PAVIMENTOS FLEXIBLES

METODOLOGÍAS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES:

TENDENCIAS, ALCANCES Y LIMITACIONES

RESUMEN

El artículo presenta los tipos de metodologías para el análisis y diseño de estructuras de

pavimentos flexibles en el mundo, las tendencias actuales y el avance de herramientas

computacionales en la ingeniería de pavimentos. Se discuten los alcances y limitaciones

de dichas metodologías y tendencias, haciendo énfasis en el comportamiento de materiales

granulares que conforman capas de base y subbase. Además se realiza una discusión

crítica sobre la forma como el método de diseño colombiano evalúa el fenómeno de deformación

permanente en estructuras de pavimentos flexibles.

PALABRAS CLAVES: Metodologías de diseño de pavimentos, métodos empíricos, métodos

analíticos, programas de elementos finitos, micromecánica, materiales granulares.

ABSTRACT

The paper presents the methodologies for the analysis and design of flexible pavement

structures in the world, the actual tendencies and the advance of computation tools in the

pavements engineering. The reaches and limitations of these methodologies and tendencies

are discussed, doing emphasis in the behavior of granular materials that conforms base

and subbase layers. In addition, a critique is made on the form as the design Colombian

method evaluates the permanent strain phenomenon in flexible pavements structures.

KEY WORDS: Pavement Design methodologies, empirical methods, analytical methods,

finite element programs, micromechanics, granular materials.

Ciencia e Ingeniería Neogranadina, Vol. 17-2, pp. 41-65. Bogotá, Diciembre de 2007. ISSN 0124-8170

METODOLOGÍAS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES: TENDENCIAS, ALCANCES Y LIMITACIONES

42 Rondón Quintana, Reyes Lizcano

INTRODUCCIÓN

Un pavimento debe ser diseñado de tal manera que las cargas impuestas por el tránsito

no generen deformaciones permanentes excesivas. En el caso de los pavimentos flexibles

estas deformaciones se producen en cada una de las capas. Los métodos de diseño de

pavimentos descritos en [1, 2, 3, 7, 43, 48, 50, 87, 92] suponen que las deformaciones permanentes

ocurren solamente en la subrasante. Sin embargo, en vías donde se construyen

capas asfálticas delgadas o de baja rigidez (p.e. vías de bajo tráfico) las capas granulares

soportan el esfuerzo aplicado casi en su totalidad y la magnitud de dichos esfuerzos puede

llegar a generar valores altos de deformación permanente. Por lo tanto, las metodologías

de diseño deben comenzar a tener en cuenta las deformaciones que se producen en estas

capas, y los modelos para predecir dichas deformaciones, deben ser capaces de reproducir

el comportamiento de estos materiales bajo diversas trayectorias de carga cíclica y

condiciones del medio ambiente.

Este artículo resume la primera fase de un proyecto de investigación que tiene como objetivo

evaluar la respuesta que experimentan materiales granulares bajo cargas cíclicas

y condiciones ambientales similares a las que presentan in situ cuando conforman capas

granulares de base y subbase en pavimentos flexibles. Basados en una amplia revisión

bibliográfica, en esta primera fase y por ende en el presente artículo, se contextualiza la

forma como los métodos de diseño evalúan el fenómeno de deformación permanente en

estructuras flexibles con el ánimo de justificar el proyecto. Presenta los alcances y las limitaciones

de los mismos así como su evolución y la forma como se está llevando a cabo

investigación en el área del comportamiento de materiales granulares en el mundo. Se

realiza además una descripción crítica del método de diseño Colombiano basado principalmente

en la forma como son caracterizados los materiales granulares en un pavimento y la

variable subrasante. Un estado del conocimiento sobre la forma como ha sido evaluada la

respuesta resiliente y la resistencia a la deformación permanente de estos materiales bajo

carga cíclica puede ser consultada en [84]. Las fases futuras del proyecto buscarán medir

y evaluar las propiedades dinámicas de materiales granulares Colombianos, para luego

desarrollar o adaptar ecuaciones constitutivas apropiadas para predecir la respuesta que

experimentan in situ.

1. METODOLOGÍAS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES

1.1 MÉTODOS DE DISEÑO EMPÍRICOS

Las metodologías de diseño de pavimentos flexibles son generalmente de carácter empírico

o mecánico – empíricas. En el caso de los métodos empíricos se correlaciona el comportamiento

de los pavimentos in situ, a través de observaciones y mediciones de campo,

con los factores que causan los mecanismos de degradación en estas estructuras. Los

factores más importantes son las cargas impuestas por el tránsito, las condiciones ambientales

(principalmente temperatura y precipitación) a las cuales se encuentra sometida la

estructura, el tipo de suelo o terreno de fundación (subrasante), la calidad de los materiales

UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADA

Ciencia e Ingeniería Neogranadina, Vol. 17-2, 2007 43

empleados y deficiencias durante el proceso constructivo. Todos estos factores son controlados

y medidos durante las fases de estudio para correlacionarlos con los mecanismos de

degradación y crear así el método de diseño.

Dos son los mecanismos principales de degradación que se intentan controlar en las metodologías

empíricas (y también en las mecanicistas): fatiga y exceso de deformación permanente.

La fatiga ocurre en las capas ligadas, y para el caso de estructuras flexibles, se

presenta cuando se generan valores altos de deformación a tracción en la zona inferior de

la capa asfáltica. Este tipo de deformación es asociado a la respuesta resiliente que presenta

la estructura cuando se mueven las cargas vehiculares. La deformación permanente

es la deformación vertical residual que se va acumulando debido al paso de los vehículos

la cual puede generar fallas estructurales o funcionales en el pavimento.

En el caso de las estructuras flexibles, la deformación permanente total es la suma de la

deformación producida en cada una de las capas del pavimento, pero actualmente los

métodos empíricos suponen que tal deformación se genera solo en la capa subrasante

y esto crea una de sus principales limitaciones. La anterior suposición se basa en que la

subrasante es la capa más susceptible a la deformación debido a su más baja rigidez (en

comparación con las otras capas del pavimento) y a una mayor probabilidad de presentar

altos contenidos de agua (lo cual disminuiría su capacidad portante). Es decir, las metodologías

empíricas no tienen en cuenta que:

• En las capas de rodadura y base asfáltica (compuestas por mezclas asfálticas de comportamiento

viscoso) un incremento de temperatura genera disminución de la rigidez

y por lo tanto un incremento en la deformación del pavimento.

• Las capas granulares juegan un papel importante en la generación de la deformación

permanente cuando se dimensionan estructuras flexibles para vías de bajo tráfico. En

este tipo de pavimentos las capas asfálticas no tienen una función estructural (por lo

general se construyen capas asfálticas delgadas o de baja rigidez) y las capas granulares

(base y subbase) soportan casi en su totalidad las cargas rodantes. Con base en

lo anterior, las metodologías de diseño de pavimento en Colombia para bajos volúmenes

de tránsito deberían tener en cuenta el anterior criterio (a la fecha no lo tiene en

cuenta como se expondrá más adelante) ya que:

- La red de carreteras en Colombia está constituida por aproximadamente 163.000

km, las cuales se distribuyen en 16.640 km de red Primaria y 146.500 km de red Secundaria

y Terciaria, es decir, gran parte de las vías del país son de bajo tráfico [70].

- “En términos generales la red secundaria y terciaria presenta un estado crítico y

paulatinamente ha venido deteriorándose por la carencia de mantenimiento debido

a los bajos recursos de que disponen los departamentos y la Nación para

inversión en infraestructura vial” [70].

Algunos ejemplos sobre evidencia teórica y experimental que demuestra que las capas

granulares de base y subbase contribuyen en la acumulación de la deformación permanente

en pavimentos flexibles (incluso en estructuras con capas asfálticas gruesas y para vías de

altos volúmenes de tránsito) puede ser consultada en [6, 10, 12, 18, 24, 25, 49, 66, 67, 79].

METODOLOGÍAS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES: TENDENCIAS, ALCANCES Y LIMITACIONES

44 Rondón Quintana, Reyes Lizcano

En la Figura 1, se observa uno de los resultados de ensayos reportados por Lister [66] sobre

una pista de prueba en Alconbury Hill (Inglaterra). La pista de prueba era circular (33,6

m de radio y 3,0 m de ancho) y se usaron diferentes ejes de carga con pesos similares a

los encontrados en un pavimento. En la figura se puede observar que durante los cuatro

años que duró el ensayo, la deformación permanente se acumuló en cada una de las capas

del pavimento ensayado (formada por una capa asfáltica de 10 cm, 23 cm de base, 15

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