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CONCEPTOS BASICOS Y GUÍA DE DISEÑO DE SISTEMAS DE DRENAJE CON GEOTEXTIL APLICACIÓN DE LOS GEOTEXTILES FORTEX
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INTRODUCCIÓN
La constante preocupación de los ingenieros por la calidad de los materiales y la durabilidad de las obras los ha llevado durante años a emplear diferentes sistemas y/o elementos, que permitan desarrollar y mantener las estructuras. De acuerdo con Koerner, 1986, los geotextiles, como se conocen y se usan hoy en día, se utilizaron originalmente en aplicaciones de control de erosión, como una alternativa a los filtros de suelos granulares. Así, el término original usado para los geotextiles era el de telas de filtro. Barrett en su publicación original clásica de 1966, habla sobre los trabajos iniciales a finales de los 50, usando geotextiles detrás de muros marinos de concreto prefabricado, bajo bloques de concreto para control de la erosión, debajo de grandes piedras para rip-rap y en muchas otras situaciones. El diseño, especificación y construcción de filtros resulta vital en el desempeño de las estructuras geotécnicas. En el entendido que un filtro es un medio poroso que actúa principalmente para retener el suelo contra el cual es apoyado y permitir el flujo de agua a través de él, se han desarrollado diversas investigaciones que han dado lugar a múltiples metodologías de diseño que coinciden en la definición de los dos criterios que gobiernan el diseño de filtros con geotextil: Retención y Permeabilidad.
multifilamentos son tejidos para conformar elementos de alta resistencia a la rotura y alto modulo de deformación, con los cuales se fabrican geotextiles que se caracterizan por presentar una alta capacidad de absorción de carga desde muy bajos niveles de deformación, inclusive, muy baja deformación plástica (creep) bajo carga sostenida a largo plazo y excelente comportamiento hidráulico.
2. SUBDRENES CON GEOTEXTIL Y MATERIAL GRANULAR La construcción de filtros para subdrenaje con ® geotextiles Fortex garantiza eficientemente el comportamiento de las estructuras gracias a características como:
Estabilidad en sus propiedades hidráulicas en cualquier ambiente de carga Su Tamaño de Abertura Aparente Su Permeabilidad Su Permitividad Su Tasa de flujo
2.1 CRITERIOS DE DISEÑO Las funciones básicas de un filtro con geotextil pueden resumirse bajo dos criterios: 1.
El filtro debe retener el suelo, lo que implica que el Tamaño de Abertura Aparente (AOS) del geotextil debe ser más pequeño que un valor máximo específico,
2.
El filtro debe ser suficientemente permeable como para permitir el paso del agua hacia el medio drenante, por lo que el Tamaño de Abertura Aparente (AOS) debe ser mayor que un valor máximo específico.
®
Los geotextiles de Alto Módulo Fortex son producidos con multifilamentos orientados de Poliéster (Tereftalato de Polietileno) de alto peso molecular (mayor a 25.000 g/mol), los cuales poseen una alta relación resistencia a la tensión – deformación, con tenacidades superiores a 7 gpd (superiores a los de cualquier otro polímero utilizado para la fabricación de geosintéticos). Los 024-006FA
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Con estas dos consideraciones, se puede afirmar que el diseño de filtros con geotextil obedece dos parámetros básicos:
RETENCION
PERMEABILIDAD
La definición del criterio de diseño se basa en el conocimiento del terreno natural donde se alojará el filtro, las dimensiones del filtro y el material drenante. Esto con el fin de estimar la cantidad de suelo que eventualmente podría atravesar el geotextil sin poner en peligro el desempeño del filtro. Por ejemplo, la construcción de un filtro de geometría amplia, dentro de un suelo granular con un régimen de flujo de agua elevado (ver Figura 1a), admite que una cierta cantidad de suelo atraviese el geotextil sin causar deterioro en el desempeño del filtro. En esta situación, es posible preferir el criterio de permeabilidad sobre el de retención. Por el contrario, un filtro de sección transversal reducida, como el que se aprecia en la Figura 1b, construido en el mismo suelo granular puede generar colmatación y la posterior falla del sistema de drenaje. En este caso, el diseño debe orientarse hacia el criterio de retención.
a. En suelos granulares, las altas presiones de confinamiento tienden a incrementar la resistencia de las partículas al movimiento. b. En suelos finos, las altas presiones incrementan el potencial del suelo de atravesar el geotextil. c. En general, para todas las clases de suelos, altas presiones de confinamiento incrementan el potencial del geotextil y la masa de suelo de penetrar dentro de los canales de flujo del medio drenante.
2.2.2 Condiciones del flujo Las condiciones de flujo se definen para flujo estable (laminar) y flujo dinámico (turbulento). La importancia de la evaluación de las condiciones de flujo radica en la naturaleza de las fuerzas que inducen el movimiento de las partículas (criterio de retención del suelo). En otras palabras, las fuerzas generadas en presencia de flujo estable son diferentes a las que se presentan en condiciones de flujo dinámico.
2.3 SOLICITACIONES DE DISEÑO Las solicitaciones hacen referencia al análisis minucioso de los factores involucrados en el diseño y posterior desempeño del filtro. Estos factores describen su capacidad de retención y permeabilidad, los riesgos asociados al fenómeno de colmatación, los requerimientos de supervivencia, las exigencias de durabilidad y algunos otros riesgos derivados del tipo de material utilizado.
2.3.1. Retención
Figura 1. Selección del criterio de diseño del filtro
2.2 CONDICIONES LÍMITE El diseño de filtros con geotextil está caracterizado por dos condiciones límite: La presión de confinamiento y, las condiciones de flujo
2.2.1 Presión de confinamiento
Tal como se ha venido mencionando, el primer paso en el diseño de filtros con geotextil es la selección del criterio de diseño y las condiciones límite. La definición de estos dos conceptos, permite avanzar hacia la evaluación detallada de las propiedades mecánicas del suelo donde se alojará el filtro. En el caso de los suelos granulares es necesario determinar su granulometría ya que, en términos generales, los suelos granulares son potencialmente inestables. Por otra parte, la estabilidad interna de los suelos finos tales como los limos y arcillas se mide a través de su cohesión y dispersión. Suelos con alta cohesión (arcillas) son internamente más estables que los de baja cohesión (limos).
Se evalúa porque: 024-006FA
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En resumen, el objetivo de las solicitaciones de retención, es la selección de un geotextil con un apropiado Tamaño de Abertura Aparente (AOS).
2.3.2. Permeabilidad Amplio tema de debate ha sido la permeabilidad del geotextil. Solo basta observar algunas metodologías publicadas, según las cuales la permeabilidad del geotextil debe ser mayor que la del suelo. Más aún, otros métodos establecen que la permeabilidad del geotextil debe ser al menos 10 veces mayor que la del suelo. Como resultado de investigaciones posteriores, Giroud, 1988, encontró que la permeabilidad inicial del geotextil debe ser mayor que la permeabilidad del suelo multiplicada por el gradiente hidráulico del filtro. A continuación se resumen algunos valores típicos para diferentes aplicaciones:
APLICACIÓN Filtros longitudinales Filtros verticales para muros Revestimiento de canales Rellenos sanitarios
GRADIENTE HIDRÁULICO ( i ) 1.0 1.5 1.0 1.5
2.3.3. Colmatación El fenómeno de colmatación es sin lugar a dudas el más mencionado de la construcción de filtros con geotextil. Este es un mecanismo complejo dependiente del tipo de suelo, del geotextil y las condiciones del flujo. A pesar de su complejidad, es posible reducir la posibilidad de que se presente, teniendo en cuenta que es preferible un geotextil que tenga suficiente Tamaño de Abertura Aparente (AOS) sin superar el máximo requerido para garantizar la retención del suelo.
2.3.4. Supervivencia Como cualquier otro material de construcción, un geotextil debe ser capaz de resistir su propia instalación. La degradación del geotextil durante la instalación se expresa fundamentalmente en términos de daños por rasgado, punzonamiento ó estallido. Para garantizar la supervivencia del geotextil es necesario determinar
las propiedades mecánicas e hidráulicas que éste debe cumplir. Para lograr este propósito se recomienda seguir las Especificaciones Técnicas Internacionales, Nacionales ó Regionales que se encuentren vigentes durante la etapa de diseño y construcción.
2.3.5. Durabilidad Algunas aplicaciones como sistemas de protección de orillas y algunos tipos de rellenos pueden requerir que el geotextil quede expuesto a la luz natural por largos periodos de tiempo. Es por esta razón que es necesario protegerlo de los rayos UV. Polímeros como el poliéster (PET) no requieren ser cubiertos con resinas especiales para evitar su degradación. Caso contrario ocurre con el polipropileno (PP), cuya degradación sería inminente sin la aplicación de aditivos especiales. La abrasión es también, un factor determinante en aplicaciones como los sistemas de protección de orillas, en donde el espesor del geotextil puede sufrir desgaste. Es entonces necesario incrementar su resistencia. Es decir, utilizar un geotextil de Alto Módulo.
2.3.6. Varios Algunos otros interrogantes pueden surgir en la etapa de diseño y selección de un geotextil para filtro. Entre ellos tenemos: 1. Clase de geotextil a utilizar: ¿Tejido ó No Tejido? 2. El espesor del geotextil puede ser considerado un criterio que determine la escogencia ó rechazo de un geotextil? 3. Puede presentarse intrusión del geotextil dentro del medio drenante? ó extrusión del material fino a través del geotextil? En primer lugar, es necesario mencionar que las Especificaciones Técnicas para el uso de geotextiles como filtros, admiten el uso de geotextiles tejidos y no tejidos. La escogencia entre uno u otro debe basarse en sus propiedades mecánicas e hidráulicas. Por otra parte, el espesor del geotextil no es un indicador del desempeño en campo, aunque en aplicaciones donde se prevé que se puede presentar
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abrasión ó desgaste es recomendable geotextiles de Alto Módulo.
RETENCION
utilizar
También en aplicaciones que involucran altas presiones de confinamiento, el geotextil puede intentar penetrar dentro de los canales de flujo del dren. La probabilidad de que se presente este fenómeno es mayor en geotextiles con bajos Módulos de Tensión. De forma análoga, altas presiones de confinamiento pueden causar que el material fino pase a través de las aberturas del geotextil, incluso en ausencia de condiciones de flujo. En estos casos, es necesario utilizar un geotextil que funcione como elemento separador y también como filtro.
Si d50 > 0.074 mm
Si d50
0.149 mm ≤ O95 < 0.211 mm
0.149 mm ≤ O95 ≤ d85
Restricción: No usar geotextil si d 85 < 0.074 mm
2.4.3. U.S. Corp Of Engineers Sin restricciones frente al tipo de suelo
RETENCION
Si d50 > 0.074 mm
2.4 METODOLOGÍAS DE DISEÑO
Si d50
O95 < 0.30 mm
Diversas metodologías han sido desarrolladas, en aras de diseñar estructuras para drenaje en condiciones de flujo estático. Dentro de ellas tenemos:
0.074 mm
≤
≤
0.074 mm
O 95 < 0.59 mm
En términos generales, la metodología para el diseño de filtros con geotextil se puede resumir de la siguiente manera:
2.4.1. Giroud PERMEABILIDAD
RETENCION 1 < Cc < 3
C´u = (d100 – d0)0.5
C´u = (d 60 – d30)
C´u > 3
Cc > 3 ó Cc < 1 C´u = (d 30 – d10)
RETENCION
C´u < 3
DEL SUELO
OBJETIVO: Determinar el máximo AOS
GENERALIDADES
Densidad < 35%
Densidad < 35%
O95 < (9/C´u) x d 50
O95 < C´u x d 50
PERMEABILIDAD
OBJETIVO: Determinar la permeabilidad mínima
COLMATACION
OBJETIVO: Determinar el mínimo AOS
CONDICIONES
35% < Densidad < 65%
35% < Densidad < 65%
O95 < (13.5/C´u) x d 50
O95 < (1.5C´u) x d 50
Densidad > 65%
Densidad > 65%
O95 < (18/C´u) x d 50
O95 < 2C´u x d 50
Esta metodología tiene en cuenta el tipo de material en función de su granulometría, su densidad y las condiciones del flujo.
2.4.2. AASHTO Task Force # 25
LIMITE
REQUERIMIENTOS DE DISEÑO SUPERVIVENCIA DEL GEOTEXTIL (Construcción)
DURABILIDAD
VARIOS
OBJETIVO: Determinar las Propiedades mecánicas e hidráulicas mínimas OBJETIVO: Determinar la clase de geotextil a utilizar en función de su resistencia y eficiencia hidráulica
OBJETIVO: Determinar la clase de Geotextil a usar, evitar intrusión, Extrusión, etc.
En esta metodología no se presentan limitaciones frente a la clase de geotextil y/o distribución granulométrica del material adyacente al filtro.
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3. CARACTERISTICAS DE LOS GEOTEXTILES GEOMATRIX®
3.1 PROPIEDADES TÉCNICA DE TEJIDO
DEL
POLIÉSTER
Y
®
Los geotextiles de alto módulo Fortex son geosintéticos producidos con multifilamentos orientados de Poliéster (Tereftalato de Polietileno) de alto peso molecular (mayor a 25.000 g/mol y grupo carboxilo final menor a 30). Este material se caracteriza por poseer una alta relación resistencia a la tensión – deformación; con tenacidades superiores a 8 gpd, (superiores a los de cualquier otro polímero utilizado para la fabricación de geosintéticos, tal como se ilustra en la figura 2), alta estabilidad mecánica a través del tiempo (bajo creep) y alta estabilidad ante la temperatura, con punto de ablandamiento por encima de 240º C. Resistencia a la Tensión Fibras de Geosintéticos
10
PET
9 8 ) ² m c / g K ( o z r e u f s E
7
PP
6 5 4
HDPE
3 2 1 0 0
10
20
30
40
50
Deformación Unitaria (%)
Figura 2. Curva Esfuerzo – Deformación Geosintéticos de Poliéster. (Typical properties of fibers Bastón, Designing with Geosynthetics )
Los geosintéticos Geomatrix son fabricados utilizando la técnica de tejido por inserción, en la cual se disponen las fibras horizontales y transversales independientemente, entrelazándolas con un tercer grupo de fibras que se insertan ajustando los nodos para formar un tejido altamente resistente. Ver figura 3. De esta forma las fibras principales permanecen rectas, confiriéndoles así la propiedad de dar refuerzo desde muy bajas deformaciones, al igual que excelentes propiedades hidráulicas.
Figura 3. Tejido de inserción En el caso específico de filtros, el sistema de tejido de los geotextiles Fortex® les confiere una excelente estabilidad en sus propiedades hidráulicas bajo cualquier ambiente de carga, por lo cual, son preferidos para aplicaciones de drenaje.
3.2 PRODUCCIÓN Los geotextiles de alto módulo FORTEX® son fabricados a través de un sistema de producción verticalmente integrado. La producción inicia con el proceso de hilatura, donde un grupo de control de calidad, apoyado en pruebas de laboratorio, monitorea permanentemente desde la tenacidad del hilo hasta las propiedades mecánicas finales del geosintético. Las principales características de los geotextiles FORTEX ® son obtenidas a partir de ensayos realizados en nuestros laboratorios siguiendo las exigencias de las Normas Técnicas ASTM. Y algunas características como la resistencia a la tensión y la elongación son corroboradas adicionalmente en un laboratorio GAI-LAP (Laboratorio acreditado por el Instituto de Geosintéticos para la ejecución de ensayos e investigación sobre geosintéticos), garantizando así las características y desempeño de los productos. Geomatrix S.A., cuenta con un grupo de investigación, quienes tienen a su cargo el mejoramiento permanente de los productos que están en el mercado y la creación nuevos productos buscando la excelencia en la satisfacción de los consumidores de geosintéticos de Alto Módulo.
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4. REFERENCIAS Koerner, R.M. (1.986). Designing with geosynthetics. New Jersey, USA, pp. 210 – 238. Palmeira, E.M., FANNIN, R.J. (2.002). Soilgeotextile compatibility in filtration. Proc. of the 7th International Conference on Geosynthetics Nice, France. Vol. IV. pp. 853 – 870. Luettich, S. (1.993). Geotextil Filters: Designing for the application. Geothecnical Fabrics Report. USA. Pp. 70 – 78
AASHTO-AGC-ARTBA Task Force 25, Specifications Guide for Drainage Geotextiles (1989), pp. 3. Giroud, J.P., “Filter Criteria for Geotextiles”. Proceedings of Second International Conference on Geotextiles, Las Vegas, Nev., U.S.A., 1982, pp. 103 – 108. Giroud, J.P., “Review of Geotextile Filter Criteria”, Proceedings of First Indian Geotextiles Conference on Reinforced Soil and Geotextiles, Bombay, India. 1988, pp. 1 – 6.
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