Geotechnical Characterisation of Subgrade and Sub-Base Materials for Road Pavement Design in Kasese District, Western Uganda

Las carreteras son más que simples franjas de asfalto; son estructuras complejas construidas sobre una base viva y palpitante de tierra. En el mundo de la ingeniería civil, el terreno debajo de una carretera se conoce como subrasante, y la capa de material colocada directamente sobre ella se llama subbase. Estas capas actúan como el lecho de roca de todo el sistema de pavimentación, distribuyendo el pesado peso de los vehículos para que la superficie no se agriete ni se hunda. Sin embargo, la tierra no es uniforme. En algunos lugares, el suelo es seco y fuerte, mientras que en otros es húmedo, blando y propenso a hincharse cuando se empapa. Si los ingenieros construyen una carretera sin comprender el comportamiento específico del suelo local, la carretera fallará prematuramente, convirtiéndose en un camino accidentado y peligroso que requiere reparaciones constantes y costosas. Esto es particularmente crítico en regiones con fuertes lluvias y inundaciones estacionales, donde el agua puede convertir el suelo sólido en una mezcla débil e inestable.

En el distrito de Kasese, en el oeste de Uganda, un equipo de investigadores se propuso comprender exactamente qué hay debajo de las carreteras que conectan esta vibrante región. Kasese es un centro de actividad, que atrae a turistas a las cercanas montañas Rwenzori y al Parque Nacional Queen Elizabeth, además de servir como un corredor vital para la minería y el comercio transfronterizo con la República Democrática del Congo. A pesar de su importancia, las carreteras aquí sufren frecuentemente de fallos tempranos. El distrito experimenta lluvias significativas y es propenso a inundaciones de ríos como el Nyamwamba y el Mubuku, que a menudo inundan los cimientos de las carreteras. Para resolver esto, los investigadores necesitaban ir más allá de las conjeturas y las suposiciones generales. Realizaron una investigación detallada para mapear el perfil del suelo y medir su resistencia, con el objetivo de proporcionar una guía clara y basada en la ciencia para diseñar carreteras que puedan resistir el entorno local.

El equipo comenzó su trabajo excavando treinta pozos de prueba en todo el distrito, alcanzando profundidades de dos metros para ver qué materiales yacían bajo la superficie. Recolectaron muestras de suelo a intervalos regulares y las llevaron a un laboratorio para realizar una serie de pruebas. Estas pruebas midieron cuánta agua retenía el suelo, qué tan pesado era y cómo se comportaba cuando se comprimía o se empapaba. También analizaron el tamaño de las partículas del suelo, distinguiendo entre arcilla fina, limo, arena y grava. Este proceso les permitió construir una imagen clara de la composición del terreno. Encontraron que la capa superior, que se extiende desde la superficie hasta aproximadamente 0,45 metros, consistía en arcilla orgánica de color marrón oscuro. Esta capa no es apta para la construcción de carreteras porque es demasiado blanda e inestable. Debajo de eso, de 0,45 a 1,2 metros, encontraron una capa de arcilla limosa con plasticidad de baja a media. Finalmente, de 1,2 a 2,0 metros de profundidad, el suelo cambió a una arena mal graduada mezclada con grava, que drena bien el agua pero carece de la viscosidad necesaria para mantener la carretera unida.

El análisis de estos materiales reveló algunos detalles preocupantes sobre la subrasante, la capa que soporta directamente la carretera. El suelo en esta zona es predominantemente arcilla limosa y retiene una cantidad sorprendentemente alta de humedad natural, con un promedio del 28,1 por ciento. Para una construcción de carreteras estable, los ingenieros suelen preferir niveles de humedad entre el 5 y el 15 por ciento. Debido a que el suelo está tan húmedo, es más débil de lo ideal. Los investigadores clasificaron el suelo utilizando sistemas de ingeniería estándar y descubrieron que el 62 por ciento de las muestras fueron calificadas como pobres a regulares, lo que significa que tendrían dificultades para soportar el tráfico pesado sin ayuda. Solo el 38 por ciento fueron calificadas como buenas a excelentes. Un factor clave de esta debilidad es la presencia de arcillas expansivas. Estas son suelos que se hinchan significamente cuando absorben agua y se encogen cuando se secan, causando grietas y levantamientos en el terreno. El estudio encontró que la capacidad de hinchazón del suelo era bastante alta, con algunas muestras mostrando un potencial de expansión que fácilmente podría dañar una carretera construida directamente encima de ella.

Para medir qué tan fuerte es realmente el terreno, el equipo realizó una prueba conocida como el Índice de CBR (California Bearing Ratio), que simula cuánta presión puede soportar el suelo antes de fallar. Probaron el suelo tanto en su estado natural como después de haberlo empapado durante 48 horas para imitar las condiciones de inundación. Los resultados mostraron que el suelo empapado era bastante débil, con valores de resistencia que variaban entre el 5 y el 32 por ciento, con un promedio de apenas el 8,6 por ciento. Esto está muy por debajo del umbral que usualmente se requiere para carreteras no pavimentadas, lo que indica que, sin intervención, la carretera probablemente se hundiría o se deformaría bajo el peso de los vehículos. Los investigadores también calcularon la rigidez del terreno, encontrando que era relativamente blando, lo que confirma aún más la necesidad de un diseño robusto.

Sin embargo, la historia no es enteramente de debilidad. El equipo también buscó materiales que pudieran utilizarse para construir la subbase, la capa colocada sobre la débil subrasante para distribuir la carga. Examinaron el suelo de canteras de préstamo aprobadas en áreas como Kilembe y Hima. Estos materiales resultaron ser mucho más adecuados para la construcción. Estaban compuestos principalmente de arena con algo de grava y una cantidad moderada de finos, clasificándolos como excelentes a buenos para la construcción de carreteras. Al ser probados, estos materiales mostraron una resistencia empapada de entre el 18 y el 42 por ciento, lo cual cumple con los requisitos mínimos para una subbase. No obstante, incluso estos buenos materiales tenían una vulnerabilidad: al empaparse, perdían entre el 12 y el 58 por ciento de su resistencia. Esto resalta un punto crucial: incluso los mejores materiales locales fallarán si se permite que el agua permanezca en ellos durante demasiado tiempo.

Basándose en estos hallazgos, los investigadores propusieron un diseño específico para las futuras carreteras del distrito. Recomendaron un espesor total de pavimento de entre 350 y 400 milímetros. Esta estructura incluiría una capa delgada de asfalto en la parte superior, seguida de una capa gruesa de piedra triturada y, luego, una subbase granular hecha de los mejores materiales locales. Crucialmente, aconsejaron remover por completo los 0,45 metros superiores de suelo orgánico y reemplazarlos con una capa de relleno seleccionada para asegurar que la carretera se asiente sobre una base estable. Para manejar la alta pluviosidad y el riesgo de inundaciones, el diseño enfatiza el drenaje. La subbase debe estar compuesta de materiales granulares gruesos que permitan que el agua fluya rápidamente a través de ellos en lugar de quedar atrapada. Los investigadores también sugirieron la instalación de drenes de borde y alcantarillas transversales a intervalos regulares para mantener el agua alejada de la base de la carretera. Para las zonas más débiles donde el suelo es demasiado blando o demasiado expansivo, recomendaron tratar el terreno con cal o cemento para fortalecerlo y reducir su tendencia a hincharse.

El estudio concluye que las carreteras en el distrito de Kasese han fallado en el pasado no por falta de esfuerzo, sino por falta de conocimiento específico sobre el suelo local. Al caracterizar el terreno en detalle, los investigadores han proporcionado un camino claro a seguir. Los datos demuestran que, si bien el terreno natural suele ser demasiado débil y húmedo para soportar una carretera directamente, se puede gestionar con la combinación adecuada de espesor, drenaje y selección de materiales. El enfoque recomendado de utilizar un pavimento más grueso con capas granulares gruesas y sistemas de drenaje mejorados ofrece una solución práctica a los desafíos de inundación de la región. Este trabajo asegura que las futuras carreteras se construyan sobre una base que comprenda el suelo sobre el que se asienta, lo que conducirá a una infraestructura más segura y duradera para la gente del oeste de Uganda.