El documento describe un estudio sobre el uso de capas de enrocado para mejorar los suelos blandos en la construcción de carreteras. Se modeló matemáticamente el comportamiento de secciones transversales que incluyen suelos blandos con diferentes CBR, niveles freáticos y espesores de enrocado. Los resultados muestran las curvas carga-desplazamiento para condiciones drenadas y no drenadas, explorando cómo el enrocado afecta la resistencia, deformabilidad y permeabilidad del suelo blando.

1. DISEÑO DE CAPAS DE ENROCADO, COMO MEJORAMIENTO EN SUELOS BLANDOS:
APLICADO EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.
Autor: Mag. Ing. Carlos Tupayachi Marmanillo.
IX Congreso Internacional: Obras de Infraestructura Vial, ICG / Agosto- 2010
RESUMEN
El presente trabajo de investigación aborda el problema de la presencia de suelos blandos a nivel
de sub rasante, en pavimentos flexibles, para los casos donde se ejecuta enrocados como técnica
de mejoramiento, consistente en la excavación parcial del suelo blando y su reemplazo por capas
de enrocado de diferentes espesores. De acuerdo al registro investigado de proyectos ejecutados
en el ámbito de la sierra sur del Perú, se identificó capas de enrocado que van desde 0.40 a 2.00
metros de altura, apoyados sobre estratos de suelo blando.
Para desarrollar el análisis se ha procedido con el modelamiento numérico mediante elementos
finitos, con el apoyo del software PLAXIS V.8, se definió un modelo de Deformación Plana,
procediendo a efectuar simulaciones para suelos blandos con CBR (California Bearing Ratio)
iguales a 3, 6, 9; niveles freáticos de 0.40 y 0.80m de profundidad; terraplenes (base y sub base)
de 0.60 y 0.90m, carpeta asfáltica de 3” y con series de enrocamiento de 0.40, 0.80, 1.20 y 1.60
metros de espesor; sobrecarga vehicular de un eje tandem de llantas dual, que trasmite una carga
distribuida de 552 kN/m2
; con esas consideraciones se introdujo los estados de suelo Drenado y
No Drenado.
El estudio analítico desarrollado, explora el comportamiento del enrocado fundado en suelos
blandos y cual es su aporte al paquete estructural de un pavimento flexible; obteniendo
ecuaciones para estimar las deflexiones totales del conjunto.
1.0 INTRODUCCION.
El problema de la baja capacidad de carga de los suelos blandos, relacionado de forma directa
con alto contenido de humedad, falta de drenaje y deformación, es un problema frecuente en
obras viales, que son solucionados de diferente manera, dentro de los que podemos citar,
utilización de geotextiles de refuerzo, densificación por columnas de grava, drenes verticales con
pre carga o simplemente retirar todo el suelo no deseado y reemplazarlo por otro de mejores
características, evaluando su incidencia en el costo que implica en el proyecto. Otra técnica
relativamente económica, usada más como una práctica ingenieril, que como un procedimiento de
diseño y cálculo; es que al identificar un suelo blando en la fase de estudio ó ejecución de una
carretera, se proceda con la eliminación parcial del mismo y sea reemplazado por capas de
enrocado, de espesor que se define de acuerdo a las condiciones de campo encontradas.
Se asume este procedimiento, como una técnica de mejoramiento del suelo blando, para mejorar
su capacidad portante y drenaje superficial. Resultado NO del todo cierto, que se expone en el
presente trabajo.
En la Normativa Peruana, Especificaciones Generales para la construcción de Carreteras (EG-
2000), documento técnico aprobado con Resolución Directoral N° 1146-2000-MTC/15.17,
Dic/2000; aborda el tema con el nombre de pedraplenes, donde se limita a indicar la calidad que
debe cumplir este material. Otro punto importante, muy poco estudiado en el Perú, es la
determinación de las propiedades físico mecánicas del enrocado, como material de construcción
en carreteras; existiendo entonces un tema pendiente, el de cuantificar el aporte de las capas de
enrocado, cimentadas sobre suelos blandos.

2. 2.0 ANTECEDENTES.
El tratamiento y mejoramiento de los suelos blandos con fines ingenieriles ha sido bastante
estudiado y existen diferentes técnicas que mejoran y modifican sus condiciones iniciales; para
tener un marco general de las técnicas existentes sobre el mejoramiento de suelos en función al
tipo de terreno y tipo de mejora obtenida se presenta la Tabla 01, elaborado por la Dirección
General de Carreteras – España, (2002, pp 233).

3. TABLA 01 – TECNICAS DE MEJORAMIENTO DE SUELOS
TÉCNICA
O TRATAMIENTO
TERRENO MEJORA DE
PROFUNDIDAD
EFICAZ
DEL TRATAMIENTO
GRANULAR COHESIVO RESIS-
TENCIA
DEFORMA-
BILIDAD
PERMEA-
BILIDAD
Sustitución del
terreno
Cualquier suelo problemático (suelos
blandos, arcilla expansivas, suelos
colapsables)
SI SI SI Moderada
(normalmente menos
de 3m)
Compactación con
rodillo
Cualquier terreno no saturado SI SI NO Pequeña
(normalmente menos
de 1 m)
Precargas SI SI SI SI NO Hasta varias decenas
de metros
Mechas drenantes NO SI NO NO SI Hasta varias decenas
de metros
Vibración profunda Si
Vibroflotación
Si
Vibroflotación
SI SI NO Normalmente hasta
15 m de profundidad
Compactación
dinámica
Cualquier tipo SI SI NO
Jet-grouting Cualquier tipo SI SI Sólo con
columnas
secantes
Normalmente menos
de 20 m
Columnas de grava Cualquier tipo de suelo blando SI SI SI Normalmente menos
de 20 m
Columnas de suelo
cemento
Cualquier tipo de suelo blando SI SI NO Normalmente menos
de 20 m
Claveteado o
cosido del terreno
Suelos de consistencia media o superior SI SI NO Normalmente menos
de 10m

4. Luego de evaluar la tabla 01, podemos manifestar que el presente trabajo de investigación se
enmarca dentro de la técnica de sustitución del terreno, para suelos cohesivos, pero con las
siguientes particularidades:
 Excavación parcial del suelo blando; al tener una potencia importante, se sustituye la capa
superior, hasta una altura que se considera “económicamente viable”, con la premisa, que
el sólo hecho de reemplazar parcialmente el suelo no deseado y respectivo compactado,
se considera como un mejoramiento.
 El procedimiento constructivo consiste en que, la parte de suelo blando eliminado (hasta
2.00 metros) se sustituye por capas sucesivas de enrocado de entre 0.40 a 0.60 m de
espesor, compactadas, hasta llegar al nivel de sub rasante, para luego servir como
fundación de la sub base, base y carpeta asfáltica.
Este tipo de solución es empleado en muchas obras viales donde existen problemas de suelos
blandos y disponibilidad del recurso roca. Podemos citar algunos ejemplos que sirvieron como
referencia base de datos:
(a) Carretera Transoceánica – Tramo Loripongo – Huacochullo (Puno), L=25.6 km, con
problemas de baja capacidad de carga, definidos como suelos blandos, con una incidencia
del 24.7% del tramo, los cuales fueron superados mediante el reemplazo de los suelos
blandos con enrocados de espesores variables entre 0.45 a 1.00 metro y
complementariamente con un sistema de drenaje lateral, consistente en tuberías cribadas.

5. (b) Vía de evitamiento – Tramo Puente Chimpahuaylla - Urb. Tupac Amaru (Cusco), L= 4.0
km, Según los reportes de obra revisados se tiene enrocados de 2.00, 1.50, 0.90 y 0.80m;
aproximadamente el 40% de la longitud total de la vía, ha requerido, trabajos de
mejoramiento de terreno.
(c) Vía expresa – Tramo Ovalo de Ttio – Puente sobre el río Huatanay (Cusco), L= 3.90 km, el
problema de suelos blandos representa en aproximadamente el 50% de su trayectoria,
para lo cual ha sido necesario mejorar la sub rasante con enrocados de 0.90m.
Una vez identificado el componente de la realidad que se desea estudiar, se formula la pregunta
del Problema Objeto de Estudio, ¿Cuál es el aporte de las capas de enrocado en el mejoramiento
de la resistencia, deformabilidad y permeabilidad del suelo blando?
Para lo cual se procede al modelamiento matemático y contrastación en campo, que permita
presentar conclusiones.
3.0 DESARROLLO.
3.1 MODELAMIENTO.
La ecuación constitutiva empleada en el Modelo, es la Mohr Coulomb donde se requiere cinco
parámetros de entrada básicos: Módulo de Young, Coeficiente de Poisson, Cohesión, Ángulo de
fricción y Ángulo de dilatancia. La gráfica del comportamiento del suelo, en condiciones de elasto
plasticidad asumido en el modelo Mohr Coulomb se representa en la figura 01.

6. Figura 01: (a) Resultados de ensayos triaxiales drenados estándar y (b): Modelo elástico-
plástico. (Figura obtenida de Brinkgreve R.B.J, 2004)
Para operativizar el modelo de una sección transversal “tipo”, se tomó en cuenta variables
independientes, como el CBR (California Bearing Ratio) de la sub rasante, altura de enrocado,
nivel freático, con los siguientes valores característicos:
 CBR de la sub rasante : con valores de 3, 6, y 9%
 Altura de enrocado (h) : 0.40, 0.80, 1.20, 1.60 metros y sin enrocamiento.
 Nivel freático (NF) : de 0.40 a 1.20m.
 Condiciones de sub rasante: Drenado y No drenado
Las condiciones del modelo, que se mantuvieron constantes son:
 Espesor de pavimento flexible : 3 pulg.
 Espesor de terraplén (base y sub base) : 0.60 m
 Espesor de suelo blando : 6.00 m
 Carga vehicular, eje tandem con llanta dual: 80 kN
La geometría del modelo se esquematiza de acuerdo a la figura 02, modelado con el software
PLAXIS de acuerdo a la figura 03.
Figura 02. Geometría del Modelo.

7. Figura 03. Modelamiento de sección típica, con software PLAXIS
3.2 ANALISIS.
Para el desarrollo del modelo matemático, mediante elementos finitos, se adoptó valores
característicos de las propiedades físico mecánicas de los suelos blandos, así como del
pavimento flexible; siendo la mayor dificultad la caracterización de las propiedades físico
mecánicas del enrocado, para lo cual fue necesario estudiar las propiedades mecánicas de las
escolleras para presas así como de su proceso constructivo, permeabilidad y granulometría del
conjunto, consultando a las publicaciones del Comité Español de Grandes Presas (1998), Marsal
R. (1983), Jimenez Salas (1993), Gonzáles de Vallejo, L. (2002) y Perucho A. (2004). Luego
debido a su gran similitud, se asumió las propiedades de la escollera, como válido para el
modelamiento de enrocados en obras viales:
Rango granulométrico del enrocado : 0.20 a 1.00 m
Densidad de campo del enrocado : 19.0 – 22.5 kN/m3
Permeabilidad del enrocado : 1x10-1
– 9x10-3
cm/seg
Módulo elástico (E) : 39 MPa ± 10%
Ángulo de fricción interna : 40° ± 4.55.
Luego, en la Tabla 02, se resume los valores característicos del modelo.
TABLA 02, Propiedades Físico Mecánicas del modelo.
Símbolo Unidad Carpeta
asfáltica
Base
granular
Sub Base
granular
Enrocado Suelo
blando
Modelo del material Elástico
Lineal
Elástico
Lineal
Elástico
Lineal
Mohr
Coulomb
Mohr
Coulomb
Tipo de material No
Poroso
Drenado y
No drena.
Drenado y
No drena.
Drenado y No
drenado
Drenado y
No drena.
Densidad Natural γnat
kN/m3 23.40 22.60 22.40 20.80 16.00
- Permeabilidad kx
ky
m/día
m/día
-
-
1.00
1.00
0.10
0.10
1.00
1.00
1x10-5
1x10-5
Módulo de Young
- Drenado E´ kN/m2 2.1x106
400,000 250,000 40,000
30,000
60,000
90,000
Módulo de Young
- No drenado Eu kN/m2 - - - -
33,333
66,667
100,000
Coeficiente Poisson
Drenado
ν´
0.35 0.30 0.30 0.25 0.35
Coeficiente
Poisson No drena.
νu - - - - 0.50
Cohesión C kN/m2 - - - 0.00
33.34
66.67
100.00
Ángulo de fricción Ø Grados - - - 40.00 0.00
Ángulo de dilatancia ψ Grados - - - 0.00 0.00

8. 3.3 RESULTADOS.
Luego de procesar el modelo con apoyo del PLAXIS y efectuando las variaciones de la capacidad
de soporte del suelo blando en función de su valor de CBR, variando las alturas de enrocado y
modificando las condiciones de drenaje, se tiene los siguientes resultados:
Figura 04. Curvas Carga – Desplazamiento, para un suelo blando con CBR=3 y capas de
enrocamiento de 00, 0.40, 0.80. 1.20 y 1.60m, en condiciones drenadas y no drenadas.
Figura 05. Curvas Carga – Desplazamiento, para un suelo blando con CBR=6 y capas de
enrocamiento de 00, 0.40, 0.80. 1.20 y 1.60m, en condiciones drenadas y no drenadas.
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1
0
5
10
15
20
25
30
35
Displacement
[m]
Multiplier x 50kN/m2
ND_DR
00_DR
40_DR
80_DR
120_DR
160_D
R
00_ND
40_N
D
80_ND
120_N
D
160_ND
Estado de suelo
NO DRENADO
Estado de suelo
DRENADO
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.
1
0
20
40
60
80
Displacement (m)
Multiplier x 50 kN/m2
DR_ND
00_DR
40_DR
80_DR
120_DR
160_DR
00_ND
40_ND
80_ND
120_ND
160_ND
Estado de suelo
DRENADO
Estado de suelo
NO DRENADO

9. Figura 06, Familia de curvas con CBR = 3,6 y 9; terraplén 0.60m; N.F. 0.40m
condición de suelo DRENADO
Figura 07, Familia de curvas con CBR = 3,6 y 9; terraplén 0.60m; N.F. 0.40m.
condición de suelo NO DRENADO
0 0.03 0.06 0.09 0.12 0.15
0
20
40
60
80
100
Displacement [m]
Multiplier x 50 kN/m2
No
Drenado
CBR_3_0
CBR_6_0
CBR_9_0
CBR_3_80
CBR_3_160
CBR_6_80
CBR_6_160
CBR_9_80
CBR_9_160
Curvas con CBR = 3
Enrocado = 0.00, 0.80, 1.60 m
Curvas con CBR = 6
Enrocado = 0.00, 0.80, 1.60 m
Curvas con CBR = 9
Enrocado = 0.00, 0.80, 1.60 m
0 0.04 0.08 0.12 0.16
0
20
40
60
80
100
Displacement [m]
Multiplier x 50kN/m2
Drenado
CBR_3_0
CBR_6_0
CBR_9_
0
CBR_3_80
CBR_3_160
CBR_6_80
CBR_6_160
CBR_9_80
CBR_9_160
Curvas con CBR = 3
Enrocado = 0.00, 0.80, 1.60 m
Curvas con CBR = 6
Enrocado = 0.00, 0.80, 1.60 m
Curvas con CBR = 9
Enrocado = 0.00, 0.80, 1.60 m

10. De las curvas graficadas y analizadas, se observa que el comportamiento de un suelo blando,
reemplazado parcialmente con capas de enrocado de diferentes espesores, que soporta una
estructura de pavimento, en condiciones de “Drenado” y “No drenado” son de comportamiento
diferente; para el caso drenado, se toma en cuenta la deformación elástica y la generada por el
proceso de consolidación, producto de la liberación de presión de poros, por aplicación de cargas.
Se observa también, que el factor de capacidad de carga expresado en términos del ensayo de
CBR, es más significativo, en el mejoramiento del suelo blando, que la inclusión de capas
parciales de enrocado.
A continuación (figura 06), se grafica y observa el potencial de mecanismo de falla, para dos
condiciones, una con altura de enrocamiento de 0.40m (drenado) y otra con 1.60m (drenado).
Figura 06: (a) Modelo con altura de enrocamiento de 0.40m, en condiciones drenadas; (b):
Modelo con altura de enrocamiento de 1.60m, en condiciones drenadas.
3.4 CONTRASTACIÓN CON MEDICIONES EN CAMPO.
Para un ajuste e interpretación del cálculo de deflexiones, efectuado mediante el software Plaxis,
utilizado en la presente investigación, se procedió a calibrar uno de los modelos, contrastándolo
con una medición directa de campo. Las deflexiones se midieron con el equipo de Viga
Benkelman en un tramo de la Vía de Evitamiento (Cusco), de donde se tiene lo siguiente, cuadro
comparativo:
TABLA 02. Calibración de Modelo
DEFLEXION MEDIDA EN CAMPO DEFLEXIÓN CALCULADA MEDIANTE
MODELAMIENTO NUMERICO
Ensayo en condición de No Drenado.
Carga puntual : 80KN
Área de contacto : 0.2898 m2
Carga distribuida : 276 Kn/m2
Ensayo en condición de No Drenado.
Carga puntual : 80KN
Área de contacto : 0.2898 m2
Carga distribuida : 276 Kn/m2
Capacidad de sub rasante en términos de
CBR = 6%
Altura de enrocado = 0.90m
Capacidad de sub rasante en términos de
CBR = 6%
Altura de enrocado = 0.80 m
Deflexión medida en campo, con equipo tipo
Viga Benkelman, en superficie de asfalto:
Deflexión Promedio : 0.6050 mm
Desv. Standard : ± 13.60 mm
Coef. Variación : 22.47%
Deflex. Característica : 0.8287 mm
Deflexión calculada empleando el
software de elementos finitos Plaxis, en
superficie de asfalto:
Deflexión = 1.06 mm

11. Se puede indicar que la Deflexión Característica, que se utiliza como resultado del ensayo de Viga
Benkelman, es próxima a la calculada mediante el modelo matemático de elementos finitos; con
una variabilidad de aproximadamente 30%.
3.5 PROPUESTA PARA EL CÁLCULO ANALITICO DE DEFLEXIONES TOTALES.
Huang (pp 58, 2004), señala que “para la combinación del efecto de los esfuerzos y resistencia, la
deformación vertical a compresión ha sido la más frecuentemente usada como criterio de diseño.
Esta simplificación es válida para pavimentos de carreteras y aeropuertos porque la deformación
vertical es causada principalmente por el esfuerzo vertical y el efecto del esfuerzo horizontal es
relativamente pequeño”, así mismo, otra cita textual importante es la de Rico Rodríguez A. (pp
103, 2001), que indica que “el problema de la deformabilidad de los pavimentos tiene un
planteamiento opuesto al de la resistencia. Con respecto a la deformación, dada la naturaleza de
los materiales que forman las capas del pavimento, la deformabilidad suele crecer mucho hacia
abajo y la terracería es mucho más deformable que las capas superiores. Desde este punto de
vista la deformabilidad interesa sobre todo a niveles de deformación tolerables aun para altos
esfuerzos que en ella actúan. En los pavimentos las deformaciones interesan, como es usual en la
ingeniería, desde dos puntos de vista. Por un lado, porque las deformaciones excesivas están
asociadas a estados de falla y, por otro, porque es sabido que un pavimento deformado puede
dejar de cumplir sus funciones, independientemente de que las deformaciones no hayan
conducido a un colapso estructural propiamente dicho”
Por lo expuesto, es importante aportar con un procedimiento analítico sencillo, para el cálculo de
las deflexiones totales, de los modelos que se han expuesto en el presente trabajo. Por lo que, es
posible correlacionar la deflexión vertical con las variables que intervienen de forma directa como
son: CBR del suelo blando, altura de enrocado (H) y sobre carga vehicular (Q).
Deflexión vertical que se calcula en la superficie de un pavimento cimentado en suelo blando y
mejorado con capas de enrocado, de acuerdo a los modelos diseñados en el presente trabajo de
investigación:
Condición de sub rasante: NO DRENADO
Ln δ = - 0.12183 CBR + 0.30851 H + 0.01037 Q + 0.12494 (1)
R2
= 0.8396 (coeficiente de determinación múltiple)
Condición de sub rasante: DRENADO
Ln δ = - 0.13195 CBR + 0.13139 H + 0.00939 Q + 0.97432 (2)
R2
= 0.8851 (coeficiente de determinación múltiple)
Donde:
Ln δ = Logaritmo natural de la deflexión vertical, medido en la rasante de la vía, expresado
en milímetros.
CBR = Capacidad de carga del suelo blando, expresado en términos del ensayo CBR.
H = Altura de capa de enrocado, colocado en reemplazo del suelo blando, expresado en
metros
Q = Carga bruta trasmitida por un eje, expresado en kN (kilo Newton)

12. 4.0 CONCLUSIONES.
 La sustitución parcial del suelo blando por capas de enrocado, mejora parcialmente la no
deformabilidad del conjunto.
 La sustitución parcial del suelo blando por capas de enrocado, mejora la permeabilidad y
drenaje del conjunto.
 Para la determinación de los Desplazamientos totales, a nivel de rasante, (de los modelos
planteados en el presente trabajo de investigación) es posible calcularlos en función del
ensayo CBR, altura de enrocado y carga aplicada.
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GONZALES DE VALLEJO, Luís y Otros. 2002. Ingeniería Geológica. Madrid: Editorial Prentice Hall.
HUANG, Yang H. 2004. Pavement Analysis and Design. New Jersey. Editorial Pearson Prentice Hall,
2da. Edición.
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Limusa, 1ª Edición, 2ª Reimpresión.
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Madrid.
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Terrestres: Carreteras, Ferrocarriles y Aeropistas. Volumen II, México: Ed. Limusa, 17ª
Reimpresión.