Notas
 
Instituto Mexicano del Transporte
Publicación mensual de divulgación externa

NOTAS núm. 108, octubre 2007, artículo 1
Evaluación estructural de pavimentos utilizando el deflectómetro de impacto HWD (Heavy Weight Deflectometer)
José Antonio Gómez López, Alfonso Pérez Salazar, Paul Garnica Anguas

Referencia

Introducción

La evaluación estructural de pavimentos consiste, básicamente, en la determinación de la capacidad portante del sistema pavimento – subrasante de una estructura carretera existente, en cualquier momento de su vida de servicio; lo anterior, con el fin de establecer y cuantificar las necesidades de rehabilitación, cuando el pavimento se acerca al fin de su vida de servicio o cuando el pavimento va a cambiar de función, ejemplo de ello es el caso en que cierto tránsito adicional se desvía hacia el pavimento en estudio.

Tradicionalmente, y con la finalidad de conocer las características estructurales, el ingeniero ha recurrido a sondeos de exploración directa, mediante los cuales obtiene muestras que posteriormente son ensayadas en el laboratorio para conocer sus propiedades mecánicas, y posteriormente incorporarlas en el modelo del pavimento, con lo cual deduce las características estructurales del mismo. Esta metodología es costosa, lenta y de carácter destructivo.

La alternativa que se presenta es una propuesta con ensayos no destructivos y considera las deflexiones que se generan en el pavimento al utilizar el deflectómetro de impacto, HWD (Heavy Weight Deflectometer) Figura 1.

En la actualidad, los métodos no destructivos han adquirido gran importancia en la evaluación de pavimentos; debido a su rapidez, son económicos y no afectan a la estructura del pavimento, dado que son ensayes no destructivos; de tal manera que es posible obtener la capacidad estructural del pavimento a través de la “cuenca” de deflexiones generada.

Aspectos generales del deflectómetro de impacto (HWD)

El deflectómetro de impactos es conocido generalmente como Falling Weight Deflectometer, el dispositivo generador de impacto es del tipo de masa en caída libre con un sistema de guía. El sistema debe ser capaz de levantar masas determinadas y soltarlas en caída libre. La onda generada por el impacto es transmitida al pavimento. La onda debe tener aproximadamente la forma haversine y aplicarse con una amplitud de pico a pico de 50 kN. La duración del impulso de fuerza habrá de permanecer entre 20 y 60 ms o un tiempo de incremento de la carga de 0 a 30 ms.

Figura 1

Deflectómetro de Impacto HWD utilizado en la evaluación de carreteras

Figura 2

Detalle donde se aprecian la barra con geófonos y la placa de carga

La placa de carga, en la parte inferior del sistema, debe ser capaz de distribuir uniformemente la carga sobre la superficie del pavimento. Los diámetros de las placas comúnmente son de 300 y 450 mm para mediciones en carreteras y aeropuertos respectivamente. Se cuenta con transductores de deflexión que miden el desplazamiento vertical máximo, para cada punto del pavimento evaluado. El número de geófonos o sensores y su espaciamiento depende del tipo de prueba que se realice y está en función del pavimento en estudio. El arreglo puede ser el siguiente: 0, 200, 300, 450, 600, 900, 1200 y 1500 mm de distancia respecto a la placa de aplicación de carga. La celda de carga es la que permite la medición de las cargas y esfuerzos aplicados sobre la superficie y debe ser resistente al agua y a los impactos durante el desarrollo de los trabajos.

Los impactos que se aplican producen esfuerzos sobre el pavimento, que simulan a los que son transmitidos por el tránsito. Las metodologías de evaluación dependen de las condiciones específicas del pavimento y de la longitud por estudiar; por ejemplo, para fines de diseño de sobrecarpetas o de rehabilitación de tramos carreteros, pueden realizarse las mediciones a intervalos desde 50 hasta 200 m.

En la Figura 3, se presentan las “cuencas” de desplazamiento vertical (deflexión) obtenidas, donde se observa que los valores disminuyen a medida que se alejan los sensores de la zona de aplicación de la carga. A mayor desplazamiento vertical bajo la carga aplicada (d1) y más cercanía del punto de inflexión (pi), menor capacidad de carga se tendrá en las capas; y a la inversa, a menor d1 y mayor alejamiento de pi, más capacidad de carga habrá en las mismas; por eso debe tomarse en cuenta la importancia de dichos puntos de inflexión (pi) en la rigidez de las capas, ya que, a mayor rigidez de éstas, mayor será la distancia de pi con respecto al centro de carga.

Figura 3

“Cuencas” de desplazamiento vertical (deflexiones) típicas, utilizando el

Deflectómetro de Impacto, HWD (Orozco Santoyo R. V., 2005)

El ÁREA del cuenco de deflexiones es una herramienta de interés para observar la capacidad estructural de una carretera.

El valor del ÁREA está definido por la siguiente expresión:

Donde; Do = Deflexión en el centro de la carga

D30 = Deflexión a 30 cm de la carga

D60 = Deflexión a 60 cm de la carga

D90 = Deflexión a 90 cm de la carga

El ÁREA al estar normalizada, tiene unidades de milímetros y teóricamente puede presentar un valor máximo que corresponde a 900 mm que ocurre cuando los cuatro valores son iguales (pavimento rígido), lo cual es difícil que suceda. También existe un valor mínimo que sería de 280 mm (pavimento débil).

La relación de la deflexión máxima y el área normalizada puede dar una idea de la resistencia de la estructura del pavimento y de la subrasante, como se indica en la Tabla 1.

Tabla 1

Relaciones entre AREA, Do y resistencia del pavimento y capa subrasante

ÁREA

Deflexión

Conclusión

Baja

Baja

Alta

Alta

Baja

Alta

Baja

Alta

Pavimento débil, subrasante resistente

Pavimento y subrasante débiles

Pavimento y subrasante resistentes

Pavimento resistente, subrasante débil

 

Deflexiones medidas en tramos carreteros

Con el equipo descrito se han evaluado algunos tramos de diferentes carreteras en las cuales se determinan las deflexiones generadas después de que se aplican esfuerzos de 700 kPa. A partir de las deflexiones se pueden determinar las áreas bajo la cuenca deformada, con las cuales es posible estimar la capacidad estructural del pavimento.

Existen diferentes metodologías con las que se puede realizar el retrocálculo con el fin de determinar los módulos elásticos que corresponden al pavimento, una es la propuesta por el Dr. Mario S. Hoffman quién propone cómo calcular el número estructural efectivo correspondiente al pavimento en estudio. Hoffman toma en cuenta uno de los métodos indicados en la Guía AASHTO 1993 para el Diseño Estructural de Pavimentos, el cual se basa en la medición e interpretación de ensayos no destructivos, en este caso, el de medición de deflexiones. El método considera que la capacidad estructural de un pavimento depende de su espesor total y de su rigidez.

La evaluación del número estructural SN de un pavimento es útil, ya que refleja su competencia y se presta para determinar directamente las necesidades estructurales. El valor del SN, por si sólo, no es suficiente para realizar la evaluación, ya que un valor bajo de SN puede no ser inadecuado, pues su competencia depende del tránsito y de la capacidad portante de la subrasante. Si esta capacidad es alta y el tránsito es bajo, es muy probable que el SN, aparentemente bajo, sea adecuado.

Los estudios efectuados con deflectómetros de impacto permiten conocer los módulos elásticos de los diferentes materiales que conforman al pavimento, los cuales pueden indicar al ingeniero de carreteras la problemática que está asociada al fenómeno de fatiga. Esta información es muy útil para elaborar un programa de conservación y mantenimiento para que la carretera continúe ofreciendo un buen nivel de servicio.

En las Tablas 2 y 3 se presentan los resultados obtenidos de deflexiones y vida remanente para dos tramos de una carretera federal En la Tabla 2 puede observarse que los números estructurales obtenidos corresponden a valores menores a 3, lo que indica que el pavimento y el terreno de subrasante no son suficientes para soportar el tránsito que opera en dicha carretera, teniendo una vida remanente muy baja. En este caso será necesario considerar las acciones de mantenimiento o de refuerzo estructural pertinentes, pues el tramo no durará en promedio un par de años. Por el contrario, en la Tabla 3 los números estructurales SN son más bien altos, incluso por arriba de 10. Esto indica que tanto la superficie de rodamiento como el terreno de subrasante son competentes teniendo como consecuencia que el pavimento en este tramo tenga una vida remanente superior a los 10 años.

Tabla 2

Resultados de vida remanente y deflexiones con deflectómetro de impacto

en la carretera federal A del cadenamiento 261 + 000 al 265 + 000

Cadenamiento

Deflexiones  (micras)

Etc

SNef

Vida

(m)

D0

D20

D30

D45

D60

D90

D120

D150

D-30

Mpa

remanente

años

261000

489,91

360,04

278,58

175,42

107,45

42,18

21,95

17,47

297,08

190,39

2,36

3,27

262000

543,52

397,22

289,40

167,24

91,71

31,12

20,50

13,66

315,67

218,58

2,12

2,67

262300

614,23

399,15

301,36

193,49

120,45

61,66

41,93

30,76

355,51

169,63

1,93

1,12

262500

547,34

388,73

298,31

186,60

112,91

44,18

22,70

16,74

317,22

153,66

2,03

1,16

262800

526,71

394,34

298,84

187,29

118,20

57,36

37,99

30,57

320,89

160,64

2,26

1,98

263000

594,19

420,48

306,81

175,96

95,67

32,36

16,74

12,22

335,46

170,75

1,83

0,91

263300

520,66

353,57

265,57

166,62

112,27

68,04

49,58

39,02

306,38

174,20

2,13

1,81

263500

413,53

294,62

216,01

127,49

67,66

18,74

7,93

6,77

223,98

248,17

2,16

3,64

263800

466,54

342,73

266,31

168,15

101,62

39,76

18,93

14,75

278,26

189,59

2,36

3,22

264000

501,21

378,20

298,18

193,62

122,34

54,13

31,90

22,70

309,54

154,72

2,39

2,38

264300

294,03

206,15

159,53

104,99

70,21

39,28

28,64

22,33

177,03

346,79

3,07

10,00

264500

331,11

255,40

209,65

149,61

103,66

55,82

35,74

27,95

206,95

217,20

3,38

10,00

264800

448,77

324,23

257,07

167,43

103,87

38,23

17,90

12,07

266,20

226,99

2,60

6,68

265000

468,28

364,96

294,38

207,28

142,70

71,38

42,25

30,15

299,45

158,30

2,90

5,38

 

Nota: Etc : Módulo elástico del terreno de cimentación en Mpa

SNef : Número estructural efectivo

Vida remanente: En años de servicio

Tabla 3

Resultados de vida remanente y deflexiones con deflectómetro de impacto

en la carretera federal B del cadenamiento 302 + 000 al 307 + 000

Cadenamiento

Deflexiones  (micras)

Etc

SNef

Vida 

(m)

D0

D20

D30

D45

D60

D90

D120

D150

D-30

Mpa

 

Remanente

años

302000

486,48

415,55

346,88

281,55

211,98

134,25

80,36

67,39

394,12

90,37

4,10

7,3

302600

122,10

90,33

85,37

78,64

69,52

56,78

43,42

32,81

86,45

148,05

11,17

10,0

303000

89,80

73,42

69,57

61,68

53,48

40,74

29,75

22,44

69,53

176,70

13,45

10,0

303305

138,40

109,47

99,66

87,97

77,10

59,74

45,01

33,76

105,95

128,78

10,53

10,0

303600

73,07

64,63

60,00

53,48

44,99

32,00

22,01

14,64

59,97

227,56

15,84

10,0

304000

146,28

101,18

89,23

74,44

60,45

39,62

24,34

14,45

80,12

382,60

5,41

10,0

304306

143,22

116,25

107,24

95,25

82,60

63,60

47,81

36,86

137,59

119,54

11,02

10,0

304600

66,81

49,61

47,40

44,25

38,56

30,68

23,69

17,94

46,31

244,57

13,56

10,0

305000

80,52

69,62

66,98

62,79

56,66

46,18

37,08

29,49

69,84

150,75

17,02

10,0

305300

91,74

71,98

67,26

62,27

55,57

44,32

35,73

26,46

68,35

179,61

13,24

10,0

305600

105,27

77,93

75,57

70,16

63,38

52,04

41,63

33,77

76,30

146,99

12,14

10,0

306000

573,49

450,32

345,33

229,53

161,83

94,41

68,86

53,27

345,49

116,86

2,40

1,4

306300

129,95

92,69

84,21

73,41

63,69

47,58

36,68

28,93

88,77

279,40

6,47

10,0

306600

295,92

206,70

151,01

101,99

76,50

51,81

37,79

29,51

173,67

274,88

2,84

10,0

307000

81,19

68,15

63,35

55,53

47,71

34,99

24,11

16,27

66,80

206,34

13,94

10,0

 

Nota: Etc : Módulo elástico del terreno de cimentación en Mpa

SNef : Número estructural efectivo

Vida remanente: En años de servicio

Conclusiones

La utilización de métodos no destructivos para la evaluación estructural de pavimentos tiene grandes ventajas porque de manera rápida y económica se pueden obtener los resultados que permiten analizar el desempeño de un pavimento.

Mediante los deflectómetros de impacto como el HWD se pueden obtener las deflexiones máximas y las áreas de la “cuenca” deformada, con las cuáles mediante retrocálculo, se obtienen los módulos elásticos asociados a las capas que constituyen el pavimento. Al mismo tiempo, utilizando la metodología adecuada, se puede llegar a determinar la vida remanente del pavimento; desde luego, considerando los aspectos del tránsito, pues éste juega un papel importante en el comportamiento del pavimento.

Aunque existan y se utilicen para la evaluación y proyecto de pavimentos equipos no destructivos, nunca deberán eliminarse los estudios geotécnicos tradicionales que permitan conocer las propiedades fundamentales de los materiales pues sirven para confirmar la información que se obtiene de equipos como el deflectómetro de impacto.

*   Referencias  

American Association of State Highway and Transportation Officials. Guide for design of pavement structures, Washington, D.C. 1993

ASTM d 4694. Standard Test Method for Deflections with a Falling-Weight-Type Impulse Load Device. 2003

ASTM D 4695. Standard Test Method for Guide for General Deflection Measurements. 2003

Crespo de Río R. y Ruiz Romero J. F. Evaluación Estructural de Firmes de Carreteras, el Área del Cuenco de Deflexiones, el Módulo de la Explanada. Área de auscultación de Firmes. AEPO Ingenieros Consultores. 2001

Dynatest 8081 HWD Test System. Owner’s Manual version 1.7.1 for Windows.

Garnica A. P. y Correa A. Conceptos Mecanicistas en Pavimentos. Publicación Técnica No. 258, Instituto Mexicano del Transporte, Querétaro, México. 2004

Hoffman Mario S. Método directo para la evaluación de las necesidades estructurales de pavimentos flexibles basado en deflexiones con el deflectómetro de impacto (FWD). YONA Engineering Consulting and Management Ltd. Israel.

Manual for FWD Testing in the Long Term Pavement Performance Study, Operational Field Guidelines, Version 2.0 .Feb 1993.

Orozco Santoyo R. V. Evaluación de Pavimentos con Métodos no Destructivos. Tesis para obtener el Grado de Doctor en Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México. México D. F. 2005

Pérez A., Garnica P., Gómez J. A. y Martínez P. G. Uso y Calibración de Deflectómetros de Impacto en la Evaluación Estructural de Pavimentos. Publicación Técnica No. 252, Instituto Mexicano del Transporte, Querétaro, México. 2004

Zárate Aquino M. y Lucero Arellano M. Comentarios sobre la Aplicación de los Parámetros Relacionados con la forma de la Cuenca de Deflexiones, Utilizando el Deflectómetro de Impactos HWD. Reunión Nacional de Vías Terrestres, Veracruz, Ver. 2006.

GÓMEZ José Antonio
PÉREZ Alfonso
GARNICA Paul



* Basado en el artículo presentado en el “Tercer congreso de ingeniería”, celebrado en las instalaciones de la Universidad Autónoma de Querétaro (UAQ), del 23 al 25 de Abril de 2007.

 
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