suelos granulares por la fricción
movilizada entre partículas. El módulo de Young
(E) aumenta con el incremento del esfuerzo (σ).
σ (F/L²)
ε (L/L)
Material
elástico lineal
E (F/L²)
Material elástico
no lineal
E1 (F/L²)
E2 (F/L²)
E3 (F/L²)
E1 < E2 < E3: El material se endurece
con el aumento del esfuerzo.
σ (F/L²)
ε (L/L)
Material
elástico lineal
E (F/L²)
Material elástico
no lineal
E1 (F/L²)
E2 (F/L²)
E3 (F/L²)
E1 > E2 > E3: El material se ablanda
con el aumento del esfuerzo.

Proceso de carga – descarga.
• En un proceso de carga – descarga los
materiales, lineales o no, pueden
acumular deformaciones permanentes o
plásticas.
σ (F/L²)
ε (L/L)
Material elástico - plástico
con trayectorias diferentes
de carga y descarga.
ε permanente ε recuperable
ε total
σ (F/L²)
ε (L/L)
Material elástico lineal
con una única trayectoria
Material anelástico con
trayectorias diferentes de
carga y descarga.
No hay deformación
permanente.
Material elástico no lineal
con una única trayectoria

Acumulación de deformación plástica
bajo carga cíclica.
• Bajo carga cíclica con esfuerzo constante,
el material elástico – plástico acumula
deformación permanente hasta alcanzar la
condición “resiliente”.
• Luego de un número significativo de ciclos
de carga, la deformación total del material
corresponde al componente recuperable
de la misma.
ε
1 n Ciclos de carga – descarga
Deformación recuperable,
resiliente o elástica:
εr
Deformación plástica:
εp
Deformación total:
εt = εr + εp
σ
ε
εp εr
εt
Primer ciclo de carga
σ
ε
εp →0 εr
εt
N- ésimo ciclo de carga
𝐸 =
𝜎
𝜀 𝑟

Medida del módulo resiliente de suelos
finos de subrasante.
AASHTO T307-99 (2007) – Determining the
Resilient Modulus of Soils and Aggregate
Materials.
http://www.mrr.dot.state.mn.us/research/mr/CurrentProtocol_061122_files/image018.jpg
Disco poroso de bronce
o piedra porosa
Disco poroso de bronce
o piedra porosa
Papel filtro
Papel filtro
Membrana de la muestra
Placa de base
Placa superior de la muestra
Sellos anulares de caucho
Rodamiento lineal con
bujes de bolas
Entrada de vacío
El dibujo no está a escalaSección
Entrada de vacío
Base de la muestra
Tirantes
Cámara de plexiglás
Placa de cobertura
Entrada de presión
a la cámara
Base sólida
Muestra
Transductor lineal de
diferencia de voltaje
Soporte de los
transductores
Actuador de carga cíclica
o repetida
Celda de carga
Soporte de la
esfera de acero
Esfera de acero
51 mm máximo.
Pistón de carga para la
cámara:
13 mm a 38 mm según suelo.

100 mm
200mm
Configuración básica de la muestra
para triaxial cíclico
Recubrimiento de la muestra para triaxial
cíclico
Disco
Disco
Muestra
Membrana
Muestra para triaxial cíclico en la cámara de presión
Cámara
σ3: Esfuerzo de
confinamiento
Esfuerzos que actúan sobre la muestra
σ3: Esfuerzo de confinamiento
σ1: Esfuerzo axial total
σd: Esfuerzo desviador
𝜎 𝑑 = 𝜎1 − 𝜎3
Longitud de los sensores para la medida de la
deformación unitaria en la muestra
L: Longitud sobre la
cual se miden las
deformaciones
cíclicas.
L
Sin carga
Deformación de la muestra bajo carga
σ3: Esfuerzo de
confinamiento
σd: Esfuerzo desviadorCargada
ΔL ΔL: Desplazamiento
axial

Secuencia de ensayo para suelos de subrasante (AASHTO T307-99)
Secuencia
No.
σ3 de confinamiento
(kPa)
σmáx. axial
(kPa)
Cíclico
(kPa)
Constante 0.1σmáx.
(kPa)
No. De
ciclos
0 41.4 27.6 24.8 2.8 500 – 1000
1 41.4 13.8 12.4 1.4 100
2 41.4 27.6 24.8 2.8 100
3 41.4 41.4 37.3 4.1 100
4 41.4 55.2 49.7 5.5 100
5 41.4 68.9 62.0 6.9 100
6 27.6 13.8 12.4 1.4 100
7 27.6 27.6 24.8 2.8 100
8 27.6 41.4 37.3 4.1 100
9 27.6 55.2 49.7 5.5 100
10 27.6 68.9 62.0 6.9 100
11 13.8 13.8 12.4 1.4 100
12 13.8 27.6 24.8 2.8 100
13 13.8 41.4 37.3 4.1 100
14 13.8 55.2 49.7 5.5 100
15 13.8 68.9 62.0 6.9 100

Modelos elásticos no lineales del módulo
resiliente de suelos finos.
• De acuerdo con Witczak et al.,
1995:
– Durante más de 40 años la
investigación ha demostrado que
el módulo resiliente de los suelos
finos (Mr) se reduce con el
incremento del esfuerzo
desviador (σd), es decir, el suelo
tiene una respuesta de
ablandamiento por esfuerzo.
– Se han propuesto diferentes
modelos para caracterizar la
relación entre el módulo
resiliente y el esfuerzo desviador:
– Modelo bilineal (Illinois).
• Para k2 ≥ σd.
• Para k2 < σd.
• El módulo máximo se fija para σd =
2 psi y el mínimo para σd = qu.
– Modelo semi-logarítmico (Illinois).
𝑀𝑟 = 𝑘1 + 𝑘3 ∙ 𝑘2 − 𝜎 𝑑
𝑀𝑟 = 𝑘1 + 𝑘4 ∙ 𝜎 𝑑 − 𝑘2
log 𝑀𝑟 = 𝑘1 − 𝑘2 ∙ 𝜎 𝑑

– Modelo hiperbólico (Tennessee).
– Modelo bilogarítmico.
• Con el σd:
• Con el τoct:
• En las ecuaciones anteriores:
– k1, k2, k3 y k4 son constantes de
regresión en cada modelo.
– τoct es el esfuerzo cortante
octaédrico.
– Pa es la presión atmosférica (100
kPa).
𝜏 𝑜𝑐𝑡 =
1
3
×
2
𝜎1 − 𝜎3
2 + 𝜎2 − 𝜎3
2 + 𝜎1 − 𝜎2
2
𝑀𝑟 = 𝑘1 × 𝑃𝑎 ×
𝜏 𝑜𝑐𝑡
𝑃𝑎
𝑘2
𝑀𝑟 = 𝑘1 × 𝑃𝑎 ×
𝜎 𝑑
𝑃𝑎
𝑘2
𝑀𝑟 =
𝑘1 + 𝑘2 ∙ 𝜎 𝑑
𝜎 𝑑

Ejemplo de un ensayo triaxial cíclico sobre suelo fino.
(Adaptado de Huang, 2004).
Esfuerzo
desviador
σd (kPa)
Presión de
confinamiento
σ3 (kPa)
Deformación
unitaria
recuperable
(x 1.0E-03)
Módulo
resiliente, Mr
(kPa)
6.9 41.4 0.098 70,354
13.8 41.4 0.204 67,596
27.6 41.4 0.513 53,758
55.2 41.4 1.428 38,624
68.9 41.4 1.923 35,853
6.9 20.7 0.104 66,293
13.8 20.7 0.217 63,549
27.6 20.7 0.556 49,601
55.2 20.7 1.778 31,020
68.9 20.7 2.778 24,821
6.9 0.0 0.114 60,481
13.8 0.0 0.260 53,034
27.6 0.0 0.755 36,528
55.2 0.0 2.353 23,442
68.9 0.0 4.000 17,237
ε
1 n
εr
εp
εt = εr + εp
𝑀𝑟 =
𝜎 𝑑
𝜀 𝑟
=
𝜎𝑐 + ∆𝜎 𝑎 − 𝜎𝑐
𝜀 𝑟

• Modelo bilineal. • Modelo semi-logarítmico.

• Modelo hiperbólico.

• Modelo bilogarítmico con σd. • Modelo bilogarítmico con τoct.

Valores típicos del módulo resiliente y la relación
de Poisson en la humedad óptima.
Clasificación del
material
Rango de Mr (ksi) Mr típico
(ksi)
A-1-a 38.5 – 42.0 40.0
A-1-b 35.5 – 40.0 38.0
A-2-4 28.0 – 37.5 32.0
A-2-5 24.0 – 33.0 28.0
A-2-6 21.5 – 31.0 26.0
A-2-7 21.5 – 28.0 24.0
A-3 24.5 – 35.5 29.0
A-4 21.5 – 29.0 24.0
A-5 17.0 – 25.5 20.0
A-6 13.5 – 24.0 17.0
A-7-5 8.0 – 17.5 12.0
A-7-6 5.0 – 13.5 8.0
Descripción del material Rango de ν ν típico
Arcilla saturada 0.4 – 0.5 0.45
Arcilla no saturada 0.1 – 0.3 0.20
Arcilla arenosa 0.2 – 0.3 0.25
Limo 0.3 – 0.35 0.325
Arena densa 0.2 – 0.4 0.30
Arena gruesa 0.15 0.15
Arena fina 0.25 0.25
Lecho rocoso 0.1 – 0.4 0.25

• Resultados obtenidos por Vidal Valencia y Osorio Mora (EAFIT, 2002)
(http://publicaciones.eafit.edu.co/index.php/revista-universidad-eafit/article/view/957/862 ).
– Suelo tipo limo parcialmente saturado.

La infame correlación entre el módulo
resiliente y el CBR.
• SHELL (Heukelomm y Foster, 1960).
• USACE (Green y Hall, 1975).
• CSIR: Consejo de Investigaciones
Científicas e Industriales de
Suráfrica (Ayres, 1997).
• Laboratorio de Investigación en
Transporte y Carreteras (TRRL) (Lister
& Powell, 1987). Adoptada en el
proyecto NCHRP 1-37A.
• Departamento de Transporte (DOT)
del Estado de Georgia (EE.UU.).
𝑀𝑟 𝑝𝑠𝑖 = 1,500 × 𝐶𝐵𝑅
𝑀𝑟 𝑀𝑃𝑎 = 10.3 × 𝐶𝐵𝑅
𝑀𝑟 𝑝𝑠𝑖 = 2,555 × 𝐶𝐵𝑅0.64
𝑀𝑟 𝑝𝑠𝑖 = 5,409 × 𝐶𝐵𝑅0.711
𝑀𝑟 𝑝𝑠𝑖 = 3,000 × 𝐶𝐵𝑅0.65
𝑀𝑟 𝑝𝑠𝑖 = 3,116 × 𝐶𝐵𝑅0.478
𝑀𝑟 𝑀𝑃𝑎 = 17.62 × 𝐶𝐵𝑅0.64
𝑀𝑟 𝑀𝑃𝑎 = 38 × 𝐶𝐵𝑅0.711
𝑀𝑟 𝑀𝑃𝑎 = 21 × 𝐶𝐵𝑅0.65
𝑀𝑟 𝑀𝑃𝑎 = 21.5 × 𝐶𝐵𝑅0.478

-
5,000
10,000
15,000
20,000
25,000
30,000
2 3 4 5 6 7 8 9 10
Móduloresiliente(psi)
CBR (%)
Algunas relaciones CBR (%) vs. Mr (psi).
SHELL USACE CSIR TRRL Georgia DOT

• La correlación entre CBR y módulo resiliente desconoce la no linealidad de los
suelos finos de subrasante.
• Modificación de las correlaciones de módulo resiliente – CBR según el NESE
acumulado durante el periodo de diseño (Witczak, Qi & Mirza, 1995).
Proponente Modelo
Valor recomendado de K según el NESE
100,000 1’000,000 10’000,000 50’000,000
Shell Mr (psi) = K * CBR 1,500 1,750 2,300 2,900
CSIR Mr (psi) = K * CBR0.65 3,200 3,700 4,700 5,800
TRRL Mr (psi) = K * CBR0.64 3,250 3,800 4,800 5,900

• Otras correlaciones entre el
módulo resiliente y el CBR:
– Lotfi et al (1988), para 2% ≤ CBR
≤ 21%.
– Ohio DOT (2008):
– Manual de diseño de pavimentos
para Bogotá (IDU & Universidad
de Los Andes, 2000).
– Illinois DOT:
𝑀𝑟 𝑘𝑠𝑖 = 𝑘1 ∙ 𝜎 𝑑
𝑘2
𝑝𝑠𝑖
𝑘1 = 10 1.0016+0.043∙𝐶𝐵𝑅
𝑘2 = −
1.9557
𝐶𝐵𝑅
+ 0.1705
𝑀𝑟 𝑝𝑠𝑖 = 1,200 × 𝐶𝐵𝑅
𝑀𝑟 𝑀𝑃𝑎 = 5 × 𝐶𝐵𝑅
𝑀𝑟 𝑘𝑠𝑖 = 0.307 × 𝑄 𝑢 + 0.86
𝑄 𝑢 𝑝𝑠𝑖 = 4.5 × 𝐶𝐵𝑅

Comportamiento por ahuellamiento
asociado con la subrasante.
• En este modelo se asigna la totalidad
del proceso de ahuellamiento a la
respuesta de la subrasante.
– Donde:
• Nd: Número de repeticiones admisibles relacionadas con una profundidad de
ahuellamiento definida como aceptable.
• εz: Deformación vertical de compresión en la parte superior de la subrasante
(microstrain).
• f4 y f5: Coeficientes determinados mediante observación de comportamiento de
pavimentos en escala real.
𝑁 𝑑 =
𝑓4
𝜀 𝑧
𝑓5
http://www.qespavements.com/img/07-038_pic2.jpg

Autor f4 f5
AUSTROADS (2004) 9,300 7.000
SHELL (1978) 28,000 4.000
Mn/ROAD para huella de 13 mm. (1999) 13,626 3.870
Asphalt Institute para huella de 13 mm (1982) 10,469 4.477
Guía Francesa de Diseño de Pavimentos (1994)
- Trafico bajo
- Tráfico medio y fuerte
16,000
12,000
4.505
4.505
13/03/2017
1,000
10,000
100,000
1,000,000
10,000,000
100 1,000 10,000
Númeroderepeticionesadmisiblesdecarga,Nd
Deformación vertical de compresión en la parte superior de la subrasante, εz (microstrain)
Modelos de predicción del ahuellamiento basados en la respuesta de la subrasante
AUSTROADS (2004) SHELL (1978) MnROAD (1999)
Asphalt Institute (1982) GFD TB (1994) GFD TF (1994)

Medidas experimentales
reportadas por Brown (1996)
demuestran que el
ahuellamiento se debe al aporte
de deformación permanente de
todas las capas del pavimento.
Año
Deformación(mm)
Subbase +
Base +
Rodadura
Subrasante
Total
Arcilla pesada
Concreto asfáltico
Concreto asfáltico
Material granular
Desarrollo de la deformación permanente en los
experimentos del TRL en Alconbury Hill (Lister, 1972).
13/03/2017

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