FACULTAD DE CONSTRUCCIONES 

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL 
 
 

 
 

Trabajo De Diploma 
 
 
 
 

Aplicación de conceptos empírico- mecanicistas en 
el diseño de pavimentos flexibles  

 
 
 
 
 
 
Autor: Ursangila Triste de Ceita Paquete 
Tutor: Dr. Domingo E. Delgado Marténez 
 
 
 
 

 
 
 

Santa Clara 
2008-2009 

 
 
 
 
 
 
 



Pensamiento 

 

PENSAMIENTO 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Caminar es un peligro y respirar es una hazaña. 

Quien no está preso de la necesidad, esta preso del miedo.   

       Eduardo Galeano 



Dedicatoria 

 

 

 

DEDICATORIA 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
Maria Fernanada Paquete y Antonio Audilho Paquete: porque el mejor regalo que me 

han podido dar es su ejemplo y los valores que me han inculcado y porque me han enseñado 
a amar a DIOS, a los demás y siempre dar lo mejor de mí misma. 

 

A Nilza, Edna, Dagmar, Rodolfo y Audilho: por su amor y apoyo en el camino… 

Gracias   



Agradecimientos 

 

AGRADECIMIENTOS 

 

A DIOS, quien da su sabiduría y derrama su gracia para que podamos 
cumplir los anhelos de nuestro corazón. 
A mis padres, por estar siempre presente en mi vida como fuente que brota de 

mi alma avivando mis ideas y mi  inspiración.  

A mis hermanos por compartieren conmigo este sueño que ha hecho realidad, y 
por esteren siempre presente en mi vida, aunque con las distancias.   

A mis sobrinos por sus abrazos, lo que me han dado fuerzas para luchar para 
volver a  abrasarlos. 

Al mi tutor Dr. Domingo E. Delgado Martínez, por brindarme su apoyo y 
asesoría para la realización de este trabajo de graduación. 

Al Dr. René Guardiola, por la gran ayuda en esta jornada, por sus clases, por 
sus consejos. 

A la Ing. Miagro Jo, por su amistad y carillo, consejos y ayuda prestada, por 
acompañarme en esta cruzada. 

Al Dr. Miguel Herrera, por su entrevista, informaciones, su ayuda 
incondicional en la elaboración del presente trabajo. 

A todo el colectivo de los profesores que colaboraran y aportaran sus 
conocimientos. 

A Joceliny Paquete, Wilder Costa, Saidy Costa, a Samnio Costa, Nguala 
Sacramento, Edulay Aguas, Wander Lima, Wander Lima, Edna Vanusa, 
Keite do Nascimento, Deolinda do Carvalho, Euritse Tavares, Engue dos 
Santos, Mariza Afonso, Baquise Pina y Alexis Bultron por sus apoyos 
incondicionales, por estar siempre presente, escuchando mis llantos y 
alegrando por mis sonrisas. 

A todo el colectivo de Farmacia de Hospital de STP, por su apoyo y por 
inmenso amor que han dado.  

A todos mis familiares y amigos que en sus rezas pedían al Dios que me 
consolara y protegiera.    

A todos que me llevan en el alma y me guardan en su más profundo recuerdo y 
pensamientos.  



Resumen  
 
Con el crecimiento demográfico y el desarrollo tecnológico, se incrementa el tránsito, lo que 
conlleva a una mayor cantidad de repeticiones de carga por ejes. El aumento de las cargas de 
tránsito y el empleo de nuevos materiales constituye un reto constante en el diseño de 
pavimentos.  
En el presente trabajo se realiza una amplia revisión bibliográfica en la que se demuestra la 
tendencia internacional al desarrollo de métodos empírico-mecanicista de diseño de pavimento, 
como es el caso de la nueva guía de la AASHTO. Sobre esta base se analiza la posibilidad de 
chequear las estructuras de pavimento diseñadas, actualmente en Cuba, por un método 
netamente empírico a partir de conceptos empírico mecanicistas. En el logro de este objetivo se 
emplea el software profesional Abaqus que permite un análisis tenso deformacional de las 
estructuras diseñadas. 
Al final del trabajo se logra establecer un procedimiento de comprobación de algunos de los 
criterios de la mencionada guía. 



Summary 
With an increase in demographic and technological development, comes the upsurge in 
transportation, this leads to increased repetition of axial load.  An increase in transport load and 
employment of new materials is a recurring decimal in pavement development. 
In this study, use was made of ample bibliographical references, with detailed demonstration of 
international developmental tendency for the use of empirical mechanics method of pavement 
design, like the new AASHTO guide. Based on this, we analyzed the possibility of checking the 
structures of designed pavements, actually in Cuba, with a method that is marginally empirical 
and based on empirical mechanics concept. To achieve the set objective, we employed the use 
of professional Abaqus software which permits the analysis of tension deformations of designed 
structures.  
Finally, this study was able to establish a procedure for the testing of some of the criteria in the 
guide earlier cited. 
 



Índice 

 

ÍNDICE 
Resumen  
Índice   
Introducción 1 
Términos y Definiciones    
Capítulo I. Estado actual del conocimiento de diseño de pavimento   8 
   1.1 Pavimentos flexibles. Factores de diseño 9 
1.1.1  El tránsito  10 
1.1.2 Subrasante 11 
1.1.3 Características de los materiales de la estructura de pavimento 13 
1.1.4 Factores climáticos  15 
1.2 Identificación de los modos de falla críticos  en los pavimento 16 
1.2.1 Deformación permanente 16 
1.2.1.1 Análisis deformacional  19 
1.2.2 Fisuración por efectos térmicos  20 
1.2.3 Fatiga en los materiales del pavimento 21 
1.2.3.1 Fatiga en mezclas bituminosas  22 
1.2.3.2 Métodos de estimación de leyes de fatiga  23 
1.3 Métodos de diseño de pavimento flexible  23 
1.3.1 Métodos empíricos  24 
1.3.1.1 Método  de la AASHTO 24 
1.3.1.2 Método de Road Note 26 
1.3.1.3 Métodos de la SHELL 27 
1.3.1.4 Norma Cubana 28 
1.3.2 Métodos empíricos-mecanicista 29 
1.3.2.1 Método de diseño del Instituto del Asfalto  30 
1.3.2.2 Procedimiento de diseño Francés (LCPC)  31 
1.3.2.3 Método SHELL SPDM-PC 32 
1.3.2.4 Método de la ASSHTO  32 
1.3.3 Métodos mecanicista  33 
1.4 Experiencias en la modelación matemática   34 
1.5 Programa a utilizar en la modelación del pavimento flexible. Sus características 37 
 Conclusiones parciales  38 
Capítulo II. El método de diseño empírico mecanicista y la modelación matemática   
2.1 Procedimiento de diseño empírico mecanicista según la ASSHTO 2004 40 
2.1.1 Datos de entrada para el diseño de pavimento flexible 40 
2.1.2 Análisis  42 
2.1.2.1 Deformación permanente  42 
2.1.2.2 Agrietamiento por fatiga  44 
2.1.2.3 Agrietamiento térmico  47 
2.1.2.4 Índice de Regularidad Internacional (IRI) 48 
2.1.3 Decisión respeto a sección tentativa  49 
2.2 Modelación de la estructuras de pavimentos por el software ABAQUS\CAE 49 
2.2.1 Consideraciones para obtener un modelo representativo de un pavimento flexible en el 

ABAQUS\CAE 
50 

2.2.1.1 Modelo geométrico  50 
2.2.1.2 Modelo del material  58 
2.2.1.3 Modelo de las cargas 60 
2.2.2 Secuencias de pasos a seguir en la modelación empleando el software ABAQUS\CAE 62 
2.3 Conclusiones parciales  64 
Capítulo III. Metodología de trabajo y análisis de los resultados   
3.1 Metodología del trabajo seguida en la investigación  66 
3.2. Variable de entrada 67 



Índice 

 

3.2.1 Carga  67 
3.2.2 Condiciones climáticas  68 
3.2.3 Características de los materiales de la estructura 68 
3.2.4 Definición de las estructuras tentativas de pavimento flexible (cálculo por la NC 2003) 69 
3.3 Modelación de las estructuras de pavimento por el software ABAQUS/CAE 70 
3.3.1 Análisis estático 70 
3.4 Análisis de los resultados  80 
3.4.1 Deformación permanente 80 
3.4.2 Agrietamiento por fatiga 81 
3.4.3 Determinación del IRI 83 
3.5 Conclusiones parciales 83 
Conclusiones generales 85 
Recomendaciones 86 
Referencias bibliográficas 87 
Relación de anexos 92 

Anexo. Relación de símbolos utilizados  
Anexos al Capítulo I.   
Anexo 1.1. Términos y definiciones  
Anexos al Capítulo II  
Anexo 2.1. Procedimiento de diseño según la ASSHTO  
Anexo 2.2. Simbología  
Anexo 2.3. Tabla resumen de cálculo teórico de tensión producida en el centro del área  
                   cargada 

 
 

Anexos al Capítulo III  
  

 



Introducción 

 
1 

 

 INTRODUCCIÓN 
El desarrollo histórico de las carreteras se remota a los milenarios ejemplos de obras en Creta, China y 
Egipto, que evidencian la necesidad humana de reducir las dificultades de viajar especialmente a la hora 
de trasladar cargas pesadas. En Babilonia a unos 600 años antes de nuestra era fue aplicada una forma 
de construcción asfáltica en la avenida procesional de Aibur Shabu. En Creta un pavimento de adoquines 
de basalto se cimentó sobre capas de arcilla y piedras cementadas con yeso y muchas carreteras hasta el 
día de hoy han aprovechado las rutas que ingenieros militares romanos crearon mediante la disposición en 
varias capas de piedras graduadas por tamaño: grandes y partidas para la base, con grava y arena en las 
capas de rodadura superficiales. 
Las ventajas de utilizar  materiales angulosos y duros quedaron establecidos desde las primeras 
experiencias en la construcción de carreteras, en Gran Bretaña, esta técnica se asocia  a Mc. Adam, quien 
demostró al gobierno que la inversión en carreteras formadas con un revestimiento de un espesor 
aproximado de 250 mm de piedra granular ahorraría tiempo en los desplazamientos de carruajes. Por 
aquellos años la construcción no incluía un ligante y la capacidad de soporte  de las cargas dependía por 
completo de la unión del árido. 
Se cree que el primer caso de pavimento asfáltico compactado se registró alrededor de 1870 en Estados 
Unidos de América, al emplearse un ligante de roca natural asfáltica en polvo. Estos materiales eran 
importados, por lo que resultaban caros, lo cual dio lugar a la investigación y a la mejora de alternativas 
más económicas. 
Al comienzo del siglo XX, la mayoría del transporte de viajeros y mercancías se realizaba por ferrocarril o 
por carruajes tirados por caballos, la población se concentraba en áreas limitadas debido a la ausencia de 
movilidad y las dificultades para recorrer distancias largas por la falta de medios de transporte adecuados. 
El transporte terrestre por carretera comenzó un rápido proceso de transformación y desarrollo a partir de 
1920 cuando los automóviles de uso personal ganan cada vez más amplia aceptación y difusión. La 
demanda de caminos transitables en cualquier época del año, adecuados a la velocidad creciente de los 
vehículos a motor motivó el desarrollo de procedimientos de diseños y de nuevas tecnologías. Se han 
realizado considerables esfuerzos por numerosos investigadores durante años para desarrollar modelos 
teóricos y métodos de ensayo para mejorar el rigor del análisis y el diseño, y se admite que muchos 
progresos se han conseguido. Por ejemplo las teorías desarrolladas por Westergaard (1926,1927 y 1939) 
y Bradbury (1938) en los años 20 y 30 del siglo XX se han usado extensivamente en diseño de pavimentos 
de hormigón. La teoría multicapa desarrollada por [Burmister (1945), Peutz et al. (1968)] han demostrado 
la ventaja de analizar las tensiones, deformaciones y deflexiones en pavimentos flexibles. Analíticamente 
es un procedimiento más complejo que los basados en el primer modelo, que se podía solucionar con 
ecuaciones relativamente fáciles; el modelo de Burmister introduce transformadas de Fourier que 



Introducción 

 
2 

 

requieren funciones de Basel para su solución y que sin la ayuda de un programa de computador no se 
pueden modelar estructuras de más de dos capas.  
En Europa como en Norteamérica, se puso en marcha numerosos ensayos a escala real. El más conocido 
de todos, y por ello el más significativo en términos de dimensionamiento de pavimento y prácticas de 
construcción, fue el “AASHO Road Test” llevado a cabo en Ottawa (Illinois, Estados Unidos de América) 
desde 1958 a 1960. Como resultado de dicho ensayo se publicó en 1961 la guía provisional de 
dimensionamiento AASHO, (AASHO Guide for Design of Pavement Structures). En ella se recogían los 
resultados de dicho ensayo y se introducían conceptos como Nivel de Servicio, Ejes Equivalentes, etc., 
que luego se han empleado en todo el mundo para el dimensionamiento de pavimentos.  
Los procedimientos de diseño de pavimento, comparados con los de otras estructuras de Ingeniería Civil 
como puentes, edificios, túneles, cimentaciones, etc. los métodos de dimensionamiento de pavimentos no 
han avanzado con el mismo nivel de sofisticación en términos de relaciones entre los siguientes aspectos: 
1) Dimensionamiento, 2) Propiedades de los materiales definidas por ensayos de laboratorio y 3) 
Comportamiento de los materiales en servicio y funcionamiento de la estructura de pavimento. 
Con el desarrollo de las técnicas, han surgido diferentes conceptos de clasificación de métodos de diseños 
de pavimento. En la actualidad se maneja tres conceptos de diseño de pavimentos, que son: método 
empírico, semi-empírico o empírico-mecanicista, y métodos mecanístico.  
La mayor parte de los métodos de dimensionamiento se establecieron empíricamente observando el 
funcionamiento de una amplia gama de pavimentos experimentales medidos y analizados mediante 
ensayos a escala real bajo condiciones controladas, o secciones en servicio sometidas al tráfico real. La 
aproximación más utilizada para interpretar el comportamiento observado es analizando las tensiones y 
deformaciones teóricas de las capas del pavimento. Representativos de este enfoque han sido el Método 
AASHTO (1993) y el Método del TRRL [Powell et al. (1984)] para pavimentos flexibles y el Método 
AASHTO (1993) y el Método de la PCA (1984) para pavimentos rígidos. También en Cuba, actualmente se 
usa el concepto de método de diseño empírico, y existe experiencia de aplicación de modelación en 
diseño estructural y geotécnico, muchas de estas herramientas son universales y se esta en condiciones 
de aplicar estas herramientas en el diseño estructural de pavimento.   
La práctica actual del análisis y diseño de pavimentos se basa en métodos básicamente empíricos, en 
donde el diseño se respalda en propiedades físicas de los materiales y algún índice de resistencia, como 
lo es el Valor Relativo de Soporte, VRS (también denominado CBR por sus siglas en inglés, California 

Bearing Ratio). Actualmente, en Cuba se usa el concepto de método de diseño empírico, con tendencia a 
empírico mecanístico.  
El método semi-empírico o empírico-mecanicista, se basa en la aplicación de la mecánica estructural, que 
permite determinar la respuesta de los elementos estructurales que compone el pavimento debido a las 



Introducción 

 
3 

 

cargas aplicadas por las ruedas, utilizando por cierto, los fundamentos y modelación que permite la teoría 
elástica. Los valores de la respuesta son utilizados para predecir el daño basado en ensayos de 
laboratorio y datos del comportamiento en campo. Los modelos matemáticos son las herramientas 
mediante las cuales los ingenieros aplican principios científicos a la solución de problemas de ingeniería, 
aún con el beneficio de las experiencias pasadas. La solución se basa en: (1) los requerimientos físicos de 
una estructura para soportar las cargas externas, las deformaciones y los esfuerzos en los elementos, y 
(2) el comportamiento mecánico de los materiales de acuerdo con las leyes básicas de la mecánica que 
gobiernan el movimiento y las fuerzas. En ese orden de ideas, un modelo matemático se compone de tres 
sub modelos: 

• El equilibrio del sistema de pavimento bajo la influencia de cargas externas. 

• Una evaluación de los esfuerzos y deformaciones en los elementos del pavimento para una 
condición dada de soporte. 

• Una caracterización de las propiedades fundamentales de los materiales del pavimento y su efecto 
en el equilibrio y estabilidad de la estructura del mismo. 

El uso de los sistemas de capas no es suficiente para resolver los problemas de pavimentos. Debe 
complementarse con el segundo y tercer modelos matemáticos para analizar las condiciones de los 
componentes del pavimento. Unos de los ejemplos, que se puede citar es el método Shell (1993), del 
Instituto Norteamericano del Asfalto (1993) y AASHTO (2002). Un intento de aplicación de conceptos 
similares a los empíricos mecanicistas en Cuba, es el desarrollo de un método para la evaluación de pistas 
aéreas basado en el método PCN- ACN [Leticia (2009)]. 
En las condiciones actuales, Cuba esta en condiciones de aplicar la modelación matemática como una 
herramienta para el diseño estructural de pavimentos flexible, como es la tendencia actual y de esta forma 
validar la Norma Cubana vigente y la posibilidad de obtener diseños mas racionales y económicos. Unas 
de las inconveniencias en la aplicación de la modelación matemática en la Norma Cubana (NC), es que el 
procedimiento de diseño de la mezcla se usa el método Marchall y resulta difícil establecer otros 
parámetros de diseño como modulo deformación general E0, Módulo de Resiliencia (Mr), modulo de 

Poisson de deformación general ( 0ν ) y otros parámetros. Tradicionalmente el suelo se caracteriza con el 

CBR, hay que utilizar otros parámetros de suelo como el modelo Mohr Coulom, c y φ.  
Otra característica importante del diseño empírico – mecanicista es la capacidad de adaptación a los 
nuevos desarrollos en el diseño de pavimentos basándose principalmente en la mecánica de los 
materiales [Timm, Birgisson, Newcomb (1998)]. Sin embargo, no debe olvidarse que la experiencia 
acumulada limita los parámetros para la interpretación de los nuevos desarrollos, siendo esto primordial 
para las nuevas configuraciones de carga, las cuales deben transformarse a estándares definidos si se 
pretende enriquecer la información obtenida en diferentes lugares y tiempos como es el caso de los 



Introducción 

 
4 

 

ensayos viales. Actualmente en el mundo la visión que se tiene es tender a métodos puramente 
mecanicistas.  
Las metodologías mecanicistas pretenden tener un enfoque puramente científico, con un marco teórico 
suficiente que permita el análisis completo de la mecánica del comportamiento de un pavimento, ante las 
acciones del clima y del tránsito vehicular. Esto es, un marco teórico en donde las propiedades 
fundamentales de los materiales se conocen, y se pueden determinar en laboratorio o en campo. El 
Módulo de Resiliencia se usa como un parámetro de cálculo que se correlaciona con el CBR, y no como 
una propiedad fundamental del material. Esta metodología, permitiría la predicción correcta de la evolución 
en el tiempo de los diferentes deterioros que se pudieran presentar y, por ende, aumentar en gran medida 
la confiabilidad de diseños. 
Haciendo un análisis comparativo de la Norma Cubana (NC) de Diseño de Pavimentos Flexibles del año 
90 y 2003 se llega a las siguientes conclusiones: La NC 334: 2003 actual, se obtiene el espesor de 
pavimento mayor que los de año 90, eso se debe que los coeficientes que se proponen del factor camión-
eje son demasiado altos, teniendo en cuenta que los estudios fueran hechos en la Ciudad de la Habana, 
donde hay gran flujo de vehículos pesado.  El valor de CBR para el diseño de subrasante usado en la 
norma actual es menor que la del año 90, lo que es antieconómico, por poca calidad del material de esta 
capa, así los espesores de la capa de superficie puede ser mayor incrementándose los costos de 
construcciones por el uso del materiales carros.   
En el presente trabajo se realiza una recopilación de la información existente, definiendo el estado actual 
del conocimiento donde se han desarrollado estudios similares.  Se establece un procedimiento de diseño 
de pavimento flexible que tome como base el concepto de la Norma Cubana, emplee la modelación 
matemática y se adapte a las tendencias actuales de diseño de pavimento flexible. En la ausencia de 
ensayos de laboratorio se va a trabajar con tablas para determinar las características físico-mecánicas de 
los materiales componentes del pavimento flexible. 
Problema: ¿En qué casos es posible aplicar los conceptos empírico mecanísticos como una herramienta 
para el chequeo estructural de pavimentos flexibles, si se toma como referencia la Norma Cubana vigente 
para obtener diseños racionales y económicos?  
Hipótesis:  
Si se aplica la modelación matemática como una herramienta para el chequeo estructural de pavimentos 
flexibles, como es la tendencia actual, se pueden establecer criterios de comprobación de los resultados 
de diseño de pavimento flexible por la Norma Cubana, y facilitar la obtención de diseños más racionales y 
económicos.  
Objetivo general: Establecer criterios de comprobación del diseño de pavimentos flexibles por métodos 
empírico mecanísticos a partir del empleo de la modelación matemática. 



Introducción 

 
5 

 

Objetivos específicos de la investigación: 
1. Analizar el estado actual del conocimiento sobre el tema objeto de investigación para determinar 

cuáles son las tendencias investigativas contemporáneas y definir la línea de trabajo a seguir. 
2. Definir el procedimiento de diseño empírico mecanicista utilizada por la Guía AASHTO 2004.  
3. Definir una metodología general a seguir para la comprobación de una estructura de pavimento flexible 

en la investigación. 
4.  Modelar mediante cargas estáticas el comportamiento de estructuras de pavimento diseñadas por la 

norma cubana.  
5. Analizar la estructura de un pavimento flexible, determinando las tensiones, deformaciones y 

desplazamientos (deflexiones) máximos que se pueden producir bajo la acción de la carga estándar. 
6. Comparar los valores obtenidos con los admisibles para cada material según el criterio de falla 

considerada. 
7. Definir criterios de comprobación, para estructuras prediseñadas, que tomen en consideración las 

principales ventajas de los métodos de diseño de la Guía AASHTO 2004. 
  Metodología de la investigación 
En la realización de la presente investigación se ejecutaron las siguientes actividades para dar 
cumplimiento a los objetivos planteados, para ello se definieron seis etapas: 
Etapa I. Diseño de la investigación y revisión bibliográfica 

• Sub-etapa A. Definición del tema y problema de estudio, recopilación bibliográfica preliminar, 
planteamiento de la hipótesis, definición de los objetivos, definición de tareas científicas. Incluye la 
aprobación del diseño de investigación y el diseño del experimento. 

• Sube-tapa B. Estudio, análisis y crítica de los últimos adelantos científicos relacionados con el 
tema. 

Se cumple con el objetivo específico I y se redacta la introducción y el capítulo I. 
Etapa II: El método de diseño empírico mecanístico y la modelación matemática 

• Sub-etapa A. Procedimiento de diseño empírico mecanicista según AASHTO 2004 

• Sub-etapa B. Metodología general a seguir para el diseño de una estructura de pavimento flexible 
en la investigación. 

• Sub-etapa C. Definición de los parámetros de la estructura del pavimento y suelo. 
Se cumplen los objetivos específicos 2 y 3, y se redacta el capítulo II 

Etapa III: Aplicación y análisis de los resultados 

• Cálculo de la estructura de pavimento por NC 2003. Modelación. 

• Análisis comparativos de los resultados de diseño 

• Criterios generales de chequeo de la estructura de pavimento flexible 



Introducción 

 
6 

 

• Modelación de la estructura de pavimento   
Se cumple los objetivos  4 al 7 y se redacta el capítulo III 

Etapa V. Elaboración y defensa del informe final 

• Conclusión  

• Recomendaciones    
Novedad científica 

⇒ Se logran establecer mediante la modelación matemática un grupo de criterios empírico mecanicistas 
para el chequeo de estructuras de pavimento flexibles diseñadas por la Norma Cubana de Diseño. 

Aportes científicos 

⇒ Modelar el pavimento a partir de cargas estáticas para estimar su comportamiento tenso 
deformacional y de esta forma establecer un grupo de parámetros para el chequeo del diseño. 

⇒ Establecer criterios de comprobación del diseño de pavimentos flexibles por métodos empíricos – 
mecanístico a partir del empleo de la modelación matemática.  

Campo de aplicación 
El campo de aplicación del trabajo es, de forma general, todas las actividades relacionadas con la 
planificación, investigación, diseño y construcción de pavimentos. 
Una vez terminada la investigación y desarrollado un método para el diseño de pavimento flexible, el 
trabajo pone a disposición de investigadores y proyectistas una serie de herramientas teóricas, analíticas y 
prácticas que permiten la aplicación de nuevas técnicas de diseño de pavimento, métodos empíricos – 
mecanístico, integradas en una metodología para el estudio de pavimento, que permite resolver los 
problemas deformaciones que generan en los mismos. Los resultados son de especial interés para las 
empresas de proyectos estructurales o viales en del país, para el Ministerio de la Construcción de la 
República de Cuba, o cualquier otra empresa u organismo que pueda realizar investigaciones de diseño 
de pavimento. 
Estructura de la tesis 
La estructura de la tesis guarda una estrecha relación con el diseño y metodología de la investigación 
establecida, especialmente con cada una de las fases de la investigación. La misma se encuentra 
estructurada de la siguiente forma: 

• Síntesis 

• Introducción 

• Capítulo I. Estado actual del conocimiento  

• Capítulo II. Método de diseño empírico mecanicista y la modelación matemática  

• Capítulo III. Metodología de trabajo y  análisis de los resultados 

• Conclusiones 



Introducción 

 
7 

 

• Recomendaciones 

• Bibliografía 

• Anexos  



Capítulo I 

 8

CAPÍTULO I 
ESTADO ACTUAL DEL CONOCIMIENTO DE DISEÑO DE PAVIMENTO 

En este capítulo se realiza un análisis del estado actual del conocimiento sobre el diseño de pavimentos 
flexibles, su evolución histórica, ventajas, desventajas y tendencias modernas en el diseño. Finalmente, se 
comenta la aplicación de los métodos numéricos, en especial la modelación matemática, como 
herramienta de solución de los problemas de interacción estructura del pavimento-suelo de subrasante.  
En la práctica ingenieril se reconocen dos tipos de pavimentos básicos, el pavimento rígido y el pavimento 
flexible, además del caso de los pavimentos semirrígidos que son cada vez más en el mundo. A 
continuación se definen estos conceptos para la investigación. 
Los pavimentos rígidos: Están constituidos por una losa de hormigón, armado o no, que puede o no 
descansar sobre una subbase de suelo seleccionado o tratado. Muchas veces, para propiciar mejor 
uniformidad y rodadura en la superficie, se cubre la losa de con una fina capa de hormigón bituminoso, las 
cargas se distribuyen uniformemente debido a la rigidez del hormigón, dando como resultado tensiones 
muy bajas en la subrasante. 
Los pavimentos flexibles: Están constituidos por capas de base y subbase sin tratar y una capa superior de 
pequeño espesor (tratamiento superficial o mezcla asfáltica en espesor reducido, no mayor de 10 cm) que 
debe resistir los esfuerzos tangenciales e impermeabilizar el cuerpo del pavimento. Al tener menor rigidez, 
se deforma más que los pavimentos rígidos y se producen tensiones mayores en la subrasante. 
Los pavimentos semirrígidos: son aquellos que tienen la capa de base y/o subbase estabilizada con un 
aglomerante hidráulico (por ejemplo, cemento.) o aquellos que sin tener ni la base o subbase tratada 
poseen un espesor de superficie bituminosa mayor de 10 cm. En este último caso las mezclas 
desempeñan un importante papel en el reparto de las tensiones. Están sometidos a esfuerzos de flexión 
crecientes con las cargas y presentan menor rigidez de las capas inferiores.  
En el presente trabajo se desarrollará un estudio y análisis de los pavimentos flexibles, sin olvidar de los 
semirrígidos, visto que es lo que más predomina en Cuba. Aunque el asfalto representa un alto porcentaje 
del compensando, el costo de la mano de obra y el uso de equipos resultan ser más bajo en relación al 
pavimentos hidráulicos, de este modo, los pavimentos de mezclas asfálticas resultan ser más  económicos 
al momento de pavimentar. Además el costo de mantenimiento es sensiblemente más bajo si se compara 
con cualquier otro material y más en la actualidad que contamos con mezclas asfálticas de última 
generación. El futuro de los pavimentos asfálticos es altamente positivo. El desarrollo de nuevas 
tecnología en los últimos 15 años ha permitido mejorar la calidad de los productos y procedimientos 
utilizados en la pavimentación de vías con dos grandes ventajas: la reducción de los costos, y un mejor 
desempeño durante toda la vida de servicio del pavimento. 



Capítulo I 

 9

1.1. Pavimentos flexibles. Factores de diseño 
En los pavimentos flexibles existe un reparto gradual de las tensiones provocadas por las cargas del tráfico 
desde la superficie. Bajo el efecto de la carga se produce una deflexión en la superficie y la localización de 
presiones bajo el suelo subyacente, en un pequeño radio alrededor del eje de la carga.  
Cuando una carga pasa por el pavimento se observa una deformación o hundimiento, que es en parte 
reversible o elástica y en parte irreversible o plástica. Esta deformación dependerá del valor de la carga, 
del suelo, y del aporte estructural de cada capa del pavimento. Las cargas permanentes son muy débiles 
con relación a las cargas del tráfico y por eso son importantes las tensiones que se derivan de la repetición 
del paso de los vehículos. Las cargas repetidas producen a la vez deformaciones irreversibles acumuladas 
en las distintas capas y rotura por fatiga de las capas, pero este no es el único problema en el cálculo de 
los pavimentos flexibles, también es preciso determinar los esfuerzos y deformaciones que se producen en 
las capas asfálticas y aglomeradas con cemento, provocadas por las cargas, su fallo puede condicionar el 
fallo de la estructura. 
Los pavimentos flexibles pueden fallar por la intervención de diferentes factores [(Torres Villa (1985); 
Rodríguez, Gutiérrez y Garnica (1998); Garnica, López y Sesma Martínez (2002); Iturbide (2002); Correa y 
Garnica (2004)]: 

1. El tráfico y la predicción de su evolución en el tiempo. Comprende la carga por rueda, la presión 
de inflado de los neumáticos, el tipo de eje y la frecuencia de aplicación de las cargas. 

2. La subrasante. Está determinado por las características geotécnicas de los suelos del lugar y por 
las variaciones climáticas que condicionan la humedad de cálculo más desfavorable. 

3. Los materiales componentes. Comprende los espesores y las características mecánicas de los 
materiales y mezclas de las capas de las estructura del pavimento, en condiciones de trabajo más 
desfavorables. 

4. Las condiciones climáticas que establecen regímenes de temperatura que afectan el trabajo de los 
materiales asfálticos y de humedades para los materiales no aglomerados del pavimento y la 
subrasante. 

Algo importante a señalar es que en Cuba se analizan solamente tres factores, el tráfico, el clima y los 
materiales.      
La capacidad de la estructura está determinada por el aporte que cada una de las capas puede dar al 
conjunto y de las relaciones entre sus resistencias. De la correcta evaluación de estos factores depende 
en gran medida el comportamiento de la estructura durante su explotación, sin embargo, también es 
importante que la fabricación de mezclas y la ejecución en obra garanticen que las capas una vez 
construidas, estén en correspondencia con las estimaciones realizadas en la tarea de proyección. Por eso  



Capítulo I 

 10

es importante que durante el diseño se evalúen correctamente los materiales, en dependencia de las 
condiciones reales de fabricación. 
1.1.1. El tránsito  
La acción repetida de los vehículos produce fatiga en los pavimentos la cual se manifiesta en 
agrietamientos o deformaciones en la superficie. El daño es un proceso acumulativo relacionado 
directamente con la intensidad y la frecuencia de las cargas aplicadas. El tránsito vehicular constituye la 
solicitación directa al sistema estructural que  constituye el pavimento; es bajo el paso repetido de los 
vehículos que los pavimentos se deterioran. La caracterización de las solicitaciones producidas por el 
tránsito sobre una infraestructura de carretera es bastante compleja, debido no sólo a la variabilidad de los 
distintos vehículos existentes, sino también a las interacciones vehículo-pavimento que producen 
fenómenos con solicitaciones adicionales a las propias cargas estáticas del tránsito. (Arriaga y Garnica, 
1998). Para dicha caracterización se pueden estudiar independientemente los siguientes aspectos: 

• Magnitud de las cargas según la composición del tránsito (carga por eje, tipos de ejes que circulan 
y número de repeticiones de carga). 

• Forma geométrica de cada solicitación sobre el pavimento, área de contacto y reparto de 
presiones sobre la misma. 

• Velocidad de los vehículos y tiempo de solicitación en un punto. 

• Estado de esfuerzos que producen las cargas, en función de su magnitud y tipología (verticales, 
tangenciales, fenómenos de impacto, etc.) y las características de las capas de estructura del 
pavimento. 

En lugar de analizar los esfuerzos y deformaciones debido a cada grupo de ejes de carga, un 
procedimiento simplificado y ampliamente aceptado desarrolla factores equivalentes y convierte cada 
grupo de carga en un eje simple de carga equivalente [Huang (1993); Garnica,  López y Sesma Martínez 
(2002); Iturbide (2002); Gustavo Corredor (2004)]. 
El nuevo método de diseño de pavimentos, AASHTO - 2004, maneja la información de tránsito a partir de 
la data empleada en estos ejes equivalentes, introduce en los módulos del programa de diseño la carga 
expresada en toneladas por tipo de eje, ya sea a nivel de cada tipo de vehículo de carga, o agrupándolos 
por tipo de eje: simple, doble y triple. La misma norma contempla los ejes equivalentes simples de 82 kN 
también conocidos como “ESAL’s”, acumulados durante el período de diseño, pero ordenada en función 
de la frecuencia de ocurrencia, en lo que ha sido denominado como “espectros de carga”, por lo que no ha 
habido grandes cambios con respecto a la metodología original de AASHTO. En otros países de América, 
se ha comenzado a manejar la data de pesaje para producir estos “espectros de carga” [Gustavo Corredor 
(2004)]. La misma norma considera un período de diseño de uno a 20 años y la tasa de crecimiento del 
tránsito, se evalúa según el crecimiento del tráfico de camión con el tiempo, y puede ser:  



Capítulo I 

 11

crecimiento normal, vías completamente saturadas, con tráfico inducido y alto crecimiento. A continuación 
se muestran algunos valores típicos de tasas de crecimiento (Tabla 1.1), sin embargo estos pueden variar 
según el caso. 

Tabla 1.1. Valores comunes de tasas de crecimiento AASHTO 2004 

 
                  * Solamente durante 3 a 5 años 

La misma norma plantea, que para un mejor enfoque, se usan todos los datos y todas las herramientas, de 
forma que se pueda revisar el crecimiento de tráfico para un sitio particular. 
El Método de Diseño del Instituto del Asfalto 1993, en su versión reciente, considera períodos de diseño de 
uno a 35 años y tasas de crecimiento del tránsito del 2 al 10% anual y una carga de 80 kN.  
En Cuba se ha demostrado que la composición vehicular ha tenido una cierta variación en algunas vías y 
en otras es similar a las consideraciones que hace la NC 334: 2003, así como también se han producido 
cambios en los pesos y dimensiones de los vehículos. Se propuso la conveniencia de realizar nuevos 
estudios para obtener los parámetros actuales necesarios en la determinación del tráfico del diseño. La NC 
334: 2003, usa el método indirecto para la determinación de las solicitaciones del tráfico.  Este método 
permite determinar las características del tránsito en una calle o carretera, no se utilizan básculas o 
sistema de pesaje de los vehículos, en su defecto, es necesario disponer de un Banco de Datos 
suficientemente actualizado. La razón anual de crecimiento de tránsito, exige el estudio de las tendencias 
de crecimiento de la red. Como aproximación, puede utilizarse el incremento anual del Producto Global. La 
NC 334: 2003 recomienda cuando no se dispone de información más precisa, una razón de crecimiento 
entre 0.03 y 0.04, pero todo parece indicar que esos valores son altos y se recomienda 0.02 y 0.03. La 
norma NC 334: 2003, establece una carga de 100 kN, provocada por un eje simple sobre ruedas duales, 
utilizada en el cálculo  estructural para determinar el estado de tensiones y deformaciones en las capas de 
la estructura y en la subrasante. Para calcular el número de eje de diseño, las cargas por eje de diferentes 
tipos y magnitudes, serán reducidas a dicho valor.      
1.1.2. Subrasante 
Nivel de interface pavimento-explanación, que puede ser natural o compactada. Es el suelo portante 
inmediatamente debajo del pavimento que le sirve de cimentación y que puede influir por su resistencia, en 
el comportamiento del pavimento.  
El comportamiento de la subrasante es función de la humedad y densidad, asociado a las condiciones 
ambientales del sitio. En suelos de baja capacidad de soporte, donde los valores de humedad alcanzan la  



Capítulo I 

 12

condición saturada y los valores de densidad de campo están muy por debajo de la densidad de 
compactación los valores de los módulos elásticos realmente son muy bajos (Ordóñez y Minaya, 2006). 
El espesor total de un pavimento es función de la resistencia de la subrasante y del tránsito que deberá 
soportar la estructura durante el período del diseño. De ahí que en los Estados Unidos de América no se 
recomienda considerar subrasantes con baja capacidad de soporte, sin antes realizar un proceso de 
estabilización en toda la profundidad correspondiente a la subrasante o incorporando un elemento de 
refuerzo. En la AASHTO  2004, los valores de CBR por debajo de 8-10% son considerados inestables para 
soportar una estructura de pavimento. Con esta consideración el módulo resiliente, será el parámetro 
elástico representativo del comportamiento de la subrasante porque siempre estará asociado a suelos con 
comportamiento estable (sin deformación plástica significativa diferida). 
De acuerdo con las características de los proyectos viales, la nueva Guía de diseño AASHTO 2004, 
establece tres niveles para la categorización de parámetros elásticos de materiales y sub-rasante. En la 
Tabla 1.2 se presentan los niveles y los parámetros de diseño: 

Tabla 1.2. Categorización de Parámetros Elásticos de Materiales y Sub-rasante 

 
La medida de la resistencia de la subrasante depende del método de diseño usado y cada uno tiene su 
ensayo particular.  Así, existen métodos que evalúan la resistencia de la subrasante con el ensayo del 
CBR (California Bearing Ratio), el ensayo de placa (k) y, en los métodos semiempíricos y racionales o 
mecanicistas, se asignan valores de  módulos de deformación o de elasticidad (E, Mr) con ensayos como 
el AASHTO T274-82 o incluso mediante correlación con ensayos empíricos. 
Esta diversidad de formas de caracterizar la resistencia de la subrasante constituye una aproximación 
poco científica para el diseño de estructuras de pavimento por métodos mecanicistas (Yang, 1972). 
La evaluación de la resistencia de la subrasante siempre trata de considerar la influencia del clima 
(humedad), lo cual lleva, en el caso del ensayo de CBR a probar las muestras después de un período de 
inmersión de cuatro días o con un contenido de agua que refleje las condiciones de humedad 
determinadas por la lluvia y la posición del nivel de aguas freáticas (humedad de equilibrio); o a manejar la 
variabilidad inherente de la resistencia del suelo de la subrasante en el tiempo, con medidas en diferentes  



Capítulo I 

 13

meses y representando la resistencia por un “valor efectivo” que cuantifica el efecto combinado de los 
cambios del clima (AASHTO, 1993). 
Al definir el ensayo surgen las preguntas: ¿Cuántos ensayos deben realizarse? ¿Qué criterio debe 

utilizarse para evaluar los datos de los ensayos? La selección del valor específico de la resistencia de la 
subrasante depende de la naturaleza del suelo (meteorizado o transportado), del tránsito que soportará la 
estructura del pavimento flexible y del mantenimiento que habrá de implementarse para la misma (relación 
de costos de construcción / reparación). En el caso del Instituto del Asfalto (Asphalt Institute, 1981) la 
selección se realiza teniendo en cuenta el tránsito de diseño (número acumulado de repeticiones de ejes 
sencillos de 80 kN). 
Un ensayo que está ganando popularidad es el realizado con el cone Penetrating Text (CPT), cuyos 
valores se correlacionan con el CBR (Harrison, 1989).  
La nueva Guía de diseño AASHTO – 2004 también presenta correlaciones entre propiedades, índices de 
los suelos, el valor de CBR, Módulos Resilientes, Mr de materiales no tratados tales como capas de bases, 
y sub-base granulares y subrasantes que conforman la estructura del pavimento. La misma recomienda 
cuando es necesario usar el CBR por correlaciones, usarlo por AASHTO T-193.    
En el caso de Cuba se clasifica la subrasante en tres categoría: aceptable para un CBR que oscila entre 
5% y 10%; media para un valor de CBR igual a 10% y buena para un CBR mayor ó igual a 15%. Se evalúa  
para un humidad de cálculo: de 95% en excavación, 85% en terraplén y en excavación con existencia de 
manto freático 100%. Cuando no hay ensayos, se hacen recomendaciones, considerando como CBR de 
diseño el mínimo (aceptable CBR=5%, media CBR=10% y buena CBR=15%), para cada categoría de 
subrasante.  
1.1.3. Características de los materiales de la estructura del pavimento 
La identificación y selección de materiales corresponde a la fase inicial del proceso de diseño. El 
instrumento para la realización de este paso son las normas relativas a los materiales. Estas normas son 
conservadoras y si los materiales las cumplen existe una alta probabilidad de que la estructura del 
pavimento presente un buen comportamiento, especialmente si las normas han sido desarrolladas bajo 
experiencia regional. Existe el conocimiento acerca de algunos materiales que no cumplen con las normas, 
pero han tenido buen comportamiento en determinados entornos. Por lo tanto, pueden emplearse siempre 
y cuando se presenten todas las condiciones en las cuales han funcionado exitosamente.  
La caracterización de los materiales del pavimento requiere la cuantificación de la rigidez del material, 
definida por el módulo resiliente de elasticidad y la relación de Poisson. Asimismo, para algunos 
componentes del pavimento, deberá proveerse una ley de fatiga definida por un criterio de falla. La validez 
de la aplicación de la teoría de capas elásticas, depende de la calidad de la caracterización de los 
materiales disponibles para la construcción. 



Capítulo I 

 14

Todos los materiales están caracterizados por el módulo de elasticidad, llamado modulo dinámico en 
mezclas asfálticas. El módulo complejo E*, indica la rigidez instantánea del material, es decir la relación 
entre el esfuerzo y la respuesta deformacional en tiempo real. Sin embargo, se sabe que la característica 
del comportamiento visco-elástico es la respuesta retardada, la deformación máxima alcanzada se dará en 
un instante posterior, cuando la carga se haya aplicado y más bien se encuentre en el instante de la 
descarga. Por ello, el siguiente parámetro a definirse, |E*| representará un comportamiento más realista en 
el diseño. El Módulo Dinámico en mezclas asfáltica es dependiente de la temperatura sobre el pavimento. 
El ensayo se deberá realizar para el rango de temperaturas esperado en el lugar, la velocidad de 
operación esperada, y para el diseño volumétrico de la mezcla seleccionada. 
En este caso, la prueba se ejecuta por medio de un ensaye triaxial donde la presión de confinamiento es 
constante, y el esfuerzo desviador se aplica cíclicamente. Los ensayos de módulo de resiliencia se deben 
realizar en condiciones representativas de la colocación de los materiales en obra, como son las 
características de peso volumétrico, contenido de agua de compactación, método de compactación, 
granulometría, etc., ya que el ensayo es muy sensible a esas condiciones. 
En caso de suelos estabilizados, las características mecánicas de los materiales cambian sustancialmente 
con la aplicación de los productos estabilizares, ya que el módulo de resiliencia se incrementa en valores 
apreciables. Es necesario, que al utilizar productos estabilizadores del suelo, se efectúen los 
correspondientes estudios de laboratorios para determinar los límites adecuados de las cantidades o 
porcentajes hasta los cuales puede llegar su uso.   
Otra ventaja que se obtiene con los productos estabilizadores es que se puede utilizar más de uno a la 
vez, lo que redunda en beneficio del material estabilizado, por el hecho de obtener en la mezcla mejores  
características de comportamiento, como son: resistencia en poco tiempo, impermeabilidad, reducción en 
los límites de consistencias, grietas muy pequeñas, etc. 
Cuando no se cuenta con suelos adecuados para la estructura del pavimento, tales como subrasantes, 
subbases y bases que cumplan con las exigencias ó especificaciones, y que económicamente sea 
necesario recurrir al uso de productos estabilizadores, es conveniente que los de cada una de las capas ya 
estabilizadas, estén acorde con la capacidad de esfuerzo de las otras capas contiguas, ya que no es 
conveniente que una capa sea rígida y otra flexible, o que una impermeable quede bajo de una permeable.         
De una manera sencilla se puede decir que las propiedades fundamentales de los materiales que 
usualmente son parte de la sección estructural de un pavimento, se deben determinar a partir de ensayos 
de laboratorio de carga repetida. En todos los materiales se necesitarán los valores correspondientes a la 
relación de Poisson. Basados en un estudio específico, los módulos mencionados se podrán estimar a  



Capítulo I 

 15

partir de la medición de otros parámetros más comúnes, como puede ser la resistencia a la compresión 
simple, o el valor relativo de soporte. Sin embargo, siempre será una mejor práctica la ejecución directa de 
los ensayos. 
1.1.4. Factores climáticos   
Los factores climáticos tienen su importancia, ya que las propiedades de los materiales descritas en el 
punto anterior dependen fuertemente de los valores de temperatura y humedad presentes en la sección 
estructural del pavimento. 
Por ello es necesario conocer fundamentalmente la distribución en el medio físico en cuestión de la 
precipitación, humedad, temperatura, viento, radiación solar y ciclos hielo/deshielo. A partir de esos datos, 
y utilizando un modelo matemático apropiado, que no es el caso describir aquí, se puede estimar la 
distribución de la temperatura y la humedad dentro del pavimento. 
La influencia de la temperatura ambiente en la vida de servicio de un pavimento asfáltico, está considerada 
en el procedimiento de diseño mediante la ponderación de la temperatura promedio anual del aire (w-
MAAT). Se debe tener en cuenta que los valores del MMAT, generalmente son los promedios de valores 
obtenidos de largos períodos de observación. Durante la vida de servicio del pavimento, el valor de MMAT 
puede desviarse del promedio de estos valores. Para períodos de diseño cortos, estas desviaciones deben 
ser tenidas en cuenta mediante la estimación de valores de MMAT más altos, especialmente para el 
período de verano. El margen apropiado a usar depende de diversas peculiaridades del clima local.  
Cambio de temperatura y perfiles de humedad en la estructura del pavimento y la explanación, sobre la 
vida de diseño de un pavimento, son considerados en la nueva Guía de diseño AASHTO 2004 a través de 
una herramienta de modelado climática sofisticada, que se llama el “Modelo Climático Integrado Mejorado” 
(EICM). El EICM es un programa de circulación de calor y humedad, acoplado unidimensional que simula 
los cambios en el comportamiento y las características de pavimento y materiales subrasantes en la 
conjunción con las condiciones climáticas sobre varios años de la operación. La versión original del 
programa fue desarrollado por el Instituto de Transporte de Texas en 1982, de allí fueron surgiendo varias 
versiones. Las modificaciones adicionales fueron llevadas a cabo en 1999, resultando en 2.1 de versión de 
ICM. Las mejoras adicionales fueron hechas como parte de la Guía de diseño, mejorando la capacidad de 
pronóstico de humedad de la versión 2.1 ICM. Esta versión del programa será referenciado de ahora en 
adelante como EICM. En general, el EICM computa y predice, buscando la información durante todo el 
perfil de pavimento / explanación completa: la temperatura, los factores de ajuste de los módulos con 
capacidad de recuperación, la presión del agua de poro, el contenido de agua, la escarcha y 
profundidades de deshielo, el levantamiento del suelo por congelación de la tierra, y el rendimiento de 
drenaje. El modelo puede ser aplicable al hormigón asfáltico e hidráulico. 



Capítulo I 

 16

El Método del Instituto de Asfalto considera tres diferentes temperaturas, según la región donde se 
pretende construir el pavimento: clima frio, templados y caliente, 7ºC, 15.5ºC y 24ºC, respectivamente.  
En Cuba, la resistencia de cálculo, en los suelos y mezclas asfálticas, se define dentro del período de 
cálculo, de mayo a octubre, donde son más elevadas las temperaturas del hormigón asfaltico y se esperan 
las mayores precipitaciones y humedades de los suelos de la explanación y de las capas no aglomerantes 
del pavimento.  En la NC 334: 2003, la temperatura de cálculo es de 50oC, definida como un valor 
representativo de los máximos valores esperados, para una probabilidad del 95%; la humedad de cálculo 
considerada para los suelos de la subrasante, es función del tipo de emplazamiento. En los terraplenes la 
humedad de cálculo será igual al 85% de la humedad óptima del ensayo estándar, mientras que para las 
excavaciones puede ser entre 90-95% de dicha humedad. 
1.2. Identificación de los Modos de Falla Críticos en los Pavimentos. 
Uno de los objetivos primordiales de las especificaciones para mezclas  asfálticas, es verificar el 
comportamiento de la mezclas frente a los diferentes modos de falla en los pavimentos. 
Inicialmente se identificó un gran número de modos de falla, los cuales, luego de una minuciosa selección 
se redujeron solamente a dos: la fisuración (por fatiga o por efectos térmicos) y las deformaciones 
permanentes (también conocidas como roderas) [Torrejón Olmos, Sanz Díaz y Sagredo Flores (1999); 
Centeno Ortiz, Cremades Ibáñez (2007)]. 
1.2.1. Deformación Permanente. 
La deformación permanente en los pavimentos, es el resultado de la acumulación de pequeñas 
deformaciones no recuperables (deformaciones plásticas), que se manifiestan cada vez que una carga es 
aplicada sobre el camino. El efecto final es el ahuellamiento causado por el paso de los neumáticos de los 
vehículos. El ahuellamiento puede tener muchas causas: (debilitamiento de las capas de pavimento por 
daños, por humedad, abrasión, exceso de tráfico, etc.), pero las principales son solamente dos: una 
asociada a la subrasante y/o capas granulares, y la otra asociada a las capas asfálticas. 
Aunque las deformaciones permanentes no influyen inmediatamente en la capacidad de soporte del 
pavimento, se sabe que pueden acortar significativamente su vida efectiva, además de causar una pérdida 
importante en la calidad de servicio del camino. 
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 [AASHTO (1986 y 
1992); Instituto de Asfalto (1982); Shell (1978)] suponen que las deformaciones permanentes ocurren 
solamente en la subrasante. Sin embargo, en vías donde se construyen capas asfálticas delgadas o de 
baja rigidez (por ejemplo, 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  



Capítulo I 

 17

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. 
La deformación permanente total en las estructuras flexibles, 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: 1) 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. 2) 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.  
Además de no tener en cuenta, que parte de la acumulación de la deformación permanente puede ser 
producida en las capas granulares de base y subbase, otros aspectos a tener en cuenta en este tipo de 
metodología son: 1) No permite ser adaptada a condiciones distintas a las que fueron estudiadas para su 
desarrollo e implementación. Incluso un cambio en las condiciones climáticas o de tránsito de la zona de 
estudio puede hacer que el método pierda confiabilidad en la predicción del dimensionamiento del 
pavimento. Lo grave de esta situación es que en el mundo la tendencia del parque automotor es 
incrementar en número y magnitud de cargas y en muchas ocasiones los pesos máximos permitidos para 
circular por carreteras son excedidos. 2) Si se requiere la utilización de materiales o estructuras distintas a 
aquellas empleadas durante el estudio in situ, extrapolar el comportamiento de los mismos a las 
condiciones estudiadas es costoso y de difícil determinación numérica y experimental. 
Los métodos de diseño de este tipo necesitan de gran inversión y tiempo para la realización de ensayos a 
gran escala. Lo anterior está generando que en el mundo se estén reemplazando los métodos de diseño 
empíricos por métodos de diseño basados en aproximaciones mecanicistas [Rondón & Reyes (2007)]. 
El método empírico, supone entonces que cumpliendo ciertos requisitos de “calidad” en los ensayos de 
caracterización de materiales granulares, las capas granulares no experimentarán deformaciones 
permanentes importantes. Sin embargo algunos estudios encontrados en la literatura de referencia hacen  
dudar del anterior criterio: 



Capítulo I 

 18

 Gidel, Breysse y Denis (2002) realizaron ensayos triaxiales cíclicos sobre dos materiales 
granulares que presentaban desgastes elevados y no reunían ciertos parámetros empíricos de 
calidad exigidos por las especificaciones francesas para carreteras. Sin embargo, los valores de 
rigidez (variaron entre 800 MPa y 1300 MPa) y los valores de resistencia a la deformación 
permanente de estos materiales fueron altos, lo cual indica que el criterio empírico basado en Los 
Ángeles y en otros ensayos de caracterización, no son suficientes para evaluar el funcionamiento 
mecánico de agregados pétreos. 

 Núñez, Malysz, Cerattí y Gehling (2004) basados en ensayos monotónicos de resistencia al corte, 
observaron que aunque los parámetros de resistencia al corte (cohesión y fricción) de diversos 
materiales mal graduados eran similares, su resistencia a la deformación permanente fue bastante 
diferente. Incluso observaron que a pesar de que uno de los materiales no graduados era superior 
en CBR y parámetros de resistencia al corte a los demás, desarrolló mayores valores de 
deformación permanente. 

 Investigadores como Balay, Gomes, Jouve, Hornych y Paute (1997) mencionan que diversos 
estudios han confirmado que no existe una relación entre el comportamiento mecánico de 
materiales granulares (rigidez y resistencia a la deformación permanente) y la resistencia del 
agregado (por ejemplo, desgate en la máquina de Los Ángeles y CBR).  

 Kumar, Chandra y Vishal (2006) basados en los resultados de ensayos monotónicos y cíclicos 
sobre cuatro materiales granulares, reportaron que el material con mayor CBR (60.7%) 
experimentó mayores deformaciones permanentes bajo carga cíclica, que los demás que 
presentaban inferior CBR (entre 9.1 y 47.2%). 

Como en la práctica es difícil determinar experimentalmente el cálculo de deformación permanente en la 
subrasante (ya sea por falta de equipos o definición acertada de trayectorias de esfuerzo), lo que se hace 
es correlacionarla con el valor del CBR (Heukelom y Klomp, 1962). Pero la principal desventaja de esta 
metodología radica en que el cálculo de los estados de esfuerzo y deformación se realiza por lo general 
suponiendo que el pavimento flexible es un sistema multicapa elástico lineal (compuesto por tres capas: la 
subrasante, la capa granular no tratada y la capa asfáltica). Este comportamiento elástico se supone de 
manera simplista, justificando que bajo algún ciclo individual de carga, la deformación permanente será 
más baja comparada con la deformación resiliente. Los parámetros elásticos pueden ser calculados por 
medio de ensayos de laboratorio o por medio de retrocálculos de ensayos in situ. Por un lado las 
ecuaciones elásticas lineales no tienen en cuenta que el comportamiento de las mezclas asfálticas es 
viscoso (dependiente de la velocidad de aplicación de carga y de la temperatura) y en el caso de los 
materiales granulares no tratados de base y sub-base su comportamiento es inelástico (deformaciones 
resilientes y permanentes) no lineal (rigidez dependiente del nivel de esfuerzo aplicado) para los niveles  



Capítulo I 

 19

de esfuerzos a los cuales se encuentran sometidos en un pavimento flexible [Barksdale, (1972); García-
Rojo, Alonso-Marroquín y Hermann (2005); Morgan (1966); Sweere (1990); Werkmeister, Dawson, y 
Wellner (2001); Werkmeister, Dawson,  y Wellner (2004); Wolff y  Visser (1994)]. Además, dependiendo 
del tipo de material de subrasante, el comportamiento del suelo puede ser dependiente de la velocidad de 
carga (viscoso) como en el caso de muchas arcillas.  
En el caso de Cuba, se calcula la deformación en pavimento flexible  a partir de la hipótesis de Boussinesq 
y Busmíster, las mismas vienen desarrolladas por Torres Vila (1999).     
1.2.1.1. Análisis Deformacional 
La estructura típica del pavimento en nuestro medio está formada por carpeta asfáltica y capas de material 
seleccionado, colocadas sobre subrasante compactada y subrasante natural, el objetivo es distribuir las 
cargas provenientes del tránsito, de manera que las presiones verticales a nivel de fundación sean 
menores que las admisibles en la estructura del pavimento. 
La deflexión es un parámetro utilizado para verificar la capacidad estructural de un pavimento. El valor 
admisible de la deflexión es calculada mediante la correlación del número de ejes equivalentes usados en 
el diseño por medio de ecuaciones empíricas [(Chang (2005)]. 
La llanta no sólo genera esfuerzos verticales sino también esfuerzos horizontales. En una estructura típica 
de pavimento (carpeta asfáltica, base y sub base granular), los esfuerzos horizontales se disipan a través 
de la carpeta asfáltica, pasando de un valor positivo en la superficie a uno negativo en su fibra inferior, 
esta condición origina esfuerzos de tracción (σt) en la fibra inferior de la carpeta asfáltica. El mayor 
porcentaje de los esfuerzos verticales son asumidos por la carpeta asfáltica y la base granular. Al nivel de 
fundación, para cualquier configuración, llega el mismo nivel de esfuerzos, esto indica que incrementando 
el espesor de la carpeta asfáltica no se reducen las deformaciones en la fundación. Los esfuerzos así 
generados producen fisuras que luego se reflejarán en la superficie. En la Figura 1.1 se muestra la 
distribución de esfuerzos horizontales (σH) y verticales (σV) de pavimentos típicos. 

 
Figura 1.1. Esquema de la distribución de esfuerzos en pavimentos [Minaya y  Ordoñez (2006)] 

1.2.2. Fisuración por efectos térmicos 



Capítulo I 

 20

El agrietamiento térmico es un tipo de falla causada por condiciones climáticas rigurosas, más que por 
causas de tráfico. Se caracterizan por ser fisuras transversales intermitentes, perpendiculares a la 
dirección del tráfico, espaciadas en forma casi constante a lo largo del camino. También se presentan 
como polígonos de gran dimensión. Las fisuras por bajas temperaturas se producen cuando las tensiones, 
causadas por la caída de la temperatura, superan a la resistencia a la fractura de la mezcla. La velocidad 
de deterioro de este tipo de falla, es dependiente de las propiedades reológicas del asfalto, de las 
propiedades de la mezcla y de los factores ambientales.  
Este agrietamiento puede ser el resultado de un solo descenso en la temperatura hasta la temperatura 
crítica de agrietamiento, como también puede ser causado por varios ciclos de ascenso y descenso de la 
temperatura. Esta última condición es lo que se conoce como fatiga térmica. Antes no se tenía en cuenta 
el problema del agrietamiento térmico en el diseño de aglomerados bituminosos. El nuevo programa de 
diseño de la AASHTO 2004, permite tener en cuenta las características de la mezcla en su diseño, se 
observa que esas secciones fallan por fisuración térmica en climas relativamente fríos, si se emplean 
betunes un poco duros. El empleo de betunes duros para evitar el problema de deformaciones plásticas 
puede dar lugar a fallo por fisuración térmica, si no se estudia y dosifica adecuadamente la mezcla.  
El problema del envejecimiento del asfalto en las mezclas puede afectar enormemente su resistencia a la 
fisuración térmica. Cuanto mayor sea el envejecimiento del asfalto y menor sea su porcentaje en la 
mezcla, mayor será la probabilidad de tener problemas de fisuración térmica cuando el pavimento y la 
capa de rodadura se encuentra a temperaturas bajas, inferiores a -5 o -10º C [Jiménez (2005)]. 
El potencial de las bajas temperaturas para agrietar un pavimento dado se puede evaluar, si la mezcla de 
rigidez y resistencia a la fractura característica son una función de la temperatura y el tiempo de carga 
conocidos y si los datos de temperatura sobre el sitio están disponibles. El pavimento se agrietará cuando 
la tensión termal es mayor que la resistencia a la fractura. 
Se puede evitar este tipo de deterioros de la siguiente forma: 

 Utilizar ligantes más blandos, de baja susceptibilidad térmica 
 Utilizar asfaltos poco susceptibles al envejecimiento a lo largo su vida útil 
 Evitar asfaltos oxidados  
 Eliminar el porcentaje de vacíos 

La fisuración térmica presenta un serio problema en el diseño de mezclas ya que resulta difícil su 
evaluación y predicción, la razón de esta dificultad está relacionada con las características del 
envejecimiento y propiedades visco-elásticas del asfalto. A fin de evaluar la fisuración térmica, deben 
evaluarse ciertas propiedades críticas de la mezcla y las condiciones ambientales específicas del proyecto. 
Las propiedades de la mezcla incluyen los ensayos de tensión indirecta, módulo "creep" a bajas  



Capítulo I 

 21

temperaturas, tensión de rotura y coeficiente térmico de contracción. 
1.2.3. Fatiga en los materiales del pavimento  
En todos los métodos de diseño de pavimentos se acepta que durante la vida útil de la estructura se 
pueden producir dos tipos de fallas, la funcional y la estructural. La falla funcional se deja ver cuando el 
pavimento no brinda un paso seguro sobre él, de tal forma que no transporta cómoda y seguramente a los 
vehículos. La falla estructural en un pavimento se presenta cuando los materiales que conforman la 
estructura, al ser sometida a repeticiones de carga por acción del tránsito, sufren un agrietamiento 
estructural relacionado con la deformación o la tensión horizontal por tracción en  la base de cada capa; en 
este sentido la falla relaciona la deformación o la tensión producida con el número de repeticiones 
admisibles; esto se denomina falla por fatiga o sea por repeticiones de carga. Estos fenómenos que se 
producen en el pavimento durante su funcionamiento, pueden ser modelados en el laboratorio haciéndose 
los llamados ensayos de fatiga; el agrietamiento que se produce en los materiales cuando se hacen las 
pruebas de laboratorio sobre las muestras de materiales o a escala natural, se asocia con la respuesta 
resiliente del pavimento ante las cargas dinámicas; en estos ensayos se ha determinado que las grietas se 
propagan de la base de cada capa hacia arriba.  
Los materiales que forman parte de la estructura se consideran homogéneos e isotrópicos, y se supone 
que las capas tienen una extensión infinita en sentido horizontal. En esta metodología se considera  la 
estructura de pavimento como un sistema linealmente elástico, en el cual los materiales se encuentran 
caracterizados por:  

 Módulos elásticos(E)   

 Relación de Poisson (µ) 

 El espesor de la capa (h) 

 
Figura 1.2. Estructura multicapa de un pavimento flexible. 

En la Figura 1.2 se puede observar un modelo multicapa en el que se supone la capa inferior (subrasante) 
infinita en el sentido vertical, la capa intermedia representa las capas granulares y la capa superior 
representa los materiales bituminosos. 



Capítulo I 

 22

Las propiedades de los materiales se pueden obtener de varias maneras: ensayos de laboratorio 
combinados con ensayos no destructivos, estimación o uso de nomogramas con correlaciones 
estadísticas, comparación con materiales “estándar” de características similares y medición “in situ” 
basándose en ensayos no destructivos.  
Como se considera que los materiales que conforman la estructura durante su vida útil están trabajando 
dentro del rango elástico, entonces la fatiga de estos es causada por repeticiones de carga (N) impuestas 
por el tránsito. Por consiguiente, el comportamiento a la fatiga  para las capas que conforman el 
pavimento, se presenta normalmente como una relación entre las repeticiones de carga y la deformación. 
Entonces el pavimento flexible puede fallar de dos maneras [LILLI, Félix J. (1987)]: 

 Que la deformación horizontal por tracción εt en la fibra inferior de las capas asfálticas, al flexionar 

ellas bajo la acción de las cargas, supere cierto límite admisible, en este caso se producirá 
agrietamiento en dichas capas.  

 Que la deformación vertical εz por compresión de la subrasante supere el límite admitido por ella, 

caso en el cual se presenta una deformación permanente y por consiguiente la del pavimento, en 

este caso se producirá ahuellamiento. Además se puede verificar que σz se mantenga dentro de 

los límites admisibles.   
En términos generales la ley de fatiga de los materiales que conforman la estructura del pavimento según 
los resultados de ensayos de laboratorio se describe para las mezclas asfálticas y para la subrasante.  
1.2.3.1 Fatiga de mezclas bituminosas 
El daño por fatiga de la carpeta asfáltica generada por las cargas de tráfico, se inicia en la parte inferior de 
la carpeta asfáltica y se propaga hacia la superficie (reflejo de fisuras). En el modelo tradicional de fatiga 
las fisuras se originan en la fibra inferior de la mezcla bituminosa (zona donde la tensión de tracción es 
mayor) y se propaga verticalmente hacia la superficie del pavimento [Uribe y Meléndez (2007)].  
Daño por fatiga significa, que un estado de tensión provocado por una solicitación, muy alejada del valor 
de rotura, llega a producir por acumulación (es decir, por repetición de la solicitación en un número muy 
elevado de veces) el agotamiento del material, agotamiento que se manifiesta por la figuración del mismo. 
Ensayos de laboratorio a escala reducida han permitido proponer ecuaciones o modelos de daño que 
relacionan el número de pasadas de carga admisible en función de las propiedades del material y el valor 
de los esfuerzos transmitidos. La nueva Guía de AASTHO 2004 utiliza correlaciones de los modelos 
desarrollados por las pruebas experimentales realizadas por el Instituto de Asfalto 1982 y Shell 1985, para 
el cálculo de número aceptable de repeticiones de carga admisible por agrietamiento por fatiga y el 
número admisible de repeticiones de carga limitado por el valor de la deformación vertical elástica. El 
número admisible de pasadas resultante de las ecuaciones de daño y el volumen de tránsito esperado del 
proyecto, permiten determinar el período de vida de la estructura del pavimento. 



Capítulo I 

 23

1.2.3.2. Métodos de estimación de leyes de fatiga 
Los métodos de diseño desarrollados en los años 70 y 80 del siglo pasado, entre los que se cuentan el 
método Shell (1978-1985) y el método del Instituto del Asfalto 1982, si han establecido relaciones entre la 
deformación unitaria de tracción en la base de la carpeta asfáltica y el desarrollo de fisuras de fatiga, las 
cuales han sido incorporadas como criterios de diseño estructural. Solo se aplica el método del Instituto del 
Asfalto para determinar las características de fatiga de la mezcla de alto módulo. Existe otro método para 
la estimación de leyes de fatiga, como el Theyse H L de South África 1996. 
La determinación de la Ley de Fatiga de una mezcla bituminosa es una cuestión compleja que requiere 
muchos costosos ensayos de laboratorio, calibraciones y calados posteriores del modelo ¨in situ¨. La Guía 
AASHTO 1993, no considera en forma directa la fatiga de la carpeta asfáltica como mecanismo de falla 
estructural en pavimentos flexibles, pero la nueva Guía de AASHTO 2004 ya lo considera, y para el efecto 
trabaja con el método establecido por el Instituto de Asfalto 1982. 
1.3.  Métodos de diseño de pavimento flexible 
Los métodos de diseño para pavimentos flexibles pueden ser de tres tipos: Empíricos, Semiempíricos ó 
Empírico-Mecanicistas y Mecanicista [Elliot y Thompson (1985); Timm, Birgisson, Newcomb (1998);  
Garnica, Alfonso Rico, Rodolfo (1998);  Das y Pandey (1999); Iturbide  (2002); Vásquez (2004); Minaya y 
Ordoñez (2006); Gerardo Flintsch (2007)]. Los métodos de diseño de pavimentos flexibles vienen descritos 
en la Tabla 1.3.  

Tabla 1.3. Métodos de diseño de pavimento flexible 

Métodos de Diseño de Pavimentos Flexible 
Métodos Empíricos  Métodos Empíricos – Mecanístico  Métodos Mecanístico 

AASHTO [(1958, 1972, 1986 y 1993) 
EE.UU.] * 

AASHTO [(2004) EE.UU]* Estado de arte: lo 
que se pretende 
alcanzar MOPT [(1970 - 1976 ) Colombia] MOPT [(1989 - 1998 ) Colombia] 

Road Note [(1975 – 1993) Gran Bretañe] * - 
SHELL [(1978) Gran Bretaña] * SHELL [(1993) Gran Bretaña] * 
Método del Instituto de Ingeniería de la 
UNAM [(1981) México] 

- 

NC [(1990 ¨propuesta¨ – 2003) Cuba] * - 
Instituto del Asfalto [(1979 - 1981)  
EE.UU.]  

Instituto del Asfalto [(1982 - 1993)  
EE.UU.] * 

- LCPC [(1997) Manual Francés] *  
- Theyse H L [(1996) Sudáfrica] 

MOPU  [(1990) España] - 
* Métodos que se abordara a continuación 



Capítulo I 

 24

1.3.1.  Métodos Empíricos  
Los desarrollos empíricos tienen su origen en bases de datos reales conformadas a partir de pavimentos 
existentes, en dichas bases de datos se ha registrado gran cantidad de información referida a diversos 
aspectos entre los que se cuentan: información general de los pavimentos, datos de diseño (materiales, 
diseño estructural, diseño de juntas, etc.), características del drenaje y de las bermas, datos de tránsito, de 
condiciones climáticas y de deterioros a lo largo de su vida útil. 
1.3.1.1.  Método de la AASHTO  
Este método combina ecuaciones, tablas y figuras. Este procedimiento es de amplia aceptación para el 
diseño de pavimentos flexibles y se presenta en la Guía AASHTO para el Diseño de Estructuras de 
Pavimento, la cual es publicada por la American Association of State Highway and Transportation Officials. 
La información de pruebas incluida en el desarrollo del método fue recolectada en el Ensayo Vial AASHO 
de 1958 a 1960.  
El Ensayo Vial AASHO se llevó a cabo en Ottawa, Illinois, a unos 128 kilómetros de Chicago. Tanto el 
clima como el suelo son típicos de una gran parte de los Estados Unidos. Los ensayos sobre pavimentos 
se hicieron sobre seis secciones separadas dobles, con pistas de doble vía en forma de dos tramos rectos 
paralelos con secciones curvas para retorno. En la Figura 1.3 se presenta el emplazamiento general del 
ensayo. 

 
Figura 1.3. Emplazamiento general del Ensayo Vial AASHO 

Los segmentos rectos contenían 836 secciones de prueba separadas, las cuales representaban cerca de 
200 combinaciones de superficies, bases, y subbases de varios materiales y espesores. Había 12 trochas 
de tránsito en los seis tramos de ensayo. El denominado tramo 1 no se sometió a la acción del tránsito y 
se utilizó para estudios especiales de deflexiones y contracciones para evaluar el efecto del clima. 
Los otros cinco tramos (del 2 al 6) se sometieron al tránsito de vehículos durante 18.5 horas diarias, 6 días 
a la semana, entre el 5 de noviembre de 1958 y el 30 de noviembre de 1960. Se emplearon 78 camiones, 
casi 10 veces los utilizados en el anterior ensayo WASHO. El costo total del Ensayo Vial AASHO fue de 27 
millones de dólares de la época. 
La Guía conserva los algoritmos originales del Ensayo Vial correspondientes a un grupo reducido de 
materiales, un solo tipo de subrasante, tránsito homogéneo y el medio ambiente del sitio del ensayo. 
Debido a este panorama limitado se han realizado investigaciones para ampliar la aplicación del método.  



Capítulo I 

 25

La Guía comprende procedimientos para diseñar y rehabilitar pavimentos, incluyendo la selección del tipo 
de estructura, el espesor total de la misma y el espesor de cada capa componente. 
Los resultados obtenidos con MOPT y Road Note 31 de 1993 presentan alguna similitud, siendo mayor la 
estructura obtenida por el método inglés. Con el método AASHTO se obtiene un espesor importante de 
mezcla asfáltica y espesores menores de base y subbase. Una verificación empírico – mecanicista podría 
favorecer el resultado AASHTO sobre los otros. 
Un buen ejemplo del uso de ecuaciones de regresión para el diseño de pavimentos corresponde a la Guía 
AASHTO para el Diseño de Estructuras de Pavimentos, principal documento utilizado por las agencias de 
transportes en los EE.UU. para el diseño y rehabilitación de pavimentos de carreteras. La versión de 1972, 
1986 ó 1993 de la Guía de Diseño de Pavimentos de la AASHTO, fueron basadas en la ecuación 
resultante del comportamiento de la pista de pruebas de la AASHO en la década de 1950.  
Los resultados del Ensayo Vial AASHO han sido extrapolados a otras condiciones mediante 
investigaciones posteriores dentro de los Estados Unidos y Europa. Sobre este punto la misma Guía de 
Diseño sugiere, de forma reiterativa, que cada Agencia (autoridad local norteamericana) debe desarrollar 
valores locales para parámetros tan críticos como la desviación estándar total o los coeficientes 
estructurales de capa.  
El método AASTHO 1993 presenta el criterio de “confiabilidad”, el cual permite adoptar un nivel de 
“seguridad” ante la falla prematura del pavimento dentro del período de análisis. La falla del pavimento no 
está asociada a un tipo de daño en particular, sino al concepto de serviciabilidad, calificado mediante el 
Índice de Serviciabilidad Presente (PSI), en el cual la rugosidad es un componente importante.  
Entre las limitaciones encontradas en el método de AASTHO 1993, se han listado las siguientes: 

1. La pista de pruebas no consideró tramos, ni procedimientos de rehabilitación de pavimentos y 
fueron realizados en un solo lugar, existiendo problemas para predecir el comportamiento bajo 
condiciones ambientales diferentes. 

2. La pista de prueba consideró un solo tipo de subsuelo y utilizó bases granulares no estabilizadas. 
Actualmente se ha demostrado la importancia de utilizar diferentes tipos de bases tratadas o 
reforzadas en subsuelos de baja capacidad de soporte. 

3. El peso y geometría de los vehículos, las presiones de las llantas y el volumen de tráfico se han 
incrementado sustancialmente en las últimas cuatro décadas. 

4. El diseño se evaluó en función del espesor del paquete que conformaban las distintas capas del 
pavimento. Actualmente, la aplicación de la teoría elástica permite que el diseño se evalúe y se 
determine la influencia de cada una de las distintas capas o elementos estructurales que 
componen el pavimento. 



Capítulo I 

 26

Los espesores obtenidos por el método AASHTO 1993 son llamados por algunas personas 
“económicamente desbalanceados”, por lo cual manipulan el espesor de la mezcla asfáltica a valores 
mínimos, lo cual es violatorio del análisis de capas y constituye un diseño viciado. Esto se encuentra con 
frecuencia en publicaciones publicitarias sobre productos para la estabilización o el refuerzo de algunos 
componentes de los pavimentos. 
1.3.1.2. Método de la Road Note 
La Road Note 31 fue elaborada por el Road Research Laboratory, actual TRL de Gran Bretaña. La versión 
de 1975 caracteriza por primera vez el tránsito como repeticiones de un eje en un período de diseño, pues 
antes se utilizaba un sistema de vehículos comerciales en un rango de pesos. El espectro de diseño es de 
1,500 vehículos pesados por día, para una vida de diseño de 10 a 15 años. El método ofrece 
recomendaciones de diseño basadas en la resistencia de la subrasante, medida mediante el ensayo de 
CBR. Deben considerarse dos aspectos principales:1) la influencia de los diferentes climas tropicales en 
las condiciones de humedad bajo superficies selladas y su efecto en la resistencia de la subrasante, la 
subbase y la base; y 2) el rápido incremento del tránsito, lo cual es una característica generalizada de las 
carreteras en los países en desarrollo de las regiones tropical y subtropical 
Los pasos principales para el diseño del pavimento flexible son: 

 Estimar el tránsito y la distribución de carga por eje que soportará la vía durante la vida de diseño. 
 Determinar la resistencia de la subrasante debajo del pavimento construido. 
 Establecidos los dos puntos anteriores, seleccionar la combinación correcta de materiales y 

espesores que produzcan un pavimento económico y con mínimo mantenimiento. 
El Road Note 31 de 1993 hace el diseño mediante catálogo. Esta versión conserva la caracterización del 
tránsito como repeticiones de ejes equivalentes a ejes estándar de 8,200 kilogramos y la caracterización 
de la resistencia de la subrasante mediante el CBR. No obstante profundiza sobre cada variable de diseño 
en lo concerniente a métodos de predicción del tránsito y elección del valor de diseño de la subrasante. 
Los diseños incorporados en esta edición de la Road Note 31 están basados de forma primordial en: 
resultados de experimentos a gran escala donde todos los factores que afectan el desempeño han sido 
medidos con precisión y se ha cuantificado su variabilidad; y estudios de desempeño en redes viales 
existentes. 
El proceso de diseño continúa el orden expuesto previamente. Estimación del tránsito en repeticiones de 
ejes – Determinación de la resistencia de la subrasante – Selección de la combinación de materiales y 
espesores más económica. 
Se consideran algunos aspectos críticos de diseño en la mayoría de los países tropicales: 

 Influencia de los climas tropicales en la humedad de la subrasante. 
 Las severas condiciones que los climas tropicales imponen a los materiales asfálticos. 



Capítulo I 

 27

 La interrelación entre diseño y mantenimiento. Si no se asume un nivel de mantenimiento 
apropiado, se producirán diseños incapaces de soportar las cargas del tránsito sin un incremento 
considerable de los costos de operación vehicular debido al deterioro del pavimento. 

 Las elevadas cargas por eje y presiones de inflado comunes en la mayoría de los países 
tropicales. 

 La influencia de los climas tropicales en la naturaleza de los suelos y rocas utilizados en la 
construcción de las carreteras. 

La versión de 1993 de la Road Note 31 acumula la experiencia  de las versiones anteriores y ofrece como 
herramienta de diseño un catálogo compuesto de ocho cartas con diferentes materiales y espesores 
constituyentes de la estructura del pavimento. Esto permite obtener varias soluciones para unos valores de 
diseño establecidos.  Se hace una recomendación de tipo estadístico para la elección del valor de diseño 
de la subrasante, como aquel que es superado por el 90% de los valores de resistencia en el proyecto. Si 
existe una variación importante en los valores de la resistencia se recomienda definir unidades de diseño. 
En el análisis del tránsito se ha incorporado la experiencia británica en el cálculo de los factores de 
equivalencia de eje, pero no se presenta información relativa a ejes tándem. 
Asimismo, se ha extendido el rango de diseño hasta 30 millones de repeticiones de ejes estándar. 
1.3.1.3.  Método de la SHELL 
En 1963, SHELL publicó un juego de cartas de diseño para pavimentos flexibles basadas en un método 
analítico con criterios derivados de pruebas de laboratorio y del Ensayo Vial AASHO. 
Años más tarde, el procedimiento fue expandido para incorporar importantes parámetros de diseño que 
determinan las propiedades de los materiales y los efectos de la temperatura y carga, dentro de un 
paquete conocido como el Manual de Diseño de Pavimentos SHELL de 1978. 
El método de diseño SHELL considera la estructura como un sistema de tres capas, tal como se muestra 
en la Figura 1.4. La capa superior representa todos los materiales ligados y se caracteriza por las 
propiedades de la base asfáltica, la segunda capa representa la subbase no ligada y la tercera capa la 
subrasante. 



Capítulo I 

 28

 

 
Figura 1.4. Modelo de pavimento tricapa. 

Las capas asfáltica y de subbase se consideran construidas con materiales homogéneos, de espesor 
uniforme y extensión horizontal infinita, los cuales yacen sobre una subrasante homogénea seme-infinita. 
Se considera que todas las capas desarrollan fricción total en sus interfaces. 
La carga aplicada a la estructura se define como el número estimado de ejes estándar acumulados 
durante el período de diseño. 
El principio del método es diseñar la capa asfáltica de tal forma que las cargas del tránsito aplicadas al 
pavimento no generen una deformación excesiva en la interface entre la subbase y la subrasante (criterio 
de la deformación unitaria vertical por compresión de la subrasante) y no induzcan el agrietamiento 
estructural de la base asfáltica (criterio de deformación unitaria por tensión en la parte inferior de la capa 
asfáltica). Las propiedades que determinan el comportamiento de los materiales del pavimento son la 
rigidez (similar al módulo de elasticidad de Young) y la relación de Poisson de cada capa. 
1.3.1.4. Norma Cubana  
El método de la NC 2003, consiste en calcular el espesor total equivalente a una base granular de 500 
MPa, con una carga  de 100 kN, utilizando el tráfico de diseño y la resistencia de la subrasante. Con ayuda 
de los coeficientes de equivalencia de espesores, se conforma la estructura definitiva, sustituyendo cada 
parte del espesor total con materiales de otras características resistentes, para la superficie, base y 
subbase. La ecuación de comportamiento, los coeficientes de equivalencia y espesores mínimos que se 
usan en la norma, han sido validados mediante procedimientos de cálculo analítico. Se calcula el tráfico de 
diseño, a partir de recuentos en una vía de características similares, o en su defecto, se recomiendan 
parámetros que permiten estimarlo. Se propone en esta norma: “Método indirecto para la determinación de 
las cargas del tránsito”. Este procedimiento es útil en los estudios de cargas, en ausencia de equipos para 
el pesaje de los vehículos. 
La Norma establece el método para el diseño de pavimentos flexibles y semirrígidos de carreteras y calles, 
con las características del tránsito, así como la humedad de los suelos y temperatura en el hormigón 
asfáltico, en las condiciones de explotación del clima de la República de Cuba. Se establece también la 



Capítulo I 

 29

forma de obtener los factores que intervienen en el diseño de la estructura de pavimento flexible o 
semirrígido y la forma de calcular los espesores de las capas componentes, mediante el uso de 
coeficientes de equivalencia de espesores. Es importante señalizar que la misma toma como base la 
norma del Instituto de Asfalto.  
1.3.2.  Métodos Empíricos-mecanicista   
Método científico basado en métodos de análisis mecánico y comportamiento de materiales. Buscando 
diseños estructurales más eficientes y más duraderos.  
Los modelos matemáticos son las herramientas mediante las cuales los ingenieros aplican principios 
científicos a la solución de problemas de ingeniería, aún con el beneficio de las experiencias pasadas. La 
solución se basa en: (1) los requerimientos físicos de una estructura para soportar las cargas externas, las 
deformaciones y los esfuerzos en los elementos, y (2) el comportamiento mecánico de los materiales de 
acuerdo con las leyes básicas de la mecánica que gobiernan el movimiento y las fuerzas.  
En ese orden de ideas, un modelo matemático se compone de tres sub modelos: 

• El equilibrio del sistema de pavimento bajo la influencia de cargas externas. 

• Una evaluación de los esfuerzos y deformaciones en los elementos del pavimento para una 
condición dada de soporte. 

• Una caracterización de las propiedades fundamentales de los materiales del pavimento y su efecto 
en el equilibrio y estabilidad de la estructura del mismo. 

El concepto de una aproximación totalmente mecanicista de diseño no es nuevo, pero hasta hace pocos 
años había recibido escasa atención por parte de los ingenieros al ser considerado como un proceso 
complejo basado en los intrincados hallazgos de algunas instituciones académicas (Preston, 1997). 
Existen numerosas aproximaciones al llamado “Método Empírico - Mecanicista de Diseño de Pavimentos” 

que van desde tratados de cierta extensión como “Mechanistic Design Concepts for Conventional Flexible 

Pavements” (Elliot y Thompson, 1985) hasta artículos de algunas páginas que resumen experiencias 
locales como “Mechanistic – Empirical Design of Bituminous Roads: An Indian Perspective” (Das y Pandey, 
1999). En el caso de Elliot y Thompson (1985) el diseño mecanicista de pavimentos es un proceso en el 
cual se analizan la respuesta a la carga y las características de comportamiento (performance) de varios 
sistemas de pavimento. 
Basado en dichos análisis se escoge una combinación de espesores y materiales para suministrar el nivel 
de servicio deseado de acuerdo con el tránsito predicho. Se ha mencionado el tránsito de forma explícita 
pero los elementos del procedimiento de diseño mecanicista abarcan además los efectos climáticos, el 
modelo estructural y la respuesta del pavimento, la caracterización de los materiales, las funciones de 
transferencia y el análisis del comportamiento para seleccionar el sistema de pavimento a construir. El  



Capítulo I 

 30

término “empírico” aparece en definiciones más recientes y se refiere a la combinación de la modelación 
mecánica (teoría multicapa) con las observaciones del comportamiento de pavimentos existentes para 
determinar el espesor de uno nuevo de acuerdo con unas condiciones de diseño (Timm, Birgisson, 
Newcomb, 1998). La parte empírica del diseño utiliza las reacciones del pavimento para predecir la vida 
del mismo basada en observaciones hechas en campo. Así, el término “empírico” se debe a la definición 
de las funciones de transferencia a partir de datos reales. 
Otra característica importante del diseño empírico – mecanicista es la capacidad de adaptación a los 
nuevos desarrollos en el diseño de pavimentos basándose principalmente en la mecánica de los 
materiales (Timm, Birgisson, Newcomb, 1998). Sin embargo, no debe olvidarse que la experiencia 
acumulada limita los parámetros para la interpretación de los nuevos desarrollos, siendo esto primordial 
para las nuevas configuraciones de carga, las cuales deben transformarse a estándares definidos si se 
pretende enriquecer la información obtenida en diferentes lugares y tiempos como es el caso de los 
ensayos viales. 
La implementación de procedimientos de diseño mecanísticos-empíricos tienen aplicación limitada para 
pavimentos flexibles, sin embargo existe un consenso entre muchos investigadores que estos métodos 
ofrecen oportunidades para mejorar la tecnología del pavimento para este tipo de construcción en las 
próximas décadas.  
1.3.2.1. Método de Diseño del Instituto del Asfalto 
El Instituto del Asfalto (1981) propuso un modelo ligeramente diferente para predecir la vida por fatiga del 
mezclas asfáltica, y en la prodición de Módulo Dinámico IE*I, resumen la ecuación de witczak. El mismo 
método considera un valor de módulo resiliente de la  subrasante de Mr = 100 MPa y un Tránsito de 1x106 
ejes de 80 kN para la obtiene un espesor de mezcla  asfáltica. El método más reciente del Instituto del 
Asfalto de los Estados Unidos de Norteamérica, editado en 1991 y publicado en 1993, presenta algunos 
cambios significativos, respecto a los métodos anteriores para el diseño de la sección estructural de los 
pavimentos flexibles. El método se basa principalmente en la aplicación de la teoría elástica en multicapas, 
que utiliza resultados de investigaciones recientes por parte de ese organismo. El manual presenta un 
procedimiento de diseño para obtener los espesores de la sección estructural de pavimentos, donde se 
utilizan el cemento asfáltico y las emulsiones asfálticas en toda la sección o en parte de ella. Se incluyen 
varias combinaciones de superficies de rodamiento con mezcla asfáltica, carpetas elaboradas con 
emulsiones asfálticas, bases asfálticas y bases o subbases granulares naturales. 
El método considera períodos de diseño de uno a 35 años y tasas de crecimiento del tránsito del 2 al 10% 
anual. También el método incorpora factores de ajuste de los ejes equivalentes de diseño, para diferentes 
presiones de contacto de las llantas sobre el pavimento, en función de su presión de inflado y de los 
espesores de la carpeta asfáltica, donde contempla desde 10 hasta 25 cm de espesor. 



Capítulo I 

 31

El método actual del Instituto del Asfalto, considera como parámetro fundamental, dentro de la evaluación 
de los materiales, la obtención del Módulo de Resiliencia (Mr), sin embargo, reconocen que no todos los 
organismos o dependencias tienen el equipo adecuado para llevar a cabo tal prueba, por lo que han 
establecido factores de correlación entre Mr y la prueba estándar de Valor Relativo de Soporte (T-193 de 
AASHTO), sin embargo, para un diseño preciso, se recomienda llevar a cabo la prueba de Mr para la capa 
de la subrasante. El método contempla factores de medio ambiente y varios tipos o clases de asfalto 
según las necesidades particulares de los usuarios, ejes equivalentes con metodología AASHTO, factor de 
ajuste para diferentes presiones de contacto de llantas, módulo de resiliencia de diseño, correlación del Mr 
con VRS, pruebas índice según ASTM o AASHTO para compactación).   
Se presentan en el método gráficas con escalas logarítmicas para las tres condiciones climáticas 
consideradas, con el total de ejes equivalentes sencillos acumulados en el período de diseño y el Módulo 
de Resiliencia de diseño de la capa subrasante, para obtener los espesores finales de pavimentos de una 
sola capa formada con hormigón asfáltico, y bases granulares sin tratamiento. 
1.3.2.2. Procedimiento de diseño Francés (LCPC) 
Para el diseño se presenta la adaptación de la metodología expuesta en el Manual Francés de Diseño de 
Estructuras de Pavimento (LCPC, 1997). Se aclara que es necesario ajustar los parámetros deducidos de 
la experiencia francesa a medida que puedan formularse leyes de fatiga de los materiales y obtener 
información de las condiciones de construcción en Colombia. 
El método de diseño francés se basa en el concepto de esfuerzos (deformaciones unitarias) de trabajo en 
las capas del pavimento, los cuales se determinan de acuerdo con las características de fatiga del 
material, el tránsito acumulado y el riesgo aceptable. En este punto es conveniente aclarar que “riesgo” es 
el complemento de “confiabilidad”, definida previamente –AASHTO-, de forma tal que r% = 100%− R% (r: 
risk, riesgo % y R: reliability, confiabilidad %). 
Se considera que la variabilidad de las características mecánicas de los materiales del pavimento está 
dentro de unos límites reducidos para materiales que son artificiales y se construyen de acuerdo con 
alguna especificación. 
Por lo tanto los únicos factores que se toman en consideración para la variabilidad de la ocurrencia de los 
deterioros del pavimento son: 

• Los resultados de los ensayos de fatiga. 

• El espesor construido de las capas. 
La curva de fatiga obtenida en el laboratorio está definida al 50% de probabilidad de falla. Los resultados 
de los ensayos se expresan en términos de log N (N es repeticiones de ejes para la ocurrencia de la falla) 
y se distribuyen normalmente con una desviación estándar “SN”. El espesor de las capas se considera 
normalmente distribuido con una desviación estándar “Sh”. 



Capítulo I 

 32

Así, en el proceso de diseño del pavimento se anticipa un número de repeticiones de ejes NE y se 
establece un riesgo, r, de forma que el pavimento se diseña para una probabilidad de falla, a las NE 
repeticiones de carga, menor o igual que r. 
La aplicación de este método requiere un estudio profundo de los materiales locales para establecer leyes 
de fatiga de la forma requerida por el proceso de cálculo. En la actualidad existen desarrollos sobre la 
fatiga de mezclas bituminosas con asfaltos corrientes y modificados, en equipos como el Nottingham 
Asphalt Tester, en condiciones diferentes al ensayo sugerido por los franceses. 
El Manual Francés presenta una serie de relaciones sugeridas para la obtención de los módulos de 
elasticidad de las capas granulares no tratadas. Sin embargo, aclara que aún no existe una metodología 
plenamente aceptada para la determinación de este parámetro en dichos materiales, por lo cual se sugiere 
hacer uso de las ecuaciones como herramienta suficiente para la estimación de los módulos de elasticidad 
de los materiales granulares no ligados. 
El autor considera que este método representa la tendencia futura del diseño de pavimentos y considera 
particularmente valiosa la metodología probabilística del diseño. 
1.3.2.3. Método de la SHELL SPDM-PC 
El uso de las cartas de la SHELL cesó, en teoría, a partir de 1993 cuando se presentó el software SPDM-
PC 3.0. El desarrollo del software es la consecuencia obvia del aumento en la velocidad y disponibilidad de 
los computadores de escritorio. 
El programa aplica la teoría de capas elásticas a un modelo idéntico al anterior modelo, y con los mismos 
criterios de diseño por deformación unitaria por tensión en las capas asfálticas y por compresión en la 
superficie de la subrasante. 
1.3.2.4. Método de la AASHTO 
Propuesta de nueva Guía de diseño AASHTO 2004, para estructuras nuevas y rehabilitación de 
pavimentos basado en principios mecanicistas – empíricos. 
La metodología empírica mecanística AASHTO 2004 ya no utiliza una ecuación de regresión para el 
diseño, sino recomienda la aplicación de la teoría elástica, modelando el medio mediante múltiples capas 
horizontales, homogéneas, con comportamiento elástico en el caso de la sub-rasante y bases granulares y 
comportamiento viscoelástico en el caso de los materiales asfálticos. 
Introduce el concepto de carga de diseño (Número de pasadas) en lugar de la conversión a ejes 
equivalente (EAL) y reemplaza el índice de servicio por indicadores de deterioro, funcional y estructural 
Recomienda que el módulo elástico de la carpeta se evalúe con el Módulo Complejo Dinámico, E* 
determinado de los ensayos de compresión triaxial cíclico. Sin embargo, se propone la ecuación de Yoder 
y Witczak (1975), el cual considera: 



Capítulo I 

 33

 El tipo de asfalto (penetración, viscosidad y/o gradación caso de Superpave, asfaltos modificados 
y envejecidos) 

 La granulometría de la mezcla asfáltica (densa, abierta, incompleta, porosa, etc.) 
 Las variaciones de temperaturas horarias y estacionarias. 
 La velocidad vehicular asociada a la frecuencia de la carga. 

1.3.3. Métodos Mecanicista   
Las metodologías mecanicistas pretenden tener un enfoque puramente científico, con un marco teórico 
suficiente que permita el análisis completo de la mecánica del comportamiento de un pavimento, ante las 
acciones del clima y del tránsito vehicular [Gerardo W. Flintsch (2007)]. Esto es, un marco teórico en 
donde las propiedades fundamentales de los materiales se conocen, y se pueden determinar en 
laboratorio o en campo. El módulo de resiliencia se usa como un parámetro de cálculo que se correlaciona 
con el CBR, y no como una propiedad fundamental del material. Esta metodología nos permitiría la 
predicción correcta de la evolución en el tiempo de los diferentes deterioros que se pudieran presentar y, 
por ende, aumentar en gran medida la confiabilidad de diseños.  
Diferentes factores de diseño de pavimentos pueden ser examinados usado un procedimiento mecanístico 
de diseño, lo que permite una mejor evaluación de los componentes individuales de los pavimentos. El 
análisis del costo de un pavimento, conduce a determinar el costo eficiencia que representa la 
modificación del diseño. Diseños mecanístico tienen el potencial de mejorar diseños de pavimento y 
proveer procedimientos más confiables de diseño. 
El uso de computadoras personales que son capaces de manejar programas mecanístico de diseño, 
proporcionaran un ambiente más practico al diseñador de pavimentos y aumentará el potencial para el uso 
de procedimientos mecanístico. 
El cálculo de esfuerzo y deformaciones que se producen en una estructura de pavimento es necesario 
hacerlos en una computadora con software diseñado especialmente, el cual permite realizar dichos 
cálculos para diferentes capas de pavimentos y analizar su comportamiento con diferentes combinaciones 
de tránsito y propiedades de los materiales [Jorge Coronado Iturbide (2002)]. 
Los beneficios que se pueden derivar de la correcta aplicación de los procedimientos mecanístico son:  
1. Confiabilidad mejorada para el diseño, 2. Capacidad de predecir tipos específicos de fallas, 3. 
Capacidad de extrapolar resultados de campo