DISEÑO Y GESTION DE PAVIMENTOS - TEMA 1 - PAVIMENTOS EN LA GEOTECNIA

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Ing° Guillermo Lazo Lázaro
Magíster en Ingeniería Geotécnica
Universidad de Sao Paulo
Gerencia Técnica Geotecnia y Pavimentos
COSAPI S.A.
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INGENIERÍA GEOTÉCNICA
Es la especialidad de la ingeniería civil que se encarga del estudio de las
propiedades mecánicas, hidráulicas y físico-químicas de los materiales
geológicos y materiales procesados por el hombre.
En su conformación incorpora otras sub-especialidades como:
-La mecánica de suelos
-La mecánica de rocas
-La mecánica de los materiales
-La geología de la ingeniería
-La hidráulica
-La química y físico-química
MSc. Ing° Guillermo Lazo Lázaro
INGENIERÍA GEOTÉCNICA – LÍNEAS DE INVESTIGACIÓNINGENIERÍA GEOTÉCNICA – LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN
ASOCIACIÓN CON LOS PAVIMENTOS
� 1. GEOMECÁNICA
� 2. FUNDACIONES Y EXCAVACIONES
� 3. OBRAS DE TIERRA Y ENROCAMIENTOS
� 4. PAVIMENTACIÓN
� 5. GEOTECNIA AMBIENTAL
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INGENIERÍA GEOTÉCNICA – LÍNEAS DE INVESTIGACIÓNINGENIERÍA GEOTÉCNICA – LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN
ASOCIACIÓN CON LOS PAVIMENTOS
1. GEOMECÁNICA : - Mecánica de suelos teórica y experimental
- Investigación geotécnica : ensayos de campo
- Ensayos de laboratorio
- Modelos constitutivos de suelos
INGENIERÍA GEOTÉCNICA – LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN
ASOCIACIÓN CON LOS PAVIMENTOS
2. FUNDACIONES Y EXCAVACIONES : 
- Cimentaciones superficiales y profundas
- Excavaciones a cielo abierto
- Túneles y excavaciones subterráneas
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INGENIERÍA GEOTÉCNICA – LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN
ASOCIACIÓN CON LOS PAVIMENTOS
3. OBRAS DE TIERRA Y ENROCAMIENTOS 
- Presas de tierra enrocamientos y terraplenes
- Taludes naturales y de corte
- Tratamiento y mejoría de macizos, contenciones
INGENIERÍA GEOTÉCNICA – LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN
ASOCIACIÓN CON LOS PAVIMENTOS
4. PAVIMENTACIÓN 4. PAVIMENTACIÓN 
-Canteras, procesamiento de materiales
-problema de la subrasante, diseño del pavimento
-Tratamientos y estabilización de suelos / Bases recicladas
- Carpetas - tratamientos asfálticos – capas de rodadura
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INGENIERÍA GEOTÉCNICA – LÍNEAS DE INVESTIGACIÓNINGENIERÍA GEOTÉCNICA – LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN
ASOCIACIÓN CON LOS PAVIMENTOS
5. GEOTECNIA AMBIENTAL 5. GEOTECNIA AMBIENTAL 
-Análisis de riesgos ambientales. Importancia de procesos físicos
-Disposición de residuos: minerales, aguas recicladas, etc.
-Transporte de Poluentes en medios porosos
AB CD E
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AREA ESPECIALIZADA INGENIERÍA DE PAVIMENTOS
INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA DE 
PAVIMENTOS
MSc Ing° Guillermo Lazo Lázaro
- Antecedentes y definiciones
- Importancia de los pavimentos 
conexión con la geotecnia vial
- Teoría básica de pavimentos
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AREA ESPECIALIZADA INGENIERÍA DE PAVIMENTOS
El hombre con el fin de expandir sus dominios, conectarse con
otros pueblos, llevar sus cultivos, madera, agua, etc. creó lo que
llamamos carreteras, cuyo registro más antiguo se encuentra en
la China, país que las inventó. Con el paso de los años, los
romanos instalaron pavimentos y sistemas de drenaje,
incorporando el criterio de durabilidad. Así en los dominios de
Roma se construyeron 80 mil kilómetros de carreteras según los
alemanes, posibilitando a los dominadores el transporte de
legiones militares y acceso a los territorios dominados, entre otros,
los puertos del mediterráneo.
ANTECEDENTES
MSc Ing° Guillermo Lazo Lázaro
Tiempos antiguos : Calzada de Lorena - Italia Tiempos modernos
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Tanta importancia alcanzaron las
carreteras romanas en aquellos
tiempos, que el propio Octavio Augusto
(30a.c a 14 dc) a solicitud del
senado y del pueblo se le encomendaba
directamente el mantenimiento de las
grandes vías de circulación de servicio a
la agricultura, militar, política, económica,
etc.
Posteriormente se enfatizó la necesidad
de construir carreteras con el gobierno
francés de Luis XIV que fundó la Écoles
Ponts et Chaussées a mediados del siglo
XVIII, mostrando su intención de construir
6mil leguas de carreteras.
ANTECEDENTES
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Mapa de las principales carreteras 
romanas iniciando los pavimentos 
en el mundo
30 A.C. a 14D.C.
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• A fines del siglo XIX el uso creciente de las vías por
vehículos traccionados mecánicamente puso en
evidencia diversas deficiencias de la utilización pura y
simple de capas granulares en pavimentos, como
proponían franceses e ingleses 100 años antes.
• En 1890 , los pavimentos de concreto pasaron a ser
utilizados con frecuencia en Alemania. Y a partir de 1909,
en los Estados Unidos se inició la aplicación de
aplicaciones de asfaltos, derivados del petróleo en
pavimentos.
• En 1920 el auge de la mecánica de suelos dio un gran
impulso a las investigaciones aplicadas a pavimentación,
especialmente americanas.
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Entre 1928 y 1929 O.J.Porter , ingeniero de
la California Division of Highways
desarrolló investigaciones que permitieron
definir algunas de las principales causas
de ruptura de los pavimentos flexíbles,
presentando la primera curva empírica
para dimensionamiento con base en un
criterio de resistencia al cortante de la
subrasante indirectamente obtenida por
el ensayo del California bearing ratio
(CBR) – índices de soporte de California.
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• En la misma época (1929) y lugar se
estableció el ensayo de Proctor,
nombre en homenaje al autor, para
la compactación de suelos.
• Ambos trabajos fueron los puntales,
que años más tarde, generaron los
criterios de diseño de pavimentos
asfálticos y flexibles establecidos por
el U.S. Army Corps of engineers
(USACE)
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• Otro de los puntos importantes del histórico sucedió al crearse las
estabilizaciones químicas de suelos con el uso de ligantes hidráulicos
en la década de 1940, debido a la difícil disponibilidad de material
triturado de buena calidad para la ejecución de bases y subbases de
pavimentos. Registros importantes se tienen del estado de California
del Sur. Aunque en el Reino Unido se registra estabilizaciones con
cemento Portland desde la primera década del siglo XX. Y también
en Alemania para pistas de aterrizaje de aeronaves.
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• Otro hito importante sucedió en 1943, cuando el ingeniero
profesor D.M. Burmister de la Universidad de Columbia,
partiendo de las ecuaciones de Bousinesq, desarrolló un
trabajo analítico para sistemas estructurales compuestos por
varias capas, publicando: Teoría de esfuerzos y deformaciones
en sistemas de capas en pavimentos.
Los trabajos de Burmister se constituyen en punto de partida para
el desarrollo a partir de los años 1960 de varios programas de
computador para el cálculo de deformaciones y esfuerzos en
capas de pavimentos flexibles.
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• Así nacen los programas pioneros: DAMA 2, BISAR, y el popular
programa ELSYM 5 (Elastic layer model 5)
• En 1945 el Highway Research Board (HRB) revisó y publicó la
clasificación de suelos para fines viales del Bureau of Public
Roads, conocida internacionalmente como la clasificación
HRB-AASHO (American Association or state Highway officials),
par suelos de climas fríos y temperados, pero limitada para
climas tropicales
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• En 1953 se presentó de forma práctica y experimental un
equipo que en base al principio de funcionamiento de un
brazo con un pivot podía medir deformaciones(deflexiones)
en pavimentos, creado por el ingeniero A.C. Benkelman del
BPR.
• El uso de la viga Benkelman para evaluación de la capacidad
estructural de los pavimentos fue expandida por todos los
continentes, siendo hasta hoy un instrumento muy empleado
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• Con el criterio e importancia que tomó medir deflexiones,
se desarrollaron equipos más modernos como el Falling
Weight deflectometer (deflectómetro de impacto),
popular actualmente.
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• En los 1950s en USA se concibió
un gran proyecto en ciudades
medianas y grandes,
denominado Interstate System,
que culminó con los
experimentos realizados por la
AASHO(actualmente AASHTO)
evaluando desempeño de los
pavimentos, empleando seis
pistas experimentales con
decenas de secciones de
pavimentos, con diversos
tipos de materiales de
construcción.
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• En 1958 se inició la construcción y monitoreo de
la pista experimental AASHO, que sería el
referente con nuevas ideas en los conceptos de
pavimentación, especialmente por la creación
de una forma de calificar y cuantificar la
condición de ruptura del pavimento, tomando
en cuenta la opinión del usuario (concepto de
serviciabilidad-desempeño)
• También se inicia el concepto de modelaje
físico-empírica de desempeño de los
pavimentos
• En función del experimento realizado en la pista
experimental AASHTO, se lanzaron Guías de
diseño como AASHTO 1993, con el suplemento
1998 (para pavimentos de concreto)
• Más recientemente una nueva versión empírico-
mecanística se lanzó en 2002
• La Guía AASHTO tiene marcada influencia en la
américa española.
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• En la década de los 1960s se desarrollaron masivamente
programas computacionales basadas en teorías elásticas
desarrolladas en el pasado, que podían utilizarse fácilmente.
Se tiene:
PAVIMENTOS RÍGIDOS
• Programa ISLAB 2005, desarrollado por la Universidad de
ILLINOIS.
• Programa FEACON IV, desarrollado por la Universidad de
Florida
PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
• Programa Elsym 5, por la
Universidad de California
• Programa BISAR, por la Shell
• Programa JULEA, para análisis mecanicistas que usa AASHTO
2002.
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• El programa MnLayer, uno de los más avanzados, que permite
analizar 20 capas de pavimentos, desarrollados por las
Universidades de Minnesota y Universidad de Sao Paulo
• En 1966 la Portland Cement Associaton (PCA) de USA pone a
disposición su método de dimensionamiento de pavimentos
de concreto simple (placas) sin barras de transferencia de
carga en juntas, fundamentado en los modelos analíticos de
Westergaard y en base a la fatiga del concreto
• En la década de los 1970s se dio impulso en los países
tecnológicamente más desarrollados. Los conceptos relativos
a gestión de los pavimentos, involucrando programas
computacionales para análisis técnico-económico de las
alternativas de pavimentación, financiado por el Banco
Mundial. El programa fue el HDM-3
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• El HDM-3 pasó a ser de uso obligatorio en estudios de financiamiento
internacional
• En los 1990s investigaciones complementarias incorporaron modelos
con degradación de pavimentos y de costos operacionales de los
vehículos. Se introdujeron aspectos ambientales, de
congestionamientos y de accidentes en las carreteras. El programa
actual, denominado Highway Development and Management 4
(HDM-4) opera en ambiente Windows.
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Tres son las directrices en las que el conocimiento para
determinación de los procesos de degradación de
pavimentos y modelaje de desempeño se vienen
investigando:
1. Pistas experimentales de amplia monitoración por el Strategic
Highway Research Program en USA
2. Empleo de equipos de tipo Heavy vehicle simulator, que
posicionados en un carril del pavimento construido ejecutan en
un corto tiempo un gran número de simulaciones de ejes
comerciales, permitiendo amplios análisis
3. La incorporación de criterios de fractura, del progreso de las
fisuras de materiales en especificaciones de dosificación en el
dimensionamiento de pavimentos.
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FUNCIONES DE LOS PAVIMENTOS
FUNCIONES
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Pavimentar una vía de circulación, ante todo mejora
operacionalmente el flujo del tráfico, ya que se genera
una superficie más regular, mejorando el confort en el
desplazamiento del vehículo.
Además una superficie con mejor adherencia,
garantizando mayor seguridad sea en condiciones de
pista húmeda o mojada. Una superficie menos ruidosa
ante la acción dinámica de los neumáticos, garantizando
mejor confort ambiental.
Mejor rodaje impacta inmediatamente en una reducción
de los costos operacionales, dado que los costos de
operación y de mantenimiento de los vehículos se asocian
a las condiciones de la superficie de los pavimentos. La
regularidad también permite el desplazamiento a mayor
velocidades, representando mayor consumo de
combustible y economía en los tiempos de viaje.
FUNCIONES DE LOS PAVIMENTOS
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• Además las estructuras de los
pavimentos tiene como
función soportar los esfuerzos
originales de las cargas y
acciones climáticas, evitando
deterioros prematuros.
• Se dimensionará un
pavimento de acuerdo al
tráfico y las condiciones
ambientales, más allá de los
temas de economía y
disponibilidad de materiales
• Los pavimentos deben
propiciar un tráfico
confortable y seguro, con
estructuras y materiales
capaces de soportar los
esfuerzos de la acción del
tráfico combinados con las
condiciones climáticas a un
mínimo costo.
FUNCIONES DE LOS PAVIMENTOS
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Son estructuras de ingeniería formadas por un conjunto de capas
de materiales seleccionados y compactados de espesores
finitos, que agrupados forman el paquete de pavimentos y
reciben en forma directa las cargas del tránsito, transmitiendo a
las capas inferiores, distribuyéndolas con uniformidad. Además
deben resistir al intemperismo.
La capa superficial debe proporcionar la superficie de rodadura,
cuya operación vehicular debe ser cómoda, rápida y segura.
DEFINICION DE PAVIMENTOS
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DEBE:
- Ser resistente a la acción de las cargas dinámicas del tráfico
- Ser resistente a los agentes de intemperismo
- Presentar una textura superficial adaptada a las velocidades
previstas y resistente al desgaste por el efecto abrasivo de las
llantas de los vehículos.
- Presentar una regularidad superficial, transversal y longitudinal
que permitan un adecuado confort a los usuarios en función
de las longitudes de onda de las deformaciones y de loa
velocidad de circulación
- Ser durable
- Presentar condiciones adecuadas de drenaje
- Ser adecuadamente moderado el ruido de rodadura en el
interior y exterior del vehículo
- Ser económico
- Poseer el color adecuado para evitar reflejos y
deslumbramientos y ofrecer una adecuada seguridad
CARACTERÍSTICAS DE UN PAVIMENTO
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Pavimentos Flexibles
Conformados típicamente por capas granulares
(subbase y base granulares) y una superficie de
rodadura bituminosa
Pavimentosrígidos
Conformados por una losa de concreto de cemento Portland y generalmente
una subbase granular para uniformizar las características de cimentación de
la losa.
Pavimentos Semirígidos
Estructura conformada básicamente como un pavimento flexible, pero una de
sus capas se encuentra regidizada artificialmente con un agente estabilizador
Dentro del tipo de pavimento semirígido se incluye también los pavimentos
adoquinados o llamados también pavimentos articulados.
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Respuesta mecánica de
Pavimento flexíble:
presiones concentradas
Respuesta mecánica de
Pavimento rígido:
presiones distribuidas
Debido a la alta rigidez del concreto
Hidráulico, así como su elevado coeficiente
de elasticidad, la distribución de los esfuerzos
Se produce en una zona muy amplia.
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PAVIMENTOS FLEXIBLES
INFLUENCIA DE UN SISTEMA REFERIDO A ESFUERZOS
TRANSFERIDOS A NIVEL DE LA SUBRASANTE
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PAVIMENTOS FLEXIBLES
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RASANTE
MAC
BASE GRANULAR
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LA SUB BASE GRANULAR
Capa de transición
La subbase bien diseñada impide la penetración de los 
materiales que constituyen la base con los de la 
subrasante. Actúa como filtro de la base impidiendo
Que los finos de la subrasante la contaminen 
disminuyendo su calidad.
Función económica
El espesor total que se requiere para que el nivel de 
esfuerzos en la subrasante sea igual o menor que su propia 
resistencia puede ser construido con materiales 
de alta calidad, sin embargo se prefiere distribuir las capas 
más calificadas en la parte superior y colocar en la parte 
inferior del pavimento la capa de menor 
calidad, la cual es más económica.
Disminución de las deformaciones
Algunos cambios volumétricos de la subrasante,
asociados a expansiones, o cambios por heladas la 
subbase puede absorberlas evitando se reflejen en la 
superficie
SUB BASE GRANULAR
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LA SUBBASE GRANULAR
Resistencia
La subbase debe soportar los esfuerzos los esfuerzos 
transmitidos por las cargas de los vehículos a través de 
las capas superiores y transmitidos a un nivel adecuado 
a la subrasante
Drenaje
En muchos casos la subbase debe drenar agua, que se 
introduzca a través de la carpeta o por las bermas, 
impidiendo también la ascensión capilar.
LA BASE GRANULAR
Resistencia: 
Es su función fundamental proporcionar un elemento 
resistente que transmita a la subbase y a la subrasante
los esfuerzos producidos por el tráfico en una intensidad 
apropiada
Función económica
Respecto a la carpeta asfáltica, tiene una función 
análogas a la que tiene la subbase respecto a la base.
BASE GRANULAR
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CARPETA ASFÁLTICA
Superficie de rodadura
Debe proporcionar una superficie uniforme 
y estable al tráfico, de textura y color 
convenientes y resistir los efectos abrasivos 
del tráfico.
Impermeabilidad
Hasta donde sea posible, debe impedir el 
paso del agua al interior del pavimento
Resistencia
Su resistencia a la tracción complementa la 
capacidad estructural
del pavimento. Además de aportar 
resistencia estructural al paquete.
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AASHTO 1993 GEOSTUDIO WINDEPAV SLIDE