Distribución de la presión.
La intensidad de la presión proveniente de una
carga, como se puede demostrar, es capaz de disminuir con la
profundidad y de ser distribuida sobre un plano, a una
profundidad dada, con una variación de intensidad cuya
distribución de frecuencia es normal o en
forma de campana de Gauss. La deformación del pavimento se
puede relacionar directamente con la ley de Hooke, la
cual afirma que el esfuerzo es una tensión proporcional,
es decir, S = Es
, en donde S es el esfuerzo, s es la tensión y E es el
módulo de elasticidad del
material. El análisis de Talbot
de los carriles expresa inicialnlente la relación
como p = uy, en donde p es la carga, y es la deformación y
u es el módulo de elasticidad del
carril o de rigidez de sus apoyos.
Por lo general los pavimentos flexibles se componen de
varias capas que contienen por lo menos una superficie de
apoyo, una pista base y, si los suelos que
conforman la capa de apoyo son débiles, una sub-base
encima de la capa de apoyo. Un caso semejante se encuentra en
el sistema
riel-durmiente-balasto-sub-balasto. Es preciso elegir
entre las inexactitudes de un módulo promedio de rigidez,
E (un parámetro general), o tratar de establecer
módulos individuales para cada una de las capas que forman
el sistema. Este
problema dio origen al método del
sistema
elástico por capas de Burmister, la teoría
de las capas deslizantes de Barenberg, el análisis
de elementos finitos y otros.
Con la aplicación de la ley de Hooke
hecha por Boussinesq se puede calcular la deformación a
cierta profundidad z para una carga dada. Si se considera
únicamente una carga puntual, la relación de
Boussinesq vendría a ser
en donde s
z es el esfuerzo vertical en lb/plg2,
P es la carga puntual en lbs y P es la profundidad debajo del
punto en que se aplica la carga. En esta
ecuación
en donde r es la distancia radial desde el punto de
aplicación de la carga. Véase la figura
2.
En el
caso del esfuerzo en un plano vertical que pasa por el centro de
una placa cargada,
en donde p es la carga unitaria sobre una placa circular
de radio r (o de un
neumático cuya presión y área de contacto se
conocen).
La
relación de Poisson u es la relación entre la
tensión normal al esfuerzo que se aplica y la
tensión paralela a dicho esfuerzo. Se toma generalmente en
0.50 para el suelo. Si se
combinan las ecuaciones del
esfuerzo vertical en un plano vertical que pasa por el centro de
la placa y de las tensiones radiales que dependen del valor de 0,5
de la relación de Poisson.
puede calcular el módulo de elasticidad de
una capa de suelo o
pavimento. En el método
clásico se supone que la capa de apoyo es un
líquido espeso en el cual la reacción es una
función lineal de la deformación. Por lo general,
para estas determinaciones se emplea una placa cuyo radio es de 30
pulgadas. La aplicación del procedimiento de la
deformación de una placa rígida a los pavimentos de
tipo rígido, realizada por Westergaard, se estudia en la
sección dedicada a pavimentos rígidos. La carga
(presión del neumático) y el radio del
área de contacto de un neumático se pueden usar
también para determinar los efectos directos.
La ecuacíón de Talhot El Dr. A. N. Talbot
y su comité para el estudio de los esfuerzos
desarrollados por
las vías férreas establecieron una relación
empírica:
en donde
pc es la presión en lb/plg2 a una profundidad
cua]quiera h, en pulgadas, debajo del centro de un duriniente de
ferrocarril y bajo el riel y Pa es 1a carga
unitaría promedio sobre el área de la carga del
durmiente que está en contacto con el balasto. Para la
presión en un punto cualquiera situado a x pulgadas a la
derecha o a la izquierda del centro de apoyo debajo del
riel,
Estas expresiones son razonablemente exactas para
profundidades de 4 a 30 pulgadas (10.2 a 76.2 cm) por debajo del
durmiente. La figura 3 muestra la
disminución de las presiones debajo de la vía bajo
las cargas estáticas de un vagón de ferrocarril de
dos ejes, con una carga de 60 kips (27,240 kg) por cada
eje.
Pavimentos En el caso de las carreteras las
pistas de aterrizaje y roda-miento de los aeropuertos, un
pavimento que desempeña diversas funciones
actúa como cubierta protectora de la capa de
apoyo.
a) Soporta y distribuye la carga, con una
presión unitaria lo suficien-temente disn)inuida para
estar dent yo de la capacidad del suelo que
constituye la capa de apoyo, reduciendo la tendencia a la
forma-ción de surcos.
b) El pavimento impermeabiliza la superficie retitando
la humedad de las áreas que reciben la carga y de la
capa de apoyo.
c) La acción abrasiva de las ruedas en los
materiales
de la capa de apoyo se reduce o se elimina.
Tipos de pavimento Los pavimentos varían
desde las loms de concreto casi
rígidas que se tienden directamente sobre la capa de apoyo
hasta los di-versos tipos de pavimento de una o varias capas
aexibles y la simple colo-cación de los materiales
más selectos (arena o grava) en los niveles superio-res de
una capa de apoyo donde la intensidad de la carga es
máxima. Con frecuencia, los pavimentos de carretera se
clasifican como rigidoa o flñi-blea, son subgrupos
y grupos
intermedios. La diferencia entre rígido y fle-xible
es sólo cuestión de grado. Los pavimentos
más rígidos poseen cierta flexibilidad, mientras
que muchos de los llamados flexibles presentan casi la rigidez
del concreto.
La baja flexibilidad de los pavimentos rígidos
distribuye la carga que imponen las ruedas en un área muy
amplia de la capa de apoyo. De esta manera, las pequeñas
irregularidades en la capacidad de apoyo no resultan muy
significativas. Las losas se pueden tender directamente sobre la
capa de apoyo, pero en la construcción pesada moderna probablemente
habrá debajo una o más pistas basa.
Para los pavimentos flexibles se emplea una superficie
de desgaste re-lativamente delgada, que en algunas carreteras de
poca importancia se co-loea sobre una base delgada de grava o
piedra triturada tendida sobre la capa de apoyo y, en las de
mayor importancia, lleva una o más pistas base. Cuando se
emplea un tipo "abierto" de material para la base o la sub-base,
se puede interponer una capa filtrante de material escogido (o de
alguno de esos nuevos materiales
recientemente fabricados) entre la pista inferior y la capa de
apoyo, con el fin de reducir la subida capilar de la humedad y la
interprestación de los materiales que
costituyen la capa de apoyo y la pista base.
DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES
Los procedimientos de
diseño
van desde los métodos
empíricos que relacionan el grosor con algunas propiedades
clasificadas de los materiales que
componen el sisterna de apoyo hasta el análisis matemático sumamente
detallado de la naturaleza
compleja de los materiales y del medio ambien-te en que se
usarán. Los métodos
más sencillos parecen predominar, debido en parte a su
facilidad y en parte a las dificultades que implica obtener
datos
confiables para las evaluaciones más complejas.
Espesor del pavimento Un problema fundamental consiste
en determinar el grosor que requieren la base y la sub-base para
determinada combinación de materiales, carga y ambiente, a
fin de que tengan la resistencia
necesaria. La cantidad de deformación que sufre el
pavimento es una medida de su vida probable y de su capacidad
para soportar carga. Es una función de la carga, de la
capacidad de resistencia de la
capa de apoyo y de la capacidad del pavimento como distribuidor
de cargas. Una ilustración muy simplificada del factor de
espesor del pavimento en relación con la distribución de cargas supone que la carga
que impone cada rueda se distribuye en for-ma de cono cuya
inclinación es de 45 grados aproximadamente. Una
reacción uniforme de la capa de apoyo (capacidad para
soportar carga) tiene un valor de p
lb/plg2 , figura 4. El aplanamiento del neumático reparte
la carga en un área reducida, supuestamente circular y de
radio r, en el
caso de los automóviles y camiones ligeros. Un valor
conservador para r es la anchura nominal del neumático
dividida entre 4. Igualando la carga impuesba W con el soporte
que da la capa de apoyo en la base del cono, W = w(t + r)2p y t =
0.546W/p.3 En el caso de las mayores cargas que imponen las
ruedas de los grandes camiones y aeroplanos se supone que el
área de contacto es una elipse cuya anchura es
aproximadamente igual a la anchura nominal de un
neumático. La longitud de la elipse se puede calcular
suponiendo que la carga real = presión de inflado X el
área de la
elipse = presión de inflado X
p ab,
en donde a es el radio mayor de la
elipse de contacto y b es el radio menor. Como antes, W = @(a +
t)(b + t)p en donde:
Como la concentración de la carga es mayor cerca
de la superficie del pavimento donde se aplica, las capas de la
mejor calidad se
tienden cerca de la superficie. La fuerza no
proviene de la resistencia a la
flexión de la losa (como ocurre con los pavimentos
rígidos) sino que se obtiene más bien empalmando
capas para distribuir la carga sobre la capa de apoyo.
El procedimiento
implica la determinación del espesor total de la estructura
aaue compone el pavimento, así como el espesor de la base,
de la sub-base p de los riegos de protección. El diseño
se lleva a cabo de acuerdo con un nivel seleccionado de utilidad que se
expresa como un índice de utilidad.
Dicho nivel representa la cantidad de desgaste y deterioro que se
puede tolerar en un pavimento antes de proceder al recubrimiento
o a la reconstructión. Se basa en la fluidez del recorrido
uersus los surcos, las frac-turas y otras irregularidades
de la superficie. E1 índice contiene valores que
van de 0 a 1 (mady malo) hasta 4 a 5 (muy bueno). Por lo general
se toma un valor de 2-5
(aceptable) para las carreteras principales y de 2.0
(límite inferior del rango de 2 a 3) para los caminos
secundarios.
Se requiere una medida de la resistencia del
suelo. Es
conveniente convertir los valores
CBR en ualores de resistencia del
suelo usando un cuadro de correlaciones similar al de la
figura 5. Como se explicó antes, se establece el
tránsito diario en cargas equivalentes de 18 kips por eje.
Entre los otros datos necesarios
figuran el número estruetural SN y el yac-. tor
regional. El número estructural SN, sin
dimensiones, expresa la resisten-cia del pavimento en
términos del valor de
soporte del suelo, del
equivalente diario de 18 kips de carga por eje, del índice
de utilidad y del
factor regional. Los coeficientes adecuados convierten el valor
SN en el espesor real de la carpeta, de la base y de la
sub-base.
El factor regional relaciona el número
estructural que antecede con el estado
local del clima y otras
condiciones ambientales como la precipita-ción
pluvíal, la penetración del hielo, las
temperaturas, las aguas subterrá-neas, etc. La
elección de un factor regional conveniente se basa sobre
todo en el buen juicio. Por regla general se toma de 0.2 a 1.0
donde los materia-les
del firme se congelan hasta profundídades de 5 pulgadas
(12.7 cm) o más, de 0.3 a 1.5 para los materiales en el
verano seco y en el otoño, y de 4.0 a 5.0 para los
materiales del firme en los deshielos de primavera.
En la práctica, lo anterior se relaciona
convenientemente por medio de un homograma como el de las figuras
6 y 7. Utilizando una arista recta se entra a la gráfica
con el valor de apoyo del suelo y el equivalente diario de la
carga por eje dta 18 kips, para obtener el número
estructural no evaluado, SN- Con el número
estructural no evaluado y el factor regional elegido, una segunda
aplicación de la regla indicará el número
estructural evaluado.
El valor SN que corresponde a todo el pavimento
se relaciona con las capas
PAVIMENTOS DE CARPETA RIGIDA
Los pavimentos rígidos para trabajo pesado
comprenden los concrebos asfáltieos y los concretos de
cemento
Portland. Los asfálticos consisten en agregados bien
clasificados, mezclados ya sea antes, durante o después
del tendido con aceites bituminosos. La resistencia se logra
controlando la ca-lidad de los agregados, así como
el número y el espesor de la base. El concreto de
cemento
Portjand se puede tender directamente sobre la superficie
aplanada y compactada de la capa de apoyo, o se puede colocar
como superficie de desgaste sobre una o más capas bases.
El concreto
asfáltico se puede tender en forrna similar. A
veces la8 capas base de cemento
Portland se combillan con superfieies de desgaste de conereto
asfáltico. Véase la figura 8a y 8b.
El pavimento de concreto de
cemento
Portland está sujeto a una di-versidad de esfuerzos
causados por la naturaleza misma
del concreto como material. El concreto tiene una alta
resistencia a la compresión y una baja resistencia a la
tensión, de donde resulta una baja resistencia a la
flexión. El concreto se expande o se contrae
según esté húmedo o seco; de manera que
durante el fraguado se produce la contracción. Se expande
a medida que aumenta la temperatura y
se contrae cuando disminuye.
Esfuerzo abrasivo El esfuerzo abrasivo se
debe al movimiento de
las ruedas sobre la superficie de desgaste. Aunque no hay una
medida confiable del esfuerzo abrasivo, la experiencia indica una
relación con la resistencia a la compresión. El
diseño
exige normalmente una resistencia a la conlpresión de 4000
a 4500 lb/plg2 (27516 a 31023 MPa) en 28 d(as, ernpleando una
relación agua-cemento de 6
galones de agua por 1
saco de cemento. Con los neumátícos modernos, el
esfuerzo abrasivo no se considera un problema .
Compresión directa y cortante Estas
condiciones son el resultado de las cargas que imponen las
ruedas. El pavimento cle concreto es resistente a las cargas de
compresión, relativamente elevadas, de 4000 a 8000 lb/plg2
(27576 a 55152 MPa). En muchos estados la carga de las ruedas
está limitada a un máximo de 9000 lbs (4086 kg),
aunque algunos estados del este permiten hasta 11,200 lbs (5085
kg). En el diseño
se usa comúnmente un factor de impacto promedio de 1.5,
aunque el rango es de 1.25 a 2.00. En las carreteras han sido
relativamente escasas las fallas de las loh..s sometidas
directamente al esfuerzo de 
corte y a la compresión.
Esfuerzos de flexión Estos esfuerzos se
deben a la flexión que sufre el pavimento sometido
a la carga de las ruedas y son mucho más significativos
que los anteriores. La expresión "pavimento rígido"
implica una resistencia a la flexión o deformación
cuando la capa de apoyo es inadecuada. En realidad, sí se
producen la flexión y la deformación. En 1925 el ya
fallecido H. M. Westergaard publicó los resultados de sus
estudios teóricos en los cuales supuso que la losa actuaba
como una placa elástica, sostenida continua y
elásticamente por la capa de apoyo. Supuso igualmente que
las reacciones verticales de la capa de apoyo eran directamente
pl'oporcionales a las desviaciones de la losa y se relacionaban
con ellás mediante el módulo de reacción de
la capa de apoyo, k, expresado en libras por pulgada cua-drada
por pulgada de flexión. (Adviértase que el
módulo k de Westergaard difiere del módulo de
elasticidad del
carril, de Talbot, (u), en que u está expresado en libras
por pulgada de riel por pulgada de deformación, un
ín-dice lineal más bien que de área.)
Así, el módulo de la capa de apoyo refleja a la vez
la rigidez de la capa y la de la losa.
Westergaard consideró los efectos de las cargas
impuestas en tres posiciones críticas sobre losas de
espesor uniforme: la parte interior, el borde y la esquina de la
losa. para estas losas, encontró que el esfuerzo unitario
máximo ocurr(a en las esquinas o en los bordes
más
bien que en el interior. Empíricamente
estableció una medida de la rigidez relativa de la losa en
relación con la de la capa de apoyo:
en donde I = al radio de rigidez relativa en pulgadas,
una medida de la ri-gidez de la losa en relación con la
rigidez de la capa de apoyo, C = al espe-sor de la losa en
pulgadas, E = el módulo de elasticidad del
concreto en libras por pulgada cuadrada, tomado de una manera
conservadora como 5 X 106 lbs/plg2, u = la
relación de Poisson para el concreto, que var(a entre 0.10
a 0.20 pero que en el diseño
se toma normalmente como 0.15, y k = el módulo de
la capa de apoyo en libras por pulgada cuadrada de
de-flexión. El módulo de la capa de apoyo se puede
determinar cargando una placa circular de 30 pulgadas (76-2 cm)
de diámetro. Los valores de
k va-r(an desde 50 lb/plg2 pata capas de apoyo deficientes
hasta 700 lb/plg2
(4825.8 Mpa) para las muy rígidas. E. F. Kellye
seeomienda un valor de 100 lb/plg1 (689.4 Mpa) para uso
general.
El Bureau of Public Roads ha desarrollado
fórmulas empíricas que modifican las ecuaciones de
Westergaard. Como representante típica de esas
fórmulas se tiene la siguiente: s = (3f/t3)[1-(a
J2/I)l'1], en donde a = el esfuerzo de tensión
máximo en libras por pulgada cuadrada que pro-duce una
carga P en la esquina de la losa, P = la carga en libras,
incluyendo un margen por impacto, t = el espesor de la losa en
pulgadas, l = el radio de rigidez relativa en pulgadas y a = el
radio del área de carga (deformación del
neumático) en pulgadas cuadradas. Los estudios de
Westergaard man-tienen con los esluerzos realizados por
los pavimentos la misma relación que los de Talbot con los
realizados por las vfas del ferrocarril.
LOS PAVIMENTOS EN AEROPUERTOS
Lo que antecede es aplicable a las pistas de aterrizaje
y rodamiento de los aeropuertos; pero hay que tomar en cuenta
otros factores. Una de las prin-cipales diferencias está
en la anchura. Las pistas de aterrizaje tienen una anchura de 250
a 600 pies (76.2 a 152.4 m), dependiendo de la
clasificación del aeropuerto y del tamaño de las
aeronaves. La porción pavimentada de la pista tiene
normalmente de 75 a 150 pies (22.9 a 45.7 m) de ancho. Esto exige
que se dé forma convexa al pavimento a fin de facilitar el
desagüe, a diferencia de las carreteras que se pueden hacer
inclínadas con ese objeto.
Los pesos totales y las cargas que imponen las ruedas
son mayores con las aeronaves que con los camiones. Un
camión puede tener cargas de 18 kips (8172 kg), o sea 9
kips (4086 kg) por conjunto de ejes duales, mientras que las
aeronaves más grandes pueden imponer cargas de 100 kips o
más. En el caso de los camiones, las presiones de los
neumáticos fluctúan de 60 a 90 lb/plg2 (414 a 620
MPa); mientras que en el de los aviones son hasta de 200 lb/plg2
(1a79 MPa). Por supuesto, las pistas destinadas a los aviones
pequeños tienen que soportar pesos totales y cargas de
ruedas mucho menores. Todas las pistas de aeropuerto, con
excepción de las que tienen mayor movimiento,
sufrirán menos aplicaciones de carga que una carretera
normalmente concurrida con cargas equivalentes.
La disposición de las ruedas y los patrones
de carga son diferentes. Los camiones poseen un patrón
convencional adentro-afuera y en linea que sitúa la carga
a una distancia de dos a cuatro pies del borde exterior del
pavimento. Particularmente los pavimentos flexibles presentan una
ele-vada proporción de esfuerzo en el borde, pudiendo
dárseles mayor espesor en esa parte como medida de alivio.
por lo general las aeronaves tienen un tren de aterrizaje en
triciclo, con una rueda o conjunto de ruedas
dirigible.
Las cargas se canalizan en la parte media de la pista,
quedando un 80 por ciento de ellas dentro del 8 por ciento
más o menos del área pavimentada. Así pues,
el esfuerzo se concentra dentro del tercio central del
pavimento.
Debido a los mayores pesos brutos de los aviones
comerciales, el pavimento de las pistas es normalmente más
grueso que el de las carreteras. bas pistas pueden tener un
espesor que disminuya gradualmente, puesto que la carga se
concentra en el tercio inicial, o más, de su longitud. La
ac-ción del empuje hacia arriba distninuye la earga en el
despegue, mientras que en el aterrizaje el avión no
impone carga hasta que realmente hace contacto .
Las pistas tienen que soportar también las
vibraciones del periodo de calentamiento, el escape de los
motores de
reacción y los impactos del aterrizaje. En la
bibliografía que se sugiere al final de este
capítulo se encontrarán referencias para un estudio
más completo de los detalles del di-seño cle
pistas. Los datos relativos a
la longitud de las pistas se encontrarán en el
capítulo dedicado a terminales.
SUELOS
El diseño de tas modernas capas de apoyo exige
que se determine la capacidad para soportar carga, con el
fin de proporcionar el diseño en forma segura y
económica. Las earacterísticas de la capacidad para
soportar carga varían mucho con los diversos suelos, y la
falta de uniformidad de éstos es causa frecuente de
incertidumbre. La eapacidad se puede determinar mediante pruebas de
laboratorio o
por medio de pruebas menos
meticulosas que se realizan en el terreno. Estas últimas,
que consisten generalmente en alguna prueba de carga o
penetración, son las que se prefieren más en el
caso de las capas de apoyo para transportación. La
Relación de Soporte California como medida de la
resistencia de la etapa de apoyo en el diseño de
carreteras se explicó en una sección
anterior.
Los suelos poseen
propiedades clasificadas en cuanto a tamaño del
grano, fricción interna, cohesión, resistencia a la
raptura, capilaridad, per-meabilidad, compresibilidad,
límites líquidos y plásticos
y contenido mi-neral, las cuales determinan la capacidad de
soporte y las características de estabilidad. Se ha
intentado clasificar los suelos de acuerdo
con sus pro-piedades, caracterfsticas y capacidad de soporte. Las
clasificaciones van desde las relativarnente simples que se
refieren al tamaño del grano hasta las muy elaboradas y
complejas que se aplican en la construcción de carre-teras y pistas de
aterrizaje. En la tabla 3 aparece una clasificación
efectuada por AASHTO que se basa en las propiedades del suelo
y que incluye un índice de partículas, la
distribución por tamaño del grano,
el límite líquido y el índice de
plasticidad (Designación de AASHTO: M 145-73). Se
presentan los datos requeridos
en la talba y se procede de izquierda a derecha. El primer
grupo
partiendo de la izquierda en el cual se ajusten los
datos de
prueba es la clasificación correcta.
Los materiales comprendidos en los grupos A-l-a,
A-1-b, A-2-4, A-2.5 y A-3 son adecuados para capas de apoyo
compactadas y con buen desagüe colocadas bajo pavimentos de
espesor moderado. Los grupos A-2-6 y
A-2-7, así como los grupos de cieno-arcilla A-4 al
A-7, vaa desde el equivalente aproximado de bueno A-2-4 y A-2-S
hasta las capas de apoyo aceptablesy deficientes que requieren
una capa sub-base o una base de mayor espesot.
Un procedimiento de
Indice de Grupos para
evaluar los materiales de la capa de apoyo tiene la
fórmula:
lndice de Grupos =a (F-35)
[0.2-F 0.005(LL-40) ] + 0.01(F-15)(PI-lO)
F =: el porcentaje que pasa por un tamiz de 0.074 mm,
expresado como un nú-mero entero, LL = el límite
líquido y PI = el índice de plasticidad. La
ecuación se basa en un límite líquido de
40 o más y los índices de plasticidad de 10 o
más se consideran eríticos. El Indice de Grupo se
considera de 0 para suelos no
plásticos o cuando el límite
líquido no se puede determinar. Ua indice de grupo de 0
indica un material bueno pata capas de apoyo; pero uno de 20 o
más represen(a un material muy deficiente. La
ecuación para el Indice de Grupo se
encuentta en la página 222 de AASHTn's
Speeifications for Materials
Diseño para capacidad de carga y estabilidad
Entre los requisitos para constpdir una capa de apoyo estable
figuran los siguientes:
1. Un estudio del suelo para determinar las características del terreno natural y la
posibilidad de usarlo como material de relleno.
2. Übicaciones que eludan terrenos
problemáticos como los de arci-llas expansivas, arcillas
finamente estratificadas, falsos esquistos, mantillo y terreno
pantanoso y laderas inestables.
3. Adaptar las características geométricas de la
carga de apoyo nn-chura, profundidad y pendiente lateral a las
características del suelo que se va a
utilizar. La sección transversal debe incluir un
desagüe apropiado.
4. Tender el suelo en capas delgadas bien compactadas,
controlando el eontenido de humedad para obtener densidad seca
mínima. Los suelos menos estables se deberán
colocar donde causen el menor daño en los rellenos y
pendientes laterales o bajo el peso de materiales selectios que
propicien el desagüe e impidan la subida capilar de la
humedad.
5. Proteger los taludes plantando vegetación
productora de raíces, tendiendo cimientos de roca,
cubtiendo un césped o recurriendo a otros métodos semejantes.
6. Llevar a cabo todo lo anterior bajo la supervisión de persona
en-trenada en los principios y
aplicaciones de la ingeniería de suelos.
Efectos de la humedad Una condición esencial para
la estabilidad del suelo y la capa de apoyo es que estén
libres de humedad excesiva. Un cambio en el
contenido de humedad puede convertir rápidamente un
material estable en otro que no lo es. No obstante, la
adición de humedad durante el proceso de
compactación disminuye la tensión superficial entre
los granos del suelo, permitiendo que las partículas se
consoliden más estrechamente for-mando una masa más
densa y estable, con mayor resistencia al corte y menos espacio
para la humeclad. Sin embargo, añadiendo más
humedad se llega a un punto en que las part(culas se separan
dando lugar a una masa menos densa y menos estable. El punto de
máxima densidad por peso
seco se llama punto óptimo y la cantidad de humedad
se denomina contenido optimo de agua. El
contenido de agua y la
densidad
óptimos se obtienen mediante un proceso
estándar de compactación en el laboratorio;
pero se deben modificar de acuerdo con las 
condiciones reales que
imperen en el terreno y con la clase de equipo de
compactación que se utilice (figura 10) .-Un requisito
práctico del contrato debe
exigir que la compactación se lleve a cabo dentro de un 95
por ciento del óptimo. Hay que tener cuidado con ciertos
suelos que tienen tendencia a hincharse. Si se compactan hasta el
punto óptimo, podrán absorber humedad adicional y
sufrir un cambio de
volumen cuando
estén ya colocados.
Cuando una humedad excesiva penetra en la masa de suelo,
las partículas no están ya en contacto, los suelos
pueden sufrir un cambio de
volumen y,
puesto que el agua tiene
una resistencia al corte cercana a cero, se volverán
inestables. El exceso de humedad proviene de muchas fuentes: flujo
superficial, lluvia y nieve fundida, elevación capilar
acelerada por la repetida acción de bombeo de las cargas
en tránsito y de la filtración y corriente
superficial. Se pueden producir bolsas de humedad en lentes de
lodo o suelos de grano fino situados en las'capas superiores de
una capa de apoyo, en las capas de base o sub-base del pavimento
o en las secciones de balasto. Tales bolsas se congelan y
experimentan un cambio de
volumen (hasta
del 10 por ciento), distorsionando la superficie con el
desplazamiento lateral de la escarcha. Cuando las lentes
congeladas se deshielan durante un periodo caluroso o en la
primavera puede haber una pérdida desastrosa de apoyo,
producirse la ruptura o acanalamiento de las superficies
pavimentadas o sobrevenir la distorsión de la geometría
vial. La necesidad de buen drenaje es evidente.
DRENAJE
Su relación con la capa de apoyo El
drenaje es sin duda el factor aislado más importante que
contribuye a la estabilidad. La primera exigencia es que el agua se
mantenga lejos de la estructura de
la capa de apoyo. Esto requiere una serie de zanjas y
alcantarillas. En las vías férreas y en las
carreteras las cunetas bordean la sección cle balasto y el
rellano del pavimento a través de eortes y terreno a nivel
para proporcionar drenaje inmediato a la vía o al
pavimento. Unos canales de intercepción recogen el agua antes
de que llegue a la capa de apoyo. Es necesario abrir
alcantarillas en la capa, a intervalos, para conducir las aguas y
los canales de drenaje al otro lado.
La figura 11 muestra
esquemáticamente estas diversas características de los drenajes.
Diseño de engranajes Un problema de
diseño, fundamental y común a las alcantasillas y
cunetas, es el de determinar el área transversal que
tendrá
capacidad suficiente para la cantidad de agua que
tendrá que nianejar. Ex-presado matemáticamente, Qc
= A X v = Qr, en donde Qc es la capacidad del canal o
abertura en pies cúbicos por segundo, A es el área
de la sección transversal de la abertura o canal en pies
cuadrados y u es la tasa de flujo en pies por segundo. De acuerdo
con la hidráulica, la fórnlula de Manning indica un
valor para la velocidad de
flujo y es u = (1.486(n)R2/3 H'/2 , en donde R = el radio
hidráulico = el área de la sección
transversal dividida por el perfmetro mojado, H = la pendiente en
pies por pie y n =: el coefi-ciente de rugosidad que varía
desde 0.02 para la tierra
ordinaria uniforme-mente graduada y para los tubos de metal
corrugado hasta 0.016 para los canales revestidos de concreto o
teja uniforme. Se puede usar un valor medio de 0.04 para los
canales de desaeüe a falta de otros datos y de 0.06 para las
cunetas cubiertas de hierba. El valor de u, la velocidad, no
deberá exceder de 10 pies por segundo en los tubos de
alcantarilla, con el fin de evitar la erosión en la
salida, y preferiblemente no será de más de 4 a 6
pies por segundo. Los conceptos de flujo crítico, que
forman parte de la hidráulica, llevan a la ecuación
S = 2.04/D'/3 , en donde D es nuevamente el diámetro del
tubo en pulgadas y S = la pendiente en pies por pie = aquella
pendiente crftica que se debe dar a un tubo para que el agua se
pueda re-tirar sin efectos de estancamiento, o sea la
condición de flujo máximo. 7 Por supuesto, la
capacidad del tubo o canal, Qc , debe ser igual al aujo de salida
Q., o sea la cantidad de agua que viene del área de
desagüe. Suponiendo un valor para A y determinando los valores
correspondientes de H y ", la capacidad Qc del tubo se determina
y se compara con Qr. Si la pri-tnera comparacíón no
indica concordancia, se eecoge un nuevo valor eara A
guiándose por el error que se encuentre en la primera
suposición.
El método
racional para determinar Qr se basa en la fórmula de
hi-drología Q, = AIR, en donde Qr = es la
proporción del flujo en pies cúbicos por segundo =
1 acre-pulgada por hora. A = el área de la cuenca o
área de demgüe en acres, I c la intensidad de
la precipitaeión en pulgadas por hora para una tormenta de
duración y frecuencia dadas (la tormenta máxima de
diseño, véase la figura 12) y R = el factor de la
corriente. Es dificil determinar con exactitud el valor de R ya
que depende de la topografía, la vegetación, la
permeabilidad y otras caracter(sticas del suelo, así como
de la extensión de las áreas pavimentadas y
construidas. Varía de 0.10 a 0.15 para terreno plano, con
vegetación o suavemente ondulado, de 0.3 a 0.5 para las
secciones construidas, de 0.8 a 0.9 para las secciones totaJmente
construidas o para las áreas rocosas, con colinas o
montañosas y será de 1.00 (e incluso más
cuando la nieve se está derritiendo) para el terreno
congelado.
Autor:
Fernando Caprara