La Pista de Ensayo Acelerado a Escala Real del CEDEX

Tierra y Tecnología nº 43 | Texto | Roberto Álvarez de Sotomayor Matesanz, eurogeólogo, máster universitario en Ingeniería Geológica y Geotecnia (ralvarezdes@gmail.com); Javier Pérez Ayuso, Centro de Estudios del Transporte, CEDEX (Javier.Perez@cedex.es); Belén Cadavid Jáuregui, Centro de Estudios del Transporte, CEDEX (Belen.Cadavid@cedex.es) | Uno de los principales objetivos de la pista de ensayo acelerado a escala real del CEDEX es el conocimiento del comportamiento estructural de los firmes ensayados, similares a los existentes en las carreteras del país. Para ello, una vez diseñadas y construidas las secciones establecidas, se utiliza instrumentación, que colocada en aquellos puntos del firme donde se producen las principales variables de tensión, deformación y desplazamiento, miden dichos valores al paso de los vehículos simuladores de carga, que reproducen el tránsito real de vehículos en una carretera durante 20 o más años en un reducido periodo de tiempo.

La geometría de la pista de ensayo acelerado del CEDEX consiste en dos tramos rectos con una longitud de 75 m en cada uno de ellos, unidos por dos tramos curvos, cada uno con un radio de curvatura de 25 m, formando un rectángulo redondeado. Una viga de acero ubicada en el perímetro interior hace las veces de rail para los dos vehículos automáticos. Además de toda la instrumentación instalada para medir la tensión, deformación y desplazamiento, se colocan otro número importante de sensores para medir variables como temperatura, nivel freático, humedad de los suelos, etc., que facilitan el análisis de las medidas dinámicas. Complementariamente a la instrumentación del firme es habitual la auscultación de características superficiales y estructurales del mismo mediante deflectómetro de impacto, perfilógrafo transversal, perfilógrafo longitudinal, georadar… (figura 1).

La monitorización de las secciones de firme se lleva a cabo en los dos tramos rectos, cada uno de ellos dividido en tres secciones tipo de entre 19 y 25 metros de longitud cada una, siendo monitorizadas a la vez las seis secciones. Bajo sendos tramos rectos existen dos galerías subterráneas donde se dispone el sistema de adquisición de datos (figura 2).

Un cajón de hormigón de 2,6 m de profundidad y 8 m de ancho permite la construcción del terraplén con, al menos, un espesor de 1,25 m; estas dimensiones además facilitan las operaciones de la maquinaria convencional para la construcción de obras de tierra y carreteras. El propósito de la utilización del cajón de hormigón para la construcción de las secciones proyectadas es el de aislar los firmes de los suelos de alrededor, produciendo un soporte homogéneo del pavimento a lo largo de cada ensayo y entre diferentes ensayos, permitiendo que los resultados sean comparables. Además, el cajón ofrece la posibilidad de inundarlo, de forma que las condiciones de humedad de los terraplenes y explanadas pueden ser controladas y, por tanto, simular condiciones reales (figura 3).

La carga es aplicada al firme por medio de dos vehículos automáticos que circulan a una velocidad máxima de 60 km/h y aplican una carga dinámica de 65 kN a su paso, reproduciendo la carga que produce el semieje de un vehículo pesado sobre la rodada de una carretera. La viga rail situada en el perímetro interior de la pista, además de servir como guía de los vehículos automáticos, permite un control total de la carga aplicada por los vehículos durante su recorrido (figura 4).

El éxito en el cumplimiento del objetivo para el que se diseña la pista no depende únicamente de una correcta elección de los tipos de sensores o de su colocación en el firme, ni siquiera del tipo de equipo de auscultación elegido para cada variable a medir. Es muy importante realizar una correcta construcción de la pista poniendo especial cuidado en la disposición de cada capa de suelos, además de disponer de gran número medidas debido a la variabilidad de los numerosos factores que intervienen en el ensayo. Para ello, es indispensable disponer de un sistema de gestión de instrumentación y de análisis de las medidas obtenidas.

El sistema integral de gestión de instrumentación de la pista de ensayo ha sido desarrollado por personal del CEDEX basándose en la experiencia y en las necesidades que requiere una correcta explotación de la instalación. El sistema lleva a cabo las tareas de gestión en base de datos de cada uno de los sensores utilizados, calibración de cada sensor y de todos aquellos elementos que intervienen en la medida, programación de los procesos de medida, automatización de la toma de datos y análisis de resultados (figura 5).

En el diseño y explotación de la pista se le ha dado una enorme importancia a la automatización del proceso, con el objetivo de obtener un funcionamiento continuado. También es importante señalar que toda la instalación incluyendo vehículos, sistema de gobierno y sistema de gestión de la instrumentación se ha realizado con tecnología íntegramente española.

En carretera, cuando un neumático se desplaza sobre la superficie en un punto cualquiera de la sección estructural situado por delante de la carga, aparecen unas tensiones y deformaciones cuya magnitud depende del tipo y dirección de la carga, constitución del firme, tipo de explanada, temperatura, profundidad del elemento considerado, etc. Salvo en los casos de los firmes mal proyectados o construidos, las tensiones a que se ven sometidos los distintos elementos del firme son inferiores a las de rotura. El fallo se produce por la repetición de las solicitaciones, que producen un fenómeno de fatiga.

La instrumentación de los firmes nos permite, por tanto, la medición de las tensiones y deformaciones que aparecen en distintos puntos del firme bajo el paso de una carga, y especialmente en aquellos que se consideran críticos.

Para cada capa de material, el punto crítico y variable tenso-deformacional es distinto, por lo tanto hay que diferenciar cada tipo de sensor y su punto de colocación.

Las mezclas bituminosas apoyadas sobre materiales granulares fallan por la acumulación de deformaciones horizontales de tracción en el fondo de la capa bituminosa. En consecuencia, la instrumentación de las capas de mezcla ha tenido como objetivo fundamental la medida de las deformaciones unitarias horizontales en la dirección de la marcha y en su perpendicular en el fondo de la capa.

Las capas granulares y suelos trabajan principalmente repartiendo la tensión vertical que recibe al paso de la carga por contacto entre sus partículas. Por tanto, la instrumentación de los suelos se dirigió a las medidas de las deformaciones verticales en el plano superior de este tipo de capas. Asimismo, y para poder realizar diferentes trabajos de tarado de modelos matemáticos, análisis de módulos de elasticidad, etc., se han instalado sensores específicos para medir las presiones verticales que se producen en dicho nivel.

Además de los sensores que nos proporcionan datos sobre la fatiga de cada capa de material, se instalan otros tipos de sensores que nos proporcionan datos para analizar la evolución de cada tipo de firme. Para realizar estas medidas se colocan sensores de desplazamiento vertical en la superficie y anclados en el fondo del cajón de hormigón.

Por último, se instalan una serie de sensores que nos permiten obtener datos sobre las siguientes variables: temperatura, nivel freático y humedad, que son indispensables para el análisis de los datos obtenidos por el resto de los sensores.

El sistema integral de gestión de instrumentación cuenta con tres áreas diferenciadas. La primera corresponde a aquellas tareas de gestión de cada sensor colocado en los firmes. Una segunda área corresponde a las tareas de medida. Y, por último, la tercera área corresponde al almacenamiento y análisis de las curvas medidas.

Construcción de la pista de ensayo

El inicio del proyecto de construcción de la pista de ensayo acelerado comienza con la elección de las secciones tipo que serán ensayadas. Lo primero de todo es localizar los préstamos correspondientes para la obtención de los diferentes tipos de suelos según los artículos 330 y 512 del PG-3, seleccionado, adecuado, tolerable, etc., y de la norma 6.1 IC de Secciones de Firme.

Una vez los préstamos de suelo han sido seleccionados, ya analizados los ensayos de clasificación correspondientes, se procede al acopio de los mismos en las instalaciones del Centro de Estudios del Transporte, donde de nuevo se volverán a realizar los ensayos de clasificación correspondientes.

Los ensayos de clasificación de los suelos que formarán parte de la pista son: determinación de la granulometría de las partículas por el método del tamizado según norma UNE 933-1, determinación del límite líquido de un suelo por el método del aparato de Casagrande según norma UNE 103 103, determinación del límite plástico de un suelo según norma UNE 103 104, ensayo de compactación Proctor modificado según norma UNE 103 501, ensayo C.B.R., según norma UNE 103 502, determinación del contenido en materia orgánica de un suelo mediante permanganato potásico según norma UNE 103 204, contenido en sales solubles de un suelo distintas del yeso según norma NLT 114, contenido en yeso según norma NLT-115, hinchamiento libre de un suelo en edómetro según norma UNE 103 601 y asiento en ensayo de colapso según norma NLT-254.

Las secciones proyectadas contemplan la disposición de suelos de diferentes características geotécnicas por encima del núcleo de terraplén formado por suelo tolerable tipo 0, que presentan espesores determinados en cada capa para cada una de las secciones, siendo los suelos situados por encima del núcleo, adecuado tipo 1 y seleccionado tipos 2 y 3 y suelo estabilizado in situ con cemento del tipo EST 3, que combinados entre sí darán lugar a los diferentes tipos de explanadas proyectadas (figura 6).

Puesto que la correcta construcción de la pista de ensayo es excepcionalmente importante, durante la misma se pone especial atención en la humedad de referencia del ensayo Próctor, así como en la energía de compactación transmitida por los rodillos, realizándose ensayos de control de humedad y densidad “in situ” por el método nuclear y mediante densidad “in situ” de un suelo por el método de la arena según norma UNE 103 503. Adicionalmente, se realizan ensayos “in situ” de placa de carga estática de 300 mm de diámetro según norma NLT-357, de placa de carga dinámica de 600 mm según normas UNE 103807-1, de placa de carga dinámica de 300 mm según norma UNE 103807-2, complementándose mediante auscultación con deflectómetros de impacto ligero LWD y KUAB (figura 7).

Instalación de la instrumentación

La instalación de los sensores se lleva a cabo durante la construcción de los firmes de ensayo. La programación de ambas operaciones, construcción de los firmes y colocación de la instrumentación se efectúa de manera que al terminar una capa se detiene la ejecución de la obra para colocar los sensores. Ese tiempo de parada se aprovecha para tomar muestras de materiales y realizar ensayos de control. Con el objetivo del máximo aprovechamiento de tiempo y recursos, mientras se ejecuta la puesta en obra de los sensores en uno de los tramos rectos, en el otro se realizan generalmente labores de construcción del firme (figura 8).

Como fase previa a la instalación de cada sensor, se realizaron las tareas necesarias de control de calidad de cada sensor suministrado. La fase siguiente de calibración de todos los sensores se realiza con su cable correspondiente y con toda la cadena de medida del sistema de adquisición de datos. Estas tareas se realizan, por tanto, a pie de tajo o en las galerías de instrumentación de la Pista de Ensayo.

Las fases en las que se divide la instalación de los sensores son las siguientes:

• Replanteo del punto de instalación.
• Colocación de los sensores dentro de la capa correspondiente.
• Conexión del cableado en su clema correspondiente del armario de identificación.
• Control de calidad.

El replanteo del punto exacto de instalación de cada sensor se determina mediante procedimientos topográficos. La fase siguiente consiste en la colocación, en cada punto, del sensor correspondiente y la extensión del cable. Para ello se realizan unas rozas en cada capa para alojar los cables desde el punto de instalación del sensor hasta la pared vertical interior del cajón. Allí hay instalados unos pasos de cable que atraviesan dicha pared y conducen el cableado hasta las galerías (figura 9).

Análisis de resultados

El ensayo consiste en la aplicación sucesiva de cargas dinámicas sobre las secciones de firme existentes en la pista; de esta forma, conforme el número de aplicación de cargas dinámicas aumenta con el tiempo, el estudio de los comportamientos tenso-deformacionales de los materiales dispuestos en la pista se realiza en distintas fases, con condiciones geotécnicas diferentes en todos los materiales. Esto permite obtener información de la respuesta estructural de todas las secciones en función del tiempo, del número de cargas aplicadas y de las condiciones geotécnicas de los suelos.

Durante el ensayo, existe la posibilidad de consultar las gráficas proporcionadas por los sensores en tiempo real. La figura 10 muestra la curva de deformación longitudinal producida en la coronación de la explanada debida al paso de un semieje del vehículo de 65 t, es decir, representa la deformación longitudinal que experimenta la coronación de la explanada que se produciría en una carretera real bajo una de las dos rodadas al paso de un camión.

Para el análisis de las deformaciones permanentes en suelos se recurre a la fatiga acumulada, de forma que se puede analizar la evolución de la deformación permanente en función del número de ciclos, contrastando estos datos con los estados de humedad de los suelos en distintos intervalos del ensayo, se puede analizar el comportamiento de estos suelos en función de sus condiciones de humedad dentro de la obra de tierra (figura 11).

Aunque las cargas verticales aplicadas a los suelos dentro de la sección de un firme no son excesivamente altas, al menos no tanto como las que reciben las mezclas bituminosas situadas por encima, la evolución del número de aplicación de cargas dinámicas sobre estos suelos puede producir deformaciones importantes, incluso su rotura. El orden de magnitud de esfuerzos verticales que puede recibir una explanada se sitúa entre 80 y 240 kPa aproximadamente, con esfuerzos de confinamiento entre 40 y 120 kPa, siendo los esfuerzos verticales en el núcleo de terraplén bastante inferiores.

Otra característica importante dentro de este tipo de ensayos es la auscultación llevada a cabo mediante equipos dinámicos de alto rendimiento, como el deflectómetro de impacto, que además de ofrecer la posibilidad de auscultación en superficie a lo largo del ensayo y comparar los datos obtenidos a través de ella con los datos obtenidos mediante la instrumentación de la pista, también permite el chequeo de los sensores instalados en la pista, los cuales pueden llegar al final de su vida útil antes de finalizar el ensayo (figura 12).

El análisis de los datos obtenidos después de un ensayo de estas características permite establecer modelos de fatiga y comportamiento de las secciones contenidas en los pliegos técnicos de carreteras. De la misma forma también se diseñan nuevas secciones de firme que mediante el análisis de su comportamiento y durabilidad pueden ofrecer nuevas posibilidades constructivas en el ámbito de las carreteras.

Adicionalmente, el CEDEX, a través del Centro de Estudios del Transporte, extrapola sistemas de instrumentación similares al de la pista de ensayo acelerado a tramos de la red de Carreteras del Estado y a líneas de alta velocidad, que permiten el análisis de la evolución de los tipos de materiales que forman parte de estas infraestructuras bajo cargas dinámicas reales.

Bibliografía

• Baena, J., Pérez Ayuso, J., Rodil, R. y Romero, R. (2005). Influence of moisture changes in subgrade performance. Jornada técnica internacional sobre el agua en explanada y capas de firmes. Madrid.
• Instrucción de Carreteras. Norma 6.1 IC. Secciones de firme. (2004). Dirección general de carreteras. Ministerio de Fomento.
• Marrón Fernández, J., Rubio Guzmán, B. y Pérez Ayuso, J. (2009). Ensayo español interlaboratorios de pista. Ingeniería Civil, 154.
• Mateos, A. (2003). Modelización numérica de la respuesta estructural de los firmes flexibles a partir de medidas experimentales en pista de ensayo a escala real. Tesis doctoral. Departamento de mecánica de medios continuos y teoría de estructuras. ETSI de Caminos Canales y Puertos. Madrid.
• Mateos, A., De la Fuente Martín, P. y Pérez Ayuso, J. (2008). Flexible Pavements Dynamic Response under a Moving Wheel. 3nd International Conference Accelerated Pavement Testing. Madrid.
• Mateos, A. y Pérez Ayuso, J. (2008). Non-Destructive Testing for the Accelerated Pavement Testing. “2nd International Symposium on Non-Destructive Testing for Design Evaluation and Construction Inspection” Ljubljana (Eslovenia).
• Mateos, A. y Pérez Ayuso, J. (2009). El ensayo acelerado de firmes como herramienta básica de investigación en carreteras. Revista técnica de la Asociación Española de la Carretera, 164.
• Mateos, A., Pérez Ayuso, J. y Cadavid Jaúregui, B. (2011). Shift factors for asphalt fatigue from full-scale testing. Transportation Research Board Annual Meeting. Whashington, D.C.
• Pérez Ayuso, J., Cadavid Jaúregui, B. y Mateos, A. (2008). Managing Data from Instrumentation in Accelerated Pavement Testing. 3nd International Conference Accelerated Pavement Testing. Madrid.
• Pérez Ayuso, J., Cadavid Jaúregui, B. y Mateos, A. (2009). Managing Data from Instrumentation in the CEDEX Test Track. 26th International Symposium on Automation and Robotics in Construction (ISARC). Austin, Texas.
• Pliego de Prescripciones Técnicas Generales Para Obras de Carreteras y Puentes. (2002) Ministerio de Obras Públicas. Artículos 330 y 512.