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Módulos de resiliencia en suelos finos y materiales granulares

Los materiales que constituyen los pavimentos, incluyendo las terracerías y el terreno de cimentación, se ven sometidos a cargas dinámicas de diversas magnitudes que le son transmitidas por el tránsito vehicular.

Las deformaciones resilientes o elásticas son de recuperación instantánea y suelen denominarse plásticas a aquellas que permanecen en el pavimento después de cesar la causa deformadora.

El concepto de módulo de resiliencia, está definido como el esfuerzo desviador repetido aplicado en compresión triaxial entre la deformación axial recuperable.

La magnitud del módulo de resiliencia, para un valor de contenido de agua dado, aumenta con el peso volumétrico hasta cierto valor y después disminuye para grados de saturación elevados, en especial después del correspondiente a los óptimos de compactación.

Caracterización de la solicitación en pavimentos

1.- Naturaleza cíclica de las cargas que actúan en un pavimento

2.- Mediciones de esfuerzos y deformaciones en casos reales

3.- Influencia de la velocidad del vehículo en el tiempo de aplicación de carga

4.- Mecanismo de deformación de un material sujeto a carga cíclica

5.- El concepto de Módulo de Resiliencia

Factores que afectan el módulo de resiliencia en suelos cohesivos

1.- Numero de aplicaciones del esfuerzo

2.- Tixotropía

3.- Magnitud del esfuerzo desviador

4.-Método de compactación

Factores que afectan el Módulo de Resiliencia en Materiales Granulares

1.- Tipo de material

2.- Tamaño del espécimen, tipo de compactación, peso específico y granulometría

3.- Magnitud del esfuerzo aplicado

4.- Contenido del Agua

Utilización del Módulo de Resiliencia

1.- Método de diseño de pavimentos AASHTO

2.- Del tramo de prueba AASHO a la Guía AASHTO

3.- Métodos mecanicistas

4.- Relaciones constitutivas para suelos finos y materiales granulares utilizados en los métodos de diseño mecanicistas

Los materiales que constituyen los pavimentos, incluyendo las terracerías y el terreno de cimentación, se ven sometidos a cargas dinámicas de diversas magnitudes que le son transmitidas por el tránsito vehicular.

En pavimentos, las deformaciones interesan desde dos puntos de vista : por un lado, las deformaciones excesivas están asociadas a estados de falla y -por otroporque es sabido que un pavimento deformado puede dejar de cumplir sus funciones, independientemente de que las deformaciones no hayan conducido a un colapso estructural propiamente dicho.

La carga que transmiten los vehículos es en forma de pulsos, cuya magnitud depende de la presión de inflado de las llantas y de la carga por eje ; además, la duración de aplicación del pulso depende de la velocidad y del nivel de tránsito diario.

Los esfuerzos aplicados por una llanta en movimiento se aproximan a una forma senoidal, cuya duración depende de la velocidad del vehículo y de la profundidad del punto al que se está haciendo referencia.

Se observa cómo a mayor velocidad del vehículo el tiempo de aplicación de la carga disminuye ; también es evidente que simulando el esfuerzo vertical con una onda triangular, los tiempos de aplicación aumentan. También se puede apreciar que el tiempo de duración de la carga aumenta con la profundidad.

El tipo y la magnitud de las solicitaciones, repeticiones de carga acumuladas, características asociadas al clima y la localización de las diferentes capas de material; el comportamiento esfuerzo-deformación de un suelo puede ser de dos tipos : resiliente y plástico.

Las deformaciones resilientes o elásticas son de recuperación instantánea y suelen denominarse plásticas a aquellas que permanecen en el pavimento después de cesar la causa deformadora. Bajo carga móvil y repetida, la deformación plástica tiende a hacerse acumulativa y puede llegar a alcanzar valores inadmisibles.

El módulo dinámico de elasticidad para subrasantes es un parámetro de gran importancia para entender el agrietamiento (por fatiga) de las superficies de asfalto y que la carga monotónica podría no ser la adecuada para su determinación.

Para analizar el comportamiento del módulo de resiliencia de un suelo, se sometieron varios especímenes de arcilla compactada a pruebas de módulo de resiliencia con la secuencia recomendada por el Programa Estratégico de Investigación de carreteras (SHRP); todos los ensayes se llevaron a cabo utilizando onda tipo senoidal con tiempo de aplicación de carga de 0.1 s y 0.9 s de periodo de reposo.

las muestras compactadas a altos grados de saturación, particularmente por métodos de compactación que inducen cortantes en el suelo, muestran un pronunciado incremento en la resistencia si se permite un periodo de reposo. Este incremento en resistencia es atribuido a la tixotropía y al cambio progresivo en los arreglos de las partículas y presiones de poro del agua dentro del suelo en un tiempo prolongado.

Bajo número de repeticiones de carga y el nivel de esfuerzo usado en estas pruebas, la diferencia en el módulo de resiliencia entre muestras probadas inmediatamente o un día después de la compactación y muestras probadas después de 50 días puede variar entre 300 y 400%.

La clara dependencia que presenta el módulo de resiliencia del esfuerzo desviador aplicado y la poca influencia del esfuerzo de confinamiento en el mismo módulo. Los valores del módulo de resiliencia decrecen rápidamente con el incremento del esfuerzo desviador

Para muchos suelos, el método de compactación tiene un profundo efecto en el arreglo que adoptan las partículas de las arcillas.

Los cambios en la estructura parecen ser debidos, en gran medida, al cortante inducido en el suelo durante la compactación.

Para suelos compactados por medio de amasado, el pisón penetra en el suelo y causa levantamiento adyacente de la superficie del suelo como resultado de las deformaciones.

De acuerdo con varios investigadores (Corro, et al, 1985), una grava arcillosa puede tener módulos de resiliencia del orden de 375 MPa, en tanto que una grava arenosa alcanza valores de 650 MPa. Es evidente que estos datos son incompatibles con los determinados de acuerdo con otros criterios ; por ejemplo, Brown y Pappin sugieren módulos del orden de 100 MPa para bases de buena calidad y de 40 MPa para bases granulares deficientes.

Para observar el efecto de tamaño del espécimen, tipo de compactación, peso específico y granulometría, Musharraf et al (1994), llevaron a cabo una serie de ensayes de módulo de resiliencia. Las características de cada uno de los especímenes se muestran en la tabla siguiente.

El módulo de resiliencia que alcanza un material granular una vez que la deformación recuperable llega a un valor estable, aumenta en razón directa al nivel del esfuerzo aplicado.

El módulo de resiliencia de un material granular es entonces dependiente del nivel de esfuerzo aplicado y no se le puede considerar como una propiedad intrínseca del material.

El módulo de resiliencia se incrementa al aumentar la magnitud del esfuerzo. Los materiales con granulometría similar tienden a agruparse, como es el caso de GW1 y GW2 (bien graduados) y de GP1 y GP2 ( mal graduados).

Rada y Witczac (citados en Ping Tiam, et al) evaluaron 271 resultados de pruebas obtenidos de 10 diferentes agencias de investigación y encontraron que las variables que más influyen en el módulo de resiliencia de los materiales granulares son : el estado de esfuerzo, el grado de saturación y el grado de compactación. Para materiales triturados angulosos, un incremento en el contenido de agua conduce a una disminución del módulo de resiliencia. Especímenes con alto peso volumétrico seco tendrán altos valores de módulo de resiliencia. Resultados similares fueron reportados por Zaman (citado en Ping Tiam et al), encontrando además que el peso volumétrico seco estuvo determinado por la granulometría usada, independientemente del tamaño del espécimen, para la misma energía de compactación. Thompson (citado en Ping Tiam et al) reportó que para granulometrías que solamente difieren en porcentajes permisibles de material menor que 0.075 mm,

El actual método de diseño AASHTO, versión 1993, describe con detalle los procedimientos para el diseño de la sección estructural de los pavimentos flexibles. Este diseño está basado principalmente en encontrar el número estructural SN para que el pavimento flexible pueda soportar el nivel de carga solicitado. Para determinar el número estructural SN requerido, el método proporciona la ecuación básica siguiente :

El tramo de prueba AASHO fue construido cerca de Ottawa, Illinois.

Teniendo entre sus objetivos el determinar la relación entre el número de repeticiones de carga -para determinadas configuraciones- y el comportamiento de los diferentes espesores de materiales en pavimentos flexibles y rígidos.

Con base en los estudios realizados en este tramo de prueba, se desarrolló el procedimiento de diseño de pavimentos de la guía AASHTO. Al adoptar las ecuaciones para diseño, la guía AASHTO simplemente utiliza una escala de soporte del suelo para representar los cambios de condiciones, sin definir completamente la escala o qué prueba debería ser utilizada con ésta.

Con la guía de 1986, esa escala es abandonada y reemplazada por una relación basada en el módulo de resiliencia. Se utilizó un valor de 3000 psi para caracterizar a la subrasante del tramo de prueba ya mencionado. Por lo tanto, para que esta guía sea usada correctamente, el módulo de resiliencia de la subrasante debe de ser consistente con 3000 psi..

Thompson y Robnett reportaron un estudio más completo sobre el comportamiento resiliente de la subrasante del tramo de prueba AASHO. Ellos desarrollaron pruebas de módulo de resiliencia en suelos de Illinois (Figura 4.3). De los datos se puede concluir que 3000 psi es un valor apropiado para ese suelo cuando el contenido de agua es 1% mayor al óptimo y está sujeto a un esfuerzo desviador de 6 psi o más. Lo que no es discutido por Thompson y Robnett es que los resultados obtenidos están basados en pruebas sin confinamiento. Sin embargo, el procedimiento actual de prueba AASHTO recomienda utilizar una presión de confinamiento de 3 psi para un cierto rango de esfuerzos desviadores.

El diseño apropiado de los pavimentos depende en gran medida del entendimiento de la respuesta de los materiales ante cargas repetidas.

Los procedimientos mecanicistas están basados en la suposición de que un pavimento puede ser modelado como una estructura multicapa elástica o viscoelástica sobre una cimentación elástica o viscoelástica. Suponiendo que los pavimentos pueden ser modelados de esta manera, es posible calcular los esfuerzos, deformaciones o deflexiones debidas al tránsito en cualquier punto del pavimento. Sin embargo se sabe que hay factores que no pueden ser modelados, por lo tanto es necesario calibrar los modelos con observaciones de campo.

4.1 Suelos Finos

El módulo de resiliencia de suelos finos decrece con el incremento en el esfuerzo desviador σd.

Thompson y Elliot (1985) indicaron que el valor del módulo de resiliencia en el punto de quiebre de la curva, como se indica por K1 en la Figura 4.5, es un buen indicador del comportamiento resiliente, mientras que las otras constantes K2, K3 y K4, muestran menos variabilidad que K1.

4.2 Materiales granulares

Una relación simple entre módulo de resiliencia y la suma de esfuerzos principales puede expresarse como : E = K1 θK2

4.3 Constantes no lineales para materiales granulares

5.- Estimación del valor de Módulo de Resiliencia

se han desarrollado investigaciones tendientes a establecer correlaciones entre éste y otras características como el valor relativo de soporte y el valor de resistencia R.

Heukelom y Klomp han reportado correlaciones entre el VRS y el modulo de ressiliencia:

Mr (psi) = 1500 X VRS

Una relación similar ha sido desarrollada por el Instituto del Asfalto la cual relaciona el valor de resistencia R y el Módulo de Resiliencia como sigue : Mr (psi) = A + B X (Valor de R).

Para propósitos de la Guía AASHTO se puede utilizar la siguiente correlación para suelos finos (R igual a 20 o menor) : Mr = 1,000 + 555 X (Valor de R)

Todos los valores de módulo de resiliencia que se han indicado son sólo valores de referencia y en ningún caso deben usarse para diseños particulares. Siempre se deberá recurrir al estudio experimental del suelo en cuestión en cada problema particular.