CAPÍTULO 15 GEOMEMBRANAS
15.1 INTRODUCCIÓN El crecimiento en la conciencia ambiental, así como el desarrollo de nuevas tecnologías es claramente una
acilidad en el control de agentes contaminantes no sólo en el manejo de basuras, sino también en el manejo de residuos producidos por las grandes industrias. Es así como las geomembranas ayudan al desarrollo ambiental y a la protección del ecosistema. Las geomembranas representan el segundo grupo más impor tante de geosintéticos en ventas detrás de los g eotextiles, sin embargo en volúmenes de dinero son las geomembranas las que ocupan el primer lugar. Su crecimiento ha sido estimulado por regulaciones gubernamentales, las cuales hasta el momento apenas se están desarrollando en nuestro país. Las geomembranas en si son hojas delgadas de materiales poliméricos utilizados principalmente como recubrimientos y cubiertas de d e almacenamiento almacenamiento de materiales sólidos y líquidos. El uso de las geomembranas a la intemperie han han sido en proyectos tales como cubiertas lotantes en reser vorios, recubrimientos expuestos a la luz solar en taludes, impermeabilización de supericies, etc. Su durabilidad es estimada de acuerdo a la vida útil que sea especiicada por el abricante, comúnmente para geomembranas geomembranas HDPE (Polietileno de alta densidad) su vida útil se considera alrededor de 20 años. Otros tipos d e geomembranas que de igual manera son generalmente usadas poseen una menor vida útil expuestas a la luz solar y por lo tanto deben ser cubiertas cubiert as con suelo o con material de sacriicio, como puede ser un geotex til reemplazable. Finalmente para detenernos en la durabilidad y la vida de ser vicio de las geomembranas, tenemos que remitirnos a la experiencia, donde hace 15 años los conceptos originales decían que los geosintéticos eran áciles de instalar pero no durarían largo tiempo. Los pensamientos actuales han cambiado drásticamente y se tienen experiencias reales sobre la larga vida y servicio de los geo sintéticos, eso sí con gran preocupación acerca de la correcta instalación de los mismos. Claramente los geosintéticos deben sobrevivir su colocación si se quiere alcanzar que cumplan con su largo periodo de servicio. El uso de las geomembranas en el diseño de barreras impermeables es una alternativa valida y en muchos casos se utiliza como complemento a las alternativas tradicionales. El empleo de este geosintético presenta las siguientes características: 333
Capítulo 15 • GEOMEMBRANAS
•
Son materiales homogéneos, de propiedades completamente cuantiicables.
•
Bajo una adecuada instalación, sus propiedades no suren modiicaciones durante el proceso constructivo.
•
Son una alternativa más económica sobre todo en proyectos donde el tiempo de construcción es un actor importante del costo.
•
Minimizan el impacto ambiental en las obras y permiten un mejor aprovechamiento de los volúmenes disponibles.
15.2 METODOLOGÍA DE DISEÑO Este diseño permite escoger la geomembrana más adecuada para ser instalada como barrera impermeable garantizando la protección del ecosistema en cada una de las aplicaciones como pueden ser en reservorios de agua, en rellenos sanitarios, en recolección de lodos g enerados de los procesos industriales, en lagunas de oxidación, etc. El diseño por unción consiste en evaluar la principal aplicación para la cual se utiliza la geomembrana y calcular el valor requerido para esa propiedad en particular. En el caso del diseño para la geomembrana, se comparan las resistencias del material con el valor requerido en el diseño para una misma propiedad, obteniendo un actor de seguridad global FSg. FSg
=
ResistenciaAdmisible ResistenciaRequerida
⇒ FSg > 1
Donde: Resistencia disponible: Resistencia última del ensayo de laboratorio que simula las condiciones reales del proyecto
sobre los actores de reducción. Resistencia requerida: Valor obtenido de una metodología de diseño que simula las condiciones reales del
proyecto.
15.5.1 Diseño del Espesor El espesor necesario de una geomembrana dependerá del polímero con que este abricada dicha membrana debido a los comportamientos tan distintos a la luencia de cada uno de los materiales. Para el cálculo de dicho espesor se realiza un equilibrio límite teniendo en cuenta la posible deormación en la geomembrana como se muestra a continuación:
FUσ
β Tcos
FLσ
β
Tsen
FLT
β 2Tsenβ X X
Figura 15.1 Modelo de diseño utilizado para calcular el espesor de la geomembrana
334
MANUAL DE DISEÑO
Σ Fx
=0
Tcosβ=FUσ+FLσ+FLT Tcosβ=σntanδU(x)+σntanδL(x)+0.5(2Tsin β/ x)(x)tanδL σnx(tanδU+tanδL) T = cosβ − sin β tanδL
(15.1)
La tensión inducida en la geomembrana es igual al esuerzo admisible por el espeso r. T
t σ= adm
T
=
Donde: Tensión mobilizadora en la geomembrana
=
σadm
t
Esuerzo admisible en la geomembrana
=
Espesor de la geomembrana
Entonces reemplazando estos valores en la ecuación 15.1 se tiene que:
t=
σnx(tanδU+tanδL)
(15.2)
σadm( cosβ − sin β tanδL)
Donde: = Ángulo que orma el movimiento de la geomembrana a tensión con la horizontal
β
= Fuerza de ricción sobre la geomembrana debido al suelo de cubierta ( para suelos de cubierta demasiado delgados, la racturación de este puede ocurrir por tensión, en estos casos este valor suelo despreciable) FU σ
FL σ
= Fuerza de ricción debajo de la g eomembrana debido al suelo de cubierta
FLT
= Fuerza de ricción debajo de la g eomembrana al componente vertical de T admisible
σn
= Esuerzo aplicado por el material de relleno
δU
= Ángulo de ricción entre la geomembrana y el material superior (ASTM D 5321)
δL
= Ángulo de ricción entre la geomembrana y el material inerior (ASTM D 5321)
x
= Distancia de movilización de la deormación de la geomembrana
Tabla 15.1 Ángulos de fricción geomembrana - suelo y geomembrana - geotextil Según ensayo ASTM D 5321 Tipo De Geomembrana
Tipo De Geotextil
HDPE
No Tejido Punzonado
φ = 30o
φ = 28o
φ = 26o
Texturizada
32°
30o (100%)
26o (92%)
22o(83%)
Lisa
8°
18o (56%)
18o (61%)
17o(63%)
335
Tipo De Suelo - Arena
Capítulo 15 • GEOMEMBRANAS
15.5.2 Estabilidad de la Cobertura del Relleno Las geomembranas por lo general deben ser recubier tas debido a que el recubrimiento se busca protección contra la oxidación, protección contra la degradación ultra-violeta, protección contra las altas temperaturas que incrementan la alta degradación, protección contra el punzonamiento y el rasgado por materiales angulares, protección generados por daños accidentales o intencionales. Usualmente se suelen cubrir con espesores pequeños de suelo, que generalmente tienen la tendencia a deslizarse sobre los taludes, motivo por el cual este chequeo dentro de la meto dología se basa en las condiciones de equilibrio límite entre el subsuelo, la geomembrana y el suelo d e recubrimiento asumiendo que estos tienen un espesor uniorme.
Tadm
W
Geomembrana N
N tan δ β
Figura 15.2 Fuerzas actuantes con suelos de cobertura sobre la geomembrana de recubrimiento, con profundidad del suelo constante Para realizar el cálculo de la est abilidad de la cobertura se chequea un F.S. por equilibrio limite.
(15.3)
Donde: W
=
β
=
δU
=
L Tadm
=
Peso del material de relleno Ángulo de inclinación del talud con la horizontal Ángulo de ricción entre la geomembrana y el material superior
=
Longitud de la inclinación
σadm * t, Fuerza de tensión en la geomembrana
Se obtienen dierentes actores de seguridad para dierentes longitudes de inclinación y se escoge la longitud con la cual se obtenga un FS mínimo de 1 para garantizar que no abra deslizamiento de la capa de suelo. 336
MANUAL DE DISEÑO
15.5.3 Diseño de la Longitud y Zanja de Anclaje Para este chequeo se tienen en cuenta un estado de esuerzos dentro de la zanja de anclaje y su mecanismo de resistencia. En la proundidad de la zanja de anclaje se tienen uerzas laterales actuando sobre la geomembrana, mas especíicamente una presión activa de tierras tendiendo a desest abilizar el sistema y una presión pasiva de tierra que lo tiende a soportar.
Figura 15.3 Sección transversal de la longitud de desarrollo de una geomembrana con zanja de anclaje y fuerzas actuantes
Donde: LRO
=
Longitud de desarrollo
PA
=
Presión activa de tierras contra el material de relleno de la zanja de anclaje
PP
=
Presión pasiva de tierras contra el suelo in-situ de la zanja de anclaje
γ AT
=
Peso Especiico del suelo de la zanja de anclaje 337
Capítulo 15 • GEOMEMBRANAS
dAT
=
Proundidad de la zanja de anclaje
σn
=
Esuerzo normal aplicado por el suelo de cobertura
KA
=
2 Coeiciente de presión de tierra activa = tan (45 - φ /2)
KP
=
2 Coeiciente de presión de tierra pasiva = tan (45 + φ /2)
φ
=
Ángulo de ricción del suelo respectivo
Entonces resolviendo para la ecuación (15.4) se tendrían dos incógnitas, motivo por el cual se asume un dato y se encuentra el otro hasta que se encuentre un dato considerable tanto para la longitud de desarrollo como para la proundidad de la zanja de anclaje.
15.2.4 Chequeo por supervivencia Después de haber escogido la geomembrana aplicando la metodología de diseño se debe tener en cuenta que es importante ésta sobreviva los procesos de transporte, manejo e instalación, parámetros que están uera del alcance del diseñador. Únicamente mediante especiicaciones estrictas y un aseguramiento de la calidad en la construcción la geomembrana puede sobrevivir la instalación y comenzar con la unción para la cual ue instalada. Mientras una geomembrana es transportada, manejada e instalada ésta es recuentemente vulnerable al rasgado, punzonamiento e impacto. Estos eventos pueden ocurrir accidentalmente por vandalismos o por la alta de calidad en el trabajo de instalación. Situaciones convencionales son el soltar herramientas sobre el material, transitar automóviles o camiones sobre la geomembrana sin proteger, uertes vientos que llegan por debajo de la geomembrana en el proceso de colocación. El espesor es la propiedad ísica de la geomembrana que esta mas envuelta con la resistencia o con la susceptibilidad al rasgado, punzonamiento y daño por impacto. El incremento presentado del espesor puede ser en algunos casos lineal o en algunos otros exponencial. Es por esta razón que las agencias internacionales requieren un espesor mínimo bajo cualquier circunstancia. Sin embargo mas allá de un simple valor para todas las condiciones, el espesor mínimo y sus propiedades subsecuentes deben estar relacionadas con las condiciones especiicas d el sitio. La Tabla 15.2 nos muestra valores a cuatro niveles dierentes de supervivencia.
Tabla 15.2 Valores mínimos recomendados para supervivencia de la geomembrana en el proceso de instalación PROPIEDAD FISICA Y MÉTODO DE LABORATORIO
GRADO REQUERIDO DE SUPERVIVENCIA BAJO1
MEDIO2
ALTO3
MUY ALTO4
Espesor (D 5199), mils (mm)
25 (0.63)
30 (0.75)
35 (0.88)
40 (1.00)
Tensión (D 6693), Lb/pulg (KN/m)
40 (7.0)
51 (9.0)
63 (11.0)
74 (13.0)
Rasgado (D 1004), Lb (N)
7.5 (33)
10 (45.0)
15 (67.0)
20 (90.0)
Punzonamiento (D 4833), Lb (N)
25 (110)
30 (140)
39 (170)
46 (200)
12
15
20
Impacto (D 3998 mod), J 10 Fuente: Designing With Geosynthetics 5ta Edición. Robert Koerner.
Bajo: Se refere a una cuidadosa instalación a mano sobre un terreno bien gradado y uniorme con cargas leves de naturaleza estática. Típicos usados como barreras de vapor bajo trozos de piso. 2 Medio: Se refere a una instalación manual o con maquinaria sobre un terreno gradado con maquinaria de una pobre textura con cargas medianas. Generalmente usados para canales. 3 Alto: Se refere a una instalación manual o con maquinaria sobre un terreno gradado con maquinaria de una pobre textura con cargas altas. Generalmente usados para suelos de relleno y coberturas. 4 Muy Alto: Se refere a una instalación manual o con maquinaria sobre un terreno gradado con maquinaria de una textura muy pobre con cargas altas. Típicamente usados para reservorios y rellenos sanitarios. 1
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MANUAL DE DISEÑO
15.3 EJEMPLO DE DISEÑO Se requiere diseñar una geomembrana texturizada HDPE que se va a instalar en un sistema en un relleno sanitario de H=7m y con un peso especiico de 12.5KN/m 3. El área del pondaje esta conormado por unos taludes con pendiente 1H:1V. En la parte inerior se ha colocado un geotextil no tejido punzonado por agujas para proteger la geomembrana de los posibles daños durante la construcción. Se ha decido utilizar arena como suelo de cobertura en un espesor de 30cm y como relleno para la zanjas de anclaje; esta arena tiene un ángulo de ricción interna de 30º y un peso especiico de 18KN/m 3. Solución:
15.3.1 Diseño del Espesor σn x (tan δU + tan δL)
t=
σadm ( cos β − sin β tan δL)
Donde: β
=
o 45
σn
=
3 7m * 12.5 KN/m = 87.5 KN/m2
δU
=
o 30 porque en este caso la geomembrana es texturizada en conjunto con la arena
δL
=
32º por ser un geotextil no tejido punzonado por agujas y una geomembrana texturizada.
x
= =
σadm
50 mm (distancia mas desavorable para movilización de la geomembrana). 15000 KPa, Mayor esuerzo soportado por las geomembranas HDPE según Designing with Geosynthetic Cap 5, 5 Ed.
Reemplazando en los valores de la ecuación obtenemos: 87.5 ( 0.05) (tan (30) + tan (32)) 15.000 ( cos (45) − sin (45) tan (32))
t=
5.26 3978.86
t=
t = 1.32 x 10-3 m = 1.32mm Entonces: F.S. =
t instalado t requerido
F.S. =
1.50 mm 1.32 mm
15.3.2 Estabilidad de la Cobertura del Relleno F.S. =
(W cos β ) tag δU (L) + Tadm W sin β (L)
Donde: W
=
(18*0.50*1) = 9 KN/m
339
F.S. = 1.13 >> 1 (o.k.)
Capítulo 15 • GEOMEMBRANAS
β
=
45°
δU
=
L Tadm
o
30 porque en este caso la geomembrana es texturizada en conjunto con la arena
=
=
Longitud de la inclinación
σadm t = 15000 (0.0015)
Reemplazando en la ecuación tenemos: (9 cos 45) tag 30 (L) + (15,000)(0.0015) F.S. = 9 sin 45 (L) 3.67L + 22.5 6.36 L
F.S. =
Asumiendo dierentes valores para la longitud de inclinación se obtienen dierentes resultados en el FS.
Longitud de Inclinación
FS
4,0
1,46
6,0
1,17
8,0
1,02
10,0
0,93
20,0
0,75
30,0
0,69
Por lo tanto, la longitud de inclinación máxima deberá ser de 8.00m con el in de obtener un actor de seguridad adecuado.
15.3.3 Diseño de la Longitud y Zanja de Anclaje Tadm =
σn LRO (tan δU + tan δL) – PA + PP β tan δL cos β − sin
dAT + σn) K A dAT PA = (0.5γAT dAT + σn) KP dAT PP = (0.5γAT
Donde: γ AT
=
σn
=
3 (18 KN/m ) (0.30 m) = 5.4 KN/m 2
φ
=
o Ángulo de ricción de la arena = 30
KA
=
KP
3 18 KN/m
=
2 tan (45 - φ /2) = tan2 (45 - 30/2) = 1
δU
=
δL
=
β
=
Tadm
=
2
(45 tan+ φ /2) = tan2 (45 + φ /2) = 3
30o porque en este caso la geomembrana es texturizada en conjunto con la arena 32º por ser un geotextil no tejido punzonado por agujas y una geomembra texturizada
45º σadm t = 15,000 ( 0.0015)
340
MANUAL DE DISEÑO
Reemplazando en la ecuación tenemos: Tadm =
22.5 =
(5.4) (L RO ) (tan 30 + tan 32) – ((0.5)(18)d AT + 5.4)(1)dAT) + ((0.5)(18)d + 5.4)(3)dAT) AT (cos 45) − (sin 45) (tan 32) 6.49 (LRO ) - 9 d AT 2 – 5.4 d AT + 27 dAT 2 + 16.2 dAT 0.2653
5.97 = 6.49 ) +(L18 d AT 2 + 10.8 dAT RO Entonces nos queda inalmente una ecuación con dos incognitas, las cuales son: LRO = Longitud de desarrollo dAT = Proundidad de la zanja de anclaje Se asume uno de las dos incógnitas y se encuentra la otra. L RO = 0.3m y se reemplaza en la ecuación quedando una cuadrática de la siguiente orma: 18 dAT 2 + 10.8 dAT - 4.023 Resolviendo para dAT = 0.26 = 0.3m
15.3.4 Chequeo por supervivencia Se revisa la Tabla 15.2 y se observa que para el caso de manejo de basuras se requiere tener en cuenta la condición mas critica, la cual exige como mínimo una geomembrana de 1.0mm, motivo por el cual nuestra geomembrana de 1.5mm cumple con el criterio de super vivencia.
BIBLIOGRAFÍA • KOERNER R.M., Designing with Geosynthetics, 5 ED., U.S.A., 2005. • 1er Simposio Suramericano de Geosintético; Geosintéticos 1999.
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