LIBRO. Manual de Diseño

MANUAL DE DISEÑO Séptima Edición

APENDICE A PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS A continuación se enuncian las recomendaciones generales para la instalación en las diferentes aplicaciones de los geosintéticos mencionadas en el manual de diseño; sin embargo dichas recomendaciones pueden ser modificadas de acuerdo a las condiciones particulares de cada proyecto; motivo por el cual se sugiere consultar al Departamento Técnico de Geosistemas PAVCO-AMANCO.

A-1 SEPARACIÓN, ESTABILIZACIÓN Y REFUERZO DE SUBRASANTES EN VÍAS CON GEOTEXTIL Para que los geotextiles funcionen correctamente en las estructuras de pavimento se requiere un adecuado proceso de instalación. Aunque las técnicas de instalación son simples, la mayoría de los problemas de los geotextiles colocados en las vías ocurren por procesos incorrectos de instalación. Si el geotextil es punzonado o rasgado durante la construcción, colocado con numerosas arrugas, cubierto con insuficiente material, presentará deficiencias en su funcionamiento y se producirá un deterioro prematuro de las estructuras de pavimento. A continuación se presentan algunas recomendaciones importantes para el proceso de instalación del geotextil de separación (AASHTO-M 288-05). • Los rollos de geotextil deben permanecer con sus empaques para que los protejan de la acción de los rayos UV, de la humedad, del polvo y otros materiales que pueden afectar sus propiedades durante el transporte y almacenamiento antes de ser colocados. Cada rollo debe estar marcado correctamente para su identificación y control en obra. • El sitio de instalación debe prepararse antes de extender el geotextil. La superficie de suelo de subrasante se debe limpiar (levantar la maleza, troncos, arbustos, bloques de roca y otros objetos tirados sobre la superficie), excavar o rellenar hasta la rasante de diseño. • El geotextil se deberá extender en la dirección de avance de la construcción, directamente sobre la superficie preparada, sin arrugas o dobleces. Si es necesario colocar rollos adyacentes de geotextil, éstos se deberán traslapar o unir mediante la realización de costura, de acuerdo a este procedimiento. Dependiendo del esfuerzo solicitado y el tipo de geotextil, se pueden realizar diferentes configuraciones para asegurar la correcta transferencia de la tensión. • Una de estas es el traslapo o sobreposición del geotextil el cual no podrá ser menor de treinta centímetros (30cm) y estará en función de la subrasante. (Ver Figura anexa).

343

Ap éndice A • PRO CEDI M I ENTOS CONSTRUCTIVOS Traslapo requerido (cm)

80

Tráfi co

70 60

Trá fi

Trá fi

co

livia

no

me

co

pe

dia

sa

no

do

50 40 Traslapo mínimo

30 20 10 0

0

1

2

3 4

Koerner tercera edición

5

• Otra configuración para la adecuada transferencia de los esfuerzos es la instalación del geotextil con costuras en sus uniones, las cuales se deben realizar con máquinas especialmente diseñadas para esta función. Las costuras se pueden hacer con hilo en Keylar, aramida, polietileno, poliéster o polipropileno, pero en ningún caso se pueden emplear hilo de fibra natural o un hilo que tenga una tenacidad mayor que la de la cinta o fibra del geotextil. No se permitirán costuras elaboradas con alambres. La densidad de la puntada deberá estar mínimo entre 150 y 200 puntadas por metro lineal y debe cumplir el 90% de la resistencia evaluada por el método Grab. • Tipo de puntada, la que puede ser simple (Tipo 101) o de doble hilo, también llamada de seguridad (Tipo 401). • Para la elaboración de costuras se tienen en cuenta los siguientes tipos:

Costura Simple: Se hace uniendo dos secciones de geotextil No Tejido a 5cm y Tejido a 7 cm de distancia del borde del mismo. Este es el tipo de costura más utilizado debido a su facilidad y baja manipulación del material. La ejecución de cualquier tipo de costura necesita mínimo de 2 personas, una operando la máquina y la otra ayudando a guiar la correcta posición del geotextil.

Costura en Jota: Este tipo de costura se forma uniendo dos secciones paralelas de geotextil, que se toman de los extremos y se doblan en la misma dirección, creando un espesor de 4 pliegues; luego se cose con una o más filas de puntadas, evitando que las cintas del borde sean utilizadas como superficie de costura.

Costura en Mariposa: Este tipo de textura se utiliza principalmente cuando el geotextil que se está utilizando es de bajo gramaje, la costura se hace colocando dos secciones paralelas de geotextil, se toma de los extremos y se dobla hacia fuera, de 5 a 7cm para crear un espesor de 4 pliegues, después son cosidos con una o más filas de puntadas; esta costura permite dar mayor resistencia a la tensión, debido a que los esfuerzos son absorbidos por la costura. La instalación del geotextil es tan buena como lo sea la costura. • Una vez desenrrollado el geotextil sobre la superficie de la subrasante se debe cubrir lo más pronto posible con el material especificado en el diseño, evitando la degradación del geotextil por los rayos UV. No se debe permitir que el geotextil quede expuesto sin cubrir por un lapso mayor a 3 días.

344

M ANUAL DE DISEÑO

• Se debe evitar el contacto directo de maquinaria sobre el geotextil, se recomienda tener un espesor mínimo de 15cm de material entre las llantas de los equipos y la superficie del geotextil. Luego de colocar el material granular, éste se extiende y se compacta según las especificaciones del diseño. Si se identifican zonas de suelos muy blandos o áreas muy inestables durante la preparación de la subrasante o después de la colocación del geotextil, éstas se deben rellenar con material seleccionado compactándolo hasta el nivel adecuado. • Si por cualquier motivo debe transitar maquinaria directamente sobre el geotextil; este equipo o maquinaria debe ser de llantas y por ningún motivo puede ser de orugas. El tránsito debe realizarse a velocidades muy pequeñas para no causar deterioros sobre la superficie del geotextil. • Cuando se presenta zonas con grandes deformaciones durante el proceso de compactación el geotextil absorbe los esfuerzos a tensión y comienza a reforzar estas zonas de grandes deformaciones. Se debe verificar si en estos casos se hace necesario la colocación de un geotextil por refuerzo y no por separación. • El material de cobertura del geotextil se descargara en un lugar previamente escogido en el proyecto, el espesor de la primera capa al ser compactado debe ser mínimo de 15cm. Este material se compactará con el equipo adecuado, para lograr el grado de compactación exigido, antes de continuar con la colocación de las siguientes capas de dicho material. El relleno se llevara a cabo hasta la altura indicada según las especificaciones del diseño.

A-2 REFUERZO EN VÍAS Y CIMENTACIONES CON GEOMALLAS BIAXIALES COEXTRUÍDAS • Las geomallas bi-orientadas TENAX pueden ser tendidas directamente en la subrasante o material de fundación. Dicha capa debe ser preparada de acuerdo con la especificación para cada lugar en particular, removiendo todo el material que se encuentre en el proyecto como pueden ser piedras grandes, raíces, escombro, etc. Los troncos de árboles deberán ser cortados al nivel de piso los huecos localizados y depresiones deberán ser rellenados.

• El borde inicial de la geomalla deberá ser asegurado a la subrasante con anclas (varillas en forma de U) para asegurar que la geomalla se mantendrá en contacto directo con la formación (especialmente mientras se desenrollan los rollos de geomalla).

345

Ap éndice A • PRO CEDI M I ENTOS CONSTRUCTIVOS

• Los rollos de las geomallas adyacente deberán ser traslapados en la dirección de colocación del relleno. El traslapo mínimo recomendado es de 15 cm. • Traslapos más amplios podrían ser requeridos por el proyecto, dependiendo del tipo y el espesor del material granular. Los traslapos deberán mantenerse mientras el material granular es colocado y compactado por encima de la geomalla. Para cumplir con este requerimiento, pequeñas cantidades de suelo deberán ser colocadas por encima de los traslapos, antes de realizar la operación de relleno. Alternativamente, las uniones entre rollos adyacentes podrán ser realizadas mediante el uso de juntas, usando abrazaderas plásticas a través de aberturas coincidentes, alrededor de costillas coincidentes. • A medida que se extiende la geomalla se tensiona y se puede anclar con varillas de φ= 3/8” o menos en forma de “U” con una longitud aprox. de 10 x 15 cm. • El material granular no deberá ser vertido directamente de los caminos de volteo sobre la geomalla y el transporte de construcción no deberán circular por encima de la geomalla. La primera capa de material de relleno deberá ser aplicada con colocación por encima de la misma y después extendida en un espesor uniforme.

• El material granular deberá ser extendido desde los montículos apilados de material, usando palas o excavadoras de mano abierta, la cual permita que el relleno caiga por encima de la geomalla enfrente del equipo usado, evitando cualquier daño mecánico en la geomalla. La compactación inicial deberá ser hecha por medio del paso hacia delante y hacia atrás, por encima del agregado mientras se coloca la siguiente capa de agregado. El espesor de la capa del material granular no deberá ser menor a 15 cm pero podrá ser incrementado de acuerdo con las indicaciones del ingeniero.

• La compactación final debe ser realizada hasta la densidad requerida por medio de un rodillo vibrador. El medio de compactación (estático o dinámico) se adecuara al tipo de subsanaste y al material de relleno. Cualquier grieta que se forme durante el extendido o compactación deberá ser rellena con agregado adicional para alcanzar el espesor de diseño. El tipo de agregado deberá ser especificado por el ingeniero.

346

M ANUAL DE DISEÑO

• La geomalla Biaxial TENAX se debe colocar en toda el área del proyecto en estudio para garantizar el refuerzo de la estructura del pavimento y/o cimentación a lo largo de los tramos.

A-3 SISTEMAS DE SUBDRENAJE PARA VÍAS • La construcción del subdrén se realizará cuando la excavación haya sido terminada, de acuerdo con las dimensiones, las pendientes, las cotas y las rasantes indicadas en los planos del proyecto. • El geotextil se deberá colocar cubriendo totalmente la parte inferior y las paredes laterales de la excavación, evitando las arrugas del geotextil, acomodándolo para asegurar un buen contacto con la excavación y dejando por encima la cantidad de geotextil suficiente para que, una vez se acomode el material drenante, se cubra en su totalidad con un traslapo de 0.30 m como mínimo o mediante la realización de costura industrial. En caso de que el ancho de la excavación sea menor a 0.30 m el traslapo mínimo deberá ser igual al ancho de la excavación. Los tramos sucesivos del geotextil se traslaparán 0.45 m como mínimo y se deberá traslapar o coser el geotextil aguas arriba sobre el geotextil aguas abajo. • El fondo y las paredes de las zanjas deberán estar exentas de lodo y partículas finas suspendidas en el agua. En presencia de agua se debe completar la excavación de la zanja y bombear o eliminar el agua de la superficie de la zanja, una vez realizado este procedimiento se extiende el geotextil. Otra solución para la instalación del geotextil en presencia de agua es utilizar una camada drenante con arena gruesa o grava cuya función principal es garantizar un proceso de instalación en seco del geotextil. • El geotextil se debe extender sobre la superficie de la zanja de manera que se eviten esfuerzos y tensiones elevadas cuando se inicie el relleno de la zanja con el material drenante asegurando de esta forma la supervivencia y durabilidad del material filtrante. Si la zanja es demasiado profunda, el geotextil debe ser fijado con estacas a las paredes de la zanja. • El geotextil deberá cubrir totalmente el perímetro del subdrén o filtro, acomodándolo correctamente a la base de la trinchera y la parte inferior de las paredes laterales asegurando un contacto íntimo entre el geotextil y el material adyacente, dejando por encima una cantidad de tela necesaria para que una vez acomodada el material filtrante, se cubra la totalidad del subdrén, con un traslapo de 30 cm. • Se debe tener en cuenta a la hora de realizar los traslapos en el sentido longitudinal el sentido del flujo del agua. • Se recomienda que el geotextil no quede expuesto, si esto sucede se debe cubrir, por un lapso mayor a (3) días. • El material drenante podrá provenir de la trituración de piedra o roca, o ser una mezcla de ambos y estará constituido por fragmentos duros y resistentes a la acción de los agentes de intemperismo. Deberá estar constituido

347


por partículas con tamaños comprendidos entre el tamiz (3”) y el tamiz (1/2”). Si se van a utilizar fragmentos de un solo tamaño, las partículas deben ser de 1”. No se requiere ninguna gradación especial. Las partículas pueden ser angulares o redondeadas. El material deberá estar limpio, sin material fino, sin material orgánico y deberá ser durable. • Además deberá cumplir requisitos de resistencia a la abrasión, contenido de materia orgánica, entre otros especificados en la especificación de construcción correspondiente. • El material drenante, se colocará dentro de la zanja en capas con el espesor estipulado y empleando un método que no dé lugar a daños en el geotextil o en las paredes de la excavación. La compactación del material drenante se deberá realizar por medio de equipos mecánicos apropiados, buscando el acomodamiento de las partículas. • Para las condiciones normales de instalación, la altura máxima de caída del material no deberá exceder un metro. • Cuando se manejen grandes caudales en donde la capacidad de los subdrenajes se vea limitada, se recomienda colocar un tubo perforado de PVC dentro del subdrén, las perforaciones deben ser realizadas en fabrica. De ser necesario utilizar tuberías de drenaje, estas se ajustarán a las características, diámetros y mínima superficie de filtración establecidos en el proyecto según sea el caso y estarán de acuerdo con los diámetros comerciales del mercado, si lo requiere el proyecto. • La tubería de drenaje se instalará después de haber colocado entre 3 y 5 centímetros de material drenante en el fondo de la zanja. • Para el caso en donde los subdrenes están conectados a una caja de inspección, el geotextil debe penetrar en las paredes de forma que se evite el paso de partículas finas de suelo. Otra alternativa es la de amarrar el geotextil al tubo de entrada a la caja de inspección. • Completado el relleno del filtro con material drenante, éste se cubrirá totalmente con el geotextil haciendo los traslapos. Se recomienda cubrir el geotextil inmediatamente con un material que cumpla las características de subbase granular, colocado y compactado en capas sucesivas, hasta la altura requerida.

A-4 SISTEMAS DE SUBDRENAJE CON GEODRÉN • La construcción del subdren empleando geodrén sólo será autorizada cuando la excavación haya sido terminada, de acuerdo con las dimensiones, las pendientes, las cotas y las rasantes indicadas en los planos del proyecto o las ordenadas por el Interventor. • Antes de colocar el sistema se alistará la excavación de tal manera que se encuentre lo mejor perfilada posible, con la pendiente y profundidad indicadas en los planos de diseño, para su correcto funcionamiento. El ancho mínimo de excavación para esta aplicación esta entre 20 y 25cm, todo dependerá del equipo de zanjado con el que se cuente. Alternativamente se pueden especificar anchos mayores que permitan el uso de equipos tradicionales de excavación o mano de obra. • Si se usa zanjadora mecánica, ésta debe estar equipada con el sistema de corte adecuado al terreno. Existen equipos de corte para suelo blando, para suelo duro o rocoso y para roca o concreto. El equipo de corte para roca o concreto tiene limitaciones de profundidad, motivo por el cual el diseñador, en lo posible no debe superar la profundidad de 1m. • Las uniones del sistema deberán ensamblarse por fuera de la excavación. Para introducir la tubería por dentro del sistema es necesario colocar un extremo de la tubería al inicio de la manga y amarrarla con una pita (cordón

348

M ANUAL DE DISEÑO

de fibra natural) que viene a lo largo de la manga en su interior. En el extremo opuesto del sistema se hala la pita para introducir de esta forma la tubería perforada de drenaje. Una vez ensamblados todos los paneles, se procede a la instalación del geodrén con tubería dentro de la excavación. • Se instalará el geodrén con tubería en contrapendiente para asegurar, en tiempo de invierno, la fácil evacuación del agua a los sitios finales de disposición indicados en los planos. El geodrén se colocará en contacto directo con la superficie (pared de la excavación) de la cual se requiera evacuar mayor cantidad de caudal para mantener la estructura de pavimento sin incremento en las presiones de poros y subpresiones de flujo, en condiciones drenadas. • El geodrén se anclará al terreno natural de tal forma que no se vaya a deslizar, conservando todos los parámetros de diseño. Para su anclaje se utilizarán ganchos en forma de "U" metálicos de 10 x 15cm. Este anclaje se debe realizar en la pestaña que tiene el geodrén para no interferir en el área de captación del geodrén. • No se permitirá que el geodrén quede expuesto, sin cubrir, por un lapso mayor de mayor a tres (3) días. • Se utilizará como material de relleno, uno que cumpla con ciertas condiciones de permeabilidad, puede ser del tipo recebo, base granular o subbase granular, ya que de esto depende la velocidad de respuesta del sistema. Si este suelo presenta un índice de plasticidad mayor a 7, se reemplazará por otro material. • Cuando se quiere mejorar las condiciones hidráulicas y aumentar la vida útil de la estructura de subdrenaje se recomienda rellenar la excavación con arena gruesa o gravilla. Esto se debe tener en cuenta principalmente cuando el geodrén se instala en campos deportivos. • Para las condiciones normales de instalación, la altura máxima de caída del material no deberá exceder un (1) metro. • El relleno se llevará a cabo hasta la altura indicada en los planos o la autorizada por el interventor. • Completado el relleno del geodrén, éste se recomienda cubrir totalmente con un material que cumpla las características de subbase granular, colocado y compactado en capas sucesivas, hasta la altura requerida.

A-5 MUROS DE CONTENCIÓN REFORZADOS CON GEOSINTÉTICOS Y/O REFUERZO DE TALUDES • Preparación de Ia fundación Excavar de 30 a 60cm por debajo del nivel inicial de la primera capa del muro. Si el suelo de fundación es competente no es necesario realizar esta labor. Rellenar con material granular seleccionado, suelo-cemento o un colchón de grava que a la bes evite los ascensos de niveles freáticos, ésta determinación debe establecerse por el Ing. diseñador, basándose en el estudio de suelos y teniendo en cuenta las condiciones particulares del proyecto.

• Construcción del sistema de drenaje Como cualquier estructura de contención es importante la construcción de sistemas adecuados de drenaje y subdrenaje

Estructuras de Drenaje Las estructuras de drenaje son las obras de arte que se construyen paralelas a la construcción del muro o terraplenes, y son las que garantizan el buen manejo del agua de escorrentía superficial minimizando asi la infiltración. Estas

349


estructuras pueden ser cunetas, zanjas de coronación, disipadores, entre otras. La aplicación de este tipo de obras depende de las condiciones particulares de cada sitio.

Estructuras de Subdrenaje Las estructuras de subdrenaje son aquellas obras necesarias y vitales para el manejo de agua en todos los casos donde se construyen obras de contención de cualquier tipo. Existen dos tipos de subdrenaje, ambos de igual importancia.

Subdrenaje en el Espaldón Este subdrén es el que se construye en los espaldones del muro y del talud y es el encargado de evitar que se genere presión hidrostática, que puede afectar la estabilidad de la estructura de contención. El subdrén chimenea se debe construir con un material granular limpio de finos que esté entre ¾” y 21/2”, material que debe cubrirse con un geotextil no tejido. Normalmente el espesor del subdrén chimenea oscila entre 40 y 80 cm según la cantidad de agua que se estime en el diseño. Este subdrén chimenea deberá entregar el agua captada a un subdrén longitudinal encargado de la evacuación. Este subdrén también se puede construir con un geodren planar hasta una altura del 90% de la altura total del sistema de contención, el cual entregará el agua captada a un subdrén longitudinal que igual que el planar estará compuesto por un medio filtrante (geotextil no tejido punzonado por agujas), uno drenante (geored) y como elemento de evacuación una tubería perforada con un diámetro mínimo de 4”.

Lloraderos Se debe pensar en la instalación de lloraderos para evitar un exceso en las presiones hidrostáticas dentro de la masa de suelo reforzado. A manera de recomendación la separación horizontal entre cada lloradero puede ser de 3.0 m y la vertical de 1.0 m. Su longitud promedio deberá estar alrededor de ¾ de la base del muro (talud) Estos lloraderos pueden ser tuberías perforadas recubiertas con geotextil de 2 1/2” o geodrenes planares. Las distribución exacta de los lloraderos debe ser especificada por el ingeniero diseñador, el cual tendrá en cuenta las condiciones particulares de cada caso.

• Colocación del geosintético El rollo de geotextil (geomalla) deberá colocarse con el sentido a partir del cual se realizó el diseño, perpendicular al alineamiento horizontal del muro (talud). Debe asegurarse en el sitio de tal manera que se prevenga cualquier movimiento durante la colocación del material de relleno. Se debe garantizar como mínimo un traslapo de 30cm a lo largo de todos sus bordes. Si se prevé grandes asentamientos en la fundación que puedan originar una separación entre los rollos traslapados, se recomienda la unión mediante una costura en el caso de usar geotextiles.

• Colocación del material de relleno El material deberá colocarse directamente sobre el geosintético, compactando la primera capa de 15cm como mínimo de espesor con equipos manuales (benitines o ranas). Después de esta primera capa el proceso de compactación podrá realizarse, a juicio del ingeniero, mediante la utilización de los compactadores convencionalmente usados en vías.

350

M ANUAL DE DISEÑO

El grado de compactación deberá ser al menos del 95% de la densidad máxima obtenida en laboratorio para el ensayo de Proctor modificado. Evitar al máximo cualquier movimiento o arrugamiento del geosintético durante la colocación del material de relleno. Se recomienda que en todos los casos cuando se trabaje en los 60cm más cercanos al borde del muro se trabaje con compactadores manuales o mecánicos pequeños que puedan suministrar la energía específica necesaria de compactación.

• Construcción de las Capas Para la construcción de las capas del sistema en suelo reforzado es necesario el uso de formaletas, que pueden ser de dos tipos: removibles o fijas. Las formaletas removibles son más económicas que las formaletas fijas pero no permiten obtener una completa verticalidad de la cara del muro o del terraplén si es el caso. Instalar el rollo de geotextil (geomalla) directamente sobre el suelo de fundación o sobre el manto drenante. Para conformar la cara del muro (talud) se utiliza una formaleta sencilla, consistente en una serie de ménsulas metálicas o de madera en forma de “L”, que también pueden estar reforzadas con contrafuertes. Su cara vertical está compuesta por un tablón con una altura ligeramente superior a la capa que esté conformando.

Se debe prever que al menos 1m, de geosintético esté por fuera de la formaleta, para luego poder conformar el pliegue superior de cada una de las capas de refuerzo. Instalar el material de relleno, según el proceso mencionado en el punto anterior. Construir un Montículo de 30 a 60cm de ancho a partir de la cara del muro (talud). Este se realiza inmediatamente después de haber compactado la primera capa. Este montículo al terminar de compactarlo deberá alcanzar la altura de diseño de la capa a la cual pertenezca.

El extremo del geotextil (geomalla) que se había dejado suelto anteriormente para realizar el pliegue superior, se coloca sobre el montículo.

351


Se coloca más material de relleno para alcanzar la altura de diseño de la capa, posteriormente compactándolo.

Se retira la formaleta, procediendo primero con los tablones y posteriormente con las ménsulas. Esta misma formaleta se usa para continuar con las capas superiores.

Una vez alcanzada la altura final del muro (talud) se procede a construir su fachada.

•

Fachada

El tipo de fachada del sistema en suelo reforzado dependerá de la función arquitectonica que este vaya a cumplir. Es posible tener fachadas con: • Recubrimiento de mortero (con malla gallinero o malla vena) • Mampostería • Losas o bloques prefabricados • Piedra pegada • Vegetación • Entre otros En todos los casos se debe usar algún tipo de fachada con el objetivo de proteger el geotextil contra la degradación de los rayos U.V. y/o vandalismo. La recomendación para la instalación de cada tipo de fachada se ajustará a las necesidades de cada proyecto.

352

M ANUAL DE DISEÑO

DERECHOS RESERVADOS ®Departamento de Ingeniería - Geosintéticos ® PAVCO-AMANCO. Bogotá D.C. – Colombia Séptima Edición, Octubre de 2006

Diseño y diagramación leonardo cuéllar d i s e ñ o g r áf i co 300 275 9226

Impreso por: NORTE GRÁFICO

RECONOCIMIENTO El Departamento de Ingeniería - Geosintéticos PAVCOAMANCO, desea expresar su reconomiento al Ingeniero Daniel R. Castillo Mendigaña por su dedicación y esfuerzo en la revisión y modificación de la versión anterior del manual y elaboración de nuevos capítulos, que hicieron posible la publicación de esta nueva edición, Manual de Diseño con Geosintéticos.

Prohibida la reproducción total o parcial de este libro, por cualquier medio, sin autorización escrita del autor.

II

M ANUAL DE DISEÑO

III

M ANUAL DE DISEÑO

IV

M ANUAL DE DISEÑO

TABLA DE CONTENIDOS

PROLÓGO

1

CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN A LOS GEOSINTÉTICOS

3

1.1 INTRODUCCIÓN

3

1.2 GEOTEXTILES

3

1.3 GEOMALLAS COEXTRUÍDAS

13

1.4 GEOCOMPUESTOS DE DRENAJE

16

1.5 GEOMEMBRANAS

18

CAPÍTULO 2 NORMAS DE ENSAYO Y ESPECIFICACIONES DE CONSTRUCCIÓN

23

2.1 MÉTODO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA CARGA DE ROTURA Y LA ELONGACIÓN DE GEOTEXTILES (MÉTODO GRAB) INV E – 901

24

2.2 MÉTODO PARA LA DETERMINACIÓN DEL ÍNDICE DE RESISTENCIA AL PUNZONAMIENTO DE GEOTEXTILES, GEOMEMBRANAS Y PRODUCTOS RELACIONADOS INV E – 902

25

2.3 MÉTODO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL RASGADO TRAPEZOIDAL DE GEOTEXTILES INV E – 903

26

2.4 MÉTODO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIAAL ESTALLIDO DE GEOTEXTILES(MÉTODO DEL DIAFRAGMA HIDRÁULICO – MULLEN BURST). INV E – 904

28

2.5 MÉTODO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA PERMEABILIDAD AL AGUA DE LOS GEOTEXTILES POR MEDIO DE LA PERMITIVIDAD INV E – 905

30

2.6 MÉTODO DE ENSAYO ESTÁNDAR PARA DETERMINAR EL ESPESOR NOMINAL DE GEOTEXTILES Y GEOMEMBRANAS INV E – 906

32

2.7 MÉTODO ESTÁNDAR PARA LA DETERMINACIÓN DEL TAMAÑO DE ABERTURA APARENTE (TAA) DE UN GEOTEXTIL INV E–907 2.8 MÉTODO DE MUESTREO DE GEOSINTÉTICOS PARA ENSAYOS INV E–908

33 34

2.9 PRÁCTICA PARA ESTABLECER LA CONFORMIDAD DE ESPECIFICACIONES DE GEOSINTÉTICOS INV E–909

36

2.10 MÉTODO DE ENSAYO PARA MEDIR EL DETERIORO DE GEOTEXTILES A LA EXPOSICIÓN DE LUZ ULTRAVIOLETA Y AGUA, (APARATO DEL TIPO ARCO XENON) INV E – 910

37

2.11 MÉTODO ESTÁNDAR PARA DETERMINAR LA RETENCIÓN DE ASFALTO DE GEOTEXTILES USADOS EN REPAVIMENTACIONES ASFÁLTICAS INV E – 911

38

2.12 MÉTODO ESTÁNDAR PARA MEDIR LA MASA POR UNIDAD DE ÁREA DE 40

GEOTEXTILES INV E – 912

M ANUAL DE DISEÑO

2.13 MÉTODO DE ENSAYO ESTÁNDAR PARA DETERMINAR LA RESISTENCIA AL PUNZONAMIENTO ESTÁTICA DE GEOTEXTILES USANDO UN PISTÓN DE PRUEBA DE 50MM DE DIÁMETRO INV E – 913

40

2.14 MÉTODO DE ENSAYO ESTÁNDAR PARA DETERMINAR EL COEFICIENTE DE FRICCIÓN SUELO - GEOSINTÉTICO Y GEOSINTÉTICO - GEOSINTÉTICO POR EL MÉTODO DE CORTE DIRECTO ASTM D 5321 – 02

41

2.15 MÉTODO DE ENSAYO PARA DETERMINAR LA TASA DE FLUJO Y LA TRANSMISIVIDAD HIDRÁULICA DE UN GEOSINTÉTICO UTILIZANDO UNA CABEZA CONSTANTE ASTM D 4716 – 03

44

2.16 MEDIDA DEL POTENCIAL DE COLMATACIÓN DE UN SISTEMA SUELO – GEOTEXTIL POR LA VARIACIÓN DEL GRADIENTE HIDRÁULICO ASTMD 5101 – 90

45

ESPECIFICACIONES DE CONSTRUCCIÓN

49

ARTÍCULO 231 SEPARACIÓN DE SUELOS DE SUBRASANTEY CAPAS GRANULARES CON GEOTEXTIL

49

ARTÍCULO 232 ESTABILIZACIÓN DE SUELOS DE SUBRASANTEY CAPAS GRANULARES CON GEOTEXTIL

55

ARTÍCULO 464 PAVIMENTACIÓN Y REPAVIMENTACIÓN CON GEOTEXTILES

61

ARTÍCULO 673 SUBDRENES CON GEOTEXTIL Y MATERIAL GRANULAR

69

CAPÍTULO 3 METODOLOGÍAS DE DISEÑO

77

3.1 DISEÑO POR COSTOS Y DISPONIBILIDAD

77

3.2 DISEÑO POR EXPERIENCIA Ó MÉTODO EMPÍRICO

77

3.3 DISEÑO POR ESPECIFICACIONES

77

3.4 DISEÑO POR FUNCIÓN

79

BIBLIOGRAFÍA

85

CAPÍTULO 4 SEPARACIÓN Y ESTABILIZACIÓN DE SUBRASANTES EN VÍAS

87

4.1 GENERALIDADES

87

4.2 INTRODUCCIÓN

87

4.3 METODOLOGÍA DE DISEÑO

88

4.4 EJEMPLO DE DISEÑO

99

4.5 EJEMPLO DE RELACIÓN BENEFICIO – COSTO

104

BIBLIOGRAFÍA

108

CAPÍTULO 5 REFUERZO EN VÍAS CON GEOTEXTIL

109

5.1 GENERALIDADES

109

5.2 INTRODUCCIÓN

109

5.3 FUNCIONES DEL GEOTEXTIL

111

5.4 CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO

112


117

5.6 EJEMPLO DE DISEÑO CON RELACIÓN BENEFICIO - COSTO

120

5.7 CONCLUSIONES

127

II

M ANUAL DE DISEÑO

CAPÍTULO 6 REFUERZO EN VÍAS CON GEOMALLAS

129

BIAXIALES COEXTRUÍDAS

129

6.1 GENERALIDADES

129

6.2 INTRODUCCIÓN

129

6.3 MECANISMOS DE REFUERZO GENERADOS POR LAS GEOMALLAS

130

6.4 MÉTODO AASHTO PARA PAVIMENTOS FLEXIBLES

132

6.5 ENSAYO A ESCALA REAL DE UNA ESTRUCTURA REFORZADACON GEOMALLA BIAXIAL COEXTRUÍDA

134

6.6 MÉTODO AASHTO PARA DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES REFORZADOS CON GEOMALLAS COEXTRUÍDAS TENAX

138


139

BIBLIOGRAFÍA

142

CAPÍTULO 7 PAVIMENTACIÓN Y REPAVIMENTACIÓNCON GEOTEXTILES

143

7.1 ANTECEDENTES

143

7.2 FUNCIONES DEL GEOTEXTIL

144

7.3 TIPO Y NIVEL DE SEVERIDAD DE LAS FALLAS DEL PAVIMENTO

145

7.4 EFECTOS DEL AGRIETAMIENTO

146

7.5 ASFALTOS

147

7.6 PROCEDIMIENTO DE INSTALACIÓN

152

7.7 RELACIÓN BENEFICIO - COSTO

158

CAPÍTULO 8 SISTEMAS DE SUBDRENAJE PARA VÍAS CON GEOTEXTIL Y MATERIAL GRANULAR

163

8.1 GENERALIDADES

163

8.2 INTRODUCCIÓN

163

8.3 METODOLOGÍA DE DISEÑO DE SUBDRENES

164


175

8.5 EJEMPLO DE RELACIÓN BENEFICIO - COSTO

178

ANEXO 1 CALCULO DEL CAUDAL

183

CAPÍTULO 9 SISTEMAS DE SUBDRENAJE CON GEODRÉN

201

9.1 GENERALIDADES

201

9.2 INTRODUCCIÓN

201

9.3 METODOLOGÍA DE DISEÑO DE SISTEMAS DE DRENAJECON GEODRÉN

202

9.4 EJEMPLOS DE DISEÑO

217

9.5 EJEMPLO DE RELACIÓN BENEFICIO – COSTO

232

ANEXO 1 GEODREN Vs. SECCION DREN FRANCES

234

ANEXO 2 GUIA PARA EL CALCULODE LONGITUD DE DESCARGA

237

ANEXO 3 CURVAS DE INTENSIDAD -DURACIÓN - FRECUENCIA

249

III

M ANUAL DE DISEÑO

CAPÍTULO 10 MUROS DE CONTENCIÓN REFORZADOS CON GEOSINTÉTICOS

253

10.1 GENERALIDADES

253


254


265

10.4 EJEMPLO RELACIÓN BENEFICIO – COSTO

279

CAPÍTULO 11 REFUERZO DE TALUDES

283

11.1 GENERALIDADES

283

11.2 OBJETIVO

284

11.3 INTRODUCCIÓN

284

11.5 PROCEDIMIENTO DE DISEÑO

286


294

CAPÍTULO 12 REFUERZO DE TERRAPLENESSOBRE SUELOS BLANDOS

299

12.1 INTRODUCCIÓN

299

12.2 CONSIDERACIONES DE DISEÑO

300


301


305

CAPÍTULO 13 REFUERZO DE CIMENTACIONES CON GEOSINTÉTICOS

311

13.1 INTRODUCCIÓN

311

13.2 CONSIDERACIONES DE DISEÑO

311


313

13.4 PROCEDIMIENTO PARA EL DISEÑO DE CIMENTACIONES REFORZADAS

318


319

CAPÍTULO 14 PROTECCIÓN DE GEOMEMBRANAS

325

14.1 GENERALIDADES

325

14.2 INTRODUCCIÓN

325


326

14.4 EJEMPLOS DE DISEÑO

331 333

CAPÍTULO 15 GEOMEMBRANAS 15.1 INTRODUCCIÓN

333


334


339

APENDICE A PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS

343

A-1 SEPARACIÓN, ESTABILIZACIÓN Y REFUERZO DE SUBRASANTES EN VÍAS CON GEOTEXTIL

343

A-2 REFUERZO EN VÍAS Y CIMENTACIONES CON GEOMALLAS BIAXIALES COEXTRUÍDAS

345

IV

M ANUAL DE DISEÑO

A-3 SISTEMAS DE SUBDRENAJE PARA VÍAS

347

A-4 SISTEMAS DE SUBDRENAJE CON GEODRÉN

348

A-5 MUROS DE CONTENCIÓN REFORZADOS CON GEOSINTÉTICOS Y/O REFUERZO DE TALUDES

349

APENDICE B ESPECIFICACIONES TÉCNICAS

355

APENDICE B ESPECIFICACIONES TÉCNICAS

353

Ap éndice B • ESPECI FI CACIONES TÉCNI CAS

354

M ANUAL DE DISEÑO

355

Ap éndice B • ESPECI FI CACIONES TÉCNI CAS

356

M ANUAL DE DISEÑO

357

PRÓLOGO

El uso de los geosintéticos en América Latina ha tenido en los últimos años un gran incremento respondiendo a una necesidad que cada vez se hace más critica en los proyectos de ingeniería, la cual consiste en la ejecución de obras civiles con una alta calidad técnica, buscando un equilibrio económico y disminuyendo el impacto ambiental con productos o sistemas que promuevan la protección del medio ambiente. La tecnología de los geosintéticos se ha convertido en una alternativa para solucionar los problemas tanto técnicos como económicos de los proyectos de ingeniería y su implementación se ha hecho en la mayoría de los casos de forma empírica, retomando resultados de experiencias en proyectos anteriores. Bajo este concepto, en muchas ocasiones los geosintéticos han sido una solución exitosa pero en algunos casos la falta de conocimiento y de una metodología de diseño que permita definir los requerimientos de estos materiales de acuerdo con las condiciones particulares de cada proyecto, no ha permitido que los beneficios de esta tecnología sean aprovechados en su total magnitud. La División Geosistemas de PAVCO-AMANCO desde hace mas de veinte años, ha estudiado y analizado el comportamiento de los geosintéticos en las diferentes aplicaciones, haciendo inversiones tecnológicas y liderando trabajos de investigación que amplíen el conocimiento en el campo de los geosintéticos para ofrecer cada día productos que cumplan los mas elevados estándares de calidad a escala mundial. El departamento técnico ofrece total asesoría en el estudio y diseño para una aplicación eficaz de geosintéticos, promoviendo sus capacidades y formulando diseños preliminares que permitan definir requerimientos técnicos de acuerdo cada tipo de obra. Como resultado de este proceso, la División Geosistemas de PAVCO-AMANCO presenta a la Ingeniería Latinoamericana metodologías de diseño para separación y estabilización de vías, refuerzo en vías con geotextiles y geomallas, pavimentacion y repavimentaciòn, sistemas de subdrenaje, refuerzo en muros de contención, refuerzo de taludes, refuerzo de terraplenes sobre suelos blandos, refuerzo de cimentaciones, protección de geomembranas y geomembranas enfocados en la utilización de geosintéticos que permitan de ésta forma adquirir los conocimientos técnicos necesarios para el correcto uso de estos materiales. A manera de presentación de ésta tecnología se hace una breve introducción a los geosintéticos, su composición, clasificación y propiedades mecánicas. Se muestran algunos principios constructivos y de instalación y se mencionan algunas normativas vigentes que involucran aspectos técnicos, mecánicos, constructivos en obras principalmente de tipo vial. Posteriormente se inicia la parte de diseño con un capitulo introductorio a todas las diferentes formas que existen

Prólogo •

para realizar diseño con geosintéticos, ya que este concepto es de vital importancia para obtener un buen funcionamiento de los mismos en sus diferentes aplicaciones. Se presentan las metodologías de diseño para cada una de las aplicaciones de geosintéticos, inicialmente con separación y estabilización de vías cuyo objetivo es lograr determinar técnicamente las propiedades del geotextil que logre incrementar la vida útil de la estructura y evitar el deterioro prematuro debido a la contaminación de los materiales seleccionados. El manual de refuerzo en vías propone mejorar las condiciones estructurales de los pavimentos mediante un método de diseño racional que involucra la utilización de geotextiles mejorando las condiciones de servicio y operación al mismo tiempo que lograr aumentar la vida útil de la vía. De esta misma forma el capítulo de refuerzo con geomallas plantea mejorar el SN de la estructura bajo la metodología AASHTO-93. El manual de pavimentación y repavimentación define las funciones de impermeabilización y membrana amortiguadora de esfuerzos del geotextil y describe el proceso constructivo que permite la correcta aplicación de los geotextiles en obras de mantenimiento vial. Resaltando la importancia del drenaje en las obras de infraestructura, la guía de diseño de sistemas de subdrenaje (subdrén francés y geodrén) plantea la manera de dimensionar estos sistemas y determinar las especificaciones de los geosintéticos a usar con el fin de obtener la solución técnica y económicamente más conveniente. En la guía de diseño de muros de contención en suelo reforzado se presenta un método de diseño para el cálculo de la estabilidad interna, en donde se establecen los espesores de cada capa y las cantidades de geosintético a utilizar dependiendo de las características del suelo de relleno y de las condiciones particulares del sitio del proyecto. La guía de refuerzo de taludes en terraplenes busca establecer los espesores de capa y longitudes de geotextil necesarios para garantizar la estabilidad interna de taludes en terraplenes. En el capítulo de terraplenes sobre suelos blandos se muestra como el geotextil puede contribuir con su característica de resistencia a la tensión a la estabilidad de suelos con baja capacidad portante que se utilizan como fundación para terraplenes o cualquier otra estructura. La metodología de refuerzo de cimentaciones con geosintéticos permite incrementar las capacidades de los suelos para trabajar con menores anchos de cimientos, contribuyendo también a que los asentamientos que se pueden generar por las estructuras sean homogéneos en toda la extensión de cualquier proyecto. Debido a que las geomembranas, uno de los geosintéticos que se considera como impermeable, es poco resistente al punzonamiento, el capítulo de protección de gomembranas esta enfocado a diseñar el geotextil no tejido punzonado por agujas que sea más adecuado para proteger la geomembrana. Es importante diseñar la geomembrana más adecuada para los sistemas de impermeabilización, teniendo en cuenta todos los datos del proyecto donde será instalada y por eso se elaboró él capitulo de geomembranas. En el mundo existen diversos métodos de diseño para cada una de las aplicaciones mencionadas anteriormente, sin embargo después de un estudio profundo de cada una de ellas, las que aquí se presentan son las que consideramos más se ajustan a las condiciones geomorfológicas y a los suelos tropicales de nuestros países donde además en la historia de los materiales de construcción no se contaba con un material que haya mostrado un desarrollo tecnológico tan avanzado y un volumen de utilización tan grande como los geosintéticos. Día a día surgen mayores aplicaciones, demostrando los beneficios técnicos y económicos por su utilización. Sin lugar a duda, este libro será una buena herramienta de trabajo que permita un mejor entendimiento y una optimización en el diseño con geosintéticos.

CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN A LOS GEOSINTÉTICOS

1.1 INTRODUCCIÓN Geosintético es un producto en el que, por lo menos, uno de sus componentes es a base de polímero sintético o natural, y se presenta en forma de filtro, manto, lámina o estructura tridimensional, usada en contacto con el suelo o con otros materiales dentro del campo de la geotecnia o de la ingeniería civil. Existen varios campos de aplicación de los geosintéticos en el mundo de la construcción y la edificación como son: obras viales, obras hidráulicas, sistemas de control de erosión, aplicaciones medioambientales, entre otras. La fabricación de los geosintéticos comprende procedimientos principalmente de extrusión, tecnología textil y/o ambas tecnologías: textil y plástica. Los geosintéticos se derivan de fibras artificiales, compuestos básicamente de polímetros como polipropileno, poliéster, poliamida y polietileno, siendo los 2 primeros los de mayor utilización en la actualidad. Los tipos de geosintéticos más comunes utilizados en el campo de la ingeniería son los geotextiles, las geomallas, las geomembranas, las georedes y otros geocompuestos derivados de la unión de las características y cualidades de cada uno de los anteriores.

1.2 GEOTEXTILES Dentro del grupo de los geosintéticos tenemos los geotextiles que se definen como “un material textil plano, permeable polimérico (sintético o natural) que puede ser No Tejido, Tejido o tricotado y que se utiliza en contacto con el suelo (tierra, piedras, etc.) u otros materiales en ingeniería civil para aplicaciones geotécnicas”.

Capítulo 1 • INTRODUCCIÓN A LOS GEOSINTÉTICOS

1.2.1 Clasificación 1.2.1.1 Clasificación según su método de fabricación a. Geotextiles Tejidos Son aquellos formados por cintas entrecruzadas en una máquina de tejer. Pueden ser Tejidos de calada o tricotados. Los Tejidos de calada son los formados por cintas de urdimbre (sentido longitudinal) y de trama (sentido transversal). Su resistencia a la tracción es de tipo biaxial (en los dos sentidos de su fabricación) y puede ser muy elevada (según las características de las cintas empleadas). Su estructura es plana. Los tricotados están fabricados con hilo entrecruzado en máquinas de tejido de punto. Su resistencia a la tracción puede ser multiaxial o biaxial según estén fabricados en máquinas tricotosas y circulares, o Ketten y Raschel. Su estructura es tridimensional.

b. Geotextiles No Tejidos Están formados por fibras o filamentos superpuestos en forma laminar, consolidándose esta estructura por distintos sistemas según cual sea el sistema empleado para unir los filamentos o fibras. Los geotextiles No Tejidos se clasifican a su vez en: • Geotextiles No Tejidos ligados mecánicamente o punzonados por agujas • Geotextiles No Tejidos ligados térmicamente o termosoldados • Geotextiles No Tejidos ligados químicamente o resinados

1.2.1.2 Clasificación de los geotextiles según su composición Las fibras que más se emplean son las sintéticas, siendo por ello que siempre tendemos a asociar al geotextil con fibras o filamentos sintéticos. Sin embargo al existir gran diversidad de aplicaciones, también se fabrican con fibras naturales y artificiales.

a. Fibras naturales Pueden ser de origen animal (lana, seda, pelos...) vegetal (algodón, yute, coco, lino...) que se utilizan para la fabricación de geotextiles biodegradables utilizados en la revegetación de taludes, por ejemplo, en márgenes de ríos etc.

b. Fibras artificiales Son las derivadas de la celulosa. Son el rayón, la viscosa y el acetato.

c. Fibras sintéticas Cuando al geotextil se le exige durabilidad, se fabrica con fibras o filamentos obtenidos de polímeros sintéticos. Los geotextiles fabricados con estos polímeros son de gran durabilidad y resistentes a los ataques de microorganismos y bacterias. Los más empleados son el polipropileno, poliéster, polietileno, poliamida y poliacrílico.

1.2.2 Procesos de fabricación El papel de los fabricantes en el conocimiento y crecimiento del mercado de los geotextiles ha sido grande y positivo. Se han desarrollado muchos tipos de fibras y estilos de tejidos, tanto para uso general como para aplicaciones específicas.

M ANUAL DE DISEÑO

Hay tres factores que son importantes para los fabricantes: clase de polímero, tipo de filamentos y el tipo de proceso productivo.

a. Clase de polímero El polímero usado en la fabricación de un geotextil puede ser de los siguientes tipos de resina, listados en orden de uso decreciente, según Robert M. Koerner en su libro “Designing With Geosynthetics” Quinta Edición. Polipropileno

92%

Poliéster

5%

Polietileno

2%

Poliamida (nylon)

1%

b. Tipo de filamentos El polímero seleccionado se transforma en un fundido por calor y presión, luego se obliga a pasar a través de un molde. Del molde salen fibras o una cinta plana en estado semilíquido e inmediatamente se produce un enfriamiento por aire o agua transformando el producto del molde en un elemento sólido pero elongable, simultáneamente el material sufre un estirado el cual reduce sus dimensiones en cuanto a ancho o espesor y ocasiona un ordenamiento de las moléculas. De esta forma se incrementa la resistencia de los filamentos en sentido longitudinal, su elongación a la ruptura disminuye y su módulo se incrementa. Modificando estas variables se pueden alcanzar una gran variedad de posibilidades de la característica Esfuerzo vs. Deformación. (Esos monofilamentos cuando están en forma de fibras se pueden trenzar juntos para formar una hebra multifilamento). El calibre de la fibra o de la cinta se define por su denier. El denier es el peso en gramos de 9000m de filamentos. Las fibras pueden producirse cortadas o en filamento continuo, ambos tipos de fibra salen como un mazo de hebras del molde, en el caso de las cortadas en un paso posterior se cortan en longitudes entre 25 a 100mm para luego ser procesadas en equipos de mezclado, cardado y punzonado, en el caso del filamento continuo simplemente se extienden y se alimentan inmediatamente al siguiente proceso que es el punzonado. También con esas fibras se pueden producir unos hilos entrelazados o entrelazar filamentos continuos obteniendo otras propiedades que luego serán tejidos. El último tipo de filamentos a mencionarse son las llamadas películas ó cintas “ranuradas” en el molde, las cuales se fabrican de una lámina continua de polímero que se corta en cintas mediante cuchillas y luego se enconan en carretes que seguirán los procesos de urdido y tejeduría.

Hilado Corto Fibra Corta Cinta Plana, Multifilamento Monofilamento

Monofilamento

Cinta Planta, Multifilamento

Figura 1.1 Tipos de fibras utilizadas en la construcción de geotextiles


En resumen, los principales filamentos usados en la construcción de geotextiles son monofilamentos cortados (fibra cortada), multifilamento (filamento continuo), hilos de fibras (fibra cortada), hilos de filamento continuo entrelazados, hilos de multifilamentos entrelazados y cinta plana ranurada. (Ver Figura 1.1).

a. Monofilamento Tejido

b. Monofilamento Tejido calandrado

c. Multifilamento Tejido

d. Tejido Plano

e. No Tejido punzonado por agujas

f. No Tejido unido por calor

Figura 1.2 Vista microscópica de algunos tipos de geotextiles Tejidos y No Tejidos

M ANUAL DE DISEÑO

c. Tipo de proceso productivo Una vez se han fabricado los filamentos, estos se convierten en telas No Tejidas o Tejidas dependiendo del proceso posterior.

Geotextiles Tejidos Para los geotextiles Tejidos se trabajan cintas o hilos en un telar, la clase particular del tejido se determina por la secuencia en la cual los filamentos de la urdimbre y de la trama son entrecruzados (tejidos) en el telar. Un tejido se compone de dos cintas, la urdimbre que va en sentido longitudinal (la dirección en que se fabrica el tejido, la “larga“) y la trama que va en sentido transversal (la dirección “corta“), la urdimbre ingresa al telar por su parte posterior a través de unos elementos separadores y organizadores llamados laminillas y cruzan los lizos, los peines e ingresan a la mesa del telar en donde se entretejen con las tramas, las cuales son aportadas desde un lado del telar, las urdimbres se cruzan en dos grupos unas suben y otras bajan dejando un espacio por donde pasa la trama (el “relleno“) transportada por un elemento llamado proyectil, luego las urdimbres vuelven y se cruzan “aprisionando” la trama y se repite el ciclo formado el tejido. El orillo (borde de la tela donde la trama regresa un pequeño tramo) garantiza que el tejido conserve su estructura planeada. Dentro de los geotextiles Tejidos se pueden especificar diferentes modalidades:

• Geotextil Tejido plano: Fabricado mediante el tejido de cintas por un procedimiento textil de una película cortada polimérica extruída. Es el tejido más simple y común, conocido también como “uno arriba y uno abajo”.

• Geotextil Tejido canasta: Este tejido usa dos o más urdimbres y/o tramas de relleno como si fuera una sola cinta. Por ejemplo, un tejido canasta pueden ser dos por dos urdimbres y tramas o dos tramas y un urdimbre, actuando como unidades individuales.

Geotextiles No Tejidos La fabricación de telas no tejidas es muy diferente de las telas tejidas. Cada sistema de fabricación No Tejido generalmente incluye cuatro pasos básicos: preparación de la fibra, formación del velo, consolidación del velo y tratamiento posterior. Los geotextiles No Tejidos pueden ser de fibra cortada ó filamento continuo, los de fibra cortada se obtienen a partir de fibras de longitud comprendida entre 50 y 150 mm y los de filamento continuo se obtienen por extruído directo de un polímero y formación de la napa o velo. Existen básicamente tres clases de procesos de fabricación:

• Geotextiles No Tejidos punzonados por agujas: Se forman a partir de un entrelazado de fibras o filamentos mezclados aleatoriamente, conformando lo que se denomina como velo o napa, el cual se consolida al pasar por un tablero de agujas en la máquina punzonadora, dichas agujas se mueven en sentido alternativo, subiendo y bajando a altas velocidades penetrando en la napa y


entrelazando las fibras, esto se obtiene por que el perfil de las agujas no es regular, si no que están provistas de unas espigas o salientes en dirección a su sentido de penetración, lo cual hace penetrar a las fibras sin Ilevárselas en su movimiento de retroceso. La frecuencia de golpes o penetraciones de las agujas va consolidando el geotextil No Tejido. Los geotextiles fabricados por este proceso tienen buenas características mecánicas manteniendo en parte el espesor de la napa el cual les confiere mayor estructura tridimensional, gran elongación (pueden estirarse desde un 40% hasta un 120% o más, antes de entrar en carga de rotura) lo que les proporciona muy buena adaptabilidad a las desuniformidades de los terrenos, unas excelentes propiedades para protección, (suele denominarse efecto colchón) y muy buenas funciones de filtración y separación.

• Geotextiles No Tejidos termosoldados: Se forman a partir de una napa o velo en la que la unión de fibras y consolidación del geotextil se logra por fusión de las fibras y soldadura en los puntos de intersección mediante un calandrado a temperatura elevada. Su espesor y su elongación son sensiblemente inferiores a la de los agujados, por lo cual su transmisividad y permeabilidad son menores, tienen buenas propiedades mecánicas y poca flexibilidad (son algo rígidos).

• Geotextiles No Tejidos ligados químicamente: La unión entre sus filamentos se consigue incorporando ligantes químicos o resinas. Este sistema no se utiliza para la fabricación de geotextiles de protección y separación, puesto que en su composición (de los de protección) deben de evitarse elementos químicos distintos a los polímeros que pudiesen alterar sus propiedades y provoquen incompatibilidades químicas con otros materiales con los que pudiese estar en contacto. Su empleo esta muy poco extendido debido a su elevado costo.

1.2.3 Funciones y campos de aplicación El uso de los geotextiles Tejidos y No Tejidos en los diferentes campos de aplicación pueden definirse mediante las funciones que va a desempeñar. En la mayoría de las aplicaciones el geotextil puede cumplir simultáneamente varias funciones, aunque siempre existirá una principal que determine la elección del tipo de geotextil que se debe utilizar. A continuación se describen las distintas funciones y aplicaciones que pueden desempeñar los geotextiles, así como las exigencias mecánicas e hidráulicas necesarias para su desarrollo.

1.2.3.1 Función de separación Esta función, desempeñada por los geotextiles consiste en la separación de dos capas de suelo de diferentes propiedades geomecánicas (granulometría, densidad, capacidad, etc.) evitando permanentemente la mezcla de material. A continuación se referencian las aplicaciones de Robert M. Koerner en su libro “Designing With Geosynthetics”Quinta Edición. • Entre la subrasante y la base de piedra en caminos y pistas de aterrizaje no pavimentados. • Entre la subrasante y la base de piedra en caminos y pistas de aterrizaje pavimentados. • Entre la subrasante y el balasto en vías férreas • Entre rellenos y capas de base de piedra. • Entre geomembranas y capas de drenaje de piedra

M ANUAL DE DISEÑO

• Entre la cimentación y terraplenes de suelos como sobrecargas • Entre la cimentación y terraplenes de suelos para rellenos de caminos • Entre la cimentación y terraplenes de suelos para presas de tierra y roca • Entre la cimentación y capas de suelo encapsuladas • Entre los suelos de cimentación y muros de retención rígidos • Entre los suelos de cimentación y muros de retención flexibles • Entre los suelos de cimentación y pilas de almacenamiento • Entre taludes y bermas de estabilidad aguas abajo • Debajo de áreas de sardineles • Debajo de áreas de estacionamiento • Debajo de campos deportivos y de atletismo • Debajo de bloques prefabricados y paneles para pavimentos estéticos • Entre capas de drenaje en masas de filtro pobremente gradado • Entre diversas zonas de presas en tierra • Entre capas antiguas y nuevas de asfalto

1.2.3.2 Función refuerzo En esta función se aprovecha el comportamiento a tracción del geotextil para trabajar como complemento de las propiedades mecánicas del suelo, con el fin de controlar los esfuerzos transmitidos tanto en la fase de construcción como en la de servicio de las estructuras. El geotextil actúa como un elemento estructural y de confinamiento de los granos del suelo, permitiendo difundir y repartir las tensiones locales. Estas acciones aumentan la capacidad portante y la estabilidad de la construcción. A continuación se referencian las aplicaciones de Robert M. Koerner en su libro “Designing With Geosynthetics”Quinta Edición.

Refuerzo de suelos débiles y otros materiales • Sobre suelos blandos para caminos no pavimentados • Sobre suelos blandos para campos de aterrizaje • Sobre suelos blandos para vías férreas • Sobre suelos blandos para rellenos • Sobre suelos blandos para en campos deportivos y de atletismo • Sobre suelos heterogéneos • Sobre rellenos inestables como sistemas de cerramiento • Para confinamiento lateral de balasto en vías férreas • Para envolver suelos en sistemas de telas encapsuladas

Capítulo 1 • INTRODUCCIÓN A LOS GEOSINTÉTICOS • Para construir muros en tela reforzada • Para reforzar terraplenes • Para ayudar en la construcción de taludes pronunciados • Para reforzar presas de tierra y roca • Para estabilización temporal de taludes • Para detener o disminuir la reptación en taludes de suelo • Para reforzar pavimentos flexibles con juntas • Como refuerzo basal en áreas cársticas • Como refuerzo basal entre cabezotes de pilotes de cimentación • Para hacer un efecto de “puente” entre rocas agrietadas y diaclasas • Para mantener colchones de filtro de piedra gradada • Como subestrato de bloques articulados de concreto • Para estabilizar patios de almacenamiento no pavimentados y áreas de descanso • Para anclar paneles frontales en muros de tierra reforzada • Para anclar bloques de concreto en muros de retención pequeños • Para prevenir el punzonamiento de geomembranas por suelos • Para prevenir el punzonamiento de geomembranas por materiales de relleno o base de piedra • Para crear taludes laterales más estables debido a la alta resistencia friccionante • Para retener suelos blandos en la construcción de presas de tierra • Como membranas en suelos encapsulados • Para la compactación y consolidación in-situ de suelos marginales • Para hacer un efecto de “puente” sobre rellenos irregulares durante el cerramiento del sitio • Para ayudar en la capacidad portante de cimentaciones superficiales

1.2.3.3 Función de drenaje Consiste en la captación y conducción de fluidos y gases en el plano del geotextil. La efectividad del drenaje de un suelo dependerá de la capacidad de drenaje del geotextil empleado y del gradiente de presiones a lo largo del camino de evacuación del fluido. Para realizar el drenaje satisfactoriamente el espesor debe ser suficiente al aumentar la tensión normal al plano de conducción. Adicionalmente el geotextil debe impedir el lavado ó transporte de partículas finas, las cuales al depositarse en él, reducen su permeabilidad horizontal. Además debe garantizar el transporte de agua en su plano sin ocasionar grandes pérdidas de presión. A continuación se referencian las aplicaciones de Robert M. Koerner en su libro “Designing With Geosynthetics”Quinta Edición. • Como un dren chimenea en una presa de tierra • Como una galería de drenaje en una presa de tierra 10

M ANUAL DE DISEÑO

• Como un interceptor de drenaje para flujo horizontal • Como una cubierta de drenaje debajo de un relleno de sobrecarga • Como un dren detrás de un muro de retención • Como un dren detrás del balasto de vías férreas • Como un dren de agua debajo de geomembranas • Como un dren de gas debajo de geomembranas • Como un dren debajo de campos deportivos • Como un dren para jardines de techo • Como un disipador de presión de poros en rellenos de tierra • En reemplazo de drenes de arena • Como una barrera capilar en áreas sensibles al congelamiento • Como una barrera capilar para la migración de sales en áreas áridas • Para disipar el agua de filtración de las superficies de suelo ó roca expuestas

1.2.3.4 Función filtro Esta función impide el paso a través del geotextil de determinadas partículas del terreno (según sea el tamaño de dichas partículas y el del poro del geotextil) sin impedir el paso de fluidos o gases. En la práctica se utiliza el geotextil como filtro en muchos sistemas de drenaje. En los embalses con sistema de drenaje en la base, a fin de localizar posibles fugas, se utiliza como filtro en los tubos de drenaje a fin de evitar el taponamiento de los orificios de drenaje de dichos tubos. A continuación se referencian las aplicaciones de Robert M. Koerner en su libro “Designing With Geosynthetics”Quinta Edición. • En lugar de filtro de suelo granular • Debajo de base de piedras para caminos y pistas de aterrizaje no pavimentados • Debajo de base de piedra para caminos y pistas de aterrizaje pavimentados • Debajo de balasto en vías férreas • Alrededor de piedra picada que rodea los subdrenes • Alrededor de piedra picada sin subdrenes (Drenes franceses) • Alrededor de piedra y tubería perforada en pisos de adoquines • Debajo de rellenos sanitarios para los lixiviados • Para filtrar rellenos hidráulicos • Como protección contra los sedimentos • Como cortina a los sedimentos • Como barrera contra la nieve • Como un encofrado flexible para contener arena, inyección o concreto en sistemas de control de erosión

11


• Como un encofrado flexible para reconstruir pilotes deteriorados • Como un encofrado flexible para restaurar la integrad en la minería subterránea • Como un encofrado flexible para restaurar la capacidad portante de pilares socavados de puentes • Para proteger el material de drenaje en chimeneas • Para proteger el material de drenaje en galerías • Entre el suelo de relleno y vacíos en muros de retención • Entre el suelo de relleno y muros de gaviones • Alrededor de núcleos moldeados en geodrenes • Alrededor de núcleos moldeados en drenes de zanja • Contra georedes para prevenir la intrusión del suelo

1.2.3.5 Función protección Previene o limita un posible deterioro en un sistema geotécnico. En los embalses impermeabilizados este sistema geotécnico se denomina pantalla impermeabilizante y está formado por el geotextil y la geomembrana. El geotextil protege a la geomembrana de posibles perforaciones o roturas, al formar una barrera antipunzonante bajo la acción de la presión de la columna de agua durante la explotación del embalse, del paso de personal y maquinaria durante la construcción, mantenimiento, posibles reparaciones, etc. También evita las perforaciones que podría ocasionar el crecimiento de plantas debajo de la pantalla impermeabilizante. De igual forma, protege a la Geomembrana del rozamiento con el soporte que se produce durante las sucesivas dilataciones y contracciones que experimenta por efecto de las variaciones térmicas. La lámina impermeabilizante se adapta a las irregularidades del terreno. Las irregularidades pronunciadas implican una tensión en la lámina la cual a su vez causa una pérdida de espesor en la misma dando origen a puntos débiles en los que se podrían producir posibles perforaciones o roturas causadas por objetos punzantes del terreno. La interposición del geotextil evitará la pérdida de estanqueidad que se produciría por todas estas causas.

1.2.3.6 Función de impermeabilización Esta función se consigue desarrollar mediante la impregnación del geotextil con asfalto u otro material impermeabilizante sintético. El geotextil debe tener la resistencia y rigidez necesaria para la colocación del mismo, así como la capacidad de deformación suficiente para compensar las tensiones térmicas.

1.2.4 Uso de geotextiles en Norteamérica por aplicación La Tabla 1.1 registra el crecimiento que ha tenido la utilización de geotextiles en Norteamérica hasta el año 2.000. Actualmente se estima que el mercado de los geotextiles al año se debe acercar a los 500 millones de metros cuadrados; similar a las cifras que se deben manejar en Europa. En el resto del mundo se calcula que se tiene un consumo aproximado del 50% del mercado de Norteamérica.

12

M ANUAL DE DISEÑO

Tabla 1.1 Utilización de los geotextiles en Norte América por área de aplicación Aplicaciones

1987

1990

1992

1995

2000

Separación / Estabilización

65

85

87

115

130

Refuerzo

12

16

18

25

35

Filtración / Drenaje

31

35

37

55

62

Protección de geomembranas

14

30

58

85

90

Control de erosión

12

15

16

20

35

Cortina para sedimentos

12

15

17

23

30

Cubiertas asfálticas

75

88

88

77

60

Mercado total*

221

284

321

400

442

*En millones de metros cuadrados Fuente: Design with Geosynthetics, quinta edición

1.3 GEOMALLAS COEXTRUÍDAS Existen diversos métodos para aumentar la capacidad de carga de suelos blandos. Uno de estos, antiguo y todavía efectivo, consiste en reforzar el suelo mediante confinamiento lateral de las partículas de material y aumentar su resistencia a la tensión. Tradicionalmente estos efectos se obtenían usando ramas trenzadas o colocando troncos de forma perpendicular. La tecnología actual, permite el uso de productos sintéticos diseñados específicamente para obtener el mismo efecto de confinamiento lateral y resistencia a la tensión, como pueden ser las geomallas bi-orientadas coextruídas. Las geomallas coextruídas son estructuras bidimensionales elaboradas a base de polímeros, que están conformadas por una red regular de costillas conectadas de forma integrada por extrusión, con aberturas de suficiente tamaño para permitir la trabazón del suelo, piedra u otro material geotécnico circundante. La principal función de las geomallas coextruídas es indiscutiblemente el refuerzo; el uso del tipo de geomalla esta ligado a la dirección en que los esfuerzos se transmiten en la estructura, por ejemplo, en aplicaciones tales como muros en suelo reforzado o en terraplenes, se utilizan las geomallas mono-orientadas que son geomallas con una resistencia y rigidez mayor en el sentido longitudinal que en el transversal. Mientras, que en estructuras en que la disipación de los esfuerzos se realiza de forma aleatoria y en todas las direcciones, como por ejemplo estructuras de pavimento o cimentaciones superficiales, se utilizan geomallas bi-orientadas o bi-direccionales las cuales no tienen una diferencia considerable frente a sus propiedades en los dos sentidos de la grilla. Las geomallas coextruídas generan un incremento en la resistencia al corte del suelo. Durante la aplicación de una carga normal al suelo, este es compactado de manera que se produzca una interacción entre las capas de suelo que rodean la geomalla. Con estas condiciones, se requerirá una carga considerablemente mayor para producir un movimiento en el suelo. El compuesto suelo-geomalla reduce la resistencia al movimiento, por lo tanto, el uso de las geomallas produce una condición de cohesión, inclusive en materiales granulares. El compuesto combina la resistencia a la compresión del suelo con la tensión de la geomalla, para crear un sistema que presenta una mayor rigidez y estabilidad que un suelo sin ningún elemento que soporte estos esfuerzos. La capacidad que tiene la geomalla para distribuir las fuerzas sobre su superficie incrementan las características de resistencia contra los desplazamientos de la estructura durante el sometimiento de esta a cargas tanto estáticas como dinámicas.

13


1.3.1 Clasificación Como se mencionó anteriormente se dividen en dos tipos, los cuales se enuncian a continuación.

a. Geomallas Coextruídas Mono-Orientadas

Figura 1.3 Geomalla Coextruída Mono-orientada Las geomallas mono-orientadas, son estructuras bi-dimensionales producidas de polietileno de alta densidad (HDPE) utilizando un proceso de extrusión seguido de un estiramiento mono-direccional. Este proceso permite obtener una estructura monolítica con una distribución uniforme de largas aberturas elípticas, desarrollando así gran fuerza a la tensión y gran módulo de tensión en la dirección longitudinal. La estructura de este tipo de geomallas provee un sistema de trabazón óptimo con el suelo especialmente de tipo granular. (Ver Figura 1.3). Este tipo de geomallas coextruídas de HDPE, son totalmente inertes a las condiciones químicas o biológicas que se presentan normalmente en el suelo, poseen gran resistencia a los esfuerzos de tensión, soportando hasta 160KN/m aproximadamente. Esto, con la capacidad del suelo de absorber los esfuerzos de compresión, da como resultado el concepto de estructura en suelo reforzado, similar al concepto del concreto y el acero de refuerzo.

b. Geomallas Coextruídas Bi-Orientadas

Figura 1.4 Geomalla Coextruída Bi-orientada Este tipo de geomallas son estructuras bi-dimensionales fabricadas de polipropileno, químicamente inertes y con características uniformes y homogéneas, producidas mediante un proceso de extrusión y luego estiradas de forma longitudinal y transversal. 14

M ANUAL DE DISEÑO

Este proceso genera una estructura de distribución uniforme de espacios rectangulares de alta resistencia a la tensión en ambas direcciones y un alto módulo de elasticidad. Así mismo, la estructura de la geomalla permite una óptima trabazón con el suelo. Este tipo de geomallas coextruídas se componen de elementos y nudos rígidos que proveen un gran confinamiento. Son particularmente efectivas para reforzar estructuras de pavimentos rígidos y flexibles. (Ver Figura 1.4).

1.3.1 Proceso de fabricación Para el caso de las geomallas en polietileno y polipropileno, el proceso de fabricación es el mismo. Inicialmente se tienen láminas del material en el que se realizan unas perforaciones, cuadradas o elípticas, de forma uniforme y controlada sobre toda la lámina, según el caso la lámina perforada recibe un estiramiento en una o dos direcciones, el cual se realiza a temperaturas y esfuerzos controlados para evitar la fractura del material mientras que se orientan las moléculas en el sentido de la elongación.

Figura 1.5 Esquema del proceso de fabricación de las geomallas coextruídas En el proceso intervienen variables como el peso molecular, la distribución de este, entre otras, pero el más importante es la tasa a la que se produce el proceso de elongación. El desarrollo que se ha tenido en la técnica de fabricación de este material, ha dado como resultado no solo el incremento en los módulos y la resistencia del material sino que a su vez ha desarrollado una relación del 100% entre el esfuerzo en los nodos y la resistencia a la tensión de las costillas, garantizando un excelente comportamiento del sistema en el tiempo.

1.3.2 Funciones y aplicaciones El uso de las geomallas coextruídas bi-orientadas y mono-orientadas, en diferentes campos de aplicación se define básicamente por su función de refuerzo. Esta función se realiza cuando la geomalla inicia un trabajo de resistencia a la tensión complementado con un trabazón de agregados en presencia de diferentes tipos de materiales. Las principales aplicaciones de las geomallas coextruídas mono-orientadas se enuncian a continuación: • Refuerzo de muros y taludes.

15


• Refuerzo de terraplenes con taludes pronunciados y diques. • Estabilización de suelos blandos. • Reparación de deslizamientos. • Ampliación de cresta de taludes. • Reparación de cortes en taludes. • Estribos, muros y aletas de puentes. • Muros vegetados o recubiertos con concreto. Las principales aplicaciones de las geomallas coextruídas bi–direccionales se enuncian a continuación: • Terraplenes para caminos y vías férreas. • Refuerzo en bases de caminos pavimentados y no pavimentados. • Refuerzo en estructuras de pavimento de pistas de aterrizaje en aeropuertos. • Refuerzo debajo del balasto de las vías de ferrocarril. • Como sistema de contención sobre rocas fisuradas. El principal criterio de escogencia del tipo de geomalla es básicamente estudiando como se generan y trasmiten los esfuerzos a lo largo de la estructura a reforzar, por ejemplo en muros en suelo reforzado, sabemos que los esfuerzos principales están en una sola dirección debido a la presión lateral de tierras que el suelo retenido ejerce sobre la estructura. Mientras que para refuerzo en estructuras de pavimento, los esfuerzos verticales generados por el tráfico, son disipadas en varias direcciones, por lo que el diseño de la geomalla para realizar el refuerzo debe tener las mismas propiedades mecánicas tanto en el sentido longitudinal como en el transversal.

1.4 GEOCOMPUESTOS DE DRENAJE Un geocompuesto de drenaje consiste en la combinación de geotextil y geored, combinando las cualidades más sobresalientes de cada material, de tal manera que se resuelva en forma óptima la captación y conducción de fluidos. La geored es un geosintético especialmente diseñado para la conducción de fluidos, el cual es fabricado con un material resistente a los factores térmicos, químicos y biológicos presentes en el suelo y que podrían llegar a afectar la integridad y desempeño de la estructura. La geored es un sistema romboidal formado por tendones sobrepuestos conectados entre sí, que forman canales de elevada capacidad drenante, útiles en aplicaciones de ingeniería geotécnica, ambiental, hidráulica y de transporte. El geotextil empleado para la fabricación de geocompuestos de drenaje es el No Tejido punzonado por agujas; ya que dentro del sistema cumple la función de filtro para retener el suelo y dejar pasar el agua que posteriormente será conducido por la geored.

1.4.1 Clasificación Geodren PAVCO Este tipo de geocompuesto surgió básicamente como una alternativa a los sistemas tradicionales de drenaje y para brindar un producto que tuviera la capacidad de conducir flujos en mayores cantidades que las que un geotextil pue-

16

M ANUAL DE DISEÑO

de manejar, debido a la magnitud de algunos proyectos. A continuación se mencionan los tipos de geocompuestos especiales para el control de agua en estructuras geotécnicas o de pavimento.

a. Geodrén Planar El geodrén planar es el sistema más adecuado para captar y conducir los fluidos en su plano hacia un sistema de evacuación. Este geocompuesto se utiliza principalmente para los sistemas de drenaje en muros de contención, drenaje de terraplenes, drenaje de campos deportivos, captación de lixiviados dentro de rellenos sanitarios y sistemas de drenaje en vías.

b. Geodrén Planar Con Tubería

Figura 1.6 Geodrén Planar Con Tubería El geodrén con tubería es un geocompuesto que combina las excelentes propiedades hidráulicas de tres elementos que conforman al sistema: geotextil No Tejido punzonado por agujas, geored y tubería circular perforada de drenaje. Este geocompuesto integra estos elementos para obtener un sistema prefabricado de drenaje que, instalado en zanjas o trincheras, permite captar y evacuar con alta eficiencia los fluidos. Al igual que el geodrén planar, este sistema de drenaje con tubería se utiliza para muros de contención, rellenos sanitarios, campos deportivos, terraplenes y para los subdrenes en vías, con la función adicional de evacuación de fluidos por medio de la tubería.

1.4.2 Proceso de fabricación El proceso de fabricación del geocompuesto está elaborado principalmente por un proceso de laminación de dos capas de geotextil No Tejido punzonado por agujas y una capa de geored. La fabricación de la geored consiste en producir mallas de polietileno de mediana o alta densidad de entramado romboidal, su proceso de fabricación es denominado extrusión integral, consiste en la extrusión del polímero hacia una matriz consistente en un rodillo contrarotatorio provisto de ranuras longitudinales en su cara exterior montado concéntricamente al interior de un cilindro hueco con ranuras idénticas en su cara interior. El plástico extruído fluye 17


longitudinalmente a través de las estrías mientras el rodillo y el cilindro giran en sentidos opuestos. Así, cada una de las caras ranuradas forma un plano compuesto por una serie de filetes paralelos de polímero fundido que se unen por contacto formando de este modo un tubo compuesto por el entramado de celdas romboidales. Este tubo es finalmente estirado dando el tamaño deseado de las celdas y luego cortado longitudinalmente dándole de este modo la forma de una lámina. El proceso de laminación del geocompuesto garantiza que se genere un ángulo de fricción entre las 3 capas de materiales, indispensable cuando se trabaja en taludes con altas pendientes y asegura que el geocompuesto mantenga su estructura de pantalla drenante durante los severos procesos de instalación. Es posible fabricar el geocompuesto de drenaje con un número mayor de redes si el caudal de diseño a transportar es mayor a la capacidad de transmisividad de la red con la finalidad de conducir por medio de la pantalla drenante, los líquidos o gases hacia el sistema de evacuación.

1.4.3 Funciones y aplicaciones A continuación se enuncian algunas de las principales funciones realizadas por los geocompuestos de drenaje, los cuales funcionan como sistemas de drenaje en estructuras de contención, en vías, entre otras. • Como drenaje en los espaldones de los muros de contención. • Como drenaje debajo de las geomembranas en presas y canales. • Como sistema de subdrenaje de campos deportivos. • Como sistema de subdrenaje debajo de la fundación de edificaciones. • Como sistema de subdrenaje en carreteras y pistas de aterrizaje. • Como sistema de subdrenaje debajo de terraplenes. • En rellenos sanitarios como sistema de evacuación de gases y lixiviados. • Sistemas de subdrenaje en sótanos. • Sistema de drenaje de aguas de infiltración en muros de contención. • Sistema de subdrenaje en cimentaciones.

1.5 GEOMEMBRANAS La necesidad de reducir el flujo de agua a través de un medio permeable ha sido resuelta en forma tradicional empleando materiales de menor permeabilidad como concreto o suelos finos compactados. Es conveniente hacer énfasis en que todos los materiales tienen permeabilidad, y que se distinguen dos tipos: la primaria, que corresponde a la del flujo a través de un medio homogéneo y la secundaria que ocurre a través de discontinuidades. En años recientes, han surgido productos a base de asfaltos o plásticos, de muy baja permeabilidad que se usan como recubrimientos y barreras para el control del flujo de agua. El término recubrimiento es aplicado cuando se utilizan membranas como interfase entre dos suelos o como revestimiento superficial; el término barrera se emplea cuando las membranas se usan en el interior de una masa de tierra. Para esta función se ha venido instalando membranas hechas de polietileno de alta densidad, este es un material que por su resistencia a la acción química, se puede calificar como el más indicado en aplicaciones de impermeabili-

18

M ANUAL DE DISEÑO

zación, alcanzando mayor durabilidad que otros polímeros cuando se encuentran expuestos a condiciones ambientales y al ataque químico. La principal característica es su baja permeabilidad con valores de 10 -11 a 10 -12 cm/s. Las geomembranas se definen como un recubrimiento o barrera de muy baja permeabilidad usada con cualquier tipo de material relacionado y aplicado a la ingeniería geotécnica para controlar la migración de fluidos. Las geomembranas son fabricadas a partir de hojas relativamente delgadas de polímeros como el HDPE y el PVC los cuales permiten efectuar uniones entre láminas por medio de fusión térmica o química sin alterar las propiedades del material. Las geomembranas de polietileno de alta densidad tienen las siguientes características: • Alta durabilidad • Resistentes a la mayoría de los líquidos peligrosos – Alta resistencia química • Resistentes a la radiación ultravioleta • Económicas

1.5.1 Clasificación Igualmente existen membranas con características técnicas especiales; por ejemplo geomembranas de polietileno de alta flexibilidad para el recubrimiento de túneles; de geomembranas texturizadas para desarrollar más fricción con el suelo cuando los taludes a impermeabilizar tienen pendientes importantes; de geomembranas con aditivos especiales para retardar la combustión en aplicaciones donde se requieran materiales de construcción con flamabilidad controlada.

1.5.2 Proceso de fabricación El proceso de fabricación consiste en la producción de rollos de láminas de espesores que usualmente fluctúan entre 0.50mm (20mil) y 3.00mm (120mil) y cuyas dimensiones están comprendidas alrededor de los siete metros de ancho y una longitud tal que el peso del rollo, por motivos prácticos, no exceda de dos toneladas. La fabricación de las láminas es llevada a cabo por la extrusión conjunta del polímetro puro más una dosis controlada de polímetro con contenido de negro de humo y aditivos, compuestos por antioxidantes y lubricantes que garantizan una larga duración; incluso en condiciones de exposición a la intemperie. Posteriormente, la mezcla pasa por el proceso de laminación, a continuación se mencionan los más comunes:

a. Fabricación por extrusión plana El proceso de fabricación por extrusión plana, consiste básicamente en el paso forzado de la resina extruída entre dos barras de bordes paralelos, cuya separación da el espesor de la lamina.

b. Fabricación por soplado Este proceso consiste en la obtención de la lámina por medio de la extrusión de la resina entre las paredes de dos anillos concéntricos. De este modo resulta un manto cilíndrico de polietileno en el cual, el espesor de la lámina es controlado indirectamente, a través del caudal extruído y de la velocidad de enrollado. Esta manga es cortada longitudinalmente, obteniéndose así una lámina plana de ancho igual al perímetro del manto cilíndrico. La lámina básica descrita anteriormente puede ser sometida a procesos posteriores o simultáneos a su fabricación para otorgar características especiales a una o ambas superficies de la lámina. Algunos ejemplos son el proceso de texturización de las superficies, con el fin de obtener láminas con un mayor coeficiente de fricción.

19


1.5.3 Funciones y aplicaciones Los principales campos de aplicación, están relacionados con obras para la protección del medio ambiente, rellenos sanitarios, piscinas para tratamiento de lodos, lagunas de oxidación, recubrimiento de canales, minería, acuicultura y recubrimiento de tanques, sin dejar a un lado aplicaciones en el campo de la geotecnia y la hidráulica. • Recubrimientos para agua potable. • Recubrimientos para reserva de agua. • Recubrimientos para desperdicios líquidos. • Recubrimiento para material radioactivo o desperdicios líquidos peligrosos. • Recubrimiento para tanques de almacenamiento bajo tierra. • Recubrimiento para espejos solares. • Recubrimiento para canales de conducción de aguas. • Recubrimiento para canales de conducción de desechos líquidos. • Recubrimiento para material sólido, material de relleno y apilamiento de basuras. • Recubrimiento para evacuación de lixiviados. • Capas y cubierta para materiales de relleno y desperdicios sólidos. • Recubrimiento para muros verticales: Sencillos o dobles con detección de fugas. • Control de filtración en presas de tierra. • Recubrimientos impermeables dentro de túneles. • Para impermeabilizar la cara de tierra en presas de roca. • Para impermeabilizar fachadas en mampostería en presas. • Como control de filtración en reservorios flotantes. • Como cubierta en reservorios flotantes para control de filtración. • Como barrera para los olores en rellenos. • Como barrera para vapores debajo de edificios. • Para control de suelos expansivos. • Para control de suelos susceptibles a congelamiento. • Para prevenir infiltración de agua en áreas sensitivas. • Para conducción de agua por senderos elegidos. • Bajo

autopistas

para

prevenir

polución

y

para

recoger

derramamiento

peligrosos. • Para actuar como estructura de confinamiento. • Para ayudar a establecer uniformidad en la compresibilidad subsuperficial. • Como recubrimiento impermeable bajo el asfalto.

20

de

líquidos

M ANUAL DE DISEÑO

• Para corregir perdidas por filtración en tanques ya existentes • Como formas flexibles donde no se puede permitir perdida de material. • Como encapsulamiento de arcillas expansivas.

21

CAPÍTULO 2 NORMAS DE ENSAYO Y ESPECIFICACIONES DE CONSTRUCCIÓN

Para justificar el uso de un geotextil en determinada función, deben realizarse una serie de ensayos de laboratorio, que ayuden a predecir el comportamiento de las estructuras reales en las que se va a utilizar. Existen diferentes normativas dependiendo del país donde estas se apliquen, en este capítulo se hace referencia a las normas colombianas del INVIAS basadas en las normas dadas por la ASTM, organización fundada en 1898, sin fines de lucro que ofrece un foro mundial para el desarrollo y publicación de estándares de consenso voluntarios para materiales, productos, sistemas y servicios. En cada norma se explicará el concepto fundamental del ensayo, equipo utilizado y el procedimiento, con el fin de entender la importancia que tienen en las diferentes aplicaciones de los geotextiles. Como complemento a los ensayos de laboratorio y en la búsqueda de una correcta utilización de los geotextiles, en Latinoamérica se han desarrollado algunas especificaciones para la instalación de los mismos, dentro de las que podemos citar:

Perú: Ministerio de Transportes y Comunicaciones: Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras (EG-2000), en sus secciones: 1.1 Sección 650: Geotextiles (Tablas de especificaciones mínimas para cada aplicación). 1.2 Sección 651: Separación de suelos de subrasante y capas granulares con geotextil (guía de construcción e instalación, valores de resistencias referidas a la sección 650). 1.3 Sección 652: Subdrenes con geotextil y material granular (guía de construcción e instalación, valores de resistencias referidas a la sección 650). 1.4 Sección 653: Geotextil para pavimentación (guía de construcción e instalación, valores de resistencias referidas a la sección 650).

23

Capítulo 2 • NOR M AS DE ENSAYO Y ESPECIFICACIONES DE CONSTRUCCIÓN

Costa Rica: “Especificaciones Generales para la construcción de carreteras, caminos y puentes de Costa Rica” CR - 2002 Ministerio de Obras Públicas y Transportes (MOPT) Consejo Nacional de Vialidad (CONAVI) Sección 704 Geosintéticos Así mismo en Colombia se han desarrollado las especificaciones del INVIAS basadas en la AASHTO M288-05 para la construcción de: •

Separación de suelos de subrasante y capas granulares con geotextil (Artículo 231)

•

Estabilización de suelos de subrasante y capas granulares con geotextil (Artículo 232)

•

Pavimentación y repavimentación con geotextiles (Artículo 464)

•

Subdrenes con geotextil y material granular (Articulo 673)

24

NORMAS DE ENSAYO 2.1 MÉTODO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA CARGA DE ROTURA Y LA ELONGACIÓN DE GEOTEXTILES (MÉTODO GRAB) INV E – 901 Esta norma consiste en aplicar a muestras de geotextiles Tejidos y No Tejidos una carga que se incrementa continuamente en sentido longitudinal, hasta alcanzar la rotura. Los valores para la carga de rotura (tensión Grab) y la elongación (elongación Grab) del espécimen de ensayo se obtienen de las escalas o diales de las máquinas, de diagramas de registro autográficos o de computadores interconectados. Esta norma determina una propiedad índice. La norma incluye los procedimientos para medir la carga de rotura y la elongación mediante el método Grab, tanto en estado seco como en estado húmedo; sin embargo, el ensayo normalmente se realiza en seco a menos que se especifique de otra manera. El equipo requerido para realizar el ensayo es el siguiente: 1. Máquina para el ensayo de Tracción: La máquina de ensayo debe estar dotada de un dispositivo para medir longitudes de alargamiento de las probetas, debe garantizar que la velocidad de separación se mantenga constante con el tiempo y consta de un par de mordazas entre las cuales se coloca el geotextil que va a ser ensayado. 2. Mordazas: Las mordazas deben tener superficies de ajuste planas, paralelas y aptas para evitar el deslizamiento del espécimen durante un ensayo. Cada mordaza debe tener una superficie de 25.4 mm por 50.8 mm, con la dimensión más larga paralela a la dirección de aplicación de la carga. Las superficies de las mordazas deben ser iguales y estar alineadas, una respecto de la otra. El número de muestras necesario para realizar el ensayo es de 10.

PROCEDIMIENTO 1. Se ajusta la distancia entre las mordazas al comienzo del ensayo a 75 ± 1 mm. Se selecciona la escala de carga de la máquina de ensayo de manera que el valor máximo se presente entre 10% y 90% de la escala total de carga. Se ajusta la máquina para que opere a una velocidad de 300 ± 10 mm/min. 2. Se asegura el espécimen en las mordazas de la máquina de ensayo, teniendo cuidado que la dimensión larga esté lo más paralela posible a la dirección de aplicación de la carga. Se debe asegurar que la tensión en el espécimen sea uniforme a través del ancho sujetado por las mordazas. Se inserta el espécimen en las mordazas de tal manera que, aproximadamente, la longitud de la tela que se extienda por detrás de la mordaza sea la misma en cada extremo. Se ubican las mordazas en la mitad y en dirección del ancho. 3. Si el espécimen se desliza de las mordazas, si se rompe en el borde de las mordazas o en éstas, o si por cualquier razón atribuida a una falla de operación el resultado desciende notablemente por debajo del promedio del gru-

25


po de especímenes, se descarta el resultado y se toma otro espécimen. Se continúa este procedimiento hasta obtener el número requerido de roturas aceptables. 4. Se enciende la máquina de ensayo de tracción y el dispositivo de medición de área (si se utiliza) y se continúa efectuando el ensayo hasta producir la rotura. Se detiene la máquina y se reajusta en la posición de calibración inicial. Se registran e informan los resultados para cada dirección en forma separada. 5. Para evitar el deslizamiento del espécimen en las mordazas, se pueden hacer las siguientes modificaciones: (1) Las mordazas pueden ser forradas o recubiertas; (2) la tela puede ser protegida bajo el área de la mordaza o (3) la superficie de la mordaza puede ser modificada. En ningún caso se pueden modificar las dimensiones establecidas. Si se realiza una de las modificaciones mencionadas, se debe registrar en el informe. 6. Para medir la elongación del espécimen, tanto la longitud inicial como la elongación medida dependen de la tensión previa aplicada al colocar el espécimen en las mordazas de la máquina. En este caso se asegura el espécimen con una mordaza de la máquina y se aplica una tensión previa aproximadamente de 0.5% de la carga de rotura, o una carga inicial especificada para el material en cuestión, antes de sujetar el espécimen con la otra mordaza. 7. A menos que se especifique de otra manera, se mide la elongación del geotextil con la carga establecida mediante un dispositivo autograficador, y al mismo tiempo se determina la resistencia a la rotura. Se mide la elongación desde el punto donde la curva deja el eje de la carga cero, establecido después de aplicar la precarga, hasta el punto de la fuerza correspondiente en milímetros.

REFERENCIAS ASTM D 4632-91 ICONTEC 1998 (C16.105/83)

2.2 MÉTODO PARA LA DETERMINACIÓN DEL ÍNDICE DE RESISTENCIA AL PUNZONAMIENTO DE GEOTEXTILES, GEOMEMBRANAS Y PRODUCTOS RELACIONADOS INV E – 902 Esta norma establece el método para determinar el índice de resistencia al punzonamiento de geotextiles, geomembranas y productos relacionados y consiste en colocar un espécimen sin tensión, entre las placas circulares del dispositivo anular de sujeción de la máquina de ensayo. Se aplica una fuerza en la parte central, mediante una barra de acero sólido, conectada al indicador de carga, hasta que se rompa el espécimen. La máxima fuerza registrada corresponde a la resistencia al punzonamiento. El equipo requerido para realizar este ensayo es el siguiente: 1. Máquina para el ensayo de tracción – compresión: La máquina de ensayo es del tipo de coeficiente constante de extensión (CCE), con registrador gráfico. 2. Dispositivo anular de sujeción: El dispositivo consiste en dos placas concéntricas con un orificio de diámetro interno de 45 ± 0.025 mm, que permite sujetar el espécimen sin que se deslice. Se sugiere que el diámetro externo sea 100 ± 0.025 mm y el diámetro de los seis agujeros usados para asegurar el ensamble sea de 8mm y que estén igualmente espaciados sobre una circunferencia de radio de 37 mm. Las superficies de estas placas pueden tener ranuras con anillos en “O” o papel de lija áspero pegado sobre ambas superficies. 3. Aditamento punzante: Barra de acero sólido de un diámetro de 8 ± 0.01 mm, con extremo plano con borde biselado de 45° = 0.8 mm, que hace contacto con la superficie del espécimen de ensayo. 26

M ANUAL DE DISEÑO

El número de especímenes necesarios para el ensayo es de 15, cortados en forma circular con un diámetro mínimo por espécimen de 100 mm para facilitar la instalación en el dispositivo anular de sujeción. Las muestras nunca deberán tomarse cerca de los bordes, se deben tomar a una distancia mínima de 1/10 del ancho del rollo del geotextil, geomembrana o producto relacionado

PROCEDIMIENTO 1. Se selecciona el intervalo de carga de la máquina de ensayo de tensión, de tal forma que la rotura ocurra entre el 10% y el 90% de la carga total de la máquina. 2. Se centra y se asegura el espécimen entre el dispositivo anular de sujeción, de tal forma que el espécimen se extienda más allá de los bordes exteriores de los anillos. 3. Medida de la carga de rotura. Se realiza el ensayo con la máquina a una velocidad de 300 ± 10 mm/min hasta que el aditamento punzante rompa completamente el espécimen de ensayo. Se toma la carga de rotura que corresponda a la mayor carga registrada en el instrumento de lectura, durante el ensayo. Esta carga de rotura corresponde a la resistencia al punzonamiento. En el caso de obtener en el ensayo un doble pico de la carga máxima, el valor a reportar debe ser el correspondiente al primer pico, descartando el valor del segundo aunque éste sea mayor. 4. Si el espécimen no se rompe debido a su deslizamiento entre los anillos de agarre o si la barra se desliza entre dos fibras adyacentes sin causar su rotura, estos resultados no serán tenidos en cuenta y deberá ensayarse otro espécimen.

REFERENCIAS ASTM D D4833 ICONTEC 3299 (C16.168/91)

2.3 MÉTODO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL RASGADO TRAPEZOIDAL DE GEOTEXTILES INV E – 903 Este método de ensayo es un índice que permite determinar la fuerza requerida para continuar o propagar un rasgado en geotextiles tejidos, no tejidos, tejidos de punto y telas estratificadas, por el método trapezoidal. Esta norma describe el procedimiento para la determinación de la resistencia al rasgado trapezoidal de geotextiles. Este método corresponde a una propiedad índice y no ofrece la información suficiente para considerarse un criterio de diseño en todas las aplicaciones de geotextiles. La resistencia al rasgado trapezoidal de geotextiles tejidos es determinada básicamente por las propiedades de las cintas o elementos que los constituyen, los cuales están sujetos por las mordazas. En geotextiles no tejidos, debido a que las fibras están dispuestas de una forma más o menos aleatoria y son capaces de reorientarse en dirección a la carga aplicada, la máxima resistencia al rasgado trapezoidal de la nueva reorientación se logra cuando se desarrolla una tensión mayor que la requerida para romper una o más fibras simultáneamente. El equipo necesario para realizar este ensayo es el siguiente: 1. Máquina de ensayo de tracción: La máquina de ensayo debe estar dotada de un dispositivo para medir longitudes de alargamiento de las probetas, debe garantizar que la velocidad de separación se mantenga constante en el tiempo y debe constar de un par de mordazas entre las cuales se coloca el geotextil que va a ser ensayado.

27


2. Mordazas: Deben tener superficies de agarre paralelas, planas y capaces de prevenir el deslizamiento del espécimen durante el ensayo. Las dimensiones de cada mordaza deben ser 50.8 mm por 76.2 mm (como mínimo), con la dimensión más larga perpendicular a la dirección de aplicación de la carga. 3. Molde trapezoidal: Este molde es opcional y se utiliza para marcar el espécimen. El número de especímenes necesario es de 10, tomados a una distancia mínima de 1/20 del ancho a partir del borde de la tela o a 150 mm, escogiendo el menor. De cada muestra se cortan especimenes rectangulares de 76.2 mm por 201.6 mm. Se cortan sentido longitudinal y en sentido transversal.

PROCEDIMIENTO 1. En caso de realizar el ensayo en condición húmeda, éste deberá hacerse dentro de los siguientes dos (2) minutos después de retirar el espécimen del agua. 2. Se fija la distancia entre las mordazas al iniciar el ensayo en 25 ± 1 mm y se fija el intervalo de carga para la máquina de ensayos de tal forma que la carga máxima ocurra entre el 15 y el 85% de la escala total. La velocidad de operación de la máquina se debe mantener constante en 300 ± 10 mm/min. 3. Asegurar el espécimen de ensayo en la máquina sujetándolo a lo largo de los lados no paralelos del trapecio de tal manera que los bordes de las mordazas estén en línea con el lado del trapecio de 25 mm de longitud y el corte esté en el centro de las mordazas. Se debe dejar el lado más corto de tal forma que quede tirante y permita que la tela sobrante quede en forma de pliegues. 4. Poner en movimiento la máquina y registrar la fuerza de rasgado en un gráfico. La fuerza de rasgado puede alcanzar varios picos, en este caso se deben presentar los diferentes máximos y mínimos y registrar la máxima fuerza obtenida en Newtons. 5. Si el geotextil se desliza entre las mordazas o si 25% ó más del espécimen rompe en un punto entre los 5 mm cercanos al borde de la mordaza, se puede escoger una de las siguientes alternativas: (1) forrar o recubrir las mordazas, (2) proteger la tela bajo el área de las mordazas; (3) modificar la superficie de la mordaza. Si una de las modificaciones anteriores es escogida, ésta debe ser indicada en el informe. En ningún caso se pueden modificar las dimensiones establecidas. 6. Si el resultado de un ensayo individual se desvía 25% ó más del promedio de los resultados del ensayo de una muestra, éste no debe ser tenido en cuenta, y un espécimen adicional debe ser ensayado. Calcular el promedio excluyendo los valores extremos.

REFERENCIAS ASTM D 4533 ICONTEC 2003 (C16.113/84)

2.4 MÉTODO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL ESTALLIDO DE GEOTEXTILES (MÉTODO DEL DIAFRAGMA HIDRÁULICO – MULLEN BURST). INV E – 904 Esta norma tiene por objeto determinar la resistencia de los geotextiles tejidos y no tejidos al estallido, empleando el método de ensayo de diafragma hidráulico (Mullen Burst). Esta norma determina una propiedad índice y consiste en prensar un espécimen de geotextil sobre un diafragma expandible. El diafragma es expandido por presión de fluido

28

M ANUAL DE DISEÑO

hasta el punto de rotura del espécimen. La diferencia entre la presión total requerida para romper el espécimen y la presión requerida para inflar el diafragma se reporta como la resistencia al estallido.

Nota: Para los geotextiles tejidos se recomienda usar el ensayo de CBR Modificado GRI GS1-86 para determinar la resistencia al estallido. El equipo requerido para realizar este ensayo es el siguiente: 1. Máquina de ensayo de diafragma hidráulico Burst: La máquina de ensayo debe cumplir los requisitos de los literales (a) al (d). En caso de desacuerdo, se debe utilizar una máquina de ensayo de motor, a menos que el vendedor y el comprador acuerden otra cosa. a) Mordazas: Las mordazas se utilizan para asegurar firme y uniformemente el espécimen de ensayo, ubicadas entre dos superficies anulares, planas, paralelas y preferiblemente de acero inoxidable, evitando el deslizamiento del espécimen durante el ensayo. Se debe usar una presión suficiente para minimizar el deslizamiento. b) Las superficies de prensado superior e inferior deben tener un diámetro externo de mínimo 75 mm y aberturas coaxiales de 31 ± 0.75 mm de diámetro. Las superficies de las mordazas entre las cuales se coloca el espécimen deben tener ranuras concéntricas espaciadas 0,8mm como mínimo y una profundidad mayor a 0,015 mm desde el borde de la abertura. Las superficies de las mordazas deben ser metálicas y cualquier borde que pueda causar corte debe ser redondeado a un radio máximo de 0,4 mm. La mordaza inferior debe estar integrada con la cámara de presión en la cual un tornillo opera para generar una presión en un medio líquido a una tasa constante de 95 ± 5 ml/min contra el diafragma de caucho. c) Diafragma: El diafragma debe ser de caucho sintético moldeado de 1,80 ± 0,05 mm de espesor, con un refuerzo central. El diafragma se coloca entre la mordaza de prensado inferior y el resto del aparato, de tal forma que antes que el diafragma se extienda por presión inferior, el centro de su superficie superior esté por debajo del plano de la superficie de sujeción. La presión requerida para levantar la superficie libre del plano del diafragma deberá ser de 30 ±5 KPa. Esta presión deberá ser revisada por lo menos una vez al mes, haciendo puente con un manómetro adecuado para medir esa presión. El diafragma se deberá inspeccionar frecuentemente para ver si hay distorsión permanente y renovarlo si es necesario. d) Medidor de presión: Se debe utilizar un medidor de máxima presión de tipo Bourdon, con una capacidad adecuada, graduado en libras y con una precisión dentro del rango de su escala del 1% de su capacidad máxima. La capacidad del medidor debe ser tal que las lecturas individuales se localicen entre el 25% y el 75% de la capacidad total. e) Sistema hidráulico de presión: Consiste en un medio de aplicación de presión hidrostática con un incremento controlado en la parte inferior del diafragma hasta que el espécimen de ensayo estalle. La presión se aplica por medio de un fluido que se desplaza a una tasa de 95 ± 5 ml/min. El fluido es desplazado en la cámara de presión del aparato por medio de un pistón. El fluido recomendado es un USP químicamente puro con 96% de glicerina. El sistema hidráulico, incluyendo los medidores (manómetros), debe ser montado de tal forma que quede libre de vibraciones externas inducidas. Debe existir un medio para que en el instante del estallido del espécimen se interrumpa cualquier aplicación posterior de presión y para mantener inalterable el contenido del recipiente de presión hasta que la presión total de estallido y la requerida para expandir el diafragma indicadas en el manómetro, sean registradas.

Nota: Se puede usar Etilenglicol para sustituir la glicerina.

29


f) Láminas de aluminio para calibración del equipo: Láminas de aluminio ensayadas previamente, con una resistencia al estallido entre 70 y 790 KPa, se emplean para verificar el correcto funcionamiento del equipo. El número de especimenes para este ensayo es de 10, tomados a una distancia mínima de 1/10 del ancho a partir del borde de la tela. De cada muestra se cortan especímenes cuadrados de 125 mm de lado o circulares de 125 mm de diámetro.

PROCEDIMIENTO 1. Aparato de impulsión manual a) Se inserta el espécimen acondicionado bajo el trípode, tirando el geotextil a través de la base, se prensa ajustándolo hasta el nivel de prensado, girándolo a la derecha tanto como sea posible. b) Se gira el volante manual en el sentido de las agujas del reloj, a una tasa uniforme de 120 rpm hasta que la muestra rompa. c) Se para de girar el volante en el instante de rotura del espécimen. d) Inmediatamente después de la rotura y en rápida sucesión, se alivia el nivel de prensado sobre el espécimen. Luego se disminuye el esfuerzo sobre el diafragma por movimiento del volante en sentido contrario a las agujas del reloj hasta su posición inicial y se registra la presión requerida para inflar el diafragma (presión de tara). Se registra la presión total requerida para la rotura del espécimen.

Nota: Si la presión deja de incrementarse por limitaciones de la escala y el espécimen no se ha roto, se presiona la palanca de maniobra para retirar la presión; además se indica que la resistencia del geotextil excede las limitaciones dimensionales del aparato. Si se nota deslizamiento del espécimen se descarta el resultado y se utiliza un nuevo espécimen. 2. Aparato de impulsión por motor a) Se inserta el espécimen acondicionado bajo el trípode. b) Se infla el diafragma. Mientras que el diafragma se esté inflando, se debe asegurar que no haya pérdidas de presión en el momento de rotura del espécimen. Se registra la presión obtenida. c) Inmediatamente después de la rotura y en rápida sucesión, se retira la palanca de prensado sobre el espécimen, luego se alivia la tensión sobre el diafragma y se registra la presión requerida para inflar el diafragma (presión de tara).

REFERENCIAS ASTM D 3786-87 ICONTEC 2 678 (C31.051/87)

2.5 MÉTODO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA PERMEABILIDAD AL AGUA DE LOS GEOTEXTILES POR MEDIO DE LA PERMITIVIDAD INV E – 905 Este método de ensayo proporciona procedimientos para determinar la conductividad hidráulica (permeabilidad al agua) de los geotextiles en términos de permitividad bajo condiciones de ensayo estandarizadas, sin someter el espécimen a carga normal. Esta norma incluye dos procedimientos: El ensayo de cabeza constante y el ensayo de cabeza variable. 30

M ANUAL DE DISEÑO

1. Ensayo de cabeza constante: Se mantiene una cabeza de 50 mm de agua sobre el espécimen de geotextil durante el ensayo. Se determina el caudal por método volumétrico. El ensayo de cabeza constante es usado cuando el caudal de agua que pasa a través del geotextil es tan grande que se dificulta tomar lecturas en el cambio de la cabeza con respecto al tiempo. 2. Ensayo de cabeza variable: Se establece una columna de agua que pasa a través del espécimen de geotextil y se toman las lecturas de los cambios de cabeza con respecto al tiempo. El caudal de agua a través del geotextil debe ser lo suficientemente lento para obtener medidas exactas.

Nota: Se ha demostrado que los datos obtenidos utilizando cualquiera de los dos ensayos arrojan resultados concordantes. La selección del método de ensayo se deja a criterio del responsable del ensayo. El equipo requerido para realizar este ensayo deberá conforme a uno de los siguientes arreglos: a. Los aparatos deben ser capaces de mantener una cabeza constante de agua en el geotextil que está siendo probado. b. Los aparatos deben ser capaces de ser usados como el aparato del ensayo de cabeza variable. 1. El aparato en sí no debe intervenir en el establecimiento de los parámetros del ensayo (caudal, cabeza, sección transversal, tiempo). Se debe establecer una curva de calibración (caudal vs cabeza) para el aparato sólo con el propósito de establecer las correlaciones correspondientes 2. El dispositivo consiste en una unidad alta y una baja, las cuales están sujetas la una de la otra. El espécimen geotextil es colocado en la parte inferior de la unidad alta. El dispositivo tiene además un tubo para la medición del valor de la cabeza constante. La válvula colocada en el tubo de descarga permite ajustes de la cabeza de agua en la parte inferior del espécimen. 3. Para obtener resultados confiables, se debe usar agua limpia y deaireada usando una bomba de vacío de 710 mm de mercurio (Hg) por un periodo de tiempo que lleve el contenido de oxígeno disuelto del nivel más bajo hasta un máximo de seis (6) partes por millón. El contenido de oxígeno disuelto podrá ser determinado por un aparato químico comercial disponible o por un medidor de oxígeno disuelto. El agua deaireada se debe almacenar en un tanque cerrado hasta alcanzar la temperatura de laboratorio.

Nota: El sistema de eliminación de aire podrá ser un sistema comercial disponible o podrá consistir en una bomba de vacío capaz de remover un mínimo de 150 l/min de aire conectado con un tanque de almacenamiento no colapsable, con capacidad suficiente para almacenar una serie de pruebas o por lo menos una prueba al mismo tiempo. Con el propósito de obtener un valor representativo de la permitividad se deben tomar especímenes de cada metro cuadrado a ensayar y seleccionar cuatro (4) especímenes cortados de acuerdo con las dimensiones y las recomendaciones del aparato disponible. El diámetro de los especímenes deber ser mínimo de 25 mm. Para acondicionar los especímenes, estos deben saturarse en la muestra de agua deaireada dentro de un recipiente cerrado, manteniéndolo por un periodo de dos (2) horas bajo las condiciones de laboratorio.

PROCEDIMIENTO ENSAYO DE CABEZA CONSTANTE 1. Ensamblar el aparato con la muestra en su lugar. 2. Abrir la válvula de purga, empiece a llenar el sistema a través de la tubería de medición con agua desaireada, si se llena de esta forma se obliga a que el aire atrapado salga del sistema y/o del geotextil.

Nota: El agua debe estar en el nivel inferior del espécimen de ensayo en el momento la colocación del espécimen. 3. Cerrar la válvula de purga una vez que el agua salga a través de ésta. Continuar con el llenado del aparato con agua deaireada, hasta que el nivel de agua alcance el reboce. 31


4. Con el agua fluyendo en el sistema a través de la entrada de agua, ajustar la tubería de descarga con una tasa de flujo de agua dentro del aparato hasta obtener 50 mm de cabeza de agua sobre el geotextil. Esta es la cabeza (h) bajo la cual la prueba puede ser llevada a cabo inicialmente. 5. Sumergir un tubo acoplado a la fuente de vacío hasta la superficie del geotextil, luego se debe mover el tubo suavemente sobre la superficie mientras que se aplica una ligera aspiración con el propósito de remover cualquier partícula de aire atrapada que pueda estar dentro o sobre el espécimen. Si es necesario, ajuste la cabeza a 50 mm después de remover la aspiradora. 6. Registrar los valores de tiempo (t), caudal (Q) recogidos del tubo de descarga y temperatura del agua (T), sosteniendo la cabeza a 50 mm. Hacer al menos 5 lecturas por espécimen y determinar el valor promedio de la permitividad por espécimen.

Nota: El caudal debe ser medido en mililitros (ml) y luego convertido a milímetros cúbicos (mm3) para el cálculo de permitividad. (1 ml = 1000 mm3). 7. Después de que la primera muestra ha sido probada bajo una cabeza de 50 mm, usando la misma muestra, empezar con 10 mm de cabeza y repetir el procedimiento. Incrementar la cabeza en 5 mm después de cada cinco lecturas, hasta alcanzar 75 mm. Usar esta información para determinar la región de flujo laminar. Trazar la tasa de flujo volumétrico v contra la cabeza. La cantidad de flujo Q debe ser corregida para 20ºC. La porción inicial de la línea recta de la gráfica define la región del flujo laminar. Si los 50 mm de cabeza están fuera de la región de flujo laminar, repetir el ensayo usando una cabeza de agua en la mitad de la región del flujo laminar. 8. Repetir los pasos 8.1 a 8.6 en los tres especímenes adicionales acondicionados previamente.

PROCEDIMIENTO ENSAYO DE CABEZA VARIABLE 1. Realizar el mismo procedimiento descrito en los pasos 1 al 5 del ensayo de cabeza constante 2. Ajustar el tubo de descarga de manera que la salida se encuentre por debajo del nivel del espécimen de ensayo. 3. Ajustar el nivel de agua a 150 mm. Una vez que el agua alcance este nivel, cortar el abastecimiento de agua y permitir que el nivel de agua descienda a 80 mm. En este punto, comenzar a cronometrar y determinar el tiempo para el cual el nivel de agua desciende hasta 20 mm (t). 4. Registrar el diámetro interno (d) de la unidad superior, el diámetro (D) de la porción expuesta del espécimen y la temperatura del agua (T). Hacer al menos cinco lecturas por espécimen ensayado. 5. Repetir el procedimiento de los tres especímenes restantes acondicionados previamente.

REFERENCIAS ASTM D4491 - 92 ICONTEC 2002

2.6 MÉTODO DE ENSAYO ESTÁNDAR PARA DETERMINAR EL ESPESOR NOMINAL DE GEOTEXTILES Y GEOMEMBRANAS INV E – 906 El espesor es una de las propiedades físicas básicas usadas en el control de la calidad de muchos geotextiles y geomembranas. Para el cálculo de algunos parámetros de geotextiles y geomembranas se requiere calcular el valor del espesor, como en el caso de los coeficientes de permeabilidad, esfuerzo a tensión (índice), ya que el espesor no es un indicador del desempeño en campo y por lo tanto no se recomienda para especificación.

32

M ANUAL DE DISEÑO

El espesor de geotextiles y geomembranas puede variar considerablemente dependiendo de la presión aplicada al espécimen durante su medida. Los cambios observados en la disminución del espesor ocurren cuando se aplican incrementos en la presión. Para minimizar la variación se usara un tamaño de muestra y presión aplicada para asegurar que todos los resultados son comparables como se indicara en este método específico. Este método de ensayo no ofrece los valores de espesor para geotextiles y geomembranas bajo esfuerzos normales variables. Este método de ensayo determina espesor nominal que no es necesariamente el espesor mínimo. El equipo necesario para realizar este ensayo es el siguiente: 1. Instrumento para la medición del espesor: El elemento para medir el espesor tendrá una base y un pie que presiona una de las caras planas y paralelas una a otra a menos de 0.01 mm, calibrada con un diámetro de 56.4 mm, la base deberá extenderse como mínimo 10 mm en todas las direcciones con respecto al borde del pie que presiona, que a su vez deberá tener un área de 2500 mm2 de sección circular que se usara para analizar geotextiles. Un calibrador de 6.35 mm se usará para analizar geomembranas. El instrumento deberá estar en capacidad de medir un espesor máximo de por lo menos 10 mm a una exactitud de ± 0.002 mm. Los calibradores se construirán para permitir aplicación gradual de presión a una fuerza especifica de 2 ± 0,02 KPa (0.29 ± 0.003 psi) para los geotextiles y 20 ± 0,2 KPa (2.9 ± 0.03 psi) para las geomembranas. Se puede usar una carga con peso muerto. 2. La fuerza especificada de 20 KPa puede ser inadecuada para algunas geomembranas HDPE. Se recomienda una presión en el rango de 50 a 200 KPa para este tipo de geomembranas; hay una gran cantidad de lecturas ficticias usando 20 KPa de presión. 3. Moldes de corte: Los moldes para cortar especímenes deben tener como dimensiones mínimas, un círculo de 75 mm. El número de especímenes para el ensayo es de 10, para los ensayos en la dirección de la máquina y 10 para los ensayos en la dirección transversal de la misma.

PROCEDIMIENTO 1. Se ensayan los especímenes acondicionados en atmósfera estándar. 2. Maneje los especímenes de prueba cuidadosamente para evitar alterar el estado natural del material. 3. Con una fuerza aplicada al pie de presión sobre la base (no se debe colocar el espécimen de prueba), ponga la balanza en cero o grabe la lectura base. Levante el pie de presión, centre el espécimen de prueba sobre la base, bajo el pie de presión, y lleve el pie de presión a tener contacto con el material. Gradualmente incremente la presión a 2 KPa (0.29 psi) para geotextiles y 20 KPa (2.9 psi) para geomembranas. Después de que la fuerza completa ha sido aplicada al pie de presión por 5 s contra el espécimen, grabe el valor del espesor mas cercano a 0.002 mm y remueva el espécimen del aparato de prueba. 4. Repita el método anterior sobre cada uno de los especímenes que esta usted ensayando.

REFERENCIAS ASTM D 5199-91

2.7 MÉTODO ESTÁNDAR PARA LA DETERMINACIÓN DEL TAMAÑO DE ABERTURA APARENTE (TAA) DE UN GEOTEXTIL INV E–907 Este método de ensayo consiste en colocar un espécimen de geotextil en un marco de tamiz y sobre él se colocan unas partículas de cristal graduadas. El conjunto se agita enérgicamente para inducir el paso de las partículas a

33


través del geotextil. El procedimiento se repite para el mismo espécimen con varios tamaños de partículas de cristal hasta determinar el Tamaño de Abertura Aparente (TAA). Esta propiedad también se conoce como AOS (Apparent Opening Size). Al usar un geotextil como un medio para retener partículas de suelo, se necesita una compatibilidad entre el geotextil y el suelo adyacente. Este método de ensayo es usado para indicar el TAA en un geotextil, donde se refleja la dimensión de la abertura más grande disponible para que un suelo pueda atravesarlo. El equipo requerido para realizar este ensayo es el siguiente: 1. Tamizador: Se usa un tamizador mecánico que imparta movimientos laterales y verticales al tamiz, causando que las partículas salten y giren al mismo tiempo, presentando así diferentes orientaciones sobre la superficie del geotextil. El tamizador deberá ser un mecanismo de frecuencia constante que utiliza un brazo recubierto de corcho o caucho que propicia impactos. 2. Fondo, tapa y tamiz de 200 mm de abertura, designación U.S. estándar. 3. Material para el tamizado: Consiste en unas partículas esféricas de cristal en fracciones de tamaños variables, se deben preparar por lo menos 50 gramos de cada fracción de tamaño para ser usados antes de empezar el ensayo. 4. Balanza de la capacidad adecuada para la masa que se anticipa usar y una precisión de ± 0.05g. 5. Eliminación de la estática: para prevenir la acumulación de electricidad estática, cuando las partículas son tamizadas sobre la superficie del geotextil. Dispositivos comerciales disponibles o compuestos anti-estáticos se pueden usar para este fin. 6. Horno de secado. 7. Fondo para la recolección de partículas tamizadas.

PROCEDIMIENTO 1. Pese los especímenes de ensayo y sumérjalos en agua destilada por 1 hora a la atmósfera estándar de ensayo. 2. Realizar la prueba a la temperatura atmosférica para ensayos de geotextiles de tal manera que se prevenga que la electricidad estática afecte los resultados. 3. Asegurar el geotextil de tal manera que quede templado y sin arrugas. El geotextil no debe ser estirado o deformado de tal manera que éste cambie o distorsione sus aberturas. 4. Antes de usar las partículas de cristal, tamizarlas en el laboratorio para verificar el tamaño de las mismas. 5. Comenzar el ensayo con las partículas de menor. Colocar 50 gramos de un solo tamaño de partículas en el centro del espécimen de ensayo. 6. Colocar la tapa y el fondo en el marco del tamiz y tamizar durante 10 minutos. 7. Colocar las partículas que quedan en la superficie del espécimen en un fondo aparte y pesarlas. Incluir las partículas que se quedan adheridas en el espécimen y en el borde y la tapa del tamiz. 8. Pesar las partículas de cristal que pasan a través del espécimen y registrar la información. 9. Repetir los pasos 3 a 7 usando partículas de la siguiente fracción de mayor tamaño. Repetir el experimento usando sucesivamente fracciones de tamaño más grande hasta que el peso de las partículas que pasan a través del espécimen sea 5 % o menos del peso inicial. Llevar a cabo el ensayo de tal manera que el porcentaje que pasa sea menor o igual al 5% del peso inicial. 34

M ANUAL DE DISEÑO

10. Repetir los pasos para los cinco especímenes de ensayo que corresponden a una misma muestra de laboratorio.

REFERENCIAS ASTM D4751 - 95 ICONTEC

2.8 MÉTODO DE MUESTREO DE GEOSINTÉTICOS PARA ENSAYOS INV E–908 En esta práctica se dan las instrucciones correspondientes para dividir un despacho en lotes y la determinación del número de unidades de producción en un lote muestra. El número o método para determinar el número de especímenes para ser ensayados de la muestra de laboratorio están establecidos por el método de ensayo específico, que evalúa la propiedad del geosintético. Esta práctica cubre dos procedimientos para el muestreo de geosintéticos para ser ensayados. Se requiere que las instrucciones de toma de muestras de laboratorio y especímenes de ensayo sean parte de cada método de ensayo para geosintéticos. 1. El primer procedimiento describe la división del embarque de geosintéticos en lotes y define el tamaño de la muestra tomada del lote mencionado para establecer la conformidad de las especificaciones. 2. El segundo procedimiento describe el muestreo de las unidades de producción con el propósito de asegurar la calidad durante el proceso de fabricación. Esto requiere que se conserve el soporte de los valores que se involucran en el proceso estadístico, durante el proceso de fabricación.

PROCEDIMIENTO A: Muestreo para ensayos de conformidad de especificaciones. 1. División en lotes. Considere como un lote separado cualquier porción de despacho que el usuario esté ensayando, o que el productor esté ensayando como cantidad de producción planeada, que difiera de otras porciones en especificaciones, referencias o características físicas. Si las porciones que han sido designadas como lote separado son enviadas de diferentes plantas de producción, trate cada porción despachada por separado como un lote separado. Cuando se requiere el muestreo durante la manufactura, considere un lote como si fuera una cantidad de producción planeada. 2. Determinación del tamaño del lote muestra a) Tome para el lote muestra, unidades de producción o empaque, como se menciona en una especificación de material aplicable, o como se acuerde entre el vendedor y el comprador. Considere las unidades de producción aplicables como las unidades primarias de muestreo. b) En ausencia de especificaciones del material u otros acuerdos, seleccione aleatoriamente un número de unidades de producción de cada lote equivalente a la raíz cúbica del número total de unidades incluidas en el lote. En lote de dos unidades o menos, tome una unidad. Si la raíz cúbica calculada es un número fraccionario, tome el siguiente número entero de unidades. La Tabla1 muestra el número de unidades a seleccionar, de lotes de varios tamaños.

35


c) Si la especificación requiere muestreo durante la manufactura, seleccione las unidades del lote muestra uniformemente espaciadas en intervalos de tiempo a lo largo del periodo de producción. d) Para propiedades que sean evaluadas como atributos, las unidades en el lote muestra sirven tanto como muestras de laboratorio o especímenes de ensayo.

PROCEDIMIENTO B – Muestreo para ensayos de aseguramiento de calidad en la producción 1. División en lotes. Considere como un lote separado cualquier porción de despacho que el usuario esté ensayando o que el productor esté ensayando como cantidad de producción planeada, que difiera de otras porciones en especificaciones, referencias o características físicas. Si las porciones que han sido designadas como lote separado han sido enviadas de diferentes plantas de producción, trate cada porción despachada por separado, como un lote separado. Cuando se requiere muestreo durante la manufactura, considere un lote como si fuera una cantidad de producción planeada. 2. Determinación del tamaño del lote muestra. Utilice la Tabla 2 para determinar el tamaño del lote muestra para ensayos de aseguramiento de la calidad. a) Cuando un ensayo de aseguramiento de la calidad es en un tiempo determinado, como la degradación por los rayos ultravioleta, no se utilizan más ensayos que dos unidades por un lote único. Mantenga la información sobre el número de dicho ensayo por lote y suministre la información si es requerida por el comprador.

Tabla 1. Número de unidades a ser seleccionadas como lote muestra Número de unidades Número de unidades en el lote seleccionadas 1a2

1

3a8

2

9 a 27

3

28 a 64

4

65 a 125

5

126 a 216

6

217 a 343

7

344 a 512

8

513 a 729

9

730 a 1000

10

1001 o más

11

36

M ANUAL DE DISEÑO

Tabla 2. Número de unidades a ser seleccionadas como lote muestra. Aseguramiento de la calidad Número de unidades Número de unidades en el lote seleccionadas 1 a 200

1

201 a 500

2

501 a 1000

3

1001 o más

4

REFERENCIAS ASTM D 4354 - 89 ASTM D 4439

2.9 PRÁCTICA PARA ESTABLECER LA CONFORMIDAD DE ESPECIFICACIONES DE GEOSINTÉTICOS INV E–909 Esta práctica establece el procedimiento para determinar la conformidad de las propiedades de los geosintéticos frente a unas especificaciones establecidas por parte del diseñador. Esta práctica ofrece una manera con la que un comprador puede determinar la conformidad de las propiedades de un geosintético, obteniendo la aprobación o rechazo de un producto según la especificación de los materiales. Esta práctica ha sido desarrollada con un énfasis especial para la puesta en marcha y realización de un estricto programa de control de calidad, del que todo geosintético es sometido antes de ser despachado, situación que debe ser verificada por parte del interventor responsable de la obra.

PROCEDIMIENTO 1. Dividir en lotes, seleccionar las muestras de lote y obtener las muestras de laboratorio tal como lo exige la norma INV E - 908. 2. Ensayar el número de especímenes, tal como lo establece el método de ensayo que se está aplicando. 3. Si el promedio de los resultados de los ensayos practicados a las unidades individuales de muestreo por cada lote satisface todos los valores establecidos por las especificaciones, el lote es aceptado. 4. Si el promedio obtenido de una o algunas de las especificaciones establecidas de las unidades individuales de muestreo del lote no cumple uno o más valores establecidos por las especificaciones, el lote deberá ser muestreado nuevamente y se deberán realizar los ensayos, excepto lo anotado en el numeral c. a) Si cualquier unidad individual de muestreo del lote no alcanza los valores especificados, ésta no deberá ser incluida en el lote para nuevos muestreos. b) La utilización de las unidades de muestreo que no alcancen los valores especificados, será establecida entre el interventor y el contratista. c) Si todas las unidades de muestreo no alcanzan los valores establecidos, se rechazará el lote completamente, sin posibilidad de re-muestreos y ensayos. 37


d) El tamaño del re-muestreo deberá ser determinado al menos por lo indicado en el numeral 4.1. 5. El lote es aprobado, si el promedio de los valores de los ensayos de las unidades del remuestreo satisface los valores establecidos por las especificaciones. 6. El lote se rechazará si el promedio de los valores de los ensayos de las unidades del remuestreo, no satisface uno o más de los valores especificados. 7. Se rechazará cualquier lote que no alcance las especificaciones.

REFERENCIAS ASTM D 4759 – 88 (Reaprobada 1992) ASTM D 4439

2.10 MÉTODO DE ENSAYO PARA MEDIR EL DETERIORO DE GEOTEXTILES A LA EXPOSICIÓN DE LUZ ULTRAVIOLETA Y AGUA, (APARATO DEL TIPO ARCO XENON) INV E – 910 Este método cubre la evaluación de la disminución de la resistencia a la tensión de geotextiles expuestos a luz ultravioleta y al agua. El aparato para la exposición a la luz y al agua, emplea como fuente de luz un arco de xenón. Los geotextiles son elaborados con diferentes procesos y formulaciones de polímeros, haciendo que posean diferentes sensibilidades a la radiación ultravioleta. Esta radiación proveniente del Sol, cambia según el tiempo de exposición, el ángulo de inclinación sobre el horizonte; condiciones topográficas, atmosféricas y la geografía del lugar. El ensayo que usa el arco de Xenón no puede simular todas estas variables, por lo que se debe relacionar directamente este ensayo a la luz artificial, con resultados de ensayos de exposición directa al sol para cada geotextil específico, al igual que para cada lugar. Este procedimiento evalúa geotextiles bajo condiciones normalizadas de humedad y temperatura para tres diferentes periodos de tiempo junto con probetas sin exposición a la luz ultravioleta. Este método de ensayo permite al usuario desarrollar curvas de degradación de los geotextiles que se estén ensayando. La curva de deterioro obtenida de este ensayo permite al usuario determinar la forma de como se deteriora un geotextil cuando está expuesto simultáneamente a la luz ultravioleta y al agua. El equipo requerido para realizar este ensayo es el siguiente: 1. Aparato de arco Xenón, bien de tipo BH o C: El aparato debe estar en capacidad de exponer a los especímenes a ciclos de luz solamente, seguido de un rocío de agua junto con exposición a la luz bajo condiciones controladas de atmósfera de ensayo y deberá estar equipado con un filtro de vidrio de borosilicato tanto interna como externamente. 2. Aparato para ensayo de resistencia: conforme al o descrito para el ensayo GRAB, (ASTM D-4632, o INV E-901).

PREPARACIÓN DE LOS ESPECIMENES Tomar de cada muestra de laboratorio, dos pedazos que posean un metro cuadrado, (1m2) cada uno. Se debe desechar una franja en cada borde de la muestra de laboratorio correspondiente a 1/10 del ancho de ésta para tomar

38

M ANUAL DE DISEÑO

cada una de las áreas de 1 m2, de donde se tomarán los especímenes de ensayo. Uno de estos será usado para realizar las evaluaciones en el sentido de la producción o urdimbre y el otro en el sentido transversal o trama. Se seleccionarán aleatoriamente 20 especímenes con una dimensión de 150 mm de largo, por 20 mm de ancho.

PROCEDIMIENTO Usar el aparato de ensayo Xenón - Argón tal como lo establece la practica G 26, usando al método A y aparato tipo BH o C. Se usará un ciclo de cámara de 120 minutos, como se define a continuación. 90 minutos de luz a una temperatura de 65 +/- 5 °C, de panel negro, y 30 +/- 5% de humedad relativa, seguido de 30 minutos de luz y rocío de agua.

Cuando estén disponibles radiómetros capaces de medir porciones discretas de espectro continuo, se establecerá un nivel de radiación mínimo de 0.35 W/m2 con una pasabanda de 1nm a 340 nm. Cuando no se cuente con radiómetros, se determinará el nivel de wattios según la practica G 26. Aleatoriamente seleccione 5 especímenes por cada dirección principal de la muestra de laboratorio y a los que se les asignará a cada uno los siguientes tiempos de exposición: 0 (sin exposición),150, 300 y 500 horas. Coloque en el aparato 15 especímenes de cada dirección principal tomados de la muestra de laboratorio, se colocara con la cara que estará más expuesta en el campo, de tal forma que quede más expuesto ése lado dentro del aparato. Rote la posición de los especímenes como se establece en la práctica G-26. al final de cada tiempo de exposición, extraiga del aparato 5 especímenes de cada dirección para ser sometidos al ensayo de tensión Grab, INV E - 901, (ASTM D 4632).


2.11 MÉTODO ESTÁNDAR PARA DETERMINAR LA RETENCIÓN DE ASFALTO DE GEOTEXTILES USADOS EN REPAVIMENTACIONES ASFÁLTICAS INV E – 911 Esta norma consiste en medir la capacidad de retención asfáltica de los geotextiles de repavimentación la cual se define como el volumen de cemento asfáltico retenido por geotextiles de repavimentación por unidad de área del espécimen después de ser sumergido en cemento asfáltico. El uso de este método esta dado para establecer un valor índice para proveer criterios estándar y una base para reportes uniformes. Los especímenes de ensayo son pesados individualmente antes de ser sumergidos en cemento asfáltico que será usado para la capa superior. El cemento asfáltico se mantiene a una temperatura específica. Después de ser sumergidos, los especímenes son colgados para ser secados en horno por un periodo de tiempo especificado en el horno a la misma temperatura. Después de haber sido completado el proceso de ser los especímenes sumergidos y secados, cada espécimen es pesado y la retención asfáltica es determinada. Este método de ensayo se refiere al procedimiento para determinar la retención de asfalto para geotextiles. Geotextiles de repavimentación son usados en un sistema de membrana textil como intercapa en pavimentos previa a la colocación de una capa asfáltica superior. El equipo requerido para realizar este ensayo es el siguiente: 1. Escala o balanza: La balanza debe tener una capacidad y una sensibilidad suficiente para pesar los especímenes con una precisión de ± 0.1 gramos. La precisión de la escala deberá ser certificada por una autoridad reconocida.

39


2. Troquel de corte: El troquel debe medir 100 mm por 200 mm (4 por 8 pulg) con una tolerancia de 1mm (1/16 pulg) en cada dimensión. 3. Horno convencional mecánico: Deberá tener la capacidad de mantener la temperatura requerida de ensayo con una tolerancia de ± 2°C (4°F). 4. Cemento Asfáltico: Debe cumplir con unas condiciones de penetración 60 – 70 décimas de milímetros, o equivalente, o recomendado por la agencia especifica. El cemento asfáltico no deberá ser usado por más de tres series de ensayos. Calentar y enfriar repetidamente pueden variar los resultados del ensayo debido al manejo del asfalto.

Nota: Calentar y enfriar el asfalto repetidamente puede cambiar la viscosidad de este y conducir a valores más altos de retención de asfalto. Si se observa una tendencia de incremento en los valores de retención asfáltica, el cemento asfáltico debería ser cambiado. El número de especímenes necesarios para la prueba es de cuatro, cortados en la dirección transversal de la maquina y cuatro especímenes en la dirección de la maquina para cada muestra con una dimensión de 100 por 200 mm.

PROCEDIMIENTO 1. Seleccione en forma aleatoria cuatro especímenes en la dirección transversal y longitudinal de la maquina con una medida de 100 por 200 mm (4 por 8 pulgadas) de la muestra individual de ensayo. 2. Acondicione los especímenes de ensayo individualmente y luego péselos de manera individual con aproximándolos al 0.1 gr. 3. Precaliente el cemento asfáltico a 135 ± 2°C (275 ± 4°F). 4. Sumerja de los especímenes de ensayo en el cemento asfáltico especificado mantenido a una temperatura de 135 ± 2°C (275 ± 4°F) en un horno convencional mecánico. Mantenga los especímenes sumergidos por 30 min. Dos mordazas pueden ser colocadas en el geotextil, una en cada extremo para facilitar la manipulación del espécimen. 5. Después de la sumersión requerida, remueva el cemento asfáltico adicional de los especimenes saturados y cuélguelos para que se sequen (Longitud mayor vertical) en el horno a 135 ± 2°C (275 ± 4°F). Cuelgue los especímenes de ensayo por 30 minutos de un extremo y luego 30 minutos del otro extremo para obtener una saturación uniforme del geotextil. Antes de cambiar la dirección del colgado de la muestra, coloque dos mordazas en la parte inferior, lo cual hará más fácil colgar el espécimen. Después de que el espécimen es asegurado remueva la primera mordaza. 6. Permita que el cemento asfáltico se enfríe por 30 minutos y luego deseche cualquier exceso de cemento asfáltico tales como los goteos en los bordes, después de remover las mordazas que sostenían el espécimen. 7. Pese los especímenes saturados con una precisión de 0.1 gramos.

Nota: Se ha encontrado que este procedimiento puede no resultar en una completa saturación para geotextiles con una masa por unidad de área mayor a 170 g/m2. Para estos geotextiles, el interior de los especímenes debe ser inspeccionado visualmente buscando fibras que no han sido bañadas con asfalto. Si esta condición es encontrada, debe ser reportada con los resultados del ensayo.


40

M ANUAL DE DISEÑO

2.12 MÉTODO ESTÁNDAR PARA MEDIR LA MASA POR UNIDAD DE ÁREA DE GEOTEXTILES INV E – 912 En esta norma se dan las instrucciones para determinar la masa por unidad de área mediante la medida del peso de los especímenes de ensayo de dimensiones conocidas, obtenidos de lugares variados sobre el ancho total de la muestra de laboratorio. Los valores obtenidos se promedian para obtener la masa promedio por unidad de área de la muestra de laboratorio, la que a su vez se usara para determinar el valor mínimo promedio por rollo del lote, como resultado de la evaluación comparativa con los otros valores correspondientes de las muestras del lote. Este método de ensayo es utilizado para determinar si un geotextil cumple con la masa por unidad de área establecida por las especificaciones técnicas de un proyecto. Este método también puede ser utilizado para establecer la conformidad de un material dentro de las actividades de control de calidad durante el proceso industrial de producción. El equipo requerido para realizar este ensayo es una balanza, calibrada y con capacidad de hasta 5000 g con una precisión de 0.01 g. El mínimo número de especímenes de ensayo será de 5, obtenidos de manera que representen el ancho del rollo y en combinación con un área mínima de 100000 mm2. Cada espécimen de ensayo deberá poseer un área mínima de 10000 mm2. El corte entre especímenes de ensayo tendrá una precisión de ± 0.5% de su área. No se tomarán especímenes para ensayo dentro de los decimos de ancho de rollo a cada lado medido desde los bordes. Se acondicionan los especímenes hasta que alcancen la atmósfera para ensayos de geotextiles. Se considera que se ha alcanzado el equilibrio cuando el incremento en masa del espécimen en pesajes sucesivos, a intervalos no menores de 2 horas, no exceda el 0.1% de la masa del espécimen.

PROCEDIMIENTO 1. Evaluar el peso de los especímenes acondicionados a la atmósfera para ensayos para geotextiles. 2. Pese cada uno de los especímenes en forma separada, usando una balanza con precisión de 0.01g.


2.13 MÉTODO DE ENSAYO ESTÁNDAR PARA DETERMINAR LA RESISTENCIA AL PUNZONAMIENTO ESTÁTICA DE GEOTEXTILES USANDO UN PISTÓN DE PRUEBA DE 50MM DE DIÁMETRO INV E – 913 Esta norma establece el procedimiento para determinar la resistencia al punzonamiento estático de los geotextiles tomando una muestra que es sujetada por medio de abrazaderas sin ser tensionada entre placas circulares y es asegurada en una máquina de tensión o compresión, o ambas. Una fuerza es ejercida en el centro de la parte que esta sin apoyar por un pistón de acero fijo al indicador de carga hasta que ocurre la ruptura. La fuerza máxima registrada es el valor de la resistencia al punzonamiento. Esta metodología de ensayo es un índice usado para medir la fuerza requerida para punzonar un geotextil y/o productos relacionados. El tamaño relativamente grande del pistón provee una fuerza multidireccional en el geotextil. El equipo requerido para realizar este ensayo es el siguiente:

41


1. Máquina de Ensayo. debe ser del tipo tasa - constante de Extensión (CRE), con registrador gráfico que se ajuste a la especificación D 76. 2. El pistón. con un diámetro plano de 50 milímetros ± 1mm con un borde radial de 2.5mm ± 0.5mm. 3. Aparatos de fijación. constan de platos concéntricos con un diámetro interno de 150mm, capaz de sujetar el espécimen sin que este se deslice (Él limite del deslizamiento de la muestra durante la prueba es de 5mm). El diámetro externo se sugiere sea de 250mm. El diámetro de los agujeros usados para asegurar la abrazadera en anillo se sugiere sea de 11mm y estén igualmente espaciados en un diámetro de 220mm. 4. Las superficies de estas placas pueden ser de estrías de caucho en forma de O, o papel lija áspero pegadas en ambas superficies. Se recomienda que los pernos de 9.5mm estén soldados al plato inferior de modo que la placa superior pueda montar sobre los pernos y las tuercas se puedan apretar con facilidad. Un bloque guía puede facilitar la puesta de la muestra que se quiere fijar. Otros métodos de fijación que eviten el deslizamiento de la muestra son aceptables.

PROCEDIMIENTO 1. Lleve las muestras al equilibrio de humedad en las condiciones ambientales para evaluar geotextiles. Se considera haber llegado al equilibrio cuando el aumento en la masa de la muestra en pesajes sucesivos hechos a intervalos no menores de 2 h no sobrepasa en 0.1 % la masa de la muestra. En la práctica se conoce que en los geotextiles frecuentemente no es fácil controlar los incrementos de peso y por ende determinar cuando se ha alcanzado el equilibrio. En estos casos puede ser suficiente en las pruebas de rutina exponer la tela a la atmósfera especificada por un período de tiempo razonable antes de que los especímenes sean evaluados. En la mayoría de los casos se ha encontrado que un tiempo de al menos 24 horas es aceptable. 2. Escoja el rango de carga en la máquina de ensayos de tensión de forma que la ruptura ocurra entre 10 y 90 % de dicho rango. 3. Centre y asegure la muestra entre las placas asegurándose que la muestra se extienda más allá de los bordes exteriores de las placas luego se sujetar con abrazaderas. 4. Marque en la muestra el círculo interior del anillo. Esto permite controlar el deslizamiento de la muestra. 5. Si se observa un desplazamiento mayor a 5mm, la prueba debe ser descartada y repetida. 6. Realice el ensayo a una velocidad de 50mm/min hasta que el pistón de punzonamiento rompa completamente la muestra. Lea el valor de resistencia máxima y el desplazamiento registrada por el instrumento de medición durante el ensayo. Para evaluar geotextiles compuestos, puede presentarse un pico doble. Si es así, el valor inicial debe ser el reportado incluso si el segundo es más alto.

REFERENCIAS ASTM D6241 – 99

2.14 MÉTODO DE ENSAYO ESTÁNDAR PARA DETERMINAR EL COEFICIENTE DE FRICCIÓN SUELO - GEOSINTÉTICO Y GEOSINTÉTICO - GEOSINTÉTICO POR EL MÉTODO DE CORTE DIRECTO ASTM D 5321 – 02 La resistencia al corte entre un geosintético y un suelo, u otro material, es determinado colocando el geosintético y una o más superficies de contacto, como un suelo, dentro de la caja de corte directo. Una fuerza normal constante

42

M ANUAL DE DISEÑO

y representativa del nivel de esfuerzos es aplicada sobre la muestra y una fuerza tangencial o cortante es aplicada al aparato, para que una sección de la caja se mueva en relación a la otra sección, la fuerza cortante es tomada en función del desplazamiento horizontal entre las secciones de la caja de corte. La prueba es desarrollada con un mínimo de tres diferentes esfuerzos normales, seleccionados por el usuario, para modelar las condiciones apropiadas de campo. Los valores tomados de esfuerzo cortante son graficados contra los esfuerzos normales aplicados usados en la prueba. Los datos de la prueba son representados por la línea de falla cuya inclinación es el coeficiente de fricción entre los materiales y el punto de corte en el eje de las ordenadas será el valor de adhesión. Este método de prueba cubre el procedimiento para determinar la resistencia al corte de un geosintético contra un suelo, o geosintético contra geosintético, bajo una tasa constante de deformación. El método de prueba se lleva a cabo para indicar el desempeño de los materiales seleccionados modelando las condiciones de campo. Los resultados obtenidos por este método, pueden ser limitados en la medida de su aplicabilidad en las condiciones específicas consideradas para el ensayo. El equipo necesario para realizar este ensayo es el siguiente: 1. Equipo de corte: El equipo consiste en dos contenedores uno fijo y uno móvil, ambos deben ser capaces de contener la muestra de suelo húmeda o seca, y deben ser lo suficientemente rígidos para no distorsionar los resultados durante el ensayo de corte. El contenedor móvil debe tener un mecanismo que asegure el movimiento de la caja con una fricción mínima y únicamente en la dirección paralela a la fuerza de corte aplicada. 2. Contenedores de la muestra: Estos pueden ser cuadrados y rectangulares y deben tener una dimensión mínima de 30mm o 15 veces el d85 del suelo de muestra o 5 veces el máximo de la abertura de poros del geosintético de la muestra. La profundidad de cada caja debe ser de al menos 50mm o 6 veces el tamaño máximo de la partícula del suelo de muestra. 3. Equipo de aplicación de carga vertical: Debe ser capaz de aplicar y mantener una fuerza normal constante sobre la muestra durante la prueba. El tipo de aplicación de carga, puede ser por peso, por sistemas hidráulicos o neumáticos, o pistones. 4. Equipo de aplicación de carga de corte: Debe ser capaz de aplicar y mantener una fuerza cortante sobre la muestra a una tasa de desplazamiento constante en dirección paralela a la caja móvil. La tasa de desplazamiento debe ser controlada con una precisión de ±10% con un rango de desplazamiento de al menos 6.35 mm/min a 0.025mm/min. Este equipo debe ser conectado al aparato de prueba de tal manera que el punto de aplicación de la fuerza este en el plano de la interfase de corte y se mantenga igual para todas las muestras. 5. Indicadores de desplazamiento: Estos indicadores deben ser capaces de medir desplazamiento de al menos 75mm para desplazamientos horizontales y 25mm para desplazamientos verticales. La sensibilidad de estos indicadores debe ser de 0.02mm para desplazamientos horizontales. 6. Preparación del suelo de muestra: En pruebas que utilicen suelo como superficie de fricción se deben llevar las recomendaciones de compactación dadas en las normas ASTM D 698 o D 1557 o D 3080.

PROCEDIMIENTO 1. Colocar la muestra de suelo en el contenedor inferior, compactándolo al contenido de humedad óptima para obtener la densidad deseada. Llene el contenedor inferior con suelo hasta alcanzar una altura por encima del borde

43


de la caja de al menos un medio del d85 del suelo, como se describe en el método de corte directo (consolidado drenado) del método ASTM D 3080. 2. Colocar el geosintético sobre el suelo de sustrato. Remueva todos los dobleces y arrugas que tenga el geosintético. Sujete o fije de alguna manera el borde del geosintético y verifique que este en su superficie en completo contacto con el suelo de sustrato. 3. Fije las dos mitades de la caja de corte, en la posición de inicio, sujete la caja móvil para evitar su movimiento durante la colocación y compactación del suelo de muestra ubicado sobre el geosintético. 4. El suelo de relleno de la caja móvil debe ser compactado a la densidad y humedad deseada para minimizar el daño al geosintético. 5. Aplicación de la carga normal inicial. Si la prueba es para una condición húmeda, se debe saturar el material y monitorear el desplazamiento vertical hasta que la muestra logre el equilibrio. 6. Si la carga inicial es menor que la carga de prueba, aplicar la carga normal de prueba y monitorear el desplazamiento vertical, hasta que la muestra llegue al equilibrio. Verifique que el equilibrio es obtenido antes de proceder. 7. Ubique los indicadores de desplazamiento horizontales y ensamble el equipo de carga cortante. 8. Aplique la fuerza cortante usando una tasa constante de desplazamiento suficientemente lenta para disipar la presión de poros, como es descrito el método ASTM D 3080. La tasa de corte debe ser definida según los requerimientos del usuario. Si no existe presión de poros en la muestra, se recomienda aplicar la carga cortante a una tasa de 1mm/min. 9. Tomar la fuerza cortante en función del desplazamiento horizontal, tomar como mínimo 50 puntos por muestra. 10. Lleve a cabo la prueba hasta que la fuerza cortante aplicada se mantenga constante con un incremento del desplazamiento. Los rangos de desplazamiento van desde 25 hasta 75mm que son valores necesarios para generar una fuerza de corte constante entresuelo y geosintéticos. 11. Remueva la carga normal y desensamble el equipo al final de la prueba. Inspeccione cuidadosamente e identifique la superficie de falla. Las fallas deben ser consistentes para todas las pruebas realizadas para que los datos de las pruebas puedan ser comparables. 12. Al final de la prueba se debe tomar una muestra del suelo utilizado para determinar el contenido de humedad y densidad de la muestra. 13. Repetir el procedimiento por un mínimo de dos esfuerzos de compresión normales adicionales. 14. Graficar los datos de la prueba de fuerza cortante aplicada contra desplazamiento horizontal. Para esta gráfica identifique los valores máximos de la fuerza cortante. Determine el desplazamiento horizontal para estas fuerzas cortantes.

REFERENCIAS ASTM D 5321- 02 ASTM D 698 ASTM D 1557 ASTM D 3080

44

M ANUAL DE DISEÑO

2.15 MÉTODO DE ENSAYO PARA DETERMINAR LA TASA DE FLUJO Y LA TRANSMISIVIDAD HIDRÁULICA DE UN GEOSINTÉTICO UTILIZANDO UNA CABEZA CONSTANTE ASTM D 4716 – 03 La tasa de flujo por unidad de ancho es determinada midiendo la cantidad de agua que pasa por un espécimen de prueba en un intervalo específico de tiempo bajo un esfuerzo normal y un gradiente hidráulico especifico. La transmisividad hidráulica debería ser determinada sólo por pruebas que exhiben una tasa de flujo lineal por unidad de ancho contra el gradiente relacionado, es decir, flujo laminar. El equipo necesario para realizar este ensayo es el siguiente: 1. Base: Es una superficie plana y lisa, con una medida suficiente para poder alojar al espécimen de prueba. Para pruebas con geotextiles, todas las superficies deberán estar cubiertas con una capa de caucho para filtraciones. 2. Reservorio: Este puede ser de material plástico, de vidrio o metal. Su altura debe ser al menos igual a la longitud total del espécimen, este debe tener la capacidad de mantener un nivel constante de agua para cualquier altura de ensayo. 3. Mecanismo de carga: Este mecanismo debe ser capaz de generar un esfuerzo normal a la compresión sobre el espécimen de la prueba en un rango desde los 10KPa hasta por lo menos 500KPa sobre un área aproximada de 300mm por 300mm que son las dimensiones recomendadas para el tamaño del espécimen. 4. Vertedero de desagüe: Debe ser por lo menos del ancho de la base o ancho del espécimen, puede ser rectangular o triangular y debe estar localizado a una altura mayor a la del espécimen. 5. Colector de desagüe: El colector debe tener el tamaño suficiente para poder captar el flujo de salida del aparato para poder ser medido para posteriores cálculos. 6. Manómetros: Están ubicados a la entrada y a la salida del espécimen, los manómetros deben ser en tubería transparente y deben tener una altura por lo menos igual a la altura del nivel máximo de agua alcanzado en el reservorio.

PROCEDIMIENTO Los gradientes hidráulicos y las superficies de contacto del espécimen son seleccionados por el usuario, ya sea para una prueba índice o como una prueba de desempeño para modelar una serie de parámetros dados, tan cercano como sea posible. Estas medidas pueden ser repetidas bajo el incremento del esfuerzo normal seleccionado por el usuario. 1. Poner el material de base, si lo hay, sobre el aparato de prueba. 2. Cortar el espécimen de prueba a las dimensiones requeridas y luego poner el espécimen de prueba sobre el de base, asegurándose que todas las arrugas, dobleces, etc, sean eliminados. 3. Sellar los lados del espécimen paralelos a la dirección del flujo recubriendo el espécimen de prueba con una membrana delgada de caucho o plástico, de baja compresividad, usando un sello de borde de caucho o cera para prevenir la filtración. 4. Poner el recubrimiento sobre el material de prueba, si lo hay. 5. Ubicar el plato de carga en el montaje de prueba, aplicando un pequeño esfuerzo, entre 5 a 10 KPa, e ir llenando lentamente el embalse con agua, permitiendo que el agua fluya por el espécimen de prueba. 6. Desde este punto de la prueba en adelante, el espécimen debe mantenerse saturado en todo momento. 7. La temperatura de la prueba debe estar controlada y debe mantenerse a 21± 2oC durante la duración de la prueba.

45


8. Verificar si existen corrientes de flujo en los limites del espécimen, si los hay se debe reacomodar el espécimen como es requerido en el procedimiento. 9. Poner el espécimen bajo el mínimo esfuerzo normal por un periodo mínimo de 15 minutos. 10. El periodo mínimo de posicionamiento sugerido puede no ser suficiente para pruebas en geosintéticos que puedan presentar inestabilidad estructural con el paso del tiempo u otra respuesta a la compresibilidad que impacten la tasa de flujo para esfuerzos aplicados por más de 15 minutos. El periodo de prueba se debe establecer con base a la compresión a largo plazo y esfuerzos comparables a los que posiblemente se pueda someter el material. 11. Para pruebas de desempeño, el periodo establecido de prueba se tiene que extender considerablemente para poder determinar la tasa de flujo a largo plazo, especialmente para cierto tipo de geosintéticos y secciones que incluyan suelos que puedan presentar compresiones o deformaciones a largo plazo. 12. Luego de que el periodo de prueba haya finalizado, llenar el reservorio al nivel correspondiente para el gradiente seleccionado para la prueba. 13. Para determinar el gradiente hidráulico se computa la diferencia entre las elevaciones del nivel del agua entre el reservorio y los manómetros, dividiendo esta diferencia por la longitud del espécimen de prueba. Para la mayoría de las pruebas la longitud del espécimen es de 300mm. Para variar el gradiente se debe ajustar la altura en el reservorio y calcular de nuevo este valor. 14. En el momento que se observe flujo laminar a través del espécimen, que permita por lo menos un flujo de 0.0005m3 a través del espécimen. Tomar el tiempo requerido por lo menos por otros 0.0005m3 de agua adicionales que pasen a lo largo del espécimen, si este tiempo excede los 15 minutos, anotar la cantidad recolectada a loso 15 minutos para calcular la tasa de flujo por unidad de ancho o la transmisividad hidráulica, o ambas. Repetir esta lectura por lo menos 3 veces por cada gradiente hidráulico seleccionado. 15. Incrementar el esfuerzo normal a compresión y repetir el procedimiento mencionado para el cálculo de la tasa de flujo, hasta alcanzar el nivel máximo de esfuerzo deseado. 16. Comparar los datos de la tasa de flujo de cada prueba realizada, en una curva de calibración apropiada para el aparato. Para la tasa de flujo dada, si el valor del gradiente hidráulico por bloque de calibración es mayor al 5% del gradiente correspondiente al geosintético, entonces los datos de la prueba se invalidan, y el aparato no puede ser usado para evaluar la condición de la prueba modelada. 17. Repetir el anterior procedimiento para los demás especimenes de prueba.

REFERENCIAS ASTM D4716 – 03

2.16 MEDIDA DEL POTENCIAL DE COLMATACIÓN DE UN SISTEMA SUELO – GEOTEXTIL POR LA VARIACIÓN DEL GRADIENTE HIDRÁULICO ASTM D 5101 – 90 Este método de ensayo es aplicado para determinar el comportamiento que tiene un sistema suelo – geotextil frente al efecto de la colmatación en la variación de la permeabilidad con el paso del tiempo. El ensayo requiere una cámara de filtración vertical, un filtro al cual se le aplicará el ensayo y el suelo con el cual se quiera ensayar el filtro. A este sistema se le hará circular agua a diferentes gradientes hidráulicos y se le medirá en diferentes intervalos de tiempo las alturas piezométricas y los caudales para así determinar el taponamiento y la permeabilidad del filtro.

46

M ANUAL DE DISEÑO

El equipo necesario para realizar este ensayo es el siguiente: 1. Cámara de filtración vertical: Tres secciones principales, dos anillos con rosca, mangueras y soportes de entrada a la cámara. 2. Tabla de piezómetros: Consta de once tubos paralelos y una escala graduada. 3. Dos recipientes graduados: Con una capacidad de 700 cm3 y con una entrada y salida de flujo. 4. Un recipiente graduado: Con una capacidad de 100 cm3 para medir caudales. 5. Filtro: Si es un filtro diseñado en geotextil sólo se le realiza la prueba a la tela. 6. Sistema de recirculación de agua. 7. Sistema de desaireamiento de agua. 8. Cilindro de madera: 50mm de diámetro por 150mm de largo, este cilindro se utilizará para compactar el material.

PROCEDIMIENTO El agua usada en la prueba debe permanecer a una temperatura ambiente de 16 a 27oC; además tendrá que someterse a un proceso de desaireación, en donde el aire disuelto en el agua no supere las 6 partes por millón. Si el agua no se somete a este proceso, se pueden presentar problemas de burbujas de aire, causando una disminución de la permeabilidad y en consecuencia los datos medidos en el ensayo resultaran errados. La norma ASTM recomienda que la extracción del aire se debe realizar por medio de una bomba de vacío, la cual absorbe el aire disuelto en el agua.

Ensamble de la Cámara de Filtración 1. Colocar la sección inferior de la cámara de filtración en un lugar totalmente horizontal y de fácil acceso. 2. Colocar el soporte de filtro sobre el anillo interno de la cámara. 3. Enroscar el primer anillo de la cámara. 4. Colocar una capa del material del filtro de 4cm de espesor. 5. Enroscar la sección intermedia de la cámara de filtración al anillo y sección inferior. 6. Colocar el material del filtro restante hasta el anillo interior de la sección intermedia. 7. Preparar y secar el material que se va a ensayar con una anterioridad de mínimo tres días, después de seco pasar por el material por el tamiz No. 10 y seleccionar aproximadamente 1350g del material que pasa. El material con un tamaño superior al del tamiz No. 10 se puede eliminar. 8. Colocar el material en capas de 25mm aproximadamente y distribuirlo con una cuchara o una herramienta parecida. La compactación del material se hace golpeando 6 veces la cámara de filtración con un cilindro de madera. Cuando el material llegue al borde de la sección superior de la cámara se debe enrasar con una espátula y retirar el material sobrante. 9. Enroscar el anillo superior de la sección intermedia para enroscar la sección superior al anillo. 10. Conectar con piezómetros 1 al 11 a los respectivos de la tabla de piezómetros. 11. Purgar el sistema con CO2 a un flujo constante de 2 l/min y por un mínimo de 5 min. 12. Remover todas las burbujas de aire presentes en los piezómetros.

47


13. Conectar el tubo de salida de agua de la cámara, al del recipiente de entrada, e iniciar la operación de llenado. Cuando el nivel de agua alcance el filtro, iniciar la operación de llenado. Cuando el nivel de agua alcance el filtro, iniciar una operación de llenado lento (cada media hora se asciende el nivel del agua 25mm) con el fin de prevenir la formación de burbujas de aire en el suelo, las cuales distorsionan las medidas. 14. Una vez se llene completamente la cámara, se cierra la válvula de ventosa (ubicada en la parte superior de la cámara) y se deja el sistema en reposo por un espacio de 12 h. Esta operación se realiza con el fin de saturar completamente el sistema. 15. Revisar y remover de nuevo las burbujas de aire que se encuentren dentro de los tubos de los piezómetros. 16. Medir la temperatura del agua dentro del permeámetro.

Toma de datos: 1. Tomar un datum o nivel de referencia con respecto a la tabla de piezómetros. 2. Conectar el recipiente de entrada al tubo de entrada de la cámara luego calcular y ajustar la elevación de este para lograr un gradiente hidráulico de 1. 3. Tomar los siguientes datos cada 0, ½, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 24 h. 4. Tiempo en horas (acumulado) 5. Volumen de agua medido en cm3. Con una duración y cantidad mínima de 30s y 10cm3. 6. Temperatura del agua en oC. 7. El nivel de cada uno de los piezómetros. 8. Después de leer el dato de las 24 h, elevar el dispositivo de entrada hasta obtener un gradiente hidráulico de 2.5. A los 30 minutos escribir todos los datos. 9. Después de leer el dato de la media hora elevar el dispositivo de entrada hasta obtener un gradiente hidráulico de 5. En este gradiente hidráulico se leen todos los datos a partir de las 0 hasta las 24 h. 10. Después de leer el dato de las 24 h, elevar el dispositivo de entrada hasta obtener un gradiente hidráulico de 7.5. A los 30 minutos escribir todos los datos. 11. Después de leer el dato de la media hora elevar el dispositivo de entrada hasta obtener un gradiente hidráulico de 10. En este gradiente hidráulico se leen todos los datos a partir de las 0 hasta las 24 h. 12. Siguiendo este procedimiento se puede leer cualquier gradiente que se desee, lo importante es que la elevación debe ser gradual, siendo el máximo gradiente 2.5 y conservando esta por un mínimo de 30 min.

REFERENCIAS ASTM D 5101 – 90

48

M ANUAL DE DISEÑO

ESPECIFICACIONES DE CONSTRUCCIÓN ARTÍCULO 231 SEPARACIÓN DE SUELOS DE SUBRASANTE Y CAPAS GRANULARES CON GEOTEXTIL 231.1 DESCRIPCIÓN Esta especificación se refiere al uso de geotextiles para prevenir la mezcla entre los suelos de subrasante y agregados o materiales seleccionados para conformar subbases, bases, o materiales para construir terraplenes; los que se colocarán sobre el geotextil de acuerdo a un espesor de diseño y valores de compactación establecidos, en los sitios señalados por los planos del proyecto o los indicados por el Interventor. Esta especificación se basa en la supervivencia de los geotextiles frente a los esfuerzos producidos durante la instalación.

231.2 MATERIALES Las propiedades requeridas del geotextil para separación deben estar en función de la gradación del material granular, de las condiciones geomecánicas del suelo de subrasante y de las cargas impuestas durante la ejecución de los trabajos, permitiendo en todo momento el libre paso del agua.

231.2.1 Geotextil Se emplearán geotextiles Tejidos o No Tejidos elaborados a partir de polímeros sintéticos de cadena larga, compuestos con un porcentaje mínimo del 95% en peso de poliolefinas o poliester. El geotextil a utilizar deberá cumplir con las propiedades mecánicas e hidráulicas que se presentan a continuación.

231.2.1.1 Requerimientos de las propiedades mecánicas Las propiedades de resistencia de los geotextiles dependen de los requerimientos de supervivencia y de las condiciones y procedimientos de instalación. Estas propiedades corresponden a condiciones normales de instalación.

49


Tabla 1. Requerimientos de las propiedades mecánicas del geotextil (medidas en el sentido mas débil del geotextil) Valor Mínimo Valor Mínimo Promedio Por Rollo Promedio Por Rollo (VMPR) (1) (VMPR) (1)

Propiedad

Norma De Ensayo

Elongación medida

INV E - 901

Elongación <50% (2)

Elongación ≥ 50% (3)

Resistencia a la tensión (Grab)

INV E - 901

1100 N

700 N

Resistencia a la costura

INV E - 901

990 N

630 N

Resistencia a la penetración con pistón 50mm de diámetro

INV E - 913

2200 N

1375 N

Resistencia al rasgado trapezoidal

INV E - 903

400 N(4)

250 N

(1) Los valores numéricos de la Tabla corresponden al valor mínimo promedio por rollo (VMPR). El valor mínimo promedio por rollo, es el valor mínimo de los resultados de un muestreo de ensayos de un proceso para dar conformidad a un lote que está bajo comprobación, el promedio de los resultados correspondientes de los ensayos practicados a cualquier rollo del lote que se está analizando, debe ser mayor o igual al valor presentado en esta especificación y corresponde a la traducción del nombre en Ingles “Minimun Average Roll Value (MARV)”. Desde el punto de vista del productor, corresponde al valor promedio del lote menos dos (2) veces la desviación estándar de los valores de la producción. (2) La elongación < 50% hace referencia a los geotextiles tejidos, medida según ensayo INV E-901. (3) La elongación > 50% hace referencia a los geotextiles no tejidos, medida según ensayo INV E-901. (4) El valor (VMPR) para la resistencia al rasgado trapezoidal de los geotextiles tejidos monofilamento es de 250 N.

231.2.1.2 Requerimientos de propiedades hidráulicas Tabla 2. Requerimientos mínimos de propiedades hidráulicas del geotextil Norma De Ensayo

Valor Mínimo Promedio Por Rollo (VMPR)

Permitividad (5)

INV E-905

0.02 s-1

Tamaño de Abertura Aparente (6)

INV E-907

0.60 mm

Estabilidad Ultravioleta

INV E-910

50% después de 500 h de exposición

Propiedad

(5) La Permitividad del geotextil debe ser mayor que la permitividad del suelo (ψg>ψs). El interventor también podrá exigir una permeabilidad del geotextil mayor que la presentada por el suelo (kg>ks). (6) El valor del Tamaño de Abertura Aparente (TAA) representa el valor máximo promedio por rollo.

50

M ANUAL DE DISEÑO

231.2.2 Material Granular Este material debe cumplir con las especificaciones y características para Afirmado (Artículo 311), Subbase Granular (Artículo 320) y Base Granular (Artículo 330) en el caso de que se esté proyectando la conformación de estructura para vía, o con características de material seleccionado para la conformación de terraplenes.

231.2.3 Subrasante Para considerar que la función de separación se dé por parte del geotextil, el suelo de subrasante deberá presentar un CBR mayor o igual a 3 (CBR > 3, o que la resistencia al corte sea mayor a 90 KPa aproximadamente) y estar en condición de no saturación.

231.3 EQUIPO Se deberá disponer de los equipos necesarios para colocar el geotextil correctamente y el requerido para explotar, triturar, procesar, cargar, transportar, colocar y compactar el material granular.

231.4 EJECUCIÓN DE LOS TRABAJOS 231.4.1 Generalidades El Interventor exigirá al Constructor que los trabajos se efectúen con una adecuada coordinación entre las actividades de preparación del terreno, la colocación del geotextil y la colocación y compactación del material de relleno, de manera que el geotextil quede expuesto el menor tiempo. Será responsabilidad del Constructor la colocación de elementos de señalización preventiva en la zona de los trabajos, la cual deberá ser visible durante las veinticuatro (24) horas del día. El diseño de la señalización requerirá la aprobación del Interventor.

231.4.2 Preparación del terreno La colocación del geotextil sólo será autorizada por el Interventor cuando el terreno se haya preparado adecuadamente, removiendo los bloques de roca, troncos, arbustos y demás materiales inconvenientes sobre la subrasante, excavando o rellenando hasta la rasante de diseño, de acuerdo con los datos indicados en los planos del proyecto o los ordenados por el Interventor.

231.4.3 Colocación del geotextil El geotextil se deberá extender en la dirección de avance de la construcción, directamente sobre la superficie preparada, sin arrugas o dobleces. Si es necesario colocar rollos adyacentes de geotextil, éstos se deberán traslapar o unir mediante la realización de costura, de acuerdo al numeral 231.4.4 de esta especificación. El mínimo traslapo deberá ser de treinta centímetros (0.30 m) y dependerá tanto del CBR de la subrasante como del tráfico que vaya a circular sobre la vía durante la construcción. En las curvas, el geotextil puede ser cortado con sus correspondientes traslapos o costuras, o doblado, para desarrollar la geometría de la curva propuesta. El mínimo traslapo permitido para las aplicaciones que se refieren a la separación de materiales que trata esta especificación, es de 0.30 m. Para todo final de rollo el traslapo mínimo será de 1.00 m; en reemplazo de éste traslapo podrá usarse una costura bajo las condiciones descritas en el numeral 231.4.4, que se expone a continuación.

51


Tabla 3. Traslapos mínimos Condición

TRASLAPO MINIMO

CBR Mayor a 3%

30 cm. o costura

Todo final de rollo

1m

No se permitirá que el geotextil quede expuesto, sin cubrir, por un lapso mayor a tres (3) días.

231.4.4 Elaboración de costuras Para obtener una buena calidad en las costuras se deben tener en cuenta los siguientes condicionamientos. Usualmente la costuras tanto realizadas en campo como las desarrolladas durante la manufactura deben considerar los siguientes aspectos que dependerán del diseño correspondiente y son: 1. Tipo de hilo: Kevlar, Aramida, Polietileno, Poliéster o Polipropileno. No se permitirán hilos elaborados 100% a partir de fibras naturales, e incluso Nylon. Cuando se propongan hilos compuestos por fibras sintéticas y fibras naturales, no se permitirán aquellos que tengan 10% o más en peso de fibras naturales. No se permitirán costuras elaboradas con alambres. 2. Densidad de la puntada: Mínimo de 150 a 200 puntadas por metro lineal. 3. Tensión del hilo: Debe ajustarse en campo de tal forma que no corte el geotextil, pero que sea suficiente para asegurar una unión permanente entre las superficies a coser. Si se hace la costura a mano, deberán tenerse los cuidados necesarios para que al pasar el hilo, el rozamiento no “funda” las fibras del geotextil. Deberán tenerse en cuenta los requerimientos del inciso 2 del presente numeral. 4. La resistencia a la tensión de la unión, de acuerdo a la norma INV E-901, debe ser mínimo el 90% de la resistencia a la tensión Grab del geotextil que se está cosiendo, medida de acuerdo a la norma de ensayo, INV E-901. 5. Tipo de costura. Dependiendo del esfuerzo solicitado y el tipo de geotextil, se pueden realizar diferentes configuraciones para asegurar la correcta transferencia de la tensión. 6. Cantidad de líneas de costura, que se determinarán también según diseño. 7. Tipo de puntada, la que puede ser simple (Tipo 101) o de doble hilo, también llamada de seguridad (Tipo 401).

231.4.5 Colocación del material de cobertura El material de relleno se descargará en un lugar previamente escogido y autorizado por el Interventor. Luego el material se esparcirá sobre el geotextil, empleando un método que no dé lugar a daños en el geotextil. No se permitirá el tránsito de maquinaria sobre el geotextil hasta que se conforme la primera capa de material de relleno compactada. No se permite el giro de maquinaria sobre la primera capa de material granular. Para agregados de tamaños menores a 50 mm, el espesor de la primera capa compactada de material de relleno debe ser mayor a 30 cm. Para agregados de tamaños menores a 30 mm, el espesor de la primera capa compactada debe ser mayor a 15 cm. El material de relleno se compactará con el equipo adecuado, para lograr el grado de compactación exigido del material o el solicitado por el Interventor, antes de dar paso al tráfico temporal sobre la vía o comenzar las labores de colocación de las siguientes capas. El relleno se llevará a cabo hasta la altura indicada en los planos o la indicada por el Interventor.

52

M ANUAL DE DISEÑO

231.5 CONDICIONES PARA EL RECIBO DE LOS TRABAJOS 231.5.1 Controles Durante la ejecución de los trabajos, el Interventor adelantará los siguientes controles: - Verificar el estado y funcionamiento de todo el equipo empleado por el Constructor. - Verificar que el terreno se prepare adecuadamente y que se cumplan las dimensiones de la rasante de diseño señaladas en los planos o las ordenadas por él, antes de autorizar la colocación del geotextil. - Verificar que el material de relleno cumpla las especificaciones del diseño durante el período de ejecución de la obra. - Supervisar la correcta aplicación del método aceptado, en cuanto a la preparación del terreno, la colocación del geotextil y la colocación de la capa de relleno. - Comprobar que los materiales a utilizar cumplan con los requisitos exigidos por la presente especificación. - Efectuar ensayos de control sobre el geotextil, en un laboratorio independiente al del fabricante y al material granular del relleno. Los ensayos de control relacionados con el geotextil, deberán hacerse de conformidad con lo establecido en las normas INV E-909 e INV.E-908 - Verificar que cada rollo de geotextil tenga en forma clara la información del fabricante, el número del lote y la referencia del producto, así como la composición química del mismo, junto con una declaración del fabricante, que deberá incluir la información que se exige en el numeral 231.5.3.2 que se refiere a la conformidad del geotextil. - Comprobar que durante el transporte y el almacenamiento, los geotextiles tengan los empaques que los protejan de la acción de los rayos ultravioleta, agua, barro, polvo, y otros materiales que puedan afectar sus propiedades - Medir, para efectos de pago, las cantidades de obra ejecutadas a satisfacción.

231.5.2 Muestreo en obra Esta actividad de carácter obligatorio, deberá desarrollarse para todo despacho de geotextiles que lleguen a la obra, para ser usados de acuerdo a los requerimientos establecidos por el diseño o donde el Interventor hubiera aprobado su utilización y forma parte del proceso de aseguramiento del control de calidad de la construcción, desarrollado independientemente del programa de control de calidad de la producción o manufactura. Para esto, deberá seguir lo establecido por las normas INV E-908 e INV E-909 que se refieren a la metodología de muestreo para ensayos y la práctica para dar la conformidad de las especificaciones de los geosintéticos. - Para el muestreo en obra se trabajarán rollos estándar con un área entre 400 y 600 m2. En el caso de rollos con áreas diferentes, el total de metros cuadrados se deberá convertir a unidades de rollos equivalentes en relación con 500 m2. - Para el muestreo del control de calidad en obra de los geotextiles, por cada envío o despacho de materiales, se deberá escoger al azar un número de rollos equivalentes a la raíz cúbica de los rollos suministrados por cada envío o despacho, al que se le dará conformidad o aceptación por parte de la obra y a los que se les utilizará para el uso que trata esta especificación, teniendo en cuenta que si el número de rollos es mayor o igual a 1000, el número de muestras seleccionadas debe ser igual a 11. - De cada rollo se deberán descartar las dos primeras vueltas de geotextil para el muestreo. Posteriormente, se deberá tomar una muestra como mínimo de un metro lineal por el ancho correspondiente al rollo, verificando que esté totalmente seca y limpia y se deberá empacar y enviar a un laboratorio distinto al del fabricante, debidamente identificada (número de lote, referencia del producto, etc.). 53


- El número de especímenes se determina aplicando lo previsto en las normas de ensayo para evaluar las propiedades indicadas en la Tabla 1 del Aparte 231.2.1.1 y en la Tabla 2 del Aparte 231.2.1.2 de esta especificación.

231.5.3 Condiciones específicas para el recibo y tolerancias 231.5.3.1 Calidad del geotextil Cada despacho de geotextil deberá ser sometido a un proceso de conformidad de las especificaciones de acuerdo con lo establecido en el numeral 231.5.2 y de la normas INV E-909 e INV E-908, para dar conformidad del geotextil a usar, según los valores establecidos por esta especificación, independientemente que venga acompañado de una certificación o declaración del laboratorio del fabricante que garantiza que el producto satisface las exigencias indicadas en los documentos del proyecto. Por ningún motivo se aceptarán geotextiles rasgados, agujereados o usados. Las especificaciones de los geotextiles deben presentarse en valores mínimos promedio por rollo (VMPR).

231.5.3.2 Declaración del fabricante del geotextil con respecto a su producto El Constructor suministrará al Interventor una declaración donde se establezca el nombre del fabricante, el nombre del producto, composición química relevante de los filamentos o cintas y otra información pertinente que describa totalmente al geotextil. El fabricante es responsable de establecer y mantener un programa de control de calidad. Este deberá estar disponible cuando se requiera, mediante un documento que describa el programa de control de calidad de la producción. La declaración del fabricante hace constar que el geotextil suministrado ofrece valores mínimos promedio por rollo “VMPR”, de acuerdo a lo establecido en su hoja de especificaciones de producto, obtenidos bajo el programa de control de calidad del fabricante. La declaración deberá ser extendida por una persona que tenga el reconocimiento legal, de tal forma que comprometa al fabricante. Un error en el etiquetado o de presentación de los materiales, será razón suficiente para rechazar estos geotextiles.

231.5.3.3 Calidad de la obra terminada El Interventor aceptará el trabajo realizado donde las dimensiones y los lineamientos se ajusten a los requerimientos del proyecto y cuyos materiales y procedimientos de ejecución se realicen según lo prescrito en esta especificación.

231.6 MEDIDA La unidad de medida del geotextil será el metro cuadrado (m2), aproximado al décimo del metro cuadrado de geotextil medido en obra, colocado de acuerdo con los planos y esta especificación, sin incluir traslapos, debidamente aceptado por el Interventor.

231.7 FORMA DE PAGO El pago se hará al respectivo precio unitario del contrato por toda obra ejecutada, de acuerdo con los planos y esta especificación, y aceptada a satisfacción por el Interventor. El material de cobertura se pagará de acuerdo a la especificación del material utilizado siguiendo el numeral 231.2.2.

ÍTEM DE PAGO 231.1 Geotextil para separación de suelos de subrasante y capas granulares Metro cuadrado (m2).

54

M ANUAL DE DISEÑO

ARTÍCULO 232 ESTABILIZACIÓN DE SUELOS DE SUBRASANTE Y CAPAS GRANULARES CON GEOTEXTIL 232.1 DESCRIPCIÓN Este trabajo consiste en la preparación del suelo de subrasante que se quiere estabilizar y el suministro, transporte y colocación de materiales compuestos por el geotextil y el suelo granular, en los sitios señalados en los planos del proyecto o indicados por el Interventor. Esta especificación se basa en la supervivencia de los geotextiles frente a los esfuerzos de instalación.

232.2 MATERIALES Las propiedades requeridas del geotextil para estabilización deben estar en función de la gradación del material granular, de las condiciones geomecánicas del suelo de subrasante y de las cargas impuestas durante la ejecución de los trabajos, permitiendo en todo momento el libre paso del agua. Esta especificación no es apropiada para el refuerzo de terraplenes donde las condiciones de esfuerzos puedan causar fallas globales de la fundación o de estabilidad. El refuerzo de la sección del pavimento es un punto de diseño específico del proyecto.

232.2.1 Geotextil Se emplearán geotextiles Tejidos o No Tejidos elaborados a partir de polímeros sintéticos de cadena larga, compuestos con un porcentaje mínimo del 95% en peso de poliolefinas o poliester. El geotextil a utilizar deberá cumplir con las propiedades mecánicas e hidráulicas que se presentan a continuación.

232.2.1.1 Requerimientos de propiedades mecánicas

Las propiedades de resistencia de los geotextiles dependen de los requerimientos de supervivencia y de las condiciones y procedimientos de instalación. Estas propiedades corresponden a condiciones normales de instalación.

55


Tabla 1. Requerimientos mínimos de propiedades mecánicas del geotextil (medidos en el sentido mas débil del geotextil) Valor Mínimo Valor Mínimo Promedio Por Rollo Promedio Por Rollo (VMPR) (1) (VMPR) (1)

Propiedad

Norma De Ensayo

Elongación medida

INV E - 901




INV E - 901

1400 N

900 N


INV E - 901

1260 N

810 N


INV E - 913

2750 N

1925 N


INV E - 903

500 N

350 N

(1) Los valores numéricos de la Tabla corresponden al valor mínimo promedio por rollo (VMPR). El valor mínimo promedio por rollo, es el valor mínimo de los resultados de un muestreo de ensayos de un proceso para dar conformidad a un lote que está bajo comprobación, el promedio de los resultados correspondientes de los ensayos practicados a cualquier rollo del lote que se está analizando, debe ser mayor o igual al valor presentado en esta especificación y corresponde a la traducción del nombre en Ingles “Minimun Average Roll Value (MARV)”. Desde el punto de vista del productor, corresponde al valor promedio del lote menos dos (2) veces la desviación estándar de los valores de la producción. (2) La elongación < 50% hace referencia a los geotextiles tejidos, medida según ensayo INV E-901. (3) La elongación > 50% hace referencia a los geotextiles no tejidos, medida según ensayo INV E-901.

232.2.1.2 Requerimientos de propiedades hidráulicas y de filtración Tabla 2. Requerimientos mínimos de propiedades hidráulicas del geotextil Norma De Ensayo

Valor Mínimo Promedio Por Rollo (VMPR)

Permitividad (4)

INV E-905

0.05 s-1

Tamaño de Abertura Aparente (5)

INV E-907

0.43 mm


INV E-910

50% después de 500 h de exposición

Propiedad

(4) La permitividad del geotextil debe ser mayor que la permitividad del suelo (ψg > ψs). La permeabilidad deberá ser mayor que la permeabilidad del suelo (kg > ks). (5) El valor del Tamaño de Abertura Aparente (TAA) representa el valor máximo promedio por rollo.

56

M ANUAL DE DISEÑO

232.2.2 Material Granular Este material debe cumplir con las especificaciones y características para Afirmado (Artículo 311), Subbase Granular (Artículo 320) y Base Granular (Artículo 330) en el caso de que se esté proyectando la conformación de estructura para vía, o con características de material seleccionado para la conformación de terraplenes.

232.2.3 Subrasante

Para considerar que la función de estabilización se dé por parte del geotextil, el suelo de subrasante deberá presentar un CBR entre 1 y 3 (1
232.3 EQUIPO Se deberá disponer de los equipos necesarios para colocar el geotextil correctamente y el requerido para explotar, triturar, procesar, cargar, transportar, colocar y compactar el material granular.

232.4 EJECUCIÓN DE LOS TRABAJOS 232.4.1 Generalidades El Interventor exigirá al Constructor que los trabajos se efectúen con una adecuada coordinación entre las actividades de preparación del terreno, la colocación del geotextil y la colocación y compactación del material de relleno, de manera que el geotextil quede expuesto el menor tiempo. Será responsabilidad del Constructor la colocación de elementos de señalización preventiva en la zona de los trabajos, la cual deberá ser visible durante las veinticuatro (24) horas del día. El diseño de la señalización requerirá la aprobación del Interventor.

232.4.2 Preparación del terreno La colocación del geotextil sólo será autorizada por el Interventor cuando el terreno se haya preparado adecuadamente, removiendo los bloques de roca, troncos, arbustos y demás materiales inconvenientes sobre la subrasante, excavando o rellenando hasta la rasante de diseño, de acuerdo con los datos indicados en los planos del proyecto o los ordenados por el Interventor.

232.4.3 Colocación del geotextil El geotextil se deberá extender en la dirección de avance de la construcción, directamente sobre la superficie preparada, sin arrugas o dobleces. Si es necesario colocar rollos adyacentes de geotextil, éstos se deberán traslapar o unir mediante la realización de costura, de acuerdo al numeral 231.4.3.1 de esta especificación. El mínimo traslapo deberá ser de sesenta centímetros (0.60 m) y dependerá tanto del CBR de la subrasante como del tráfico que vaya a circular sobre la vía durante la construcción. En las curvas, el geotextil puede ser cortado con sus correspondientes traslapos o costuras, o doblado, para desarrollar la geometría de la curva propuesta. El mínimo traslapo permitido para las aplicaciones que se refieren a la separación de materiales que trata esta especificación, es de 0.60 m. Para todo final de rollo el traslapo mínimo será de 1.00 m; en reemplazo de éste traslapo podrá usarse una costura bajo las condiciones descritas en el numeral 232.4.4, que se expone a continuación.

57


Tabla 3. Traslapos mínimos en función del CBR Condición

TRASLAPO MINIMO

1 < CBR < 3

60 cm o costura

Todo final de rollo

100 cm o costura

No se permitirá que el geotextil quede expuesto, sin cubrir, por un lapso mayor a (3) días. 232.4.4 Elaboración de costuras Para obtener una buena calidad en las costuras se deben tener en cuenta los siguientes condicionamientos. Usualmente la costuras tanto realizadas en campo como las desarrolladas durante la manufactura deben considerar los siguientes aspectos que dependerán del diseño correspondiente y son: 1. Tipo de hilo: Kevlar, Aramida, Polietileno, Poliéster o Polipropileno. No se permitirán hilos elaborados 100% a partir de fibras naturales, e incluso Nylon. Cuando se propongan hilos compuestos por fibras sintéticas y fibras naturales, no se permitirán aquellos que tengan 10% o más en peso de fibras naturales. No se permitirán costuras elaboradas con alambres. 2. Densidad de la puntada: Mínimo de 150 a 200 puntadas por metro lineal. 3. Tensión del hilo: Debe ajustarse en campo de tal forma que no corte el geotextil, pero que ea suficiente para asegurar una unión permanente entre las superficies a coser. Si se hace la ostura a mano, deberán tenerse los cuidados necesarios para que al pasar el hilo, el rozamiento o “funda” las fibras del geotextil. Deberán tenerse en cuenta los requerimientos del inciso 2 del resente numeral. 4. La resistencia a la tensión de la unión, de acuerdo a la norma INV E-901, debe ser mínimo el 90% de la resistencia a la tensión Grab del geotextil que se está cosiendo, medida de acuerdo a la norma de ensayo, INV E-901. 5. Tipo de costura. Dependiendo del esfuerzo solicitado y el tipo de geotextil, se pueden realizar diferentes configuraciones para asegurar la correcta transferencia de la tensión. 6. Cantidad de líneas de costura, que se determinarán también según diseño. 7. Tipo de puntada, la que pueden ser simple (Tipo 101) o de doble hilo, también llamada de seguridad (Tipo 401).

232.4.5 Colocación del material de cobertura El material de relleno se descargará en un lugar previamente escogido y autorizado por el Interventor. Luego, el material se esparcirá sobre el geotextil, empleando un método que no dé lugar a daños en el geotextil. No se permitirá el tránsito de maquinaria sobre el geotextil hasta que se conforme la primera capa de material de relleno compactada. No se permite el giro de maquinaria sobre la primera capa de material granular. Para agregados de tamaños menores a 50 mm, el espesor de la primera capa compactada de material de relleno debe ser mayor a 30 cm. Para agregados de tamaños menores a 30 mm, el espesor de la primera capa compactada debe ser mayor a 15 cm. El material de relleno se compactará con el equipo adecuado, para lograr el grado de compactación exigido del material o el solicitado por el Interventor, antes de dar paso al tráfico temporal sobre la vía o comenzar las labores de colocación de las siguientes capas. El relleno se llevará a cabo hasta la altura indicada en los planos o la indicada por el Interventor.

58

M ANUAL DE DISEÑO

232.5 CONDICIONES PARA EL RECIBO DE LOS TRABAJOS 232.5.1 Controles Durante la ejecución de los trabajos, el Interventor adelantará los siguientes controles: - Verificar el estado y funcionamiento de todo el equipo empleado por el Constructor. - Verificar que el terreno se prepare adecuadamente y que se cumplan las dimensiones de la rasante de diseño señaladas en los planos o las ordenadas por él, antes de autorizar la colocación del geotextil. - Verificar que el material de relleno cumpla las especificaciones del diseño durante el período de ejecución de la obra. - Supervisar la correcta aplicación del método aceptado, en cuanto a la preparación del terreno, la colocación del geotextil y la colocación de la capa de relleno. - Comprobar que los materiales a utilizar cumplan con los requisitos exigidos por la presente especificación. - Efectuar ensayos de control sobre el geotextil, en un laboratorio independiente al del fabricante y al material granular del relleno. Los ensayos de control relacionados con el geotextil, deberán hacerse de conformidad con lo establecido en las normas INV E-909 e INV E-908 - Verificar que cada rollo de geotextil tenga en forma clara la información del fabricante, el número del lote y la referencia del producto, así como la composición química del mismo, junto con una declaración del fabricante que deberá incluir la información que se exige en el numeral 232.5.3.2 que se refiere a la conformidad del geotextil. - Comprobar que durante el transporte y el almacenamiento, los geotextiles tengan los empaques que los protejan de la acción de los rayos ultravioleta, agua, barro, polvo, y otros materiales que puedan afectar sus propiedades - Medir, para efectos de pago, las cantidades de obra ejecutadas a satisfacción.

232.5.2 Muestreo en Obra Esta actividad de carácter obligatorio, deberá desarrollarse para todo despacho de geotextiles que lleguen a la obra, para ser usados de acuerdo a los requerimientos establecidos por el diseño o donde el Interventor hubiera aprobado su utilización y forma parte del proceso de aseguramiento del control de calidad de la construcción, desarrollado independientemente del programa de control de calidad de la producción o manufactura. Para esto, deberá seguir lo establecido por las normas INV E-908 e INV E-909 que se refieren a la metodología de muestreo para ensayos y la práctica para dar la conformidad de las especificaciones de los geosintéticos. - Para el muestreo en obra se trabajarán rollos estándar con un área entre 400 y 600 m2. En el caso de rollos con áreas diferentes, el total de metros cuadrados se deberá convertir a unidades de rollos equivalentes en relación con 500 m2. - Para el muestreo del control de calidad en obra de los geotextiles, por cada envío o despacho de materiales, se deberá escoger al azar un número de rollos equivalentes a la raíz cúbica de los rollos suministrados por cada envío o despacho, al que se le dará conformidad o aceptación por parte de la obra y a los que se les utilizará para el uso que trata esta especificación, teniendo en cuenta que si el número de rollos es mayor o igual a 1000, el número de muestras seleccionadas debe ser igual a 11. - De cada rollo se deberán descartar las dos primeras vueltas de geotextil para el muestreo. Posteriormente, se deberá tomar una muestra como mínimo de un metro lineal por el ancho correspondiente al rollo, verificando que esté totalmente seca y limpia y se deberá empacar y enviar a un laboratorio distinto al del fabricante, debidamente identificada (número de lote, referencia del producto, etc.). 59


El número de especímenes se determina aplicando lo previsto en las normas de ensayo para evaluar las propiedades indicadas en la Tabla 1 del Aparte 232.2.1.1 y en la Tabla 2 del Aparte 232.2.1.2 de esta especificación.

232.5.3 Condiciones específicas para el recibo y tolerancias 232.5.3.1 Calidad del geotextil Cada despacho de geotextil deberá ser sometido a un proceso de conformidad de las especificaciones de acuerdo con lo establecido en el numeral 232.5.2 y de la normas INV E-909 e INV E-908, para dar conformidad del geotextil a usar, según los valores establecidos por esta especificación, independientemente que venga acompañado de una certificación o declaración del laboratorio del fabricante que garantiza que el producto satisface las exigencias indicadas en los documentos del proyecto. Por ningún motivo se aceptarán geotextiles rasgados, agujereados o usados. Las especificaciones de los geotextiles deben presentarse en valores mínimos promedio por rollo (VMPR).

232.5.3.2 Declaración del fabricante del geotextil con respecto a su producto El Constructor suministrará al Interventor una declaración donde se establezca el nombre del fabricante, el nombre del producto, composición química relevante de los filamentos o cintas y otra información pertinente que describa totalmente al geotextil. El fabricante es responsable de establecer y mantener un programa de control de calidad. Este deberá estar disponible cuando se requiera, mediante un documento que describa el programa de control de calidad de la producción. La declaración del fabricante hace constar que el geotextil suministrado ofrece valores mínimos promedio por rollo “VMPR”, de acuerdo a los establecidos en su hoja de especificaciones de producto, obtenidos bajo el programa de control de calidad del fabricante. La declaración deberá ser extendida por una persona que tenga el reconocimiento legal, de tal forma que comprometa al fabricante. Un error en el etiquetado o de presentación de los materiales, será razón suficiente para rechazar estos geotextiles.

232.5.3.3 Calidad del producto terminado El Interventor aceptará el trabajo realizado donde las dimensiones y los lineamientos se ajusten a los requerimientos del proyecto y cuyos materiales y procedimientos de ejecución se realicen según lo prescrito en esta especificación.

232.6 MEDIDAS La unidad de medida del geotextil será el metro cuadrado (m2), aproximado al décimo del metro cuadrado de geotextil medido en obra, colocado de acuerdo con los planos y esta especificación, sin incluir traslapos, debidamente aceptado por el Interventor.

232.7 FORMA DE PAGO El pago se hará al respectivo precio unitario del contrato por toda obra ejecutada, de acuerdo con los planos y esta especificación, y aceptada a satisfacción por el Interventor. El material de cobertura se pagará de acuerdo a la especificación del material utilizado siguiendo en numeral 232.2.2.

ÍTEM DE PAGO 232.1 Geotextil para estabilización de suelos de subrasante y capas granulares Metro cuadrado (m2).

60

M ANUAL DE DISEÑO

ARTÍCULO 464 PAVIMENTACIÓN Y REPAVIMENTACIÓN CON GEOTEXTILES 464.1 DESCRIPCIÓN Este trabajo consiste en la utilización de geotextiles para conformar una membrana visco-elasto-plástica, la que puede ser usada sobre pavimentos de concreto asfáltico fatigados y retardar el calcado de fisuras; o bajo nuevas capas de concreto asfáltico para ofrecer una barrera permanente contra el ingreso del agua. Ambas estrategias pueden ser usadas en el mantenimiento y construcción de vías pavimentadas, el desarrollo de esta membrana estará determinado por los sitios señalados en los planos del proyecto o indicados por el Interventor. La membrana descrita se obtiene mediante la saturación con cemento asfáltico de un geotextil que ha sido colocado sobre la superficie existente, previa preparación, para luego colocar la nueva capa de concreto asfáltico. Esta especificación se basa en la supervivencia del geotextil frente a los esfuerzos producidos durante la instalación.

464.2 MATERIALES 464.2.1 Geotextil Se utilizarán geotextiles elaborados a partir de polímeros sintéticos de cadena larga, compuestos con un porcentaje mínimo de 95% en peso de poliolefinas o poliester; del tipo no tejido, punzonado por agujas. Los que deberán tener la capacidad de absorber la suficiente cantidad de ligante asfáltico y presentar los siguientes requerimientos de propiedades mecánicas.

464.2.1.1 Propiedades Requeridas Las propiedades de resistencia de los geotextiles dependen de los requerimientos de supervivencia y de las condiciones y procedimientos de instalación. Las propiedades corresponden a condiciones normales de instalación.

61


Tabla 1. Requerimientos del geotextil (medidos en el sentido más débil del geotextil)

Propiedad

Norma De Ensayo

Valor Mínimo Promedio Por Rollo (VMPR) (1)

Elongación medida

INV E - 901



INV E - 901

450 N

Retención Asfaltica

INV E - 911

Nota 3

Masa por unidad de área

INV E - 912

140 g/m2

Punto de Fusión

ASTM D 276

Nota 4

(1) Los valores numéricos de la Tabla corresponden al valor mínimo promedio por rollo (VMPR).El valor mínimo promedio por rollo, es el valor mínimo de los resultados de un muestreo de ensayos de un proceso para dar conformidad a un lote que está bajo comprobación, el promedio de los resultados correspondientes de los ensayos practicados a cualquier rollo del lote que se está analizando, debe ser mayor o igual al valor presentado en esta especificación y corresponde a la traducción del nombre en Ingles “Minimun Average Roll Value (MARV)”. Desde el punto de vista del productor, corresponde al valor promedio del lote menos dos (2) veces la desviación estándar de los valores de la producción. (2) La elongación > 50% hace referencia a los geotextiles no tejidos. (3) La retención asfáltica mínima será de 0.9 l/m2; sin embargo, la retención asfáltica medida en litros por cada metro cuadrado (l/m2) para cada geotextil debe ser suministrada por el fabricante. El valor no indica la tasa de aplicación de asfalto requerido en la construcción, solamente indica el valor para saturar el geotextil. La retención asfáltica del producto, representa el VMPR suministrado por el fabricante. El valor de retención asfáltica esta dado en términos de asfalto residual en caso de trabajar con emulsiones asfálticas. (4) El punto de fusión del geotextil será > 150oC cuando la nueva capa asfáltica sea preparada con asfalto tradicional. El punto de fusión del geotextil será > 250oC cuando la nueva capa asfáltica sea preparada con asfaltos modificados con polímeros ó cuando la temperatura de compactación supere los 150 oC.

464.2.2 Ligante asfáltico El material que se utilizará para saturar el geotextil y desarrollar la mencionada membrana visco elastoplástica, además de garantizar una adecuada adhesión de esta membrana a la base granular o a la mezcla asfáltica existente, y a la capa superior (capa de refuerzo, o de mantenimiento), podrá ser un cemento asfáltico de penetración 60-70 mm/10 (según el ensayo INV E-706), emulsión catiónica de rompimiento rápido tipo 1 ó una emulsión catiónica de rompimiento rápido tipo 1 modificada con polímeros, de conformidad con lo establecido por el Articulo 400 de estas especificaciones, de tal forma que se satisfaga la cantidad de cemento asfáltico establecida por el diseñador. El geotextil se podrá colocar solo después del correspondiente rompimiento de la emulsión. Los asfaltos diluidos que contienen solventes no deberán ser usados.

464.3 EQUIPO Se deberá disponer de los equipos adecuados para la imprimación, la colocación del geotextil, la colocación y la compactación del concreto asfáltico de la capa de repavimentación, pavimentación o mantenimiento. El irrigador de asfalto debe ser capaz de aplicar el asfalto o emulsión de liga, a la tasa de aplicación especificada por el diseñador de manera uniforme. El irrigador también debe estar equipado con una boquilla de aspersión. El equipo mecánico o manual de instalación del geotextil debe ser capaz de instalarlo uniformemente, cuidando de producir la mínima cantidad de arrugas. 62

M ANUAL DE DISEÑO

Se deben suministrar los siguientes equipos misceláneos: Escobas de cerda rígida o rodillos para uniformizar la superficie del geotextil; tijeras o cuchillas para cortar el geotextil; cepillos para aplicar el sellador asfáltico a los traslapos del geotextil. Puede requerirse para ciertos trabajos, equipos de compactación neumática para uniformizar la imprimación del geotextil con el ligante. La utilización de un compactador neumático puede ser requerida especialmente en trabajos donde se coloquen capas delgadas de mezcla asfáltica, esto se realiza para mejorar la adhesión del geotextil a las superficies debido a la ausencia de peso y temperatura asociadas con capas delgadas.

464.4 EJECUCIÓN DE LOS TRABAJOS 464.4.1 Generalidades El Interventor exigirá al Constructor que los trabajos se efectúen con una adecuada coordinación entre las actividades de limpieza de la superficie de la base granular terminada o la capa asfáltica antigua, la reparación de grietas, la imprimación, la instalación del geotextil y la colocación de la capa de mezcla asfáltica, de manera que se minimice el tiempo de duración de la obra. Será responsabilidad del Constructor la colocación de elementos de señalización preventiva en la zona de los trabajos, la cual deberá ser visible durante las veinticuatro (24) horas del día.

464.4.2 Limpieza de la superficie y reparación de grietas La imprimación e instalación del geotextil sólo serán autorizadas por el Interventor cuando la limpieza de la superficie y la reparación de las grietas se hayan realizado, de acuerdo a los trabajos indicados en el proyecto y a lo ordenado por el Interventor. Para garantizar que la adhesión del geotextil a la capa asfáltica antigua y a la de repavimentación sea la adecuada, deberá preverse que la superficie sobre la cual se colocarán los rollos de geotextil esté libre de elementos tales como polvo, agua, vegetación y escombros que pudiesen entorpecer el contacto entre el ligante asfáltico y la carpeta vieja. Los equipos recomendables utilizados en este tipo de operaciones son compresores neumáticos con boquillas adecuadas para limpieza o incluso se permite la utilización de escobas, como también se usan equipos de barrido mecánico. Después de terminar el proceso de limpieza, las grietas que excedan los tres milímetros (3 mm) de ancho deberán ser sopladas y selladas de acuerdo con las especificaciones particulares de cada proyecto.

464.4.3 Tasa y forma de aplicación del ligante asfáltico La cantidad de ligante asfáltico a utilizar depende de la porosidad relativa de la capa antigua y del geotextil a utilizar en el proceso de repavimentación, para garantizar el desempeño de la membrana visco-elasto-plástica lograda con la saturación del geotextil. La cantidad de ligante asfáltico deberá ser la suficiente para satisfacer los requerimientos de la saturación del geotextil. Adicionalmente, se debe incluir la cantidad necesaria para adherir el geotextil y la nueva capa asfáltica a la superficie de la capa antigua. Para esto, se recurrirá a los cálculos de acuerdo con las cantidades previstas en el diseño. Sobre la superficie tratada se deberá extender el ligante asfáltico seleccionado, de tal forma que se obtenga una distribución uniforme de la tasa calculada y lograr así la mencionada membrana viscoelasto-plástica. Las técnicas de imprimación requieren que los equipos coloquen el ligante a una tasa uniforme, siendo necesario el uso de equipos mecánicos, tales como camiones irrigadores. Cuando se utilicen equipos manuales se puede lograr una aplicación adecuada del ligante, teniendo en cuenta que ésta deberá ser homogénea y uniforme.

63


464.4.4 Temperaturas de trabajo Las temperaturas del camión irrigador con cemento asfáltico no deben exceder los 150°C. Los patrones de riego con emulsiones asfálticas son mejorados con calentamiento. Es deseable un rango de temperaturas entre 55°C y 70°C. No debe excederse una temperatura de 70°C, puesto que a partir de esta puede romperse la emulsión. Ni el sellador asfáltico ni el geotextil deben colocarse cuando las condiciones del clima a juicio del Interventor no sean las adecuadas. Las temperaturas del aire y del pavimento deben ser las suficientes para permitir que el sellante asfáltico haga que el geotextil permanezca adherido en su sitio.

464.4.5 Colocación del geotextil El geotextil deberá ser colocado sobre el ligante asfáltico con una mínima cantidad de arrugas, antes que el ligante o cemento asfáltico se enfríe y pierda adhesividad. La colocación del geotextil podrá realizarse manual o mecánicamente, mediante equipos especiales para la colocación de los rollos y así de esta manera se podrá eliminar al máximo la formación de arrugas. Los cuidados principales para el tratamiento de las arrugas incluyen los siguientes: - Las arrugas y dobleces de más de 25 mm deberán rasgarse y aplanarse siempre en el sentido del avance de los equipos utilizados en las labores de pavimentación o repavimentación, para evitar levantamientos. - En el caso de que la arruga o doblez sobrepase los 50 mm, este exceso deberá ser eliminado. El traslapo del geotextil en reparación de arrugas deberá contemplar el uso de ligante adicional para saturar las dos capas de geotextil y formar una membrana visco-elasto-plástica uniforme y manteniendo el efecto impermeabilizador o de disipación de esfuerzos. Deberá contemplarse la menor dimensión posible para la conformación de los traslapos entre rollos adyacentes; los traslapos en cualquier dirección, no deberán exceder quince centímetros (15 cm). En las zonas de traslapos se deberá hacer una imprimación adicional con ligante asfáltico para garantizar la saturación total del geotextil según las expectativas mencionadas anteriormente. Para facilitar un mayor contacto del geotextil con el ligante y eliminar en mayor proporción las arrugas del geotextil, se podrán utilizar equipos mecánicos como es el caso de un compactador de llantas en una pasada sobre el geotextil transitando a bajas velocidades.

464.4.6 Colocación de la capa nueva asfáltica Una vez instalado el geotextil se colocará en el menor tiempo posible. La temperatura de colocación de la nueva capa estará de acuerdo al tipo de mezcla asfáltica que se haya diseñado para el proyecto previamente aprobada por el interventor. Cuando el asfalto de liga traspasa el geotextil por sobre saturación, de tal forma que se puedan causar algunos problemas especialmente al transito del equipo de construcción produciendo desprendimientos del geotextil, se permitirá esparcir una película de arena limpia sobre la huella de las llantas del equipo, para que el exceso sea absorbido por esta arena y se impida el desprendimiento del geotextil. Posteriormente estos excesos de arena serán retirados para proceder a la colocación de la nueva carpeta asfáltica. Normalmente no es necesario la utilización de arena, sin embargo en climas muy cálidos es posible que el asfalto de liga fluya a través del geotextil en algunos puntos de la vía, resultando en una condición poco adecuada para desarrollar una buena adhesión de la nueva carpeta asfáltica.

64

M ANUAL DE DISEÑO

Para evitar que la membrana visco-elasto-plástica lograda mediante la correcta colocación del geotextil se desplace y se produzcan daños, las maniobras de la pavimentadora y demás equipo deben ser graduales y el tráfico sobre esta superficie deberá ser mantenido a un mínimo posible. Se deben tener cuidados especiales ante las condiciones climatológicas adversas, no se podrá instalar el geotextil cuando la capa de pavimento existente esté en condiciones húmedas. En el caso de querer hacer grandes avances en la instalación del geotextil es necesario prever que no lloverá en la zona. Esta es la única condición que pudiera llegar a afectar el avance de obra. Los procesos de colocación de la nueva capa asfáltica serán los establecidos como la buena practica de la ingeniería lo indica en cuanto a su densificación y demás condiciones de acabado esperado de la vía en consideración.

464.5 CONDICIONES PARA EL RECIBO DE LOS TRABAJOS 464.5.1 Controles Durante la ejecución de los trabajos, el Interventor adelantará los siguientes controles: - Verificar el estado y funcionamiento de todo el equipo empleado por el Constructor. - Verificar la limpieza de la superficie de la capa asfáltica antigua y la correcta reparación de las grietas existentes, de acuerdo a lo definido en la ejecución de los trabajos de esta especificación. - Vigilar la correcta dosificación de la cantidad de ligante asfáltico según las especificaciones particulares del proyecto y las previsiones consideradas en esta especificación. - Verificar la temperatura del ligante en el momento de colocación del geotextil, de acuerdo a lo descrito en la ejecución de los trabajos de esta especificación. - Verificar la correcta colocación del geotextil, los tratamientos de las arrugas y los traslapos entre los rollos de geotextil, de acuerdo a lo descrito en la ejecución de los trabajos de esta especificación. - Verificar la colocación y la densificación de la nueva capa asfáltica y sus dimensiones, según lo especificado en el diseño. - Supervisar la correcta aplicación del método aceptado. - Comprobar que los materiales a utilizar cumplan con los requisitos de calidad exigidos por la presente especificación. - Vigilar las condiciones climáticas durante los procesos de aplicación del ligante asfáltico e instalación del geotextil y la colocación de la capa asfáltica. - Efectuar ensayos de control sobre el geotextil, el ligante asfáltico, los agregados pétreos y el material de la capa de asfáltica. Los ensayos de control relacionados con el geotextil, deberán hacerse de conformidad con lo establecido en las normas INV E-908 e INV E-909. - Verificar que cada rollo de geotextil tenga en forma clara la información del fabricante, el número del lote y la referencia del producto, así como la composición química del mismo, junto con una declaración del fabricante que deberá incluir la información que se exige en el numeral 464.5.3.2 que se refiere a la conformidad del geotextil. - Comprobar que durante el transporte y el almacenamiento, los geotextiles tengan los empaques que los protejan de la acción de los rayos ultravioleta, agua, barro, polvo y otros materiales que puedan afectar sus propiedades. - Medir, para efectos de pago, las cantidades de obra ejecutadas a su satisfacción.

65


464.5.2 Muestreo en Obra Esta actividad de carácter obligatorio, deberá desarrollarse para todo despacho de geotextiles que lleguen a la obra, para ser usados de acuerdo a los requerimientos establecidos por el diseño o donde el Interventor hubiera aprobado su utilización y forma parte del proceso de aseguramiento del control de calidad de la construcción, desarrollado independientemente del programa de control de calidad de la producción o manufactura. Para esto, deberá seguir lo establecido por las normas INV E-908 e INVE-909 que se refieren a la metodología de muestreo para ensayos y la práctica para dar la conformidad de las especificaciones de los geosintéticos. - Para el muestreo en obra se trabajarán rollos estándar con un área entre 400 y 600 m2. En el caso de rollos con áreas diferentes, el total de metros cuadrados se deberá convertir a unidades de rollos equivalentes en relación con 500 m2. - Para el muestreo del control de calidad en obra de los geotextiles, por cada envío o despacho de materiales, se deberá escoger al azar un número de rollos equivalentes a la raíz cúbica de los rollos suministrados por cada envío o despacho, al que se le dará conformidad o aceptación por parte de la obra y a los que se les utilizará para el uso que trata esta especificación, teniendo en cuenta que si el número de rollos es mayor o igual a 1000, el número de muestras seleccionadas debe ser igual a 11. - De cada rollo se deberán descartar las dos primeras vueltas de geotextil para el muestreo. Posteriormente, se deberá tomar una muestra como mínimo de un metro lineal por el ancho correspondiente al rollo, verificando que esté totalmente seca y limpia y se deberá empacar y enviar a un laboratorio distinto al del fabricante, debidamente identificada (número de lote, referencia del producto, etc.). El número de especímenes se determina aplicando lo previsto en las normas de ensayo para evaluar las propiedades indicadas en la Tabla 1 del Aparte 464.2.1.1 de esta especificación.

464.5.3 Condiciones específicas para el recibo y tolerancias 464.5.3.1 Calidad del ligante asfáltico La calidad del ligante (cemento asfáltico o emulsión asfáltica), deberá cumplir los requisitos del Artículo 400 de estas especificaciones.

464.5.3.2 Calidad del geotextil Cada despacho de geotextil deberá ser sometido a un proceso de conformidad de las especificaciones de acuerdo con lo establecido en el numeral 464.5.2 y de la normas INV E-908 e INV E-909 para dar conformidad del geotextil a usar, según los valores establecidos por esta especificación, independientemente que venga acompañado de una certificación o declaración del laboratorio del fabricante que garantiza que el producto satisface las exigencias indicadas en los documentos del proyecto. Por ningún motivo se aceptarán geotextiles rasgados, agujereados o usados. Las especificaciones de los geotextiles deben presentarse en valores mínimos promedio por rollo (VMPR).

464.5.3.3 Declaración del fabricante del geotextil con respecto a su producto El Constructor suministrará al Interventor, una declaración donde se establezca el nombre del fabricante, el nombre del producto, composición química relevante de los filamentos o cintas y otra información pertinente que describa totalmente al geotextil. El fabricante es responsable de establecer y mantener un programa de control de calidad. Este deberá estar disponible cuando se requiera mediante un documento que describa el programa de control de calidad de la producción.

66

M ANUAL DE DISEÑO

La declaración del fabricante hace constar que el geotextil suministrado ofrece valores mínimos promedio por rollo “VMPR”, de acuerdo a lo establecido en su hoja de especificaciones de producto, obtenidos bajo el programa de control de calidad del fabricante. La declaración deberá ser expedida por una persona que tenga el reconocimiento legal de tal forma que comprometa al fabricante. Un error en el etiquetado o de presentación de los materiales, será razón suficiente para rechazar estos geotextiles.

464.5.3.4 Calidad del trabajo terminado El Interventor aceptará todos los trabajos de pavimentación o repavimentación donde las dimensiones y los lineamientos se ajusten a los requerimientos del proyecto y cuyos materiales y procedimientos de ejecución se ajusten a lo prescrito en esta especificación.

464.6 MEDIDAS 464.6.1 Geotextil La unidad de medida del geotextil será el metro cuadrado (m2), aproximado al décimo del metro cuadrado de geotextil medido en obra, colocado de acuerdo con los planos y esta especificación, sin incluir traslapos, debidamente aceptado por el Interventor.

464.6.2 Ligante asfáltico La unidad de medida del ligante asfáltico será el kilogramo (kg) si se utiliza cemento asfáltico o el litro (L) en caso de que se emplee emulsión asfáltica.

Nota: Las cantidades de geotextil y material de ligante en exceso de las indicadas en los documentos del proyecto o las ordenadas por el Interventor, no se medirán para efectos del pago.

464.7 FORMA DE PAGO El pago se hará al respectivo precio unitario del contrato por toda obra ejecutada, de acuerdo con los planos y esta especificación, y aceptada a satisfacción por el Interventor.

ÍTEM DE PAGO 675.1 Geotextil para pavimentación y repavimentación

Metro cuadrado (m2)

675.2 Emulsión asfáltica

Litro

(L)

675.3 Cemento asfáltico

Kilogramos

(Kg)

67

M ANUAL DE DISEÑO

ARTÍCULO 673 SUBDRENES CON GEOTEXTIL Y MATERIAL GRANULAR 673.1 DESCRIPCIÓN Este trabajo consiste en el suministro, transporte y colocación de materiales para la construcción de filtros para subdrenaje compuestos por geotextil y material drenante, en los sitios señalados en los planos del proyecto o indicados por el Interventor. Esta especificación se basa en la supervivencia de los geotextiles frente a los esfuerzos de instalación.

673.2 MATERIALES Esta especificación es aplicable a la colocación de un geotextil contra el suelo para permitir el paso del agua a largo plazo dentro del sistema de drenaje subsuperficial, reteniendo el suelo adyacente. La función principal del geotextil en esta aplicación es la filtración. Las propiedades del geotextil para filtración están en función de la gradación del suelo del sitio y de las condiciones hidráulicas del mismo.

673.2.1 Geotextil Se usarán geotextiles elaborados con fibras sintéticas, del tipo No Tejidos o Tejidos. El geotextil escogido en el diseño deberá tener capacidad para dejar pasar el agua, reteniendo el suelo del sitio. El geotextil a utilizar deberá presentar los siguientes requerimientos de propiedades mecánicas, hidráulicas y de filtración.

673.2.1.1 Requerimientos de propiedades mecánicas Las propiedades de resistencia de los geotextiles dependen de los requerimientos de supervivencia y de las condiciones y procedimientos de instalación. Las propiedades corresponden a condiciones normales de instalación. 1

La construcción de los geotextiles tejido no puede ser con hilos o cintas de forma plana. 69


Tabla 1. Requerimientos mínimos de propiedades mecánicas del geotextil Valor Mínimo Valor Mínimo Promedio Por Rollo Promedio Por Rollo (VMPR) (1) (VMPR) (1)

Propiedad

Norma De Ensayo

Elongación medida

INV E - 901




INV E - 901

700 N

1100 N


INV E - 901

630 N

990 N


INV E - 913

1375 N

2200 N


INV E - 903

250 N

400 N(4)

(1) Los valores numéricos de la Tabla 1 corresponden al valor mínimo promedio por rollo (VMPR). El valor mínimo promedio por rollo, es el valor mínimo de los resultados de un muestreo de ensayos de un proceso para dar conformidad a un lote que está bajo comprobación, el promedio de los resultados correspondientes de los ensayos practicados a cualquier rollo del lote que se está analizando, debe ser mayor o igual al valor presentado en esta especificación y corresponde a la traducción del nombre en Ingles “Minimun Average Roll Value (MARV)”. Desde el punto de vista del productor, corresponde al valor promedio del lote menos dos (2) veces la desviación estándar de los valores de la producción. (2) La elongación < 50% hace referencia a los geotextiles tejidos, medida según ensayo INV E-901. (3) La elongación > 50% hace referencia a los geotextiles no tejidos, medida según ensayo INV E-901. (4) El valor (VMPR) para la resistencia al rasgado trapezoidal de los geotextiles tejidos monofilamento es de 250 N.

673.2.1.2 Requerimientos de propiedades hidráulicas y de filtración Tabla 2. Requerimientos mínimos de propiedades hidráulicas del geotextil

Propiedad

Norma De Ensayo

Valor Mínimo Promedio por Rollo (VMPR)Porcentaje de suelo pasa Tamiz No. 200 (0.075 mm) (5) < 15

15 a 50

>50

Permitividad

INV E-905

0.5 s-1

0.2 s-1

0.1 s-1

Tamaño de Abertura Aparente(6)

INV E-907

0.43 mm (Tamiz 40)

0.25 mm (Tamiz 60)

0.22 mm (Tamiz 70)


INV E-910

50% después de 500 horas de exposición

(5) El porcentaje de suelo que pasa el tamiz No. 200 corresponde a la fracción de la granulometría (INV E-123) del suelo aguas arriba del geotextil. (6) Los valores del Tamaño de Abertura Aparente (TAA) representan el valor máximo promedio por rollo. Para suelos cohesivos con un índice de plasticidad mayor a 7, el valor máximo promedio por rollo de Tamaño de Abertura Aparente es 0.30 mm.

673.2.2 Material Drenante Podrá provenir de la trituración de piedra o roca, o ser una mezcla de ambos y estará constituido por fragmentos duros y resistentes a la acción de los agentes de intemperismo por lo que deberán tener una alta composición de materiales siliceos. Deberá además cumplir los siguientes requisitos: 70

M ANUAL DE DISEÑO

673.2.2.1 Granulometría El material drenante deberá estar constituido por partículas con tamaños comprendidos entre el tamiz (3”) y el tamiz (1/2”). Si se van a utilizar fragmentos de un solo tamaño, las partículas deben ser de 1”. No se requiere ninguna gradación especial. Las partículas pueden ser angulares o redondeadas. El material deberá estar limpio, sin material fino, sin material orgánico y deberá ser durable.

673.2.2.2 Calidad de los Agregados La resistencia a la abrasión deberá ser medida en la Máquina de los Ángeles, según la norma de ensayo INV E-219, el desgaste no podrá ser mayor al 40 por ciento (40%). Las pérdidas en ensayo de Solidez (INV E-220), para material granular son las siguientes: - En sulfato de sodio: 12% máximo - En sulfato de magnesio: 18% máximo El índice de desleimiento – durabilidad, medido según la norma de ensayo INV E-236, no deberá ser mayor al 2%. La cantidad de materia orgánica, según la norma de ensayo INV E-121, deberá ser igual a 0.

673.2.3 Tubería de Drenaje De ser necesario utilizar tuberías de drenaje, estas se ajustarán a las características, diámetros y mínima superficie de filtración establecidos en el proyecto por el diseñador o por el interventor según sea el caso y estarán de acuerdo con los diámetros comerciales del mercado, si lo requiere el proyecto. Estos tubos se utilizaran en la construcción de drenes longitudinales al borde del pavimento.

673.3 EQUIPO Se deberá disponer de los equipos necesarios para colocar el geotextil y para explotar, triturar, procesar, cargar, transportar, colocar y compactar el material drenante. También para colocar y compactar el suelo que cubrirá el filtro.

673.4 EJECUCIÓN DE LOS TRABAJOS 673.4.1 Generalidades El Interventor exigirá al Constructor que los trabajos se efectúen con una adecuada programación entre las actividades de apertura de la excavación y de construcción del subdrén, de manera que aquella quede expuesta el menor tiempo posible para evitar que el material in-situ alrededor de la excavación pierda sus condiciones iniciales y a la vez se disminuyan los riesgos contraidos con terceros durante la ejecución de la obra. Será responsabilidad del Constructor la colocación de elementos de señalización preventiva en la zona de los trabajos, la cual deberá ser visible durante las veinticuatro (24) horas del día.

673.4.2 Preparación del terreno La construcción del subdrén sólo será autorizada por el Interventor cuando la excavación haya sido terminada, de acuerdo con las dimensiones, las pendientes, las cotas y las rasantes indicadas en los planos del proyecto o las ordenadas por el Interventor. La excavación se deberá ejecutar de acuerdo con lo indicado en el Artículo 600 “Excavaciones Varias” del Instituto Nacional de Vías.

71


673.4.3 Condiciones normales de instalación del geotextil El geotextil se deberá colocar cubriendo totalmente la parte inferior y las paredes laterales de la excavación, evitando las arrugas del geotextil, acomodándolo para asegurar un buen contacto con la excavación y dejando por encima la cantidad de geotextil suficiente para que, una vez se acomode el material drenante, se cubra en su totalidad con un traslapo de 0.30 m como mínimo o mediante la realización de costura industrial. En caso de que el ancho de la excavación sea menor a 0.30 m el traslapo mínimo deberá ser igual al ancho de la excavación. Los tramos sucesivos del geotextil se traslaparán 0.45 m como mínimo y se deberá traslapar o coser el geotextil aguas arriba sobre el geotextil aguas abajo. No se permitirá que el geotextil quede expuesto, sin cubrir, por un lapso mayor a (3) días.

673.4.4 Elaboración de costuras Para obtener una buena calidad en las costuras se deben tener en cuenta los siguientes condicionamientos. Usualmente la costuras tanto realizadas en campo como las desarrolladas durante la manufactura deben considerar los siguientes aspectos que dependerán del diseño correspondiente y son: 1. Tipo de hilo: Kevlar, Aramida, Polietileno, Poliéster o Polipropileno. No se permitirán hilos elaborados 100% a partir de fibras naturales, e incluso Nylon. Cuando se propongan hilos compuestos por fibras sintéticas y fibras naturales, no se permitirán aquellos que tengan 10% o más en peso de fibras naturales. No se permitirán costuras elaboradas con alambres. 2. Densidad de la puntada: Mínimo de 150 a 200 puntadas por metro lineal. 3. Tensión del hilo: Debe ajustarse en campo de tal forma que no corte el geotextil, pero que sea suficiente para asegurar una unión permanente entre las superficies a coser. Si se hace la costura a mano, deberán tenerse los cuidados necesarios para que al pasar el hilo, el rozamiento no “funda” las fibras del geotextil. Deberán tenerse en cuenta los requerimientos del inciso 2 del presente numeral. 4. La resistencia a la tensión de la unión, de acuerdo a la norma INV E-901, debe ser mínimo el 90% de la resistencia a la tensión Grab del geotextil que se está cosiendo, medida de acuerdo a la norma de ensayo, INV E-901. 5. Tipo de costura. Dependiendo del esfuerzo solicitado y el tipo de geotextil, se pueden realizar diferentes configuraciones para asegurar la correcta transferencia de la tensión. 6. Cantidad de líneas de costura, que se determinarán también según diseño. 7. Tipo de puntada, la que puede ser simple (Tipo 101) o de doble hilo, también llamada de seguridad (Tipo 401).

673.4.5 Colocación del material drenante El material drenante, cuya explotación y elaboración se realizará conforme se indica en el Aparte 500.4.1 del Artículo 500 del Instituto Nacional de Vías, se colocará dentro de la zanja en capas con el espesor autorizado por el Interventor y empleando un método que no dé lugar a daños en el geotextil o en las paredes de la excavación. Para las condiciones normales de instalación, la altura máxima de caída del material no deberá exceder un (1) metro. El relleno se llevará a cabo hasta la altura indicada en los planos o la autorizada por el Interventor.

72

M ANUAL DE DISEÑO

673.4.6 Instalación de la tubería La tubería de drenaje se instalará después de haber colocado entre 3 y 5 centímetros de material drenante en el fondo de la zanja. Los extremos de cada sección de tubería serán unidos con un pegamento recomendado por el fabricante de los tubos; este deberá ser utilizado antes de su fecha de vencimiento. Las pendientes mínimas de instalación se realizarán según lo indicado en los planos o la autorizada por el interventor.

673.4.6 Cobertura del subdrén Completado el relleno del filtro con material drenante, éste se cubrirá totalmente con el geotextil haciendo los traslapos o las costuras según los partes 673.4.3 y 673.4.4 de esta especificación. El geotextil se cubrirá inmediatamente con un material que cumpla las características de subbase granular, colocado y compactado en capas sucesivas, hasta la altura requerida en los planos o la ordenada por el Interventor. La compactación del material de cobertura deberá cumplir el 95% del Proctor modificado.

673.5 CONDICIONES PARA EL RECIBO DE LOS TRABAJOS 673.5.1 Controles Durante la ejecución de los trabajos, el Interventor adelantará los siguientes controles: - Verificar el estado y funcionamiento de todo el equipo empleado por el Constructor. - Verificar que las excavaciones tengan las dimensiones y pendientes señaladas en los planos o las ordenadas por él, antes de autorizar la construcción del filtro. - Vigilar la regularidad en la producción de los agregados durante el período de ejecución de la obra. - Supervisar la correcta aplicación del método aceptado, en cuanto a la elaboración y colocación de los agregados, la colocación del geotextil y la colocación de la capa de sello de filtro. - Supervisar la correcta disposición de los materiales en los sitios definidos para este fin. - Comprobar que los materiales a utilizar cumplan con los requisitos exigidos por la presente especificación. - Efectuar ensayos de control sobre el geotextil, en un laboratorio independiente al del fabricante y al material granular del relleno. Los ensayos de control relacionados con el geotextil, deberán hacerse de conformidad con lo establecido en las normas INV E-909 e INV E-908 - Verificar que cada rollo de geotextil tenga en forma clara la información del fabricante, el número del lote y la referencia del producto, así como la composición química del mismo, junto con una declaración del fabricante que deberá incluir la información que se exige en el numeral 673.5.3.2 que se refiere a la conformidad del geotextil. - Comprobar que durante el transporte y el almacenamiento, los geotextiles tengan los empaques que los protejan de la acción de los rayos ultravioleta, agua, barro, polvo, y otros materiales que puedan afectar sus propiedades - Medir, para efectos de pago, las cantidades de obra ejecutadas a satisfacción. - Supervisar la correcta disposición de los materiales en los sitios definidos para este fin.

73

Capítulo 2 • NOR M AS DE ENSAYO Y ESPECIFICACIONES DE CONSTRUCCIÓN 673.5.2 Muestreo en obra Esta actividad de carácter obligatorio, deberá desarrollarse para todo despacho de geotextiles que lleguen a la obra, para ser usados de acuerdo a los requerimientos establecidos por el diseño o donde el Interventor hubiera aprobado su utilización y forma parte del proceso de aseguramiento del control de calidad de la construcción, desarrollado independientemente del programa de control de calidad de la producción o manufactura. Para esto, deberá seguir lo establecido por las normas INV E-908 e INV E-909 que se refieren a la metodología de muestreo para ensayos y la práctica para dar la conformidad de las especificaciones de los geosintéticos. - Para el muestreo en obra se trabajarán rollos estándar con un área entre 400 y 600 m2. En el caso de rollos con áreas diferentes, el total de metros cuadrados se deberá convertir a unidades de rollos equivalentes en relación con 500 m2. - Para el muestreo del control de calidad en obra de los geotextiles, por cada envío o despacho de materiales, se deberá escoger al azar un número de rollos equivalente a la raíz cúbica de los rollos suministrados por cada envío o despacho, al que se le dará conformidad o aceptación por parte de la obra y a los que se les utilizará para el uso que trata esta especificación, teniendo en cuenta que si el número de rollos es mayor o igual a 1000, el número de muestras seleccionadas debe ser igual a 11. - De cada rollo se deberán descartar las dos primeras vueltas de geotextil para el muestreo. Posteriormente, se deberá tomar una muestra como mínimo de un metro lineal por el ancho correspondiente al rollo, verificando que esté totalmente seca y limpia y se deberá empacar y enviar a un laboratorio distinto al del fabricante, debidamente identificada (número de lote, referencia del producto, etc.). - El número de especímenes se determina aplicando lo previsto en las normas de ensayo para evaluar las propiedades indicadas en la Tabla 1 del Aparte 673.2.1.1 y en la Tabla 2 del Aparte 673.2.1.2 de esta especificación.

673.5.3 Condiciones específicas para el recibo y tolerancias 673.5.3.1 Calidad de los agregados De cada procedencia de los agregados pétreos y para cualquier volumen previsto se tomarán cuatro (4) muestras y de cada fracción de ellas se determinará el desgaste en a Máquina de Los Ángeles (INV E-219), la solidez (INV E220), el desleimiento (INV E-236) y el contenido de materia orgánica. Los resultados deberán satisfacer las exigencias indicadas en el Aparte 673.2.2.2. Durante la etapa de producción, el Interventor examinará las descargas de los acopios y ordenará el retiro de los agregados que, a simple vista, presenten restos de tierra vegetal, materia orgánica y tamaños superiores o inferiores al máximo y al mínimo especificados. Además efectuará, al menos, una (1) determinación de la granulometría (INV E-123) por jornada.

673.5.3.2 Calidad del geotextil Cada despacho de geotextil deberá ser sometido a un proceso de conformidad de las especificaciones de acuerdo con lo establecido en el numeral 673.5.2 y de la normas INV E-909 e INV E-908, para dar conformidad del geotextil a usar, según los valores establecidos por esta especificación, independientemente que venga acompañado de una certificación o declaración del laboratorio del fabricante que garantiza que el producto satisface las exigencias indicadas en los documentos del proyecto. Por ningún motivo se aceptarán geotextiles rasgados, agujereados o usados. Las especificaciones de los geotextiles deben presentarse en valores mínimos promedio por rollo (VMPR).

673.5.3.3 Declaración del fabricante del geotextil con respecto a su producto. El Constructor suministrará al Interventor, una declaración donde se establezca el nombre del fabricante, el nombre del producto, composición química relevante de los filamentos o cintas y otra información pertinente que describa totalmente al geotextil.

74

M ANUAL DE DISEÑO

El fabricante es responsable de establecer y mantener un programa de control de calidad. Este deberá estar disponible cuando se requiera, mediante un documento que describa el programa de control de calidad de la producción. La declaración del fabricante hace constar que el geotextil suministrado ofrece valores mínimos promedio por rollo “VMPR”, de acuerdo a lo establecido en su hoja de especificaciones de producto, obtenidos bajo el programa de control de calidad del fabricante. La declaración deberá ser extendida por una persona que tenga el reconocimiento legal, de tal forma que comprometa al fabricante. Un error en el etiquetado o de presentación de los materiales, será razón suficiente para rechazar estos geotextiles.

673.5.3.4 Calidad del producto terminado El Interventor aceptará el trabajo realizado donde las dimensiones y los lineamientos se ajusten a los requerimientos del proyecto y cuyos materiales y procedimientos de ejecución se realicen según lo prescrito en esta especificación.

673.6 MEDIDAS 673.6.1 Geotextil La unidad de medida del geotextil será el metro cuadrado (m2), aproximado al décimo del metro cuadrado de geotextil medido en obra, colocado de acuerdo con los planos y esta especificación, sin incluir traslapos, debidamente aceptado por el Interventor.

673.6.2 Material drenante La unidad de medida del material drenante será el metro cúbico (m3), aproximado al décimo del metro cúbico de material suministrado y colocado en obra, debidamente aceptado por el Interventor. El volumen se determinará multiplicando la longitud de la zanja medida a lo largo del eje del subdrén, por el ancho de la misma y por la altura de colocación del material drenante prevista en el diseño. Este volumen será el que se considera para efectos del pago del filtro.

673.6.3 Tubería La unidad de medida de la tubería será el metro lineal (ml), aproximado al décimo del metro lineal de tubería medida en obra, instalada de acuerdo con los planos y esta especificación, debidamente aceptada por el Interventor.

673.6.3 Material de cobertura La unidad de medida del material de cobertura será el metro cúbico (m3), aproximado al décimo del metro cúbico de material suministrado y colocado en obra, debidamente aceptado por el Interventor.

673.7 FORMA DE PAGO El pago se hará al respectivo precio unitario del contrato por toda obra ejecutada, de acuerdo con los planos y esta especificación, y aceptada a satisfacción por el Interventor.

ÍTEM DE PAGO 673.1

Geotextil

Metro cuadrado

(m2)

673.2

Material drenante

Metro cúbico

(m3)

673.3

Tubería

Metro lineal

(ml)

673.3

Material de cobertura

Metro cúbico

(m3) 75

CAPÍTULO 3 METODOLOGÍAS DE DISEÑO

Desde la aparición de los geosintéticos como nuevos materiales a emplear en la ingeniería geotécnica, se han desarrollado distintas metodologías de diseño las cuales pueden clasificarse en cuatro tipos:

3.1 DISEÑO POR COSTOS Y DISPONIBILIDAD El diseño con geotextiles basados en el costo y disponibilidad es simplista. Se toman los fondos ó recursos disponibles, se dividen por el área que necesita recubrirse y se calcula un máximo geotextil admisible según su precio unitario. El geotextil con las mejores propiedades es seleccionado dentro de un precio límite. Este método (utilizado en los años setenta) es obviamente débil técnicamente y no debe seguirse por su alto riesgo en la operación de las obras y su desconocimiento a las normativas y requerimientos de cada Geotextil.

3.2 DISEÑO POR EXPERIENCIA Ó MÉTODO EMPÍRICO Basado exclusivamente en la experiencia, requiere un gran número de datos experimentales representativos previos. Este método no es recomendable y su uso es muy delicado ya que es poco preciso, y desconoce el desarrollo tecnológico de los geosintéticos.

3.3 DISEÑO POR ESPECIFICACIONES En la actualidad cada fabricante obtiene el valor de las propiedades de su producto, utilizando las normativas que rigen el país donde este ubicado; esto obviamente puede generar un gran número de criterios que hacen imposible el realizar comparación entre productos de uno u otro país. Por lo anterior, dos organismos la American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) y el comité TASK FORCE # 25, el cual lo conforman la AASHTO; la American Building Contractors (ABC) y la American Road Builders and Transportation Association (ARBTA) están tratando de unificar todas las propiedades de estos materiales.

77

Capítulo 3 • METODOLOGÍAS DE DISEÑO

Estos grupos han realizado esencialmente el mismo conjunto o recomendaciones para las propiedades mínimas de los geotextiles en las siguientes áreas: •

Separación (Para subrasante de suelo firme)

•

Separación y Estabilización (Para subrasante de suelos blandos)

•

Filtración (Geotextiles para drenaje)

•

Control de Erosión (Debajo de rocas)

•

Control de sedimentos (Cerramiento temporal de sedimentos)

•

Control de la reflexión de grietas (Estructura de pavimentos)

Cuando se utiliza el método de diseño por especificación a menudo se listan los requerimientos mínimos de las propiedades del geotextil, mientras que comúnmente el fabricante lista los valores promedios por lote ó el valor mínimo promedio de las propiedades de los rollos. Comparando este valor de especificación con los valores listados por los organismos antes citados, no se esta haciendo una comparación bajo el mismo criterio; esto porque el valor promedio es el resultado de los ensayos hechos por el fabricante de una propiedad en particular a su histórico de producción. Lo anterior puede ser una recopilación de miles de ensayos realizados a lo largo de varios meses ó años de producción para un tipo de geotextil. De esta forma el valor promedio del lote es considerablemente más alto que el valor mínimo como se ve en la Figura 3.1 en donde el valor intermedio entre estos dos extremos es el valor mínimo promedio del rollo ó MARV. El valor mínimo promedio del rollo es el promedio de un respectivo número de ensayos hechos con un número de rollos seleccionados del lote en cuestión, lo cual es un área limitada para evaluar una situación en particular. Este valor es probablemente dos desviaciones estándar menores que el promedio del lote. De esta forma se ve que el MARV es el mínimo de una serie de valores promedio limites de un rollo. Esto valores son mostrados sistemáticamente en la Figura 3.1. En la gráfica se puede ver que estadísticamente más o menos el 16% de estos valores serán menores que X–S; 2.5% será menor que X -2S, y 0.15% será menor que X – 3S,

Figura 3.1 Relaciones relativas de diferentes valores usados en la especificación de los Geotextiles y la literatura de los fabricantes Donde: X =

Valor medio

S =

Desviación estándar 78

M ANUAL DE DISEÑO

Además de esto, el MARV con 2.5% de los valores siendo menores que X – 2S es también el 95% del nivel de confiabilidad (el otro 2.5% es mayor que X + 2S y esto obviamente no es una preocupación ya que los valores están por encima de lo requerido). Otra consideración que se esta tratando de evaluar son los valores máximos, como por ejemplo el valor de la elongación máxima, para esto se esta considerando el lado derecho de la curva de la Figura 3.1 y el valor comparable para MARV será lógicamente el máximo del ARV. El valor medio X se llega calculando Σ X/N, la desviación estándar se calcula como:

Donde: X =

Valor medio

Xi =

Valor medido

N =

El número de mediciones

El coeficiente de variación V, o simplemente variación se calcula por medio de (S/ X )(100). Esta variación debe ser lo mas baja posible, para mantener un buen control de calidad. Tanto la AASHTO, como el comité de TASK FORCE #25, recomendaron el uso del valor mínimo promedio por rollo para el diseño por especificación como para el listado de propiedades de los fabricantes. En resumen, el método de diseño de especificación debe ser comparado bajo un mismo criterio. En este intento, si se lista los valores mínimos promedio de los rollos, entonces la lista de fabricante de valores promedio deben ser reducidos con dos variaciones estándar (aproximadamente 5 a 20%) este promedio de valores de lote son tomados. Solamente el valor promedio mínimo de los rollos (MARV) tomados por el fabricante pueden ser comparados con la especificación de valores MARV uno a uno. En Colombia existen las especificaciones INVIAS para el diseño por especificaciones las cuales se encuentran anexas en el Capítulo 2 de este manual.

3.4 DISEÑO POR FUNCIÓN Consiste en evaluar la función principal para la cual se especifica el geosintético (separación, refuerzo, drenaje, filtración ó protección) y basándose en ello, calcular los valores numéricos de la propiedad requerida. De esta forma se realiza una elección del geosintético atendiendo aspectos cualitativos y cuantitativos. En algunos casos se requieren cumplir varias funciones alternativamente, por lo tanto, la selección del geosintético a emplear será más segura si este puede desarrollar las funciones simultáneamente. Para que los geosintéticos puedan proporcionar un grado de seguridad suficiente en el desarrollo de sus funciones, su fabricación a partir de las materias primas debe ser estrictamente controlada mediante la evaluación de sus propiedades durante el proceso de fabricación. No obstante, la forma en que el geosintético desarrollará sus funciones no depende únicamente del proceso de fabricación, sino que dependerá en gran parte de la correcta instalación en obra. De esto se deduce la necesidad de realizar una supervisión cuidadosa en la instalación del geosintético si se desea conseguir un completo desarrollo de sus funciones.

79


El factor de seguridad será el resultado de dividir el valor del ensayo típico de la propiedad relevante para la función principal (valor admisible), entre el valor requerido para dicha propiedad obtenido según algún método ó norma de diseño representativo de la realidad. Según lo anterior:

Si el factor de seguridad así obtenido es suficientemente mayor que la unidad, el geosintético seleccionado es el adecuado. En resumen se pueden establecer los siguientes pasos a seguir en el desarrollo del diseño por función: 1. Evaluar la aplicación del geosintético considerando los materiales que van a estar en contacto con él. 2. Dependiendo de las condiciones en la obra, escoger un factor de seguridad adecuado. 3. Especificar la función primaria del geosintético. 4. Calcular numéricamente el valor de la propiedad requerida del geosintético basándose en su función primaria. 5. Obtener el valor de la propiedad permisible por ensayo. 6. Calcular el factor de seguridad como cociente del valor de la propiedad permisible entre el valor de la propiedad requerida. 7. Comparar el factor de seguridad obtenido con el deseado. 8. Si el factor de seguridad no es aceptable, reiniciar el proceso con un geosintético de características superiores. 9. Si el factor de seguridad es aceptable, comprobar si otras funciones del geosintético pueden ser críticas ó relevantes y escoger el más completo. Este cuarto método de diseño, método por función, será utilizado en el desarrollo de todos los capítulos de este Manual de Diseño, lo que conllevará a identificar la función primaria del geosintético que se va a utilizar. En el proceso de diseño por función, teniendo en cuenta los ensayos de caracterización en laboratorio en los que se apoya este método no son del todo representativos de las condiciones de comportamiento “in situ” del geosintético, el valor de la propiedad índice deberá dividirse según diversos factores de seguridad de la siguiente forma:

Los factores de reducción varían considerablemente dependiendo básicamente de la función que vaya a desempeñar el geosintético. A continuación se explican y especifican los valores recomendados para aplicaciones de refuerzo, separación, aplicaciones de drenaje y protección para diferentes geosintéticos. Posteriormente se especificaran los valores para cada una de las funciones a cumplir por los geosintéticos.

80

M ANUAL DE DISEÑO

3.4.1 Factores de reducción para geosintéticos en separación y refuerzo a. Daños por instalación: Este factor de reducción ha sido estudiado y cuantificado en un gran número de proyectos, teniendo en cuenta la naturaleza del suelo de subrasante, la del suelo de recubrimiento y la posibilidad de que exista tránsito de maquinaria pesada sobre el geosintético en el periodo de instalación. Todas estas condiciones de campo hacen que el valor del factor de reducción por instalación no sea constante en todos los proyectos, por lo para cada uno se debe estimar este factor. Existe también la opción de realizar pruebas de campo en el sitio del proyecto para observar el comportamiento del geosintético y de esta forma establecer un factor más acorde con el desempeño del material en el sitio del proyecto. b. Fluencia o creep: Este factor se refiere a la deformación del material en el tiempo, sometido a una carga o esfuerzo constante. En general todos los tipos de geotextiles experimentan este efecto, con más o menor intensidad según la carga a la que este es sometido. Los ensayos más conocidos en el mundo para el estudio de este fenómeno son realizados en condición inconfinada, donde se cuelga una pesa a una muestra de geosintético y se mide la elongación del material con el paso del tiempo; sin embargo, el estudio de este fenómeno ha encontrado que este efecto disminuye considerablemente bajo esfuerzos de confinamiento y según el tipo de geosintético. Así como los geotextiles, la resistencia de las geomallas también se ve afectada por este efecto, sin embargo, para este tipo de geosintéticos el efecto es menor debido al espesor y rigidez del material. Actualmente, no existe una unanimidad por las entidades gubernamentales y oficiales que expiden normas para el diseño con este tipo de materiales, por lo que la experiencia y criterio del diseñador es fundamental en la escogencia de un factor que este acorde a las condiciones de cada proyecto. c. Degradación Química y Biológica: En las ediciones previas de este manual para funciones de refuerzo y separación se tomaban por separado los factores de reducción químico y biológico. Según los trabajos realizados por R. Koerner se pudo demostrar que los agentes biológicos que atacan a las materias primas de los geosintéticos son casi nulos y no presentan ninguna afectación a las propiedades del material con el paso del tiempo. Según lo anterior el factor por degradación biológica debería ser eliminado. Sin embargo se combinó con el factor de degradación química para evitar la confusión de la gente, de haber desaparecido completamente. Con respecto a la degradación química se deben determinar las condiciones ambientales específicas del sitio y tener presente para el diseño condiciones adversas como la presencia de solventes orgánicos, agua subterránea con pH muy bajo o muy alto, o cualquier sustancia presente en el lugar que amenace con la integridad del geosintético. Los valores mostrados para este factor se presentan en la Tabla 3.1 y 3.2 y son menores comparados con los factores anteriormente mencionados; esto se debe a que este factor presenta menos impacto sobre la resistencia del geosintético con el paso del tiempo. d. Costuras: Para aplicaciones de refuerzo donde se vean involucradas las costuras del geotextil, se puede incluir un factor de reducción adicional en la ecuación de diseño. El valor de este factor se determina usando el valor de resistencia a la tensión del geosintético contra dicho valor pero con la inclusión de la costura. La relación entre estas dos resistencias varían entre 1.0 a 3.0 y es independiente a la aplicación en la que se vaya a considerar. La AASHTO en la norma M288 – 05 recomienda que la resistencia a la tensión de la unión, debe ser mínimo el 90% de la resistencia a la tensión Grab del geotextil que se esta cosiendo. (Ver Capítulo 2, norma INV E -901).

81


Tabla 3.1 Factores de reducción para geotextiles en aplicaciones de separación y refuerzo Daños por instalación

Fluencia

Degradación Química/Biológica

FRID

FRFL

FRDQB

Separación

1.1 a 2.5

1.5 a 2.5

1.0 a 1.5

Caminos no pavimentados

1.1 a 2.0

1.5 a 2.5

1.0 a 1.5

Muros de contención

1.1 a 2.0

2.0 a 4.0

1.0 a 1.5

Terraplenes sobre suelos blandos

1.1 a 2.0

2.0 a 3.5

1.0 a 1.5

Fundaciones

1.1 a 2.0

2.0 a 4.0

1.0 a 1.5

Estabilización de taludes

1.1 a 1.5

2.0 a 3.0

1.0 a 1.5

Ferrocarriles

1.5 a 3.0

1.0 a 1.5

1.5 a 2.0

Area

Tabla 3.2 Factores de reducción para geomallas en aplicaciones de refuerzo Daños por instalación

Fluencia

Degradación Química/Biológica

FRID

FRFL

FRDQB

Caminos no pavimentados

1.1 a 1.6

1.5 a 2.5

1.0 a 1.6

Caminos pavimentados

1.2 a 1.5

1.5 a 2.5

1.1 a 1.7

Terraplenes sobre suelos blandos

1.1 a 1.4

2.0 a 3.0

1.1 a 1.5

Estabilización de taludes

1.1 a 1.4

2.0 a 3.0

1.1 a 1.5

Muros de contención

1.1 a 1.4

2.0 a 3.0

1.1 a 1.5

Fundaciones

1.2 a 1.5

2.0 a 3.0

1.1 a 1.6

Area

3.4.2 Factores de reducción para geotextiles en aplicaciones de drenaje Los geotextiles son tal vez uno de los geosintéticos más versátiles debido a sus numerosas aplicaciones y funciones. La más conocida es la de filtración. Sin embargo con un espesor suficiente puede servir como material drenante. En filtración, el flujo va perpendicular a al plano del geotextil, mientras que para drenaje, el flujo va paralelo o por dentro del mismo. A continuación se mencionan los factores a tener en cuenta para el diseño por función para geotextiles en aplicaciones de filtración y drenaje. Colmatación y taponamiento: Este factor de reducción compensa el bloqueo de los poros aguas arriba del geotextil por partículas de suelo las cuales reducen el flujo a través de los poros del geotextil. El rango de valores de éste factor se muestra en la Tabla 3.3, nótese que los valores para este factor son los más altos para aplicaciones de drenaje esto se debe a la incertidumbre del comportamiento del tipo de suelo del sitio y el tipo de geotextil utilizado para la aplicación. El estudio de este fenómeno se ha realizado por medio de la medición y comparación de tasas de flujo para geotextiles vírgenes y exhumados, determinando la permitividad del material

82

M ANUAL DE DISEÑO

antes y después del contacto con un determinado tipo de suelo. Por lo general los valores más bajos para este factor son utilizados cuando el suelo del sitio del proyecto tiene un contenido mínimo de finos, mientras que los valores más altos generalmente aplican para suelos de grano fino. La recomendación que se puede dar para este factor es tener en cuenta el tipo de geotextil a utilizar frente al tipo de material presente en el lugar del proyecto. En el Capítulo 8 se muestran los resultados de un estudio con respecto a la colmatación de los geotextiles y sus recomendaciones posteriores. Reducción de vacíos por creep o fluencia: Debido a que los geotextiles son sometidos a cargas de compresión, se debe incluir para la selección del geotextil un factor de reducción que tenga en cuenta la variación en el tiempo del paso del flujo a través del geotextil. Este es un fenómeno que se desarrolla a largo plazo, y los ensayos para cuantificarlo los realiza el fabricante según el ensayo de permitividad del GRI “Geosynthetics Research Institute” GT1 el cual sirve para determinar el factor de reducción realizando ensayos a 1000 horas teniendo en cuenta el gradiente y el esfuerzo a compresión al que es sometido el geotextil. Cuando se desea utilizar el geotextil como medio para la transmisión de agua se realizan ensayos de transmisividad a largo plazo. Sin embargo para ambas situaciones tanto para permitividad y para transmisividad, existe la opción de realizar pruebas de campo para productos específicos y condiciones del sitio específicas. Intrusión en los vacíos: Este factor compensa el comportamiento que tienen las partículas de suelo para entrar y ser retenidas dentro del geotextil, reduciendo el flujo a través del mismo. Colmatación Química: Este fenómeno se tiene en consideración cuando el líquido a filtrar o a drenar posee químicos que puedan quedar atrapados dentro del geotextil colmatándolo o taponándolo. Aguas subterráneas altamente alcalinas pueden colmatar el geotextil con Calcio o Magnesio. Líquidos con cantidades mayores a los 5000 mg/l de sólidos suspendidos totales requieren factores de reducción mayores. Colmatación Biológica: Así como la colmatación química, la naturaleza del líquido a drenar también es tenido en cuenta. Para aplicaciones de drenaje el factor de reducción por colmatación biológica puede ser relevante en proyectos en los cuales se desee captar y drenar líquidos con alto contenido de microorganismos, como por ejemplo en sistemas de captación y drenaje de lixiviados en rellenos sanitarios o en el manejo de biosólidos. En dichas aplicaciones este factor de reducción ocasiona el uso de un alto factor de reducción en el diseño. Líquidos con valores de DBO mayores a 5000 mg/l requieren factores de reducción mucho mayores.

Tabla 3.3 Factores de reducción para geotextiles en aplicaciones de drenajes Area

Colmatación

Reducción de Intrusión en Colmatación Colmatación vacíos por los vacíos Química Biológica Creep

FRSCB

FRCR

FRIN

FRCC

FRBC

2.0 a 4.0

1.5 a 2.0

1.0 a 1.2

1.0 a 1.2

1.0 a 1.3

Sistema de subdrenaje

2.0 a 10.0

1.0 a 1.5

1.0 a 1.2

1.2 a 1.5

2.0 a 4.0

Filtros de control de erosión

2.0 a 10.0

1.0 a 1.5

1.0 a 1.2

1.0 a 1.2

2.0 a 4.0

Filtros en rellenos sanitarios

2.0 a 10.0

1.5 a 2.0

1.0 a 1.2

1.2 a 1.5

2.0 a 5.0

Drenaje por gravedad

2.0 a 4.0

2.0 a 3.0

1.0 a 1.2

1.2 a 1.5

1.2 a 1.5

Drenaje a presión

2.0 a 3.0

2.0 a 3.0

1.0 a 1.2

1.1 a 1.3

1.1 a 1.3

Filtros en el espaldón de muros de contención

83


3.4.3 Factores de reducción para geocompuestos en aplicaciones de drenaje En los párrafos anteriores se habló sobre los factores de reducción para geotextiles como medios filtrantes, es decir para aplicaciones de flujo a través del plano del geotextil. A continuación se referencian los factores de reducción para geocompuestos, en los cuales su función primaria es la transmisión de flujo en el plano del mismo. Para los geocompuestos el factor de reducción por colmatación y taponamiento no es tenido en cuenta, debido a que este no es un factor que altere el drenaje de los fluidos dentro del sistema. Reducción de vacíos por creep: Este criterio depende de las condiciones específicas del lugar donde se va instalar el geodrén y de los esfuerzos aplicados sobre el mismo. El núcleo o geored del geodrén se verá afectado por el fenómeno de creep a la compresión, por lo que a largo plazo puede existir una reducción de la transmisividad del sistema debido a la disminución del espesor del mismo. Intrusión en los vacíos:Considerando los espacios que existen en el núcleo del geocompuesto, en este caso del geodrén, el fenómeno de intrusión representa un factor significativo para el diseño. Las variables que afectan este fenómeno son el espaciamiento entre los tendones de la red, la rigidez de la misma y del geotextil de recubrimiento y el esfuerzo a la compresión que es aplicado sobre el sistema. Los factores de reducción por creep y por intrusión en los vacíos, pueden ser minimizados, en caso de que el fabricante suministre al diseñador las gráficas realizadas para el ensayo de transmisividad y tasa de flujo del geocompuesto, en el cual se tienen en cuenta los efectos de los esfuerzos de compresión a los que es sometido el sistema y el gradiente hidráulico según la dirección del flujo y la cabeza hidráulica. Colmatación Química: Este fenómeno se tiene en consideración cuando el líquido a filtrar o a drenar posee químicos que puedan quedar atrapados dentro del geocompuesto colmatándolo o taponándolo. Aguas subterráneas altamente alcalinas pueden colmatar el geotextil o la geored con Calcio o Magnesio. Líquidos con cantidades mayores a los 5000 mg/l de sólidos suspendidos totales requieren factores de reducción mayores. Colmatación Biológica: Así como la colmatación química, la naturaleza del líquido a drenar también es tenido en cuenta. Para aplicaciones de drenaje el factor de reducción por colmatación biológica puede ser relevante en proyectos en los cuales se desee captar y drenar líquidos con alto contenido de microorganismos, como por ejemplo en sistemas de captación y drenaje de lixiviados en rellenos sanitarios o en el manejo de biosólidos. En dichas aplicaciones este factor de reducción ocasiona el uso de un alto factor de reducción en el diseño. Líquidos con valores de DBO mayores a 5000 mg/l requieren factores de reducción mucho mayores.

Tabla 3.4 Factores de reducción para geocompuestos en aplicaciones de drenaje Reducción de vacíos por Creep

Intrusión en los vacíos

Colmatación Química

Colmatación Biológica

FRCR

FRIN

FRCC

FRBC

Campos deportivos

1.0 a 1.2

1.0 a 1.5

1.0 a 1.2

1.1 a 1.3

Roturas capilares

1.1 a 1.3

1.0 a 1.2

1.1 a 1.5

1.1 a 1.3

Muros de contención, taludes escarpados

1.3 a 1.5

1.2 a 1.4

1.1 a 1.5

1.0 a 1.5

Colchones de drenaje

1.3 a 1.5

1.2 a 1.4

1.0 a 1.2

1.0 a 1.2

Drenajes de agua superficial para coronas de relleno

1.3 a 1.5

1.2 a 1.4

1.0 a 1.2

1.5 a 2.0

Area

84

M ANUAL DE DISEÑO

Colección de lixiviados primarios (rellenos sanitarios)

1.5 a 2.0

1.4 a 2.0

1.5 a 2.0

1.5 a 2.0

Colección de lixiviados secundarios (rellenos sanitarios)

1.5 a 2.0

1.4 a 2.0

1.5 a 2.0

1.5 a 2.0

Subdrenes para vías

1.2 a 1.8

1.5 a 3.0

1.1 a 5.0

1.0 a 1.2

Las Tablas 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 fueron tomadas del libro “Designing With Geosynthetics”, 5 ED., 2005.

BIBLIOGRAFÍA • KOERNER R.M., Designing With Geosynthetics, 5 ED. U.S.A., 2005. • KOERNER R.M., GSI White Paper # 4: Reduction Factors Using In Geosynthetics Design., U.S.A., 2005. • RIVERA L., Muros De Contención De Suelo Reforzado Con Cintas Metálicas Y Geosintéticos, Colombia, 2005.

85

CAPÍTULO 4 SEPARACIÓN Y ESTABILIZACIÓN DE SUBRASANTES EN VÍAS 4.1 GENERALIDADES Desde hace varias décadas el área de diseño y construcción de vías se ha preocupado por mantener un desarrollo que permita mejorar cada día las metodologías de diseño y las técnicas de construcción, para ofrecer obras de alta calidad con un buen nivel de servicio durante su vida útil. Dentro de ese desarrollo se ha involucrado la tecnología de los geosintéticos buscando mejorar de una forma eficiente y económica las diferencias de los elementos y materiales que componen las vías. Uno de los problemas que se presentan con mayor frecuencia es el deterioro prematuro de las vías, causado por diversos factores relacionados con las características y propiedades de los materiales que conforman la estructura de las vías y con las condiciones de carga que sobrepasan los valores de diseño. Desde el punto de vista estructural, la contaminación de la(s) capa(s) granular(es), la mezcla de los suelos de diferentes características y el comportamiento mecánico del suelo de subrasante son factores de gran influencia en el deterioro de las vías, lo que se traduce en una reducción de la capacidad portante de todo el sistema. El desarrollo de la ingeniería ha introducido técnicas y tecnologías en el diseño y la construcción de obras civiles mejorando sus especificaciones y características a corto y largo plazo, aumentando la vida útil y buscando un equilibrio en los factores económicos que en muchos casos representan una disminución de costos. Específicamente, la utilización de los geotextiles como una capa de separación entre los suelos de subrasantes y las capas granulares ha permitido mantener la integridad de los materiales y mejorar su funcionamiento, aumentando la vida útil de las estructuras. Esta capa de separación con geotextil elimina la instalación de un material adicional que se emplea en los diseños tradicionales que solo tiene en cuenta el proceso de contaminación que se produce al inicio del período de vida de servicio, y no tiene en cuenta el proceso de contaminación a largo plazo.

4.2 INTRODUCCIÓN Son varias las funciones de los geotextiles y varían según el campo de aplicación en que son utilizados. En el caso de las estructuras de vías, los geotextiles cumplen dos funciones esenciales: separación y refuerzo. En este documento se presenta la metodología de diseño para emplear un geotextil como separación del suelo de subrasante y la(s) capa(s) granular(es) y como factor de estabilización de la subrasante.

87

Capítulo 4 • SEPAR ACIÓN Y ESTABILIZ ACIÓN DE SUBR ASANTES EN VÍAS

Para que un geotextil cumpla correctamente la función de separación entre un suelo subrasante y una capa de material granular, el CBR de la subrasante debe estar entre 3% y 10%. En efecto, dentro de este rango se asume que la deformación del suelo de subrasante no es lo suficientemente importante para generar grandes esfuerzos de tensión en el geotextil, el cual se diseña como separación y no como refuerzo. Cuando el CBR es menor, del 3% el geotextil asume grandes deformaciones y comienza a absorber esfuerzos a tensión que lo inducen a trabajar como refuerzo, factor que afecta totalmente el diseño por separación. En los casos en que el CBR de la subrasante sea menor del 3% se debe hacer un diseño por refuerzo y verificar los criterios del diseño por separación cuando el geotextil se coloca entre dos materiales de diferentes características. Para tener un concepto claro del funcionamiento del geotextil como separación en la interfaz subrasante – capas granulares, a continuación se hace una descripción del proceso que se desarrolla entre dos materiales de diferentes características y comportamiento, y de cómo el geotextil se convierte en una barrera que permite mantener la integridad y el buen funcionamiento de los materiales, mejorando la resistencia y estabilidad de la estructura de la vía. En el caso de las estructuras de Pavimento, donde se coloca suelo granular (relleno, subbase, base) sobre suelos finos (subrasante) se presentan dos procesos en forma simultánea: 1. Migración de suelos finos dentro del suelo granular, disminuyendo su capacidad de drenaje. 2. Intrusión del suelo granular dentro del suelo fino, disminuyendo su capacidad portante (resistencia). El geotextil se traduce en una barrera para migración de partículas entre dos tipos de suelo, facilitando la transmisión de agua. Se requiere entonces un geotextil que retenga las partículas de suelo, evite el lavado de finos por la acción del agua y que cumpla con resistencias necesarias para mantener la continuidad sin que ocurra ninguna falla por tensión, punzonamiento o estallido (ver especificaciones técnicas de los geotextiles, Capítulo 2), bajo concentraciones de esfuerzos locales causados por irregularidades en el suelo de fundación.

Figura 4.1a Sección transversal de una estructura de pavimento sin geotextil de separación (Interfaz SR - C. Granular)

Figura 4.1b Sección transversal de una estructura de pavimento con geotextil de separación (Interfaz SR - C. Granular)

4.3 METODOLOGÍA DE DISEÑO 4.3.1 Generalidades Este diseño permite escoger el tipo de geotextil adecuado para colocar en la interfaz subrasante – capa granular, que tiene como función principal la separación de suelos adyacentes con propiedades y características diferentes y 88

M ANUAL DE DISEÑO

la estabilización de la subrasante durante el periodo de vida útil de la estructura de una vía. En el caso del diseño por separación, se comparan las resistencias del geotextil con el valor requerido en el diseño para una misma propiedad, obteniendo un factor de seguridad global FSg.

Donde: Resistencia Admisible: Resistencia Requerida:

Resistencia última del ensayo de laboratorio que simula las condiciones reales del proyecto sobre los factores de reducción. Valor obtenido de una metodología de diseño que simula las condiciones reales del proyecto.

Para los casos en que se determine el factor de seguridad global como parámetro de diseño, se calcula entonces la resistencia requerida (diseño) en función de las especificaciones del geotextil que se vaya a utilizar.

Las especificaciones de los geotextiles se evalúan bajo condiciones ideales de laboratorio, lo que en algunos casos representa altos valores numéricos para el diseño. Los valores obtenidos en el laboratorio se deben modificar para aplicarlos bajo las condiciones in situ de cada proyecto. Para tener en cuenta estos factores, se asume un factor de seguridad parcial FSp que permite ajustar el valor último de laboratorio a las condiciones particulares del terreno, obteniendo un valor admisible que se aplicará en el diseño.

Donde: Tadm

=

Resistencia admisible para emplear en el diseño

Tult

=

Resistencia última obtenida en laboratorio

FRp

=

Factor de reducción parcial

FRID

=

Factor de reducción por daños de instalación

FRDQB

=

Factor de reducción por degradación química y biológica

Los rangos para los factores de reducción se mencionan en la Tabla 3.1 del presente manual.

89


4.3.2 Resistencia al Estallido (Mullen Burst) Entre las partículas del suelo granular que se colocan sobre el geotextil existen vacíos que permiten que el geotextil se introduzca entre ellas por la acción simultánea de las cargas de tráfico que son transmitidas hasta las capas granulares, al geotextil y al suelo de subrasante. Una vez sometido a esfuerzos, el suelo trata de empujar el geotextil por los vacíos de la capa granular. El geotextil que se coloca en la interfaz subrasante – capa granular debe cumplir una resistencia mínima para que no falle por estallido. El ensayo de resistencia al estallido (método Mullen Burst – Norma ASTM D3786 – INV E-904) representa esta situación. Presión de inflado, p

h

dv

Capa Granular tamaño máx, da p

Geotextil Subrasante

Figura 4.2 Geotextil de separación - Resistencia al estallido

Donde: Treq

=

Resistencia requerida del geotextil (KPa)

p´

=

Esfuerzo en la superficie del geotextil: p´< p (KPa)

p

=

Presión de inflado (KPa)

dv

=

Diámetro máximo de los vacíos ≅ 0.33 da (mm)

da

=

Diámetro máximo de las partículas de agregados (mm)

f(ε)

=

Función de deformación (elongación) del geotextil

Tult

=

Resistencia última del geotextil (KPa)

ptest

=

Presión del ensayo Mullen Burst (KPa)

dtest

=

Diámetro del diafragma – ensayo Burst (30.48 mm)

90

M ANUAL DE DISEÑO

Método 1: Verificar si el geotextil que se va a utilizar es adecuado ⇒ Tult conocido: calcular FSg

Reemplazando la ecuación (4.6) en la ecuación (4.5) y sustituyendo los valores de Treq y Tult, se obtiene:

•

Para FSp = 1.5 ⇒ Ecuación del factor de Seguridad Global

•

Para FSp = 2.0 ⇒ Ecuación del factor de Seguridad Global

Método 2: Determinar la resistencia Burst requerida del geotextil para un factor de seguridad global FSg establecido. FSg conocido: determinar Treq A continuación se presentan las gráficas que permiten determinar Treq de diseño del geotextil, asumiendo un factor de seguridad global FSg = 2.0 y factores de seguridad parcial FSp = 1.5 y FSp = 2.0 para las condiciones definidas en el método 1.

91


Figura 4.3 Presión Vs. Resistencia al estallido (BURST) según el tamaño de agregado (FSg= 2.0; FSp =1.5)

Figura 4.4 Presión Vs. Resistencia al estallido (BURST) según el tamaño de agregado (FSg = 2.0; FSp = 2.0) 92

M ANUAL DE DISEÑO

4.3.3 Resistencia a la Tensión (GRAB) Otro factor que actúa sobre el geotextil es el esfuerzo de tracción que se genera en el geotextil en su plano de deformación. Esto ocurre cuando el geotextil esta “atrapado” por una capa granular y un suelo de subrasante. Cuando una partícula superior es forzada contra dos partículas inferiores que están en contacto con el geotextil se genera un esfuerzo de tracción en su plano (ver Figura 4.5). El ensayo de tensión según el Método Grab (ASTM D4632-INVE 901) simula este proceso en el laboratorio, determinando la carga de rotura (Resistencia Grab) del geotextil y su elongación correspondiente (deformación – elongación Grab). El geotextil se coloca en la interfaz subrasante–capa granular debe cumplir una resistencia mínima para que no falle por tensión. p´

d

d

S

Capa Granular

d

Geotextil

Subrasante

Figura 4.5 Geotextil de separación- Resistencia a la tensión (GRAB)

Donde: Treq

=

Resistencia Grab requerida (N)

p´

=

Presión aplicada (KPa)

dv

=

Diámetro máximo de los vacíos: dv ≅ 0.33 da (mm)

d a

=

Diámetro máximo de las partículas de agregado (mm)

f(ε)

=

Función de deformación (elongación) del geotextil, (ver Tabla 4.1)

Tabla 4.1 Valores de f (ε)

93


Método: Verificar si el geotextil que se va a utilizar es adecuado ⇒ Tult conocido; calcular FSg.

Reemplazando las ecuaciones (4.8) y (4.9) en la ecuación (4.10)

Entonces la ecuación del Factor de Seguridad Global es:

2.2.3 Resistencia al Punzonamiento Además de cumplir la función de separación, el geotextil de separación debe resistir el proceso de instalación, sin que sus propiedades iniciales sufran modificaciones importantes. Así se garantiza el buen funcionamiento del geotextil durante la vida útil de la vía. Materiales punzonantes, piedras angulares, ramas de árboles, desechos de construcción y otro tipo de objetos que se encuentren sobre el suelo (subyacente) que quede en contacto con el geotextil, pueden romperlo y desgastarlo cuando se coloque la capa granular y se apliquen las cargas de tráfico sobre la estructura. Se debe calcular la fuerza vertical que actuará sobre el geotextil bajo estas condiciones, y verificar que el geotextil que se coloque resista el punzonamiento que se genere. El ensayo de resistencia al punzonamiento ASTM D4833, INV E-902 simula esta condición en laboratorio y permite calcular la máxima resistencia que tiene un geotextil bajo la acción del punzonamiento.

p´

p´ hh

dh da

Figura 4.6 Punzonamiento causado por una partícula sobre el geotextil

94

M ANUAL DE DISEÑO

Donde: Treq

=

Fuerza vertical que el geotextil debe resistir (N)

p´

=

Presión aplicada (KPa)

p

=

Presión de inflado (KPa)

d a

=

Diámetro máximo de las partículas de agregado o de partículas angulares (mm)

S1

=

hh /da. Factor de punzonamiento (empuje) del suelo o partículas subyacentes al geotextil.

hh

=

Altura de empuje: hh< da

S2

=

0.31da. Factor de escala para ajustar el diámetro del vástago de punzonamiento del

ensayo ASTM D4833, INVE-902(5/16 in) al diámetro de la actual partícula punzonante.

S3

1 – Ap /Ac .de forma para ajustar la forma del vástago de punzonamiento del ensayo

=

ASTM D4833, INV E-902 a la forma de la actual partícula punzonante.

Ap

=

Área proyectada de la partícula

Ac

=

Área del menor circulo circunscrito

Tabla 4.2 Valores de Ap/Ac

Método 1: Verificar si el geotextil que se va a utilizar es el adecuado ⇒ Treq conocido; calcular FSg

Entonces la ecuación del factor de seguridad global en unidades del sistema internacional es:

95

Capítulo 4 • SEPAR ACIÓN Y ESTABILIZ ACIÓN DE SUBR ASANTES EN VÍAS Donde: Tult

=

(N)

p´

=

(KPa)

da

=

(mm)

Método 2: Determinar la resistencia al punzonamiento requerida del geotextil para un factor de seguridad global FSg establecido ⇒ FSp conocido; determinar Treq diseño Si se asume que se coloca una capa de material granular con partículas angulares sobre el geotextil, de tal forma que: S1

= 0.33

S2

= 0.3/da

S3

= 0.5

Entonces la resistencia al punzonamiento requerida para esas condiciones es:

Para determinar la resistencia al punzonamiento requerida para el diseño bajo las condiciones establecidas se tiene:

A continuación se presentan las gráficas que permiten determinar Treq de diseño del geotextil, asumiendo un factor de seguridad global FSg = 2.0 y factores de seguridad parcial FSp = 1.5 y FSp = 2.0, para las condiciones definidas.

Figura 4.7 Presión Vs. Resistencia al punzonamiento según el tamaño de agregado (FSg = 2.0; FSp = 1.5) 96

M ANUAL DE DISEÑO

Figura 4.8 Presión Vs. Resistencia al punzonamiento según el tamaño de agregado (FSg = 2.0; FSp = 2.0) 4.3.5 Criterio de Retención (TAA)

El criterio de retención por Tamaño de Abertura Aparente (TAA) permite determinar el tamaño de las aberturas del geotextil para evitar la migración de suelo fino hacia las capas granulares.

Donde: TAA

=

Tamaño de abertura aparente, dato suministrado por el fabricante. Corresponde a la

abertura de los espacios libres (en milímetros). Se obtiene tamizando unas esferas de

vidrio de diámetros conocidos, cuando el 5% de un tamaño determinado de esferas

pasa a través del geotextil, se define el TAA. Ensayo ASTM D4751, INV E-907.

D85

=

Tamaño de partículas (en milímetros) que corresponde al 85% del suelo que pasa al ser

tamizado. Este dato se obtiene de la curva granulométrica del suelo en consideración.

B

Coeficiente que varía entre 1 y 3. Depende del tipo de suelo a filtrar, de las condiciones

=

de flujo y del tipo del geotextil.

• Para arenas, arenas gravosas, arenas limosas y arenas arcillosas (con menos del 50% pasa tamiz #200), B es función del coeficiente de uniformidad Cu, donde Cu = D60 /D10 2 < Cu ≤ 8 ⇒

B=1

HOLTZ, Robert, Geosynthetic Engineering. Junio 1997, Pags. 36 – 38.

97

Capítulo 4 • SEPAR ACIÓN Y ESTABILIZ ACIÓN DE SUBR ASANTES EN VÍAS 2 < Cu ≤ 4 ⇒

B = 0.5 x Cu

4 < Cu ≤ 8 ⇒

B = 8/ Cu

• Para suelos arenosos mal gradados: B entre 1.5 y 2 • Para suelos finos (más del 50% pasa tamiz #200) B es función del tipo de geotextil. Para Tejidos:

B = 1

⇒

TAA ≤ D85

Para No Tejidos:

B = 1.8

⇒

TAA ≤ 1.8 * D85

• Para aplicaciones de separación, La AASHTO M288-05 recomienda que los geotextiles deben cumplir:

TAA

< 0.60 mm

4.3.6 Criterio de Permeabilidad El coeficiente de permeabilidad k, se define como la propiedad hidráulica que tiene un geotextil, para permitir un adecuado paso de flujo, perpendicular a su plano. Para la función de separación los geotextiles deben cumplir lo siguiente:

k del geotextil > k del suelo

(4.17)

Donde: k

=

ψ*t

ψ

=

Permitividad del geotextil

t

=

Espesor nominal del geotextil

En los casos en que se presente un nivel freático muy alto o condiciones críticas de humedad de la subrasante, se debe utilizar un geotextil con alta transmisividad que permite el drenaje a través de su plano, (geotextiles no tejidos punzonados por agujas). En estos casos se recomienda incorporar un sistema de subdrenaje lateral para abatir el nivel freático.

4.3.7 Criterio de Supervivencia El geotextil en el proceso de instalación y a lo largo de su vida útil puede estar sometido a unos esfuerzos, los cuales deben ser soportados por el mismo, de tal manera que no afecten drásticamente sus propiedades hidráulicas o físicas. En la Tabla 4.3 se presentan las propiedades mínimas que se deben cumplir. Los geotextiles son materiales de polipropileno, altamente resistentes al ataque químico y biológico. Los geotextiles se degradan con los rayos UV, por consiguiente no deben ser expuestos por largo tiempo a estos rayos.

Tabla 4.3 Propiedades del geotextil de separación Artículo 231 INVIAS – AASHTO M288-05

(1) La elongación ≥ 50% hace referencia a los geotextiles no tejidos. (2) La elongación < 50% hace referencia a los geotextiles tejidos.

98

M ANUAL DE DISEÑO

4.4 EJEMPLO DE DISEÑO Para la construcción de una vía nueva se requiere colocar un geotextil de separación en la interfaz subrasante – subbase granular. La vía tendrá un ancho de calzada de 7.30m (ancho carril 3.65m) y bermas - cuneta de 1.80m, para un ancho total de corona de 10.90m. El tránsito promedio diario (TPD) para el primer año de servicio es de 3000vpd y el tránsito de diseño para un período de 10 años es N = 6x106 ejes equivalentes a 8.20 ton. La composición vehicular es de 61% autos, 10% buses y 29% camiones. La presión de inflado es de 100psi = 690KPa. El suelo de subrasante está compuesto por limos arcillosos (ML), con una permeabilidad k = 2.5x10 -6 cm/s. Se estableció un CBR de diseño de 3.5%, para una estructura de pavimento flexible compuesta por subbase y base granular conformados por materiales angulares y capa asfáltica. Determinar el tipo de geotextil para usar como separación en la interfaz subrasante – subbase granular, para los siguientes casos: 1. Para un geotextil No Tejido teniendo una Subbase granular: tamaño máximo:

da = 2.5”

2. Para un geotextil Tejido teniendo una Subbase granular: tamaño máximo:

da = 4”

Ancho Corona = 10.90 m Berma 1.80 m

Ancho Calzada = 7.30 m

Capa Asfáltica Base Granular Subbase Granular

Subrasante

Geotextil de separación

Caso 1: a) Resistencia al Estallido (Mullen Burst) Método 2: Determinar Treq FSp

= 2.0

FSg

= 2.0

p´

= 100psi = 690KPa

da

= 63.5mm = 2.5”

Treq

= 1895KPa (Según la Figura 4.4)

Los geotextiles No Tejidos que cumplen esta condición son: NT2500, NT3000, NT4000, NT5000, NT6000, NT7000. Geotextil seleccionado: NT2500

99

Berma 1.80 m


b) Resistencia a la Tensión (GRAB) Se verifica para geotextil No Tejido NT2500 Tult

= 730N

ε

= >50%

f(ε)

= 0.50

da

= 63.5mm = 2.5”

p´

= 100psi = 690KPa

FSp

= 2.0

(Ver Apéndice B: Especificaciones De Productos)

c) Resistencia al Punzonamiento Método 2: Determinar Treq FSp

= 2.0

FSg

= 2.0

da

= 63.5mm = 2.5”

p´

= 100psi = 690KPa

S1

= 0.9

S2

= 0.8

S3

= 0.9

Treq

= 227N (Según la Figura 4.8)

Los geotextiles No Tejidos que cumplen esta condición son: NT1600, NT1800, NT2000, NT2500, NT3000, NT4000, NT5000, NT6000, NT7000. Geotextil seleccionado: NT2500 (Cumple paso a y b).

d) Criterio de Retención (TAA) Geotextil NT2500: TAA

< 0.6mm

0.15mm

< 0.6mm


e) Criterio de Permeabilidad Geotextil NT2500:

100

M ANUAL DE DISEÑO

kg

= 0.36cm/s

ks

= 0.0000025cm/s

kgeotextil

> ksuelo


f) Criterio de supervivencia Se verifican las propiedades del geotextil escogido, en este caso el geotextil No Tejido NT2500 versus las propiedades solicitadas en la Tabla 4.3. Resistencia la tensión (Grab): 730N ⇒ Cumple Resistencia a la penetración con pistón de 50mm de diámetro: 2200N ⇒ Cumple Resistencia al rasgado trapezoidal: 300N ⇒ Cumple Geotextil seleccionado: NT2500

Solución caso 1: El geotextil que se debe utilizar para este caso, como separación en la interfaz subrasante - subbase granular es el geotextil No Tejido NT2500.

Caso 2: a) Resistencia al Estallido (Mullen Burst) Método 2: Determinar Treq FSp

= 2.0

FSg

= 2.0

p’

= 100psi = 690KPa

da

= 101.6mm = 4”

Treq

= 3034KPa (Según la Figura 4.4)

Los geotextiles Tejidos que cumplen esta condición son: T1400, T1700, T2100, T2400, TR4000. Geotextiles seleccionado: T1400

b) Resistencia a la Tensión (GRAB) Se verifica para geotextil Tejido T1400 Tult

= 960 N (Ver Apéndice B: Especificaciones De Productos)

ε

= 18%

f(ε)

= 0.60

d a

= 101.6mm = 4”

p´

= 100psi = 690KPa

101


FSp

= 2.0

Se verifica para geotextil Tejido T1700 Tult

= 1080N (Ver Apéndice B: Especificaciones De Productos)

ε

= 20%

f(ε)

= 0.58

FSp

= 2.0

FSg

= 1.20 Cumple

Se verifica para geotextil Tejido T2100 Tult

= 1360N (Ver Apéndice B: Especificaciones De Productos)

ε

= 21%

f(ε)

= 0.58

FSp

= 2.0

FSg

= 1.5 Cumple

Geotextil seleccionado: Para esta condición el geotextil Tejido T1400 tiene un factor de seguridad muy cercano a 1, por lo tanto se escoge el geotextil T2100 para obtener un factor de seguridad global mayor y cumplir con los criterios de supervivencia que se evaluaran más adelante.

c) Resistencia al Punzonamiento Método 2: Determinar Treq FSp

= 2.0

FSg

= 2.0

da

= 101.6mm = 4”

p´

= 100psi = 690KPa

S1

= 0.33

S2

= 0.31/da

S3

= 0.5

Treq

= 365N (Según la Figura 4.8)

Los geotextiles Tejidos que cumplen esta condición son: T1050, T1400, T1700, T2100, T2400, TR4000. Geotextil seleccionado: T1700 (Cumple paso a y b).

102

M ANUAL DE DISEÑO

d) Criterio de Retención (TAA) Geotextil T2100: TAA

< 0.60mm

0.60mm = 0.60mm TAA


⇒ Cumple

e) Criterio de Permeabilidad Geotextil T2100: kg

= 0.008cm/s

ks

= 0.0000025cm/s

kgeotextil

> ksuelo ⇒ Cumple


f) Criterio de superviviencia Se verifican las propiedades del geotextil escogido, en este caso el geotextil Tejido T2100 versus las propiedades solicitadas en la Tabla 4.3. Resistencia la tensión (Grab): 1360N ⇒ Cumple Resistencia a la penetración con pistón de 50mm de diámetro: 5300N ⇒ Cumple Resistencia al rasgado trapezoidal: 470N ⇒ Cumple Geotextil seleccionado: T2100

Solución caso 2: El geotextil que se debe utilizar para este caso, como separación en la interfaz subrasante - subbase granular es el geotextil tejido T2100.

Tabla 4.4 Resumen solución ejemplos

103


4.5 EJEMPLO DE RELACIÓN BENEFICIO – COSTO Evaluar la reducción del índice de serviciabilidad en función de las cargas equivalentes sin la instalación de un geotextil como elemento de separación, y determinar el incremento en costos por efectos de la contaminación presentada en una vía principal que fue diseñada con la siguiente estructura de pavimento flexible: Espesor de la carpeta asfáltica

= 7.5cm

Espesor de la base granular

= 30cm

Espesor de la subbase granular

= 40cm

CBR de la subrasante

= 3%

Solución: 1. Basándose en la metodología AASHTO para el cálculo de pavimentos flexibles, y asumiendo que la estructura de la vía tiene un sistema de drenaje adecuado, se calcula el número estructural de la siguiente forma: SN

= a1D1+ a2D2m2+ a3D3m3

Donde: ai

=

Coeficiente de la capa (1/pul)

Di

=

Espesor de la capa (pul)

mi

=

Coeficiente de drenaje de la capa i

Realizando el cálculo de SN, para nuestra estructura se obtiene un valor de 4.24

Los datos utilizados en los coeficientes de capa a1, a2, a3 se tomaron de la Tabla 4.5 donde se especifica el rango de valores recomendados (1/pul) por la AASHTO.

104

M ANUAL DE DISEÑO

Tabla 4.5 Coeficientes de capa recomendados por la AASHTO

2. Con el número estructural calculado, determinamos el número de ejes equivalentes que es capaz de soportar la estructura. Parámetros para el cálculo: Confiabilidad:

95% (Para autopistas y vías principales)

Desviación global:

0.45 (Pavimentos flexibles y construcciones nuevas)

Módulo Resiliente:

CBR Subrasante x 1500 = 3 x 1500 = 4500psi

Índice de serviciabilidad inicial:

4.0 (Bueno)

Índice de serviacibilidad final:

2.5 (Para autopistas y vías principales)

3. Cálculo del nuevo número estructural considerando la contaminación de la sub-base. Para cuantificar la reducción en el coeficiente estructural de la capa de sub-base hemos tomado como referencia la frase “5 kilos de piedra colocados sobre 5 kilos de barro nos da como resultado 10 kilos de barro” citada por Robert Koerner en su libro “Design with Geosynthetics”. Teniendo en cuenta lo anterior, reducimos el coeficiente antes mencionado en un 50% y procedemos a calcular el nuevo SN de la estructura de la vía.

105


4. Calculo del nuevo número de ejes equivalentes. El número estructural reducido de la vía es 3.54, con este valor se calcula el nuevo número de ejes equivalentes, conservando los valores recomendados por AASHTO.

5. Cálculo de la disminución del índice de serviciabilidad en la vía.

Haciendo la relación entre los valores de las cargas equivalentes de la estructura inicial y la afectada por la contaminación, encontramos que la reducción es igual a:

6. Para evaluar el beneficio del geotextil como elemento de separación, se calcula el material adicional necesario, para mantener las condiciones iniciales de la vía (SN = 4.24), teniendo un coeficiente estructural de la sub base reducido en un 50%:

106

M ANUAL DE DISEÑO

Viendo gráficamente las dos situaciones evaluadas tenemos:

Haciendo la comparación de costos de las dos estructuras de la vía, tenemos:

Tabla 4.6 Estructura de la vía con geotextil

107


Tabla 4.7 Estructura de la vía sin geotextil

El ahorro en costos gracias a la instalación de un geotextil como elemento de separación en esta estructura es de 16%. Es importante tener en cuenta que si se utiliza un espesor de material granular adicional para reemplazar el uso del geotextil, no se garantizará con esto que la estructura no presente un proceso de contaminación a lo largo del periodo de diseño de la vía.

BIBLIOGRAFÍA • ASSOCIATION SUISSE DES PROFESSIONNELS DE GEOTEXTILES, Le Manuel Des Géotextiles, 2 ED. , Suisse, 1988. • CIRIA, Soil Reinforcement With Geotextiles, 1 ED., England, 1996. • DON AND LOW LTD., A Geotextiles Design Guide, 2 ED., Scotland, 1989. • KOERNER R.M., Designing With Geosynthetics, 3 ED. U.S.A., 1994. • FEDERAL HIGHWAY ADMINISTRATION, Geosynthetics Design And Construction Guidelines, Publication No. HI – 95 038, 11995.

108

CAPÍTULO 5 REFUERZO EN VÍAS CON GEOTEXTIL

5.1 GENERALIDADES El desarrollo de los geosintéticos y de su utilización en los campos de la ingeniería, ha introducido un nuevo concepto en las metodologías de diseño y construcción de sus diversas aplicaciones. Son muchas las teorías y las investigaciones que han surgido con esta nueva tecnología, basadas en las necesidades y los requerimientos de los ingenieros diseñadores y constructores, llevando a que los geosintéticos se utilicen cada vez más para la realización de las obras civiles. Uno de los mayores campos de aplicación de los geosintéticos son las vías, donde se deben considerar varios aspectos que involucran su utilización: separación, refuerzo, estabilización de suelos, filtración y drenaje. Los estudios que se han realizado en este campo y las experiencias existentes han demostrado los grandes beneficios que aportan los geosintéticos en la construcción de vías y en su rehabilitación, mejorando el nivel de servicio y aumentando la vida útil. En Colombia se tienen varias experiencias en este campo, sin embargo no existe una metodología de diseño racional que involucre la correcta utilización de los geosintéticos, en particular los geotextiles, para la separación y el refuerzo en las vías y en las estructuras de pavimento. El principal objetivo de este estudio es proporcionar una herramienta para determinar el mejoramiento de las propiedades mecánicas de los suelos, evaluando las funciones de separación y refuerzo de los geotextiles en las vías y en las estructuras de pavimento, y desarrollar una metodología de diseño racional que involucre la utilización de los geotextiles en el diseño y la construcción de vías, para mejorar las condiciones de servicio y operación y aumentar su vida útil.

5.2 INTRODUCCIÓN 5.2.1 Antecedentes Las metodologías de diseño de pavimentos se han desarrollado con las tecnologías de construcción de vías y con la aparición de nuevos productos en la aplicación de esas tecnologías. Cada día más, los diseñadores se han visto en la obligación de contemplar la utilización de los métodos racionales para el diseño de estructuras de pavimento, en los que se aplican las teorías de distribución de esfuerzos y deformaciones en un sistema que conforma la estructura del pavimento.

109

Capítulo 5 • REFUER ZO EN VÍAS CON GEOTEX TIL

Los métodos racionales de diseño son una herramienta para analizar el comportamiento real de una estructura de pavimento sometida a cualquier tipo de carga y condición ambiental, teniendo en cuenta las características y propiedades de los materiales que conforman la estructura; y es aquí donde se fundamenta la selección de esta metodología para el análisis de un sistema de pavimento reforzado con geotextil. Los programas de diseño de pavimentos se basan en las teorías de distribución de esfuerzos y deformaciones en un sistema multicapa y permiten hacer un rápido análisis de las diferentes alternativas de diseño para una misma estructura, comparando los resultados de cada alternativa con los valores admisibles establecidos. Esta comparación es la que permite evaluar los beneficios de la utilización de un geotextil dentro de la estructura de pavimento, que se pueden definir en tres tipos: reducción de espesores, incremento de la vida útil o incremento de la capacidad portante de la estructura.

5.2.2 Beneficios del Geotextil El diseño de una estructura de pavimento depende de varios factores que afectarán la vía durante su vida útil, como son, entre otros, el tránsito, las condiciones ambientales, las características del suelo de subrasante y de los materiales que conforman la estructura de pavimento. Las diferentes alternativas en el diseño de pavimentos normalmente resultan al evaluar varias posibilidades con los siguientes parámetros: • Espesores de las capas granulares. • Propiedades mecánicas de los materiales granulares. • Capacidad portante de la subrasante. En el diseño, el tránsito es un parámetro fijo y las características de los materiales como el concreto asfáltico o el concreto rígido se modifican como una última alternativa, tratando siempre de encontrar una solución definitiva al cambiar las características de los suelos y los materiales que conforman las capas de subrasante y granulares respectivamente. Los materiales que conforman la capa estructural de los pavimentos flexibles y la capa de apoyo de los pavimentos rígidos deben cumplir unas especificaciones establecidas para soportar las capas superiores y los esfuerzos a los que es sometido el sistema en todo momento. Sin embargo, son muchos los casos en donde el material no tiene las resistencias apropiadas y debe mejorarse o reemplazarse por otro que se encuentra a mayor distancia y con mayor dificultad. Otro caso que se presenta con frecuencia es la baja capacidad portante de los suelos de subrasante y sus deficientes propiedades mecánicas, que influye en la degradación de las capas granulares y en el comportamiento de la estructura de pavimento, lo que conlleva a una disminución de la vida útil que inicialmente se determinó en el diseño. Por todo lo anterior, se han estudiado y analizado los efectos del uso del geotextil en la estructura de pavimento, en particular su utilización sobre la capa de subrasante en la interfase subrasante – capa granular. El geotextil de refuerzo permite incrementar la capacidad portante del sistema que conforma la estructura de pavimento, lo que se puede traducir en una reducción del espesor de la capa granular, en un mejoramiento de las propiedades mecánicas de los materiales que hacen parte de la capa granular o en un incremento de la vida útil de la vía en estudio. De igual manera, al mejorar las condiciones mecánicas de la estructura de pavimento se puede obtener un aumento del tránsito de diseño, evaluado con la cantidad de ejes equivalentes que van a pasar durante el período de operación de la vía. En resumen, los efectos de la utilización de un geotextil de refuerzo sobre la capa de subrasante de una estructura de pavimento son los siguientes: • Incremento de la capacidad portante del sistema.

110

M ANUAL DE DISEÑO

• Reducción de los espesores de las capas granulares. • Mejoramiento de las propiedades mecánicas de los materiales que conforman la estructura de pavimento. • Incremento de la vida útil de la vía. • Aumento de los ejes equivalentes de diseño de la vía.

5.3 FUNCIONES DEL GEOTEXTIL Son varias las funciones de los geotextiles y varían según el campo de aplicación en que se utilicen. En el caso de las estructuras de pavimento, los geotextiles cumplen dos funciones esenciales: separación y refuerzo.

5.3.1 Separación La función de separación que cumple un geotextil es mantener la integridad y el buen funcionamiento de dos suelos adyacentes con propiedades y características diferentes. En el caso de las estructuras de pavimento, donde se coloca suelo granular (base, subbase, relleno) sobre suelos finos (subrasante) se presentan dos procesos en forma simultánea: • Migración de suelos finos dentro del suelo granular, disminuyendo su capacidad de drenaje. • Intrusión del suelo granular dentro del suelo fino, disminuyendo su capacidad portante (resistencia). El geotextil se traduce en una barrera para la migración de partículas entre los dos tipos de suelo, facilitando la transmisión de agua. Se requiere entonces un geotextil que retenga las partículas de suelo y evite el lavado de finos por la acción del agua y que cumpla con resistencias necesarias para mantener la continuidad sin que ocurra ninguna falla por tensión, punzonamiento o estallido (Ver especificaciones técnicas de los geotextiles y la guía de diseño de esta función), bajo concentraciones de esfuerzos locales causadas por irregularidades en el suelo de fundación.

5.3.2 Refuerzo La función de refuerzo de los geotextiles consiste en el complemento y por ende en el mejoramiento de las propiedades mecánicas del suelo. Los geotextiles son materiales con alta resistencia a la tensión y son un buen complemento de aquellos materiales con alta resistencia a la compresión pero con poca resistencia a la tensión, como ocurre generalmente en los suelos finos y granulares. Cuando las fuerzas perturbadoras son causadas por el peso propio del suelo, como en el caso de taludes o terraplenes sobre suelos de fundación muy blandos, el refuerzo del suelo con geotextiles permite la construcción de taludes o terraplenes con mayor inclinación. Cuando las fuerzas perturbadoras son causadas por cargas externas, como en las vías, el refuerzo del suelo con geotextiles permite la aplicación de mayores cargas y un aumento de la vida útil de la estructura de pavimento. Para que un geotextil cumpla correctamente con la función de refuerzo se debe cumplir con la condición de que el CBR de la subrasante deber ser menor al 3%. Por debajo de este valor se presentan deformaciones importantes que generan esfuerzos de tensión en el geotextil, fundamento para la elaboración de la metodología de diseño. Si el valor de CBR de la subrasante es mayor o igual a 3 se debe diseñar el geotextil por separación, por lo tanto se debe chequear la metodología realizada para esta aplicación. (Ver Capítulo 4 – Separación y estabilización de subrasantes en vías). El refuerzo con geotextiles soporta la fuerza de tensión del suelo, disminuyendo la fuerza de corte y aumentando la resistencia al corte del suelo, con el incremento del esfuerzo normal que actúa en las potenciales superficies de

111


corte. En efecto, cuando el suelo se deforma a lo largo de una superficie de ruptura (en cortante), se generan deformaciones a compresión y tracción. El refuerzo comienza a actuar en forma eficiente cuando su inclinación iguala la dirección en la que se haya desarrollado la deformación a tracción en el suelo deformado, entonces la deformación por corte del suelo causa una fuerza de tensión en el geotextil de refuerzo. El refuerzo con geotextiles permite además soportar mayores aplicaciones de carga en el suelo y mejorar su capacidad portante, mediante otro mecanismo diferente, que se aplica cuando el refuerzo se ha deformado lo suficiente para actuar como una membrana a tensión. Cuando se aplica una carga en la superficie de la estructura, una parte de los esfuerzos normales de la fibra inferior de esa capa (parte cóncava) son soportados por la fuerza de tensión de la membrana de geotextil, reduciendo así los esfuerzos aplicados en el suelo que se encuentra bajo el geotextil (parte convexa del geotextil). Este mecanismo tipo membrana se desarrolla cuando se aplican cargas localizadas y se presentan deformaciones considerables. En el caso particular de las vías, la acción de membrana es muy importante para controlar el ahuellamiento en las vías y para prevenir el colapso de un relleno en un hueco o cavidad que se presente en el suelo de fundación.

5.4 CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO 5.4.1 Introducción La metodología de diseño que se describe en este capítulo contempla la utilización de geotextiles para el refuerzo de vías, colocados sobre la capa de subrasante o el suelo de fundación de la estructura. El geotextil de refuerzo colocado a nivel de subrasante se escoge técnicamente para mejorar la capacidad portante de todo el sistema, sin embargo para evaluar el aporte del geotextil de refuerzo se puede hacer el análisis cuantitativo de varias formas:

5.4.1.1 Incremento de la capacidad portante del sistema La utilización de un geotextil de refuerzo en las vías permite incrementar la capacidad portante del sistema que conforman las capas estructurales de la vía, y la forma más común de introducir ese incremento es dentro de las propiedades mecánicas que presenta la capa de subrasante de la vía en estudio. Para la utilización de la metodología de diseño que se describe en este capítulo, se supone que el suelo de subrasante tiene las siguientes propiedades: Suelo saturado, con baja permeabilidad y con un comportamiento no drenado bajo cargas tales como el tráfico, lo que significa que el suelo de subrasante es incompresible y tiene un ángulo de fricción casi nulo. La capacidad portante se puede determinar con el CBR de la subrasante, medido para las condiciones más críticas de densidad y de humedad.

5.4.1.2 Reducción de espesores de la capa granular Otra forma de evaluar los efectos de la utilización de un geotextil de refuerzo sobre la subrasante es mediante la reducción del espesor de la capa granular que conforma la estructura del sistema. Esta capa se diseña con el fin de distribuir los esfuerzos generados por la aplicación de cargas en la superficie del pavimento en un área mayor, de tal forma que a nivel de subrasante los esfuerzos no sobrepasen la resistencia a tensión admisible del geotextil para garantizar la estabilidad general de la estructura. La utilización de un geotextil de refuerzo en la subrasante permite incrementar la capacidad portante de todo el sistema y esto se puede representar con la reducción en el espesor de la capa granular de la estructura de pavimento.

112

M ANUAL DE DISEÑO

5.4.1.3 Incremento de la vida útil El incremento de la vida útil de diseño es otro parámetro que se puede evaluar con la utilización de un geotextil de refuerzo. En el diseño inicial, se supone una vida útil y se trabaja con un tránsito estimado correspondiente al número de años de diseño. El tránsito se lleva a un número de ejes equivalentes, con lo que se calculan los esfuerzos y las deformaciones admisibles para definir la estructura de pavimento. Al incrementar la capacidad portante del sistema con la utilización del geotextil se aumentan los valores admisibles de esfuerzos y deformaciones, lo que se puede interpretar como un incremento del número de ejes equivalentes, es decir de la vida útil de la vía.

5.4.2 Análisis teórico Los geotextiles utilizados para el refuerzo de vías permiten mejorar el funcionamiento de la estructura de pavimento, teniendo como base un espesor inicial de capa granular sin geotextil para una condición de carga (tráfico) dada, comparado con un espesor disminuido por utilización del geotextil, para la misma condición de tráfico. (El análisis también se puede hacer para un espesor de material granular establecido y un incremento del tráfico que va a pasar sobre la vía). La metodología que se presenta en este documento permite calcular la reducción del espesor de la capa granular y hacer la selección del geotextil adecuada para el refuerzo de la estructura. Esta metodología se basa en el comportamiento del geotextil dentro de la estructura de pavimento, actuando como un elemento capaz de absorber los esfuerzos a tensión presentados por acción de las cargas a nivel de subrasante, mejorando el comportamiento estructural de la vía.

5.4.2.1 Definiciones Generales 1. Geometría En la sección transversal de una vía se define como h0 el espesor de la capa granular cuando no se utiliza geotextil, como h el espesor de la capa granular cuando hay geotextil y ℵh la reducción de espesor de la capa granular que resulta de la introducción de un geotextil a nivel de subrasante. Para este método analítico se supone que el suelo de subrasante es homogéneo y que tiene un espesor suficiente para desarrollar una zona plástica.

Capa De Asfalto Base Granular

Subbase Granular Subrasante Figura 5.1 Sección transversal típica de una estructura de pavimento

Donde:

113


ho

=

Espesor de la capa granular sin geotextil (m)

h

=

Espesor de la capa granular con geotextil (m)

∆h

=

Reducción del espesor de la capa granular como resultado del uso de geotextil (m)

2. Eje de carga Todas las cargas de los vehículos se llevan a un eje simple de carga equivalente, que se utiliza para el desarrollo de la metodología de refuerzo.

3. Material granular El material granular debe cumplir con las propiedades requeridas para garantizar una adecuada distribución de la carga aplicada. Tanto para las capas de subbase granular como de base granular, el material debe cumplir con las exigencias físico-mecánicas correspondientes y con las condiciones de instalación requeridas.

4. Suelo de subrasante El suelo de subrasante se supone saturado con una baja permeabilidad. Sin embargo, bajo la aplicación de carga rápida como la carga de tráfico, el suelo de subrasante trabaja bajo condición no drenada, por lo tanto se presentan las siguientes propiedades: • El suelo de subrasante es incompresible • El ángulo de fricción es nulo Bajo este concepto, la resistencia al corte es igual a la cohesión no drenada. El valor de CBR de la subrasante se obtiene de ensayos de laboratorio, el valor a utilizar debe ser CBR sumergido para trabajar con las condiciones más críticas y desfavorables del material.

5.4.2.2 Propiedades del geotextil Las propiedades mecánicas de los geotextiles que mayor aplicación tienen sobre esta metodología son las definidas por el comportamiento de tensión – elongación en un ensayo de tensión biaxial, donde la deformación lateral del geotextil es restringida. La resistencia permite determinar cuánta carga puede soportar un geotextil, medida generalmente en términos de fuerza por unidad de longitud y no en unidades de esfuerzo (fuerza por unidad de área), debido a los problemas que se pueden presentar por la variación de espesor durante los ensayos, sobre todo en los geotextiles más delgados. En cuanto a la resistencia de los geotextiles, existe una gran variedad de ensayos que tienen como objetivo determinar las propiedades de resistencia en función de la dirección, la uniformidad y la duración de la carga aplicada y del área sobre la cual se aplica la carga. Sin embargo, para la aplicación de refuerzo la propiedad que gobierna en el comportamiento del geotextil es la resistencia a la tensión, definida como una fuerza de tensión por unidad de longitud. Esta propiedad se determina en el laboratorio con el ensayo de resistencia a la tensión por el método de la tira ancha (wide width), y se obtiene la curva Fuerza – Elongación, necesaria para el diseño por refuerzo en aplicaciones viales. Existe otro método de ensayo que permite obtener la resistencia a la tensión en términos de fuerza y la elongación del mismo, denominado método GRAB. Los fabricantes generalmente utilizan este ensayo como una herramienta de control de calidad, y no se debe utilizar como parámetro de diseño en las aplicaciones de refuerzo. 114

M ANUAL DE DISEÑO

En la norma para la especificación de geotextiles para aplicaciones viales – Designación AASHTO M288, la resistencia a la tensión Grab es un parámetro que se usa para definir el mínimo valor requerido para la supervivencia de los geotextiles en las diferentes aplicaciones (drenaje, separación, estabilización, refuerzo, control de erosión, barrera contra sedimentos y repavimentación), valor que varía según la clase de geotextil que se especifique. Además del comportamiento a la tensión del geotextil, se deben tener en cuenta las características de fricción, considerando que para esta aplicación el geotextil tiene la rigidez suficiente para prevenir la falla de la capa granular por deslizamiento a lo largo de la superficie del mismo.

5.4.3 Análisis de vías con Geotextil 5.4.3.1 Cinemática El suelo de subrasante es un suelo incompresible y el asentamiento que se produce bajo las llantas causa levantamiento del suelo entre y a los lados de las llantas. La forma del geotextil se convierte en algo similar a una onda y como consecuencia se presenta una tensión del geotextil (Ver Figura 5.2). Cuando un material flexible tensionado tiene una forma curva, la presión en la superficie cóncava es mayor que la presión en su cara convexa, lo que se conoce como efecto membrana. 1. Entre las llantas (BB) y en los lados de las llantas (AC), la presión aplicada por el geotextil sobre la subrasante es mayor a la presión aplicada por la capa granular sobre el geotextil. 2. Bajo las llantas (AB), la presión aplicada por el geotextil sobre la subrasante es menor que la presión aplicada por las llantas más la capa de material granular sobre el geotextil. El geotextil garantiza entonces dos efectos positivos para el comportamiento de la vía: • Provee un confinamiento “horizontal” de la subrasante entre y a los extremos de las llantas. • Permite reducir la presión aplicada por las llantas en el suelo de subrasante.

Set de llantas dobles

A’ A

B’ p

B

A’

B’

Agregado B

p

Geotextil C’ A

Suelo de Subrasante Figura 5.2 Cinemática de vías con geotextil 5.4.3.2 Forma del geotextil deformado La forma de onda del geotextil deformado se da por la condición incompresible del suelo. Se supone que la cantidad de material que se desplaza hacia abajo por el asentamiento que se presenta debe ser igual al volumen de material que se mueve hacia arriba por levantamiento (Ver Figura 5.3).

115


La forma del geotextil deformado consiste en secciones de parábolas conectadas a unos puntos localizados en el plano inicial del geotextil (A, B). Además, se supone que el espesor de la capa de material granular no es afectado de forma significativa por la deflexión que sufre la subrasante, por lo tanto se tiene:

e 2a

B A

Posición inicial del Geotextil

t

2a’

B

s

t

r

B

2a

B B

t

e

s

B t

A Geotextil

Figura 5.3 Forma del geotextil deformado 5.4.3.3 Mecanismos de Falla En una vía, la falla de la estructura puede presentarse en tres sitios diferentes: • Capa granular • Suelo de fundación (subrasante) • Geotextil (si existe) El método analítico no considera falla de la capa granular, suponiendo que el coeficiente de fricción del material es suficiente para asegurar la estabilidad mecánica de la capa y que el ángulo de fricción del geotextil en contacto con el material granular bajo las llantas es lo suficientemente grande para prevenir el deslizamiento de la capa sobre el geotextil.

2a

2a

2a

Hp

2a

2a

2a

Figura 5.4 Mecanismos de Falla

116

M ANUAL DE DISEÑO

En una estructura vial la falla por deslizamiento del geotextil (o Pullout) es muy difícil que se pueda presentar, ya que la fuerza de anclaje que se genera entre el suelo y el geotextil esta dada por:

La longitud L, a lo largo de la cual se desarrolla esta fuerza, es muy grande e influye directamente sobre el valor final de la Fanclaje, por lo que esta también se hace muy grande, siendo capaz de soportar cualquier movimiento horizontal que se presente por acción de las cargas.

σn

t t

t Geotextil deformado

t

Punto de mayor probabilidad de falla del Geotextil

σn

Figura 5.5 Condición critica trabajo del geotextil Cuando inicia la transmisión de esfuerzos (σn) sobre el geotextil, se presenta una deformación del mismo por efecto del empuje actuante. La zona que se observa en el detalle es por donde fallaría el geotextil, ya que es el punto crítico cuando dicho geotextil ofrece su mayor trabajo por resistencia a la tensión. Por este motivo se debe calcular un factor de seguridad (FS) cuando se iguala a la resistencia a tensión del geotextil con el esfuerzo normal que esta siendo aplicado por la estructura con el paso de las cargas, garantizando de esta forma que el geotextil resistirá los esfuerzos y no se deteriora por este efecto. Para obtener una estabilidad global del sistema el FSg que se debe conservar debe ser mínimo de 1.3. El principio mencionado anteriormente es el fundamento de la presente guía de diseño.

5.5 METODOLOGÍA DE DISEÑO 5.5.1 Introducción La metodología de diseño que se presenta a continuación tiene como base la comparación entre la estructura de diseño inicialmente definida y la estructura de diseño reforzada con geotextil. Esta metodología se enfoca hacia la optimización de los espesores de las capas estructurales de la estructura de pavimento, es decir en las capas granulares principalmente, sin modificar los espesores o las características de las capas de concreto (asfáltico o hidráulico).

117


La metodología permite calcular la reducción del espesor de la capa granular de una estructura de pavimento con base en el análisis de los esfuerzos que se presentan a nivel de subrasante. Este valor permite analizar diferentes alternativas de diseño, evaluando las características de los materiales que conforman la capa granular, del suelo de subrasante, del tráfico de diseño y de la vida útil del pavimento. Para el cálculo de los esfuerzos normales generados por la estructura de pavimento se emplea el método racional de diseño de pavimentos, en este caso el CEDEM, sin embargo, una vez se tienen los resultados al usar un geotextil de refuerzo se puede usar cualquier método de diseño de pavimentos para comparar los resultados y estudiar las diferentes alternativas al usar geotextil. Es importante resaltar que el geotextil de refuerzo permite incrementar las condiciones de soporte de la estructura de pavimento como un todo, sin embargo en la metodología de diseño se debe evaluar el aporte del geotextil en la capacidad portante del suelo de subrasante para comparar los resultados del diseño de la vía sin geotextil y del diseño con geotextil.

5.5.2 Procedimiento Paso 1. Diseño Inicial de la estructura de pavimento Para hacer la comparación de los diseños sin y con geotextil de refuerzo, se debe conocer el diseño inicial de la estructura de pavimento sin geotextil. La estructura puede ser diseñada por la metodología que estime conveniente. Sin embargo, para obtener la reducción por utilización del geotextil se requiere conocer los parámetros necesarios para realizar la modelación en un programa de diseño racional, (por ej. CEDEM), para obtener los σn transmitidos a la subrasante. Dichos parámetros son: 1. Tráfico de diseño, eje de carga de referencia y periodo de diseño. 2. Espesor de las capas, características de los materiales (módulo elástico) y relación de Poisson de cada uno de los materiales que conforman las capas de la estructura. 3. CBR o Cu, relación de Poisson, módulo resiliente del suelo de subrasante. En este caso, se supone que para el diseño de la estructura de pavimento sin geotextil se han definido las condiciones de drenaje de la vía, se ha calculado el tráfico de diseño de acuerdo a las condiciones reales del proyecto, se han definido las propiedades de los materiales que conforman la estructura de acuerdo con las especificaciones de construcción vigentes y se han realizado todos los ensayos necesarios para caracterizar el suelo de subrasante. Con los datos anteriormente mencionados se hace la modelación de la estructura sin geotextil en el programa de diseño racional y se calculan los esfuerzos y las deformaciones de las diferentes capas: • Capas bituminosas: Para las capas de materiales bituminosos tales como concreto asfáltico, grava asfáltica, etc, se verifica la deformación a tracción en la fibra inferior de la capa. • Capas hidráulicas y capas tratadas con materiales hidráulicos: Para las capas de concreto hidráulico y los materiales tratados con cemento, cal, ceniza, escoria, etc, se verifica el esfuerzo a tracción en la fibra inferior de la capa. • Suelos finos y suelos granulares: Para las capas de subrasante y las capas granulares se analiza la deformación vertical sobre la capa de subrasante. También se puede verificar la deformación por tracción sobre la capa de subrasante.

118

M ANUAL DE DISEÑO

El diseño ha sido elaborado previamente por cualquier metodología, por lo tanto, si se desea realizar la verificación de los datos por la metodología racional, los valores de esfuerzo y deformación calculados (que arroja el programa) se comparan con los valores admisibles correspondientes, que en todos los casos del diseño inicial deben cumplir con los admisibles.

Definición de variables: Ei

=

Módulo de la capa i (Kg/cm2)

hi

=

Espesor de la capa i (m)

υi

=

Relación de Poisson de la capa i

εt

=

Deformación a tracción (m/m)

εz

=

Deformación vertical (m/m)

σt

=

Esfuerzo a tracción (kg/cm2)

Paso 2. Planteamiento reducción granulares y análisis de la alternativa Con base la estructura inicial se plantea una primera alternativa de estructura con reducción de espesor en los materiales granulares conservando las características tanto de los materiales que conforman la estructura como del suelo de subrasante. Posteriormente, se procede a modelar la primera alternativa planteada de estructura reducida en el programa de diseño racional (CEDEM) y se tiene en cuenta el valor del esfuerzo normal aplicado a nivel de subrasante que se obtiene, manteniendo los cálculos para el mismo número de ejes equivalentes de diseño.

Paso 3. Esfuerzo normal aplicado El esfuerzo normal calculado por el programa (σn, Kg/cm2), se reparte en un área plana, para ser comparado con la resistencia que ofrece el geotextil, punto crítico de falla de geotextil.

Paso 4. Selección del geotextil Se define el geotextil que se va a utilizar para el refuerzo de la estructura de pavimento y se calcula el valor de la resistencia admisible. Para la selección del geotextil es importante tener en cuenta las propiedades del suelo de subrasante y del material que se va a colocar sobre el geotextil, además de las condiciones de construcción y de instalación. Una guía para seleccionar el geotextil más apropiado consiste en verificar los requerimientos exigidos para la función de estabilización, en la especificación de construcción AASHTO M288 vigente.

Donde: Tadm

=

Resistencia admisible para emplear en el diseño

Tult

=

Resistencia última obtenida en laboratorio

FRID

=


FRDQB

=


119


Los rangos para los factores de reducción se mencionan en la Tabla 3.1 del presente manual.

Paso 5. Cálculo del Factor de Seguridad Global Se determina el factor de seguridad, el cual debe ser mayor a 1.3, garantizando que el geotextil será capaz de absorber los esfuerzos de tensión presentados sin llegar a la rotura evitando que estos sean transmitidos a la subrasante.

> Paso 6. Optimización del diseño con geotextil Si el factor de seguridad encontrado es alto, se realizan iteraciones del procedimiento descrito a partir del paso 2 de esta metodología, hasta encontrar que el valor hallado se acerca a 1.3 para lograr la optimización del uso del geotextil en estructuras de pavimento.

Paso 7. Cálculo de la disminución de espesor con geotextil de refuerzo Realizamos la cuantificación en la reducción del espesor de material granular. Ecuación (5.1)

5.6 EJEMPLO DE DISEÑO CON RELACIÓN BENEFICIO - COSTO Paso 1. Diseño Inicial de la estructura de pavimento El diseño inicial de la estructura de pavimento tiene las siguientes características:

2.

1. Tráfico de diseño:

N = 1.5x106 ejes equivalentes de 8.20 Ton

Periodo de diseño:

20 años

CBR de la subrasante:

2.0%

Diseño inicial del pavimento: Carpeta Asfáltica:

Base Granular:

Subbase Granular:

Subrasante:

120

h1= 0.05 m E1= 3,500 MPa ≈ 35,000 Kg/cm2 υ1= 0.35 h2= 0.25 m E2= 600 MPa ≈ 6,000 Kg/cm2 υ2= 0.35 h3= 0.40 m E3= 200 MPa ≈ 2,000 Kg/cm2 υ3= 0.35 CBR = 2% E4= 20 MPa ≈ 200 Kg/cm2 υ4= 0.45

M ANUAL DE DISEÑO

Los datos de entrada para el programa CEDEM para el cálculo de esfuerzos y deformaciones son los siguientes: Carpeta Asfáltica:

h1= 5.0 cm

E1= 35,000 Kg/cm2

υ = 0.35

Base Granular:

h2= 25.0 cm

E2= 6,000 Kg/cm2

υ = 0.35

Subbase Granular:

h3 = 40.0 cm

E3 = 2,000 Kg/cm2

υ = 0.35

Subrasante:

CBR = 2.0%

En = 100 x CBR = 200 Kg/cm2

υ = 0.45

Realizando la modelación de la estructura en el CEDEM, se obtiene:

121


εT 0.55 m

σZ εZ

εz

= 3.64 x 10-4

σz

= 0.0076 MPa ≈ 7.60 x 10-2 Kg/cm2

Paso 2. Planteamiento reducción granulares y análisis de la alternativa Alternativa 1: Carpeta Asfáltica:

h1 = 0.05 m

E1 = 3,500 MPa

υ = 0.35

Base Granular:

h2 = 0.25 m

E2 = 600 MPa

υ = 0.35

Subbase Granular:

h3 = 0.30 m

E3 = 200 MPa

υ = 0.35

Subrasante:

CBR = 2.0%

En = 10 x CBR = 20 MPa

υ = 0.45

122

M ANUAL DE DISEÑO

Los resultados obtenidos después de haber realizado la modelación en el CEDEM son:

σz

= 0.0096 MPa ≈ 9.60 x 10-2 Kg/cm2

Paso 3. Esfuerzo normal aplicado σz

= 0.0096 MPa = 9.6 KPa

Distribuyéndolo en forma horizontal, en un área plana, obtenemos:

9.6 KPa x 1.0 m = 9.6 KN/m Treq

= 9.6 KN/m

Paso 4. Selección del geotextil Para este caso se escoge un geotextil T2100 con las siguientes características Datos del geotextil propuesto: Tult

= 35 KN/m, Resistencia método Tira Ancha, Sentido Transversal

(Ver Apéndice B: Especificaciones De Productos) Tdisp

= Tult / (FSID x FSDQB)

Tdisp

= 35 / (1.5 x 1.2)

Tdisp

= 19.4 KN/m

Paso 5. Cálculo del Factor de Seguridad Global FSg

= Tdisp / Treq

FSg

= 19.4 KN/m / 9.6 KN/m

FSg

= 2.0 >> 1.3

Paso 6. Optimización del diseño con geotextil Como el valor del FSg dio un valor muy por encima de 1.3, procedemos a optimizar el diseño proponiendo nuevas alternativas de estructura.


h1 = 0.05 m

E1 = 3,500 MPa

υ = 0.35

Base Granular:

h2 = 0.25 m

E2 = 600 MPa

υ = 0.35

Subbase Granular:

h3 = 0.20 m

E3 = 200 MPa

υ = 0.35

Subrasante:

CBR = 2.0%


υ = 0.45

123



σz

= 0.0122 MPa ≈ 1.22 x 10-1 Kg/cm2


= 0.0122 MPa = 12.2 KPa

Distribuyéndolo en forma horizontal, en un área plana, obtenemos:

12.2 KPa x 1.0 m = 12.2 KN/m Treq

= 12.2 KN/m

Paso 4. Selección del geotextil Se continúa el cálculo con el mismo tipo de geotextil, T2100 con las siguientes características Datos del geotextil propuesto: Tult


(Ver Apéndice B: Especificaciones De Productos) Tdisp


Tdisp

= 35 / (1.5 x 1.2)

Tdisp

= 19.4 KN/m

Paso 5. Cálculo de Factor de Seguridad Global FSg

= Tdisp / Treq

FSg

= 19.4 KN/m / 12.2 KN/m

FSg

= 1.6 > 1.3

Se continúa con la optimización del diseño, para lograr obtener el diseño más acorde con los esfuerzos que es capaz de absorber el geotextil.


h1 = 0.05 m

E1 = 3,500 MPa

υ = 0.35

Base Granular:

h2 = 0.20 m

E2 = 600 MPa

υ = 0.35

Subbase Granular:

h3 = 0.20 m

E3 = 200 MPa

υ = 0.35

Subrasante:

CBR = 2.0%


υ = 0.45


σz

= 0.0151 MPa ≈ 1.51 x 10-1 Kg/cm2

124

M ANUAL DE DISEÑO


= 0.0151 MPa = 15.1 KPa

Distribuyéndolo en forma horizontal, en un área plana, obtenemos: 15.1 KPa x 1.0 m = 15.1 KN/m Treq

= 15.1 KN/m

Paso 4. Selección del geotextil Se continúa el cálculo con el mismo tipo de geotextil, T2100 con las siguientes características Datos del geotextil propuesto: Tult



Tdisp


Tdisp

= 35 / (1.5 x 1.2)

Tdisp

= 19.4 KN/m

Paso 5. Cálculo de Factor de Seguridad Global FSg

= Tdisp / Treq

FSg

= 19.4 KN/m / 15.1 KN/m

FSg

= 1.3 ⇒ Cumple

Se toma esta última estructura como recomendación de diseño. Otra solución para la revisión del diseño, es el chequeo de la estructura con un geotextil de mayor resistencia. Se realiza el cálculo con el geotextil T2400 con las siguientes características Datos del geotextil propuesto: Tult



Tdisp


Tdisp

= 41 / (1.5 x 1.2)

Tdisp

= 22.8 KN/m

Para el geotextil T2400 se calcula el factor de seguridad global y se toma la decisión de reducir más los espesores de la estructura y comparar cual de las soluciones propuestas es la más viable económica y técnica posible. FSg

= Tdisp / Treq

125


FSg

= 22.8 KN/m / 15.1 KN/m

FSg

= 1.5 > 1.3

Para la solución de este ejemplo se utilizó la última estructura propuesta con geotextil T2100.

Paso 7. Cálculo de la disminución de espesor con geotextil de refuerzo Este paso de la metodología se realiza con la última alternativa propuesta utilizando geotextil T2100.

Estructura de pavimento inicial

Estructura de pavimento con refuerzo C.A. 5cm

B.G. 25cm

B.G. 20cm

S.B.G. 40cm

S.B.G. 20cm

Geotextil T2100

CBR 2%

Disminución material de Base Granular: 5 cm Disminución material de Subbase Granular: 20 cm Cuantificación del Ahorro por la colocación del geotextil T2100 Base granular compactada en obra: US$ 12.09/m3 Costo del espesor reducido de base granular = 0.05m x US$ 12.09/m3 = US$ 0.60/m2 Subbase granular compactada en obra: US$ 10.75/m3 Costo del espesor reducido de subbase granular = 0.20m x US$ 10.75/m3 = US$ 2.15/m2 El costo de los dos materiales por m2 es de: US$ (0.60 + 2.15) = US$ 2.75/m2 El m2 de geotextil T2100 presenta un valor de: US$ 1.50/m2 El ahorro, por m2 esta dado por = US$ 2.75/m2 – US$ 1.50/m2 = US$ 1.25/m2 En un kilómetro de vía con una calzada de 7m de ancho y con estas características de espesores el ahorro es de: US$ 8,750.

126

M ANUAL DE DISEÑO

5.7 CONCLUSIONES La metodología de diseño presentada permite definir la reducción del espesor de la capa granular de una estructura de pavimento, basada en un análisis de las deformaciones y los esfuerzos que se presentan en cada capa de la estructura y en una teoría de la deformación del geotextil sobre suelos blandos bajo la aplicación de carga. Con el resultado de la reducción del espesor de la capa granular se pueden evaluar las diferentes alternativas de diseño al utilizar un geotextil de refuerzo sobre la subrasante, evaluando las posibilidades del mejoramiento de las propiedades de los materiales granulares o el incremento de tránsito de diseño o el aumento de la vida útil de la estructura. Lo anterior se determina con base en el incremento de la capacidad portante de todo el sistema al usar un geotextil, definido por el aumento del módulo resiliente de la subrasante. La metodología de diseño se basa en el análisis de las deformaciones y los esfuerzos que se presentan en la estructura de pavimento, por lo que se utiliza un método racional de diseño de pavimentos, que en este caso es el programa CEDEM. El diseño inicial sin geotextil es esencial para definir el aporte estructural del geotextil en el pavimento y las variables que se asumen para el diseño son las mismas que se utilizan en la metodología de refuerzo, por lo tanto se debe hacer una evaluación de las condiciones de cada proyecto para tener una muy buena aproximación de lo que va a ocurrir en la realidad y así tener una alternativa de diseño que funcione correctamente durante el periodo de diseño de la vía.

127

CAPÍTULO 6 REFUERZO EN VÍAS CON GEOMALLAS BIAXIALES COEXTRUÍDAS

6.1 GENERALIDADES Los pavimentos flexibles se caracterizan por ser sistemas multicapa, los cuales están diseñados para absorber y disipar los esfuerzos generados por el tráfico, por lo general estas estructuras poseen capas de mejor calidad cerca de la superficie donde las tensiones son mayores. Tradicionalmente un pavimento flexible trabaja distribuyendo la carga aplicada hasta que llegue a un nivel aceptable para la subrasante. Este tipo de pavimentos lo conforman una capa bituminosa apoyada sobre una capa de base que puede ser piedra partida, grava bien gradada o materiales estabilizados (con cementos, cal o asfalto) y una de subbase con material de menor calidad. Existen diferentes metodologías de diseño para pavimentos flexibles incluyendo métodos empíricos, métodos limitando la fuerza de corte, métodos limitando la deflexión, métodos regresivos y métodos mecánicos - empíricos. El método AASHTO es un método de regresión basado en resultados empíricos obtenidos por la AASHTO Road Test en los años 50. Esta metodología es la empleada como punto de partida para el desarrollo de la inclusión de geomalla de refuerzo.

6.2 INTRODUCCIÓN La metodología que se presenta a continuación se basa en la versión de 1993 del método de diseño de pavimentos flexibles de la AASHTO. La cual ha sido modificada para explicar la contribución estructural de las geomallas biaxiales coextruídas, según la investigación desarrollada por Filippo Montanelli, Aigen Zhao y Pietro Rimoldo, Ingenieros investigadores de TENAX CORP.

129

Capítulo 6 • REFUER ZO EN VÍAS CON GEOM ALL AS BIA XIALES COEX TRUÍDAS

Figura 6.1 Sección típica de estructuras de pavimento asfáltico La modificación del método de la AASHTO empleando geomallas biaxiales coextruídas para refuerzo de pavimentos flexibles, se realizó con base en ensayos de laboratorio y verificaciones en campo a escala real por los autores mencionados. Los datos recolectados fueron analizados y con base a ellos se desarrolló una metodología aplicable a geomallas de alto módulo de tensión y caracterizadas por su capacidad de trabazón con los agregados y alta resistencia en sus juntas.

6.3 MECANISMOS DE REFUERZO GENERADOS POR LAS GEOMALLAS A través de múltiples investigaciones (Giroud y Noiray, 1981; Giroud et al. 1985; Berg et al, 2000), se ha encontrado que los 3 mecanismos principales de refuerzo que proporciona una geomalla biaxial son los siguientes.

6.3.1 Confinamiento lateral de la base o subbase El cual se logra a través de la fricción y trabazón de la geomalla con el agregado. Esto se presenta debido a que los módulos de los materiales granulares son dependientes del estado de esfuerzos, al aumentar el confinamiento lateral, aumenta el módulo de la capa granular sobre la geomalla.

Figura 6.2 Confinamiento Lateral generado por la geomalla en un material granular

130

M ANUAL DE DISEÑO

6.3.2 Mejoramiento de la capacidad portante Se logra desplazando la superficie de falla del sistema de la subrasante blanda hacia la capa granular de mucha más resistencia. Este mecanismo tiende a tener mayor validez en vías sin pavimentar o cuando el estado de esfuerzos sobre la subrasante es alto.

Figura 6.3 Capacidad Portante. 6.3.3 Membrana tensionada Este efecto se origina en la propiedad por la cual un material flexible elongado, al adoptar una forma curva por efecto de la carga, el esfuerzo normal sobre su cara cóncava es mayor que el esfuerzo sobre la cara convexa, lo cual se traduce en que bajo la aplicación de carga el esfuerzo vertical transmitido por la geomalla hacia la subrasante es menor que el esfuerzo vertical transmitido hacia la geomalla. Sin embargo, este mecanismo solo ocurre a niveles de deformación demasiados altos como los que ocurren en vías sin pavimentar después de un número de repeticiones de carga elevado. De acuerdo con lo anterior, el mecanismo de mayor importancia para las estructuras viales es el confinamiento lateral, mediante el cual se alcanzarían 4 beneficios principales: • Restricción del desplazamiento lateral de los agregados de la base o subbase La colocación de una o varias capas de la geomalla dentro o en el fondo de la capa de base permite la interacción por cortante entre el agregado y la geomalla, a medida que la base trata de desplazarse lateralmente. La carga por cortante es transmitida desde el agregado de la capa granular hacia la geomalla y la coloca en tensión. La alta rigidez de la geomalla actúa para retardar el desarrollo de la deformación por tensión en el material adyacente a esta, situación que se generará constantemente en la zona donde se encuentra un diferencial de tipos de estructura. Una deformación lateral más pequeña de la base o subbase se traduce en menor deformación vertical de la superficie de la vía. • Aumento del confinamiento y de la resistencia de la base o subbase en la vecindad del refuerzo Se espera un incremento en la rigidez de la capa granular cuando se desarrolla una adecuada interacción entre esta y la geomalla. Un aumento en el módulo de la base resultaría también en menores deformaciones verticales dinámicas recuperables de la superficie de la vía, implicando una reducción en la fatiga del pavimento. • Mejoramiento en la distribución de esfuerzos sobre la subrasante En sistemas estratificados, cuando existe un material menos rígido por debajo de la base o subbase, un aumento en el módulo de la capa de base o subbase resulta en una distribución de los esfuerzos verticales más amplia sobre

131


la subrasante. En términos generales, el esfuerzo vertical en la subbase o subrasante directamente por debajo de la geomalla y de la carga aplicada debe disminuir a medida que aumenta la rigidez de la base. Esto se refleja en una deformación superficial menor y más uniforme. • Reducción del esfuerzo y deformación por corte sobre la subrasante La disminución de la deformación por corte transmitida desde la base o subbase hacia la subrasante a medida que el cortante de la base transmite las cargas tensionales hacia el refuerzo, sumado a los menores esfuerzos verticales genera un estado de esfuerzos menos severo que lleva a una menor deformación vertical de la subrasante.

6.4 MÉTODO AASHTO PARA PAVIMENTOS FLEXIBLES El método AASHTO para pavimentos flexibles, se basa en la capacidad estructural de un conjunto de capas de espesores y calidades determinadas, expresado en el Número Estructural, SN, el cual es un valor abstracto que expresa la resistencia que requiere un pavimento construido sobre una subrasante con un módulo MR. La ecuación utilizada para el diseño, derivada de la información obtenida empíricamente por la AASHTO Road Test en 1972, con algunas modificaciones luego de investigaciones adicionales, es la siguiente:

Log10W18 = ZRSO+9.39Log10 (SN+1) – 0.20+

log10

DPSI 4.2 – 1.5

0.40+

1094 (SN+1)5.19

+2.32log10MR – 8.07

Donde: SN

=

Número Estructural requerido

W18

=

Número de aplicaciones de carga de 80 KN (8.2 Ton)

ZR

=

Desviación estándar normal

So

=

Error estándar combinado de la predicción de tránsito y de la predicción de comportamiento

∆PSI

=

Diferencia entre el índice de servicio inicial (pi) y el final (pf)

=

Módulo Resiliente (psi)

MR

El número estructural requerido se convierte en los espesores reales de concreto asfáltico, base y subbase multiplicado cada uno, por los coeficientes de capa respectivos representando el esfuerzo relativo de los materiales de construcción y la capacidad de drenaje. La ecuación de diseño usada es la siguiente:

SN

= a1D1 + a2D2m2 + a3D3m3

Donde: ai

=

Coeficiente correspondiente a la capa i (1/Pulg)

Di

=

Espesor correspondiente a la capa i (Pulg)

Mi

=

Coeficiente de drenaje de la capa i

132

(6.2)

M ANUAL DE DISEÑO

Los subíndices 1, 2 y 3 se refieren a la capa de concreto asfáltico, base y subbase (si esta aplica), respectivamente. Los coeficientes de capa son basados en el módulo de elasticidad del suelo MR y son determinados con base en cálculos de esfuerzos y deformaciones en un sistema de pavimento multicapa.

Carpeta Asfáltica: a1, D1

Base Granular: a2, D2, m2

Subbase Granular: a3, D3, m3

Subrasante

Figura 6.4 Sección de la estructura con sus respectivos coeficientes de capa 6.4.1 Coeficiente de la capa ai La contribución estructural de un material de relleno para la resistencia de un pavimento, esta representado por el adecuado coeficiente de capa, el cual mide el esfuerzo relativo del material en construcción. De acuerdo con la ecuación (6.2) el diseñador necesita seleccionar valores significativos para los coeficientes de las capas a1, a2 y a3 de asfalto, base y sub-base en la sección de pavimento a diseñarse. En la Tabla 6.1 se dan los valores típicos de la contribución estructural de los materiales de relleno. Las regulaciones locales o prácticas estándar pueden sugerir factores superiores para los materiales a utilizarse.

Tabla 6.1 Rango de valores recomendados (1/pul) para los coeficientes a1, a2, a3, para diferentes materiales Material a1

a2

a3

CBR

Rango ai [1/pulg]

Capa De Asfalto

> 100

0.40 - 0.44

Base asfáltica

>100

0.30 - 0.40

Material Granular Bien Gradado

Base Granular

Piedra picada de dureza alta

80 - 100

Piedra picada de dureza media

60 - 80

Grava de río

40 - 70

Mezcla de arena y grava

20 - 50

Arena limpia

10 - 30

133

0,14 0.10 - 0.14

0,13 0,12 0,11

0.06 - 0.10


6.4.2 Coeficiente de drenaje mi El método AASHTO asume que la resistencia de la subrasante y la base se mantendrán en forma constante sobre el diseño de la vida útil del pavimento. Para que esta suposición sea correcta, la estructura del pavimento debe tener un sistema de drenaje adecuado. El nivel de drenaje para un pavimento flexible es cuantificado por medio del uso de los coeficientes modificados de cada capa que conforma la estructura del pavimento. Por ejemplo un alto coeficiente de drenaje en una capa, se usaría para mejorar las condiciones de drenaje. El factor para modificar el coeficiente de drenaje es referido como mi y es integrado al número estructural (SN) como se muestra en la ecuación (6.2). El posible efecto de drenaje en la superficie de la capa del concreto asfáltico no es considerado.

Tabla 6.2 Condiciones De Drenaje Calidad de drenaje

Evacuación del agua

Excelente

2 horas

Bueno

1 día

Justo

1 semana

Deficiente

1 mes

Muy Deficiente

No se presentará descarga

La Tabla 6.3 presenta los valores recomendados para mi en función de la calidad de drenaje y del porcentaje del tiempo en el año en el cual la estructura de pavimento estará expuesta a un nivel de humedad.

Tabla 6.3 Valores de coeficiente de drenaje mi recomendados Calidad de drenaje

Porcentaje de tiempo en que la estructura de pavimento esta expuesta a niveles de humedad acercandose a saturación Menos de 1%

Entre 1 - 5%

Entre 5 - 25%

Mayor de 25%

Excelente

1.40 - 1.35

1.35 - 1.30

1.30 - 1.20

1,2

Bueno

1.35 - 1.25

1.25 - 1.15

1.15 - 1.00

1,0

Justo

1.25 - 1.15

1.15 - 105

1.00 - 0.80

0,8

Deficiente

1.15 - 1.05

1.05 - 0.80

0.80 - 0.60

0,6

Muy Deficiente

1.05 - 0.95

0.95 - 0.75

0.75 - 0.40

0,4

6.5 ENSAYO A ESCALA REAL DE UNA ESTRUCTURA REFORZADA CON GEOMALLA BIAXIAL COEXTRUÍDA Las conclusiones y los resultados empíricos fueron obtenidos durante el análisis de una estructura de pavimento con secciones reforzadas y no reforzadas, utilizadas para realizar el ensayo de pavimento a escala real. Las variables que se estudiaron fueron las siguientes: Resistencia de la subrasante (CBR), espesor de la capa de grava, tipo de geosintético, número de ejes equivalentes (ESAL). Para verificar la capacidad de refuerzo de la geomalla en la base, se construyó una vía con una sección de 210 m aplicando procesos de laboratorio para poder obtener datos confiables y reproducibles para mediciones “in situ” y para realizar la comparación entre secciones reforzadas y no reforzadas.

134

M ANUAL DE DISEÑO

La vía es similar a un semi-óvalo que tiene secciones rectilíneas de 36 y 20 m de longitud y curvas con un radio de 17 m como se muestra en la Figura 6.5.

Figura 6.5 Vista de planta de la sección típica de la vía utilizada en el ensayo El borde extremo de las curvas fueron realzadas ligeramente dando un efecto de “parabólica” para facilitar el paso de los vehículos en las curvas evitando la desaceleración. Para analizar varias condiciones, se tomaron diferentes valores de CBR en la subrasante (1%, 3% y 8%). Las dimensiones de las capas de refuerzo fueron de 2.2 m por 4.6 m para dejar 0.20 m de traslapo a lo largo de la vía en el eje central y 0.30m de traslapo a lo ancho de la sección de la vía entre capas de refuerzo adyacentes. Más de 56 secciones diferentes fueron instaladas con y sin refuerzo, teniendo diferentes valores de resistencia en la subrasante, y espesores de base. Para la sección típica de la vía se excavó una zanja donde se coloco una subrasante de espesor 0.7 m y CBR de 1%,3% y 8%. Posteriormente, se colocó la geomalla y por último se rellenó con espesores entre 0.3 m y 0.5 m con grava seleccionada y debidamente compactada. Para la capa de concreto asfáltico se mantuvo un espesor constante de 7.5 mm a los largo de toda la sección de la vía. Más de 160 ejes equivalentes fueron aplicados por un vehículo que transitaba en un sólo sentido. El vehículo seguía un camino definido por las líneas centrales demarcadas en la carpeta asfáltica, de esta forma se garantizaba que las llantas circularan siempre por el mismo lugar. El vehículo utilizado en el ensayo, fue un camión estándar con eje Tandem en la parte trasera y un eje sencillo en la parte delantera. Los ejes fueron cargados con 90 KN y 45 KN respectivamente. El camión mantenía una velocidad constante de 20Km/h a lo largo de su trayecto, de esta forma cada vuelta era completada cada 60 segundos aproximadamente.

135


Concreto Asfáltico

Grava

Geomalla

Arcilla

Figura 6.6 Vista en corte de la sección típica de la vía del ensayo Las conclusiones obtenidas en el ensayo de las secciones reforzadas y no reforzadas, fueron realizadas a través de gráficos (en función de la resistencia del suelo de la subrasante, número de ciclos y coeficiente de las capas) estos gráficos permiten a los Ingenieros diseñar correctamente, estructuras de pavimento flexible utilizando refuerzo con geomallas coextruídas. Los datos empíricos conseguidos se pueden aplicar exclusivamente a los tipos de geomalla TENAX aquí especificados: • Geomallas Tenax LBO SAMP (geomallas rígidas con valores de esfuerzo y módulo de resistencia altas, caracterizadas por una excelente capacidad de efecto “interlock”) Los tipos de geomalla considerados han sido divididos en dos clases basándose en los valores de su resistencia a la tensión: • Tipo A, con un valor de resistencia a la tensión de 20 KN/m • Tipo B, con un valor de resistencia a la tensión de 30 KN/m En la siguiente tabla se listan las diferentes clases de geomalla TENAX de acuerdo a los tipos A y B,

Tabla 6.4 Tipos de geomallas TENAX considerados para el refuerzo de vías en pavimentos flexibles Tipo A

Tipo B

Esfuerzo a la tensión de 20 KN/m

Esfuerzo a la tensión de30 KN/m

LBO 202 SAMP

LBO 302 SAMP

LBO 220 SAMP

LBO 330 SAMP

136

M ANUAL DE DISEÑO

En la Figura 6.7 se especifican las curvas de iso-deformaciones las cuales muestran el incremento en la vida útil de servicio de la vía con una estructura reforzada. Por medio de esta gráfica se evalúa el aumento de la vida útil de diseño (en términos del incremento del número de pasadas) al instalarse una geomalla TENAX como refuerzo en la sección de la vía.

Figura 6.7 CBR Vs. Número de ciclos en secciones reforzadas y no reforzadas en el fondo de la vía En la Figura 6.8 se listan las curvas de Traffic Improvement Ratio (mejoramiento del índice de tráfico) provenientes de las geomallas TENAX determinadas anteriormente en la Figura 6.7 El TIF (Traffic Improvement Ratio) es la proporción de número de ciclos de carga, en secciones reforzadas y no reforzadas aplicados en el fondo de la vía. El TIF para periodos de servicio largos, aumenta de forma considerable los valores de CBR y números estructurales bajos.

Figura 6.8 Incremento del factor de Tráfico Vs. CBR para dos profundidades de ahuellamiento

137


La siguiente sección contiene la metodología de diseño paso a paso para la estimación del número estructural requerido y el diseño de la estructura usando las ecuaciones del método AASHTO para pavimentos flexibles, y la introducción del Layer Coefficient Ratio (LCR) de la geomalla biaxial, el cual cuantifica la contribución estructural de la geomalla a la estructura de pavimento.

6.6 MÉTODO AASHTO PARA DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES REFORZADOS CON GEOMALLAS COEXTRUÍDAS TENAX La contribución estructural de una geomalla TENAX en un sistema de pavimentos flexible puede cuantificarse con el incremento al esfuerzo del coeficiente de la capa de la base de la vía. Por lo anterior, la ecuación (6.2) se convierte ahora en:

SN

= a1D1 + a2 LCR D2m2 + a3D3m3

(6.3)

Donde LCR tiene un valor superior a uno. Este valor es determinado basándose en los resultados de laboratorio y en pruebas de campo en sistemas de pavimentos flexibles con y sin utilización de las geomallas, como se describe en la ecuación (6.4). SNr (número estructural de la sección reforzada) y SNu (número estructural de la sección no reforzada) utilizados en la ecuación (6.4) fueron evaluados bajo condiciones de pavimento iguales. Por ejemplo igual profundidad de la base, valor de CBR en subrasante, profundidad de ahuellamiento, pero utilizando diferentes períodos de vida de servicio como se muestra en la Figura 6.7.

LCR

SNr – SNu = a2D2

+ 1

(6.4)

Basándose en la ecuación se puede calcular el valor de LCR el cual se obtuvo de los ensayos realizados a la sección típica de la vía. En la Figura 6.9 se presenta el LCR basado en los ensayos de pavimentos empíricos con y sin refuerzo de geomallas. El valor de LCR oscila entre 2 a 1.5 dependiendo básicamente del valor de CBR de la subrasante, ESAL y profundidad de ahuellamiento de la vía. Como se indica en la Figura 6.9 la contribución estructural de la geomalla de refuerzo es casi constante cuando el valor de CBR de la subrasante es superior a 3% mientras que para un valor de 1% en el CBR de la subrasante la contribución estructural de la geomalla es significativamente más alta. La reducción en espesor de la base puede ser evaluada con el uso de una geomalla mediante la ecuación (6.5), asumiendo que no existe una capa de sub-base.

D2

SNr – a1D1m2

= LCR a2m2

(6.5)

Se puede reducir el espesor de la capa de asfalto mediante la ecuación,

D1

SNr – LCR a2D2 = a1

138

(6.6)

M ANUAL DE DISEÑO

Usando el gráfico de diseño de la Figura 6.9 es posible calcular el espesor de D2 de la base en una vía reforzada en pavimentos flexibles. De acuerdo a los valores (D1, a1, D2, a2, m2) de una sección no reforzada es posible determinar el SN (numero estructural) para una sección reforzada considerando que el CBR de la subrasante es proporcional al valor de LCR dado la gráfica de diseño. Posteriormente utilizando la ecuación (6.5) puede determinarse el espesor D2 (Ahorro relativo en costos) para un refuerzo de vía en pavimentos flexibles.

Figura 6.9 LCR Vs. CBR de la subrasante

6.7 EJEMPLO DE DISEÑO Para la construcción de la vía Acacias – Puerto Lleras entre el tramo K2 + 350 y K3 + 600, los ingenieros consultores del proyecto elaboraron el siguiente diseño de la estructura de pavimento, con base a los datos recolectados en el lugar. La estructura recomendada para la construcción de la vía en el tramo mencionado es la siguiente.

Carpeta Asfáltica: 7.00 cm a1= 0.40 Base Granular:

20.00 cm a2= 0.16 m2= 1.00

Subbase Granular: 50.00 cm a3= 0.11 m3= 1.00 Subrasante N = 600.000

139

CBR = 2%


Debido a que existe alta demanda de los materiales de construcción en la zona del proyecto, a la fecha pactada para la ejecución del proyecto, no hay disponibilidad de la cantidad de material requerida para la construcción de la vía, por lo que se requiere de alguna solución técnica y económicamente viable con la cual se disminuya la cantidad de material procedente de canteras con el fin de reducir el espesor total de la estructura, sin alterar el desempeño y calidad de la vía. Como solución se plantea la posibilidad de emplear geomalla biaxial coextruída para obtener estas disminuciones. 1. Cálculo del número estructural según metodología AASHTO de la estructura inicial entregada por los diseñadores del proyecto. Utilizando la ecuación (6.2) y con los valores dados en el enunciado, se obtiene el número estructural de la estructura original o sin refuerzo. Los espesores de cada capa deben manejarse en pulgadas. SN

= a1D1 + a2D2m2 + a3D3m3

SN

= 0.40 x 2.76 + 0.16 x 7.87 x 1.00 + 0.11 x 19.69 x 1.00

SN

= 4.53

2. Cálculo de la estructura sustituyendo la base granular. Una vez calculado el número estructural inicial, se realiza una sustitución de la base granular por subbase granular, determinando espesores equivalentes obteniendo el mismo valor numérico del número estructural inicial. Este nuevo espesor se denomina D3’. SN

= 4.53

SN

= a1D1 + a3D3’m3

4.53

= 0.40 x 2.76 + 0.11 x D3’ x 1.00

D3’

= 4.53 – 0.40 x 2.76

0.11 x 1.00

D3’

= 31.15 pulg

D3’

= 79.11 cm y 80.00 cm

3. Cálculo del nuevo espesor de la capa de subbase con refuerzo Empleando una geomalla de 20 KN/m (Tipo A), en este caso aportado por la geomalla bi-axial LBO 202 para una subrasante con CBR = 2%, se obtiene de la Figura 6.9 un valor de LCR o coeficiente de aporte de la geomalla a la capa granular de la estructura de: LCR

= 1.39

Para incluir el aporte de la geomalla dentro de la estructura de pavimento y obtener una disminución de espesor, se bebe mantener constante a través de los cálculos realizados el valor inicial del número estructural. SNr

= SN

SNr

= 4.53

A continuación se realiza el cálculo del nuevo espesor de la capa granular con el refuerzo incluido como parte integral de la estructura según la ecuación (6.3).

140

M ANUAL DE DISEÑO

SNr

= a1D1 + a3 LCR D3m3

D3r

= SNr – a1D1 a3 LCR m3

D3r

= 4.53 – 0.40 x 2.76

0.11 x 1.39 x 1.00

D3r

= 22.41 pulg y 57 cm

4. Cálculo del aporte estructural de la capa reforzada. Una vez hallado el nuevo espesor de la capa granular, por la utilización de la geomalla, se calcula el número estructural de la misma.

a3 x D3r

x m3 = 0.11 x 22.41 x 1.00 = 2.47

5. Cálculo de nuevos espesores de base y subbase granular. Como la estructura seguirá manteniendo la misma conformación de materiales de base y subbase, se deben calcular los nuevos espesores de dichas capas en función del número estructural de la capa de subbase obtenido en el paso anterior y con sus coeficientes de capa respectivos.

SNGR

= a2 x D2r x m2 + a3 x D3r x m3

2.47

= 0.16 x D2r x 1.00 + 0.11 x D3r x 1.00

Debido a que se tienen dos incógnitas y una sola ecuación, se debe realizar un proceso de iteración para obtener unos espesores de capa razonables para la estructura. Para el espesor de la base granular no se recomienda que este valor se encuentre por debajo de los 15 cm o 6 pulgadas. Para la solución del problema, se deja constante el espesor de la base granular, que para este caso se emplea el espesor mínimo recomendado de 15 cm y se despeja de la ecuación el espesor de la subbase granular. SNGR

= a2 x D2r x m2 + a3 x D3r x m3

D2r

= 6 pulg = 15.00 cm

D3r

= 13.73 pulg = 35.00 cm

6. Verificación del aporte estructural con los nuevos espesores de capa de material granular e inclusión de geomalla. Para que la estructura sea constructivamente viable, los espesores calculados por lo general son modificados para facilitar su proceso constructivo. Es por eso que se debe verificar que la variación de estos no altere el desempeño de la estructura, por lo que el número estructural de las capas granulares con respecto al paso 4, debe ser en lo posible iguales.

0.16 x 5.90 x 1.00 + 0.11 x 13.78 = 2.46 y 2.47 O.K

141


7. Análisis de la disminución de espesor debido a la inclusión de la geomalla biaxial.

C.A. 7cm B.G. 20cm

B.G. 15cm

Geomalla LBO 202

S.B.G. 50cm S.B.G. 35cm

CBR 2%

Espesor de la estructura reducido Base granular:

5 cm

Subbase granular:

15 cm

Espesor total reducido de la estructura:

20 cm

Según el ejemplo anterior, las geomallas coextruídas funcionan como material de refuerzo, en este caso su aporte a la estructura generó una reducción en los espesores de material granular. El ingeniero diseñador debe tener en cuenta todas las posibilidades de diseño que se puedan generar con la inclusión del refuerzo y escoger la más viable tanto económica como constructivamente posible, en el caso mostrado se redujeron los espesores de material granular. Para cualquiera de los casos de estudio, se deben realizar los cálculos teniendo en cuenta la experiencia del ingeniero, sin dejar a un lado el estudio y conocimiento de los materiales que se emplearan para la construcción de la estructura.

BIBLIOGRAFÍA •

TENAX, TDS006: Design Of Flexible Road Pavements With Tenax Geogrids

142

CAPÍTULO 7 PAVIMENTACIÓN Y REPAVIMENTACIÓN CON GEOTEXTILES

Uno de los campos de aplicación que ha tenido un mayor grado de desarrollo en la ingeniería vial, es la utilización de los geotextiles en obras tales como construcción y la rehabilitación de pavimentos. Del correcto entendimiento sobre las propiedades de este tipo de materiales, de su aplicación, instalación, funciones a desempeñar, beneficios e incluso las mismas limitaciones que poseen, en buena parte dependerá el éxito que estos puedan tener, brindando de esta forma ahorros sustanciales en el mantenimiento de las obras viales que se ejecuten en nuestro país.

7.1 ANTECEDENTES La prolongación de la vida útil de las vías ha sido una permanente preocupación por parte de las entidades públicas a nivel nacional e internacional, que se encargan de la ejecución y del posterior cuidado de estas. Los ensayos realizados sobre nuevos materiales que racionalicen de alguna manera los costos de mantenimiento que la estructura de pavimento requiere, han traído nuevos horizontes. Con la aparición de los geosintéticos y en especial los geotextiles, los investigadores han hecho un aporte significativo a la ingeniería, aclarando el desempeño de estos en aplicaciones específicas, como lo es en este caso, la rehabilitación de pavimentos. A finales de la década de los sesenta, en el departamento de transporte de California, Caltrans, se comienza a experimentar con los geotextiles, teniendo en cuenta que la principal función con la que estos deberían cumplir, era la de evitar la reflexión o calcado de grietas reemplazando a sistemas tradicionales tales como las bases de gradación abierta. Después de casi dos décadas de ensayos en campo, laboratorio y de estudios se logró cuantificar el beneficio de los geotextiles en los proyectos de repavimentación, estos se han venido utilizando casi rutinariamente a lo largo y ancho de la Unión Americana y de Europa. En Colombia, desde hace poco mas de un lustro, la utilización de los geotextiles en repavimentación se ha convertido en otra de las alternativas a los sistemas habituales constructivos utilizados en este tipo de obras, los cuales por lo general no contemplan más que la utilización de un ligante asfáltico, colocado sobre la superficie de la carpeta asfáltica antigua de una manera poco ortodoxa. Además de la colocación de la nueva capa de rodadura, que en algunos casos no contempla tan siquiera el uso de modificadores elastoméricos para mejorar sus propiedades. La utilización del geotextil en estas obras ha tenido unas veces grandes fracasos y otras éxitos rotundos, dependiendo del grado de conocimiento sobre la correcta utilización que los ejecutores hayan tenido sobre este tipo de tecnología. 143

Capítulo 7 • PAVIMENTACIÓN Y REPAVIMENTACIÓN CON GEOTEX TILES

7.2 FUNCIONES DEL GEOTEXTIL Si se entiende por refuerzo como la redistribución de fuerza, debido a la inclusión de un material rígido de alta resistencia a la tensión cuyo módulo elástico sea mayor que el del material que irá a reforzar, al incluir un geotextil dentro de una estructura de pavimento, este no cumplirá con la definición de refuerzo, entonces se preferirá la utilización de otro término para definir su comportamiento en este tipo de estructuras, este es el de intercapa. Estas intercapas son usadas para prevenir o reducir el calcado de grietas, la aparición de grietas del tipo de piel de cocodrilo y los fenómenos de ahuellamiento y corrugamiento. Las dos funciones básicas que cumple el geotextil impregnado con asfalto para poder suministrar sus beneficios, son las de:

7.2.1 Barrera Impermeabilizadota A pesar que el concreto asfáltico ha sido sometido a un proceso de compactación y que su relación de vacíos es muy baja, hay que considerársele como un elemento permeable, a través del cual se infiltrará un gran porcentaje del agua superficial que podrá llegar a las capas granulares y a la subrasante, ablandando estos suelos afectando los parámetros de resistencia y deformabilidad. Otro efecto igualmente adverso es el incremento de presiones de poros que reduce los esfuerzos efectivos del suelo, además se presentará el efecto “prensa”, que hace disminuir la disipación de los esfuerzos producidos por cargas de tráfico a través de las capas granulares, siendo estos transmitidos directamente por el agua que se encuentra entre las partículas de suelo a la subrasante. Con el fin de evitar las situaciones anteriores, es necesario la colocación de una barrera impermeabilizadora que detenga el proceso de infiltración, prolongando la vida útil del pavimento, disminuyendo los costos de mantenimiento y posponiendo un nuevo proceso de repavimentación. Tal barrera deberá estar conformada por un geotextil no tejido especial para aplicaciones de pavimentación y repavimentación, que servirá como medio para albergar una cantidad determinada de asfalto residual hasta lograr su saturación, además de una cantidad adicional para permitir la adhesión del geotextil a la superficie antigua (capa asfáltica inferior) y a la nueva capa de rodadura. La cantidad de cemento asfáltico a utilizar es uno de los puntos donde se debe tener un mayor cuidado. Una de las normas constructivas internacionales para repavimentación, (Task Force 25, compuesta por la AASHTO, la AGC y la ARTBA) que ha tenido la mayor aceptación por parte de los ingenieros viales en todo el mundo, exige que como mínimo la cantidad de cemento asfáltico para saturar el geotextil debe ser de 0.9 L/m2 , esta es una de las razones por las cuales el geotextil a usarse debe ser un no tejido punzonado por agujas, gracias a su espesor y porosidad que le permiten alojar tal cantidad de asfalto. Se deben considerar otros factores adicionales para determinar la cantidad adecuada del cemento asfáltico o ligante a usarse, que contemplan el estado de porosidad del concreto asfáltico antiguo. Una cantidad insuficiente de ligante podría causar que el geotextil no se sature totalmente, perdiéndose el efecto de impermeabilidad o puede que la adhesión entre el geotextil y las capas de concreto asfáltico no sea suficiente, originando tiempo después una superficie potencial de falla por deslizamiento. Una cantidad excesiva de ligante originará un posible problema de exudación de asfalto.

7.2.2 Membrana Amortiguadora de Esfuerzos Cuando una capa de repavimentación es colocada sobre la superficie antigua, los esfuerzos incluidos por agrietamiento en la capa de concreto asfáltico antigua, pueden ser transmitidos hacia la nueva capa de repavimentación, originando un agrietamiento por reflexión temprana.

144

M ANUAL DE DISEÑO

Esto resulta del contacto entre agregados del pavimento antiguo y la capa nueva de repavimentación. Al instalar un geotextil para repavimentación entre las capas de concreto asfáltico nuevas y viejas ayuda a retardar el agrietamiento por reflexión, suministrando una capa flexible de espesor suficiente que Absorbe parte de los esfuerzos entre la capa de pavimento antiguo y la capa de pavimento nuevo, permitiendo movimientos leves dentro de la intercapa del geotextil, sin tensionar la capa de repavimentación en concreto asfáltico. De esta forma se prolonga la vida de servicio de las capas repavimentadas. Los geotextiles no tejidos impregnados con asfalto tienen un módulo de elasticidad bajo y absorben las deformaciones sin transferirlas. El geotextil para repavimentación alivia parcialmente la transferencia de esfuerzos inducidos por el tráfico en la cercanía de las grietas, actuando como una capa aliviadora de esfuerzos. La capa de base se protege de los esfuerzos cortantes generados por las cargas generadas por el tráfico y de aquí que sean toleradas deflexiones mayores. De estudios realizados se ha concluido que las 2/3 partes del alivio de esfuerzos se debe al cemento asfáltico que satura el geotextil y el resto es por el geotextil que funciona como contenedor. En el caso de que una estructura de pavimento en concreto tenga un espesor mayor, mayores serán los esfuerzos de tensión en la base cuando se deflecte debido a las cargas de tráfico. La mayoría de los agrietamientos en los pavimentos comienza en la base del pavimento debido a los esfuerzos de tensión, continuando hasta la superficie. Al colocar una capa de repavimentación sin una intercapa de geotextil se está incrementando el espesor total de la estructura del pavimento, aumentándose los esfuerzos a tensión en la base del pavimento promoviendo el agrietamiento. Cuando se coloca una intercapa con geotextil se está generando un efecto de separación, permitiendo un desplazamiento relativo entre capas. Los esfuerzos de tensión generados, se podrán atribuir entonces al espesor individual de cada una de las capas, logrando disminuirlos. Mediante la colocación de una intercapa que absorba los esfuerzos inducidos por las cargas cíclicas de trafico, las capas de concreto asfáltico experimentarán menos esfuerzos desarrolladores de grietas internas que aquellas secciones que no tengan intercapas. La resistencia a la fatiga de una capa de repavimentación dependerá de las características de la membrana amortiguadora de esfuerzos incluyendo su módulo de elasticidad, espesor y de la cantidad de modificadores del asfalto.

7.3 TIPO Y NIVEL DE SEVERIDAD DE LAS FALLAS DEL PAVIMENTO Las fallas en los pavimentos contemplan los tipos que se enunciarán a continuación:

7.3.1 Fallas Superficiales • Agrietamiento en bloques, longitudinal y/o transversal. Las causas principales de estas son la contracción, endurecimiento por envejecimiento y condiciones ambientales donde las temperaturas son bajas. • “Deshilachamiento” debido a una cantidad pobre de asfalto, envejecimiento y/o a la acción abrasiva del agua y las llantas de los vehículos. • Arrugamiento debidos al exceso de asfalto, de agua y/o presencia de agregados muy blandos en la mezcla del concreto asfáltico.

7.3.2 Fallas por Adhesión • Agrietamiento por corrimiento originados principalmente por una cantidad insuficiente de cemento asfáltico como ligante, superficie del pavimento demasiado delgada, cargas horizontales originadas por el tráfico.

145


7.3.3 Fallas Estructurales • Agrietamientos transversales por fatiga debidos a deflexiones excesivas en el pavimento y/o a un diseño inadecuado de la sección. • Ahuellamiento debidos a un contenido de humedad excesivo y/o a un diseño inadecuado de la sección. • Deformaciones severas longitudinales debidas a una falta de soporte en las bermas a la sección estructural del pavimento. La utilización del geotextil, saturado de asfalto, en el caso de que se presente alguna de este tipo de fallas estructurales, no se debe entender como la utilización de un sistema para corregir las mismas. Previamente al proceso de recuperación de la vía, deberán ejecutarse las medidas correctivas para subsanar todos los problemas que en el futuro estas pudiesen generar.

7.4 EFECTOS DEL AGRIETAMIENTO Durante la vida de servicio de una estructura de pavimento, la superficie de ésta podrá sufrir defectos por las siguientes causas: • Agrietamiento debido al envejecimiento de la capa de rodadura, movimientos por gradientes térmicos, movimientos relativos entre placas y por contracción. Inicialmente con la variación de temperaturas se presenta la propagación inicial de las grietas y posteriormente éste efecto se aumenta debido a la acción de las cargas generadas por el tráfico. • Ahuellamiento debido a una falta de capacidad para resistir deformaciones. • Agrietamiento por fatiga debido a efectos ambientales o a una falta de capacidad portante de la estructura. El agrietamiento reduce la resistencia estructural del pavimento y lleva a un rápido deterioro de la construcción. Para que este ocurra, primero debe haber sufrido un proceso de iniciación. Las grietas crecerán como resultado de las cargas de tráfico, temperatura, deformaciones y calcado de grietas. A través de las grietas el agua penetrará a las capas granulares y a la subrasante, reduciendo su capacidad portante, por esto debe prevenirse la infiltración, dando como posibles soluciones el sellamiento de las grietas o en casos más extremos la repavimentación. Para el último caso se utilizan geotextiles no tejidos impregnados con asfalto.

Agrietamiento por fatiga Una grieta o fisura puede iniciarse y crecer como resultado de la repetición de cargas de tráfico. Cuando una rueda pasa, la abertura se flexa, suministrando esfuerzos de tensión en los extremos de la grieta haciéndola crecer.

Agrietamiento por reflexión Si la capa de repavimentación se aplica sobre grietas, los movimientos horizontales en las grietas existentes también causarán deformaciones horizontales en la capa de repavimentación, llevando a la continuación del crecimiento de la grieta existente en la capa de repavimentación, que se conoce como flexión o calcado de grietas. Este agrietamiento ocurre debido a la diferencia de esfuerzos cortantes en ambos costados de la grieta. Pasa cuando una rueda pisa la grieta, cargando primero un borde de la grieta y posteriormente el otro. Para evitar o retardar el agrietamiento por reflexión y el control de la infiltración a través del pavimento, existen los siguientes sistemas que pueden ser utilizados de manera individual o conjunta:

146

M ANUAL DE DISEÑO

• Geotextiles para repavimentación: combinación de geotextil y asfalto, en casos donde las grietas no sean por fallas estructurales. • Membranas de intercapa absorbedoras de esfuerzos (SAMI): capas de cierto espesor con asfalto modificado. • Sellos de arena-asfalto y sellos de asfaltos modificados: en procesos de agrietamiento incipiente. • Para escoger entre las opciones mencionadas anteriormente, es necesario llegar a una aproximación de ingeniería para cada problema especifico, la cual debe incluir los siguientes ítems: • Identificación del problema • Evaluación de los factores y mecanismos involucrados. • Análisis de las posibles soluciones y sus respectivas limitaciones. • Posibilidades en términos de la efectividad de cada solución versus los costos que acarrea. • Análisis del proyecto y las consideraciones constructivas. Pero aparte de esto, se debe mantener en la mente que el momento propio para comenzar con las construcciones de un sistema que retarda la aparición de grietas, es indudablemente durante las primeras etapas de aparición de estas, cuando apenas se vislumbran grietas de líneas delgadas en el pavimento. En este punto, apenas poca agua se ha infiltrado a través de la estructura como para ablandar y debilitar el suelo de la subrasante.

7.5 ASFALTOS 7.5.1 Cemento Asfáltico El asfalto es un material altamente impermeable, adherente y cohesivo, capaz de resistir altos esfuerzos instantáneos y fluir bajo la acción de cargas permanentes. Como aplicación de estas propiedades el asfalto puede cumplir, en la construcción de pavimentos, las siguientes funciones: Contribuir a impermeabilizar la estructura del pavimento, haciéndolo poco sensible a la humedad y eficaz contra la penetración del agua proveniente de la precipitación. Proporciona una íntima unión y cohesión entre agregados, capaz de resistir la acción mecánica de disgregación producida por las cargas de los vehículos. Igualmente mejora la capacidad portante de la estructura, permitiendo disminuir su espesor. El asfalto es un sólido o liquido viscoso, compuesto por una mezcla compleja de hidrocarburos, no volátiles, solubles en tricloroetileno, y que ablandan al aumentar la temperatura. El cemento Asfáltico es un asfalto refinado o una combinación de asfalto refinado y aceite fluidificante de consistencia apropiada para trabajos de pavimentación. Estos asfaltos refinados son muy duros y se les da la consistencia, mezclándolos con aceites o residuos provenientes de la destilación del petróleo de base asfáltica. Los cementos asfálticos se dividen en grados según su dureza o consistencia, que es medida mediante el ensaye de penetración medido en 1/10 mm, valor que es inverso a la dureza. De acuerdo a esto, los cementos asfálticos más comúnmente usados son los siguientes: CA 40 - 50

:

Para sellado de juntas de pavimento de hormigón

CA 60 - 70

:

En concreto asfáltico

147


CA 85 - 100

:

En concreto asfáltico

CA 120 - 150

:

Tratamientos superficiales

Las dos cifras indican los límites máximos y mínimos de la penetración.

Propiedades o características deseables del cemento asfáltico Para los estudios técnicos y la construcción hay tres propiedades o características del asfalto importantes: Consistencia: término usado para describir el grado de fluidez o plasticidad del asfalto a cualquier temperatura dada, La clasificación de los cementos asfálticos se realiza con base al valor de la consistencia a una temperatura de referencia. Para especificar y medir la consistencia de un asfalto para pavimento, se usan ensayos de viscosidad, ensayos de penetración y/o punto de ablandamiento. Pureza: El cemento asfáltico se compone, casi totalmente de betunes (solubles en bisulfuro de carbono). Los asfaltos refinados son, generalmente, más de 99.5% solubles en bisulfuro de carbono y por lo tanto casi betunes puros. Las impurezas, si las hay, son inertes. Seguridad: El cemento asfáltico, si se lo somete a temperaturas suficientemente elevadas, despide vapores que arden en presencia de una chispa o llama. La temperatura a la que esto ocurre es más elevada que la temperatura normalmente usada en las operaciones de pavimentación. Sin embargo, para tener la certeza de que existe un adecuado margen de seguridad, se debe conocer el punto de inflamación del asfalto.

7.5.2 Emulsiones Asfálticas Son parte de los asfaltos líquidos. Es un sistema heterogéneo de dos fases normalmente inmiscibles, como son el asfalto y el agua, al que se le incorpora una pequeña cantidad de un agente activador de superficie, tensoactivo o emulsificante, de base jabonosa o solución alcalina, el cual mantiene en dispersión el sistema, siendo la fase continua el agua y la discontinua los glóbulos del asfalto, en tamaño, entre uno a diez micrones. Cuando la emulsión se pone en contacto con el agregado se produce un desequilibrio que la rompe, llevando a las partículas del asfalto a unirse a la superficie del agregado. El agua fluye o se evapora, separándose de las partículas pétreas recubiertas por el asfalto. Existen emulsificantes que permiten que esta rotura sea instantánea y otros que retardan éste fenómeno. De acuerdo con la velocidad de rotura, las emulsiones asfálticas pueden ser: De rompimiento rápido: la que se designa por las letras RS (Rapid Setting). Estas producen una capa relativamente dura y principalmente es usada para aplicaciones en spray sobre agregados y arenas de sello, así como penetración sobre piedra quebrada; que por ser de alta viscosidad sirve de impermeabilizante. De rompimiento medio: Las que se designan con las letras MS (Medium Setting). De rompimiento lento: designada por las letras SS (Slow Seting). Son diseñadas para una máxima estabilidad de mezclado. Son usadas para dar un buen acabado con agregados compactos y asegurar una buena mezcla con éstos. El tipo de emulsión a utilizar depende de varios factores, tales como las condiciones climáticas durante la construcción, tipos de agregados disponibles, etc. Las emulsiones asfálticas deben ser afines a la polaridad de los agregados con el propósito de tener una buena adherencia. Esta cualidad se la confiere el emulsificante, el cual puede darle polaridad negativa o positiva, tomando el nombre de aniónicas, las primeras, afines a los áridos de cargas positivas y catiónica, las segundas, afines a áridos de cargas negativas; como son las de origen cuarzoso o silíceo. Las emulsiones catiónicas se designan con las mismas letras anteriormente dichas y anteponiéndoles la letra “C”, como por ejemplo las CRS-1 y CSS-1. 148

M ANUAL DE DISEÑO

Si el residuo asfáltico de las emulsiones medias y lentas es de penetración 40-90 se le agrega la letra “h” (CSS-1h, MS-2h). Las especificaciones que deben cumplir los asfaltos líquidos están indicados en las tablas:

Tabla 7.1 Asfaltos cortados de curado rápido AASHTO M 81 RC 70

RC 250

RC 800

RC 3000

MIN

MAX

MIN

MAX

MIN

MAX

MIN

MAX

70

140

250

500

800

1600

3000

6000

Velocidad Cinemática a 60°C Centistokes Punto de Inflamación (copa abierta Tag)°C

27

Agua %

0.2

27

27

0.2

0.2

0.2

Ensayo de destilación. Porcentaje en volumen del destilado total a 360°C A 190°C

10

35

15

25

A 225°C

50

60

45

70

A 260°C

70

80

75

A 315°C

85 65

75

Residuo de Destilación a 360°C % Volumen

55

80

Ensayos en el residuo de la destilación Penetración 100g, 5 seg a 25°C

80

120

80

120

80

120

80

120

Ductilidad a 25°C, 5 cm/min, cm

100

100

100

100

Solubilidad en Tricoroetileno, %

99.9

99.9

99.9

99.9

Ensayo de la mancha con: Nafta Estándar

Negativa para todos los grados

Solvente Nafta - Xilol, % Xilol


Solvente Heptano - % Xilol


Tabla 7.2 Asfaltos cortados de curado medio AASHTO M 82 MC 30

MC 70

MC 250

MC 800

MC 3000

MIN

MAX

MIN

MAX

MIN

MAX

MIN

MAX

MIN

MAX

Velocidad Cinematica a 60°C Centistokes

30

60

70

140

250

500

800

1600

3000

6000

Punto de Inflamación(copa abierta Tag)°C

38

Agua %

38 0.2

66 0.2

66 0.2

66 0.2

0.2

Ensayo de destilación. Porcentaje en volumen del destilado total a 360°C A 225°C

40

25

20

20

15

15

0

35

0

15

A 260°C

75

70

65

60

60

55

45

80

15

75

A 315°C Residuo de Destilación a 360°C % Volumen

93 50

90 55

87 67

75

80

Ensayos en el residuo de la destilación Penetración 100g, 5 seg a 25°C

120

250

120

250

120

250

120

250

Ductilidad a 25°C, 5 cm/min, cm

100

100

100

100

100

Solubilidad en Tricoroetileno, %

99.9

99.9

99.9

99.9

99.9

Ensayo de la mancha con: Nafta Estándar


Solvente Nafta - Xilol, % Xilol


Solvente Heptano - % Xilol


149

120

250


7.5.3 Asfaltos Modificados Los materiales asfálticos modificados son el producto de la disolución o incorporación en el asfalto de un polímero, sustancia que es estable en el tiempo y a cambios de temperatura que se añaden al material asfáltico para modificar sus propiedades físicas y reológicas disminuir su susceptibilidad a la temperatura y a la humedad, así como a la oxidación. El propósito de modificar el asfalto es el de incrementar su desempeño en términos de rangos de temperatura y tolerancia al esfuerzo, mediante la modificación del balance en su comportamiento visco-elástico a través del rango de temperaturas de aplicación y servicio. La modificación de asfalto es una nueva técnica utilizada para el aprovechamiento efectivo de asfaltos en la pavimentación de vías. Esta técnica consiste en la adición de polímeros a los asfaltos convencionales con el fin de mejorar sus características mecánicas, es decir, su resistencia a las deformaciones por factores climatológicos y del tránsito (peso vehicular). Con los asfaltos modificados se pretende contar con ligantes más viscosos a temperaturas elevadas para reducir las deformaciones permanentes (ahuellamiento), disminuir el fisuramiento por efecto térmico a bajas temperaturas y por fatiga, aumentando su elasticidad Finalmente contar con un ligante de mejores características adhesivas. El efecto principal de añadir polímeros a los asfaltos es el cambio en la relación viscosidad-temperatura (sobre todo en el rango de temperaturas de servicio de las mezclas asfálticas) permitiendo mejorar de esta manera el comportamiento del asfalto tanto a bajas como a altas temperaturas. Los asfaltos modificados se deben aplicar, en aquellos casos específicos en que las propiedades de los ligantes tradicionales son insuficientes para cumplir con éxito la función para la cual fueron encomendados, es decir, en mezclas para pavimentos que están sometidos a solicitaciones excesivas, ya sea por el tránsito o por otras causas como: temperaturas extremas, agentes atmosféricos, tipología del firme, etc. Si bien los polímeros modifican las propiedades reológicas de los asfaltos, estos deben mostrar ventajas en servicio; los campos de aplicación más frecuentes son: Se pueden enumerar una serie de ventajas y desventajas de los asfaltos modificados con polímeros.

Ventajas: - Disminuye la susceptibilidad térmica. - Se obtienen mezclas más rígidas a altas temperaturas de servicio reduciendo el ahuellamiento. - Se obtienen mezclas más flexibles a bajas temperaturas de servicio reduciendo el fisuramiento. - Disminuye la exudación del asfalto: por la mayor viscosidad de la mezcla, su menor tendencia a fluir y su mayor elasticidad. - Mayor elasticidad: debido a los polímeros de cadenas largas. - Mayor cohesión: el polímero refuerza la cohesión de la mezcla. - Mejora la trabajabilidad y la compactación: por la acción lubricante del polímero o de los aditivos incorporados para el mezclado. - Mejor impermeabilización: en los sellados bituminosos, pues absorbe mejor los esfuerzos tangenciales, evitando la propagación de las fisuras. - Mayor resistencia al envejecimiento: mantiene las propiedades del ligante, pues los sitios más activos del asfalto son ocupados por el polímero.

150

M ANUAL DE DISEÑO

- Mayor durabilidad: los ensayos de envejecimiento acelerado en laboratorio, demuestran su excelente resistencia al cambio de sus propiedades características. - Mejora la vida útil de las mezclas: menos trabajos de conservación. - Permiten mayor espesor de la película de asfalto sobre el agregado. - Reduce el costo de mantenimiento. - Aumenta el módulo de la mezcla. - Permite la reducción de hasta el 20% de los espesores por su mayor módulo. - Mayor resistencia a la flexión en la cara inferior de las capas de mezclas asfálticas. - Permite un mejor sellado de las fisuras.

Desventajas: - Alto costo del polímero. - Dificultades del mezclado: no todos los polímeros son compatibles con el asfalto base. - Deben extremarse los cuidados en el momento de la elaboración de la mezcla. - Los agregados no deben estar húmedos ni sucios. - La temperatura mínima de distribución es de 145ºC por su rápido endurecimiento.

Naturaleza Del Polímero. Los polímeros son sustancias formadas por la unión, de cientos o miles de moléculas pequeñas, llamadas monómeros. La gran diversidad de materiales poliméricos hace que su clasificación y sistematización sea difíciles, pero atendiendo a su estructura y propiedades, se clasifican para uso vial como se presentan a continuación: Termoendurecibles

Resinas epoxi Poliuretanos Poliésteres

Plastómeros (Plásticos)

Polietileno (PE) Polipropileno (PP) Etil Vinil Acetato (EVA) Cloruro de polivinilo (PVC)

Termoplásticos Elastómeros (Cauchos)

Estireno Butadieno (SBR) Estireno Butadieno Estireno (SBS) Cauchos naturales Cauchos artificiales

Figura 7.1 Clasificación de los Polímeros Termo-Endurecibles: son polímeros formados por una reacción química de dos componentes (base y endurecedor), dando lugar a una estructura entrecruzada, por lo que no pueden ser recuperados para volver a transformarse. Termoplásticos: Son polímeros solubles que se reblandecen con la acción del calor y pueden llegar a fluir. Son generalmente, polímeros lineales o ligeramente ramificados.

151


7.6 PROCEDIMIENTO DE INSTALACIÓN Para que el desempeño del geotextil en esta aplicación sea el correcto y su vida de servicio sea la esperada, deberá ceñirse al siguiente proceso de instalación:

7.6.1 Condiciones y Limpieza de la Superficie Para garantizar que la adhesión del geotextil a la capa de rodadura vieja y a la de repavimentación sea la adecuada, deberá preverse que la superficie sobre la cual se colocarán los rollos de los geotextiles esté razonablemente libre de elementos tales como mugre, agua, vegetación y escombros que pudiesen entorpecer el contacto entre el ligante asfáltico y la carpeta vieja. Los equipos recomendables utilizados en este tipo de operaciones son compresores neumáticos con boquillas adecuadas para limpieza o incluso se permite la utilización de escobas. Cuando se trabaja sobre fresado se debe realizar una limpieza muy minuciosa, ya que la superficie debe quedar libre del polvillo que se genera durante el fresado, preferiblemente se debe realizar esta limpieza con aire comprimido o con agua dejando secar muy bien la superficie, como se observa en la Figura 7.2.

Figura 7.2 Limpieza de la superficie 7.6.2 Tratamiento de Fisuras Después de terminar el proceso de limpieza, toda las fisuras deberán ser sopleteadas y selladas con un llenante apropiado para tal fin, sin sobrepasar la cantidad por encima del nivel existente; Dichas fisuras deberán recibir un tratamiento adecuado según su grado de deterioro. En el caso de que las grietas sean originadas por fallas estructurales, el pavimento será intervenido de la manera más adecuada dependiendo del tratamiento escogido, según sea el caso.

7.6.3 Ligante Asfáltico El material que se utilizará para saturar el geotextil y desarrollar la membrana visco-elasto-plástica, además de garantizar una adecuada adhesión de esta membrana a la base granular, base estabilizada, losas de concreto o a la mezcla asfáltica existente, y a la capa superior (capa de refuerzo, o de mantenimiento), podrá ser un cemento asfáltico de penetración 60-70 mm/10, emulsión catiónica de rompimiento rápido tipo 1 ó una emulsión catiónica de rompimiento rápido tipo 1 modificada con polímeros de tal forma que se satisfaga la cantidad de asfalto mínima requerida como se verá mas adelante.

152

M ANUAL DE DISEÑO

El geotextil se podrá colocar solo después del correspondiente rompimiento de la emulsión en caso de que esa sea la elección a utilizar como ligante. Para esta aplicación no se podrán utilizar los asfaltos diluidos que contienen solventes. A continuación se relaciona un cuadro comparativo en cantidades a utilizar si se escoge cemento asfáltico y/o emulsión asfáltica, valor que debe estar acorde con la prueba que se realice en campo. Cuando se usen emulsiones solicitar inmediatamente la especificación técnica para determinar la dosificación de la misma. El geotextil se podrá colocar solo después del correspondiente rompimiento de la emulsión. Para la escogencia definitiva de la emulsión se debe tener en cuenta las condiciones climáticas de la zona, influyentes en la aplicación de la misma.

Tabla 7.3 Cantidad a utilizar de cemento asfáltico Vs. emulsión asfáltica C antidad de cemento asfáltico

Proporción del asfalto -

C antidad de Emulsión

(L/m )

disolvente (agua)

(L/m )

1.3

60-40 67-33 70-30

2.17 1.95 1.86

1.4

60-40 67-33 70-30

2.33 2.10 2.00

1.6

60-40 67-33 70-30

2.67 2.39 2.30

2

2

Se recomienda colocar la emulsión asfáltica siempre en dos etapas, en forma homogénea y uniforme, para evitar desplazamiento por efectos de la pendiente hacia las cunetas y/o bermas según sea el caso. Se instala el 50% de la cantidad total de emulsión, se espera a que rompa esta primera parte; luego, se instala el geotextil, y luego se aplica el 50% esperando un tiempo prudencial para que se evapore el agua y salga del geotextil para proceder a colocar la nueva carpeta asfáltica encima.

7.6.3.1 Temperaturas de trabajo Las temperaturas del camión irrigador con cemento asfáltico no deben exceder los 150°C cuando se trabaja con asfaltos normalizados; ésta temperatura puede ser superada cuando sé esta trabajando con asfaltos modificados. Los patrones de riego con emulsiones asfálticas son mejorados con calentamiento. Es deseable un rango de temperaturas entre 55°C y 70°C. No debe excederse una temperatura de 70°C, puesto que a partir de esta puede romperse la emulsión. Si se trabaja con emulsiones deberá esperarse hasta que rompa y que el agua se evapore para proceder a colocar el geotextil.

7.6.3.2 Tasa de Aplicación del Ligante Asfáltico Teórica La cantidad de ligante asfáltico a utilizar depende de la porosidad relativa del pavimento viejo y del geotextil a usarse en el proceso de repavimentación, siendo esta una de las consideraciones de mayo relevancia para garantizar el correcto desempeño de esta membrana de intercapa viscoelastoplástica impermeable. De un trabajo presentado por Button (1982), éste propone la siguiente ecuación para la determinación de la cantidad de ligante asfáltico:

Qd

= 0.362 + Qs + Qc

153

(7.1)


Donde: Qd

=

Cantidad de ligante según diseño. (L/m2)

Qs

=

Cantidad de ligante necesario para lograr la saturación del geotextil (L/m2). Este dato

es suministrado por el fabricante. Es importante tener en cuenta que según las reco-

mendaciones de la Task Force 25 de la AASHTO-AGC-ARTBA, este no podrá ser inferior

a los 0.9 L/m2 para lograr formar una capa absorbedora de esfuerzos, además de la

adhesión entre las capas de concreto asfáltico.

Qc

Valor de corrección dependiendo de las condiciones de la superficie del concreto asfáltico

=

de la capa vieja. Oscila entre 0.05 L/m2 para superficies niveladas hasta 0.59 para superficies

porosas y oxidadas.

Sin embargo en varias obras los valores obtenidos de ensayos realizados en campos son bastante menores que los obtenidos en la fórmula de Button.

7.6.3.3 Tasa de Aplicación del Ligante Asfáltico In Situ Es recomendable que antes de iniciar una repavimentación utilizando el geotextil se determine la cantidad óptima de ligante asfáltico a usarse y de esta forma se eviten posibles problemas de exudación e incluso la generación de una superficie de deslizamiento. Una manera rápida y sencilla es mediante la imprimación de un área determinada que se sugiere sea de 1.0 m*1.0m, con diferentes cantidades de ligante, teniendo en cuenta que su distribución sobre la superficie debe ser uniforme. Una manera de verificar si la cantidad de ligante es la adecuada es intentando desprender manualmente el geotextil de la superficie, si esto no se logra y al pisar el geotextil se ve como este empieza a absorber el ligante y mediante esta presión este pasa hasta la cara superior, se puede pensar que se ha llegado el punto óptimo para la tasa de imprimación con ligante asfáltico. Usualmente la tasa de aplicación para el ligante asfáltico es mínimo de 1.3 L/m2 (asfalto residual) incluida la cantidad necesaria para garantizar la adhesión del conjunto geotextil-asfalto al concreto asfáltico. La cantidad dependerá de la porosidad y oxidación relativa del pavimento existente (Ver tabla 7.3) Las técnicas de imprimación requieren que los equipos a usarse coloquen el ligante a una tasa uniforme, siendo conveniente el uso de quipos mecánicos, tales como los tanques o camiones irrigadores para este fin; teniendo en cuenta, que ésta debe ser homogénea y que cumpla con los requerimientos mínimos para lograr una correcta adhesión y evitar fallas por deslizamiento, corrimiento o exudación como se observa en la Figura 7.3.

Figura 7.3 Imprimación con Asfalto 154

M ANUAL DE DISEÑO

Otro factor importante en el control de temperatura, pues se ha visto en varios casos una degradación del ligante que llega a cristalizarse, perdiéndose así al saturar al geotextil, su función de membrana viscoelastoplástica y no logrando un beneficio total.

7.6.4 Características del textil a colocar El geotextil que se emplea en pavimentaciones y repavimentaciones debe ser del tipo no tejido punzonado con agujas, los cuales deberán tener la capacidad de absorber la cantidad suficiente de ligante asfáltico; dichos geotextiles pueden ser de polipropileno o poliéster. El geotextil a ser empleado en pavimentación y repavimentación durante su proceso de instalación puede estar sometido a unos esfuerzos; para su supervivencia frente a dichos esfuerzos debe cumplir con las propiedades que se enuncian en la Tabla 7.4.

Tabla 7.4. Requerimientos del geotextil. Especificaciones generales de construcción de carreteras – Artículo 464 INVIAS Propiedad

Norma De Ensayo

Valor Mínimo Promedio Por Rollo (VMPR)(1)

Elongación medida

INV E - 901

Elongación ≥ 50%(2)


INV E - 901

450 N

Retención Asfaltica

INV E - 911

Nota 3

Masa por unidad de área

INV E - 912

140 g/m2

Punto de Fusión

ASTM D 276

Nota 4

(1) Los valores numéricos de la Tabla corresponden al valor mínimo promedio por rollo (VMPR). El valor mínimo promedio por rollo, es el valor mínimo de los resultados de un muestreo de ensayos de un proceso para dar conformidad a un lote que está bajo comprobación, el promedio de los resultados correspondientes de los ensayos practicados a cualquier rollo del lote que se está analizando, debe ser mayor o igual al valor presentado en esta especificación y corresponde a la traducción del nombre en Ingles “Minimum Average Roll Value (MARV)”. Desde el punto de vista del productor, corresponde al valor promedio del lote menos dos (2) veces la desviación estándar de los valores de la producción. (2) La elongación ≥ 50% hace referencia a los geotextiles no tejidos. (3) La retención asfáltica mínima será de 0.9 l/m2; sin embargo, la retención asfáltica medida en litros por cada metro cuadrado (l/m2) para cada geotextil debe ser suministrada por el fabricante. El valor no indica la tasa de aplicación de asfalto requerido en la construcción, solamente indica el valor para saturar el geotextil. La retención asfáltica del producto, representa el VMPR suministrado por el fabricante. El valor de retención asfáltica esta dado en términos de asfalto residual en caso de trabajar con emulsiones asfálticas. (4) El punto de fusión del geotextil será ≥ 150oC cuando la nueva capa asfáltica sea preparada con asfalto tradicional. El punto de fusión del geotextil será ≥ 250oC cuando la nueva capa asfáltica sea preparada con asfaltos modificados con polímeros ó cuando la temperatura de compactación supere los 150oC.

7.6.4.1 Instalación del Geotextil La instalación del rollo de geotextil puede ser realizado manual o mecánicamente, existiendo equipos patentados para la colocación de los rollos. En nuestro medio la instalación se ha venido haciendo manualmente, siendo necesaria una cuadrilla de tres personas (dos manteniendo la alineación del rollo y desenrollándolo, y otra persona cepillando sobre el geotextil, eliminando al máximo las arrugas), sin necesidad de ser mano de obra capacitada ni especializada. Para esta aplicación se debe instalar siempre la parte sin termofundir en contacto directo con el ligante, sin arrugas.

155


Figura 7.4 Instalación del geotextil Para facilitar un mayor contacto (adherencia) del geotextil con el ligante y con la capa antigua y eliminar en mayor proporción las arrugas del geotextil, se podrán utilizar equipos mecánicos como es el caso de un compactador de llantas en una pasada directamente sobre el geotextil transitando a bajas velocidades. No es necesario realizar la sujeción del geotextil a la capa vieja mediante clavos o puntillas.

Figura 7.5 Compactador de llantas sobre el geotextil Cuando sé esta en zona de curva, para instalar el geotextil, éste se debe cortar en pequeñas secciones en forma rectangular como si se estuviera armando la curva por segmentos. Se deben tener cuidados especiales con las condiciones climatológicas, pues nunca se podrá instalar el geotextil cuando la capa de pavimento antiguo esté en condiciones húmedas, en el caso de querer hacer grandes avances en la instalación del geotextil es necesario prever que no lloverá en la zona. Esta es la única condición que pudiera llegar a afectar el avance de la obra. Si durante la instalación inicia la lluvia y el geotextil que se encontraba extendido se moja completamente, éste se debe secar totalmente antes de ser utilizado para esta aplicación. A manera de solución parcial para casos donde el geotextil se haya mojado con una llovizna superficial se podrá soplar con aire a presión para eliminar toda la humedad presente en el geotextil. Si se llegase a realizar el proceso de instalación de la nueva carpeta sobre el geotextil en condiciones húmedas, no se logrará una buena adherencia de todo el sistema, generando posibles fallas posteriores en el funcionamiento del mismo. Como recomendación de trabajo en obra, solo se debe instalar la cantidad de geotextil que sé esta seguro quedará completamente cubierto al finalizar el día. 156

M ANUAL DE DISEÑO

7.6.4.2 Tratamiento a las Arrugas que se puedan formar Otra de las consideraciones críticas es la instalación correcta del geotextil sobre la superficie de la vía impregnada con ligante asfáltico, evitando al máximo la formación de arrugas ya que estas no permitirán que la absorción del asfalto líquido sea suficiente para la formación de la barrera impermeable, reduciendo los beneficios a largo plazo de esta membrana de intercapa.

Figura 7.6 Formación de arrugas

En la Figura 7.6 se puede observar como en la zona de la arruga se genera tras capas de geotextiles, haciendo imposible la saturación con ligante asfáltico. Es en estas pequeñas zonas, donde de no hacerse las correcciones en el momento preciso, no se logrará la impermeabilización esperada ni se generará una adhesión adecuada, generándose fisuras y desprendimientos en pequeños bloques tiempo después de la carpeta asfáltica que se encuentra justo encima de las arrugas excesivas. Los cuidados principales para el tratamiento de las arrugas incluyen los siguientes: • Las arrugas y dobleces de más de 25 mm deberá rasgarse y aplanarse siempre en el sentido del avance de los equipos utilizados en la pavimentación, para evitar levantamientos. • En el caso de que la arruga o doblez sobrepase los 50 mm, este exceso deberá ser eliminado. • El traslapo del geotextil en reparación de arrugas deberá contemplar el uso de ligante adicional para saturar las dos capas de geotextil y formar una liga, evitando posibles planos de deslizamiento.

7.6.4.3 Traslapos o Solapes Como regla general, se recomienda que los traslapos en cualquier dirección no deben exceder los 15 cm. En las zonas de traslapos se debe hacer una impregnación adicional con ligante asfáltico para garantizar la saturación total del geotextil.

7.6.5 Espesores Mínimos de la Capa de Repavimentación Se considera al igual que en cualquier procedimiento de repavimentación que el espesor mínimo constructivo de la nueva capa debe ser mínimo 5 cm para pavimentos flexibles hasta una pendiente máxima del 4% en sentido longitudinal, mínimo de 7 cm en pendientes longitudinales del 4% en adelante y cuando se trabaja sobre pavimentos rígidos el espesor mínimo recomendado es de 7 cm. Para lograr un mayor beneficio cuando se rehabilite un pavimento rígido, dependiendo de su nivel de deterioro, nivelar y estabilizar las placas en caso de ser necesario, instalando una capa de concreto asfáltico de gradación abierta y sobre esta el geotextil de repavimentación. Al colocarse capas de repavimentación con espesores menores a los recomendados es posible que la capa conformada por el geotextil saturado empiece a absorber esfuerzos muy altos a la tracción por efecto del movimiento de los vehículos sobre la carpeta nueva, esfuerzos para los cuales no esta diseñada dicha capa, ya que no se considera como una capa de refuerzo, trayendo posible desplazamientos de la nueva carpeta de repavimentación.

157


7.6.6 Instalación de la Capa de Repavimentación La capa de repavimentación de concreto asfáltico podrá ser colocada inmediatamente después de haber sido instalado el geotextil; dicha capa se instalará mediante el empleo de una finisher y se compactará al igual que en cualquier proceso de repavimentación. La única precaución que se debe tener en cuenta es que los equipos de construcción no realicen movimientos bruscos sobre el geotextil. Para evitar una adherencia excesiva entre las llantas de los equipos y el geotextil del tipo no tejido punzonado por agujas, este tiene un diseño especial. Normalmente el geotextil para esta aplicación tiene termofundida una de sus caras que será finalmente la que quedará hacia arriba en contacto directo con los equipos y la otra sin ningún tratamiento especial quedará colocada hacia abajo sobre el ligante asfáltico.

7.6.7 Cuidados de Almacenamiento Con el fin de evitar el humedecimiento y la degradación originada por la radiación ultravioleta de los rollos de geotextil, estos deberán estar protegidos por una envoltura plástica, además debe preverse que los rollos estén protegidos con una cubierta impermeable y levantados sobre el piso. La humedad del rollo genera posibles rechazos del geotextil cuando se intente saturar con el ligante asfáltico durante el proceso de colocación y compactación de la capa de repavimentación, al no poder escapar al vapor de agua generado.

7.7 RELACIÓN BENEFICIO - COSTO Una vía interurbana de 2 carriles soporta una carga promedio de 4000 vehículos por día, 400 (10%) los cuales son camiones pesados de 30.000 libras promedio de masa en total. La carga por eje sencillo esta limitada a 18.000 lb. El tráfico aumentara a una rata de 4% anualmente. El pavimento existente consiste en 75 mm (3 pulgadas) de concreto asfáltico y 200 mm (8 pulgadas) de base de piedra picada, sobre un suelo de CBR = 50%. El pavimento en general esta en buenas condiciones, pero las evaluaciones indican que es necesario un reforzamiento para manejar el incremento del tráfico. Encontrar el espesor de la capa de asfalto necesaria, para un periodo de diseño de 20 años a. Sin usar geotextil b. Usando el geotextil con FEF = 2.1 c. Comparar los dos espesores de capa.

Solución: a. Para la solución del problema se toma como procedimiento de referencia el Documento Técnico del Asfalto [129], donde se determina un número de tráfico inicial igual a 90, y un factor de ajuste de 1.49, resultando un número de tráfico de diseño para el caso de no reforzado igual: DTN

= 90 x 1.49

DTN

= 134

Para calcular el espesor de asfalto requerido, teniendo una CBR de 5%, se remite a la Figura 7.7 ”Espesor requerido del asfalto para la estructura de pavimento usando el CBR de la suelo de la subrasante (Instituto de Asfalto [129])”, para un periodo de diseño de 20 años.

158

M ANUAL DE DISEÑO

Figura 7.7 Espesor requerido para la estructura del pavimento asfáltico usando el CBR del suelo del la subrasante (Documento Técnico del Instituto del Asfalto)

159


Donde resulta: TAn

= 9.5 pulgadas

El espesor efectivo de pavimento existente (TE) calculado usando el factor de carga de 0.8 en el asfalto existente y 0.4 en la base de la estructura del pavimento (Valores recomendados por Doumento técnico del Asfalto [129]) es igual a: TE

= 3.0 * 0.8 + 8.0 * 0.4

TE

= 5.6 pulgadas

Por consiguiente, el espesor de capa requerido (Ton) sin el uso del geotextil es de: Ton

= TAn– TE

Ton

= 9.5 – 5.6

Ton

= 4.0 pulgadas

b. La solución varia para el caso donde se usa geotextil, de la siguiente forma: DTN

= DTNn / FEF

Geotextil

Tipo

Masa por unidad de área (g/m2)

Módulo Secante (N)

Factor de Ciclos de Desviación eficacia del falla Estándar material(1)

B

Geotextil No Tejido punzonado por agujas de polipropileno

150

590

1000

55

2,1

C

Geotextil No Tejido punzonado por agujas de poliéster

200

540

2300

880

4,8

D

Geotextil No Tejido punzonado por agujas de polipropileno

200

930

3260

610

6,8

E

Geotextil Tejido de poliéster / poliproneno

170

1600

2760

570

5,8

A

Geotextil No Tejido termounido de poliéster

108

2000

7650

575

15,9

Fuente: “Designing With Geosynthetics”, Quinta Edición.

Con lo anterior, obtenemos un resultado de: DTN

= 134 / 2.1

DTN

= 68

Nuevamente, utilizando la Figura 7.7 y usando el valor de CBR = 5, resulta un espesor de asfalto de: TAr

= 8.8 pulgadas

Donde FEF es el factor de eficacia de fábrica de las diferentes clases de geotextil que se pueden utilizar para esta función. Los valores de FEF varían de acuerdo a la Tabla 7.5.

160

M ANUAL DE DISEÑO

Por consiguiente, el espesor de capa requerido (Tor) con el uso del geotextil es de: Tor

= 8.8 – 5.6

Tor

= 3.2 pulgadas

c. De tal manera que el “ahorro” de espesor en capa de asfalto usando el geotextil (y basado en la hipótesis de reforzamiento) es de: To

= Ton – Tor

To

= 4.0 – 3.2

To

= 0.8 pulgadas

Ejemplo desarrollado por Robert Koerner en su libro “Designing with Geosynthetics” 5a. Edición. Pag. 280 – 281.

161

CAPÍTULO 8 SISTEMAS DE SUBDRENAJE PARA VÍAS CON GEOTEXTIL Y MATERIAL GRANULAR

8.1 GENERALIDADES En el mundo y especialmente en Latino América, la creciente demanda de obras civiles durables y que permanezcan en buen estado hace que los ingenieros en la actualidad, tengan que pensar en diseños óptimos de acuerdo con los mejores criterios internacionales de calidad. Un buen sistema de drenaje y/o subdrenaje está íntimamente relacionado con una mayor durabilidad de las obras. De hecho, la vida útil de las vías depende en gran parte del periodo de tiempo en que el exceso de agua esté presente en su estructura. El buen diseño de un sistema de drenaje que involucre la utilización de geotextiles en las obras civiles, será sin lugar a duda, un aporte fundamental en la calidad de dichas obras, ya que el exceso de agua en algunos suelos, especialmente los de grano fino afecta los parámetros de resistencia, susceptibilidad en los cambios volumétricos y los mecanismos de transmisión de presiones aplicadas.

8.2 INTRODUCCIÓN Este documento es una guía práctica para diseñar sistemas de subdrenaje, de tal forma que se llegue a un diseño, técnica y económicamente más conveniente. Lo que tradicionalmente en la ingeniería se ha llamado filtros, realmente es un sistema de drenaje o subdrenaje. Un sistema de drenaje subsuperficial eficiente y estable, es necesario que esté compuesto por un medio filtrante y otro drenante. Entendiendo por medio filtrante, el elemento que retiene el suelo pero permite el paso del agua, función que desempeña el geotextil. El medio drenante es el encargado de transportar el agua que pasa a través del filtro, función que desempeña cualquier medio poroso que bien puede ser natural o sintético. Un sistema de drenaje es la suma de los dos procesos anteriores. El objetivo de los subdrenes para vías es evitar la inundación interna de la estructura, captando, conduciendo o evacuando el agua que pueda entrar en la estructura del pavimento. Para lograr el buen diseño de un subdrén, se debe tener en cuenta cuatro aspectos fundamentales:

163

Capítulo 8 • SISTEMAS DE SUBDRENAJE PARA VÍAS CON GEOTEXTIL Y MATERIAL GRANULAR

1. Determinar la ubicación y profundidad de las líneas de subdrenaje o subdrenes, que pueden correr longitudinal o transversalmente con respecto al eje de la vía. También es conveniente tener en cuenta el diseño de sistemas de captación de agua, que aseguren la rápida llegada del agua al subdrén, verificando la velocidad de llegada. En la mayoría de los casos es recomendable especificar un sistema de drenaje planar, que puede estar compuesto por: geotextil – geored – geotextil; un material granular limpio de gradación abierta protegido por un geotextil, que cumpla la función de filtro; o por un geotextil de espesor considerable que tenga propiedades de drenaje planar. Lo anterior se debe a que los suelos de subrasante en la mayoría de los casos presentan permeabilidades muy bajas, al igual que las bases granulares después de ser sometidas a un proceso de compactación. 2. Estimar el caudal más crítico, para una longitud de diseño, el cual es la sumatoria de los caudales de aporte, que provienen del agua subterránea y del agua infiltrada. El agua de infiltración proviene de aguas lluvia, que se infiltran directamente a través de la carpeta del pavimento o a través del suelo aledaño al tramo de vía en consideración. 3. Dimensionar la sección transversal del subdrén capaz de conducir la suma de los caudales de aporte, con una velocidad de evacuación adecuada. 4. Tener un buen sistema de filtración, lo cual asegura una mayor vida útil del sistema de drenaje y por consiguiente de la estructura del pavimento. El uso de los geotextiles ha venido desplazando los sistemas tradicionales de filtración, debido principalmente al aumento de la vida útil del sistema de drenaje, facilidad de instalación, reducción de costos totales de la construcción y en general por ser un sistema constructivo ambientalmente eficiente. Adicionalmente los geotextiles PAVCO son materiales de alta calidad, que se fabrican siguiendo unos procesos normalizados, con el fin de lograr unas resistencias mecánicas y propiedades hidráulicas establecidas según normas internacionales.

8.3 METODOLOGÍA DE DISEÑO DE SUBDRENES 8.3.1 Determinación de la ubicación de las líneas de Subdrenaje o Subdrenes Las líneas de subdrenaje o subdrenes, deben correr de tal manera que intercepten el agua lo más perpendicularmente posible. Lo anterior quiere decir, que en tramos donde la pendiente longitudinal sea mayor que la pendiente de bombeo, es más eficiente colocar subdrenes transversales. Esto debido a que el agua se moverá en dirección de la suma vectorial o resultante de las pendientes. Por ejemplo en un tramo con una pendiente longitudinal del 4% y una pendiente de bombeo del 2%, la resultante forma un ángulo de 63 grados con respecto al eje horizontal, en esa dirección se moverá el agua (Ver Figura 8.1). Si este ángulo es menor a 45 grados las líneas de subdrenaje deben correr paralelas al eje (subdrenes longitudinales), si es mayor a 45 grados las líneas de subdrenaje deben correr normal al eje (subdrenes transversales).

164

M ANUAL DE DISEÑO

4 63º 2

Figura 8.1 Dirección de la resultante de dos pendientes dadas 8.3.2 Estimación del caudal de diseño Para diseñar subdrenes laterales en una vía, se debe considerar primero la distancia entre alcantarillas, o los sitios en donde los subdrenes realizan la descarga de agua. Para establecer las distancias de los tramos de los subdrenes, se debe tener en cuenta que cada tramo conserve, en lo posible, características similares. Por ejemplo igual pendiente, condiciones geomorfológicas similares o condiciones geométricas de la vía similares. Entre más largo sea el recorrido del agua dentro de un subdrén, mayor tendrá que ser su capacidad de transporte, debido a que a lo largo del subdrén se van sumando caudales de aporte. Posteriormente se identifica las posibles fuentes a tener en cuenta para el cálculo del caudal total. Los subdrenes son sistemas que se utilizan para retirar el agua infiltrada o subterránea que ha entrado en la estructura. También existen métodos que evitan la entrada de agua a la estructura de un pavimento, estos son básicamente los que manejan el agua de escorrentía como son: zanjas de coronación, trincheras drenantes, cunetas etc. Los posibles caudales de aporte, que conforman el caudal final, los cuales pueden afectar la estructura de un pavimento son: • El caudal generado por la infiltración de agua lluvia • El caudal generado por el abatimiento del nivel de agua subterránea • El caudal generado por escorrentía superficial Esta guía incluye la manera de estimar los dos primeros caudales, los cuales en la mayoría de los casos van a estar presentes en el diseño de los subdrenes para vías. Para el caudal generado por escorrentia como puede ser el caudal proveniente de taludes aledaños a la vía en caso de que no se puedan captar sus aguas se debe cuantificar el caudal de aporte para ser incluido en el diseño.

Caudal por infiltración El agua lluvia cae directamente en la carpeta del pavimento. Una parte de éste inevitablemente se infiltra en la estructura del pavimento debido a que las carpetas de pavimento, tanto rígidas como flexibles, no son impermeables. Por lo tanto el caudal de infiltración se calcula de la siguiente forma:

Qinf

= IR * B * L * Fi * FR

Donde:

165

(8.1)


IR

=

Precipitación máxima horaria de frecuencia anual, registrada en la zona del proyecto.

Dato que se puede extraer de las curvas anexas a éste documento, las cuales son las de

intensidad - duración - frecuencia para las diferentes zonas del territorio Colombiano.

Usualmente se toma el intervalo entre 60 y 120 minutos y se escoge la curva de 2 años.

B

Para subdrenes longitudinales, B es la semibanca de la vía (ancho de la vía/2).

=

Para el caso de subdrenes transversales, B es la distancia entre subdrenes.

L

=

Longitud del tramo de drenaje.

Fi

=

Factor de infiltración. (Ver Tabla 8.1)

FR

=

Factor de retención de la base, refleja el hecho de que las bases, dada su permeabilidad,

entregan lentamente el agua al subdrén. (Ver Tabla 8.2)

Tabla 8.1 Valores recomendados para Fi Tipo De Carpeta

Fi

Carpetas asfálticas muy bien conservadas

0,30

Carpetas asfálticas normalmente conservadas

0,40

Carpetas asfálticas pobremente conservadas

0,50

Carpetas de concreto de cemento Portland

0,67

Tabla 8.2 Valores recomendados para FR Tipo De Base

FR

Basas bien gradadas, en servicio 5 años o más

1/4

Bases bien gradadas, en servicio menos de 5 años

1/3

Bases de gradación abierta, en servicio 5 años o más

1/3

Bases de gradación abierta, en servicio menos de 5 años

1/2

Caudal por abatimiento del nivel freático En sitios donde el nivel freático o el agua proveniente a presión alcancen una altura tal, que supere el nivel de subrasante afectando a la estructura del pavimento, es necesario abatir este nivel de manera que no genere inconvenientes por excesos de agua. El cálculo de este caudal se basa en los siguientes parámetros:

QNF

= k * i * Aa

i

= (Nd – Nf) / B

Aa

= (Nd – Nf) * L

Donde: k

=

Es el coeficiente de permeabilidad del suelo adyacente.

i

=

Es el gradiente hidráulico.

Nd

=

Cota inferior del subdrén. (Ver Figura 8.2)

Nf

=

Cota superior del nivel freático. (Ver Figura 8.2)

166

(8.2)

M ANUAL DE DISEÑO

Aa

=

Es el área efectiva para el caso de abatimiento del nivel freático.

B

=

Para subdrenes longitudinales, B es la semibanca de la vía. Para el caso de subdrenes

transversales, B es la distancia entre subdrenes.

L


=

Una vez estimados los caudales de aporte al sistema se obtiene el caudal de diseño:

QT

= Qinf + QNF

(8.3)

Nota: El caudal por abatimiento del nivel freático en la mayoría de los casos se presenta a los dos lados de la sección transversal del subdrén, el caudal de diseño (QNf) debe ser duplicado.

Pavimento

Nf

Subrasante Drenaje Planar Nd

Geotextil

Figura 8.2 Sección transversal del sistemas de subdrenes laterales en una vía Caudal por escorrentía superficial Este caudal puede ser controlado con métodos de captación tales como cunetas, contracunetas y alcantarillas, de manera tal, que se minimice la entrada de agua a la estructura del pavimento. En tramos donde se considere el caudal de agua infiltrada proveniente de escorrentía como un caudal de aporte, se debe estimar teniendo en cuenta los métodos hidrológicos y ser considerado en el diseño.

8.3.3 Dimensionamiento de la sección transversal Teniendo el caudal total QT, el cual es la suma de los caudales calculados, se realiza el siguiente procedimiento:

QT

= V * i * A

(8.4)

Donde: QT

=

Caudal total

V

=

Velocidad de flujo, la cual depende de la pendiente longitudinal y del tamaño del agregado

usado en el subdrén. (Ver Figura 8.3)

i

=

Gradiente hidráulico que para el caso de subdrenes es = 1.

A

=

Área de la sección transversal del subdrén, normalmente se fija el ancho y se despeja su altura.

Una vez obtenida la sección transversal del subdrén, se puede calcular su perímetro. La longitud de desarrollo del geotextil corresponde al perímetro más el traslapo (0.25 - 0.35m). Geotextiles PAVCO fabrica anchos de rollos de acuerdo a la necesidad de los diseños de tal manera que no se genere desperdicio y el subdrén quedará diseñado de la manera técnica y económicamente más conveniente. 167


Para el caso en que se necesite aumentar la eficiencia de los subdrenes es recomendable usar tubería perforada, forrada con geotextil, dentro del subdrén, de esta manera se aumenta la eficiencia de drenaje, permitiendo el paso a un caudal mayor en una misma sección transversal. El diámetro de la tubería a usar se puede estimar haciendo uso de la ecuación de Manning. Por tanteo se asume un diámetro de tubería y se rectifica si cumple la siguiente igualdad:

QT

= (1/n) * A * R2/3 * S1/2

(8.5)

Donde: QT

=

Caudal total calculado

n

=

Coeficiente de Manning. Para tubería perforada usualmente es 0.013.

A

=

Área del tubo

R

=

AT/P T (Área total / Perímetro total) A tubo lleno

S

=

Pendiente del subdrén

La línea superior de flujo o nivel freático no debe superar en ningún momento la cota de subrasante, con este criterio se debe establecer la profundidad del subdrén Nd. 3.25 3 2.75 Agregado 12mm (1/2x)

Velocidad de flujo cm/s

2.5

Agregado 19mm (3/4x) Agregado 25mm (1x)

2.25

Agregado 50mm (2x)

2 1.75 1.5 1.25 1 0.75 0.5 0.25 0 0

0.5

1 1.5 2 2.5 3 3.5 Pendiente de Subrén (%)

4

Figura 8.3 Pendiente Vs. Velocidad, según el tamaño del agregado (Para agregados de tamaño uniforme) 8.3.4 Evaluación del geotextil a usar en el filtro El filtro evita una excesiva migración de partículas de suelo y simultáneamente permite el paso del agua, lo anterior implica que el geotextil debe tener una abertura aparente máxima adecuada para retener el suelo, cumpliendo simultáneamente con un valor mínimo admisible de permeabilidad, que permita el paso del flujo de una manera eficiente. Para llegar a la selección del geotextil no sólo hay que tener en cuenta lo anterior, sino además, la resistencia a la colmatación, supervivencia y durabilidad.

168

M ANUAL DE DISEÑO

Medio Drenante

Suelo a filtrar

Geotextil No Tejido

Figura 8.4 Paso del agua a través del sistema de filtración La metodología de diseño, consiste en revisar, cuales de los geotextiles, satisfacen las características hidráulicas y mecánicas que resulten de la revisión de los criterios de diseño que se presentan a continuación:

Criterio de Retención (TAA) Este criterio asegura que las aberturas sean lo suficientemente pequeñas para evitar la migración del suelo hacia el medio drenante o hacia donde se dirige el flujo. De acuerdo con lo establecido en “Geotextiles Engineering Manual” de la Federal Highway Administration (FHWA) y basados en los criterios de retención de Christopher y Holtz (1989), Carroll (1983), un geotextil debe cumplir con la siguiente condición:

TAA

< D85 * B

(8.6)

Donde: TAA

=





D85

=



B


=


• Para arenas, arenas gravosas, arenas limosas y arenas arcillosas (con menos del 50% pasa tamiz #200), B es función del coeficiente de uniformidad Cu, donde Cu = D60 /D10, de la siguiente manera: 2< Cu ≤ 8 ⇒

B=1

2 < Cu ≤ 4 ⇒

B = 0.5 x Cu

4 < Cu ≤ 8

⇒

B = 8/ Cu


169


• •

•

Para suelos arenosos mal gradados usar B entre 1.5 y 2. Para suelos finos (más del 50% pasa tamiz #200) B es función del tipo de geotextil. Para Tejidos:

B = 1

⇒

TAA ≤ D85

Para No Tejidos:

B = 1.8

⇒

TAA ≤ 1.8 * D85

Según Christopher y Holtz, para suelos cohesivos con un índice de plasticidad mayor a 7, el valor del Tamaño de Abertura Aparente debe ser de: TAA

< 0.30 mm

Criterio de permeabilidad Se debe permitir un adecuado flujo del agua a través del geotextil considerando su habilidad para esto. El coeficiente de permeabilidad es la propiedad hidráulica por medio de la cual el geotextil permite un adecuado paso de flujo perpendicular al plano del mismo, para revisar la permeabilidad del geotextil se debe tener en cuenta lo siguiente: • Para condiciones de flujo estable o flujo laminar y suelos no dispersivos, con porcentajes de finos no mayores al 50% y de acuerdo con el criterio de Schober y Teindl (1979); Wates (1980); Carroll (1983); Cristopher y Holtz (1985) y numerosos otros:

kg

> ks

(8.7)

Donde: kg

=

Permeabilidad del geotextil

ks

=

Permeabilidad del suelo

• Para condiciones de flujo crítico, altos gradientes hidráulicos y buscando un correcto desempeño a largo plazo reduciendo riesgo, colmatación se recomienda usar el criterio de Carroll (1983); Chistopher y Holtz (1985):

kg

> 10 * ks

(8.8)

En estas condiciones también se recomienda colocar una capa de arena media a gruesa.

Criterio de Colmatación Por definición, la colmatación resulta cuando partículas finas de suelo penetran dentro del geotextil, bloqueando sus canales de poros o cuando son depositadas del lado aguas arriba del geotextil, produciendo una reducción significativa de la permeabilidad. Por lo tanto, el geotextil debe tener un porcentaje mínimo de espacios vacíos.

El comportamiento hidráulico de drenajes convencionales como cortinas drenantes o sistemas de captación de lixiviados se asemeja más a las características de flujo laminar. Los suelos dispersivos son aquellos que efervecen en contacto con el agua, tienen relaciones de vacíos altas, altos contenidos de sales y generan flujos. El comportamiento hidráulico de subdrenes laterales en una vía, protecciones de orillas bajo rip-rap o bolsacretos se asemeja más a condiciones de flujo dinámico por el incremento de las presiones de poros bajo cargas cíclicas.

170

M ANUAL DE DISEÑO

Partículas no filtradas

Colmatación

Espesor promedio del geotextil

Espacio entre filamentos

Filamentos

Figura 8.5 Colmatación del filtro por penetración de partículas En aplicaciones críticas o en proyectos que involucren suelos muy finos se recomienda realizar ensayos de colmatación con los suelos del sitio, la norma que describe este ensayo es la ASTM 5101 – 90 la cual se menciona en el Capítulo 2 del presente manual. Los geotextiles con una mayor resistencia a la colmatación, son los geotextiles No Tejidos punzonados por agujas, en los cuales el riesgo a que se taponen gran parte de sus orificios es muy bajo debido al espesor que poseen y a los altos valores de porosidad que presentan. Los geotextiles No Tejidos unidos por temperatura o calandrados, son mucho más delgados y rígidos, razón por la cual se parecen en su comportamiento a los geotextiles Tejidos, Leuttich (1993). Los geotextiles Tejidos tienen baja porosidad y el riesgo de colmatación es muy alto, con la consecuencia de una pérdida súbita en la permeabilidad. Razón por la cual no se recomiendan usar como filtros en sistemas de drenaje. De acuerdo con el criterio de Chistopher y Holtz, 1985; R. Koerner, 1990, los geotextiles usados como medios filtrantes deben tener una porosidad: > 50%. Este criterio es tal vez el que despierta más controversia para el empleo de geotextiles en aplicaciones de filtración y drenaje, debido a que es muy difícil cuantificar en el diseño el porcentaje de poros que serán taponados por la intrusión de finos al filtro dentro del periodo de servicio del sistema. Los elementos filtrantes se comportan de manera diferente dependiendo del material que se esta filtrando, de la cantidad de agua presente y de la disposición de ésta en el sistema. El geotextil es parte fundamental de un sistema de subdrenaje, debe diseñarse para cada caso particular, de tal manera, que se garantice un óptimo funcionamiento del sistema del cual forman parte, y para el periodo de tiempo para el cual fueron diseñados. Una investigación relacionada con el estudio de este comportamiento es el “Diseño Racional De Elementos Filtrantes Para Sistemas De Subdrenaje”, de la Pontificia Universidad Javeriana, proyecto en el cual se evaluaron diferentes fenómenos que afectan a los sistemas de drenaje a largo plazo, entre estos la variación de la permeabilidad del sistema con el paso del tiempo, el taponamiento que se produce por las partículas de suelo dentro del geotextil, el porcentaje de colmatación, entre otros. Los ensayos fueron realizados para observar el impacto de diferentes tipos de suelo y su afectación en la permeabilidad del filtro o geotextil. Los ensayos fueron realizados según la norma ASTM 5101 en la que a un gradiente determinado se realizaban mediciones de la permeabilidad del sistema suelo – geotextil en un lapso mayor a las 24 horas. Una vez realizado el ensayo el geotextil era extraído para determinar el nivel de taponamiento el cual es la relación entre la permeabilidad del geotextil virgen y la permeabilidad después de realizado el ensayo. La colmatación del geotextil era obtenida

FAJARDO A., RODRÍGUEZ S., Diseño Racional De Elementos Filtrantes Para Sistemas De Subdrenaje, P.U.J., 1999

171


mediante la diferencia de la porosidad inicial del geotextil y la porosidad de este después del ensayo. La porosidad fue calculada como la relación entre el volumen de vacíos y el volumen total del geotextil, la forma para calcular esta relación se realiza por medio de la siguiente ecuación:

n

= 1 – m / (ρ * t)

(8.9)

Donde: n

=

Porosidad. (Adimensional)

m

=

Masa por unidad de área. (g/m2)

ρ

=

Densidad. (g/m3)

t

=

Espesor. (m)

Los suelos para realizar los ensayos fueron suelos que comúnmente se encuentran en el sitio de la instalación de sistemas de drenaje, tales como limos, materiales granulares y arenas. Se enfatizó en el comportamiento del sistema en presencia de material fino, en el cual la porosidad del geotextil se redujo del 89% al 68%, registrando un taponamiento del 62% debido al tamaño de las partículas de suelo empleadas en el ensayo, sin embargo la permeabilidad del geotextil después del ensayo seguía siendo muy superior a la permeabilidad del suelo a filtrar. Con el fin de mejorar el comportamiento del sistema, se optó por incluir una capa de arena entre el limo y el geotextil con el fin de reducir la colmatación del filtro. Después de realizado el ensayo, la permeabilidad del geotextil siguió siendo alta pero se pudo determinar que la porosidad del geotextil disminuyó tan sólo un 4%, comparado a 21% en el ensayo sin ésta capa de transición. Según los ensayos realizados se pudo concluir que al añadir una capa de transición (arena) al sistema, el comportamiento para el geotextil No Tejido punzonado por agujas en cuanto al tiempo de estabilización y disminución de la permeabilidad del sistema a través del tiempo, sería prácticamente la misma que la del sistema sin dicha capa; no obstante, la magnitud de la permeabilidad del geotextil y el valor de la porosidad mejoran de manera significativa, disminuyendo la colmatación en casi un 70%. El factor de taponamiento medido en los experimentos para filtros de geotextil No Tejido punzonado por agujas se encuentra en un rango entre 33 y 74%, sin embargo, el nivel de taponamiento no afecta la eficiencia del filtro puesto que la permeabilidad obtenida en los geotextiles después de ser ensayados, fue en orden de magnitud mucho mayor que la permeabilidad del suelo base. Un incremento de la permeabilidad implica un aumento de la porosidad para suelos finos, mientras que todo lo contrario ocurre para suelos granulares, ya que la arena mostró que a medida que la permeabilidad del sistema aumenta la porosidad disminuye. Esto ocurre porque después de un tiempo la permeabilidad de la arena y de geotextil se estabilizan creando un régimen de agua determinado por lo cual el conjunto termina trabajando como un sólo elemento de filtro. La colmatación del geotextil depende de la distribución del tamaño del grano del suelo base, por esta razón, para suelos finos la cantidad de partículas que quedan retenidas en el geotextil es mayor que para suelos granulares; debido a esto, la porosidad del geotextil se ve disminuida cuando se utilizan suelos finos en el sistema de filtración y por ende la colmatación del mismo aumenta, sin afectar la permeabilidad del sistema. Para la evaluación de los criterios de colmatación, la mayoría de los autores tienen en cuenta una serie de parámetros que no cuantifican verdaderamente el potencial de colmatación en los filtros, puesto que el aspecto fundamental a

172

M ANUAL DE DISEÑO

tener en cuenta es la porosidad, ya que ésta establece la cantidad de partículas de suelo que quedan retenidas en el geotextil permitiendo que a pesar de esto se mantenga el flujo de agua, siendo este el factor de mayor importancia para la evaluación del criterio de colmatación. Como se dijo anteriormente los geotextiles usados como medios filtrantes deben tener una porosidad mayor del 50% lo que garantiza que en caso de colmatación parcial del material, siga existiendo una alta porosidad, suficiente para permitir el paso del flujo en el sistema.

Criterio de supervivencia El geotextil en el proceso de instalación y a lo largo de su vida útil puede estar sometido a unos esfuerzos, los cuales deben ser soportados por el mismo, de tal manera que no afecten drásticamente sus propiedades hidráulicas y físicas. S.M. Leuttich, J.P. Giroud, R.C. Bachus 1992. El geotextil debe tener unos valores mínimos de resistencia mecánica con el objeto que soporte las actividades de instalación y manipulación. Estas propiedades son: resistencia a la tensión, resistencia al punzonamiento, resistencia al estallido, resistencia al rasgado. En la Tabla 8.3 se presentan las propiedades mínimas que se deben cumplir.

Tabla 8.3 Especificaciones generales de construcción de carreteras Artículo 673 INVIAS – AASHTO M288-05

Propiedad





Norma de Ensayo

INV E-901

INV E-901

INV E-913

INV E-903

Valor Mínimo Promedio por Rollo

700 N

630 N

1375 N

250 N

Criterio de durabilidad Este criterio se basa en la resistencia que debe tener un geotextil en el tiempo, bien sea por ataque químico, biológico o por intemperismo. Los geotextiles por ser un material fabricado en polipropileno no son biodegradables y son altamente resistentes al ataque químico como en aplicaciones de manejo de lixiviados. No se recomienda el uso de los geotextiles como filtros en sitios donde vayan a quedar expuestos a los rayos ultravioleta por un tiempo prolongado. Donde por razones de instalación y funcionamiento los geotextiles estén expuestos al ataque de los rayos ultravioleta, estos deberán estar fabricados por compuestos, que les proporcionen una alta resistencia a la degradación UV.

8.3.5 Cálculo hidráulico para la escogencia del geotextil En el caso en donde los geotextiles sean usados como recubrimiento de tubos que a su vez se encuentran en un medio drenante en espaldones de estructuras de contención que involucren suelos de alta permeabilidad o en general cuando se usan como medios filtrantes para grandes caudales, se debe revisar la cantidad de flujo volumétrico que puede pasar por unidad de área (tasa de flujo), en el plano normal al geotextil, frente a la cantidad de flujo volumétrico a evacuar por metro lineal. Para lo cual se realiza el siguiente procedimiento:

ψ

= k / t

173

(8.10)


Donde: ψ

=

Permitividad. (s-1)

k

=

Permeabilidad del geocompuesto. (m/s)

t

=

Espesor del geotextil de una cara del geocompuesto. (m)

1. Teniendo el caudal que se requiere pasar por el filtro, el cual es el caudal calculado por metro lineal de subdrén, se calcula la permitividad requerida del geotextil, haciendo uso de la ecuación de Darcy.

Q

=k*i*A

Q

= k * ∆h/t * A

k/t

= Q / (∆h * H * L)

ψreq

= Q / (∆h * H * L)

ψreq

= qw / (∆h * H)

(8.11)

Donde: ψreq

=

Permitividad requerida del geotextil, k/t.

qw

=

Caudal por unidad de longitud (teniendo el caudal final y la longitud del tramo en

consideración, Q/ L.

Q

=

Caudal total a evacuar calculado.

∆h

=

Cabeza hidráulica, que es igual a la altura del subdrenaje.

A

=

Área conformada por la cara perpendicular a la entrada del caudal.

H

=

Altura del subdrén.

L

=

Longitud del tramo de drenaje en consideración.

2. Calcule la permitividad admisible, la cual se obtiene de la permitividad entregada por el fabricante (Norma ASTM D4491, INV E-905), dividida por unos factores de reducción, según el tipo de proyecto (Ver Tabla 3.3).

ψadm

= ψult / (FRSCB* FRCR * FRIN* FRCC* FRBC)

Donde: ψadm

=

Permitividad admisible.

ψult

=

Permitividad última, entregada por el fabricante.

FRSCB

=

Factor de reducción por colmatación y taponamiento.

FRCR

=

Factor de reducción por creep o fluencia.

FRIN

=

Factor de reducción por intrusión.

FRCC

=

Factor de reducción por colmatación química.

FRBC

=

Factor de reducción por colmatación biológica.

3. Calcule el factor de seguridad global: FSg

Permitividad Admisible = Permitividad Requerida

FSg

> 1.0

174

(8.12)

M ANUAL DE DISEÑO

8.4 EJEMPLO DE DISEÑO Subdrén longitudinal de una vía Se requiere diseñar los subdrenes longitudinales en una vía que va a quedar ubicada en la zona andina. El tramo seleccionado para este ejemplo, tiene una longitud de 50 metros y una pendiente longitudinal del 1%, el ancho de la vía es de 10.5 metros. Luego de la exploración del subsuelo, se detectó el nivel freático a una profundidad de 0.50 metros a partir del nivel original. En el diseño de la estructura del pavimento se estableció que se excavará 0.4 m y se remplazará colocando una base granular, compactada al 95% del Proctor modificado. Sobre dicha base se colocará una carpeta de pavimento rígido de 20cm de espesor. El material de la subrasante es un limo arenoso (ML), el cual presenta las siguientes características: Permeabilidad (k) = 2.5 x 10 -5 m/s (Obtenida por ensayos in-situ). D85 = 0.085mm (Dato extraído de la curva granulométrica del suelo). 1. Diseñar la sección transversal del subdrén. 2. Establecer que características hidráulicas y mecánicas debe tener el geotextil a usar en el filtro.

Solución: 1.Cálculo del caudal total de diseño • Caudal por infiltración

•

Qinf

= I R * B * L * Fi * F R

IR

= 60 mm/h = 1.67 x 10 -5 m/s

B

= 5.25 m (Semibanca)

L

= 50.0 m

Fi

= 0.67 (Ver Tabla 8.1)

FR

= 1/3

Qinf

= 1.67 x 10 -5 m/s * 5.25 m * 50.0 m * 0.67 * 1/3

Qinf

= 9.79 x 10 -4 m3 /s

(Ver Tabla 8.2)

Caudal por abatimiento del nivel freático QNF

= k * i * Aa

k

= 2.5 x 10 -5 m/s

i

= (Nd - Nf) / B

= (1.0 - 0.5) / 5.25 = 0.095

Aa

= (Nd - Nf) * L

= 0.50 m * 50.0 m = 25.0 m2

QNF

= 2.5 x 10 -5 m/s * 0.095 * 25.0 m2

QNF

= 5.94 x 10 -5 m3 /s

El valor de permeabilidad que presenta este ejemplo corresponde al de una permeabilidad alta en la mayoría de los casos los suelos de subrasante en Colombia exhiben valores muy bajos de permeabilidad, típicos de suelos finos.

175


El nivel freático se encuentra a los dos lados de la sección transversal de subdrén. Entonces: QNF

= 5.94 x 10 -5 m3 /s * 2 = 1.188 x 10 -4 m3 /s

QT

= Qinf + QNF = 9.79 x 10 -4 m3 /s + 1.188 x 10 -4 m3 /s

QT

= 1.10 x 10 -3 m3 /s

QT

=V*i*A

El agregado disponible para colocar como material drenante, es una grava, la cual tiene un tamaño uniforme de 19mm (3/4”). De la Figura 8.3 se obtiene la velocidad, entrando con la pendiente del subdrén y el tamaño del agregado. V

= 0.32 cm/s = 0.0032 m/s

i

= 1.0

A

= (1.10 x 10 -3 m3 /s) / (0.0032 m/s)

A

= 0.344 m2

Se fija el ancho, el cual por lo general corresponde al ancho de la pala de la retroexcavadora y se calcula la longitud que cumpla con el área encontrada. En el caso en que la trinchera sea excavada a mano se recomienda un ancho mínimo de 0.6 m. A

= L * ancho

A

= 0.344 m2

ancho

= 0.60 m

L

= 0.344/0.60 = 0.57 ≈ 0.60 m Aprox.

Sección Transversal 0.60 x 0.60 m.

2. •

•

Evaluación del geotextil a usar en el filtro Criterio de retención (TAA) D95

< B * D85

B

= 1.8; Para geotextiles No Tejidos

D85

= 0.085 mm

TAA

< 1.8 * 0.085 mm

TAA

< 0.153 mm

Criterio de permeabilidad

Como es un suelo fino, se debe cumplir: kg

> 10 * ks

ks

= 2.5 x 10 -5 m/s

kg

> 2.5 x 10 -4 m/s

176

M ANUAL DE DISEÑO

•

Criterio de colmatación

La porosidad de los geotextiles No Tejidos punzonados por agujas son superiores al 80%, por lo tanto este tipo de geotextiles cumplen con este criterio. Los geotextiles Tejidos y los No Tejidos termounidos o calandrados no cumplen este criterio.

•

Criterio de supervivencia

Cuando se presentan condiciones severas de instalación con esfuerzos de contacto altos. Se evalúan todas las características mecánicas que tienen los posibles geotextiles a usar frente las especificaciones según el artículo 673 del INVIAS o en su defecto la norma AASHTO M288-05 (Ver Tabla 8.3). Con base en los criterios anteriores y comparando las especificaciones de los geotextiles (Ver Apéndice B), los geotextiles que cumplen estos criterios son: NT2500, NT3000, NT4000, NT5000, NT6000 y NT7000. Se selecciona el geotextil NT2500 por ser el técnica y económicamente más conveniente.

3.

Cálculo hidráulico para la escogencia del geotextil

Cálculo de la permitividad requerida por el geotextil como medio filtrante. Q

=k*i*A

Q

= k * ∆h / t * A

k/t

= Q / (∆h * H * L)

ψreq

= Q / (∆h * H * L)

ψreq

= 1.10 x 10 -3 m3 /s / (0.6 m * 0.6 m * 50.0 m)

ψreq

= 6.11 x 10 -5 s-1

Una vez calculada la permitividad requerida por el sistema, se toma la permitividad suministrada por el fabricante como la permitividad última para la realización del diseño. ψult

= 2.0 s-1 (Ver Apéndice B. Especificaciones De Productos)

Con base a la permitividad última del geodrén, se calcula la permitividad admisible, teniendo en cuenta los factores de reducción para sistemas de subdrenaje que aparecen en la Tabla 3.3. ψadm


ψadm

= 2.0 s-1 / (2.0 * 1.1 * 1.1 * 1.2 * 2.0)

ψadm

= 0.34 s-1

Finalmente se compara la permitividad admisible con la requerida para determinar el factor de seguridad global: FSg

= ψ adm / ψ req

FSg

= 0.34 s-1 / 6.11 x 10 -5 s-1

FSg

>> 1.0

Por lo que el geotextil NT 3000 es apto como medio “filtrante” en el sistema.

177


8.5 EJEMPLO DE RELACIÓN BENEFICIO - COSTO Evaluar la reducción del índice de serviciabilidad en función de las cargas equivalentes entre una estructura de pavimento con un sistema de drenaje adecuado y una estructura de pavimento sin ningún tipo de sistema de captación de aguas. Adicionalmente, determinar el incremento en costos en una vía principal que fue diseñada con la siguiente estructura de pavimento flexible: Espesor de la carpeta asfáltica:

7.5 cm

Espesor de la base granular:

30 cm

Espesor de la subbase granular:

40 cm

CBR de la subrasante:

5%

Solución: 1. Basándose en la metodología AASHTO para el cálculo de pavimentos flexibles, se calcula el número estructural de la siguiente forma: =

a1D1m1 + a2D2m2 + a3D3m3

ai

=

Coeficiente de la capa (1/pulg)

Di

=

Espesor de la capa (pulg)

mi

=

Coeficiente de drenaje de la capa

SN Donde:

Realizando el cálculo de SN, para nuestra estructura se obtiene un valor de 4.45

Los datos utilizados en los coeficientes de capa m1, m2, m3 se tomaron de la Tabla 8.5 donde se especifica el rango de valores recomendados por AASHTO.

178

M ANUAL DE DISEÑO

Tabla 8.4 Valores de coeficiente de drenaje mi recomendados Calidad de drenaje

Porcentaje de tiempo en que la estructura de pavimento esta expuesta a niveles de humedad acercandose a saturación Menos de 1%

Entre 1 - 5%

Entre 5 - 25%

Mayor de 25%

Excelente

1.40 - 1.35

1.35 - 1.30

1.30 - 1.20

1,2

Bueno

1.35 - 1.25

1.25 - 1.15

1.15 - 1.00

1,0

Justo

1.25 - 1.15

1.15 - 105

1.00 - 0.80

0,8

Deficiente

1.15 - 1.05

1.05 - 0.80

0.80 - 0.60

0,6

Muy Deficiente

1.05 - 0.95

0.95 - 0.75

0.75 - 0.40

0,4

2. Con el número estructural calculado, determinamos el número de ejes equivalentes que es capaz de soportar la estructura. Parámetros para el cálculo: Confiabilidad: 95% (Para autopistas y vías principales) Desviación global: 0.45 (Pavimentos flexibles y construcciones nuevas) Módulo Resiliente: CBR Subrasante x 1500 = 5 x 1500 = 7.500 psi Índice de serviciabilidad inicial: 4.0 (Bueno) Índice de serviacibilidad final: 2.5 (Para autopistas y vías principales)

3. Se calcula el nuevo número estructural considerando una reducción en los coeficientes de drenaje, ocasionados por la presencia de agua en la estructura del pavimento, por la falta de un sistema de drenaje adecuado.

179


4. Con el nuevo SN, se calcula el nuevo número de ejes equivalentes que soportará la vía:

5. Se calcula la reducción del índice de serviciabilidad en el periodo de vida útil de la vía, relacionando la variación de ejes equivalentes en las dos situaciones antes evaluadas: 6. Para determinar la disminución de costos, tomamos como referencia del libro “Drenaje en pavimentos de Autopistas y Aeropuertos” de Harry R. Cedergren, el capítulo No. 2 “Clase de daños causados por la presencia de agua en los pavimentos” y el Capítulo No. 8. ”Economía en pavimentos drenados y no drenados”, en donde se muestran los resultados obtenidos en diferentes investigaciones y estudios realizados por entidades como FHWA, Highway Research Board´s, Autopistas del Estado de Georgia y la Asociación de Cemento Pórtland entre otras, de varias autopistas principales en cuanto al comportamiento de las estructuras de los pavimentos, bajo los efectos de carga de trafico en presencia de agua; Con estos resultados se comprobó una disminución considerable de su vida útil de servicio. Por ejemplo, a un pavimento sin daños ocasionados por el agua, se le puede dar una vida de servicio de 20 años, pero si en el transcurso de un año, presenta exceso de agua en un 10% del tiempo, su vida de servicio puede reducirse a 10 años.

180

M ANUAL DE DISEÑO

Basándonos en lo anterior, realizamos el siguiente cálculo para la estructura de la vía especificada inicialmente. 7. Para efectos prácticos, se tomará en cuenta sólo el costo de los materiales, ya que la mano de obra, equipo y transporte de material varían de acuerdo a la zona donde se realice el proyecto. a. Diseño sin drenajes (vida efectiva = 10 años) Carpeta Asfáltica

= 7.5cm

Base granular

= 30 cm

Subbase

= 40 cm

Costo por m2 Diseño sin drenajes Carpeta Asfáltica

= 0.075 x (107.95U$)

= 8.09 U$

Base Granular

= 0.300 x (12.09 U$)

= 3.63 U$

Subbase

= 0.400 x (10.75 U$)

= 4.30 U$

Total

= 16.02 U$

Para una “vida útil” de 10 años, el (costo/m2/año).es igual a 16.02 U$/10 = 1.602 U$, entonces, Costo anual por m2 = 1.602 U$ b. Diseño con drenajes laterales (vida efectiva = 20 años) Carpeta Asfáltica

= 7.5 cm

Base Granular

= 30 cm

Subbase

= 40 cm

Sección de subdrén

= (60x40) cm

Costo por m2 Diseño con drenajes laterales Carpeta Asfáltica

= 0.075 x (107.95U$)

= 8.09 U$

Base Granular

= 0.300 x (12.09 U$)

= 3.63 U$

Subbase

= 0.400 x (10.75 U$)

= 4.30 U$

Sección subdrén francés

= 4.95 U$

Total

= 20.97U$

Para una “vida útil” de 20 años, el (costo/m2/año) es igual a 20.97U$/20 = 1.04U$, entonces, Costo anual por m2 = 1.04 U$ Para este ejemplo, un diseño de pavimento bien drenado tiene un costos anual de 1.04U$/1.604U$ = 54% sobre un pavimento no drenado.

181


BIBLIOGRAFÍA • CEDERGREN H.R., Drainage Of Highway And Airfield Pavements. • CEDERGREN H.R., Seepage, Drainage And Flow Nets. • FAJARDO A., RODRÍGUEZ S., Diseño Racional De Elementos Filtrantes Para Sistemas De Subdrenaje, P.U.J., 1999 • FEDERAL HIGHWAY ADMINISTRATION, Geosynthetics Design And Constructuon Guidelines Publication No. FHWA HL-95-038 • GEOTEXTILES AND GEOMEMBRANES, GEOSYNTHETICS IN FILTRATION, DRAINAGE AND EROSION CONTROL, VOL. 11 • KOERNER R.M., Geosynthetics In Filtration, Drainage And Erosion Control. • LAFLEUR J., ROLLIN A.L., Geofilters’96, Comptes Rendus Proceedings, École Polytechnique Montréal, 1996. • NOS 4 - 6, 1992, An Official Journal Of The International Geotextile Society.

182

ANEXO 1 CALCULO DEL CAUDAL

CAUDAL 40cm Sección cm x cm

Area cm2

Pendiente (%)

40 x 40

1.600

40 x 40 40 x 40

Tamaño del agregado 1/2” Tamaño del agregado 3/4”

Tamaño del agregado 1”


Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

0,50

0,063

100,0

0,156

250,0

0,281

450,0

0,375

600,0

1.600

1,00

0,125

200,0

0,313

500,0

0,563

900,0

0,750

1.200,0

1.600

1,50

0,188

300,0

0,469

750,0

0,844

1.350,0

1,125

1.800,0

40 x 40

1.600

2,00

0,250

400,0

0,625

1.000,0

1,125

1.800,0

1,500

2.400,0

40 x 40

1.600

2,50

0,313

500,0

0,781

1.250,0

1,406

2.250,0

1,875

3.000,0

40 x 40

1.600

3,00

0,375

600,0

0,938

1.500,0

1,688

2.700,0

2,250

3.600,0

40 x 40

1.600

3,50

0,438

700,0

1,094

1.750,0

1,969

3.150,0

2,625

4.200,0

40 x 40

1.600

4,00

0,500

800,0

1,250

2.000,0

2,250

3.600,0

3,000

4.800,0

40 x 40

1.600

4,50

0,563

900,0

1,406

2.250,0

2,531

4.050,0

3,375

5.400,0

40 x 40

1.600

5,00

0,625

1.000,0

1,563

2.500,0

2,813

4.500,0

3,750

6.000,0

40 x 40

1.600

5,50

0,688

1.100,0

1,719

2.750,0

3,094

4.950,0

4,125

6.600,0

40 x 40

1.600

6,00

0,750

1.200,0

1,875

3.000,0

3,375

5.400,0

4,500

7.200,0

40 x 40

1.600

6,50

0,813

1.300,0

2,031

3.250,0

3,656

5.850,0

4,875

7.800,0

40 x 40

1.600

7,00

0,875

1.400,0

2,188

3.500,0

3,938

6.300,0

5,250

8.400,0

183

Caudal (cm3/s)

Sección cm x cm

Area cm2

Pendiente (%)

40 x 50

2.000

40 x 50

2.000

40 x 50 40 x 50



Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

0,50

0,063

125,0

0,156

312,5

1,00

0,125

250,0

0,313

625,0

2.000

1,50

0,188

375,0

0,469

937,5

0,844

2.000

2,00

0,250

500,0

0,625

1.250,0

1,125

40 x 50

2.000

2,50

0,313

625,0

0,781

1.562,5

1,406

40 x 50

2.000

3,00

0,375

750,0

0,938

1.875,0

1,688

40 x 50

2.000

3,50

0,438

875,0

1,094

2.187,5

40 x 50

2.000

4,00

0,500

1.000,0

1,250

2.500,0


Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

0,281

562,5

0,375

750,0

0,563

1.125,0

0,750

1.500,0

1.687,5

1,125

2.250,0

2.250,0

1,500

3.000,0

2.812,5

1,875

3.750,0

3.375,0

2,250

4.500,0

1,969

3.937,5

2,625

5.250,0

2,250

4

.750,0

4,500

Caudal (cm3/s)

9.000,0

40 x 50

2.000

6,50

0,813

1.625,0

2,031

4.062,5

3,656

7.312,5

4,875

9.750,0

40 x 50

2.000

7,00

0,875

1.750,0

2,188

4.375,0

3,938

7.875,0

5,250

10.500,0

Sección cm x cm

Area cm2

Pendiente (%)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/ s)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/ s)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/ s)

Velocidad (cm/s)

40 x 60

2.400

0,50

0,063

150,0

0,156

375,0

0,281

675,0

0,375

900,0

40 x 60

2.400

1,00

0,125

300,0

0,313

750,0

0,563

1.350,0

0,750

1.800,0

40 x 60

2.400

1,50

0,188

450,0

0,469

1.125,0

0,844

2.025,0

1,125

2.700,0

40 x 60

2.400

2,00

0,250

600,0

0,625

1.500,0

1,125

2.700,0

1,500

3.600,0

40 x 60

2.400

2,50

0,313

750,0

0,781

1.875,0

1,406

3.375,0

1,875

4.500,0

40 x 60

2.400

3,00

0,375

900,0

0,938

2.250,0

1,688

4.050,0

2,250

5.400,0



Tamaño del agregado 2” Caudal (cm3/ s)

40 x 60

2.400

3,50

0,438

1.050,0

1,094

2.625,0

1,969

4.725,0

2,625

6.300,0

40 x 60

2.400

4,00

0,500

1.200,0

1,250

3.000,0

2,250

5.400,0

3,000

7.200,0

40 x 60

2.400

4,50

0,563

1.350,0

1,406

3.375,0

2,531

6.075,0

3,375

8.100,0

40 x 60

2.400

5,00

0,625

1.500,0

1,563

3.750,0

2,813

6.750,0

3,750

9.000,0

40 x 60

2.400

5,50

0,688

1.650,0

1,719

4.125,0

3,094

7.425,0

4,125

9.900,0

40 x 60

2.400

6,00

0,750

1.800,0

1,875

4.500,0

3,375

8.100,0

4,500

10.800,0

40 x 60

2.400

6,50

0,813

1.950,0

2,031

4.875,0

3,656

8.775,0

4,875

11.700,0

40 x 60

2.400

7,00

0,875

2.100,0

2,188

5.250,0

3,938

9.450,0

5,250

12.600,0

184




Sección cm x cm

Area cm2

Pendiente (%)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

40 x 70

2.800

0,50

0,063

175,0

0,156

437,5

0,281

787,5

0,375

1.050,0

40 x 70

2.800

1,00

0,125

350,0

0,313

875,0

0,563

1.575,0

0,750

2.100,0

40 x 70

2.800

1,50

0,188

525,0

0,469

1.312,5

0,844

2.362,5

1,125

3.150,0

40 x 70

2.800

2,00

0,250

700,0

0,625

1.750,0

1,125

3.150,0

1,500

4.200,0

40 x 70

2.800

2,50

0,313

875,0

0,781

2.187,5

1,406

3.937,5

1,875

5.250,0

40 x 70

2.800

3,00

0,375

1.050,0

0,938

2.625,0

1,688

4.725,0

2,250

6.300,0

40 x 70

2.800

3,50

0,438

1.225,0

1,094

3.062,5

1,969

5.512,5

2,625

7.350,0

40 x 70

2.800

4,00

0,500

1.400,0

1,250

3.500,0

2,250

6.300,0

3,000

8.400,0

40 x 70

2.800

4,50

0,563

1.575,0

1,406

3.937,5

2,531

7.087,5

3,375

9.450,0

40 x 70

2.800

5,00

0,625

1.750,0

1,563

4.375,0

2,813

7.875,0

3,750

10.500,0

40 x 70

2.800

5,50

0,688

1.925,0

1,719

4.812,5

3,094

8.662,5

4,125

11.550,0

40 x 70

2.800

6,00

0,750

2.100,0

1,875

5.250,0

3,375

9.450,0

4,500

12.600,0

40 x 70

2.800

6,50

0,813

2.275,0

2,031

5.687,5

3,656

10.237,5

4,875

13.650,0

40 x 70

2.800

7,00

0,875

2.450,0

2,188

6.125,0

3,938

11.025,0

5,250

14.700,0

Sección cm x cm

Area cm2

Pendiente (%)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

40 x 80

3.200

0,50

0,063

200,0

0,156

500,0

40 x 80

3.200

1,00

0,125

400,0

0,313

1.000,0

40 x 80

3.200

1,50

0,188

600,0

0,469

1.500,0

40 x 80

3.200

2,00

0,250

800,0

0,625

2.000,0

40 x 80

3.200

2,50

0,313

1.000,0

0,781

40 x 80

3.200

3,00

0,375

1.200,0

40 x 80

3.200

3,50

0,438

1.400,0

40 x 80

3.200

4,00

0,500

40 x 80

3.200

4,50

0,563

40 x 80

3.200

5,00

40 x 80

3.200

5,50

40 x 80

3.200

40 x 80

3.200

40 x 80

3.200


Velocidad (cm/s)


Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

0,281

900,0

0,375

1.200,0

0,563

1.800,0

0,750

2.400,0

0,844

2.700,0

1,125

3.600,0

1,125

3.600,0

1,500

4.800,0

2.500,0

1,406

4.500,0

1,875

6.000,0

0,938

3.000,0

1,688

5.400,0

2,250

7.200,0

1,094

3.500,0

1,969

6.300,0

2,625

8.400,0

1.600,0

1,250

4.000,0

2,250

7.200,0

3,000

9.600,0

1.800,0

1,406

4.500,0

2,531

8.100,0

3,375

10.800,0

0,625

2.000,0

1,563

5.000,0

2,813

9.000,0

3,750

12.000,0

0,688

2.200,0

1,719

5.500,0

3,094

9.900,0

4,125

13.200,0

6,00

0,750

2.400,0

1,875

6.000,0

3,375

10.800,0

4,500

14.400,0

6,50

0,813

2.600,0

2,031

6.500,0

3,656

11.700,0

4,875

15.600,0

7,00

0,875

2.800,0

2,188

7.000,0

3,938

12.600,0

5,250

16.800,0

185

Caudal (cm3/s)


Caudal (cm3/s)

Caudal (cm3/s)




Sección cm x cm

Area cm2

Pendiente (%)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm / s)

Velocidad (cm/s)

40 x 90

3.600

0,50

0,063

225,0

0,156

562,5

0,281

1.012,5

0,375

1.350,0

40 x 90

3.600

1,00

0,125

450,0

0,313

1.125,0

0,563

2.025,0

0,750

2.700,0

40 x 90

3.600

1,50

0,188

675,0

0,469

1.687,5

0,844

3.037,5

1,125

4.050,0

40 x 90

3.600

2,00

0,250

900,0

0,625

2.250,0

1,125

4.050,0

1,500

5.400,0

40 x 90

3.600

2,50

0,313

1.125,0

0,781

2.812,5

1,406

5.062,5

1,875

6.750,0

40 x 90

3.600

3,00

0,375

1.350,0

0,938

3.375,0

1,688

6.075,0

2,250

8.100,0

40 x 90

3.600

3,50

0,438

1.575,0

1,094

3.937,5

1,969

7.087,5

2,625

9.450,0

40 x 90

3.600

4,00

0,500

1.800,0

1,250

4.500,0

2,250

8.100,0

3,000

10.800,0

40 x 90

3.600

4,50

0,563

2.025,0

1,406

5.062,5

2,531

9.112,5

3,375

12.150,0

40 x 90

3.600

5,00

0,625

2.250,0

1,563

5.625,0

2,813

10.125,0

3,750

13.500,0

40 x 90

3.600

5,50

0,688

2.475,0

1,719

6.187,5

3,094

11.137,5

4,125

14.850,0

40 x 90

3.600

6,00

0,750

2.700,0

1,875

6.750,0

3,375

12.150,0

4,500

16.200,0

40 x 90

3.600

6,50

0,813

2.925,0

2,031

7.312,5

3,656

13.162,5

4,875

17.550,0

40 x 90

3.600

7,00

0,875

3.150,0

2,188

7.875,0

3,938

14.175,0

5,250

18.900,0

Sección

Area

3

Caudal (cm / s) 3


Velocidad (cm/s)

Caudal (cm / s) 3


Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/ s)


Pendiente (%)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

cm x cm

cm2

40 x 100

2.000

0,50

0,063

125,0

0,156

312,5

0,281

562,5

0,375

750,0

40 x 100

2.000

1,00

0,125

250,0

0,313

625,0

0,563

1.125,0

0,750

1.500,0

40 x 100

2.000

1,50

0,188

375,0

0,469

937,5

0,844

1.687,5

1,125

2.250,0

40 x 100

2.000

2,00

0,250

500,0

0,625

1.250,0

1,125

2.250,0

1,500

3.000,0

40 x 100

2.000

2,50

0,313

625,0

0,781

1.562,5

1,406

2.812,5

1,875

3.750,0

40 x 100

2.000

3,00

0,375

750,0

0,938

1.875,0

1,688

3.375,0

2,250

4.500,0

40 x 100

2.000

3,50

0,438

875,0

1,094

2.187,5

1,969

3.937,5

2,625

5.250,0

40 x 100

2.000

4,00

0,500

1.000,0

1,250

2.500,0

2,250

4.500,0

3,000

6.000,0

40 x 100

2.000

4,50

0,563

1.125,0

1,406

2.812,5

2,531

5.062,5

3,375

6.750,0

40 x 100

2.000

5,00

0,625

1.250,0

1,563

3.125,0

2,813

5.625,0

3,750

7.500,0

40 x 100

2.000

5,50

0,688

1.375,0

1,719

3.437,5

3,094

6.187,5

4,125

8.250,0

40 x 100

2.000

6,00

0,750

1.500,0

1,875

3.750,0

3,375

6.750,0

4,500

9.000,0

40 x 100

2.000

6,50

0,813

1.625,0

2,031

4.062,5

3,656

7.312,5

4,875

9.750,0

40 x 100

2.000

7,00

0,875

1.750,0

2,188

4.375,0

3,938

7.875,0

5,250

10.500,0

186

CAUDAL 50cm Tamaño del agregado 1/2” Tamaño del agregado 3/4”


Sección cm x cm

Area cm2

Pendiente (%)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

50 x 50

2.500

0,50

0,063

156,3

0,156

390,6

50 x 50

2.500

1,00

0,125

312,5

0,313

781,3

50 x 50

2.500

1,50

0,188

468,8

0,469

50 x 50

2.500

2,00

0,250

625,0

0,625

50 x 50

2.500

2,50

0,313

781,3

50 x 50

2.500

3,00

0,375

937,5

50 x 50

2.500

3,50

0,438

50 x 50

2.500

4,00

0,500

50 x 50

2.500

4,50

50 x 50

2.500

50 x 50

2.500

50 x 50 50 x 50 50 x 50


Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

0,281

703,1

0,375

937,5

0,563

1.406,3

0,750

1.875,0

1.171,9

0,844

2.109,4

1,125

2.812,5

1.562,5

1,125

2.812,5

1,500

3.750,0

0,781

1.953,1

1,406

3.515,6

1,875

4.687,5

0,938

2.343,8

1,688

4.218,8

2,250

5.625,0

1.093,8

1,094

2.734,4

1,969

4.921,9

2,625

6.562,5

1.250,0

1,250

3.125,0

2,250

5.625,0

3,000

7.500,0

0,563

1.406,3

1,406

3.515,6

2,531

6.328,1

3,375

8.437,5

5,00

0,625

1.562,5

1,563

3.906,3

2,813

7.031,3

3,750

9.375,0

5,50

0,688

1.718,8

1,719

4.296,9

3,094

7.734,4

4,125

10.312,5

2.500

6,00

0,750

1.875,0

1,875

4.687,5

3,375

8.437,5

4,500

11.250,0

2.500

6,50

0,813

2.031,3

2,031

5.078,1

3,656

9.140,6

4,875

12.187,5

2.500

7,00

0,875

2.187,5

2,188

5.468,8

3,938

9.843,8

5,250

13.125,0

187

Caudal (cm3/s)




Sección cm x cm

Area cm2

Pendiente (%)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

50 x 60

3.000

0,50

0,063

187,5

0,156

468,8

0,281

843,8

0,375

1.125,0

50 x 60

3.000

1,00

0,125

375,0

0,313

937,5

0,563

1.687,5

0,750

2.250,0

50 x 60

3.000

1,50

0,188

562,5

0,469

1.406,3

0,844

2.531,3

1,125

3.375,0

50 x 60

3.000

2,00

0,250

750,0

0,625

1.875,0

1,125

3.375,0

1,500

4.500,0

50 x 60

3.000

2,50

0,313

937,5

0,781

2.343,8

1,406

4.218,8

1,875

5.625,0

50 x 60

3.000

3,00

0,375

1.125,0

0,938

2.812,5

1,688

5.062,5

2,250

6.750,0

50 x 60

3.000

3,50

0,438

1.312,5

1,094

3.281,3

1,969

5.906,3

2,625

7.875,0

50 x 60

3.000

4,00

0,500

1.500,0

1,250

3.750,0

2,250

6.750,0

3,000

9.000,0

50 x 60

3.000

4,50

0,563

1.687,5

1,406

4.218,8

2,531

7.593,8

3,375

10.125,0

50 x 60

3.000

5,00

0,625

1.875,0

1,563

4.687,5

2,813

8.437,5

3,750

11.250,0

50 x 60

3.000

5,50

0,688

2.062,5

1,719

5.156,3

3,094

9.281,3

4,125

12.375,0

50 x 60

3.000

6,00

0,750

2.250,0

1,875

5.625,0

3,375

10.125,0

4,500

13.500,0

50 x 60

3.000

6,50

0,813

2.437,5

2,031

6.093,8

3,656

10.968,8

4,875

14.625,0

50 x 60

3.000

7,00

0,875

2.625,0

2,188

6.562,5

3,938

11.812,5

5,250

15.750,0

Sección cm x cm

Area cm2

Pendiente (%)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

50 x 70

3.500

0,50

0,063

218,8

0,156

546,9

0,281

984,4

0,375

1.312,5

50 x 70

3.500

1,00

0,125

437,5

0,313

1.093,8

0,563

1.968,8

0,750

2.625,0

50 x 70

3.500

1,50

0,188

656,3

0,469

1.640,6

0,844

2.953,1

1,125

3.937,5

50 x 70

3.500

2,00

0,250

875,0

0,625

2.187,5

1,125

3.937,5

1,500

5.250,0

50 x 70

3.500

2,50

0,313

1.093,8

0,781

2.734,4

1,406

4.921,9

1,875

6.562,5

50 x 70

3.500

3,00

0,375

1.312,5

0,938

3.281,3

1,688

5.906,3

2,250

7.875,0

50 x 70

3.500

3,50

0,438

1.531,3

1,094

3.828,1

1,969

6.890,6

2,625

9.187,5

50 x 70

3.500

4,00

0,500

1.750,0

1,250

4.375,0

2,250

7.875,0

3,000

10.500,0

50 x 70

3.500

4,50

0,563

1.968,8

1,406

4.921,9

2,531

8.859,4

3,375

11.812,5

50 x 70

3.500

5,00

0,625

2.187,5

1,563

5.468,8

2,813

9.843,8

3,750

13.125,0

50 x 70

3.500

5,50

0,688

2.406,3

1,719

6.015,6

3,094

10.828,1

4,125

14.437,5

50 x 70

3.500

6,00

0,750

2.625,0

1,875

6.562,5

3,375

11.812,5

4,500

15.750,0

50 x 70

3.500

6,50

0,813

2.843,8

2,031

7.109,4

3,656

12.796,9

4,875

17.062,5

50 x 70

3.500

7,00

0,875

3.062,5

2,188

7.656,3

3,938

13.781,3

5,250

18.375,0


188


Caudal (cm3/s)

Tamaño del agregado 2” Caudal (cm3/s)




Sección cm x cm

Area cm2

Pendiente (%)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

50 x 80

4.000

0,50

0,063

250,0

0,156

625,0

0,281

1.125,0

0,375

1.500,0

50 x 80

4.000

1,00

0,125

500,0

0,313

1.250,0

0,563

2.250,0

0,750

3.000,0

50 x 80

4.000

1,50

0,188

750,0

0,469

1.875,0

0,844

3.375,0

1,125

4.500,0

50 x 80

4.000

2,00

0,250

1.000,0

0,625

2.500,0

1,125

4.500,0

1,500

6.000,0

50 x 80

4.000

2,50

0,313

1.250,0

0,781

3.125,0

1,406

5.625,0

1,875

7.500,0

50 x 80

4.000

3,00

0,375

1.500,0

0,938

3.750,0

1,688

6.750,0

2,250

9.000,0

50 x 80

4.000

3,50

0,438

1.750,0

1,094

4.375,0

1,969

7.875,0

2,625

10.500,0

50 x 80

4.000

4,00

0,500

2.000,0

1,250

5.000,0

2,250

9.000,0

3,000

12.000,0

50 x 80

4.000

4,50

0,563

2.250,0

1,406

5.625,0

2,531

10.125,0

3,375

13.500,0

50 x 80

4.000

5,00

0,625

2.500,0

1,563

6.250,0

2,813

11.250,0

3,750

15.000,0

50 x 80

4.000

5,50

0,688

2.750,0

1,719

6.875,0

3,094

12.375,0

4,125

16.500,0

50 x 80

4.000

6,00

0,750

3.000,0

1,875

7.500,0

3,375

13.500,0

4,500

18.000,0

50 x 80

4.000

6,50

0,813

3.250,0

2,031

8.125,0

3,656

14.625,0

4,875

19.500,0

50 x 80

4.000

7,00

0,875

3.500,0

2,188

8.750,0

3,938

15.750,0

5,250

21.000,0

Sección cm x cm

Area cm2

Pendiente (%)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

50 x 90

4.500

0,50

0,063

281,3

0,156

703,1

0,281

1.265,6

0,375

1.687,5

50 x 90

4.500

1,00

0,125

562,5

0,313

1.406,3

0,563

2.531,3

0,750

3.375,0

50 x 90

4.500

1,50

0,188

843,8

0,469

2.109,4

0,844

3.796,9

1,125

5.062,5

50 x 90

4.500

2,00

0,250

1.125,0

0,625

2.812,5

1,125

5.062,5

1,500

6.750,0

50 x 90

4.500

2,50

0,313

1.406,3

0,781

3.515,6

1,406

6.328,1

1,875

8.437,5

50 x 90

4.500

3,00

0,375

1.687,5

0,938

4.218,8

1,688

7.593,8

2,250

10.125,0

50 x 90

4.500

3,50

0,438

1.968,8

1,094

4.921,9

1,969

8.859,4

2,625

11.812,5

50 x 90

4.500

4,00

0,500

2.250,0

1,250

5.625,0

2,250

10.125,0

3,000

13.500,0

50 x 90

4.500

4,50

0,563

2.531,3

1,406

6.328,1

2,531

11.390,6

3,375

15.187,5

50 x 90

4.500

5,00

0,625

2.812,5

1,563

7.031,3

2,813

12.656,3

3,750

16.875,0

50 x 90

4.500

5,50

0,688

3.093,8

1,719

7.734,4

3,094

13.921,9

4,125

18.562,5

50 x 90

4.500

6,00

0,750

3.375,0

1,875

8.437,5

3,375

15.187,5

4,500

20.250,0

50 x 90

4.500

6,50

0,813

3.656,3

2,031

9.140,6

3,656

16.453,1

4,875

21.937,5

50 x 90

4.500

7,00

0,875

3.937,5

2,188

9.843,8

3,938

17.718,8

5,250

23.625,0


189


Caudal (cm3/s)





Sección cm x cm

Area cm2

Pendiente (%)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

50 x 100

5.000

0,50

0,063

312,5

0,156

781,3

0,281

1.406,3

0,375

1.875,0

50 x 100

5.000

1,00

0,125

625,0

0,313

1.562,5

0,563

2.812,5

0,750

3.750,0

50 x 100

5.000

1,50

0,188

937,5

0,469

2.343,8

0,844

4.218,8

1,125

5.625,0

50 x 100

5.000

2,00

0,250

1.250,0

0,625

3.125,0

1,125

5.625,0

1,500

7.500,0

50 x 100

5.000

2,50

0,313

1.562,5

0,781

3.906,3

1,406

7.031,3

1,875

9.375,0

50 x 100

5.000

3,00

0,375

1.875,0

0,938

4.687,5

1,688

8.437,5

2,250

11.250,0

50 x 100

5.000

3,50

0,438

2.187,5

1,094

5.468,8

1,969

9.843,8

2,625

13.125,0

50 x 100

5.000

4,00

0,500

2.500,0

1,250

6.250,0

2,250

11.250,0

3,000

15.000,0

50 x 100

5.000

4,50

0,563

2.812,5

1,406

7.031,3

2,531

12.656,3

3,375

16.875,0

50 x 100

5.000

5,00

0,625

3.125,0

1,563

7.812,5

2,813

14.062,5

3,750

18.750,0

50 x 100

5.000

5,50

0,688

3.437,5

1,719

8.593,8

3,094

15.468,8

4,125

20.625,0

50 x 100

5.000

6,00

0,750

3.750,0

1,875

9.375,0

3,375

16.875,0

4,500

22.500,0

50 x 100

5.000

6,50

0,813

4.062,5

2,031

10.156,3

3,656

18.281,3

4,875

24.375,0

50 x 100

5.000

7,00

0,875

4.375,0

2,188

10.937,5

3,938

19.687,5

5,250

26.250,0

190

Caudal (cm3/s)




Sección cm x cm

Area cm2

Pendiente (%)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

60 x 60

3.600

0,50

0,063

225,0

0,156

562,5

0,281

1.012,5

0,375

1.350,0

60 x 60

3.600

1,00

0,125

450,0

0,313

1.125,0

0,563

2.025,0

0,750

2.700,0

60 x 60

3.600

1,50

0,188

675,0

0,469

1.687,5

0,844

3.037,5

1,125

4.050,0

60 x 60

3.600

2,00

0,250

900,0

0,625

2.250,0

1,125

4.050,0

1,500

5.400,0

60 x 60

3.600

2,50

0,313

1.125,0

0,781

2.812,5

1,406

5.062,5

1,875

6.750,0

60 x 60

3.600

3,00

0,375

1.350,0

0,938

3.375,0

1,688

6.075,0

2,250

8.100,0

60 x 60

3.600

3,50

0,438

1.575,0

1,094

3.937,5

1,969

7.087,5

2,625

9.450,0

60 x 60

3.600

4,00

0,500

1.800,0

1,250

4.500,0

2,250

8.100,0

3,000

10.800,0

60 x 60

3.600

4,50

0,563

2.025,0

1,406

5.062,5

2,531

9.112,5

3,375

12.150,0

60 x 60

3.600

5,00

0,625

2.250,0

1,563

5.625,0

2,813

10.125,0

3,750

13.500,0

60 x 60

3.600

5,50

0,688

2.475,0

1,719

6.187,5

3,094

11.137,5

4,125

14.850,0

60 x 60

3.600

6,00

0,750

2.700,0

1,875

6.750,0

3,375

12.150,0

4,500

16.200,0

60 x 60

3.600

6,50

0,813

2.925,0

2,031

7.312,5

3,656

13.162,5

4,875

17.550,0

60 x 60

3.600

7,00

0,875

3.150,0

2,188

7.875,0

3,938

14.175,0

5,250

18.900,0

191

Caudal (cm3/s)




Sección cm x cm

Area cm2

Pendiente (%)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

60 x 70

4.200

0,50

0,063

262,5

0,156

656,3

0,281

1.181,3

0,375

1.575,0

60 x 70

4.200

1,00

0,125

525,0

0,313

1.312,5

0,563

2.362,5

0,750

3.150,0

60 x 70

4.200

1,50

0,188

787,5

0,469

1.968,8

0,844

3.543,8

1,125

4.725,0

60 x 70

4.200

2,00

0,250

1.050,0

0,625

2.625,0

1,125

4.725,0

1,500

6.300,0

60 x 70

4.200

2,50

0,313

1.312,5

0,781

3.281,3

1,406

5.906,3

1,875

7.875,0

60 x 70

4.200

3,00

0,375

1.575,0

0,938

3.937,5

1,688

7.087,5

2,250

9.450,0

60 x 70

4.200

3,50

0,438

1.837,5

1,094

4.593,8

1,969

8.268,8

2,625

11.025,0

60 x 70

4.200

4,00

0,500

2.100,0

1,250

5.250,0

2,250

9.450,0

3,000

12.600,0

60 x 70

4.200

4,50

0,563

2.362,5

1,406

5.906,3

2,531

10.631,3

3,375

14.175,0

60 x 70

4.200

5,00

0,625

2.625,0

1,563

6.562,5

2,813

11.812,5

3,750

15.750,0

60 x 70

4.200

5,50

0,688

2.887,5

1,719

7.218,8

3,094

12.993,8

4,125

17.325,0

60 x 70

4.200

6,00

0,750

3.150,0

1,875

7.875,0

3,375

14.175,0

4,500

18.900,0

60 x 70

4.200

6,50

0,813

3.412,5

2,031

8.531,3

3,656

15.356,3

4,875

20.475,0

60 x 70

4.200

7,00

0,875

3.675,0

2,188

9.187,5

3,938

16.537,5

5,250

22.050,0

Sección cm x cm

Area cm2

Pendiente (%)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

60 x 80

4.800

0,50

0,063

300,0

0,156

750,0

0,281

1.350,0

0,375

1.800,0

60 x 80

4.800

1,00

0,125

600,0

0,313

1.500,0

0,563

2.700,0

0,750

3.600,0

60 x 80

4.800

1,50

0,188

900,0

0,469

2.250,0

0,844

4.050,0

1,125

5.400,0

60 x 80

4.800

2,00

0,250

1.200,0

0,625

3.000,0

1,125

5.400,0

1,500

7.200,0

60 x 80

4.800

2,50

0,313

1.500,0

0,781

3.750,0

1,406

6.750,0

1,875

9.000,0

60 x 80

4.800

3,00

0,375

1.800,0

0,938

4.500,0

1,688

8.100,0

2,250

10.800,0

60 x 80

4.800

3,50

0,438

2.100,0

1,094

5.250,0

1,969

9.450,0

2,625

12.600,0

60 x 80

4.800

4,00

0,500

2.400,0

1,250

6.000,0

2,250

10.800,0

3,000

14.400,0

60 x 80

4.800

4,50

0,563

2.700,0

1,406

6.750,0

2,531

12.150,0

3,375

16.200,0

60 x 80

4.800

5,00

0,625

3.000,0

1,563

7.500,0

2,813

13.500,0

3,750

18.000,0

60 x 80

4.800

5,50

0,688

3.300,0

1,719

8.250,0

3,094

14.850,0

4,125

19.800,0

60 x 80

4.800

6,00

0,750

3.600,0

1,875

9.000,0

3,375

16.200,0

4,500

21.600,0

60 x 80

4.800

6,50

0,813

3.900,0

2,031

9.750,0

3,656

17.550,0

4,875

23.400,0

60 x 80

4.800

7,00

0,875

4.200,0

2,188

10.500,0

3,938

18.900,0

5,250

25.200,0


192

Caudal (cm3/s)

Tamaño del agregado 1” Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Caudal (cm3/s)


Caudal (cm3/s)




Sección cm x cm

Area cm2

Pendiente (%)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

60 x 90

5.400

0,50

0,063

337,5

0,156

843,8

0,281

1.518,8

0,375

2.025,0

60 x 90

5.400

1,00

0,125

675,0

0,313

1.687,5

0,563

3.037,5

0,750

4.050,0

60 x 90

5.400

1,50

0,188

1.012,5

0,469

2.531,3

0,844

4.556,3

1,125

6.075,0

60 x 90

5.400

2,00

0,250

1.350,0

0,625

3.375,0

1,125

6.075,0

1,500

8.100,0

60 x 90

5.400

2,50

0,313

1.687,5

0,781

4.218,8

1,406

7.593,8

1,875

10.125,0

60 x 90

5.400

3,00

0,375

2.025,0

0,938

5.062,5

1,688

9.112,5

2,250

12.150,0

60 x 90

5.400

3,50

0,438

2.362,5

1,094

5.906,3

1,969

10.631,3

2,625

14.175,0

60 x 90

5.400

4,00

0,500

2.700,0

1,250

6.750,0

2,250

12.150,0

3,000

16.200,0

60 x 90

5.400

4,50

0,563

3.037,5

1,406

7.593,8

2,531

13.668,8

3,375

18.225,0

60 x 90

5.400

5,00

0,625

3.375,0

1,563

8.437,5

2,813

15.187,5

3,750

20.250,0

60 x 90

5.400

5,50

0,688

3.712,5

1,719

9.281,3

3,094

16.706,3

4,125

22.275,0

60 x 90

5.400

6,00

0,750

4.050,0

1,875

10.125,0

3,375

18.225,0

4,500

24.300,0

60 x 90

5.400

6,50

0,813

4.387,5

2,031

10.968,8

3,656

19.743,8

4,875

26.325,0

60 x 90

5.400

7,00

0,875

4.725,0

2,188

11.812,5

3,938

21.262,5

5,250

28.350,0

Sección cm x cm

Area cm2

Pendiente (%)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

60 x 100

6.000

0,50

0,063

375,0

0,156

937,5

0,281

1.687,5

0,375

2.250,0

60 x 100

6.000

1,00

0,125

750,0

0,313

1.875,0

0,563

3.375,0

0,750

4.500,0

60 x 100

6.000

1,50

0,188

1.125,0

0,469

2.812,5

0,844

5.062,5

1,125

6.750,0

60 x 100

6.000

2,00

0,250

1.500,0

0,625

3.750,0

1,125

6.750,0

1,500

9.000,0

60 x 100

6.000

2,50

0,313

1.875,0

0,781

4.687,5

1,406

8.437,5

1,875

11.250,0

60 x 100

6.000

3,00

0,375

2.250,0

0,938

5.625,0

1,688

10.125,0

2,250

13.500,0

60 x 100

6.000

3,50

0,438

2.625,0

1,094

6.562,5

1,969

11.812,5

2,625

15.750,0

60 x 100

6.000

4,00

0,500

3.000,0

1,250

7.500,0

2,250

13.500,0

3,000

18.000,0

60 x 100

6.000

4,50

0,563

3.375,0

1,406

8.437,5

2,531

15.187,5

3,375

20.250,0

60 x 100

6.000

5,00

0,625

3.750,0

1,563

9.375,0

2,813

16.875,0

3,750

22.500,0

60 x 100

6.000

5,50

0,688

4.125,0

1,719

10.312,5

3,094

18.562,5

4,125

24.750,0

60 x 100

6.000

6,00

0,750

4.500,0

1,875

11.250,0

3,375

20.250,0

4,500

27.000,0

60 x 100

6.000

6,50

0,813

4.875,0

2,031

12.187,5

3,656

21.937,5

4,875

29.250,0

60 x 100

6.000

7,00

0,875

5.250,0

2,188

13.125,0

3,938

23.625,0

5,250

31.500,0

Caudal (cm3/s)


193

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)


Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)


Caudal (cm3/s)


Sección cm x cm

Area cm2

Pendiente (%)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

70 x 70

4.900

0,50

0,063

306,3

0,156

70 x 70

4.900

1,00

0,125

612,5

0,313

70 x 70

4.900

1,50

0,188

918,8

0,469

70 x 70

4.900

2,00

0,250

1.225,0

70 x 70

4.900

2,50

0,313

1.531,3

70 x 70

4.900

3,00

0,375

70 x 70

4.900

3,50

0,438

70 x 70

4.900

4,00

70 x 70

4.900

4,50

70 x 70

4.900

70 x 70

4.900

70 x 70


Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

765,6

0,281

1.378,1

0,375

1.837,5

1.531,3

0,563

2.756,3

0,750

3.675,0

2.296,9

0,844

4.134,4

1,125

5.512,5

0,625

3.062,5

1,125

5.512,5

1,500

7.350,0

0,781

3.828,1

1,406

6.890,6

1,875

9.187,5

1.837,5

0,938

4.593,8

1,688

8.268,8

2,250

11.025,0

2.143,8

1,094

5.359,4

1,969

9.646,9

2,625

12.862,5

0,500

2.450,0

1,250

6.125,0

2,250

11.025,0

3,000

14.700,0

0,563

2.756,3

1,406

6.890,6

2,531

12.403,1

3,375

16.537,5

5,00

0,625

3.062,5

1,563

7.656,3

2,813

13.781,3

3,750

18.375,0

5,50

0,688

3.368,8

1,719

8.421,9

3,094

15.159,4

4,125

20.212,5

4.900

6,00

0,750

3.675,0

1,875

9.187,5

3,375

16.537,5

4,500

22.050,0

70 x 70

4.900

6,50

0,813

3.981,3

2,031

9.953,1

3,656

17.915,6

4,875

23.887,5

70 x 70

4.900

7,00

0,875

4.287,5

2,188

10.718,8

3,938

19.293,8

5,250

25.725,0

194

Caudal (cm3/s)


Caudal (cm3/s)


Sección cm x cm

Area cm2

Pendiente (%)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

70 x 80

5.600

0,50

0,063

350,0

0,156

70 x 80

5.600

1,00

0,125

700,0

0,313

70 x 80

5.600

1,50

0,188

1.050,0

0,469

70 x 80

5.600

2,00

0,250

1.400,0

0,625

70 x 80

5.600

2,50

0,313

1.750,0

70 x 80

5.600

3,00

0,375

2.100,0

70 x 80

5.600

3,50

0,438

70 x 80

5.600

4,00

0,500

70 x 80

5.600

4,50

70 x 80

5.600

70 x 80

5.600

70 x 80 70 x 80

Caudal (cm3/s)



Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

875,0

0,281

1.575,0

0,375

2.100,0

1.750,0

0,563

3.150,0

0,750

4.200,0

2.625,0

0,844

4.725,0

1,125

6.300,0

3.500,0

1,125

6.300,0

1,500

8.400,0

0,781

4.375,0

1,406

7.875,0

1,875

10.500,0

0,938

5.250,0

1,688

9.450,0

2,250

12.600,0

2.450,0

1,094

6.125,0

1,969

11.025,0

2,625

14.700,0

2.800,0

1,250

7.000,0

2,250

12.600,0

3,000

16.800,0

0,563

3.150,0

1,406

7.875,0

2,531

14.175,0

3,375

18.900,0

5,00

0,625

3.500,0

1,563

8.750,0

2,813

15.750,0

3,750

21.000,0

5,50

0,688

3.850,0

1,719

9.625,0

3,094

17.325,0

4,125

23.100,0

5.600

6,00

0,750

4.200,0

1,875

10.500,0

3,375

18.900,0

4,500

25.200,0

5.600

6,50

0,813

4.550,0

2,031

11.375,0

3,656

20.475,0

4,875

27.300,0

70 x 80

5.600

7,00

0,875

4.900,0

2,188

12.250,0

3,938

22.050,0

5,250

29.400,0

Sección cm x cm

Area cm2

Pendiente (%)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

70 x 90

6.300

0,50

0,063

393,8

0,156

984,4

0,281

1.771,9

0,375

2.362,5

70 x 90

6.300

1,00

0,125

787,5

0,313

1.968,8

0,563

3.543,8

0,750

4.725,0

70 x 90

6.300

1,50

0,188

1.181,3

0,469

2.953,1

0,844

5.315,6

1,125

7.087,5

70 x 90

6.300

2,00

0,250

1.575,0

0,625

3.937,5

1,125

7.087,5

1,500

9.450,0

70 x 90

6.300

2,50

0,313

1.968,8

0,781

4.921,9

1,406

8.859,4

1,875

11.812,5

70 x 90

6.300

3,00

0,375

2.362,5

0,938

5.906,3

1,688

10.631,3

2,250

14.175,0

70 x 90

6.300

3,50

0,438

2.756,3

1,094

6.890,6

1,969

12.403,1

2,625

16.537,5

70 x 90

6.300

4,00

0,500

3.150,0

1,250

7.875,0

2,250

14.175,0

3,000

18.900,0

70 x 90

6.300

4,50

0,563

3.543,8

1,406

8.859,4

2,531

15.946,9

3,375

21.262,5

70 x 90

6.300

5,00

0,625

3.937,5

1,563

9.843,8

2,813

17.718,8

3,750

23.625,0

70 x 90

6.300

5,50

0,688

4.331,3

1,719

10.828,1

3,094

19.490,6

4,125

25.987,5

70 x 90

6.300

6,00

0,750

4.725,0

1,875

11.812,5

3,375

21.262,5

4,500

28.350,0

70 x 90

6.300

6,50

0,813

5.118,8

2,031

12.796,9

3,656

23.034,4

4,875

30.712,5

70 x 90

6.300

7,00

0,875

5.512,5

2,188

13.781,3

3,938

24.806,3

5,250

33.075,0


195


Caudal (cm3/s)





Sección cm x cm

Area cm2

Pendiente (%)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

70 x 100

7.000

0,50

0,063

437,5

0,156

1.093,8

0,281

1.968,8

0,375

2.625,0

70 x 100

7.000

1,00

0,125

875,0

0,313

2.187,5

0,563

3.937,5

0,750

5.250,0

70 x 100

7.000

1,50

0,188

1.312,5

0,469

3.281,3

0,844

5.906,3

1,125

7.875,0

70 x 100

7.000

2,00

0,250

1.750,0

0,625

4.375,0

1,125

7.875,0

1,500

10.500,0

70 x 100

7.000

2,50

0,313

2.187,5

0,781

5.468,8

1,406

9.843,8

1,875

13.125,0

70 x 100

7.000

3,00

0,375

2.625,0

0,938

6.562,5

1,688

11.812,5

2,250

15.750,0

70 x 100

7.000

3,50

0,438

3.062,5

1,094

7.656,3

1,969

13.781,3

2,625

18.375,0

70 x 100

7.000

4,00

0,500

3.500,0

1,250

8.750,0

2,250

15.750,0

3,000

21.000,0

70 x 100

7.000

4,50

0,563

3.937,5

1,406

9.843,8

2,531

17.718,8

3,375

23.625,0

70 x 100

7.000

5,00

0,625

4.375,0

1,563

10.937,5

2,813

19.687,5

3,750

26.250,0

70 x 100

7.000

5,50

0,688

4.812,5

1,719

12.031,3

3,094

21.656,3

4,125

28.875,0

70 x 100

7.000

6,00

0,750

5.250,0

1,875

13.125,0

3,375

23.625,0

4,500

31.500,0

70 x 100

7.000

6,50

0,813

5.687,5

2,031

14.218,8

3,656

25.593,8

4,875

34.125,0

70 x 100

7.000

7,00

0,875

6.125,0

2,188

15.312,5

3,938

27.562,5

5,250

36.750,0

196

Caudal (cm3/s)




Sección cm x cm

Area cm2

Pendiente (%)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/ s)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

80 x 80

6.400

0,50

0,063

400,0

0,156

1.000,0

0,281

1.800,0

0,375

2.400,0

80 x 80

6.400

1,00

0,125

800,0

0,313

2.000,0

0,563

3.600,0

0,750

4.800,0

80 x 80

6.400

1,50

0,188

1.200,0

0,469

3.000,0

0,844

5.400,0

1,125

7.200,0

80 x 80

6.400

2,00

0,250

1.600,0

0,625

4.000,0

1,125

7.200,0

1,500

9.600,0

80 x 80

6.400

2,50

0,313

2.000,0

0,781

5.000,0

1,406

9.000,0

1,875

12.000,0

80 x 80

6.400

3,00

0,375

2.400,0

0,938

6.000,0

1,688

10.800,0

2,250

14.400,0

80 x 80

6.400

3,50

0,438

2.800,0

1,094

7.000,0

1,969

12.600,0

2,625

16.800,0

80 x 80

6.400

4,00

0,500

3.200,0

1,250

8.000,0

2,250

14.400,0

3,000

19.200,0

80 x 80

6.400

4,50

0,563

3.600,0

1,406

9.000,0

2,531

16.200,0

3,375

21.600,0

80 x 80

6.400

5,00

0,625

4.000,0

1,563

10.000,0

2,813

18.000,0

3,750

24.000,0

80 x 80

6.400

5,50

0,688

4.400,0

1,719

11.000,0

3,094

19.800,0

4,125

26.400,0

80 x 80

6.400

6,00

0,750

4.800,0

1,875

12.000,0

3,375

21.600,0

4,500

28.800,0

80 x 80

6.400

6,50

0,813

5.200,0

2,031

13.000,0

3,656

23.400,0

4,875

31.200,0

80 x 80

6.400

7,00

0,875

5.600,0

2,188

14.000,0

3,938

25.200,0

5,250

33.600,0

197

Caudal (cm3/s)

Sección

Area




Pendiente (%)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

450,0

0,156

1.125,0

0,281

2.025,0

0,375

2.700,0

Caudal (cm3/s)

cm x cm

cm2

80 x 90

7.200

0,50

0,063

80 x 90

7.200

1,00

0,125

900,0

0,313

2.250,0

0,563

4.050,0

0,750

5.400,0

80 x 90

7.200

1,50

0,188

1.350,0

0,469

3.375,0

0,844

6.075,0

1,125

8.100,0

80 x 90

7.200

2,00

0,250

1.800,0

0,625

4.500,0

1,125

8.100,0

1,500

10.800,0

80 x 90

7.200

2,50

0,313

2.250,0

0,781

5.625,0

1,406

10.125,0

1,875

13.500,0

80 x 90

7.200

3,00

0,375

2.700,0

0,938

6.750,0

1,688

12.150,0

2,250

16.200,0

80 x 90

7.200

3,50

0,438

3.150,0

1,094

7.875,0

1,969

14.175,0

2,625

18.900,0

80 x 90

7.200

4,00

0,500

3.600,0

1,250

9.000,0

2,250

16.200,0

3,000

21.600,0

80 x 90

7.200

4,50

0,563

4.050,0

1,406

10.125,0

2,531

18.225,0

3,375

24.300,0

80 x 90

7.200

5,00

0,625

4.500,0

1,563

11.250,0

2,813

20.250,0

3,750

27.000,0

80 x 90

7.200

5,50

0,688

4.950,0

1,719

12.375,0

3,094

22.275,0

4,125

29.700,0

80 x 90

7.200

6,00

0,750

5.400,0

1,875

13.500,0

3,375

24.300,0

4,500

32.400,0

80 x 90

7.200

6,50

0,813

5.850,0

2,031

14.625,0

3,656

26.325,0

4,875

35.100,0

80 x 90

7.200

7,00

0,875

6.300,0

2,188

15.750,0

3,938

28.350,0

5,250

37.800,0

Sección

Area




Pendiente (%)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

Velocidad (cm/s)

Caudal (cm3/s)

cm x cm

cm2

80 x 100

8.000

0,50

0,063

500,0

0,156

1.250,0

0,281

2.250,0

0,375

3.000,0

80 x 100

8.000

1,00

0,125

1.000,0

0,313

2.500,0

0,563

4.500,0

0,750

6.000,0

80 x 100

8.000

1,50

0,188

1.500,0

0,469

3.750,0

0,844

6.750,0

1,125

9.000,0

80 x 100

8.000

2,00

0,250

2.000,0

0,625

5.000,0

1,125

9.000,0

1,500

12.000,0

80 x 100

8.000

2,50

0,313

2.500,0

0,781

6.250,0

1,406

11.250,0

1,875

15.000,0

80 x 100

8.000

3,00

0,375

3.000,0

0,938

7.500,0

1,688

13.500,0

2,250

18.000,0

80 x 100

8.000

3,50

0,438

3.500,0

1,094

8.750,0

1,969

15.750,0

2,625

21.000,0

80 x 100

8.000

4,00

0,500

4.000,0

1,250

10.000,0

2,250

18.000,0

3,000

24.000,0

80 x 100

8.000

4,50

0,563

4.500,0

1,406

11.250,0

2,531

20.250,0

3,375

27.000,0

80 x 100

8.000

5,00

0,625

5.000,0

1,563

12.500,0

2,813

22.500,0

3,750

30.000,0

80 x 100

8.000

5,50

0,688

5.500,0

1,719

13.750,0

3,094

24.750,0

4,125

33.000,0

80 x 100

8.000

6,00

0,750

6.000,0

1,875

15.000,0

3,375

27.000,0

4,500

36.000,0

80 x 100

8.000

6,50

0,813

6.500,0

2,031

16.250,0

3,656

29.250,0

4,875

39.000,0

80 x 100

8.000

7,00

0,875

7.000,0

2,188

17.500,0

3,938

31.500,0

5,250

42.000,0

198

CAPÍTULO 9 SISTEMAS DE SUBDRENAJE CON GEODRÉN

9.1 GENERALIDADES El agua siendo un elemento fundamental para la existencia de la vida, es también la principal causa de los problemas en la Ingeniería Geotécnica y una de las causas más relevantes del deterioro prematuro de las obras civiles. Es por eso que es necesaria la construcción de obras de drenaje adecuadas para cada caso. Un correcto manejo de los fluidos debe involucrar procesos de captación, conducción y evacuación, los cuales son de igual importancia. Cuanto más rápido se capte el agua en las obras civiles, se garantiza una mayor durabilidad de éstas. Esto debido a que el exceso de agua en los suelos afecta sus propiedades geomecánicas, los mecanismos de transferencia de carga, incrementos de presiones de poros, subpresiones de flujo, presiones hidrostáticas y afecta la susceptibilidad a los cambios volumétricos. La utilización del geodrén PAVCO es una excelente alternativa para el manejo de los fluidos, porque permite captarlos y conducirlos de una manera rápida y eficiente, disminuyendo notablemente el tiempo de construcción de los subdrenes por su facilidad de instalación, dando como resultado una disminución de costos frente a otras alternativas convencionales; Al reemplazar la explotación y transporte de materiales pétreos no renovables, disminuyendo el fuerte impacto ambiental. Por tal motivo, los geodrenes representan una novedosa solución de Ingeniería en obras de infraestructura y en obras del sector predial.

9.2 INTRODUCCIÓN Este documento es una guía práctica para diseñar sistemas de drenaje, usando geodrén PAVCO. Lo que tradicionalmente en la ingeniería se ha llamado filtros, realmente es un sistema de drenaje o subdrenaje. Un sistema de drenaje eficiente y estable es necesario que esté compuesto por un medio filtrante y otro drenante. Para el caso de sistemas de drenaje con geodrén, la función de filtración (retener el suelo permitiendo el paso del agua) la desempeña el geotextil No Tejido punzonado por agujas. El medio drenante es el encargado de captar y conducir el

201

Capítulo 9 • SISTEM AS DE SUBDRENA JE CON GEODRÉN

agua que pasa a través del filtro, función realizada por un elemento sintético que se conoce con el nombre de geored. El geodrén planar PAVCO es un geocompuesto que combina dos geosintéticos (geotextiles y geored). Cuando se le coloca un tubo de drenaje para evacuar los fluidos captados se le denomina geodrén planar con tubería. (Ver Figura 9.1) Para lograr un buen diseño de un sistema de drenaje usando geodrén, se deben tener en cuenta los siguientes aspectos fundamentales: 1. Establecer el sitio o los sitios más convenientes en donde se requieran captar los fluidos. 2. Estimar el caudal crítico para un tramo de diseño, el cual es la sumatoria de los caudales de aporte que provienen del agua subterránea e infiltrada superficialmente. 3. Establecer el geotextil a usar en el sistema de filtración. El uso de los geotextiles ha venido desplazando los sistemas tradicionales de filtración, debido principalmente al aumento de la vida útil del sistema de drenaje, facilidad de instalación y reducción de los costos totales de la construcción. Adicionalmente los geotextiles son materiales de alta calidad que se fabrican siguiendo unos procesos normalizados, con el fin de lograr unas resistencias mecánicas y propiedades hidráulicas establecidas según normas internacionales. 4. Establecer el sistema de evacuación de los líquidos que capta el geodrén. Es necesario que este sistema sea un tubo especial para drenaje.

Geored

Geotextil No Tejido PAVCO

Tubería perforada de drenaje PAVCO

Figura 9.1 Diagrama de geodrén con tubería

9.3 METODOLOGÍA DE DISEÑO DE SISTEMAS DE DRENAJE CON GEODRÉN 9.3.1 Sitios en donde se requieren captar los fluidos Las líneas de subdrenaje o drenes deben correr de tal manera que intercepten el agua lo más perpendicularmente posible.

202

M ANUAL DE DISEÑO

4 63º 2

Figura 9.2 Dirección de la resultante de dos pendientes dadas Para el caso de subdrenes en vías en donde la pendiente longitudinal sea mayor que la pendiente de bombeo, es conveniente colocar subdrenes transversales. Esto debido a que el agua se moverá en dirección a la suma vectorial o resultante de las pendientes. Por ejemplo, un tramo con una pendiente longitudinal del 4% y una pendiente de bombeo del 2%, la resultante está a 63 grados con respecto a la horizontal, en esa dirección se moverá el agua. (Ver Figura 9.2). En tramos de diseño de subdrenes, en donde las pendientes longitudinales sean mayores a las pendientes de bombeo, es más eficiente colocar subdrenes transversales, para que intercepten el agua lo más perpendicularmente posible. Entre más cortas sean las líneas de flujo menor va ser el tiempo en que una estructura de pavimento permanezca saturada, razón por la cual se recomienda colocar geodrén planar en el contacto estructura de pavimento – subrasante. En este caso el gradiente hidráulico será igual a 1 y la máxima distancia que deberá recorrer el agua será el espesor de la estructura de pavimento, la línea superior de flujo por abatimiento del nivel freático no llegaría a la estructura de pavimento. Además el geodrén planar cumple la función de separar los materiales seleccionados de la estructura con el suelo de subrasante, impidiendo la contaminación. (Ver Figuras 9.3a y 9.3b). Pavimento

Subrasante

Nf

Drenaje planar con Geodrén Geodrén

Nd

Figura 9.3a Trayectoria de las líneas de flujo Pavimento

Subrasante

Nf

Geodrén con tubo

Nd

Figura 9.3b Trayectoria de las líneas de flujo

203


La profundidad del subdrén debe ser tal, que la línea superior de flujo generada por abatimiento del nivel freático no toque la estructura de pavimento. Para el caso de muros en suelo reforzado, gaviones, muros en concreto, presas, diques, sótanos, cimentaciones y zonas ajardinadas, es indispensable la colocación de sistemas de drenaje con el fin de mantener disipadas las presiones hidrostáticas y/o subpresiones de flujo. Para estos casos el geodrén planar presenta excelentes ventajas, principalmente por la gran área geométrica que se puede llegar a tener en contacto con los suelos y su gran capacidad de recibir grandes caudales. (Ver ejemplos de diseño). En el caso de rellenos sanitarios además de disipar subpresiones de flujo y subpresiones de gases, tiene la capacidad de drenar lixiviados ya que está compuesto por materiales sintéticos no biodegradables. (Ver Figura 9.4).

Desechos

Arena Geodrén Geomembrana Subsuelo Geotextil

Figura 9.4 Aplicación del geodrén en rellenos sanitarios 9.3.2 Estimación de caudal de diseño A continuación se presenta una metodología para estimar el caudal de diseño en el caso de sistemas de subdrenajes en vías. Los posibles caudales de aporte, que conforman el caudal final, los cuales pueden afectar la estructura de un pavimento son: • El caudal generado por la infiltración de agua lluvia. • El caudal generado por el abatimiento del nivel de agua subterránea. • El caudal generado por escorrentía superficial. Esta guía incluye la manera de estimar los dos primeros caudales, los cuales en la mayoría de los casos van a estar presentes en el diseño de los subdrenes para vías. Para el caudal generado por escorrentía como puede ser el caudal proveniente de taludes aledaños a la vía en caso de que no se puedan captar sus aguas se debe cuantificar el caudal de aporte para ser incluido en el diseño.

Caudal por infiltración El agua lluvia cae directamente en la carpeta del pavimento. Una parte de éste inevitablemente se infiltra en la estructura del pavimento debido a que las carpetas de pavimento, tanto rígidas como flexibles, no son impermeables. Por lo tanto el caudal de infiltración se calcula de la siguiente forma:

Qinf

= IR * B * L * Fi * FR

204

(9.1)

M ANUAL DE DISEÑO

Donde: IR

=

Precipitación máxima horaria de frecuencia anual, registrada en la zona del proyecto.

Dato que se puede extraer de las curvas anexas a éste documento, las cuales son las de

intensidad - duración - frecuencia para las diferentes zonas del territorio Colombiano.

Usualmente se toma el intervalo entre 60 y 120 minutos y se escoge la curva de 2 años.

B

Para subdrenes longitudinales, B es la semibanca de la vía (ancho de la vía/2).

=

Para el caso de subdrenes transversales, B es la distancia entre subdrenes.

L

=


Fi

=

Factor de infiltración. (Ver Tabla 9.1)

FR

=

Factor de retención de la base, refleja el hecho de que las bases, dada su permeabilidad,

entregan lentamente el agua al subdrén. (Ver Tabla 9.2)

Tabla 9.1 Valores recomendados para Fi Tipo De Carpeta

Fi

Carpetas asfálticas muy bien conservadas

0,30

Carpetas asfálticas normalmente conservadas

0,40

Carpetas asfálticas pobremente conservadas

0,50

Carpetas de concreto de cemento Portland

0,67

Tabla 9.2 Valores recomendados para FR Tipo De Base

FR

Basas bien gradadas, en servicio 5 años o más

1/4

Bases bien gradadas, en servicio menos de 5 años

1/3

Bases de gradación abierta, en servicio 5 años o más

1/3

Bases de gradación abierta, en servicio menos de 5 años

1/2

Caudal por abatimiento del nivel freático En sitios donde el nivel freático o el agua proveniente a presión alcancen una altura tal, que supere el nivel de subrasante afectando a la estructura del pavimento, es necesario abatir este nivel de manera que no genere inconvenientes por excesos de agua. El cálculo de este caudal se basa en los siguientes parámetros:

QNF

= k * i * A a

i

= (Nd – Nf) / B

Aa

= (Nd – Nf) * L

Donde: k

=

Es el coeficiente de permeabilidad del suelo adyacente.

i

=

Es el gradiente hidráulico.

205

(9.2)


Nd

=

Cota inferior del subdrén. (Ver Figura 9.3a)

Nf

=

Cota superior del nivel freático. (Ver Figura 9.3a)

Aa

=

Es el área efectiva para el caso de abatimiento del nivel freático.

B

=

Para subdrenes longitudinales, B es la semibanca de la vía. Para el caso de subdrenes

transversales, B es la distancia entre subdrenes.

L


=

Nota: El caudal por abatimiento del nivel freático en la mayoría de los casos se presenta a los dos lados de la sección transversal del subdrén, el caudal de diseño (QNF) debe ser duplicado.

Caudal por escorrentía superficial Este caudal puede ser controlado con métodos de captación tales como cunetas, contracunetas y alcantarillas, de manera tal, que se minimice la entrada de agua a la estructura del pavimento. En tramos donde se considere el caudal de agua infiltrada proveniente de escorrentía como un caudal de aporte, se debe estimar teniendo en cuenta los métodos hidrológicos y ser considerado en el diseño.

Caudal total de diseño Una vez estimados los caudales de aporte al sistema se obtiene el caudal de diseño:

QT

= Qinf + QNF

(9.3)

Para el caso de estimar el caudal en estructuras de contención, se recomienda el uso de las redes de flujo, como se ilustra en el ejemplo de diseño de drenaje de muros de contención.

9.3.3 Evaluación del geotextil a usar en el geodrén El filtro evita una excesiva migración de partículas de suelo y simultáneamente permite el paso del agua, lo anterior implica que el geotextil debe tener una abertura aparente máxima adecuada para retener el suelo, cumpliendo simultáneamente con un valor mínimo admisible de permeabilidad que permita el paso del flujo de una manera eficiente a la geored. Para la selección del geotextil no sólo hay que tener en cuenta lo anterior, sino además, la resistencia a la colmatación y durabilidad, los anteriores criterios se explican a continuación:

Criterio de Retención (TAA) Este criterio asegura que las aberturas sean lo suficientemente pequeñas para evitar la migración del suelo hacia el medio drenante o hacia donde se dirige el flujo. De acuerdo con lo establecido en “Geotextiles Engineering Manual” de la Federal Highway Administration (FHWA) y basados en los criterios de retención de Christopher y Holtz (1989), Carroll (1983), un geotextil debe cumplir con la siguiente condición:

TAA

< D85 x B


206

(9.4)

M ANUAL DE DISEÑO

Donde: TAA

=





D85

=



B


=


• Para arenas, arenas gravosas, arenas limosas y arenas arcillosas (con menos del 50% pasa tamiz #200), B es función del coeficiente de uniformidad Cu, donde Cu = D60/D10, de la siguiente manera: 2 < Cu ≤ 8

⇒

B=1

2 < Cu ≤ 4

⇒

B = 0.5 x Cu

4 < Cu ≤ 8

⇒

B = 8/ Cu

• Para suelos arenosos mal gradados: B entre 1.5 y 2 • Para suelos finos (más del 50% pasa tamiz #200) B es función del tipo de geotextil. Para Tejidos:

B = 1

⇒

TAA ≤ D85

Para No Tejidos:

B = 1.8

⇒

TAA ≤ 1.8 * D85

• Según Christopher y Holtz, para suelos cohesivos con un índice de plasticidad mayor a 7, el valor del Tamaño de Abertura Aparente debe ser de: TAA

< 0.30 mm

Criterio de Permeabilidad Debe permitir un adecuado flujo del agua a través del geotextil considerado su habilidad para esto. El coeficiente de permeabilidad es la propiedad hidráulica por medio de la cual, el geotextil permite un adecuado paso de flujo perpendicular al plano del mismo; para revisar la permeabilidad del geotextil se debe tener en cuenta lo siguiente: • Para condiciones de flujo estable o flujo laminar y suelos no dispersivos, con porcentajes de finos no mayores al 50%, y de acuerdo con el criterio de Schober y Teindl (1979); Water (1980); Carroll (1983); Christopher y Holtz (1985) y otros:

kg

> ks

(9.5)

Donde: kg

=


ks

=

Permeabilidad del suelo

• Para condiciones de flujo crítico, altos gradientes hidráulicos y buscando un correcto desempeño a largo plazo reduciendo los riesgos de colmatación se recomienda usar el criterio de Carroll (1983); Chistopher y Holtz (1985): 207


kg

> 10 * ks

(9.6)

En estas condiciones también se recomienda colocar una capa de arena media a gruesa.

Criterio de Colmatación En aplicaciones críticas o en proyectos que involucren suelos muy finos se recomienda realizar ensayos de colmatación con los suelos del sitio, la norma que describe este ensayo es la ASTM 5101 – 90 la cual se menciona en el Capítulo 2 del presente manual. Este criterio considera que existe la posibilidad de taparse algunos de sus vacíos debido a incrustación de partículas de suelo, con una incidencia en la reducción de la permeabilidad, por lo tanto el geotextil debe tener un porcentaje mínimo de espacios vacíos o una alta porosidad. Los geotextiles con una mayor resistencia a la colmatación, son los geotextiles No Tejidos punzonados por agujas, en los cuales el riesgo a que se taponen gran parte de sus orificios es muy bajo debido al espesor que poseen y a los altos valores de porosidad que presentan. Los geotextiles No Tejidos unidos por temperaturas o calandrados, son mucho más delgados y rígidos, razón por la cual se parecen en su comportamiento a los geotextiles tejidos, Leuttich (1993). Los geotextiles tejidos tienen baja porosidad y el riesgo de colmatación muy alto, con la consecuencia de una pérdida súbita en la permeabilidad. Razón por la cual no se recomienda usar como filtros en sistemas de drenaje. De acuerdo con el criterio de Chistopher y Holtz, 1985; R. Koemer, 1990, los geotextiles usados como medios filtrantes deben tener una porosidad: > 50%

Criterio de Durabilidad Este criterio se basa en la resistencia que debe tener un geotextil en el tiempo, bien sea por ataque químico, biológico o por intemperismo. Los geotextiles por ser un material fabricado de polipropileno, no son biodegradables, son altamente resistentes al ataque químico como por ejemplo en el manejo de lixiviados. No se recomienda el uso de los geotextiles como sistemas de drenaje en sitios donde vayan a quedar expuestos a los rayos ultravioleta por un tiempo prolongado. Donde por razones de instalación y funcionamiento los geotextiles estén expuestos al ataque de los rayos ultravioleta, estos deberán estar fabricados por compuestos, que les proporcionen una alta resistencia a la degradación UV.

9.3.4 Cálculo hidráulico para la escogencia del geodrén Evaluación según la permitividad del sistema En el caso en donde el geodrén sea usado como sistema de subdrenaje en espaldones de estructuras de contención o como sistemas de subdranaje en vías, donde se involucren suelos de alta permeabilidad o en general cuando se use este geocompuesto como medio filtrante para grandes caudales, se debe revisar la cantidad de flujo volumétrico que puede pasar por unidad de área (tasa de flujo), en el plano normal al geodrén, frente a la cantidad de flujo volumétrico a evacuar por metro lineal. Para lo cual se realiza el siguiente procedimiento:

ψ

= k / t

Donde: ψ

=

Permitividad. (s-1)

208

(9.7)

M ANUAL DE DISEÑO

k

=

Permeabilidad del geocompuesto. (m/s)

t

=

Espesor del geotextil de una cara del geocompuesto. (m)

1. Teniendo el caudal que se requiere pasar por el filtro, el cual es el caudal calculado por metro lineal de subdrén, se calcula la permitividad requerida del geotextil, haciendo uso de la ecuación de D´arcy.

Q

=k*i*A

Q

= k * ∆h/t * A

ψreq

= Q / (∆h * H * L)

(9.8)

Donde: ψreq

=

Permitividad requerida del geotextil, k/t.

Q

=

Caudal total a evacuar calculado.

∆h

=

Cabeza hidráulica, que es igual a la altura del geodrén.

A

=

Área conformada por la cara perpendicular a la entrada del caudal.

H

=

Altura del geodrén.

L

=

Longitud del tramo de drenaje en consideración.

2. Calcule la permitividad admisible, la cual se obtiene de la permitividad entregada por el fabricante (Norma ASTM D4491- INV E-905), dividida por unos factores de reducción (Ver Tabla 3.3).

ψadm

= ψult / (FRSCB* FRCR* FRIN* FRCC* FRBC)

(9.9)

Donde:

3.

ψadm

=

Permitividad admisible.

ψult

=

Permitividad última, entregada por el fabricante.

FRSCB

=

Factor de reducción por colmatación y taponamiento.

FRCR

=


FRIN

=


FRCC

=


FRBC

=


Calcule el factor de seguridad global:

FSg FSg

=

Permitividad Admisible Permitividad Requerida

> 1.0

Evaluación de la conducción del agua en el plano del geodrén Una vez se ha verificado que el geotextil permite la entrada del caudal total al sistema, se debe revisar la capacidad del geodrén para transportar una cantidad de flujo volumétrico en su plano, conduciéndolo de esta manera a un

209


sistema de evacuación. Esta capacidad del geodrén se conoce como tasa de flujo; para entender este concepto analizaremos dicho valor haciendo uso de la ecuación de D´arcy.

Qt

=k*i*A

Qt

= k * i * (W * t)

Qt

= (k * t) * i * W

Qt / W = (k * t) * i qw

= θ * i

(9.10)

Donde: qw

=

Tasa de flujo. (m3 /s-m)

θ

=

Transmisividad requerida. (m2/s)

i

=

Gradiente hidráulico.

Qt

=

Caudal total estimado.

W

=

Ancho del geocompuesto. (Longitud del sistema de drenaje).

Se puede observar que las unidades para la tasa de flujo y la transmisividad aunque su nomenclatura sea diferente para poder diferenciarlas, estas son iguales, sin embargo, los valores de la tasa de flujo y la transmisividad serán las mismas para i = 1.0, valor que adquiere el geodrén cuando este es colocado de forma vertical, como por ejemplo en el espaldón de un muro de contención o en el costado de una vía. Debido a que no siempre se cumplen las condiciones de flujo laminar y condición saturada en el sistema, se recomienda trabajar con la tasa de flujo. Calculada la tasa de flujo requerida por el sistema, se determina la tasa de flujo última, la cual se obtiene con base en los datos suministrados por el fabricante y calculada por medio de la Norma ASTM D4716 – 03 referenciada en el capítulo 2. La tasa de flujo última es variable y cambia para las condiciones de cada proyecto. Los factores que modifican la capacidad de transmitir un fluido a través de su plano en el caso de los geocompuestos son los siguientes:

Esfuerzo Normal Sobre El Geodrén Se debe establecer el esfuerzo normal máximo al que el geocompuesto será sometido, debido a que la presión de tierras o las cargas aplicadas sobre el sistema en casos críticos pueden reducir la capacidad de transmisión del fluido como consecuencia del cambio de espesor del geodrén.

σn

= γ * h * Ka

(9.11)

Donde: σn

=

Esfuerzo normal máximo. (KPa)

γ

=

Peso específico del suelo en el cual se va instalar el geocompuesto. (KN/m3)

h

=

Altura a la cual el esfuerzo normal es máximo. (m)

K a

=

Coeficiente lateral de presiones.*

* En aplicaciones en las cuales el geodrén se encuentre instalado en posición vertical se tendrá en cuenta este factor debido a que los esfuerzos laterales son menores a los esfuerzos verticales, generados por el suelo y las cargas aplicadas.

210

M ANUAL DE DISEÑO

Gradiente Hidráulico Debido a que la tasa de flujo del sistema es proporcional al gradiente hidráulico, la pendiente o inclinación que tenga el geodrén afectará directamente la cantidad de fluido que este pueda transmitir. En aplicaciones para sistemas de subdrenaje en espaldones de muros o en vías el valor de gradiente es 1.0, debido a que el geodrén esta ubicado de forma vertical por lo que los fluidos tendrán una mayor facilidad para ser transmitidos en el geocompuesto. En los casos donde el geodrén sea instalado de forma horizontal o con muy poca pendiente, como por ejemplo, en casos donde se necesite abatir el nivel freático de una estructura de pavimento, o en rellenos sanitarios, se maneja un gradiente aproximado de 0.1. Condición en la cual la transmisión de flujo es menor debido a la pérdida de cabeza hidráulica por unidad de distancia que es mayor en comparación a la pérdida de cabeza hidráulica del geodrén instalado de forma vertical. Este valor es recomendado y debe ser calculado para cada proyecto. A continuación se presentan las gráficas para la estimación de la tasa de flujo en función del gradiente hidráulico y el esfuerzo normal al que esta sometido el geodrén.

Figura 9.5 Tasa de flujo en función del esfuerzo normal y el gradiente hidráulico Geodrén 1600/1600/4mm

211


Figura 9.6 Tasa de flujo en función del esfuerzo normal y el gradiente hidráulico Geodrén 3000/3000/5mm Una vez se obtiene el valor de la tasa de flujo última, suministrada en las Figuras 9.5 y 9.6 se calcula el valor admisible teniendo en cuenta los factores de reducción, los cuales varían según las condiciones del proyecto. Los rangos de estos factores se mencionan en la Tabla 3.4 del presente manual.

qw adm

= qw ult / (FRIN* FRCR* FRCC* FRBC)

Donde: qw adm

=

Tasa de flujo admisible. (m3 /s-m)

qw ult

=

Tasa de flujo última. (Ver Figuras 9.5 – 9.6)

FRIN

=


FRCR

=


FRCC

=


FRBC

=


Finalmente para la verificación del geodrén propuesto se verifica el factor de seguridad global: FSg

Tasa De Flujo Admisible = Tasa De Flujo Requerida

FSg

> 1.0

212

(9.12)

M ANUAL DE DISEÑO

9.3.5 Sistema de evacuación de líquidos captados por el geodrén Una vez los fluidos son captados se deben evacuar. Para establecer el tipo y diámetro de tubería se deben revisar lo siguiente: Que el tubo tenga la capacidad de conducir la totalidad del caudal de diseño. Para estimar el caudal máximo que puede transportar el tubo se estableció un nomograma con base en la ecuación de Prandtl Colebrook, Figura 9.7. En donde conociendo la pendiente y el caudal de diseño se puede establecer el diámetro de la tubería a usar. En el Anexo 2 de este capítulo se encuentran diferentes longitudes de descarga para cada uno de los geodrenes que se pueden emplear en las obras con base en unos datos promedio establecidos inicialmente.

Figura 9.7 Nomograma para el cálculo del diámetro de tubería a usar 9.3.6 Aplicación en campos deportivos Se entiende por sistemas de subdrenaje todo el conjunto de subsistemas y elementos técnicamente interrelacionados que permiten captar, conducir y evacuar un caudal previamente estimado en corto tiempo. Una excelente alternativa para cumplir con estas funciones y que además disminuye el tiempo de construcción debido a la facilidad de instalación, es el geodrén PAVCO, como ya se analizó en la sección anterior. El sistema de subdrenaje en campos deportivos es de vital importancia debido a que el manejo adecuado del agua es parte del funcionamiento óptimo de estas zonas, permitiendo el desarrollo de la actividad deportiva. Adicionalmente el correcto manejo del agua de exceso, permite el desarrollo de la capa vegetal, proporcionando la aireación necesaria para la respiración de las plantas, de tal manera que se evita condiciones anaeróbicas con la consecuente muerte de la vegetación. El caudal de agua de excesos que se debe manejar en los campos deportivos, con un sistema de subdrenaje, es el aportado por precipitaciones directas en estas zonas, más el caudal generado por ascenso del nivel freático; cuando este último se presenta.

213


Para realizar un correcto diseño y lograr una evacuación rápida del agua presente en las áreas de actividad deportiva se debe tener en cuenta la siguiente metodología:

1. Estimación del caudal de diseño A continuación se presenta una metodología para estimar el caudal de diseño en el caso de sistemas de subdrenaje en campos deportivos. Caudal por infiltración El agua lluvia cae directamente sobre la grama del campo deportivo. Gran parte de ésta se infiltra debido a la permeabilidad del suelo. Para calcular el caudal por infiltración aportado al sistema de subdrenaje se utiliza la siguiente ecuación:

Qinf

= IR * A * Fi

(9.13)

Donde: IR

=

Precipitación máxima horaria de frecuencia anual, registrada en el sitio más cercano al proyecto. Dato que se puede extraer de las curvas anexas a éste documento, las cuales

son las de intensidad - duración - frecuencia para las diferentes zonas del territorio

Colombiano. Usualmente se toma el intervalo entre 60 y 120 minutos se escoge la curva

de 2 años.

A

=

Área del campo deportivo en consideración.

Fi

=

Factor de filtración que se considera el efecto de pérdida de agua por efecto de evaporación

y saturación del suelo. (Se sugiere usar de 0.7 a 0.8).

Caudal por abatimiento del Nivel Freático Para el cálculo del caudal por abatimiento del nivel freático se puede emplear la metodología expuesta en el numeral 9.3.2. Caudal total de diseño Una vez estimados los caudales de aporte al sistema se obtiene el caudal total de diseño:

QT

= Qinf + QNF

(9.14)

2. Permeabilidad de la capa orgánica, incluyendo la capa vegetal Es importante tener una permeabilidad adecuada en la capa orgánica para entregar en el menor tiempo posible, el caudal de agua lluvia, que cae directamente en el campo deportivo al sistema de captación. Como el suelo de la capa orgánica es un suelo conformado por partículas finas, con una permeabilidad muy baja, se recomienda mezclar este material con un porcentaje de arena media a gruesa y de esta manera incrementar su permeabilidad. La mezcla obtenida debe conservar una adecuada proporción de nutrientes necesarios para el desarrollo de la capa vegetal. Se recomienda que el material que conforma la capa orgánica tenga una permeabilidad superior a 1x10 –3cm/s, para lo cual se debe hacer ensayos de permeabilidad con los materiales del sitio y establecer el porcentaje de arena a usar para cumplir esta condición, normalmente este porcentaje de arena es superior al 50%. 214

M ANUAL DE DISEÑO

Si no es posible garantizar una adecuada permeabilidad del conjunto, capa orgánica y grama es recomendable colocar unos pequeños sumideros. Grama Material Orgánico y Arena A

A’

Corte A-A´ Rollos de geotextil No Tejido de 2” de diámetro.

Figura 9.8 Sumideros para incremento de velocidad de respuesta del sistema de drenaje Estos sumideros son elementos de drenaje vertical que pueden ser cortinas de geotextil con capacidad de drenaje en su plano o sifones de geotextil o de arena (Ver Figura 9.8). Estos elementos de drenaje vertical se deben colocar mínimo uno por metro cuadrado.

3. Método de captación de agua Una vez el agua se ha infiltrado a través de la capa orgánica ésta se debe captar para ser llevada a los sistemas de subdrenaje. La captación del agua se puede hacer de las siguientes maneras: La primera es considerar el diseño de un colchón drenante. La segunda es considerar el diseño de subdrenes de captación en forma de espina de pescado o subdrenes transversales. La tercera y más eficiente es contemplar la implementación de las dos alternativas anteriores como un sistema más eficiente. Colchón drenante con material granular y geotextil El colchón drenante está constituido por un espesor de material granular, que debe cubrir toda la superficie y debe protegerse con un geotextil adecuado que cumpla la función de filtración de manera que pase el agua y retenga los suelos finos de la capa vegetal así se evitará la contaminación del colchón drenante. Para la solución del geotextil adecuado, para esta función, remitirse a la selección de geotextil de drenaje en el capítulo 8. Para diseñar el espesor necesario del colchón drenante se debe tener en cuenta lo siguiente: QC.O.

= QC.D.

QC.O.

= kC.O. * i * AC.O.

QC.D.

= kC.D. * i * AC.D.

215


Donde: QC.O.

=

Caudal que pasa a través de la capa orgánica.

kC.O.

=

Permeabilidad de la capa orgánica.

i

=

Gradiente hidráulico.

AC.O.

=

Área de la sección transversal de la capa orgánica por metro lineal.

QC.D.

=

Caudal que pasa a través del colchón drenante.

kC.D.

=

Permeabilidad del colchón drenante.

AC.D.

=

Área de la sección transversal del colchón drenante por metro lineal.

Reemplazando las ecuaciones anteriores se tiene:

QC.O.

= QC.D.

QC.O. = kC.D. * i * AC.D. QC.O.

= kC.D. * i * 1.0 * eC.D.

eC.D.

= QC.O. / (kC.D. * i * 1.0)

(9.15)

Donde: eC.D.

=

Espesor del colchón drenante.

Adicionalmente se debe cumplir que el espesor del colchón drenante no debe ser menor a 10 cm. Colchón drenante con geodrén planar Otra alternativa para el colchón drenante es el uso del geodrén planar, el cual presenta fuertes ventajas tales como: • Facilidad de instalación. • Gran capacidad de drenaje a pendientes muy bajas. • Espesor muy pequeño. (Aprox. 1 cm.) El geodrén reemplaza el colchón drenante que normalmente se construye, con geotextil y material granular con un espesor de 20 o 30 cm. El diseño y selección de este tipo de sistemas, se basa en la metodología de diseño de sistemas de drenaje, numerales 9.3.3 a 9.3.5 en los cuales se evalúan las propiedades del geotextil como medio filtrante y al geocompuesto como medio drenante, verificando su permitividad y su capacidad de conducción en el plano del mismo con pendientes mínimas. Colectores principales y colectores secundarios Los colectores secundarios son los encargados de transportar el agua hasta el o los colectores principales. Estos colectores pueden ser subdrenes de tipo francés (Ver Capítulo 8) o subdrenes compuestos por geodrén con tubo. Las configuraciones geométricas más usuales se ilustran en la Figura 9.9.

216

M ANUAL DE DISEÑO

Figura 9.9 Configuraciones Geométricas en Sistemas de Subdrenaje Para la escogencia del geocompuesto que cumpla con las características hidráulicas y mecánicas que resulten de los diseños y la tasa de flujo que se presenta en el sitio, se debe seguir la metodología descrita en los numerales 9.3.3 a 9.3.5 de este manual. Para el diseño de los colectores secundarios y el colchón drenante se utilizan áreas aferentes para determinar la cantidad de flujo que aporta cada sector al geodrén, en caso de que el factor de seguridad global no cumpla para el sistema, se recomienda aumentar el número de colectores secundarios con el fin de reducir su área aferente, para que estos estén en la capacidad de transmitir el fluido al colector primario. El ejemplo 9.4.3 presenta los pasos a seguir para el diseño de un sistema de drenaje para campos deportivos, utilizando geodrén planar como colchón drenante y geodrén con tubería como colectores primarios y secundarios.

9.4 EJEMPLOS DE DISEÑO 9.4.1 Drenaje de muro de contención Se va a construir un muro en suelo reforzado para estabilizar una ladera, el muro va a tener 7 m de alto y 30 metros de largo. El material de la ladera es una arena limosa (SM), con un peso específico de 18.KN/m3 y una permeabilidad ks de 1.6 x 10 -5 m/s, de acuerdo con la curva granulométrica presenta un D85 de 0.25 mm. Diseñar y evaluar el sistema de drenaje utilizando inicialmente geotextil y verificar si es adecuado para el proyecto. Luego realice el mismo diseño empleando geodrén PAVCO con red de 5mm.

Solución: 1. Cálculo del caudal total de diseño Número de canales de flujo nc= 4 Número de equipotenciales nf= 5

QT

= k * h * nc / nf * L

QT

= 1.6 x 10 m/s * 7.0 m * (4/5) * 30.0 m

Q T

= 2.688 x 10-3 m3/s

-5

217

(9.16)


Geotextil o Geodrén con tubería

Figura 9.10 Muro de contención en suelo reforzado 2. Escogencia del tipo de geotextil a usar como material drenante Para escoger el geotextil más adecuado para esta aplicación se realiza un chequeo con base en los criterios de dicha aplicación y los datos del enunciado.

• Criterio de retención (TAA) TAA

< B * D85

B

= 1.8; Para geotextiles No Tejidos.

TAA

≤ 1.8 * 0.25 mm

TAA

< 0.45 mm

• Criterio de permeabilidad Como es un suelo con alto contenido de finos, se debe cumplir:

kg

> 10 * ks

ks

= 1.6 x 10 -5 m/s

kg

> 1.6 x 10 -4 m/s

• Criterio de colmatación La porosidad de los geotextiles No Tejidos punzonados por agujas son superiores al 80%, por lo tanto todos los geotextiles No Tejidos punzonados por agujas cumplen con este criterio. Los geotextiles Tejidos y los No Tejidos termounidos o calandrados no cumplen con este criterio.

• Criterio de supervivencia Cuando se presentan condiciones severas de instalación con esfuerzos de contacto altos. Se evalúan todas las características mecánicas que tienen los posibles geotextiles a usar frente las especificaciones según el artículo 673 del INVIAS o en su defecto la norma AASHTO M288-05.

218

M ANUAL DE DISEÑO

Tabla 9.3 Especificaciones generales de construcción de carreteras Artículo 673 INVIAS – AASHTO M288-05 Propiedad





Norma de Ensayo

INV E-901

INV E-901

INV E-913

INV E-903

Valor Mínimo Promedio por Rollo

700 N

630 N

1375 N

250 N

Con base en los criterios anteriores y comparando las especificaciones de los geotextiles (Ver Apéndice B), los geotextiles que cumplen estos criterios son: NT2500, NT3000, NT4000, NT5000, NT6000, NT7000. Se selecciona el geotextil NT2500 por ser el técnica y económicamente más conveniente.

3.

Cálculo hidráulico para la escogencia del geotextil

El caudal por unidad de longitud ó tasa de flujo que se requiere evacuar es: QT

= 2.688 x 10 -3 m3 /s

qw req

= QT / L

qw req

= 2.688 x 10 -3 m3 /s / 30.0 m

qw req

= 8.96 x 10 -5 m3 /s-m

Cálculo de la tasa de flujo última del geotextil Q

=k*i*A

Q

=k*i*t*W

Q/W

= i * (k * t)

qw ult

= i * (k * t)

Donde: qw ult

=

Q / W. Tasa de flujo última del geotextil

i

=

Gradiente hidráulico

k

=


t

=

Espesor del geotextil

Reemplazando los valores se obtiene la tasa de flujo última para el geotextil NT2500 es: qw ult

= 1.0 * (3.6 x 10 -3 m/s * 1.8 x 10 -3 m)

qw ult

= 6.48 x 10 -6 m3 /s-m

Una vez obtenida la tasa de flujo última para el geotextil, se calcula la tasa de flujo admisible, teniendo en cuenta los factores de reducción para drenaje por gravedad que aparecen en la Tabla 3.3. qw adm

= qw ult / (FRSCB * FRCR * FRIN * FRCC * FRBC)

219


qw adm

= 6.48 x 10 -6 m3 /s-m / (2.0 * 2.0 * 1.2 * 1.2 * 1.2)

qw adm

= 9.375 x 10 -7 m3 /s-m

Finalmente se compara la tasa de flujo admisible con la requerida para determinar el factor de seguridad global: FSg

= qw adm / qw req

FSg

= 9.375 x 10 -7 m3 /s-m / 8.96 x 10 -5 m3 /s-m

FSg

= 0.010 << 1.0

Por lo que no es viable usar un geotextil No Tejido como medio “drenante” en el sistema debido a su la magnitud de caudal a conducir en su plano. Es por esto que se hace necesario en este tipo de proyectos la colocación de un sistema de subdrenaje compuesto por grava y geotextil No Tejido ó estudiar la opción de colocar un geodrén planar como medio de captación que pueda captar y conducir caudales considerables como los que se presentan en este tipo de proyectos.

4. Evaluación del geotextil a usar en el geodrén Debido a que en la selección del geotextil como material drenante ya se revisaron los criterios para la escogencia, se sabe que el geotextil NT3000 con el cual se fabrica el geodrén 3000/3000/5mm cumple con todos los criterios de selección y es apropiado para este diseño en particular.

5. Cálculo hidráulico para la escogencia del geodrén • Evaluación según la permitividad del sistema Cálculo de la permitividad requerida por el geotextil del geodrén como medio filtrante. Q

=k*i*A

Q

= k * ∆h / t * A

k/t

= Q / (∆h * H * L)

ψreq

= Q / (∆h * H * L)

ψreq

= 2.688 x 10 -3 m3 /s / (7.0 m * 7.0 m * 30.0 m)

ψreq

= 1.83 x 10 -6 s-1


= 1.8 s-1

(Ver Apéndice B. Especificaciones De Productos)

Con base a la permitividad última del geodrén, se calcula la permitividad admisible, teniendo en cuenta los factores de reducción para filtros en el espaldón de muros de contención que aparecen en la Tabla 3.3. ψadm


ψadm

= 1.8 s-1 / (2.0 * 1.5 * 1.1 * 1.0 * 1.0)

ψadm

= 0.55 s-1


= ψ adm / ψ req

220

M ANUAL DE DISEÑO

FSg

= 0.55 s-1 / 1.83 x 10 -6 s-1

FSg

>> 1.0

Por lo que el geotextil NT3000 es apto como medio “filtrante” en el sistema.

• Evaluación de la conducción del agua en el plano del geodrén Se determina el esfuerzo normal al geodrén con base al peso específico del suelo y a la profundidad más crítica donde se encuentra el geodrén, debido a que para este proyecto el geodrén se instalará de forma vertical, el esfuerzo normal es equivalente al esfuerzo lateral de tierras, por lo que se tiene en cuenta el coeficiente de presión activo, este se debe calcular para cada proyecto según los parámetros dados por el tipo de suelo y geometría del sistema, para este caso y con el fin de ilustrar el cálculo se toma un valor aproximado: σn

= γ * h * Ka

σn

≈ 18.5 KN/m3 * 7.0 m * 0.5

σn

≈ 64.75 KPa

Debido a que el geodrén se ubicará de forma vertical, el valor del gradiente hidráulico será igual o aproximado a 1.0. Con estos dos valores, se determina la tasa de flujo última para el geodrén 3000/3000/5mm según la Figura 9.6. qw ult

= 2.5 x 10 -4 m3 /s-m

Con base a este dato, se calcula la tasa de flujo admisible. Teniendo en cuenta los factores de reducción para muros de contención que aparecen en la Tabla 3.4. qw adm

= qw ult / (FRCR * FRIN* FRCC* FRBC)

qw adm

= 2.50 x 10 -4 m3 /s-m / (1.3 * 1.2 * 1.1 * 1.0)

qw adm

= 1.46 x 10 -4 m3 /s-m


= qw adm / qw req

FSg

= 1.46 x 10 -4 m3 /s-m / 8.96 x 10 -5 m3 /s-m

FSg

= 1.62 > 1.0

Por lo tanto el geodrén 3000/3000/5mm es adecuado para el sistema de subdrenaje en el espaldón del muro.

6. Sistema de evacuación de los líquidos Se revisa la capacidad de conducción del caudal total (Ver Figura 9.7). Las tuberías que cumplen lo anterior son: φ100, φ160, φ200. Se escoge la tubería φ100 mm por ser la solución técnica y económicamente más conveniente.

9.4.2 Sistemas de subdrenaje en una vía Se requiere diseñar los subdrenes para una vía ubicada en la zona andina. El sector en consideración presenta una pendiente promedio del 1%, el ancho de la vía es de 12 metros. La posición del nivel freático es 0.20 m a partir del nivel original. En el diseño de la estructura de pavimento se estableció que se excavará 0.50 m por debajo del nivel freático y se reemplazará por materiales seleccionados. El material de subrasante presenta las siguientes características: Clasificación U.S.C.: CL

221


Permeabilidad (k) = 8.5 x 10 -6 m/s (Obtenida por ensayos in-situ) D85 = 0.06 mm (Dato extraído de la curva granulométrica). Diseñar el sistema de subdrenaje con geodrén estableciendo la longitud máxima en donde la tubería podrá realizar la descarga a la atmósfera. Pavimento

Nf Subrasante Nd

Geodrén con tubo

Figura 9.11 Geodrén con tubo Solución: 1. Cálculo del caudal total de diseño • Caudal por infiltración Qinf

= IR* B * L * Fi* FR

IR

= 60 mm/h = 1.67 x 10 -5 m/s

(Obtenido de los curvas de intensidad – duración- frecuencia)

B

= 6.0 m (Semibanca)

L

=?

Fi

= 0.4

FR

= 0.5

Qinf

= 1.67 x 10 -5 m/s * 6.0 m * L * 0.4 * 0.5

Qinf

= 2.004 x 10 -5 m2/s * L

• Caudal por abatimiento del nivel freático QNF

=k*i*A

i = (Nd - Nf)/B = (0.7 - 0.2) / 6 = 0.0834 k = 8.5 x 10 -6 m/s A

= (0.7 m - 0.2 m) * L

QNF

= 8.5 x 10 -6 m/s * 0.0834 * 0.5 m * L * 2 = 7.09 x 10 -7 m2/s * L

• Caudal total de diseño QT

= Qinf+ QNF = 2.075 x 10 -5 m2/s * L

Para establecer la longitud de tramos en donde se requiere hacer la descarga de agua a la atmósfera se debe considerar la capacidad máxima de flujo de la tubería. En este caso para 1% de pendiente (ver Anexo 2 de este capítulo). 222

M ANUAL DE DISEÑO

2. Determinación del diámetro de la tubería Se diseña que cada 150 m se harán descargas de agua a la atmósfera usando una tubería de 4” de diámetro. Entonces: QT

= 150.0 m * 2.075 x 10 -5 m2/s

QT

= 3.11 x 10 -3 m3 /s

3. Evaluación del tipo de geotextil a usar en el geodrén Se revisa si el geotextil del geodrén cumple con todos los criterios de diseño. • Criterio de retención (TAA) Para suelos cohesivos con un índice de plasticidad mayor a 7, el valor del Tamaño de Abertura Aparente debe ser de: TAA

< 0.30 mm

0.125mm < 0.30 mm


• Criterio de permeabilidad Como es un suelo fino, se debe cumplir: kg

= 0.0036 m/s

ks

= 8.5 x 10 -6 m/s

kg

> 10 * ks


• Criterio de colmatación La porosidad de los geotextiles No Tejidos punzonados por agujas son superiores al 80%.

4.

Cálculo hidráulico para la escogencia del geodrén

• Evaluación según la permitividad del sistema Se realiza el cálculo de la permitividad requerida por el geotextil como medio filtrante. Q

=k*i*A

Q

= k * ∆h / t * A

k/t

= Q / (∆h * H * L)

ψreq

= Q / (∆h * H * L)

ψreq

= 3.11 x 10 -3 m3 /s / (0.70 m * 0.70 m * 150.0 m)

ψreq

= 4.23 x 10 -5 s-1



Con base a la permitividad última del geodrén, se calcula la permitividad admisible, teniendo en cuenta los factores de reducción para sistemas de subdrenaje que aparecen en la Tabla 3.3.

223


ψadm


ψadm

= 1.8 s-1 / (2.0 * 1.1 * 1.1 * 1.2 * 2.0)

ψadm

= 0.31 s-1


= ψ adm / ψ req

FSg

= 0.31 s-1 / 4.23 x 10 -5 s-1

FSg

>> 1.0

Por lo que el geotextil NT3000 es apto como medio “filtrante” en el sistema. • Evaluación de la conducción del agua en el plano del geodrén Se calcula el esfuerzo normal actuante con base al peso específico del suelo y a la profundidad más crítica donde se encuentra el geodrén, debido a que el geodrén se ubicará de forma vertical se calcula el esfuerzo normal, teniendo en cuenta el coeficiente lateral de presión de tierras: σn

= γ * h * Ka

σn

≈ 20.0 KN/m3 * 0.70 m * 0.5

σn

≈ 7.0 KPa

El valor del gradiente hidráulico será igual o aproximado a 1.0, debido a la posición del geodrén. Con estos dos valores, se determina la tasa de flujo última para el geodrén 3000/3000/5mm según la Figura 9.6, se toma el esfuerzo normal mínimo de la gráfica, debido a que el geodrén está a una profundidad menor de 1.0 m de profundidad. qw ult

= 3.5 x 10 -4 m3 /s-m

Con base a este dato, se calcula la tasa de flujo admisible. Teniendo en cuenta los factores de reducción para sistemas de subdrenaje en vías que aparecen en la Tabla 3.4. qw adm


qw adm

= 3.5 x 10 -4 m3 /s-m / (1.2 * 1.5 * 1.1 * 1.0)

qw adm

= 1.77 x 10 -4 m3 /s-m

El valor de la tasa de flujo requerida se determina dividiendo el caudal total de diseño sobre la longitud del geodrén entre descarga y descarga: qw req

= QT / L

qw req

= 3.11 x 10 -3 m3 /s / 150.0 m

qw req

= 2.075 x 10 -5 m3 /s-m


= qw adm / qw req

FSg

= 1.77 x 10 -4 m3 /s-m / 2.075 x 10 -5 m3 /s-m

FSg

= 8.5 >> 1.0

224

M ANUAL DE DISEÑO

Por lo tanto el geodrén 3000/3000/5mm es adecuado para el sistema de subdrenaje en el tramo de la vía en consideración.

9.4.3 Sistema de Subdrenaje en un campo deportivo Se requiere diseñar el sistema de subdrenaje para una cancha de fútbol en un campo deportivo ubicado en la ciudad de Manizales, de dimensiones 100 m x 60 m. Se encontró en el terreno un suelo orgánico (Limo) con las siguientes características: LL = 40, LP = 31, IP = 9 Clasificación USC: ML, 100 % fino. Permeabilidad (k) = 3.86 x 10 -7 m/s

1. Estimación del caudal de diseño El caudal de diseño está conformado por el caudal procedente de agua lluvia, llamado caudal por infiltración únicamente, debido a que en el terreno en consideración no hay presencia de nivel freático. • Caudal por Infiltración Qinf

= IR * AT * Fi

Donde: IR

= 32 mm/h = 8.88 x 10 -6 m/s

Precipitación máxima horaria de frecuencia anual, registrada en el sitio más cercano

al proyecto. Como no se tiene precipitación máxima horaria para Manizales, se toma la de

la estación más cercana, en este caso Guamo – Tolima, basado en las curvas intensidad,

duración y frecuencia. Curva 2 años, 120 min)

AT

=

100 m * 60 m = 6000 m2

Fi

=

0.7

Entonces: Qinf

= IR * AT * Fi

Qinf

= 8.88 x 10 -6 m/s * 6000 m2 * 0.70

Qinf

= 0.037 m3 /s

QT

= 0.037 m3 /s, debido a que no hay presencia de nivel freático.

2. Permeabilidad de la capa orgánica Como el suelo encontrado es un limo orgánico, se hace necesaria una mezcla con arena, buscando aumentar la permeabilidad del suelo sobre el sistema de drenaje. En la Tabla 9.4 se presentan unos resultados de ensayos de permeabilidad de cabeza constante realizados para diferentes mezclas de un limo orgánico con una arena de tamaños medios a gruesos.

225


Tabla 9.4 Ensayos de permeabilidad de cabeza constante, realizados en el laboratorio de la facultad de Ingeniería Civil de la Pontificia Universidad Javeriana Permeabilidad al 80% Proctor modificado k (cm/s)

Material

100% Limo - 0% Arena

Permeabilidad al 90% Proctor modificado k (cm/s) 3.86 x 10-5

9.36 x 10-4


1.06 x 10-4


2.93 x 10-3


3.83 x 10


6.52 x 10-3

2.30 x 10-4

-3

1.29 x 10-3


1.50 x 10-3


2.38 x 10-3

100% Arena

1,54

1,54

Arena media a gruesa: NL - NP Clasificacion USC: SP Tamiz No.

% Pasa

4

100

8

62,5

10

41

20

9

40

0

Fondo

0

Con base en lo anterior se observa que un porcentaje óptimo de arena, en este caso y para este tipo de material orgánico, para aumentar la permeabilidad es del 40%. La permeabilidad del limo orgánico es de 3.86 x 10 -7 m/s, al mezclarlo con 40% de arena aumenta a

2.38 x 10-5 m/s. Es importante conocer que para el buen funcionamiento de un sistema de subdrenaje, la permeabilidad del suelo no puede ser menor a 1 x 10 -5 m/s.

3. Método de captación de agua Los colectores principales y secundarios son diseñados con el sistema geodrén con tubería de drenaje y son función de la geometría del terreno y del caudal de diseño definido.

3.1

Colchón drenante con geodrén planar

3.1.1 Evaluación del tipo de geotextil a usar en el colchón drenante Se revisa si el geotextil del geodrén cumple con todos los criterios de diseño. • Criterio de retención (TAA) Para suelos finos con un índice de plasticidad mayor a 7, el valor del Tamaño de Abertura Aparente debe ser de:

226

M ANUAL DE DISEÑO

TAA

< 0.30 mm

0.125mm < 0.30 mm


• Criterio de permeabilidad Como es un suelo fino, se debe cumplir: kg

= 0.0036 m/s

ks

= 2.38 x 10 -5 m/s

kg

> 10 * ks


• Criterio de colmatación La porosidad de los geotextiles No Tejidos punzonados por agujas son superiores al 80%.

3.1.2 Cálculo hidráulico para la escogencia del geodrén planar como colchón drenante • Evaluación según la permitividad del sistema Asumiendo una altura promedio de 10 cm de capa orgánica sobre el geodrén planar, se calcula la permitividad requerida del geotextil. Q

=k*i*A

Q

= k * ∆h / t * A

k/t

= Q / (∆h * H * L)

ψreq

= Q / (∆h * H * L)

ψreq

= 0.037 m3/s / (0.10 m * 60.0 m * 100.0 m)

ψreq

= 6.17 x 10 -5 s-1

Para este cálculo se tomó el caudal total de diseño y el área de todo el campo de fútbol, como sección transversal perpendicular al flujo. Una vez calculada la permitividad requerida por el sistema, se toma la permitividad suministrada por el fabricante como la permitividad última para la realización del diseño. ψult


Con base a la permitividad última del geodrén, se calcula la permitividad admisible, teniendo en cuenta los factores de reducción para sistemas de subdrenaje que aparecen en la Tabla 3.3. ψadm


ψadm

= 1.8 s-1 / (2.0 * 1.1 * 1.1 * 1.2 * 2.0)

ψadm

= 0.31 s-1


= ψ adm / ψ req

FSg

= 0.31 s-1 / 6.17 x 10 -5 s-1

FSg

>> 1.0

227


Por lo que el geotextil NT3000 es apto como medio “filtrante” en el sistema. • Evaluación de la conducción del agua en el plano del geodrén Para el diseño del colchón drenante se utiliza el área aferente para determinar la cantidad de flujo que debe manejar el geodrén planar, en caso de que el factor de seguridad no cumpla para el sistema, se recomienda disminuir la longitud de descarga del colchón drenante, para estos casos la distancia entre colectores, reduciendo de esta forma su área aferente, para que estos estén en la capacidad de transmitir el fluido a los colectores secundarios.

Aa

= Lc-c * W

Aa

= 6.0 m * 1.0 m

Aa

= 6.0 m2

(9.17)

Donde: Aa

=

Lc-c

=

Área unitaria del colchón drenante con geodren planar (m2) Longitud entre colectores, es la longitud máxima que el agua debe recorrer en el colchón

drenante para ser captada por el colector (m)

W

Ancho del geodrén planar, dimensión normal al sentido del flujo (m)

=

El caudal para esta área aferente se calcula de la siguiente forma:

QAa

= QT * Aa / AT

QAa

= 0.037 m3/s * 6 m2 / 6000 m2

QAa

= 3.7 x 10-5 m3/s

(9.18)

Una vez obtenido el caudal que capta el colchón drenante por área aferente, se verifica si el geodrén a seleccionar puede conducir en su plano el caudal calculado.

qw req

= QAa / W

(9.19)

Donde: qw req

=

Tasa de flujo requerida para el colector (m3 /s-m)

QAa

=

Caudal calculado para el área aferente del colector (m3 /s)

W

=

Ancho del geodrén planar (m)

En este caso el ancho del geodrén es la unidad por lo que el valor de la tasa de flujo será la misma que el caudal del área aferente. Reemplazando los valores en la fórmula anterior se obtiene: qw req

= 3.7 x 10 -5 m3 /s / 1.0 m

qw req

= 3.7 x 10 -5 m3 /s-m

Para determinar la tasa de flujo última del geodrén planar como colchón drenante se utiliza la Figura 9.6 y como datos de entrada el gradiente igual a 0.1 por la posición casi horizontal del geodrén y el esfuerzo normal mínimo de la gráfica, debido a que el geodrén está a una profundidad menor de 1.0 m de profundidad. qw ylt

= 7.16 x 10 -5 m3 /s-m

Con base a la tasa de flujo última para el geodrén instalado de forma horizontal, se calcula la tasa de flujo admisible, teniendo en cuenta los factores de reducción para colchón drenante, propuestos en la Tabla 3.4.

228

M ANUAL DE DISEÑO

qw adm


qw adm

= 7.16 x 10 -5 m3 /s-m / (1.3 * 1.2 * 1.0 * 1.0)

qw adm

= 4.59 x 10 -5 m3 /s-m


= qw adm / qw req

FSg

= 4.59 x 10 -5 m3 /s-m / 3.7 x 10 -5 m3 /s-m

FSg

= 1.24 > 1.0

Por lo tanto el geodrén 3000/3000/5mm es adecuado como colchón drenante para la cancha de fútbol.

3.2 Colectores Secundarios Los colectores secundarios se diseñan para manejar el caudal de agua aferente a cada una de las áreas en las que se encuentran y luego se conectan al colector principal que permite evacuar el agua hacia los desagües existentes. La forma de conectarse con los geodrenes con tubería circular de 160 mm de diámetro (6”), que corresponde a los colectores principales, es directamente en el sitio de la obra, empleando un accesorio denominado Silla T para la tubería. Lo importante es que lleguen en una cota superior a la del tubo del geodrén de los colectores principales, en contacto directo con el geotextil y la geored. Se colocarán 16 colectores secundarios con geodrén en cada lado de los colectores principales, separados por una distancia de 6 m entre ellos. Ya que se verificó que a esta distancia el colchón drenante es capaz de manejar el flujo aportado por la infiltración en la cancha de fútbol. Estos colectores secundarios deben llegar a una cota superior a los colectores principales y en el momento de interceptarlos se les debe dar una pequeña curva hacia el sentido del flujo para que se acoplen correctamente. Es importante que en estos sectores de intersección se rellene la zanja con arena para que el agua llegue al sistema del colector principal sin problema y para darle soporte al geodrén en este sector. Para el diseño de los colectores secundarios se calculan sus áreas aferentes para determinar la cantidad de flujo que aporta cada sector al geodrén. Se debe revisar que el factor de seguridad cumpla para el sistema, garantizando la transmisión del fluido al colector primario. Aa

= 6.0 m * 60.0 m / 2 = 180 m2 por cada colector secundario

QAa

= QT * Aa / AT

QAa

= 0.037 m3 /s * 180 m2 / 6000 m2

QAa

= 1.11 x 10 -3 m3 /s

Teniendo una pendiente del 1% y en relación con el nomograma basado en la ecuación del Prandtl -Colebrook (Figura 9.7), se denomina que el diámetro de la tubería más adecuado para los colectores secundarios es de 100 mm (4”). Una vez obtenido el caudal que capta cada colector por área aferente, se verifica si el geodrén a seleccionar puede conducir en su plano el caudal calculado.

qw req

= QAa / Lc

229

(9.20)


Donde: qw req

=

Tasa de flujo requerida para el colector (m3 /s-m)

QAa

=

Caudal calculado para el área aferente del colector (m3 /s)

Lc

=

Longitud del colector secundario (m)

En este caso la longitud de cada colector secundario es la misma y equivale a la mitad del ancho del campo de fútbol, por lo que reemplazando los valores en la fórmula anterior se obtiene: qw req

= 1.11 x 10 -3 m3 /s / 30.0 m

qw req

= 3.7 x 10 -5 m3 /s-m

Para determinar la tasa de flujo última del geodrén se utiliza la Figura 9.6 y como datos de entrada el gradiente igual a 1.0 por la posición vertical del geodrén y el esfuerzo normal mínimo de la gráfica, debido a que el geodrén esta a una profundidad menor de 1.0 m de profundidad. qw ylt

= 3.5 x 10 -4 m3 /s-m

El cálculo de la tasa de flujo admisible del colector secundario se realiza utilizando los factores de reducción para campos deportivos, propuestos en la Tabla 3.4. qw adm


qw adm

= 3.5 x 10 -4 m3 /s-m / (1.0 * 1.0 * 1.0 * 1.1)

qw adm

= 3.18 x 10 -4 m3 /s-m


= qw adm / qw req

FSg

= 3.18 x 10 -4 m3 /s-m / 3.7 x 10 -5 m3 /s-m

FSg

= 8.6 >> 1.0

Por lo tanto el geodrén 3000/3000/5mm es adecuado como colector secundario para la cancha de fútbol. QT

W

LC-C

Figura 9.12 Detalle recorrido del agua colchón drenante y colector secundario 230

M ANUAL DE DISEÑO

3.3 Colectores Principales Se van a diseñar 4 colectores principales, con geodrén con tubería circular, que corren de manera longitudinal y paralela con la longitud mayor del campo de fútbol; debido a las condiciones topográficas se recomienda conectar los colectores a los desagües existentes en la zona. AT

= 100m * 60m = 6000 m2

QT

= 0.037 m3 /s

s

= 1% (Seleccionada)

El diámetro de la tubería a usar puede ser determinado utilizando el nomograma basado en la ecuación de Prandtl - Colebrook (Figura 9.7) Según el nomograma para una pendiente del 1% y los cuatro diámetros de tuberías existentes para geodrén el caudal máximo a transportar es el siguiente: Tubería de 64 mm (2.5”)

⇒ Qmax = 0.00093 m3 /s

Tubería de 100 mm (4”)

⇒ Qmax = 0.00402 m3 /s


⇒ Qmax = 0.01422 m3 /s


⇒ Qmax = 0.02472 m3 /s

El caudal requerido para cada colector principal es igual a 0.009 m3 /s, por lo tanto la tubería a usar para los conectores principales es de 160 mm (6”). Caja de inspección

Descole Colector principal

Sentido del flujo

Colectores secundarios separados cada 6m

Sentido del flujo Colector principal Detalle A – A’

Detalle A – A’

Figura 9.13 Distribución esquemática de los colectores principales y los colectores secundarios

231


Los geodrenes con tubería se pueden fabricar de 1.05 m de altura ó de 0.52m (Media malla) de acuerdo a la profundidad de excavación que se defina. Sin embargo, el sistema de geodrén es muy flexible y si en algunos tramos sobra un poco de altura, se puede doblar sin ningún problema. El ancho mínimo de las zanjas debe ser de 20 cm, ancho que se consigue con una pala pequeña de excavación y la profundidad se debe definir de acuerdo a la pendiente y a la cota en que se encuentran los desagües y el pozo final. El material de relleno de las zanjas debe ser un material permeable, que permita el paso del agua a los geodrenes, pero no necesariamente debe ser un material seleccionado como se utilizaría en los sistemas tradicionales de drén francés. De acuerdo a las propiedades de permeabilidad del material de excavación, este puede ser utilizado si la permeabilidad es adecuada y si el contenido de limos y arcillas es mínimo. Para definir si el material de excavación se puede utilizar es necesario conocer su tipo y sus propiedades.

9.5 EJEMPLO DE RELACIÓN BENEFICIO – COSTO Un tramo de una vía en ejecución tiene un ancho de calzada de 14 m, longitud de 250 m, pendiente de 2%, y presenta problemas de estabilización ocasionados por el nivel freático de la zona. Se requiere diseñar los subdrenes longitudinales y evaluar la alternativa más económica entre el uso de un geodrén y un dren francés convencional si el caudal estimado para la zona es de 5.600 cm3/s. El material del agregado disponible en la zona tiene un tamaño de 1”

Solución: Con un caudal de 5600 cm3 /s y una pendiente del 2%, según el nomograma de Prandtl Colebrook (Figura 9.7) se necesita emplear una tubería perforada de drenaje de 100 mm (φ 4") para el sistema de geodrén. Para calcular la dimensión necesaria de la sección del subdrén francés en una vía con pendiente de 2%, se tomó como referencia las tablas guía de diseño del Anexo 1 de este capítulo. Donde: Geodrén 100mm

Subdrén Francés

Pendiente

Caudal Máximo cm3/s

Tamaño Agregado

Velocidad cm/s

Área Sección cm2

Altura Base 80cm

0,5%

2,840

1”

0,281

10,098

130

1,0%

4,020

1”

0,563

7,147

90

1,5%

4,850

1”

0,844

5,748

75

2,0%

5,680

1”

1,125

5,049

65

2,5%

6,320

1”

1,406

4,494

60

3,0%

6,960

1”

1,688

4,124

55

3,5%

7,495

1”

1,969

3,807

50

Haciendo la comparación de costos de las dos alternativas, tenemos lo siguiente:

232

M ANUAL DE DISEÑO

ITEM Excavación (Mano de obra)

Geodrén

Subdrén

0.60 x 0.40

(0.60 x 0.80) m

1.40 U$ / m.l

2.50 U$ / m.l

Geotextil (Material + Mano de obra) Material de relleno

3.40 U$ / m.l Recebo

Grava

0.76 U$ / m.l

6.50 U$ / m.l

Geodrén φ 4” (h = 0.52m)

7.94 U$ / m.l

Rendimiento

0.15 U$ / m.l

0.80 U$ / m.l

TOTAL

10.25 U$ / m.l

13.20 U$ / m.l

Para una longitud de 250 m.l, y construyendo el drenaje a los dos lados de la sección transversal de la vía, tenemos: Costo Geodrén φ 4”: 10.25 U$/m.l x 250 m x 2 = 5,125.44 U$ Costo Subdrén francés: 15.42 U$/m.l x 250 m x 2 = 6,624.04 U$ Lo que equivale a una diferencia en costos de 30 %, entre el uso del geodrén y el tradicional subdrén francés.

BIBLIOGRAFÍA • CEDERGREN H.R., DRAINAGE OF HIGHWAY AND AIRFIELD PAVEMENTS, REPRINT ED., U.S.A., 1987. • KOERNER R.M., DESINGNING WITH GEOSYNTHETICS, 5 ED., U.S.A., 2005. • KOERNER R.M. GEOSYNTHETICS IN FILTRATION, DRAINAGE AND EROSIÓN CONTROL, REPRINT ED., ENGLAND, 1992. • HOLTZ, Robert, Geosynthetic Engineering. Junio 1997, Pags. 36 – 38 • FEDERAL HIGHWAY ADMINISTRATION, GEOSYNTHETICS DESING AND CONSTRUCTION GUIDELLINES, PUBLICATION NO HI – 95 038, 1995.

233

ANEXO 1 GEODREN Vs. SECCION DREN FRANCES

GEODREN 65 mm

DREN FRANCES

CAUDAL 1/2” (Q). PENDIENTE CAPACIDAD VELOCIDAD AREA SECCION MAXIMA (cm/s) (cm2) EN cm3/s 0,5%

660

0,063

10.560

3/4” ALTURA VELOCIDAD (BASE (cm/s) 60 cm) 180

0,156

AREA SECCION (cm2) 4.224

1” ALTURA AREA VELOCIDAD (BASE SECCION (cm/s) 60 cm) (cm2) 70

2” ALTURA AREA VELOCIDAD (BASE SECCION (cm/s) 60 cm) (cm2)

ALTURA (BASE 60 cm)

0,281

2.347

40

0,375

1.760

30

1,0%

930

0,125

7.440

130

0,313

2.976

50

0,563

1.653

30

0,750

1.240

25

1,5%

1.120

0,188

5.973

100

0,469

2.389

40

0,844

1.327

25

1,125

996

20

2,0%

1.310

0,250

5.240

90

0,625

2.096

35

1,125

1.164

20

1,500

873

15

2,5%

1.455

0,313

4.656

80

0,781

1.862

35

1,406

1.035

20

1,875

776

15

3,0%

1.600

0,375

4.267

75

0,938

1.707

30

1,688

948

20

2,250

711

15

3,5%

1.720

0,438

3.931

70

1,094

1.573

30

1,969

874

15

2,625

655

15

4,0%

1.840

0,500

3.680

65

1,250

1.472

25

2,250

818

15

3,000

613

15

4,5%

1.950

0,563

3.467

60

1,406

1.387

25

2,531

770

15

3,375

578

15

5,0%

2.060

0,625

3.296

55

1,563

1.318

25

2,813

732

15

3,750

549

10

234

GEODREN 100 mm

DREN FRANCES

PENDIENTE

CAUDAL (Q). CAPACIDAD MAXIMA EN cm3/s

0,5%

2.840

0,063

45.440

570

0,156

18.176,00

230

0,281

10.098

130

0,375

7.573,33

95

1,0%

4.020

0,125

32.160

405

0,313

12.864,00

165

0,563

7.147

90

0,750

5.360,00

70

1,5%

4.850

0,188

25.867

325

0,469

10.346,67

130

0,844

5.748

75

1,125

4.311,11

55

2,0%

5.680

0,250

22.720

290

0,625

9.088,00

115

1,125

5.049

65

1,500

3.786,67

50

2,5%

6.320

0,313

20.224

255

0,781

8.089,60

105

1,406

4.494

60

1,875

3.370,67

45

3,0%

6.960

0,375

18.560

235

0,938

7.424,00

95

1,688

4.124

55

2,250

3.093,33

40

3,5%

7.495

0,438

17.131

215

1,094

6.852,57

90

1,969

3.807

50

2,625

2.855,24

40

4,0%

8.030

0,500

16.060

205

1,250

6.424,00

80

2,250

3.569

45

3,000

2.676,67

35

4,5%

8.505

0,563

15.120

190

1,406

6.048,00

80

2,531

3.360

45

3,375

2.520,00

35

5,0%

8.980

0,625

14.368

180

1,563

5.747,20

75

2,813

3.193

40

3,750

2.394,67

30

1/2” AREA VELOCIDAD SECCION (cm/s) (cm2)

3/4” ALTURA VELOCIDAD (BASE (cm/s) 80 cm)

AREA SECCION (cm2)

GEODREN 160 mm

1” AREA ALTURA VELOCIDAD (BASE SECCION (cm/s) 80 cm) (cm2)

2” AREA ALTURA VELOCIDAD (BASE SECCION (cm/s) 80 cm) (cm2)

ALTURA (BASE 80 cm)

DREN FRANCES

PENDIENTE


0,5%

10.130

0,063

162.080

2.030

0,156

64.832

815

0,281

36.018

450

0,375

27.013

340

1,0%

14.220

0,125

113.760

1.425

0,313

45.504

570

0,563

25.280

315

0,750

18.960

240

1,5%

17.085

0,188

91.120

1.140

0,469

36.448

460

0,844

20.249

255

1,125

15.187

190

2,0%

19.950

0,250

79.800

1.000

0,625

31.920

400

1,125

17.733

225

1,500

13.300

170

2,5%

22.135

0,313

70.832

885

0,781

28.333

355

1,406

15.740

200

1,875

11.805

150

3,0%

24.320

0,375

64.853

815

0,938

25.941

325

1,688

14.412

180

2,250

10.809

135

3,5%

26.160

0,438

59.794

750

1,094

23.918

300

1,969

13.288

165

2,625

9.966

125

4,0%

28.000

0,500

56.000

700

1,250

22.400

280

2,250

12.444

160

3,000

9.333

120

4,5%

29.610

0,563

52.640

660

1,406

21.056

265

2,531

11.698

150

3,375

8.773

110

5,0%

31.220

0,625

49.952

625

1,563

19.981

250

2,813

11.100

140

3,750

8.325

105



AREA SECCION (cm2)

235



ALTURA (BASE 80 cm)

GEODREN 200 mm

DREN FRANCES

PENDIENTE


0,5%

17.110

0,063

273.760

3.425

0,156

109.504,00

1.370

0,281

60.836

760

0,375

45.627

570

1,0%

24.720

0,125

197.760

2.475

0,313

79.104,00

990

0,563

43.947

550

0,750

32.960

415

1,5%

30.220

0,188

161.173

2.015

0,469

64.469,33

810

0,844

35.816

450

1,125

26.862

340

2,0%

35.720

0,250

142.880

1.790

0,625

57.152,00

715

1,125

31.751

400

1,500

23.813

300

2,5%

40.010

0,313

128.032

1.600

0,781

51.212,80

640

1,406

28.452

360

1,875

21.339

270

3,0%

44.300

0,375

118.133

1.475

0,938

47.253,33

595

1,688

26.252

325

2,250

19.689

250

3,5%

47.960

0,438

109.623

1.370

1,094

43.849,14

550

1,969

24.361

305

2,625

18.270

230

4,0%

51.620

0,500

103.240

1.295

1,250

41.296,00

520

2,250

22.942

290

3,000

17.207

215

4,5%

54.865

0,563

97.538

1.220

1,406

39.015,11

490

2,531

21.675

275

3,375

16.256

205

5,0%

58.110

0,625

92.976

1.165

1,563

37.190,40

465

2,813

20.661

260

3,750

15.496

200



AREA SECCION (cm2)

236

1” ALTURA AREA VELOCIDAD SECCION (BASE (cm/s) 80 cm) (cm2)

2” ALTURA AREA VELOCIDAD SECCION (BASE (cm/s) 80 cm) (cm2)

ALTURA (BASE 80 cm)

M ANUAL DE DISEÑO

ANEXO 2 GUIA PARA EL CALCULO DE LONGITUD DE DESCARGA

Datos iniciales Precipitación máxima horaria anual (IR) Permeabilidad del suelo (K)

45 mm/h 0,00085 cm/s4

Ancho de calzada : 7.0 m

Ancho de calzada : 14,0 m

TUBERIA 65 mm

TUBERIA 65 mm

CAUDAL (Q)

LONGITUD DE

CAUDAL (Q)

LONGITUD DE

PENDIENTE

CAPACIDAD MAXIMA (cm3/s)

DESCARGA (m)

40

0,5%

660

20

930

55

1,0%

930

30

1,5%

1.120

65

1,5%

1.120

35

2,0%

1.310

75

2,0%

1.310

40

2,5%

1.455

80

2,5%

1.455

45

3,0%

1.600

90

3,0%

1.600

50

3,5%

1.720

95

3,5%

1.720

50

4,0%

1.840

100

4,0%

1.840

55

4,5%

1.950

110

4,5%

1.950

55

5,0%

2.060

115

5,0%

2.060

60

5,5%

2.155

120

5,5%

2.155

65

6,0%

2.250

125

6,0%

2.250

65

6,5%

2.340

130

6,5%

2.340

70

7,0%

2.430

135

7,0%

2.430

70

PENDIENTE


DESCARGA (m)

0,5%

660

1,0%

237


TUBERIA 100 mm CAUDAL (Q)

TUBERIA 100 mm LONGITUD DE

CAUDAL (Q)

LONGITUD DE

PENDIENTE


DESCARGA (m)

155

0,5%

2.840

85

4.020

225

1,0%

4.020

115

1,5%

4.850

270

1,5%

4.850

140

2,0%

5.680

315

2,0%

5.680

160

2,5%

6.320

350

2,5%

6.320

180

3,0%

6.960

390

3,0%

6.960

200

3,5%

7.495

415

3,5%

7.495

215

4,0%

8.030

445

4,0%

8.030

230

4,5%

8.505

470

4,5%

8.505

240

5,0%

8.980

500

5,0%

8.980

255

5,5%

9.410

520

5,5%

9.410

270

6,0%

9.840

545

6,0%

9.840

280

6,5%

10.230

565

6,5%

10.230

290

7,0%

10.620

590

PENDIENTE


DESCARGA (m)

0,5%

2.840

1,0%



CAUDAL (Q)

LONGITUD DE

PENDIENTE


DESCARGA (m)

560

0,5%

10.130

290

14.220

785

1,0%

14.220

405

1,5%

17.085

945

1,5%

17.085

490

2,0%

19.950

1105

2,0%

19.950

565

2,5%

22.135

1225

2,5%

22.135

630

3,0%

24.320

1345

3,0%

24.320

690

3,5%

26.160

1445

3,5%

26.160

745

4,0%

28.000

1550

4,0%

28.000

795

4,5%

29.610

1635

4,5%

29.610

840

5,0%

31.220

1725

5,0%

31.220

890

5,5%

32.675

1805

5,5%

32.675

925

6,0%

34.130

1885

6,0%

34.130

970

6,5%

35.470

1960

6,5%

35.470

1005

7,0%

36.810

2035

7,0%

36.810

1045

PENDIENTE


DESCARGA (m)

0,5%

10.130

1,0%

238

M ANUAL DE DISEÑO



CAUDAL (Q)

LONGITUD DE

PENDIENTE


DESCARGA (m)

945

0,5%

17.110

485

24.720

1.365

1,0%

24.720

1045

1,5%

30.220

1.670

1,5%

30.220

1275

2,0%

35.720

1.975

2,0%

35.720

1510

2,5%

40.010

2.210

2,5%

40.010

1670

3,0%

44.300

2.450

3,0%

44.300

1870

3,5%

47.960

2.650

3,5%

47.960

2025

4,0%

51.620

2.850

4,0%

51.620

2180

4,5%

54.865

3.030

4,5%

54.865

2320

5,0%

58.110

3.210

5,0%

58.110

2455

5,5%

61.065

3.375

5,5%

61.065

2580

6,0%

64.020

3.535

6,0%

64.020

2705

6,5%

66.750

3.690

6,5%

66.750

2820

7,0%

69.480

3.840

7,0%

69.480

2935

PENDIENTE


DESCARGA (m)

0,5%

17.110

1,0%

239



0,00085 cm/s4



TUBERIA 65 mm

TUBERIA 65 mm

CAUDAL (Q) PENDIENTE

50 mm/h

LONGITUD DE PENDIENTE

CAUDAL (Q)

LONGITUD DE


DESCARGA (m)


DESCARGA (m)

0,5%

660

35

0,50%

660

20

1,0%

930

50

1,00%

930

25

1,5%

1.120

60

1,50%

1120

30

2,0%

1.310

65

2,00%

1310

35

2,5%

1.455

75

2,50%

1455

40

3,0%

1.600

80

3,00%

1600

40

3,5%

1.720

90

3,50%

1720

45

4,0%

1.840

95

4,00%

1840

50

4,5%

1.950

100

4,50%

1950

50

5,0%

2.060

105

5,00%

2060

55

5,5%

2.155

110

5,50%

2155

55

6,0%

2.250

115

6,00%

2250

60

6,5%

2.340

120

6,50%

2340

60

7,0%

2.430

125

7,00%

2430

65

240

M ANUAL DE DISEÑO



LONGITUD DE


DESCARGA (m)

0,50%

2.840

75

200

1,00%

4.020

105

4.850

245

1,50%

4.850

125

2,0%

5.680

285

2,00%

5.680

145

2,5%

6.320

315

2,50%

6.320

165

3,0%

6.960

350

3,00%

6.960

180

3,5%

7.495

375

3,50%

7.495

195

4,0%

8.030

400

4,00%

8.030

205

4,5%

8.505

425

4,50%

8.505

220

5,0%

8.980

450

5,00%

8.980

230

5,5%

9.410

470

5,50%

9.410

245

6,0%

9.840

490

6,00%

9.840

255

6,5%

10.230

510

6,50%

10.230

265

7,0%

10.620

530

7,00%

10.620

275

PENDIENTE



DESCARGA (m)

0,5%

2.840

145

1,0%

4.020

1,5%

TUBERIA 160 mm

TUBERIA 160 mm

CAUDAL (Q)

LONGITUD DE

CAUDAL (Q)

LONGITUD DE


DESCARGA (m)

PENDIENTE


DESCARGA (m)

0,5%

10.130

510

0,50%

10.130

260

1,0%

14.220

710

1,00%

14.220

365

1,5%

17.085

855

1,50%

17.085

440

2,0%

19.950

995

2,00%

19.950

510

2,5%

22.135

1.110

2,50%

22.135

565

3,0%

24.320

1.215

3,00%

24.320

625

3,5%

26.160

1.305

3,50%

26.160

670

4,0%

28.000

1.400

4,00%

28.000

715

4,5%

29.610

1.480

4,50%

29.610

760

5,0%

31.220

1.560

5,00%

31.220

800

5,5%

32.675

1.630

5,50%

32.675

835

6,0%

34.130

1.705

6,00%

34.130

875

6,5%

35.470

1.770

6,50%

35.470

905

7,0%

36.810

1.840

7,00%

36.810

940

PENDIENTE

241


TUBERIA 200 mm

TUBERIA 200 mm

CAUDAL (Q)

LONGITUD DE

CAUDAL (Q)

LONGITUD DE


DESCARGA (m)

PENDIENTE


DESCARGA (m)

0,5%

17.110

855

0,50%

17.110

440

1,0%

24.720

1235

1,00%

24.720

635

1,5%

30.220

1510

1,50%

30.220

775

2,0%

35.720

1785

2,00%

35.720

915

2,5%

40.010

1995

2,50%

40.010

1025

3,0%

44.300

2210

3,00%

44.300

1135

3,5%

47.960

2400

3,50%

47.960

1225

PENDIENTE

242

M ANUAL DE DISEÑO


60 mm/h 0,00085 cm/s4



TUBERIA 65 mm

TUBERIA 65 mm

CAUDAL (Q)

LONGITUD DE

CAUDAL (Q)

LONGITUD DE

PENDIENTE


DESCARGA (m)

30

0,5%

660

15

930

40

1,0%

930

20

1,5%

1.120

50

1,5%

1.120

25

2,0%

1.310

55

2,0%

1.310

30

2,5%

1.455

65

2,5%

1.455

35

3,0%

1.600

70

3,0%

1.600

35

3,5%

1.720

75

3,5%

1.720

40

4,0%

1.840

80

4,0%

1.840

40

4,5%

1.950

85

4,5%

1.950

45

5,0%

2.060

90

5,0%

2.060

45

5,5%

2.155

90

5,5%

2.155

50

6,0%

2.250

95

6,0%

2.250

50

6,5%

2.340

100

6,5%

2.340

50

7,0%

2.430

105

7,0%

2.430

55

PENDIENTE


DESCARGA (m)

0,5%

660

1,0%

243




CAUDAL (Q)

LONGITUD DE

PENDIENTE


DESCARGA (m)

120

0,5%

2.840

75

4.020

170

1,0%

4.020

105

1,5%

4.850

205

1,5%

4.850

125

2,0%

5.680

240

2,0%

5.680

145

2,5%

6.320

265

2,5%

6.320

165

3,0%

6.960

300

3,0%

6.960

180

3,5%

7.495

315

3,5%

7.495

195

4,0%

8.030

335

4,0%

8.030

205

4,5%

8.505

355

4,5%

8.505

220

5,0%

8.980

375

5,0%

8.980

230

5,5%

9.410

395

5,5%

9.410

245

6,0%

9.840

415

6,0%

9.840

255

6,5%

10.230

430

6,5%

10.230

265

7,0%

10.620

445

7,0%

10.620

275

PENDIENTE


DESCARGA (m)

0,5%

2.840

1,0%

TUBERIA 160 mm

TUBERIA 160 mm

CAUDAL (Q)

LONGITUD DE

CAUDAL (Q)

LONGITUD DE

PENDIENTE


DESCARGA (m)

PENDIENTE


DESCARGA (m)

0,5%

10.130

425

0,5%

10.130

220

1,0%

14.220

595

1,0%

14.220

305

1,5%

17.085

715

1,5%

17.085

365

2,0%

19.950

835

2,0%

19.950

425

2,5%

22.135

925

2,5%

22.135

475

3,0%

24.320

1015

3,0%

24.320

520

3,5%

26.160

1095

3,5%

26.160

560

4,0%

28.000

1670

4,0%

28.000

600

4,5%

29.610

1235

4,5%

29.610

630

5,0%

31.220

1305

5,0%

31.220

670

5,5%

32.675

1365

5,5%

32.675

695

6,0%

34.130

1425

6,0%

34.130

730

6,5%

35.470

1480

6,5%

35.470

760

7,0%

36.810

1535

7,0%

36.810

785

244

M ANUAL DE DISEÑO



CAUDAL (Q)

LONGITUD DE

PENDIENTE


DESCARGA (m)

715

0,5%

17.110

365

24.720

1035

1,0%

24.720

1045

1,5%

30.220

1260

1,5%

30.220

1280

2,0%

35.720

1490

2,0%

35.720

1510

2,5%

40.010

1670

2,5%

40.010

1690

3,0%

44.300

1850

3,0%

44.300

1875

3,5%

47.960

1200

3,5%

47.960

2030

4,0%

51.620

2155

4,0%

51.620

2180

4,5%

54.865

2290

4,5%

54.865

2320

5,0%

58.110

2425

5,0%

58.110

2455

5,5%

61.065

2550

5,5%

61.065

2580

6,0%

64.020

2670

6,0%

64.020

2705

6,5%

66.750

2785

6,5%

66.750

2820

7,0%

69.480

2900

7,0%

69.480

2935

PENDIENTE


DESCARGA (m)

0,5%

17.110

1,0%

245



120 mm/h 0,00085 cm/s4



TUBERIA 65 mm

TUBERIA 65 mm

CAUDAL (Q)

CAUDAL (Q)

LONGITUD DE


DESCARGA (m)

0,5%

660

10

20

1,0%

930

10

1.120

25

1,5%

1.120

15

2,0%

1.310

30

2,0%

1.310

15

2,5%

1.455

35

2,5%

1.455

20

3,0%

1.600

35

3,0%

1.600

20

3,5%

1.720

40

3,5%

1.720

20

4,0%

1.840

40

4,0%

1.840

20

4,5%

1.950

45

4,5%

1.950

25

5,0%

2.060

45

5,0%

2.060

25

5,5%

2.155

45

5,5%

2.155

25

6,0%

2.250

50

6,0%

2.250

25

6,5%

2.340

50

6,5%

2.340

25

7,0%

2.430

55

7,0%

2.430

30

PENDIENTE



DESCARGA (m)

0,5%

660

15

1,0%

930

1,5%

246

M ANUAL DE DISEÑO

TUBERIA 100 mm CAUDAL (Q) PENDIENTE

TUBERIA 100 mm LONGITUD DE PENDIENTE

CAUDAL (Q)

LONGITUD DE


DESCARGA (m)


DESCARGA (m)

0,5%

2.840

60

0,5%

2.840

30

1,0%

4.020

85

1,0%

4.020

45

1,5%

4.850

105

1,5%

4.850

55

2,0%

5.680

120

2,0%

5.680

65

2,5%

6.320

135

2,5%

6.320

70

3,0%

6.960

150

3,0%

6.960

75

3,5%

7.495

160

3,5%

7.495

80

4,0%

8.030

170

4,0%

8.030

90

4,5%

8.505

180

4,5%

8.505

95

5,0%

8.980

190

5,0%

8.980

100

5,5%

9.410

200

5,5%

9.410

100

6,0%

9.840

210

6,0%

9.840

105

6,5%

10.230

220

6,5%

10.230

110

7,0%

10.620

225

7,0%

10.620

115



CAUDAL (Q)

LONGITUD DE


DESCARGA (m)


DESCARGA (m)

0,5%

10.130

215

0,5%

10.130

110

1,0%

14.220

300

1,0%

14.220

150

1,5%

17.085

360

1,5%

17.085

185

2,0%

19.950

425

2,0%

19.950

215

2,5%

22.135

670

2,5%

22.135

235

3,0%

24.320

515

3,0%

24.320

260

3,5%

26.160

560

3,5%

26.160

280

4,0%

28.000

595

4,0%

28.000

300

4,5%

29.610

625

4,5%

29.610

315

5,0%

31.220

660

5,0%

31.220

335

5,5%

32.675

670

5,5%

32.675

350

6,0%

34.130

720

6,0%

34.130

365

6,5%

35.470

750

6,5%

35.470

380

7,0%

36.810

780

7,0%

36.810

395

247




CAUDAL (Q)

LONGITUD DE

CAPACIDAD MAXIMA (cm3)

DESCARGA (m)

CAPACIDAD MAXIMA (cm3)

DESCARGA (m)

0,5%

17.110

365

0,5%

17.110

185

1,0%

24.720

1035

1,0%

24.720

1045

1,5%

30.220

1260

1,5%

30.220

1280

2,0%

35.720

1490

2,0%

35.720

1510

2,5%

40.010

1670

2,5%

40.010

1670

248

M ANUAL DE DISEÑO

ANEXO 3 CURVAS DE INTENSIDAD DURACIÓN - FRECUENCIA Matitas

gi

ón

Región del Pacífico

Re

l de

be

ri

Ca

Santa Lucía

Región Andina Tulio Ospina Región Orinoquia

Saravena

Condoto

El Dorado Guamo

Gaviotas

Rio Palo El Mira Sibundoy

Región Amazonia

Leticia Regiones climatológicas de Colombia

Ubicación de las estaciones en las regiones climatológicas de Colombia

180

180

160

Curvas de Intensidad–Duración–Frecuencia para la estación Santa Lucía (Atlántico) en la Región Caribe

160

Curvas de Intensidad–Duración–Frecuencia para la estación Matitas (Guajira) en la Región Caribe

140

Cálculo; Fernando Vélez Abril 1983

140


120 Intensidad mm/hh

Intensidad mm/hh

120 100 25 años

80 60

10 años

100 25 años

80 60

10 años 5 años

5 años

40 20 0

40 2 años

5 15 30 60

20 120

Duración en minutos

0

360

2 años

5 15 30 60

249

120


360


180

180

160

Curvas de Intensidad–Duración–Frecuencia para la estación Guamo (Tolima) en la Región Andina

160

Curvas de Intensidad–Duración–Frecuencia para la estación Tulio Ospina (Antioquia) en la Región Andina

140


140



Intensidad mm/hh

120 100 80

25 años

60

5 años

40

0

25 años

40

2 años

10 años

20

5 15 30 60

120


0

360

5 años

2 años

5 15 30 60

180

120


360

180

160

Curvas de Intensidad–Duración–Frecuencia para la estación El Dorado (Cundinamarca) en la Región Andina

160

Curvas de Intensidad–Duración–Frecuencia para la estación Rio Palo (Cauca) en la Región Andina

140


140




80 60

10 años

20

100

100 80 60

80 25 años

60

25 años

40

100

10 años

10 años

40 5 años

20

20

5 años 2 años

2 años

0 5 15 30 60

120


0 5 15 30 60

360

250

120


360

M ANUAL DE DISEÑO

180

180

160

Curvas de Intensidad–Duración–Frecuencia para la estación Sibundoy (Putumayo) en la Región Andina

160

Curvas de Intensidad–Duración–Frecuencia para la estación Rio Mira (Nariño) en la Región Pacífico

140


140



Intensidad mm/hh

120 100 80 60 25 años 5 años

20

2 años

5 15 30 60

120


0

360

10 años 5 años 2 años

5 15 30 60

180

120


360

180

160

Curvas de Intensidad–Duración–Frecuencia para la estación Condoto (Chocó) en la Región Pacífico

160

Curvas de Intensidad–Duración–Frecuencia para la estación Saravena (Arauca) en la Región Orinoquia

140


140




25 años

40

10 años

0

80 60

40 20

100

100 80

25 años

60 40

80 60

10 años 5 años

20

5 15 30 60

120


5 años

40

2 años

20 0

100

0

360

2 años

5 15 30 60

251

120


360


180

180

160

Curvas de Intensidad–Duración–Frecuencia para la estación Gaviotas (Vichada) en la Región Orinoquia

160

Curvas de Intensidad–Duración–Frecuencia para la estación Leticia (Amazonas) en la Región Amazonia

140


140



Intensidad mm/hh

120 100 80

25 años

60

100 80 60

10 años

5 años

40

5 años

40

2 años

20 0

20

5 15 30 60

120


0

360

2 años

5 15 30 60

252

120


360


10.1 GENERALIDADES Uno de los tipos de obras más comunes en la ingeniería de vías ha sido la de muros de contención, bien sea para la conservación de las dimensiones de la banca o contención de suelos en deslizamientos. Tradicionalmente se han venido utilizando muros de contención por gravedad que absorben las presiones horizontales gracias a su gran masa. Una de las alternativas presentadas a mediados de la década de los sesenta, fue creada por el ingeniero francés Henry Vidal, que consistía en la inclusión de una serie de tiras metálicas, amarradas a unos elementos externos que componían la cara del muro, hasta una determinada longitud dentro del relleno utilizado, para conformar así la masa de contención. Este es un sistema que se ha venido empleando con relativo éxito en la actualidad y tiene el nombre registrado de tierra armada. Se ha visto que aunque el sistema tiene un buen desempeño, su principal problema radica en la determinación de la duración del refuerzo metálico dentro del suelo, ya que este se encuentra expuesto a un proceso permanente de corrosión. Gracias al desarrollo de nuevos materiales que pueden soportar las condiciones de humedad y de acidez o alcalinidad dentro del suelo, se ha venido implementando el uso de mantos sintéticos tales como los geotextiles y geomallas, para que suministren refuerzo, debido a las características mecánicas que estos poseen, como es su resistencia a la tensión. Los estudios que condujeron al uso de esta nueva tecnología tuvieron origen en Francia y Suecia a finales de la década de los setenta. Los muros de contención reforzados con geosintéticos se han convertido mundialmente en una alternativa de construcción frente a los muros de concreto reforzado y a los terraplenes conformados naturalmente, principalmente cuando hay deficiencias en la capacidad portante del suelo de fundación o cuando las condiciones geométricas de la sección de la vía no permiten que las zonas de relleno sean realizadas a un ángulo igual o menor al de reposo natural del suelo de relleno.

253

Capítulo 10 • MU ROS DE CONTENCIÓN REFO R Z ADOS CON GEOSINTÉTI COS

No es necesario que las condiciones sean tan críticas como las mencionadas anteriormente, la gran ventaja es que son alternativas más económicas, de hecho bajo las mismas condiciones geotécnicas y constructivas, un muro de suelo reforzado puede originar una reducción de los costos totales de un 30 a un 60%, se compara con las técnicas tradicionales para la construcción de este tipo de obras, debido al hecho de poder utilizar los materiales térreos del sitio. En países que poseen tecnologías de punta, como los Estados Unidos de América solamente en proyectos de autopistas federales, se han construido más de dos mil muros en suelo reforzado con geosintéticos. La evolución en este campo ha sido tan grande, que hoy en día, gracias a investigaciones realizadas por la FHWA (Federal Highway Administration) de ese país, se han desarrollado métodos constructivos y de diseño para conformar las pilas de puentes, en suelo reforzado con geosintéticos.

10.2 METODOLOGÍA DE DISEÑO Al incluir un material con resistencia a la tensión dentro de una masa de suelo que debe soportar una serie de empujes, se logra aumentar la resistencia general del conjunto, básicamente por el esfuerzo cortante desarrollado entre el geosintético y las capas de suelo adyacentes. Existen un sinnúmero de planteamientos para resolver el diseño de un muro en suelo mecánicamente estabilizado, dentro de los cuales se pueden nombrar el del Servicio Forestal de los Estados Unidos (Revisado en 1983), Broms (1978), Collin (1986), Bonaparte et al. (1987), Leshinsky y Perry (1987), Schmertmann et al. (1987) y Whitcomb y Bell (1979). La diferencia entre estos métodos radica principalmente en la manera de enfocar las distribuciones de esfuerzos, la superficie de falla y los valores para los diversos factores de seguridad involucrados. Su similitud se basa en que asumen que en la estructura no se presentan presiones hidrostáticas y que en la superficie de falla activa es una superficie plana definida por la metodología de Rankine. Sin embargo se ha demostrado que la inclusión de un refuerzo altera el estado de esfuerzos y tensiones en una masa de suelo, haciendo que la superficie de falla sea diferente a la de una masa de suelo no reforzada. Para permitir una familiarización con el proceso de diseño que los muros en suelo reforzado requieren, se listará a continuación la serie de pasos necesarios con el fin de evaluar tanto la estabilidad interna como externa del muro.

10.2.1 Establecer los límites del diseño, alcance del proyecto y las cargas externas 1O.2.1.1 Determinar la altura máxima del muro, variaciones de alturas, sección transversal y longitud total. El nivel superior servirá como referencia para la construcción de todas las capas en el caso de muros con alturas variables, es decir, se recomienda que el muro tenga continuidad en su sentido longitudinal. (Ver Figura 10.1)

Recomendable

No Recomendable

Figura 10.1 Continuidad de las capas de refuerzo

254

M ANUAL DE DISEÑO

10.2.1.2 Determinar la inclinación de la cara del muro en relación con la horizontal. Se define 70° como la inclinación mínima para los muros de contención, de lo contrario el caso sería el de un terraplén o un talud, donde la superficie de falla es curva y los métodos a utilizar para determinarla no se ajustan al de Rankine. 10.2.1.3 Evaluar las cargas externas y su ubicación (Ver Figura 10.2).

P2

P1 Sobrecarga

d

Z Lg

Le

H

σPS 45 + φ/2

Lo

+

σSC

+

σCV

=

σh

Sv

Empuje del suelo

LL

Empuje por Empuje por Empuje Total sobrecarga cargas vivas

Figura 10.2 Conceptos de presión de suelos y teoría de muros con Geotextil a. Presión lateral de tierras b. Sobrecarga uniforme, q = γ * d

(10.1)

c. Sobrecargas concentradas, Fv, Fh d. Cargas vivas, ∆q e. Cargas sísmicas, αg 10.2.1.1 En el caso de existir un terraplén sobre el muro, determinar la inclinación β con respecto a la horizontal y definirlo como una sobrecarga. 10.2.1.2 Para proteger el muro de la acción ambiental (radiación ultravioleta), de actos vandálicos o de la posible acción de roedores, este se debe cubrir con elementos rígidos o flexibles, tales como: • Mampostería: se puede pensar en utilizar cualquier tipo de bloques para conformar la fachada, la cual no soportará ningún tipo de empuje horizontal originado por el muro reforzado con geosintético. Se deberá verificar el comportamiento estructural de la fachada independientemente de la estructura en suelo reforzado. • Paneles de concreto: se deberá pensar durante el cálculo de la separación vertical entre capas de refuerzo, la posición para la inclusión de las varillas de anclaje para los paneles. Se recomienda que los pases queden ubicados de tal manera que no vayan a romper el geotextil sobre la cara vertical del muro. • Recubrimiento en mortero o concreto lanzado o fundido in-situ: para este tipo de acabados, se debe considerar la utilización de una malla de vena, colocada adecuadamente sobre la cara vertical del muro.

255


• Para una inclinación de la cara del muro de 70°, esta se podrá cubrir con vegetación, colocándose como elemento de refuerzo para la vegetación a un geotextil de malla abierta tipo “Ecomatrix”, con el fin, de permitir que esta permanezca en su sitio hasta que se desarrolle totalmente. • Si las obras son temporales, esto es, la duración de la vida útil del muro no comprenderá un período de tiempo mayor a los 6 meses, el geotextil podrá dejarse expuesto. • En el caso de muros en suelo reforzado con geomallas estos pueden ser recubiertos con los productos anteriormente mencionados haciendo énfasis en la construcción de la fachada con elementos prefabricados los cuales están conectados con el refuerzo y son de fácil colocación, pero igual que los recubrimientos realizados con mampostería estructural, el comportamiento de estos debe ser verificado garantizando su estabilidad independientemente de la estructura en suelo reforzado. 10.2.1.3 Determinar la separación entre cada una de las capas de refuerzo con geosintético. Se recomienda por comodidad en la etapa de diseño, que únicamente se trabaje con un sólo tipo de geosintético y dejar que la separación vertical SV entre capas sea el factor variable. Sin embargo, otra alternativa que resulta técnica y económica factible en el diseño de muros en suelo reforzado en especial para alturas mayores a 8m, es la de usar para el mismo muro dos o más referencias de geotextiles o geomallas conservando un mismo espesor de capa, según la resistencia requerida para cada capa del refuerzo. (Ver numeral 10.3) 10.2.1.4 Para garantizar que el muro trabaje bajo los mismos supuestos de diseño, se deben considerar las condiciones adicionales que puedan afectar su comportamiento, como: • Drenaje: Para evitar ascensos de los niveles de agua, con las posteriores presiones hidrostáticas, se debe construir un drenaje en el contacto muro-ladera, este drenaje estará compuesto por un geotextil No Tejido punzonado por agujas, que cumple la función de filtro y dentro del cual se colocará un material poroso que podrán ser gravas con granulometría entre 1/2” y 3”, otra alternativa es la colocación de un sistema de drenaje con geodrén (Ver Capítulo 9) o cualquier otra forma de drenaje sugerida por el ingeniero diseñador del proyecto. El colchón drenante está constituido por un espesor de material granular, que en lo posible debe cubrir toda la superficie de cimentación protegido con un geotextil No Tejido diseñado para que pase el agua y retenga las partículas finas de la estructura; este elemento ayuda a la disipación de la presión de poros y al abatimiento del nivel freático. El ángulo de fricción generado en el contacto de un geotextil punzonado por agujas y el suelo, δ, sobre el que se apoya, varía del 92 al 96% de φ dependiendo del tipo de suelo (Ver Tabla 10.5). El agua captada por el drenaje chimenea deberá ser conducida a un sistema de evacuación. • Lluvias, escorrentías y aguas de infiltración: Se deben considerar además unos lloraderos para evacuar el agua que por infiltración pueda llegar hasta la zona reforzada con el geosintético. Estos lloraderos se podrán construir con tubería perforada forrada con un geotextil No Tejido punzonado por agujas, o con geodren planar con pendiente no menor al 3% en el área de refuerzo, que sobresalga de la cara del muro. Para cualquier tipo de lloraderos se debe tener en cuenta el correcto manejo del agua captada por los mismos. Es por esto que se recomienda construir una canaleta en la parte inferior de la cara del muro, con el fin de captar y evacuar el agua que emerge del muro, evitando así la socavación de la base de la estructura.

256

M ANUAL DE DISEÑO

• Tipo de agregado a utilizarse: Se recomienda como material de relleno aquel que posea un índice de plasticidad máximo de 20 y un contenido de finos < 50%, evaluando las deformaciones que se puedan presentar. En el caso de utilizarse un material granular, deberá evaluarse la supervivencia del geosintético a las condiciones de instalación, esto es, el tamaño máximo del agregado, la altura mínima de las capas de compactación y la presión de contacto que generen los equipos de construcción, como se explica en la guía sobre diseño de estabilización y separación de subrasantes. (Ver Capítulo 4). En el caso de geomallas uniaxiales se recomiendan utilizar suelos en su mayoría granulares debido al efecto de trabazón que este tipo de refuerzo genera en el suelo.

10.2.2 Determinar las propiedades ingenieriles del suelo de fundación 10.2.2.1 Determinar los parámetros de resistencia cu, o c’ y φ’. 10.2.2.2 Determinar los pesos unitarios γt, γd y las propiedades índice del material. 10.2.2.3 Localización del nivel freático.

10.2.3 Determinar las propiedades del suelo a usar en la construcción del muro y Ias del relleno de confinamiento 10.2.3.1 Determinar la gradación y el índice de plasticidad, verificando si cumplen con las especificaciones mínimas exigibles para los materiales de relleno. Del Artículo 220 de las especificaciones generales de construcción de carreteras del Ministerio de Transporte - Instituto Nacional de Vías, 2000, los requisitos para materiales a utilizar en la conformación de terraplenes, son los siguientes:

Tabla 10.1 Especificaciones generales del material para construcción de terraplenes Suelos

Seleccionados

Adecuados

Tolerables

Corona, Núcleo, Cimiento


Núcleo, Cimiento

75mm

100mm

150mm

Pasa Tamiz No. 200

≤ 25% en peso

≤ 35% en peso

≤ 35% en peso

CBR de laboratorio

≥ 10.0%

≥ 5.0%

≥ 3.0%

Expanción de prueba CBR

0%

< 2.0%

< 2.0%

Contenido de materia orgánica

0%

< 1.0%

< 2.0%

Límite líquido

< 30

< 40

< 40

Índice de plasticidad

< 10

< 15

-

Aplicación Tamaño Máximo

De acuerdo con la FHWA para la construcción de suelos en tierra reforzada en proyectos viales como accesos a puentes donde los asentamientos deben ser mínimos, se recomienda que el suelo de relleno tenga las siguientes propiedades:

257


Tabla 10.2 Especificaciones suelos de relleno, según la FHWA Tamaño Del Tamiz

% Pasa

4”

100%

No. 4

0 a 60%

No. 200

0 a 15%

Índice de plasticidad no debe ser mayor a 6

Por lo general el material más apropiado para ser utilizado en rellenos de tierra reforzada es aquel de tipo granular con un mínimo de finos. Sin embargo este tipo de material es cada vez es más escaso y su transporte incrementa los costos del proyecto, haciendo que este no sea económicamente viable. Una de las ventajas más importantes de este tipo de sistemas de refuerzo, es la capacidad de poder trabajar con los mismos materiales que se encuentran en el sitio de la obra. Sin embargo hay que tener en cuenta los procedimientos de compactación de este tipo de suelo, debido a que en épocas de lluvia se incrementa la dificultad de compactarlos y llevarlos a una densidad considerable. También se debe hacer énfasis en el sistema de drenaje a utilizar en este tipo de suelos, ya que al aumentar el contenido de humedad la resistencia al corte de este tipo de suelos disminuye rápidamente. En el caso de considerarse la utilización de materiales plásticos o arcillosos se recomienda que estos sean mejorados con materiales granulares, con el fin de reducir sus características de deformación bajo condiciones de humedad y carga. En Colombia existen experiencias en las cuales se utilizó material con una fracción granular menor al 50% y baja a mediana plasticidad, en el caso de utilizar este tipo de materiales es importante obtener los análisis completos del material para determinar el comportamiento del sistema en suelo reforzado, con respecto a las deformaciones a largo plazo según el uso o aplicación que se le de al muro. El estudio y análisis de estos comportamientos generados principalmente por los asentamientos y consolidación del material de relleno pueden ser medidos en un programa de elementos finitos. 10.2.3.2 Determinar la humedad óptima ωopt y el γdmax, datos obtenidos de un ensayo Proctor modificado. Se recomienda que el material a usar en la construcción del muro se compacte al 95% del Proctor modificado. 10.2.3.3 Obtener el ángulo de fricción interna por medio de los ensayos de corte directo drenados o de los triaxiales.

10.2.4 Establecer los factores de seguridad a usar durante el diseño 10.2.4.1 Estabilidad Interna Determinar la resistencia a la tensión admisible del geotextil.

Tadm

= Tult / FS

FS

= (FRID * FRFL* FRDQB)

(10.2)

(10.3)

Donde: Tult

=

Resistencia última del geotextil por el método de la tira ancha. (ASTM D 4595)

NATIONAL HIGHWAY INSTITUTE, FEDERAL HIGHWAY ADMINISTRATION, Mechanically Stabilized Earth Walls And Reinforced Soil Slopes Design And Construction Guidelines, FHWA-NHI-00-043, March 2001. Es importante recordar que los valores obtenidos del ensayo de resistencia a la tensión por el método Grab, si se pasan a un ancho equivalente de 1.0 metro, serán mayores a los obtenidos por el método de la tira ancha, principalmente por el efecto de adelgazamiento que sufre la muestra durante el ensayo, haciendo que la relación de Poisson exceda el valor de 0.5. El ensayo Grab es representativo para los valores de producción y nunca refleja el comportamiento ingenieril del geotextil como refuerzo.

258

M ANUAL DE DISEÑO

FSg

=

Valores recomendados de 1.3 a 1.5 para condiciones estáticas; el ingeniero diseñador

debe revisar y seleccionar el factor de seguridad más apropiado de acuerdo a las características

de cada proyecto, según las características de los materiales y la aplicación que se le de

a este tipo de estructura.

FRID

=

Factor de Reducción por daños durante la instalación.

FRFL

=

Factor de Reducción por carga continua sobre el geotextil (fluencia).

FRDQB

=

Factor de Reducción por degradación química/biológica.

Los valores recomendados para los factores de reducción se encuentran en la Tabla 3.1 y Tabla 3.2 del presente manual. 10.2.4.2 Estabilidad externa y asentamientos Los factores que se mencionan a continuación son los factores mínimos recomendados por la AASHTO para el cálculo y diseño de muros en suelo reforzado para accesos a puentes según los lineamientos de la FHWA. La selección de estos valores deben ser establecidos por el ingeniero diseñador según las características geomecánicas de los materiales a utilizar y de las condiciones propias del proyecto.

Tabla 10.3 Factores de seguridad mínimos para análisis estático Tipo De Análisis

Factor De Seguridad

Deslizamiento

1,5

Volcamiento

2,0

Capacidad Portante

3,0

Estabilidad Global

1,3

Asentamientos

Según los requerimientos del proyecto

Tabla 10.4 Factores de seguridad para análisis sísmico Tipo De Análisis

Factor De Seguridad

Deslizamiento

1,125

Volcamiento

1,5

Estabilidad Global

1,1

10.2.5 Diseño de Estabilidad Interna 10.2.5.1 Determinar las dimensiones preliminares del muro. Por razones constructivas y para evitar un embombamiento en la cara externa de cada una de las capas, se recomienda que la altura de las capas de refuerzo no exceda los 50cm, así en el cálculo se hayan obtenido valores mayores. Dimensión de la base del muro. En la mayoría de los casos se asume inicialmente mayor o igual a 0.7 veces la altura máxima. 10.2.5.2 Desarrollar los diagramas de presión lateral de tierras para la sección reforzada. Estos se componen por la sumatoria de los valores obtenidos para el empuje lateral de tierras, por cargas muertas, cargas vivas y sísmicas. 10.2.5.3 Calcular los máximos esfuerzos horizontales en cada capa de refuerzo.

259


10.2.5.4 Diseñar la separación vertical entre capas y las longitudes de desarrollo del geotextil para cada una de estas. •

Dimensionamiento de la separación vertical entre capas de refuerzo SV:

Se evalúan primero las presiones de tierra originadas por la presión del suelo, de las cargas, sobrecargas y las cargas vivas.

σPS

= Ka * γ * z

(10.3)

σSC

= Ka * q

(10.4)

σCV

= P (x2z / R5)

(10.5)

σh

= σPS + σSC + σCV

(10.6)

Donde: σPS

=

Presión debida al suelo

Ka

=

tan2 (45 - φ/2), coeficiente de presión activa

φ

=

Ángulo de resistencia al corte del suelo de relleno en la zona reforzada

γ

=

Peso unitario del suelo de relleno

z

=

Profundidad desde la superficie hasta la capa en estudio

σSC

=

Presión debida a sobrecargas

q

=

γ*D. Sobrecargas en la superficie, donde γ es el peso unitario de la sobrecarga

D

=

Profundidad del suelo de sobrecarga

σCV

=

Presión debida a las cargas vivas

P

=

Cargas concentradas

x

=

Distancia horizontal entre la carga y la cara vertical del muro

R

=

Distancia radial entre el punto de carga sobre el muro y donde la presión está siendo calculada.

Al determinar cada una de estas presiones, se hace su sumatoria, teniendo en cuenta que esta se realiza en la profundidad correspondiente a cada una de las capas de refuerzo. Al hacer un diagrama de cuerpo libre en el diagrama de presiones laterales totales y sumando las fuerzas en la dirección horizontal, se obtiene la siguiente ecuación, para calcular la separación vertical entre las capas de refuerzo.

SV

= Tadm / (σh * FS)

(10.7)

Donde: SV

=

Separación vertical (Espesor de cada capa)

Tadm

=

Esfuerzo admisible del geosintético, calculado según ecuación (10.2)

σh

=

La presión lateral total en la profundidad total

FSg

=

Factor de seguridad global (usar 1.3 a 1.5)

• Cálculo de las longitudes de desarrollo del refuerzo con geosintético: Estas se componen por tres longitudes, que sumadas dan la longitud total a utilizarse por capa en la sección transversal del muro.

260

M ANUAL DE DISEÑO

1.

Longitud geométrica hasta la zona de falla, Lg (Ver Figura 10.3)

Lg / (H-z)= tan (45 - φ/2) Lg

= (H-z) * tan (45 - φ/2)

(10.8)

Lg Le

H

45 + φ/2

Sv

Lo

Figura 10.3 Despiece de las capas 2.

Longitud de empotramiento, Le

Esta corresponde a la superficie de empotramiento por detrás de la zona de falla, donde debido a la interacción de suelo-geotextil o suelo-geomalla se desarrollan las fuerzas resistentes.

τ

τadm

τ Le 45 + φ/2

Figura 10.4 Cálculo de la longitud de empotramiento del refuerzo Haciendo sumatoria de fuerzas en X: Σ Fx, se obtiene:

σh * SV * FS = 2 * Fza. Corte

Fza. Corte = τ * Le

τ

= c + σ*tanδ

Le

= σh * CV * FS / 2 (c + σ*tanδ)

(10.9)

Donde δ es el ángulo de fricción entre el suelo y el geosintético de refuerzo. Obtenido por medio del método de ensayo de la norma ASTM D 5321, con el cual se determina la resistencia al corte entre suelo – geosintético ó entre geosintético – geosintético. Este es uno de los ensayos más importantes a nivel de diseño que se recomienda realizar en aplicaciones de refuerzo con geosintéticos, con los cuales se permite obtener diseños óptimos y eficientes según los materiales presentes en cada proyecto. 261


La fuerza de adherencia suelo – geotextil disipa los esfuerzos generados por las presiones laterales a las que se ve sometida la estructura en suelos friccionantes y cohesivos de la siguiente forma:

FC

= 2 Le (Ca * L + σh * tan δ)

(10.10)

Donde: FC

=

Fuerza de adherencia suelo – geotextil a lo largo de la longitud de empotramiento

Ca

=

Cohesión suelo – geotextil

tan δ

=

Coeficiente de fricción suelo – geotextil

σh

=

Presión normal efectiva a la profundidad del refuerzo

A continuación se presenta el procedimiento de ensayo para medir la adherencia suelo – geosintético presentado por Koerner el cual se recomienda realizar para proyectos de gran tamaño en los cuales la información geotécnica tenga un grado de certeza considerable para la realización y ajuste del diseño de la estructura, este ensayo es una variación del ensayo de corte directo en el cual se coloca una muestra representativa del suelo ubicada en la parte inferior de la caja y es compactada al porcentaje estimado a usar en campo (se recomienda que sea al 95% del ensayo Proctor modificado), una vez se compacta la última capa de material, se enrasa y se coloca la parte móvil de la caja seguido de la capa de geosintético y finalmente el suelo restante compactado y enrasado. Haciendo varios ensayos con diferente presión normal, preferiblemente en el rango de presiones a las que será sometido el geosintético; se encuentra la variación de la resistencia al cortante máximo, τmax en función del esfuerzo normal, σn, dibujando la envolvente de falla para los diferentes niveles de esfuerzo calculados (Ver Figura 10.5) se miden en esta gráfica los valores de Ca y δ.

τ δ

Envolvente de falla Ca

σn

Figura 10.5 Envolvente de falla ensayo de corte directo para geosintéticos Una vez finalizado el ensayo se puede realizar el ensayo de corte directo para el material de relleno para determinar cual es la eficiencia del sistema suelo – geosintético contra la interacción suelo – suelo. Según la norma ASTM D 5321, las dimensiones de la caja para el ensayo de corte directo debe tener por lo menos unas dimensiones de 300 mm x 300 mm. Koerner recomienda el uso de este tipo de cajas especialmente para ensayos del tipo suelo – geomalla, suelo – geored o suelo – geomembrana, esto con el fin de minimizar los efectos de escala. También se hace la aclaración que para ensayos suelo – geotextil se pueden utilizar cajas de 100mm x 100mm, y se debe tener en cuenta los siguientes parámetros:

Koerner, R.M., “Designing With Geosynthetics”, Quinta Edición

262

M ANUAL DE DISEÑO

• Usar el tipo de suelo específico del lugar del proyecto • Controlar la densidad y la humedad de la muestra • El ensayo se debe realizar con el suelo saturado • Utilizar el mismo tipo de líquido encontrado in-situ (Ej.: Lixiviado)

σn

τ

Bloque con geosintético Suelo

Figura 10.6 Ensayo de corte con geosintéticos Las magnitudes de Ca y δ dependen directamente del tipo de geosintético y de las propiedades físicas y mecánicas del suelo de relleno, tales como su granulometría, plasticidad y las más importantes la cohesión y fricción del suelo. En el capítulo 2 se describe el procedimiento de ensayo según la norma ASTM D 5321. En las Tablas 10.5 y 10.6 se referencian algunos ensayos realizados para determinar los valores de Ca y δ, según el tipo de suelo y el tipo de geotextil. Estos valores también son expresados en función de c´ y φ´ como un porcentaje de los mismos. Tabla 10.5 Valores típicos de δ para distintos tipos de arenas Tipo De Geotextil

Geotextil Tejido cinta plana Geotextil No Tejido punzonado por agujas

Arena de grano medio a grueso

Arena Redondeada

Arena Limosa

φ = 30°

φ = 28°

φ = 26°

24° (77%)

24° (84%)

23° (87%)

30° (100%)

26° (92%)

25° (96%)

Para suelos con porcentaje de contenido de finos se tienen los siguientes valores: Tabla 10.6 Valores de Ca y δ para suelos con contenido de finos y geotextiles Tejidos de cinta plana Cohesión Suelo

Adherencia Suelo - Geotextil

φ Suelo

δ Suelo Geotextil

Porcentaje De φ

(T/m2)

(T/m2)

(°)

(°)

(%)


1,0

1,8

37,0

34,5

93,2%


3,5

1,5

35,4

30,8

87,0%


3,7

1,5

33,0

29,9

90,6%


3,7

1,5

32,0

25,6

80,0%


3,8

1,6

28,7

21,1

73,5%

Mezclas Utilizadas

Koerner R.M., Designing With Geosynthetics, 5 ED, pag.127, Tabla 2.5.

263


Para prediseños o diseños de muros en suelo reforzado de baja altura y sometidos a cargas muertas menores, se puede tomar un valor de δ entre 0.7φ y 0.85φ, siendo 0.7φ el valor más conservador. En cierto tipo de aplicaciones el conocimiento del ángulo de fricción entre el suelo y el geosintético es más relevante para la estabilidad externa que el conocimiento de este para el chequeo de estabilidad interna.

3.

Longitud del doblez superior Lo

=

Para efectos prácticos asumirla siempre igual a 1.0 metro.

La longitud total a usarse para cada capa de geotextil será:

LT

= Lg + Le + Lo + SV

(10.11)

Que finalmente podrá ser acomodada a una medida constructiva que corresponda a múltiplos de 0.50m. El instituto nacional de vías de los Estados Unidos de América y la FHWA en su documento “Mechanically Stabilized Earth Walls and Reinforced Soil Slopes Design and Construction Guidelines” recomienda que la longitud mínima del refuerzo en este tipo de estructuras sea mayor o igual a 0.7 veces la altura del muro y que la longitud del refuerzo sea la misma en toda la altura del muro.

10.2.6 Análisis de la estabilidad externa del muro •

Revisar la estabilidad al deslizamiento

•

Revisar la estabilidad al volcamiento

•

Revisar capacidad portante

•

Revisar la estabilidad de la excavación para la construcción del muro

•

Revisar la estabilidad global

Las ecuaciones para la verificación de la estabilidad externa se encuentran en la sección 10.3 como parte de la solución del ejemplo de diseño.

10.2.7 Análisis de la estabilidad dinámica 10.2.7.1 Presiones laterales debidas a sismos, método pseudo-estático Los sismos, generan vibraciones en el suelo, las cuales producen presiones laterales adicionales a las estáticas generadas por el suelo de relleno, por las cargas muertas y las cargas vivas que se encuentran en la parte superior de la estructura. La teoría más conocida para calcular este tipo de sobrepresiones generadas en el suelo para el diseño de estructuras de contención es la propuesta por Mononobe-Okabe, la cual es una modificación de la teoría propuesta por Coulomb. Según Mononobe-Okabe el empuje total activo en condiciones de sismo es:

Pas

= ½ * Kas * γ * H2 – c´ * (Kas)½ * H

(10.12)

Pas

= ½ * Kas * γ * H2

(10.13)

Para suelos granulares

264

M ANUAL DE DISEÑO

El cálculo o la estimación del coeficiente de presión activo Kas se determina mediante las siguientes ecuaciones:

(10.14)

(10.15)

(10.16)

Donde: α

=

Ángulo de inclinación del trasdós

β

=

Inclinación de inclinación del suelo retenido

δ

=

Ángulo de fricción suelo - geotextil

φ´

=

Ángulo de fricción interna del material

ah

=

Coeficiente sísmico horizontal

av

=

Coeficiente sísmico vertical

La Norma Colombianas de Diseño y Construcción Sismo Resistente NSR-98 en su título A establece las zonas de amenaza sísmica por regiones y ciudades en nuestro país, clasificándolas por zona de amenaza sísmica baja con valores de ah menores o iguales a 0.1g; zonas de amenaza sísmica intermedia con valores entre 0.1 y 0.2g; y por último zonas de amenaza sísmica alta con aceleraciones mayores a 0.2g. Dependiendo del sitio de la construcción del muro y con base en estudios de amenaza sísmica se obtienen los coeficientes de aceleración ah y av. Para efectos prácticos se puede asumir ah entre 0.1g y 0.2g. Determinada la presión activa Pas se puede realizar la evaluación de la estabilidad externa de la estructura. Teniendo en cuenta que en condiciones dinámicas, los factores de seguridad para deslizamiento, volcamiento y estabilidad interna son los menores que en condiciones estáticas (Ver Tabla 10.4).

10.2.8 Diseñar los sistemas de drenaje Para el control de aguas superficiales y subsuperficiales. En los capítulos 8 y 9 del presente manual se presenta una guía sobre el diseño de sistemas de drenaje donde se explica todo el procedimiento.

10.3 EJEMPLO DE DISEÑO Se requiere construir una estructura en suelo reforzado, para obtener una superficie adicional y conformar la bancada de una vía de doble carril, que soportará tráfico pesado en los dos sentidos.

265


Geometría del muro: Altura máxima: Longitud:

12.0 m

Inclinación de la cara:

75.0 m Vertical

El suelo a utilizarse como material de relleno en la zona reforzada tiene las siguientes características y propiedades geomecánicas: c’

= 1.4 T/m2

φ’

= 30°

LL

= 25

LP

= 15

Pasa Tamiz 200

= 35 %

ωn

= 75 %

γdmax

= 1.90 T/m3

γt

= 1.78 T/m3

ωopt

= 16%

El suelo de la ladera que servirá al tiempo como fundación, tiene las siguientes características: c’

= 1.0 T/m2

φ’

= 26°

LL

= 40

LP

= 23

Pasa Tamiz 200

= 27 %

γT

= 1.70 T/m3

Se tiene además una estructura de pavimento con los siguientes espesores y sus respectivos pesos unitarios: Sub-base granular: 40 cm, 1.9 T/m3 Base granular:

20 cm, 2.0 T/m3

Carpeta asfáltica: 10 cm, 2.2 T/m3 Diseñar el muro estableciendo la separación vertical entre capas, las longitudes de desarrollo del geotextil y verificar su estabilidad externa.

Solución: Evaluación de cargas: • Sobrecargas uniformes Para el cálculo de sobrecargas se tendrá en cuenta la carga generada por la estructura de pavimento ubicada en la corona del muro. En aplicaciones viales la AASHTO recomienda como sobrecarga mínima la generada por un espesor de 0.60 m, repartida uniformemente sobre toda la superficie superior del muro. 266

M ANUAL DE DISEÑO

q = Σ (γ * d) q = 0.4m * 1.9T/m2 + 0.2m * 2.0T/m2 + 0.1m * 2.2T/m2 q = 1.38 T/m2 • Cargas vivas Se deben tener en cuenta todas las cargas puntuales y longitudinales ubicadas en la parte superior del muro, tales como muros de borde de vía, cimientos, etc., para este caso en particular se tomó la carga viva generada por el tráfico como se muestra en la siguiente figura.

Figura 10.7 Esquema de eje Tandem para cálculo para cargas vivas Presión lateral debida a carga puntual Qp (Ecuación de Boussinesq modificada por experimentación)

267


Para m ≤ 0.4

Para m > 0.4

σ’H = σH cos2

(1.10)

Presión lateral debida a carga lineal QL (Ecuación de Boussinesq modificada por experimentación)

Para m ≤ 0.4

Para m > 0.4

Resultante:

Resultante:

PH = 0.55 QL

Figura 10.8 Presiones laterales de suelo debidas a cargas superficiales

Se calculan los incrementos de carga generados por cada rueda y se grafica el esfuerzo horizontal total producido por todas las llantas sobre la cara del muro con respecto a la profundidad.

268

M ANUAL DE DISEÑO

Tabla 10.7 Cálculo de distribución de esfuerzos por cargas vivas con respecto a la profundidad Z

Σ (σh+σ’h)

0

0,000

1

0,046

2

0,130

3

0,176

4

0,173

5

0,145

6

0,113

7

0,084

8

0,062

9

0,046

10

0,035

11

0,026

12

0,020

Figura 10.9 Esfuerzos verticales debido a las cargas vivas

10.3.1 Análisis de Estabilidad Interna Datos del suelo: c

= 1.4 T/m2

φ

= 30°

γt

= 1.78 T/m3

γd

= 1.90 T/m3

Datos del muro: Sobrecargas

= 1.38 T/m2

Altura máxima

= 12.0 m

Base

= 10.2 m

Datos del material de refuerzo: Los geosintéticos seleccionados para la realización de este ejemplo son: geotextil Tejido T2400, geomalla uniaxial TT090 y geomalla uniaxial TT120. • Geotextil Tejido T2400: Tadm

= Tult / FRID * FRFL * FRDQB

Tult

= 41 KN/m


269


Tadm

= 41 KN/m / (1.2 * 2.2 * 1.0)

Tadm

= 15.5 KN/m = 1.6 T/m

• Geotextil Tejido TR4000: Tadm


Tult

= 64 KN/m

Tadm

= 64 KN/m / (1.2 * 2.2 * 1.0)

Tadm

= 24.4 KN/m = 2.5 T/m


• Geomalla TT090: Tadm


Tult

= 90 KN/m

Tadm

= 90 KN/m / (1.2 * 2.0 * 1.0)

Tadm

= 37.5 KN/m = 3.8 T/m


Debido a que el muro presenta una altura mayor de 7m, se decidió dividir la altura del muro en 3 segmentos, cada segmento del muro constará de un tipo de refuerzo diferente y una separación entre capas constante, todo esto con el fin de simplificar el proceso de diseño y ejecución del proyecto. Tercio inferior: 12.0 m ≤ z ≤ 8.0 m Debido a que los esfuerzos a esta profundidad serán mucho mayores, se seleccionó la geomalla TT090 para el refuerzo en este tercio. Como ilustración para una profundidad de z = 10.0 m Ka

= tan2 (45 - φ/2) = 0.333

σh


σh

= Ka * γ * z + Ka * q + σCV

σh

= 0.333 * 1.78 * 10.0 + 0.333 * 1.38 + σCV

σh

= 6.39 T/m2 + σCV

Donde σCV es originado por las cargas vehiculares (Ver Tabla 10.7). σCV

= Σ(σh + σ’h)

σCV

= 0.035 T/m2

• Separación vertical entre capas de refuerzo SV: Con un Factor de Seguridad Global FSg

= 1.3

Se obteniéndose una separación vertical para esta capa de: SV

= Tadm / (σh * FS)

SV

= 3.8 / (6.39 + 0.035) * 1.3)

SV

= 0.45 m ⇒ 0.40 m de separación 270

M ANUAL DE DISEÑO

• Longitud geométrica hasta la zona de falla, Lg: Lg

= (H-z) * tan (45 - φ/2)

Lg

= (12.0 – 10.0) * tan (45 – 30/2)

Lg

= 1.15 m

• Longitud de empotramiento, Le: Le

= σh * SV * FS / 2 * (c + σ * tanδ)

Donde: δ

= 0.8 φ

δ

= 24°

tan δ

= 0.445

Entonces la longitud de empotramiento de la capa en consideración es: Le

= 3.8 / 2 * (1.4 + 1.78 * 10.0 * 0.445)

Le

= 0.21 m

Debido a que Le no puede ser menor que 1.00 m se toma este valor para el diseño de la capa. Le min

= 1.00 m

Por lo que la longitud del refuerzo para la capa en z = 10.0m es igual a: LT

= Lg + L e

LT

= 1.15 m + 1.00 m

LT

= 2.15 m

Para el caso de refuerzo con geomallas la longitud del doblez no se cuantifica debido a que la geomalla en la mayoría de los casos no hace parte de la fachada del muro. Debido a que no sólo se debe garantizar la estabilidad interna del muro sino también la estabilidad externa; la longitud a usar en los refuerzos fue igual al 85% de la altura del muro. Para muros con alturas menores a 3.0 m se recomienda que la longitud a utilizar no sea menor que 2.4 m. por lo que: LT

= 10.2 m

Tercio medio: 8.0 m ≤ z ≤ 4.0 m Esta sección del muro comprende el refuerzo entre los 4.0 m y los 8.0 m de altura de la estructura. Para este tercio de la estructura se seleccionó el geotextil Tejido TR4000 el cual tiene la resistencia apropiada para el refuerzo de esta parte del muro. Como ilustración para una profundidad de z = 6.0 m σh


σh

= Ka * σ * z + Ka * q + σCV

σh

= 0.333 * 1.78 * 6.0 + 0.333 * 1.38 + σCV

σh

= 4.02 T/m2 + σCV 271



= 0.113 T/m2


= 1.3

Se obteniéndose una separación vertical para esta capa de: Sv

= Tadm / (σh * FS)

SV

= 2.5 / (4.02 + 0.113) * 1.3)

SV

= 0.46 m ⇒ 0.40 m de separación


= (H-z) * tan (45 - φ/2)

Lg

= (12.0 – 6.0) * tan (45 – 30/2)

Lg

= 3.46 m


= σh * SV * FS / 2*(c + σ * tanσ)

Donde: σ

= 0.8 σ

σ

= 24°

tan σ

= 0.445


= 2.5 / 2 * (1.4 + 1.78 * 6.0 * 0.445)

Le

= 0.20 m


= 1.00 m

Por lo que la longitud del refuerzo a usar para la capa en z = 6.0m es igual a: LT

= Lg + L e + L o + S V

LT

= 3.46 m + 1.00 m + 1.00 m + 0.40 m

LT

= 5.86 m

Para el caso de refuerzo con geotextil se cuantifica la longitud del doblez y la longitud de la separación vertical para el cálculo de la longitud total de la capa. Teniendo en cuenta la recomendación de que la longitud del refuerzo sea la misma en toda la altura del muro la longitud a usar para el geotextil es: LT

= 0.85 * 12.0 m + 1.00 m + 0.40 m

LT

= 11.5 m

272

M ANUAL DE DISEÑO

Aproximado al múltiplo de 0.50 m más cercano. Tercio superior: 4.0 m ≤ z ≤ 0.0 m Esta sección del muro comprende el refuerzo entre la corona del muro y los 4.0 m de altura de la estructura. Para este tercio de la estructura se seleccionó el geotextil Tejido T2400 el cual tiene la resistencia necesaria para el refuerzo en esta parte del muro. Como ilustración para una profundidad de z = 4.0 m σh

= 0.333 * 1.78 * 4.0 + 0.333 * 1.38 + σCV

σh

= 2.83 T/m2 + σCV


= 0.173 T/m2

• Separación vertical entre capas de refuerzo SV:

Sv

= Tadm / (σh * FS)

Sv

= 1.6 / (2.83 + 0.173) * 1.3)

SV



= (H-z) * tan (45 - σ/2)

Lg

= (12.0 – 4.0) * tan (45 – 30/2)

Lg

= 4.62 m


= 1.6 / 2 * (1.4 + 1.78 * 4.0 * 0.445) = 0.17 m

Le min

= 1.00 m

• Longitud a utilizar para el refuerzo, LT: La longitud del refuerzo a usar para la capa en z = 4.0 m es igual a: LT

= 0.85 * 12.0 m + 1.00 m + 0.40 m

LT

= 11.5 m

Se debe realizar el procedimiento anterior para cada capa de refuerzo de la estructura, el resumen de este cálculo se muestra en la Tabla 10.8.

273


Geomalla TT090

Geotextil TR4000

Geotextil T2400

TABLA 10.8 Cálculo de los espesores y longitudes de capa Capa No.

Z (m)

Sv (m)

Le (m)

Le min (m)

Lg (m)

L (m)

Lo (m)

LT (m)

L a usar (m)

30

0,40

0,40

0,46

1,0

6,70

7,70

1,0

9,10

11,50

29

0,80

0,40

0,39

1,0

6,47

7,47

1,0

8,87

11,50

28

1,20

0,40

0,34

1,0

6,24

7,24

1,0

8,64

11,50

27

1,60

0,40

0,30

1,0

6,00

7,00

1,0

8,40

11,50

26

2,00

0,40

0,27

1,0

5,77

6,77

1,0

8,17

11,50

25

2,40

0,40

0,24

1,0

5,54

6,54

1,0

7,94

11,50

24

2,80

0,40

0,22

1,0

5,31

6,31

1,0

7,71

11,50

23

3,20

0,40

0,20

1,0

5,08

6,08

1,0

7,48

11,50

22

3,60

0,40

0,19

1,0

4,85

5,85

1,0

7,25

11,50

21

4,00

0,40

0,17

1,0

4,62

5,62

1,0

7,02

11,50

20

4,40

0,40

0,25

1,0

4,39

5,39

1,0

6,79

11,50

19

4,80

0,40

0,24

1,0

4,16

5,16

1,0

6,56

11,50

18

5,20

0,40

0,22

1,0

3,93

4,93

1,0

6,33

11,50

17

5,60

0,40

0,21

1,0

3,70

4,70

1,0

6,10

11,50

16

6,00

0,40

0,20

1,0

3,46

4,46

1,0

5,86

11,50

15

6,40

0,40

0,19

1,0

3,23

4,23

1,0

5,63

11,50

14

6,80

0,40

0,18

1,0

3,00

4,00

1,0

5,40

11,50

13

7,20

0,40

0,17

1,0

2,77

3,77

1,0

5,17

11,50

12

7,60

0,40

0,17

1,0

2,54

3,54

1,0

4,94

11,50

11

8,00

0,40

0,16

1,0

2,31

3,31

1,0

4,71

11,50

10

8,40

0,40

0,24

1,0

2,08

3,08

-

3,08

10,20

9

8,80

0,40

0,23

1,0

1,85

2,85

-

2,85

10,20

8

9,20

0,40

0,22

1,0

1,62

2,62

-

2,62

10,20

7

9,60

0,40

0,21

1,0

1,39

2,39

-

2,39

10,20

6

10,00

0,40

0,21

1,0

1,15

2,15

-

2,15

10,20

5

10,40

0,40

0,20

1,0

0,92

1,92

-

1,92

10,20

4

10,80

0,40

0,19

1,0

0,69

1,69

-

1,69

10,20

3

11,20

0,40

0,19

1,0

0,46

1,46

-

1,46

10,20

2

11,60

0,40

0,18

1,0

0,23

1,23

-

1,23

10,20

1

12,00

0,40

0,18

1,0

0,00

1,00

-

1,00

10,20

* La longitud total de las capas de refuerzo deben ser aproximadas a un múltiplo de 0.5m para facilitar su proceso constructivo. Estas longitudes deben ser revisadas una vez sea evaluada la estabilidad externa y global del talud.

10.3.2 Análisis de estabilidad externa 10.3.2.1 Estabilidad de deslizamiento Se debe verificar que las fuerzas horizontales externas no vayan a originar un desplazamiento al muro.

274

M ANUAL DE DISEÑO

FSD

Σ Fuerzas Horizontales Resistentes Σ Fuerzas Horizontales Actuantes

=

(10.17)

La fuerza horizontal resistente es la fuerza cortante producida por la interacción entre el suelo de fundación y el geotextil en la zona reforzada, y el suelo de fundación con el de relleno en la zona donde no hay refuerzo.

τ

= c + σv* tanδ

σv

σv

= 22.74 T/m2

τ

= c’ + σv * tanδ

τ

= 1.4 T/m2 + 22.74 T/m2 * tan 24

τ

= 11.52 T/m2

(10.18)

(10.19)

(10.20)

(10.21)

= 1.38 T/m2 + 12.0 m * 1.78 T/m3

Fza. Cortante = τ * L Fza. Cortante

= 11.52 T/m2 * 10.2 m

Fza. Cortante

= 117.55 T/m

Determinación de fuerzas horizontales actuantes: • Relleno de confinamiento

Pa

= ½ * γ * H2 * Ka

Pa

= ½ * 1.78 T/m3 * 144 m2 * 0.333 = 42.72 T/m

PSC

= q * Ka * H

PSC

= 1.38 T/m * 0.333 * 12.0 m = 5.52 T/m

• Sobrecarga

2

• Cargas vivas

PCV (H / Qp) = 0.75 PCV

= 0.75 * (Qp / H) = 0.75 * (2.28 T / 12.0 m) = 0.14 T/m

• Factor de seguridad al deslizamiento FSD

= 117.55 / (42.72 + 5.52 + 0.14)

FSD

= 117.55 / 48.38

FSD

= 2.43 > 1.5

10.3.2.2 Estabilidad al volcamiento Se debe revisar que el momento producido por las fuerzas horizontales actuantes, comparadas con los momentos resistentes no vayan a ocasionar un volcamiento del muro. El análisis se hace tomando momentos en relación con el extremo inferior izquierdo de la sección transversal del muro.

275


FSV

Σ Momentos Resistentes Σ Momentos Actuantes

(10.22)

(10.23)

(10.24)

(10.25)

(10.26)

= 0.55 * H * Pcv = 0.55 * 12.0 m * 0.14 T/m = 0.92 T.m/m

(10.27)

=

Determinación de momentos resistentes: • Momento generado por la sobrecarga

MSC

=q*L*L/2

MSC

= 1.38 T/m * 10.2 m * 5.1 m = 71.8 T.m/m 2

• Momento generado por el propio peso del muro

MPM

= H * L * γ *L / 2

MPM

= 12.0 m * 10.2 m * 1.78 T/m3 * 5.1 m

MPM

= 1111.15 T.m/m

Determinación de los momentos actuantes • Momento generado por la presión lateral de tierras

MPT

= 1/3 * H * Pa

MPT

= 1/3 * 12.0 m * 42.72 T/m = 170.9 T.m/m

• Momento generado por la sobrecarga

MSC

= ½ * H * Psc

MSC

= ½ * 12 m * 5.52 T/m = 33.12 T.m/m

• Momento generado por las cargas vivas

MCV MCV • Factor de seguridad al volcamiento FSV

= (71.8 + 1111.15) / (170.9 + 33.12 + 0.92)

FSV

= 1182.95 / 204.04

FSV

= 5.8 > 2.0

10.3.2.3 Capacidad Portante Se revisa que la capacidad portante del terreno sea lo suficientemente competente para soportar las cargas producidas por la construcción del muro. Un muro de suelo reforzado se asemeja a un cimiento continuo. La profundidad de la cimentación debe tener un valor mínimo, con el fin de garantizar una estabilidad general de la estructura y la minimización de asentamientos debido a la carga del muro. Al tener en cuenta una profundidad de cimentación se incrementa el factor de seguridad contra el deslizamiento de la estructura.

276

M ANUAL DE DISEÑO

Según Luciano Rivera, en estructuras en las cuales exista la posibilidad de que las capas de suelo de la cimentación puedan ser socavadas o erosionadas recomienda trabajar con las siguientes profundidades mínimas con el fin de garantizarle a la estructura unas condiciones de estabilidad suficientes durante todo su período de diseño.

Tabla 10.9 Profundidades mínimas de cimentación de muros en suelo reforzado y taludes Inclinacion del suelo de relleno

Mínima profundidad de cimentación

Horizontal

H/20

3h : 1v

H/10

2h : 1v

H/7

3h : 2v

H/5

Para muros de estribos de puentes

H/10

Teniendo en cuenta lo anterior se realiza el cálculo de la capacidad portante del muro como se muestra a continuación:

σult

= c NC + q Nq + ½ γ B N γ

Nc

= 22.25

N q

= 11.85

Nγ

= 12.54

(10.28)

Donde Nc, Nq, N γ son los factores de carga planteados por Vesic (1973) para la ecuación general de capacidad portante, para la profundidad de la cimentación se tomó una profundidad de 1.0 m. Con base a estos datos se calcula la capacidad portante del suelo de fundación sobre el cual se construirá el muro en suelo reforzado. σult

= 1 T/m2 * 22.25 + 1.0m * 1.7 T/m3 * 11.85 + 0.5 * 1.7 T/m3 * 10.2 m * 12.54

σult

= 151.12 T/m2

σaplicado

= 22.74 T/m2

FSCP

= 151.12 / 22.74

FSCP

= 6.65 > 3.0

1.3.2 Análisis de estabilidad externa con cargas dinámicas • Coeficientes sísmicos Según lo mencionado en la sección 10.2.7 se utiliza un coeficiente apropiado, en nuestro país, este puede oscilar entre 0.10g y 0.20g, por lo que para el ejemplo se toma el más crítico. ah

= 0.20g

av

= 0.02g

Fuente: RIVERA, L., Muros de Contención de Suelo Reforzado con Cintas Metálicas y Geosintéticos, 1 ED., Universidad Del Cauca, 2004.

277


• Cálculo del coeficiente de presión activa Kas Utilizando las tres ecuaciones para el cálculo del coeficiente de presión activa de Mononobe-Okabe (Sección 10.2.7) se obtienen los siguientes valores: ψ

= 11.53°

DA

= 2.34

Kas

= 0.473

10.3.4.1 Estabilidad de deslizamiento para cargas dinámicas τ

= 11.52 T/m2

Fza. Cortante

=117.55 T/m

Determinación de fuerzas horizontales actuantes: • Relleno de confinamiento Pa

= ½ * 1.78 T/m3 * 144 m2 * 0.473 = 60.57 T/m

• Sobrecarga PSC

= 1.38 T/m2 * 0.473 * 12.0 m = 7.83 T/m

• Cargas vivas PCV (H/Qp) = 0.75 PCV

= 0.75 * (Qp /H) = 0.75 * (2.28 T / 12 m) = 0.14T/m

• Factor de seguridad al deslizamiento para cargas dinámicas FSDD

= 117.55 / (60.57 + 7.83 + 0.14)

FSDD

= 1.72 > 1.125

10.3.4.2 Estabilidad al volcamiento: Determinación de momentos resistentes: • Momento generado por la sobrecarga MSC

= 1.38 T/m2 * 10.2 m * 5.1 m = 71.8 T.m/m

• Momento generado por el propio peso del muro MPM

= 12.0 m * 10.2 m * 1.78 T/m3 * 5.1 m = 1111.15 T.m/m

Determinación de los momentos actuantes • Momento generado por la presión lateral de tierras. MPT

= 1/3 * 12.0 m * 60.57 T/m = 242.3 T.m/m

• Momento generado por la sobrecarga MSC

= ½ * 12.0 m * 7.83 T/m = 47.0 T.m/m

278

M ANUAL DE DISEÑO

• Momento generado por las cargas vivas MCV

= 0.55 * H * Pcv = 0.55 * 12.0 m * 0.14 T/m = 0.92 T.m/m

• Factor de seguridad al volcamiento para cargas dinámicas FSVD

= (71.8 + 1111.15) / (242.3 + 47.0 + 0.92)

FSVD

= 1182.95 / 290.22

FSVD

= 4.1> 1.5

10.4 EJEMPLO RELACIÓN BENEFICIO – COSTO Se requiere reconstruir la banca de una vía que ha presentado deslizamiento, proponer la alternativa más viable técnica y económica posible. La zona a reparar presenta la siguiente geometría: Altura

= 6.0

m

Longitud

= 10.0 m

Sobrecarga

= 10.0 KPa

El material de la zona tiene una granulometría adecuada para utilizarse en la construcción.

279


DESCRIPCIÓN

UNIDAD

PRECIO UNITARIO (U$)

MURO DE CONCRETO REFORZADO

MURO REFORZADO CON GEOTEXTIL

CANTIDAD

TOTAL (U$)

CANTIDAD

TOTAL (U$)

0,74

43,50

32,19

43,50

32,19

m3

7,81

24,00

187,44

24,00

187,44

Carga a mano del material proveniente de las excavaciones para asiento de fundaciones, zanjas, u otros.

m3

1,95

240,00

468,00

240,00

468,00

Encofrado de madera tipo recto, acabado corriente fundaciones de pared, losas de fundación y bases de pavimento.

m2

7,30

164,00

1197,20

60,00

438,00

Concreto de Fc = 4200 Kg.f/cm2 a los 28 días, acabado corriente, para la construcción de vigas de riostra, tirantes y fundación de paredes.

m3

123,86

36,80

4558,05

Suministro, transporte, preparación y colocación de acero de refuerzo Fy = 4200 Kg.f/cm2. Utilizando cabilllas de diámetro igual po menos del No. 3 para infraestructura.

Kg

0,49

1.277,00

625,73

Relleno de compactación de material de la zona

m3

3,02

57,45

173,50

313,20

945,86

Geotextil tejido T2400 como elemento de refuerzo (Incluye MO)

m2

2,07

772,20

1598,45

Geotextil no tejido para filtros (Incluye MO)

m2

15,00

103,50

1552,50

Tubería de PVC para drenaje de 4”, sin perforar incluyendo el geotextil no tejido de recubrimiento.

m.l

5,61

24,00

134,64

Ecomatrix / Malla plástica gallinero

m2

1,28

60,00

76,80

Localización y replanteo

2

m

Excavacion en tierra a mano para asiento de fundaciones,zanjas u otros, hasta profundidades comprendidas entre 0.00 y 1.50m. Sin retiro(Terreno semiduro y seco)

TOTAL

7.242,11

4.308,26

Solución: Para evaluar la alternativa más viable, se realizó una comparación entre una estructura de concreto reforzado y otra en suelo reforzado con geotextil: La diferencia en costos entre las dos alternativas es de 33%, sin tener en cuenta la diferencia de tiempo de ejecución de cada una de las estructuras, en donde la alternativa de muro reforzado con geotextil es aproximadamente un 25% menor en tiempo de construcción comparado con el sistema tradicional de muro de concreto reforzado.

280

M ANUAL DE DISEÑO

BIBLIOGRAFÍA • KOERNER, R. M., Designing With Geosynthetics, 5 ED., U.S.A., 2005 • U.S. DEPARTMENT OF TRANSPORTATION, FEDERAL HIGHWAY ADMINISTRATION, NATIONAL HIGHWAY INSTITUTE. PUBLICATION NO. FHWA HI-95-038, MAYO 1995. Geosynthetic Design and Construction Guidelines. NHI COURSE NO. 13213. • LESHCHISKY, D., PERRY, E.B., A Design Procedure For Geotextile Reinforced Wall, Geosynthetics ‘87, Vol. 1, Pags 95 - 107, 1987. • CHANDLER, DOUGLAS, KIRKLAND, THOMAS, Design And Construction Of A Geotextile Wall, Geosynthetics ‘91, Vol. 2, Pags 775 - 764, 1991. • STRESSES AND DEFORMATIONS IN GEOTEXTILE REINFORCED. • RIVERA, L., Muros de Contención de Suelo Reforzado con Cintas Metálicas y Geosintéticos, 1 ED., Universidad Del Cauca, 2004. • NATIONAL HIGHWAY INSTITUTE, FEDERAL HIGHWAY ADMINISTRATION, Mechanically Stabilized Earth Walls And Reinforced Soil Slopes Design And Construction Guidelines, FHWA-NHI-00-043, March 2001. Traducción Ing. Jaime Suárez Díaz. • ESCOBAR, L., RUBIO, R., Estudio De La Interacción Suelo Geotextil No Tejido, VI Congreso Colombiano De Geotecnia

281


10.1 GENERALIDADES Uno de los tipos de obras más comunes en la ingeniería de vías ha sido la de muros de contención, bien sea para la conservación de las dimensiones de la banca o contención de suelos en deslizamientos. Tradicionalmente se han venido utilizando muros de contención por gravedad que absorben las presiones horizontales gracias a su gran masa. Una de las alternativas presentadas a mediados de la década de los sesenta, fue creada por el ingeniero francés Henry Vidal, que consistía en la inclusión de una serie de tiras metálicas, amarradas a unos elementos externos que componían la cara del muro, hasta una determinada longitud dentro del relleno utilizado, para conformar así la masa de contención. Este es un sistema que se ha venido empleando con relativo éxito en la actualidad y tiene el nombre registrado de tierra armada. Se ha visto que aunque el sistema tiene un buen desempeño, su principal problema radica en la determinación de la duración del refuerzo metálico dentro del suelo, ya que este se encuentra expuesto a un proceso permanente de corrosión. Gracias al desarrollo de nuevos materiales que pueden soportar las condiciones de humedad y de acidez o alcalinidad dentro del suelo, se ha venido implementando el uso de mantos sintéticos tales como los geotextiles y geomallas, para que suministren refuerzo, debido a las características mecánicas que estos poseen, como es su resistencia a la tensión. Los estudios que condujeron al uso de esta nueva tecnología tuvieron origen en Francia y Suecia a finales de la década de los setenta. Los muros de contención reforzados con geosintéticos se han convertido mundialmente en una alternativa de construcción frente a los muros de concreto reforzado y a los terraplenes conformados naturalmente, principalmente cuando hay deficiencias en la capacidad portante del suelo de fundación o cuando las condiciones geométricas de la sección de la vía no permiten que las zonas de relleno sean realizadas a un ángulo igual o menor al de reposo natural del suelo de relleno.

253


No es necesario que las condiciones sean tan críticas como las mencionadas anteriormente, la gran ventaja es que son alternativas más económicas, de hecho bajo las mismas condiciones geotécnicas y constructivas, un muro de suelo reforzado puede originar una reducción de los costos totales de un 30 a un 60%, se compara con las técnicas tradicionales para la construcción de este tipo de obras, debido al hecho de poder utilizar los materiales térreos del sitio. En países que poseen tecnologías de punta, como los Estados Unidos de América solamente en proyectos de autopistas federales, se han construido más de dos mil muros en suelo reforzado con geosintéticos. La evolución en este campo ha sido tan grande, que hoy en día, gracias a investigaciones realizadas por la FHWA (Federal Highway Administration) de ese país, se han desarrollado métodos constructivos y de diseño para conformar las pilas de puentes, en suelo reforzado con geosintéticos.

10.2 METODOLOGÍA DE DISEÑO Al incluir un material con resistencia a la tensión dentro de una masa de suelo que debe soportar una serie de empujes, se logra aumentar la resistencia general del conjunto, básicamente por el esfuerzo cortante desarrollado entre el geosintético y las capas de suelo adyacentes. Existen un sinnúmero de planteamientos para resolver el diseño de un muro en suelo mecánicamente estabilizado, dentro de los cuales se pueden nombrar el del Servicio Forestal de los Estados Unidos (Revisado en 1983), Broms (1978), Collin (1986), Bonaparte et al. (1987), Leshinsky y Perry (1987), Schmertmann et al. (1987) y Whitcomb y Bell (1979). La diferencia entre estos métodos radica principalmente en la manera de enfocar las distribuciones de esfuerzos, la superficie de falla y los valores para los diversos factores de seguridad involucrados. Su similitud se basa en que asumen que en la estructura no se presentan presiones hidrostáticas y que en la superficie de falla activa es una superficie plana definida por la metodología de Rankine. Sin embargo se ha demostrado que la inclusión de un refuerzo altera el estado de esfuerzos y tensiones en una masa de suelo, haciendo que la superficie de falla sea diferente a la de una masa de suelo no reforzada. Para permitir una familiarización con el proceso de diseño que los muros en suelo reforzado requieren, se listará a continuación la serie de pasos necesarios con el fin de evaluar tanto la estabilidad interna como externa del muro.

10.2.1 Establecer los límites del diseño, alcance del proyecto y las cargas externas 1O.2.1.1 Determinar la altura máxima del muro, variaciones de alturas, sección transversal y longitud total. El nivel superior servirá como referencia para la construcción de todas las capas en el caso de muros con alturas variables, es decir, se recomienda que el muro tenga continuidad en su sentido longitudinal. (Ver Figura 10.1)

Recomendable

No Recomendable

Figura 10.1 Continuidad de las capas de refuerzo

254

M ANUAL DE DISEÑO

10.2.1.2 Determinar la inclinación de la cara del muro en relación con la horizontal. Se define 70° como la inclinación mínima para los muros de contención, de lo contrario el caso sería el de un terraplén o un talud, donde la superficie de falla es curva y los métodos a utilizar para determinarla no se ajustan al de Rankine. 10.2.1.3 Evaluar las cargas externas y su ubicación (Ver Figura 10.2).

P2

P1 Sobrecarga

d

Z Lg

Le

H

σPS 45 + φ/2

Lo

+

σSC

+

σCV

=

σh

Sv

Empuje del suelo

LL

Empuje por Empuje por Empuje Total sobrecarga cargas vivas

Figura 10.2 Conceptos de presión de suelos y teoría de muros con Geotextil a. Presión lateral de tierras b. Sobrecarga uniforme, q = γ * d

(10.1)

c. Sobrecargas concentradas, Fv, Fh d. Cargas vivas, ∆q e. Cargas sísmicas, αg 10.2.1.1 En el caso de existir un terraplén sobre el muro, determinar la inclinación β con respecto a la horizontal y definirlo como una sobrecarga. 10.2.1.2 Para proteger el muro de la acción ambiental (radiación ultravioleta), de actos vandálicos o de la posible acción de roedores, este se debe cubrir con elementos rígidos o flexibles, tales como: • Mampostería: se puede pensar en utilizar cualquier tipo de bloques para conformar la fachada, la cual no soportará ningún tipo de empuje horizontal originado por el muro reforzado con geosintético. Se deberá verificar el comportamiento estructural de la fachada independientemente de la estructura en suelo reforzado. • Paneles de concreto: se deberá pensar durante el cálculo de la separación vertical entre capas de refuerzo, la posición para la inclusión de las varillas de anclaje para los paneles. Se recomienda que los pases queden ubicados de tal manera que no vayan a romper el geotextil sobre la cara vertical del muro. • Recubrimiento en mortero o concreto lanzado o fundido in-situ: para este tipo de acabados, se debe considerar la utilización de una malla de vena, colocada adecuadamente sobre la cara vertical del muro.

255


• Para una inclinación de la cara del muro de 70°, esta se podrá cubrir con vegetación, colocándose como elemento de refuerzo para la vegetación a un geotextil de malla abierta tipo “Ecomatrix”, con el fin, de permitir que esta permanezca en su sitio hasta que se desarrolle totalmente. • Si las obras son temporales, esto es, la duración de la vida útil del muro no comprenderá un período de tiempo mayor a los 6 meses, el geotextil podrá dejarse expuesto. • En el caso de muros en suelo reforzado con geomallas estos pueden ser recubiertos con los productos anteriormente mencionados haciendo énfasis en la construcción de la fachada con elementos prefabricados los cuales están conectados con el refuerzo y son de fácil colocación, pero igual que los recubrimientos realizados con mampostería estructural, el comportamiento de estos debe ser verificado garantizando su estabilidad independientemente de la estructura en suelo reforzado. 10.2.1.3 Determinar la separación entre cada una de las capas de refuerzo con geosintético. Se recomienda por comodidad en la etapa de diseño, que únicamente se trabaje con un sólo tipo de geosintético y dejar que la separación vertical SV entre capas sea el factor variable. Sin embargo, otra alternativa que resulta técnica y económica factible en el diseño de muros en suelo reforzado en especial para alturas mayores a 8m, es la de usar para el mismo muro dos o más referencias de geotextiles o geomallas conservando un mismo espesor de capa, según la resistencia requerida para cada capa del refuerzo. (Ver numeral 10.3) 10.2.1.4 Para garantizar que el muro trabaje bajo los mismos supuestos de diseño, se deben considerar las condiciones adicionales que puedan afectar su comportamiento, como: • Drenaje: Para evitar ascensos de los niveles de agua, con las posteriores presiones hidrostáticas, se debe construir un drenaje en el contacto muro-ladera, este drenaje estará compuesto por un geotextil No Tejido punzonado por agujas, que cumple la función de filtro y dentro del cual se colocará un material poroso que podrán ser gravas con granulometría entre 1/2” y 3”, otra alternativa es la colocación de un sistema de drenaje con geodrén (Ver Capítulo 9) o cualquier otra forma de drenaje sugerida por el ingeniero diseñador del proyecto. El colchón drenante está constituido por un espesor de material granular, que en lo posible debe cubrir toda la superficie de cimentación protegido con un geotextil No Tejido diseñado para que pase el agua y retenga las partículas finas de la estructura; este elemento ayuda a la disipación de la presión de poros y al abatimiento del nivel freático. El ángulo de fricción generado en el contacto de un geotextil punzonado por agujas y el suelo, δ, sobre el que se apoya, varía del 92 al 96% de φ dependiendo del tipo de suelo (Ver Tabla 10.5). El agua captada por el drenaje chimenea deberá ser conducida a un sistema de evacuación. • Lluvias, escorrentías y aguas de infiltración: Se deben considerar además unos lloraderos para evacuar el agua que por infiltración pueda llegar hasta la zona reforzada con el geosintético. Estos lloraderos se podrán construir con tubería perforada forrada con un geotextil No Tejido punzonado por agujas, o con geodren planar con pendiente no menor al 3% en el área de refuerzo, que sobresalga de la cara del muro. Para cualquier tipo de lloraderos se debe tener en cuenta el correcto manejo del agua captada por los mismos. Es por esto que se recomienda construir una canaleta en la parte inferior de la cara del muro, con el fin de captar y evacuar el agua que emerge del muro, evitando así la socavación de la base de la estructura.

256

M ANUAL DE DISEÑO

• Tipo de agregado a utilizarse: Se recomienda como material de relleno aquel que posea un índice de plasticidad máximo de 20 y un contenido de finos < 50%, evaluando las deformaciones que se puedan presentar. En el caso de utilizarse un material granular, deberá evaluarse la supervivencia del geosintético a las condiciones de instalación, esto es, el tamaño máximo del agregado, la altura mínima de las capas de compactación y la presión de contacto que generen los equipos de construcción, como se explica en la guía sobre diseño de estabilización y separación de subrasantes. (Ver Capítulo 4). En el caso de geomallas uniaxiales se recomiendan utilizar suelos en su mayoría granulares debido al efecto de trabazón que este tipo de refuerzo genera en el suelo.

10.2.2 Determinar las propiedades ingenieriles del suelo de fundación 10.2.2.1 Determinar los parámetros de resistencia cu, o c’ y φ’. 10.2.2.2 Determinar los pesos unitarios γt, γd y las propiedades índice del material. 10.2.2.3 Localización del nivel freático.

10.2.3 Determinar las propiedades del suelo a usar en la construcción del muro y Ias del relleno de confinamiento 10.2.3.1 Determinar la gradación y el índice de plasticidad, verificando si cumplen con las especificaciones mínimas exigibles para los materiales de relleno. Del Artículo 220 de las especificaciones generales de construcción de carreteras del Ministerio de Transporte - Instituto Nacional de Vías, 2000, los requisitos para materiales a utilizar en la conformación de terraplenes, son los siguientes:

Tabla 10.1 Especificaciones generales del material para construcción de terraplenes Suelos

Seleccionados

Adecuados

Tolerables



Núcleo, Cimiento

75mm

100mm

150mm

Pasa Tamiz No. 200

≤ 25% en peso

≤ 35% en peso

≤ 35% en peso

CBR de laboratorio

≥ 10.0%

≥ 5.0%

≥ 3.0%

Expanción de prueba CBR

0%

< 2.0%

< 2.0%

Contenido de materia orgánica

0%

< 1.0%

< 2.0%

Límite líquido

< 30

< 40

< 40

Índice de plasticidad

< 10

< 15

-

Aplicación Tamaño Máximo

De acuerdo con la FHWA para la construcción de suelos en tierra reforzada en proyectos viales como accesos a puentes donde los asentamientos deben ser mínimos, se recomienda que el suelo de relleno tenga las siguientes propiedades:

257


Tabla 10.2 Especificaciones suelos de relleno, según la FHWA Tamaño Del Tamiz

% Pasa

4”

100%

No. 4

0 a 60%

No. 200

0 a 15%

Índice de plasticidad no debe ser mayor a 6

Por lo general el material más apropiado para ser utilizado en rellenos de tierra reforzada es aquel de tipo granular con un mínimo de finos. Sin embargo este tipo de material es cada vez es más escaso y su transporte incrementa los costos del proyecto, haciendo que este no sea económicamente viable. Una de las ventajas más importantes de este tipo de sistemas de refuerzo, es la capacidad de poder trabajar con los mismos materiales que se encuentran en el sitio de la obra. Sin embargo hay que tener en cuenta los procedimientos de compactación de este tipo de suelo, debido a que en épocas de lluvia se incrementa la dificultad de compactarlos y llevarlos a una densidad considerable. También se debe hacer énfasis en el sistema de drenaje a utilizar en este tipo de suelos, ya que al aumentar el contenido de humedad la resistencia al corte de este tipo de suelos disminuye rápidamente. En el caso de considerarse la utilización de materiales plásticos o arcillosos se recomienda que estos sean mejorados con materiales granulares, con el fin de reducir sus características de deformación bajo condiciones de humedad y carga. En Colombia existen experiencias en las cuales se utilizó material con una fracción granular menor al 50% y baja a mediana plasticidad, en el caso de utilizar este tipo de materiales es importante obtener los análisis completos del material para determinar el comportamiento del sistema en suelo reforzado, con respecto a las deformaciones a largo plazo según el uso o aplicación que se le de al muro. El estudio y análisis de estos comportamientos generados principalmente por los asentamientos y consolidación del material de relleno pueden ser medidos en un programa de elementos finitos. 10.2.3.2 Determinar la humedad óptima ωopt y el γdmax, datos obtenidos de un ensayo Proctor modificado. Se recomienda que el material a usar en la construcción del muro se compacte al 95% del Proctor modificado. 10.2.3.3 Obtener el ángulo de fricción interna por medio de los ensayos de corte directo drenados o de los triaxiales.

10.2.4 Establecer los factores de seguridad a usar durante el diseño 10.2.4.1 Estabilidad Interna Determinar la resistencia a la tensión admisible del geotextil.

Tadm

= Tult / FS

FS

= (FRID * FRFL* FRDQB)

(10.2)

(10.3)

Donde: Tult

=


NATIONAL HIGHWAY INSTITUTE, FEDERAL HIGHWAY ADMINISTRATION, Mechanically Stabilized Earth Walls And Reinforced Soil Slopes Design And Construction Guidelines, FHWA-NHI-00-043, March 2001. Es importante recordar que los valores obtenidos del ensayo de resistencia a la tensión por el método Grab, si se pasan a un ancho equivalente de 1.0 metro, serán mayores a los obtenidos por el método de la tira ancha, principalmente por el efecto de adelgazamiento que sufre la muestra durante el ensayo, haciendo que la relación de Poisson exceda el valor de 0.5. El ensayo Grab es representativo para los valores de producción y nunca refleja el comportamiento ingenieril del geotextil como refuerzo.

258

M ANUAL DE DISEÑO

FSg

=

Valores recomendados de 1.3 a 1.5 para condiciones estáticas; el ingeniero diseñador

debe revisar y seleccionar el factor de seguridad más apropiado de acuerdo a las características

de cada proyecto, según las características de los materiales y la aplicación que se le de

a este tipo de estructura.

FRID

=

Factor de Reducción por daños durante la instalación.

FRFL

=

Factor de Reducción por carga continua sobre el geotextil (fluencia).

FRDQB

=

Factor de Reducción por degradación química/biológica.

Los valores recomendados para los factores de reducción se encuentran en la Tabla 3.1 y Tabla 3.2 del presente manual. 10.2.4.2 Estabilidad externa y asentamientos Los factores que se mencionan a continuación son los factores mínimos recomendados por la AASHTO para el cálculo y diseño de muros en suelo reforzado para accesos a puentes según los lineamientos de la FHWA. La selección de estos valores deben ser establecidos por el ingeniero diseñador según las características geomecánicas de los materiales a utilizar y de las condiciones propias del proyecto.

Tabla 10.3 Factores de seguridad mínimos para análisis estático Tipo De Análisis

Factor De Seguridad

Deslizamiento

1,5

Volcamiento

2,0

Capacidad Portante

3,0

Estabilidad Global

1,3

Asentamientos

Según los requerimientos del proyecto

Tabla 10.4 Factores de seguridad para análisis sísmico Tipo De Análisis

Factor De Seguridad

Deslizamiento

1,125

Volcamiento

1,5

Estabilidad Global

1,1

10.2.5 Diseño de Estabilidad Interna 10.2.5.1 Determinar las dimensiones preliminares del muro. Por razones constructivas y para evitar un embombamiento en la cara externa de cada una de las capas, se recomienda que la altura de las capas de refuerzo no exceda los 50cm, así en el cálculo se hayan obtenido valores mayores. Dimensión de la base del muro. En la mayoría de los casos se asume inicialmente mayor o igual a 0.7 veces la altura máxima. 10.2.5.2 Desarrollar los diagramas de presión lateral de tierras para la sección reforzada. Estos se componen por la sumatoria de los valores obtenidos para el empuje lateral de tierras, por cargas muertas, cargas vivas y sísmicas. 10.2.5.3 Calcular los máximos esfuerzos horizontales en cada capa de refuerzo.

259


10.2.5.4 Diseñar la separación vertical entre capas y las longitudes de desarrollo del geotextil para cada una de estas. •

Dimensionamiento de la separación vertical entre capas de refuerzo SV:

Se evalúan primero las presiones de tierra originadas por la presión del suelo, de las cargas, sobrecargas y las cargas vivas.

σPS

= Ka * γ * z

(10.3)

σSC

= Ka * q

(10.4)

σCV

= P (x2z / R5)

(10.5)

σh


(10.6)

Donde: σPS

=

Presión debida al suelo

Ka

=

tan2 (45 - φ/2), coeficiente de presión activa

φ

=

Ángulo de resistencia al corte del suelo de relleno en la zona reforzada

γ

=

Peso unitario del suelo de relleno

z

=

Profundidad desde la superficie hasta la capa en estudio

σSC

=

Presión debida a sobrecargas

q

=

γ*D. Sobrecargas en la superficie, donde γ es el peso unitario de la sobrecarga

D

=

Profundidad del suelo de sobrecarga

σCV

=

Presión debida a las cargas vivas

P

=

Cargas concentradas

x

=

Distancia horizontal entre la carga y la cara vertical del muro

R

=

Distancia radial entre el punto de carga sobre el muro y donde la presión está siendo calculada.

Al determinar cada una de estas presiones, se hace su sumatoria, teniendo en cuenta que esta se realiza en la profundidad correspondiente a cada una de las capas de refuerzo. Al hacer un diagrama de cuerpo libre en el diagrama de presiones laterales totales y sumando las fuerzas en la dirección horizontal, se obtiene la siguiente ecuación, para calcular la separación vertical entre las capas de refuerzo.

SV

= Tadm / (σh * FS)

(10.7)

Donde: SV

=

Separación vertical (Espesor de cada capa)

Tadm

=

Esfuerzo admisible del geosintético, calculado según ecuación (10.2)

σh

=

La presión lateral total en la profundidad total

FSg

=

Factor de seguridad global (usar 1.3 a 1.5)

• Cálculo de las longitudes de desarrollo del refuerzo con geosintético: Estas se componen por tres longitudes, que sumadas dan la longitud total a utilizarse por capa en la sección transversal del muro.

260

M ANUAL DE DISEÑO

1.

Longitud geométrica hasta la zona de falla, Lg (Ver Figura 10.3)

Lg / (H-z)= tan (45 - φ/2) Lg

= (H-z) * tan (45 - φ/2)

(10.8)

Lg Le

H

45 + φ/2

Sv

Lo

Figura 10.3 Despiece de las capas 2.

Longitud de empotramiento, Le

Esta corresponde a la superficie de empotramiento por detrás de la zona de falla, donde debido a la interacción de suelo-geotextil o suelo-geomalla se desarrollan las fuerzas resistentes.

τ

τadm

τ Le 45 + φ/2

Figura 10.4 Cálculo de la longitud de empotramiento del refuerzo Haciendo sumatoria de fuerzas en X: Σ Fx, se obtiene:

σh * SV * FS = 2 * Fza. Corte

Fza. Corte = τ * Le

τ

= c + σ*tanδ

Le

= σh * CV * FS / 2 (c + σ*tanδ)

(10.9)

Donde δ es el ángulo de fricción entre el suelo y el geosintético de refuerzo. Obtenido por medio del método de ensayo de la norma ASTM D 5321, con el cual se determina la resistencia al corte entre suelo – geosintético ó entre geosintético – geosintético. Este es uno de los ensayos más importantes a nivel de diseño que se recomienda realizar en aplicaciones de refuerzo con geosintéticos, con los cuales se permite obtener diseños óptimos y eficientes según los materiales presentes en cada proyecto. 261


La fuerza de adherencia suelo – geotextil disipa los esfuerzos generados por las presiones laterales a las que se ve sometida la estructura en suelos friccionantes y cohesivos de la siguiente forma:

FC

= 2 Le (Ca * L + σh * tan δ)

(10.10)

Donde: FC

=

Fuerza de adherencia suelo – geotextil a lo largo de la longitud de empotramiento

Ca

=

Cohesión suelo – geotextil

tan δ

=

Coeficiente de fricción suelo – geotextil

σh

=

Presión normal efectiva a la profundidad del refuerzo

A continuación se presenta el procedimiento de ensayo para medir la adherencia suelo – geosintético presentado por Koerner el cual se recomienda realizar para proyectos de gran tamaño en los cuales la información geotécnica tenga un grado de certeza considerable para la realización y ajuste del diseño de la estructura, este ensayo es una variación del ensayo de corte directo en el cual se coloca una muestra representativa del suelo ubicada en la parte inferior de la caja y es compactada al porcentaje estimado a usar en campo (se recomienda que sea al 95% del ensayo Proctor modificado), una vez se compacta la última capa de material, se enrasa y se coloca la parte móvil de la caja seguido de la capa de geosintético y finalmente el suelo restante compactado y enrasado. Haciendo varios ensayos con diferente presión normal, preferiblemente en el rango de presiones a las que será sometido el geosintético; se encuentra la variación de la resistencia al cortante máximo, τmax en función del esfuerzo normal, σn, dibujando la envolvente de falla para los diferentes niveles de esfuerzo calculados (Ver Figura 10.5) se miden en esta gráfica los valores de Ca y δ.

τ δ

Envolvente de falla Ca

σn

Figura 10.5 Envolvente de falla ensayo de corte directo para geosintéticos Una vez finalizado el ensayo se puede realizar el ensayo de corte directo para el material de relleno para determinar cual es la eficiencia del sistema suelo – geosintético contra la interacción suelo – suelo. Según la norma ASTM D 5321, las dimensiones de la caja para el ensayo de corte directo debe tener por lo menos unas dimensiones de 300 mm x 300 mm. Koerner recomienda el uso de este tipo de cajas especialmente para ensayos del tipo suelo – geomalla, suelo – geored o suelo – geomembrana, esto con el fin de minimizar los efectos de escala. También se hace la aclaración que para ensayos suelo – geotextil se pueden utilizar cajas de 100mm x 100mm, y se debe tener en cuenta los siguientes parámetros:

Koerner, R.M., “Designing With Geosynthetics”, Quinta Edición

262

M ANUAL DE DISEÑO

• Usar el tipo de suelo específico del lugar del proyecto • Controlar la densidad y la humedad de la muestra • El ensayo se debe realizar con el suelo saturado • Utilizar el mismo tipo de líquido encontrado in-situ (Ej.: Lixiviado)

σn

τ

Bloque con geosintético Suelo

Figura 10.6 Ensayo de corte con geosintéticos Las magnitudes de Ca y δ dependen directamente del tipo de geosintético y de las propiedades físicas y mecánicas del suelo de relleno, tales como su granulometría, plasticidad y las más importantes la cohesión y fricción del suelo. En el capítulo 2 se describe el procedimiento de ensayo según la norma ASTM D 5321. En las Tablas 10.5 y 10.6 se referencian algunos ensayos realizados para determinar los valores de Ca y δ, según el tipo de suelo y el tipo de geotextil. Estos valores también son expresados en función de c´ y φ´ como un porcentaje de los mismos. Tabla 10.5 Valores típicos de δ para distintos tipos de arenas Tipo De Geotextil

Geotextil Tejido cinta plana Geotextil No Tejido punzonado por agujas

Arena de grano medio a grueso

Arena Redondeada

Arena Limosa

φ = 30°

φ = 28°

φ = 26°

24° (77%)

24° (84%)

23° (87%)

30° (100%)

26° (92%)

25° (96%)

Para suelos con porcentaje de contenido de finos se tienen los siguientes valores: Tabla 10.6 Valores de Ca y δ para suelos con contenido de finos y geotextiles Tejidos de cinta plana Cohesión Suelo

Adherencia Suelo - Geotextil

φ Suelo

δ Suelo Geotextil

Porcentaje De φ

(T/m2)

(T/m2)

(°)

(°)

(%)


1,0

1,8

37,0

34,5

93,2%


3,5

1,5

35,4

30,8

87,0%


3,7

1,5

33,0

29,9

90,6%


3,7

1,5

32,0

25,6

80,0%


3,8

1,6

28,7

21,1

73,5%

Mezclas Utilizadas

Koerner R.M., Designing With Geosynthetics, 5 ED, pag.127, Tabla 2.5.

263


Para prediseños o diseños de muros en suelo reforzado de baja altura y sometidos a cargas muertas menores, se puede tomar un valor de δ entre 0.7φ y 0.85φ, siendo 0.7φ el valor más conservador. En cierto tipo de aplicaciones el conocimiento del ángulo de fricción entre el suelo y el geosintético es más relevante para la estabilidad externa que el conocimiento de este para el chequeo de estabilidad interna.

3.

Longitud del doblez superior Lo

=

Para efectos prácticos asumirla siempre igual a 1.0 metro.

La longitud total a usarse para cada capa de geotextil será:

LT

= Lg + Le + Lo + SV

(10.11)

Que finalmente podrá ser acomodada a una medida constructiva que corresponda a múltiplos de 0.50m. El instituto nacional de vías de los Estados Unidos de América y la FHWA en su documento “Mechanically Stabilized Earth Walls and Reinforced Soil Slopes Design and Construction Guidelines” recomienda que la longitud mínima del refuerzo en este tipo de estructuras sea mayor o igual a 0.7 veces la altura del muro y que la longitud del refuerzo sea la misma en toda la altura del muro.

10.2.6 Análisis de la estabilidad externa del muro •

Revisar la estabilidad al deslizamiento

•

Revisar la estabilidad al volcamiento

•

Revisar capacidad portante

•

Revisar la estabilidad de la excavación para la construcción del muro

•

Revisar la estabilidad global

Las ecuaciones para la verificación de la estabilidad externa se encuentran en la sección 10.3 como parte de la solución del ejemplo de diseño.

10.2.7 Análisis de la estabilidad dinámica 10.2.7.1 Presiones laterales debidas a sismos, método pseudo-estático Los sismos, generan vibraciones en el suelo, las cuales producen presiones laterales adicionales a las estáticas generadas por el suelo de relleno, por las cargas muertas y las cargas vivas que se encuentran en la parte superior de la estructura. La teoría más conocida para calcular este tipo de sobrepresiones generadas en el suelo para el diseño de estructuras de contención es la propuesta por Mononobe-Okabe, la cual es una modificación de la teoría propuesta por Coulomb. Según Mononobe-Okabe el empuje total activo en condiciones de sismo es:

Pas

= ½ * Kas * γ * H2 – c´ * (Kas)½ * H

(10.12)

Pas

= ½ * Kas * γ * H2

(10.13)

Para suelos granulares

264

M ANUAL DE DISEÑO

El cálculo o la estimación del coeficiente de presión activo Kas se determina mediante las siguientes ecuaciones:

(10.14)

(10.15)

(10.16)

Donde: α

=

Ángulo de inclinación del trasdós

β

=

Inclinación de inclinación del suelo retenido

δ

=

Ángulo de fricción suelo - geotextil

φ´

=

Ángulo de fricción interna del material

ah

=

Coeficiente sísmico horizontal

av

=

Coeficiente sísmico vertical

La Norma Colombianas de Diseño y Construcción Sismo Resistente NSR-98 en su título A establece las zonas de amenaza sísmica por regiones y ciudades en nuestro país, clasificándolas por zona de amenaza sísmica baja con valores de ah menores o iguales a 0.1g; zonas de amenaza sísmica intermedia con valores entre 0.1 y 0.2g; y por último zonas de amenaza sísmica alta con aceleraciones mayores a 0.2g. Dependiendo del sitio de la construcción del muro y con base en estudios de amenaza sísmica se obtienen los coeficientes de aceleración ah y av. Para efectos prácticos se puede asumir ah entre 0.1g y 0.2g. Determinada la presión activa Pas se puede realizar la evaluación de la estabilidad externa de la estructura. Teniendo en cuenta que en condiciones dinámicas, los factores de seguridad para deslizamiento, volcamiento y estabilidad interna son los menores que en condiciones estáticas (Ver Tabla 10.4).

10.2.8 Diseñar los sistemas de drenaje Para el control de aguas superficiales y subsuperficiales. En los capítulos 8 y 9 del presente manual se presenta una guía sobre el diseño de sistemas de drenaje donde se explica todo el procedimiento.

10.3 EJEMPLO DE DISEÑO Se requiere construir una estructura en suelo reforzado, para obtener una superficie adicional y conformar la bancada de una vía de doble carril, que soportará tráfico pesado en los dos sentidos.

265


Geometría del muro: Altura máxima: Longitud:

12.0 m

Inclinación de la cara:

75.0 m Vertical

El suelo a utilizarse como material de relleno en la zona reforzada tiene las siguientes características y propiedades geomecánicas: c’

= 1.4 T/m2

φ’

= 30°

LL

= 25

LP

= 15

Pasa Tamiz 200

= 35 %

ωn

= 75 %

γdmax

= 1.90 T/m3

γt

= 1.78 T/m3

ωopt

= 16%

El suelo de la ladera que servirá al tiempo como fundación, tiene las siguientes características: c’

= 1.0 T/m2

φ’

= 26°

LL

= 40

LP

= 23

Pasa Tamiz 200

= 27 %

γT

= 1.70 T/m3

Se tiene además una estructura de pavimento con los siguientes espesores y sus respectivos pesos unitarios: Sub-base granular: 40 cm, 1.9 T/m3 Base granular:

20 cm, 2.0 T/m3

Carpeta asfáltica: 10 cm, 2.2 T/m3 Diseñar el muro estableciendo la separación vertical entre capas, las longitudes de desarrollo del geotextil y verificar su estabilidad externa.

Solución: Evaluación de cargas: • Sobrecargas uniformes Para el cálculo de sobrecargas se tendrá en cuenta la carga generada por la estructura de pavimento ubicada en la corona del muro. En aplicaciones viales la AASHTO recomienda como sobrecarga mínima la generada por un espesor de 0.60 m, repartida uniformemente sobre toda la superficie superior del muro. 266

M ANUAL DE DISEÑO

q = Σ (γ * d) q = 0.4m * 1.9T/m2 + 0.2m * 2.0T/m2 + 0.1m * 2.2T/m2 q = 1.38 T/m2 • Cargas vivas Se deben tener en cuenta todas las cargas puntuales y longitudinales ubicadas en la parte superior del muro, tales como muros de borde de vía, cimientos, etc., para este caso en particular se tomó la carga viva generada por el tráfico como se muestra en la siguiente figura.

Figura 10.7 Esquema de eje Tandem para cálculo para cargas vivas Presión lateral debida a carga puntual Qp (Ecuación de Boussinesq modificada por experimentación)

267


Para m ≤ 0.4

Para m > 0.4

σ’H = σH cos2

(1.10)

Presión lateral debida a carga lineal QL (Ecuación de Boussinesq modificada por experimentación)

Para m ≤ 0.4

Para m > 0.4

Resultante:

Resultante:

PH = 0.55 QL

Figura 10.8 Presiones laterales de suelo debidas a cargas superficiales

Se calculan los incrementos de carga generados por cada rueda y se grafica el esfuerzo horizontal total producido por todas las llantas sobre la cara del muro con respecto a la profundidad.

268

M ANUAL DE DISEÑO

Tabla 10.7 Cálculo de distribución de esfuerzos por cargas vivas con respecto a la profundidad Z

Σ (σh+σ’h)

0

0,000

1

0,046

2

0,130

3

0,176

4

0,173

5

0,145

6

0,113

7

0,084

8

0,062

9

0,046

10

0,035

11

0,026

12

0,020

Figura 10.9 Esfuerzos verticales debido a las cargas vivas

10.3.1 Análisis de Estabilidad Interna Datos del suelo: c

= 1.4 T/m2

φ

= 30°

γt

= 1.78 T/m3

γd

= 1.90 T/m3

Datos del muro: Sobrecargas

= 1.38 T/m2

Altura máxima

= 12.0 m

Base

= 10.2 m

Datos del material de refuerzo: Los geosintéticos seleccionados para la realización de este ejemplo son: geotextil Tejido T2400, geomalla uniaxial TT090 y geomalla uniaxial TT120. • Geotextil Tejido T2400: Tadm


Tult

= 41 KN/m


269


Tadm

= 41 KN/m / (1.2 * 2.2 * 1.0)

Tadm

= 15.5 KN/m = 1.6 T/m

• Geotextil Tejido TR4000: Tadm


Tult

= 64 KN/m

Tadm

= 64 KN/m / (1.2 * 2.2 * 1.0)

Tadm

= 24.4 KN/m = 2.5 T/m


• Geomalla TT090: Tadm


Tult

= 90 KN/m

Tadm

= 90 KN/m / (1.2 * 2.0 * 1.0)

Tadm

= 37.5 KN/m = 3.8 T/m


Debido a que el muro presenta una altura mayor de 7m, se decidió dividir la altura del muro en 3 segmentos, cada segmento del muro constará de un tipo de refuerzo diferente y una separación entre capas constante, todo esto con el fin de simplificar el proceso de diseño y ejecución del proyecto. Tercio inferior: 12.0 m ≤ z ≤ 8.0 m Debido a que los esfuerzos a esta profundidad serán mucho mayores, se seleccionó la geomalla TT090 para el refuerzo en este tercio. Como ilustración para una profundidad de z = 10.0 m Ka

= tan2 (45 - φ/2) = 0.333

σh


σh

= Ka * γ * z + Ka * q + σCV

σh

= 0.333 * 1.78 * 10.0 + 0.333 * 1.38 + σCV

σh

= 6.39 T/m2 + σCV


= Σ(σh + σ’h)

σCV

= 0.035 T/m2


= 1.3

Se obteniéndose una separación vertical para esta capa de: SV

= Tadm / (σh * FS)

SV

= 3.8 / (6.39 + 0.035) * 1.3)

SV

= 0.45 m ⇒ 0.40 m de separación 270

M ANUAL DE DISEÑO


= (H-z) * tan (45 - φ/2)

Lg

= (12.0 – 10.0) * tan (45 – 30/2)

Lg

= 1.15 m


= σh * SV * FS / 2 * (c + σ * tanδ)

Donde: δ

= 0.8 φ

δ

= 24°

tan δ

= 0.445


= 3.8 / 2 * (1.4 + 1.78 * 10.0 * 0.445)

Le

= 0.21 m


= 1.00 m

Por lo que la longitud del refuerzo para la capa en z = 10.0m es igual a: LT

= Lg + L e

LT

= 1.15 m + 1.00 m

LT

= 2.15 m

Para el caso de refuerzo con geomallas la longitud del doblez no se cuantifica debido a que la geomalla en la mayoría de los casos no hace parte de la fachada del muro. Debido a que no sólo se debe garantizar la estabilidad interna del muro sino también la estabilidad externa; la longitud a usar en los refuerzos fue igual al 85% de la altura del muro. Para muros con alturas menores a 3.0 m se recomienda que la longitud a utilizar no sea menor que 2.4 m. por lo que: LT

= 10.2 m

Tercio medio: 8.0 m ≤ z ≤ 4.0 m Esta sección del muro comprende el refuerzo entre los 4.0 m y los 8.0 m de altura de la estructura. Para este tercio de la estructura se seleccionó el geotextil Tejido TR4000 el cual tiene la resistencia apropiada para el refuerzo de esta parte del muro. Como ilustración para una profundidad de z = 6.0 m σh


σh

= Ka * σ * z + Ka * q + σCV

σh

= 0.333 * 1.78 * 6.0 + 0.333 * 1.38 + σCV

σh

= 4.02 T/m2 + σCV 271



= 0.113 T/m2


= 1.3

Se obteniéndose una separación vertical para esta capa de: Sv

= Tadm / (σh * FS)

SV

= 2.5 / (4.02 + 0.113) * 1.3)

SV



= (H-z) * tan (45 - φ/2)

Lg

= (12.0 – 6.0) * tan (45 – 30/2)

Lg

= 3.46 m


= σh * SV * FS / 2*(c + σ * tanσ)

Donde: σ

= 0.8 σ

σ

= 24°

tan σ

= 0.445


= 2.5 / 2 * (1.4 + 1.78 * 6.0 * 0.445)

Le

= 0.20 m


= 1.00 m

Por lo que la longitud del refuerzo a usar para la capa en z = 6.0m es igual a: LT

= Lg + L e + L o + S V

LT

= 3.46 m + 1.00 m + 1.00 m + 0.40 m

LT

= 5.86 m

Para el caso de refuerzo con geotextil se cuantifica la longitud del doblez y la longitud de la separación vertical para el cálculo de la longitud total de la capa. Teniendo en cuenta la recomendación de que la longitud del refuerzo sea la misma en toda la altura del muro la longitud a usar para el geotextil es: LT

= 0.85 * 12.0 m + 1.00 m + 0.40 m

LT

= 11.5 m

272

M ANUAL DE DISEÑO

Aproximado al múltiplo de 0.50 m más cercano. Tercio superior: 4.0 m ≤ z ≤ 0.0 m Esta sección del muro comprende el refuerzo entre la corona del muro y los 4.0 m de altura de la estructura. Para este tercio de la estructura se seleccionó el geotextil Tejido T2400 el cual tiene la resistencia necesaria para el refuerzo en esta parte del muro. Como ilustración para una profundidad de z = 4.0 m σh

= 0.333 * 1.78 * 4.0 + 0.333 * 1.38 + σCV

σh

= 2.83 T/m2 + σCV


= 0.173 T/m2

• Separación vertical entre capas de refuerzo SV:

Sv

= Tadm / (σh * FS)

Sv

= 1.6 / (2.83 + 0.173) * 1.3)

SV



= (H-z) * tan (45 - σ/2)

Lg

= (12.0 – 4.0) * tan (45 – 30/2)

Lg

= 4.62 m


= 1.6 / 2 * (1.4 + 1.78 * 4.0 * 0.445) = 0.17 m

Le min

= 1.00 m

• Longitud a utilizar para el refuerzo, LT: La longitud del refuerzo a usar para la capa en z = 4.0 m es igual a: LT

= 0.85 * 12.0 m + 1.00 m + 0.40 m

LT

= 11.5 m

Se debe realizar el procedimiento anterior para cada capa de refuerzo de la estructura, el resumen de este cálculo se muestra en la Tabla 10.8.

273


Geomalla TT090

Geotextil TR4000

Geotextil T2400

TABLA 10.8 Cálculo de los espesores y longitudes de capa Capa No.

Z (m)

Sv (m)

Le (m)

Le min (m)

Lg (m)

L (m)

Lo (m)

LT (m)

L a usar (m)

30

0,40

0,40

0,46

1,0

6,70

7,70

1,0

9,10

11,50

29

0,80

0,40

0,39

1,0

6,47

7,47

1,0

8,87

11,50

28

1,20

0,40

0,34

1,0

6,24

7,24

1,0

8,64

11,50

27

1,60

0,40

0,30

1,0

6,00

7,00

1,0

8,40

11,50

26

2,00

0,40

0,27

1,0

5,77

6,77

1,0

8,17

11,50

25

2,40

0,40

0,24

1,0

5,54

6,54

1,0

7,94

11,50

24

2,80

0,40

0,22

1,0

5,31

6,31

1,0

7,71

11,50

23

3,20

0,40

0,20

1,0

5,08

6,08

1,0

7,48

11,50

22

3,60

0,40

0,19

1,0

4,85

5,85

1,0

7,25

11,50

21

4,00

0,40

0,17

1,0

4,62

5,62

1,0

7,02

11,50

20

4,40

0,40

0,25

1,0

4,39

5,39

1,0

6,79

11,50

19

4,80

0,40

0,24

1,0

4,16

5,16

1,0

6,56

11,50

18

5,20

0,40

0,22

1,0

3,93

4,93

1,0

6,33

11,50

17

5,60

0,40

0,21

1,0

3,70

4,70

1,0

6,10

11,50

16

6,00

0,40

0,20

1,0

3,46

4,46

1,0

5,86

11,50

15

6,40

0,40

0,19

1,0

3,23

4,23

1,0

5,63

11,50

14

6,80

0,40

0,18

1,0

3,00

4,00

1,0

5,40

11,50

13

7,20

0,40

0,17

1,0

2,77

3,77

1,0

5,17

11,50

12

7,60

0,40

0,17

1,0

2,54

3,54

1,0

4,94

11,50

11

8,00

0,40

0,16

1,0

2,31

3,31

1,0

4,71

11,50

10

8,40

0,40

0,24

1,0

2,08

3,08

-

3,08

10,20

9

8,80

0,40

0,23

1,0

1,85

2,85

-

2,85

10,20

8

9,20

0,40

0,22

1,0

1,62

2,62

-

2,62

10,20

7

9,60

0,40

0,21

1,0

1,39

2,39

-

2,39

10,20

6

10,00

0,40

0,21

1,0

1,15

2,15

-

2,15

10,20

5

10,40

0,40

0,20

1,0

0,92

1,92

-

1,92

10,20

4

10,80

0,40

0,19

1,0

0,69

1,69

-

1,69

10,20

3

11,20

0,40

0,19

1,0

0,46

1,46

-

1,46

10,20

2

11,60

0,40

0,18

1,0

0,23

1,23

-

1,23

10,20

1

12,00

0,40

0,18

1,0

0,00

1,00

-

1,00

10,20


10.3.2 Análisis de estabilidad externa 10.3.2.1 Estabilidad de deslizamiento Se debe verificar que las fuerzas horizontales externas no vayan a originar un desplazamiento al muro.

274

M ANUAL DE DISEÑO

FSD

Σ Fuerzas Horizontales Resistentes Σ Fuerzas Horizontales Actuantes

=

(10.17)

La fuerza horizontal resistente es la fuerza cortante producida por la interacción entre el suelo de fundación y el geotextil en la zona reforzada, y el suelo de fundación con el de relleno en la zona donde no hay refuerzo.

τ

= c + σv* tanδ

σv

σv

= 22.74 T/m2

τ

= c’ + σv * tanδ

τ

= 1.4 T/m2 + 22.74 T/m2 * tan 24

τ

= 11.52 T/m2

(10.18)

(10.19)

(10.20)

(10.21)

= 1.38 T/m2 + 12.0 m * 1.78 T/m3

Fza. Cortante = τ * L Fza. Cortante

= 11.52 T/m2 * 10.2 m

Fza. Cortante

= 117.55 T/m

Determinación de fuerzas horizontales actuantes: • Relleno de confinamiento

Pa

= ½ * γ * H2 * Ka

Pa

= ½ * 1.78 T/m3 * 144 m2 * 0.333 = 42.72 T/m

PSC

= q * Ka * H

PSC

= 1.38 T/m * 0.333 * 12.0 m = 5.52 T/m

• Sobrecarga

2

• Cargas vivas

PCV (H / Qp) = 0.75 PCV

= 0.75 * (Qp / H) = 0.75 * (2.28 T / 12.0 m) = 0.14 T/m

• Factor de seguridad al deslizamiento FSD

= 117.55 / (42.72 + 5.52 + 0.14)

FSD

= 117.55 / 48.38

FSD

= 2.43 > 1.5

10.3.2.2 Estabilidad al volcamiento Se debe revisar que el momento producido por las fuerzas horizontales actuantes, comparadas con los momentos resistentes no vayan a ocasionar un volcamiento del muro. El análisis se hace tomando momentos en relación con el extremo inferior izquierdo de la sección transversal del muro.

275


FSV

Σ Momentos Resistentes Σ Momentos Actuantes

(10.22)

(10.23)

(10.24)

(10.25)

(10.26)

= 0.55 * H * Pcv = 0.55 * 12.0 m * 0.14 T/m = 0.92 T.m/m

(10.27)

=

Determinación de momentos resistentes: • Momento generado por la sobrecarga

MSC

=q*L*L/2

MSC

= 1.38 T/m * 10.2 m * 5.1 m = 71.8 T.m/m 2

• Momento generado por el propio peso del muro

MPM

= H * L * γ *L / 2

MPM

= 12.0 m * 10.2 m * 1.78 T/m3 * 5.1 m

MPM

= 1111.15 T.m/m

Determinación de los momentos actuantes • Momento generado por la presión lateral de tierras

MPT

= 1/3 * H * Pa

MPT

= 1/3 * 12.0 m * 42.72 T/m = 170.9 T.m/m

• Momento generado por la sobrecarga

MSC

= ½ * H * Psc

MSC

= ½ * 12 m * 5.52 T/m = 33.12 T.m/m

• Momento generado por las cargas vivas

MCV MCV • Factor de seguridad al volcamiento FSV

= (71.8 + 1111.15) / (170.9 + 33.12 + 0.92)

FSV

= 1182.95 / 204.04

FSV

= 5.8 > 2.0

10.3.2.3 Capacidad Portante Se revisa que la capacidad portante del terreno sea lo suficientemente competente para soportar las cargas producidas por la construcción del muro. Un muro de suelo reforzado se asemeja a un cimiento continuo. La profundidad de la cimentación debe tener un valor mínimo, con el fin de garantizar una estabilidad general de la estructura y la minimización de asentamientos debido a la carga del muro. Al tener en cuenta una profundidad de cimentación se incrementa el factor de seguridad contra el deslizamiento de la estructura.

276

M ANUAL DE DISEÑO

Según Luciano Rivera, en estructuras en las cuales exista la posibilidad de que las capas de suelo de la cimentación puedan ser socavadas o erosionadas recomienda trabajar con las siguientes profundidades mínimas con el fin de garantizarle a la estructura unas condiciones de estabilidad suficientes durante todo su período de diseño.

Tabla 10.9 Profundidades mínimas de cimentación de muros en suelo reforzado y taludes Inclinacion del suelo de relleno

Mínima profundidad de cimentación

Horizontal

H/20

3h : 1v

H/10

2h : 1v

H/7

3h : 2v

H/5

Para muros de estribos de puentes

H/10

Teniendo en cuenta lo anterior se realiza el cálculo de la capacidad portante del muro como se muestra a continuación:

σult

= c NC + q Nq + ½ γ B N γ

Nc

= 22.25

N q

= 11.85

Nγ

= 12.54

(10.28)

Donde Nc, Nq, N γ son los factores de carga planteados por Vesic (1973) para la ecuación general de capacidad portante, para la profundidad de la cimentación se tomó una profundidad de 1.0 m. Con base a estos datos se calcula la capacidad portante del suelo de fundación sobre el cual se construirá el muro en suelo reforzado. σult

= 1 T/m2 * 22.25 + 1.0m * 1.7 T/m3 * 11.85 + 0.5 * 1.7 T/m3 * 10.2 m * 12.54

σult

= 151.12 T/m2

σaplicado

= 22.74 T/m2

FSCP

= 151.12 / 22.74

FSCP

= 6.65 > 3.0

1.3.2 Análisis de estabilidad externa con cargas dinámicas • Coeficientes sísmicos Según lo mencionado en la sección 10.2.7 se utiliza un coeficiente apropiado, en nuestro país, este puede oscilar entre 0.10g y 0.20g, por lo que para el ejemplo se toma el más crítico. ah

= 0.20g

av

= 0.02g

Fuente: RIVERA, L., Muros de Contención de Suelo Reforzado con Cintas Metálicas y Geosintéticos, 1 ED., Universidad Del Cauca, 2004.

277


• Cálculo del coeficiente de presión activa Kas Utilizando las tres ecuaciones para el cálculo del coeficiente de presión activa de Mononobe-Okabe (Sección 10.2.7) se obtienen los siguientes valores: ψ

= 11.53°

DA

= 2.34

Kas

= 0.473

10.3.4.1 Estabilidad de deslizamiento para cargas dinámicas τ

= 11.52 T/m2

Fza. Cortante

=117.55 T/m

Determinación de fuerzas horizontales actuantes: • Relleno de confinamiento Pa

= ½ * 1.78 T/m3 * 144 m2 * 0.473 = 60.57 T/m

• Sobrecarga PSC

= 1.38 T/m2 * 0.473 * 12.0 m = 7.83 T/m

• Cargas vivas PCV (H/Qp) = 0.75 PCV

= 0.75 * (Qp /H) = 0.75 * (2.28 T / 12 m) = 0.14T/m

• Factor de seguridad al deslizamiento para cargas dinámicas FSDD

= 117.55 / (60.57 + 7.83 + 0.14)

FSDD

= 1.72 > 1.125

10.3.4.2 Estabilidad al volcamiento: Determinación de momentos resistentes: • Momento generado por la sobrecarga MSC

= 1.38 T/m2 * 10.2 m * 5.1 m = 71.8 T.m/m

• Momento generado por el propio peso del muro MPM

= 12.0 m * 10.2 m * 1.78 T/m3 * 5.1 m = 1111.15 T.m/m

Determinación de los momentos actuantes • Momento generado por la presión lateral de tierras. MPT

= 1/3 * 12.0 m * 60.57 T/m = 242.3 T.m/m

• Momento generado por la sobrecarga MSC

= ½ * 12.0 m * 7.83 T/m = 47.0 T.m/m

278

M ANUAL DE DISEÑO

• Momento generado por las cargas vivas MCV

= 0.55 * H * Pcv = 0.55 * 12.0 m * 0.14 T/m = 0.92 T.m/m

• Factor de seguridad al volcamiento para cargas dinámicas FSVD

= (71.8 + 1111.15) / (242.3 + 47.0 + 0.92)

FSVD

= 1182.95 / 290.22

FSVD

= 4.1> 1.5

10.4 EJEMPLO RELACIÓN BENEFICIO – COSTO Se requiere reconstruir la banca de una vía que ha presentado deslizamiento, proponer la alternativa más viable técnica y económica posible. La zona a reparar presenta la siguiente geometría: Altura

= 6.0

m

Longitud

= 10.0 m

Sobrecarga

= 10.0 KPa

El material de la zona tiene una granulometría adecuada para utilizarse en la construcción.

279


DESCRIPCIÓN

UNIDAD

PRECIO UNITARIO (U$)

MURO DE CONCRETO REFORZADO

MURO REFORZADO CON GEOTEXTIL

CANTIDAD

TOTAL (U$)

CANTIDAD

TOTAL (U$)

0,74

43,50

32,19

43,50

32,19

m3

7,81

24,00

187,44

24,00

187,44

Carga a mano del material proveniente de las excavaciones para asiento de fundaciones, zanjas, u otros.

m3

1,95

240,00

468,00

240,00

468,00

Encofrado de madera tipo recto, acabado corriente fundaciones de pared, losas de fundación y bases de pavimento.

m2

7,30

164,00

1197,20

60,00

438,00

Concreto de Fc = 4200 Kg.f/cm2 a los 28 días, acabado corriente, para la construcción de vigas de riostra, tirantes y fundación de paredes.

m3

123,86

36,80

4558,05

Suministro, transporte, preparación y colocación de acero de refuerzo Fy = 4200 Kg.f/cm2. Utilizando cabilllas de diámetro igual po menos del No. 3 para infraestructura.

Kg

0,49

1.277,00

625,73

Relleno de compactación de material de la zona

m3

3,02

57,45

173,50

313,20

945,86

Geotextil tejido T2400 como elemento de refuerzo (Incluye MO)

m2

2,07

772,20

1598,45

Geotextil no tejido para filtros (Incluye MO)

m2

15,00

103,50

1552,50

Tubería de PVC para drenaje de 4”, sin perforar incluyendo el geotextil no tejido de recubrimiento.

m.l

5,61

24,00

134,64

Ecomatrix / Malla plástica gallinero

m2

1,28

60,00

76,80

Localización y replanteo

2

m

Excavacion en tierra a mano para asiento de fundaciones,zanjas u otros, hasta profundidades comprendidas entre 0.00 y 1.50m. Sin retiro(Terreno semiduro y seco)

TOTAL

7.242,11

4.308,26

Solución: Para evaluar la alternativa más viable, se realizó una comparación entre una estructura de concreto reforzado y otra en suelo reforzado con geotextil: La diferencia en costos entre las dos alternativas es de 33%, sin tener en cuenta la diferencia de tiempo de ejecución de cada una de las estructuras, en donde la alternativa de muro reforzado con geotextil es aproximadamente un 25% menor en tiempo de construcción comparado con el sistema tradicional de muro de concreto reforzado.

280

M ANUAL DE DISEÑO

BIBLIOGRAFÍA • KOERNER, R. M., Designing With Geosynthetics, 5 ED., U.S.A., 2005 • U.S. DEPARTMENT OF TRANSPORTATION, FEDERAL HIGHWAY ADMINISTRATION, NATIONAL HIGHWAY INSTITUTE. PUBLICATION NO. FHWA HI-95-038, MAYO 1995. Geosynthetic Design and Construction Guidelines. NHI COURSE NO. 13213. • LESHCHISKY, D., PERRY, E.B., A Design Procedure For Geotextile Reinforced Wall, Geosynthetics ‘87, Vol. 1, Pags 95 - 107, 1987. • CHANDLER, DOUGLAS, KIRKLAND, THOMAS, Design And Construction Of A Geotextile Wall, Geosynthetics ‘91, Vol. 2, Pags 775 - 764, 1991. • STRESSES AND DEFORMATIONS IN GEOTEXTILE REINFORCED. • RIVERA, L., Muros de Contención de Suelo Reforzado con Cintas Metálicas y Geosintéticos, 1 ED., Universidad Del Cauca, 2004. • NATIONAL HIGHWAY INSTITUTE, FEDERAL HIGHWAY ADMINISTRATION, Mechanically Stabilized Earth Walls And Reinforced Soil Slopes Design And Construction Guidelines, FHWA-NHI-00-043, March 2001. Traducción Ing. Jaime Suárez Díaz. • ESCOBAR, L., RUBIO, R., Estudio De La Interacción Suelo Geotextil No Tejido, VI Congreso Colombiano De Geotecnia

281

CAPÍTULO 11 REFUERZO DE TALUDES

11.1 GENERALIDADES Los principales elementos de construcción empleados por el hombre son los materiales térreos, conformados por suelos y rocas. No sólo con los suelos y las rocas se construye si no también sobre ellos y dentro de ellos. Está comprobado que en muchos casos las propiedades geomecánicas de los materiales térreos no satisfacen las características deseables para diferentes aplicaciones, es así en donde estos materiales requieren de diferentes procesos y tratamientos especiales para modificar su comportamiento a las condiciones deseadas. Desde la antigüedad, se han colocado materiales naturales como pieles de animales, o fibras vegetales sobre los suelos blandos o incrustados dentro de éstos con el objetivo de construir estructuras de suelo reforzado. Por ejemplo en las vías de las civilizaciones Romanas se han encontrado vestigios de telas y pieles utilizados para propósitos de refuerzo; en la década de los años 60 se inicia la utilización de los primeros textiles para fines ingenieriles, pero fue hasta los años 70 en donde se inició la fabricación y aplicación de materiales textiles especiales para la ingeniería y es entonces donde adoptan el nombre de geotextiles. Los geotextiles y en general los geosintéticos complementan las falencias que presentan los materiales térreos, permitiendo obtener excelentes ventajas técnicas y económicas en la construcción de muros en suelo reforzado, taludes reforzados, terraplenes sobre suelos blandos, sistemas de subdrenaje etc, los suelos al igual que el concreto presentan una buena resistencia a la compresión pero son deficientes cuando se trata de asumir esfuerzos de tracción, por tal motivo cuando los suelos son combinados con elementos que sean capaces de absorber esfuerzos de tracción como son los geotextiles se puede lograr estructuras de suelo reforzadas. Las aplicaciones de refuerzo con geotextiles presentan varios campos de aplicación:

1. Refuerzo en subrasantes para vías: El refuerzo en subrasantes para vías permite la construcción de pavimentos reforzados aumentando la vida útil ó disminuyendo espesores de estructura de pavimento. Adicionalmente esta aplicación también ofrece una función muy importante, que es separar dos materiales, los materiales seleccionados (subbases y bases granulares) de los suelos finos de subrasante, evitando así la contaminación. Ver Capítulo 5 – Refuerzo en Vías con Geotextil

283

Capítulo 11 • REFU ER ZO DE TALU DES

2. Muros en suelo reforzado: Al incluir un material con resistencia a la tracción dentro de una masa de suelo se aumentan la resistencia general del conjunto, básicamente por la virtud del material geosintético de soportar esfuerzos de tracción y por el esfuerzo cortante que se genera entre el suelo y las capas adyacentes, permitiendo así la conformación de rellenos en suelo verticales. Estas estructuras reciben el nombre de muros en suelo reforzado.

3. Taludes de terraplenes reforzados: Los taludes son estructuras en suelo reforzado las cuales presentan dos importantes diferencias con respecto a los muros en suelo reforzado: la primera de ellas es la inclinación del relleno con respecto a la horizontal la cual es inferior a los 70° y la segunda diferencia es el modelo de superficie de falla que se asume para efectos de diseño del refuerzo, la cual es de geometría circular según los modelos de falla Coulomb, Bishop Circular, Jambu Circular, etc, mientras que el modelo de superficie de falla que se asume cuando se diseñan muros en suelo reforzado es el modelo de cuña de falla Rankine (45° + φ/2).

4. Refuerzo de suelos blandos: Cuando se construyen terraplenes sobre suelos blandos, estos pueden transmitir una presión de contacto de tal forma que se generan unas fuerzas de corte las cuales pueden superar la resistencia al corte del suelo de fundación, obteniéndose como resultado la falla en la base del terraplén. Un adecuado diseño de capas de geotextil Tejido de alta resistencia colocados en la base del terraplén suministra refuerzo a la tracción, de tal manera que el factor de seguridad ante la falla por efecto del peso del terraplén aumente hasta un valor confiable.

11.2 OBJETIVO El objetivo de esta guía es presentar una metodología de diseño de taludes de terraplenes, entendiendo por taludes aquellas inclinaciones menores a 70°. Los resultados de un procedimiento de diseño permiten establecer los espesores de capa y longitudes de geotextil necesarios para garantizar la estabilidad interna de los taludes en terraplenes. En esta guía también se presenta una metodología necesaria a tener en cuenta para realizar chequeo a la estabilidad externa y resalta la importancia de los sistemas de subdrenaje los cuales se deben tener en cuenta en la construcción de terraplenes.

11.3 INTRODUCCIÓN 11.3.1 Antecedentes En la construcción de las diferentes obras civiles se hacen necesarios grandes movimientos de tierra para la adecuación de terrenos, esto genera la necesidad de la construcción de terraplenes. Las caras del terraplén se conocen con el nombre de taludes. La utilización de geotextiles Tejidos de refuerzo en la construcción de terraplenes ofrece ventajas técnicas y económicas, como son la construcción de taludes artificiales con inclinaciones mayores a la del ángulo de reposo, permitiendo así considerables ahorros en volumen de material y menor área para la construcción, también la utilización de geotextiles en terraplenes ofrece la posibilidad de construcción de estos sobre suelos de baja capacidad portante. Ver Capítulo 10 – Muros de Contención Reforzados con Geosintéticos

284

M ANUAL DE DISEÑO

Con base en lo anterior la utilización de geotextiles Tejidos de refuerzo para terraplenes se divide en dos aplicaciones: 1. Refuerzo Interno. (Construcción de los taludes del terraplén) 2. Refuerzo del suelo de fundación. Las condiciones de diseño son diferentes para las dos aplicaciones antes mencionadas, por tal motivo estas dos metodologías de refuerzo en terraplenes se presentan cada una por separado. Como se mencionó anteriormente se consideran taludes aquellas inclinaciones menores a 70°, normalmente inclinaciones de taludes entre 70° y 90° se diseñan como muros en suelo reforzado. Cuando las condiciones de fundación son satisfactorias y se requiere la construcción de inclinaciones del o de los taludes del terraplén mayores a las del ángulo de reposo del suelo que va a conformar el terraplén, es necesario el diseño de éstos taludes, reforzados con geotextil Tejido.

11.3.2 Beneficios de la utilización de geotextiles en la construcción de taludes de terraplenes reforzados La utilización de geotextiles Tejidos en la construcción de los taludes en terraplenes presenta beneficios técnicos y económicos tales como:

a. Reducción del volumen del terreno

b. Alternativa para evitar la construcción de muros de contención rígidos

c. Obtención de área plana adicional

d. Reconstrucción de taludes en deslizamientos

285


11.4 CONSIDERACIONES DE DISEÑO Se considera diseño al refuerzo interno la determinación del geotextil necesario a colocarse distribuido en capas, de tal manera que el factor de seguridad a la falla aumente, y el terraplén sea internamente estable. La metodología consiste en determinar por los métodos clásicos de equilibrio límite el factor de seguridad de la superficie potencial de falla (más crítica o más probable) que presentan los taludes del terraplén. Este factor de seguridad es el cociente entre las fuerzas resistentes y las fuerzas movilizantes. Los geotextiles Tejidos al tener la capacidad de asumir esfuerzos de tracción, desarrollan fuerzas resistentes por detrás de la superficie de falla, gracias al esfuerzo de corte que se genera entre el geotextil y el suelo, tal efecto hace que se desarrolle una fuerza estabilizadora adicional a las determinadas normalmente y como resultado final el factor de seguridad ante la falla aumenta. Una vez determinado el factor de seguridad del talud reforzado con la superficie potencial de falla en estudio, se hace necesario revisar el factor de seguridad de la superficie potencial de falla para las condiciones de refuerzo ya establecidas. Las aplicaciones del geotextil de refuerzo son consideradas críticas si es necesario la movilización del refuerzo a la tracción para estabilizar los taludes del terraplén de tal forma que el factor de seguridad de la superficie potencial de falla aumente hasta un valor confiable. El refuerzo en el talud del terraplén es considerado típicamente no crítico si el factor de seguridad para el talud no reforzado es mayor a 1.1 y el refuerzo es usado para incrementar el factor de seguridad hasta un valor confiable. Existen varios programas de estabilidad de taludes disponibles para computador, los cuales son una herramienta que facilitan encontrar las superficies potenciales de falla. Para diseñar taludes reforzados se recomienda llevar a cabo la siguiente metodología: 1. Establecer las dimensiones geométricas y condiciones de carga del terraplén. 2. Conocer el perfil estratigráfico del suelo de fundación, y determinar las propiedades geomecánicas de los suelos de fundación. 3. Determinar las propiedades geotécnicas de los suelos a usar en la construcción del terraplén. 4. Establecer los parámetros de diseño del geotextil a usar como refuerzo. (Resistencia a la tracción método tira ancha, criterios de durabilidad, interacción suelo - refuerzo) 5. Determine el factor de seguridad del talud no reforzado. 6. Determinar el refuerzo necesario para estabilizar el talud. 7. Chequear la estabilidad externa. 8. Establecer los sistemas de drenaje y subdrenaje del terraplén.

11.5 PROCEDIMIENTO DE DISEÑO 11.5.1 Establecer las dimensiones geométricas y condiciones de carga Geometría y condiciones de cargas: •

Altura del terraplén, H.

•

Ángulo del o de los taludes del terraplén, β.

•

Establecer las cargas externas que tendrán el terraplén tales como sobrecargas (Q), (q), cargas vivas, diseño sísmico, aceleración αg. 286

M ANUAL DE DISEÑO

11.5.2 Conocer el perfil estratigráfico del suelo de fundación, y determinar las propiedades geotécnicas •

Es muy importante conocer el perfil estratigráfico, propiedades geotécnicas de los suelos de fundación encontrados: Gradación e índice de plasticidad, cu, φu y/o c’, φ’ y parámetros de consolidación para el cálculo de los asentamientos ( Cc, Cr, Cv y , φp’ ), con el objetivo de revisar las condiciones de fundación del terraplén, se aclara que en esta metodología de diseño se suponen condiciones óptimas de cimentación. De presentarse problemas de inestabilidad por malas condiciones de cimentación es necesario estudiar alternativas de estabilización tales como: refuerzo de base de terraplenes con geotextil, reemplazo de materiales, cimentación profunda, etc.

•

Localizar la altura de la del nivel freático NF y las condiciones de presencia de agua.

•

Para terraplenes de reparaciones de taludes se debe identificar la superficie de falla así como la causa de la inestabilidad. q Q

NF

αg

Lg + Le

H 2H/3

Ttotal

H1 β

dW

dW

Sv

Terraplén Suelo De Fundación

NF

Figura 11.1 Esquema terraplén 11.5.3 Establecer las propiedades geomecánicas del suelo que se utilizará para la conformación del terraplén Normalmente los materiales usados en la construcción de terraplenes reforzados son de tendencia granular, aunque en varios casos se han construido muros y terraplenes reforzados con materiales que tienen más del 50% de suelo fino. El uso de altos porcentajes de suelo fino como material de construcción de terraplenes depende de la tolerancia a la deformación que se le permita, también la plasticidad que este suelo presenta juega un papel muy importante, pues es un parámetro que indica la facilidad de manipulación que pueda tener el suelo en el proceso de compactación necesario en la conformación del terraplén. A manera de recomendación y con base en la especificación AASHTO-00 se presenta una descripción del tipo de suelo que puede utilizarse en la construcción de terraplenes.

287


Tabla 11.1 Gradación para terraplenes recomendada por la especificación AASHTO-00 Tamiz (mm)

% Pasa

100

100 - 75

4,75

100 - 20

0,475

0 - 60

0,075

5 - 50

Índice de plasticidad ≤ 20 Del suelo a usar se debe determinar: •

Gradación e índice de plasticidad.

•

Propiedades para la compactación del Proctor modificado, densidad máxima y humedad óptima de compactación (γdmax, ωóptima). Parámetros de resistencia al corte, cu, φu y c’, φ’.

•

11.5.4 Establecer los parámetros de diseño del geotextil de refuerzo a. Obtener la resistencia a la tracción disponible del geotextil (Tadm) como:

Tadm

Tult = FS

(11.1)

FS

= FRID x FRFL x FRDQB

(11.2)

Donde: Tult

=


Tadm

=

Resistencia a la tracción disponible del geotextil

FRID

=


FRFL

=

Factor de reducción por fluencia o creep

FRDQB

=


Los rangos para los factores de reducción se mencionan en la Tabla 3.1 del presente manual. b.

Determinar la resistencia Pullout:

A este dato se le aplica un factor de seguridad de 1.5 para suelos granulares y de 2.0 para suelos cohesivos.

FSP

= PR/Treq

FSP

= (2 * Le* F * α * σv) / Treq

(11.3)

Donde: Treq

=

Resistencia Pullout requerida

PR

=

Resistencia Pullout por unidad de ancho de refuerzo

Le

=

Longitud de empotramiento, (longitud del geotextil detrás de la superficie de falla)

288

M ANUAL DE DISEÑO

F

=

Factor de resistencia Pullout

α

=

Factor de transferencia de esfuerzo por efecto de escala

σv

=

Esfuerzo vertical total

11.5.5 Análisis de estabilidad de los taludes del terraplén sin refuerzo Realice un análisis de estabilidad de los taludes del terraplén sin refuerzo. Cuando la inclinación de las caras o taludes del terraplén no son simétricas o las condiciones de frontera son diferentes es necesario hacer análisis de estabilidad a los dos taludes del terraplén. Los análisis de estabilidad se realizan con metodología convencional por medio de análisis de equilibrio límite en donde se determina el factor de seguridad más crítico de las superficies potenciales de falla y la zona crítica a reforzar así como los momentos movilizantes. Varios programas de computador son disponibles fácilmente, estos son una herramienta que facilita la determinación de las superficies potenciales de falla y la zona crítica a reforzar, por ejemplo el PCSTABLE desarrollado por la Universidad de Purdue, el programa XSTABL desarrollado por la Universidad de Idaho, el programa ReSSA realizado por ADAMA Engineering para la Federal Highway Administration (FHWA), entre otros. No sólo se debe analizar la superficie de falla más crítica, también la zona de falla conformada por todas aquellas superficies de falla que presentan un factor de seguridad menor a 1.5 (Ver Figura 11.2).

Figura 11.2 Resultado de un análisis de estabilidad a un talud sin refuerzo Realizado en PCSTABLE 6 F es obtenido en ensayos Pullout con el suelo y el geotextil que se va a usar para cada caso en particular, puede usarse como valor conservativo F = 2/3 Tan φ .

289


11.5.6 Diseño del refuerzo necesario para la estabilidad del talud Teniendo en cuenta las superficies de falla con factores de seguridad menores a 1.5, determinados en un programa de estabilidad de taludes ó trazando superficies de falla y aplicando la ecuación de equilibrio límite como:

FS

Σ Momentos Resistentes = Σ Momentos Desestabilizante

(11.4)

FS

= (τ * Lsf * R) / (W * x + q * d)

(11.5)

Donde: τ

=

Resistencia al corte del suelo

L sf

=

Longitud de la superficie de falla

R

=

Radio

W

=

Peso del segmento de tierra

q

=

Sobrecarga d q

R

x W

H LSF

Figura 11.3 Esquema superficie de falla Para la superficie de falla que se está diseñando el refuerzo, calcule el momento desestabilizante MD y el momento resistente MR. Como:

MD

= W * x + q * d

MR

= MD * FSU

MR

= (W * x + q * d) * FSU

(11.6)

Donde: FSU

=

Calculado en el programa de estabilidad u obtenido manualmente trazando superficies de falla.

290

M ANUAL DE DISEÑO

Determine la fuerza total a la tensión que suministra el refuerzo T, requerida para obtener el factor de seguridad de talud reforzado FSR = 1.5:

Ttotal

= (FSR * MD - MR) / R

Ttotal

= (FSR * MD - FSU * MR) / R

Ttotal

= [(FSR - FSU) * MD] / R

(11.7)

Donde: FSR

=

Factor de seguridad requerido (Normalmente es 1.5)

FSU

=

Factor de seguridad del talud sin refuerzo

R

=

Radio de la superficie de falla

La fuerza necesaria que debe suministrar cada capa de geotextil es:

Tg

= Ttotal / espaciamientos requeridos

(11.8)

Repita lo anterior hasta obtener una distribución adecuada. Para taludes con alturas bajas (H < 6 m) asuma una distribución uniforme del refuerzo y use Ttotal para determinar el espaciamiento del refuerzo. Para taludes altos (H > 6 m) divida el talud en dos zonas de refuerzo (Tsuperior y Tinferior) o en tres zonas de refuerzo (Tsuperior, Tmedio y Tinferior) de iguales dimensiones y use la siguiente distribución de T: Para dos zonas: Tsuperior

= 3/4 Ttotal

Tmedio

= 1/4 Ttotal

Para tres zonas: Tsuperior

= 1/2 Ttotal

Tmedio

= 1/3 Ttotal

Tinferior

= 1/6 Ttotal

Determine el espaciamiento vertical del refuerzo Sv. Para cada zona, calcule la tensión de diseño del refuerzo, Tgdm, requerida para cada capa basada en asumir el espaciamiento Sv. Si la resistencia a la tensión es conocida, calcule el espaciamiento vertical y el número de capas de refuerzo, N, requerida para cada zona como:

Tg

= Tadm * Rc

Tg

= (Tzona * Sv) / Hzona

Tg

= Tzona / N

Donde: Rc

=

Porcentaje de cubrimiento del refuerzo (Rc= 1 para planos continuos).

291

(11.9)


Tzona

=

Resistencia máxima a la tensión requerida para cada zona; Tzona igual a Ttotal para taludes

bajos (H < 6 m).

Sv

=

Espaciamiento vertical del refuerzo.

Hzona

=

Altura de la zona y es igual en la parte superior, media e inferior para taludes altos

(H > 6 m).

Determine la longitud de empotramiento requerida, Le.

Le

= (Tadm * FS) / (F * α * σv ’ * 2)

(11.10)

Donde : F

=

Factor de resistencia del ensayo pullout, si no se tiene disponible el ensayo pullout use

para geotextiles F = 2/3 tan φ. Donde φ es el ángulo de fricción interna. Use φ’ y c’, diseño

a largo plazo y Cu y/o φ de ensayos no consolidados no drenados ó consolidados drenados

para revisión a corto plazo.

α

=

Factor de transferencia use 0.8 a 1.0.

Le

=

Longitud de empotramiento, mínima de 1m.

11.5.7 Chequeo a la estabilidad externa Chequeo al deslizamiento Se debe determinar el factor de seguridad al deslizamiento el cual debe ser mayor a 1.5. De no ser así se debe ampliar la base y la longitud del refuerzo del terraplén.

FSD

Σ Fuerzas Horizontales Resistentes = Σ Fuerzas Horizontales Desestabilizantes

FSD

= [(W + Pa * sen φ) tan δsg] / Pa * cos φ

W

= ½ L2 * γ * tan β

⇒ para L < H

W

= [L * H - H2 / (2 * tan β)] * γ

⇒ para L > H

(11.11)

Donde: FSD

=

Factor de seguridad al deslizamiento (> 1.5)

L

=

Longitud del refuerzo en la capa inferior

H

=

Altura del talud

PA

=

Presión activa de tierra

δsg

=

Ángulo de fricción entre el suelo de fundación y el geotextil

β

=

Ángulo del talud

Chequeo a la estabilidad global o estabilidad general El efecto de la construcción de un terraplén genera una sobrecarga en el sitio en donde se está colocando, por tal motivo es necesario revisar la estabilidad general o global del sitio con el objeto de garantizar la estabilidad del lugar o de la obra.

292

M ANUAL DE DISEÑO

Este análisis se realiza por métodos clásicos de estabilidad considerando superficies de falla y evaluando factores de seguridad o probabilidades de falla.

Capacidad portante Se debe calcular la capacidad portante última y admisible del terreno con el objetivo de compararla con la presión de contacto. Estimar la magnitud del asentamiento, usando métodos tradicionales de la geotecnia.

Sistemas de subdrenaje y drenaje El drenaje y subdrenaje es crítico para mantener la estabilidad del terraplén. La redundancia en el drenaje y subdrenaje es recomendable en este tipo de estructuras. Las obras de drenaje son todas aquellas obras que se deben construir de tal forma que se maneje en forma correcta el agua de escorrentía y se minimice la infiltración, estas obras en la mayoría de los casos se deben construir, tales obras son las cunetas, zanjas de corona, disipadores de energía, alcantarillas etc. Las obras de subdrenaje en TODOS LOS CASOS se deben construir estas son vitales en garantizar la estabilidad de la estructura, básicamente son de dos tipos: 1. Dren Chimenea: Ubicado en el espaldón del terraplén y consiste en un espesor de grava entre 30 a 60 cm forrado con geotextil No Tejido (Ver Figura 11.4). 2. Lloraderos: Consisten en tuberías perforadas normalmente de 2½” forradas con geotextil No Tejido. Estos lloraderos permiten la salida del agua de exceso que pueda llegar a los materiales térreos que conforman el terraplén. 3. Colchón Drenante: El colchón drenante está constituido por un espesor de material granular, que en lo posible debe cubrir toda la superficie de cimentación protegido con un geotextil No Tejido diseñado para que pase el agua y retenga las partículas finas de la estructura; este elemento ayuda a la disipación de la presión de poros y al abatimiento del nivel freático. Subdrén Chimenea

Lloraderos

Cuneta

Colchón Drenante

Figura 11.4 Esquema de obras de subdrenaje en un terraplén 293


11.6 EJEMPLO DE DISEÑO Se requiere construir un terraplén de 6 metros de altura sobre el cual se construir una estructura de pavimento la cual transmite una sobrecarga de q = 10 KPa.

1. Condiciones geométricas del talud H

= 6.0 m

β

= 45°

q

= 10 KPa

2. Propiedades geomecánicas del suelo de fundación El perfil estratigráfico presenta un estrato de 10 metros conformado por un limo arenoso arcilloso de consistencia dura, de baja plasticidad.

3.

γt

= 19 KN/m3

ωnatural

= 18 %

LL

= 42 %

LP

= 23 %

IP

= 19 %

cu

= 12.7 KPa

φ’

= 27°

c’

= 10 KPa

Propiedades geomecánicas del suelo que se utilizará para conformar el terraplén IP

= 20 %

γt

= 21 KN/m3

ωóptima

= 14 %

φ’

= 30°

c’

= 1 KPa

Tabla 11.2 Granulometría del material a utilizar en el terraplén Tamiz (mm)

% Pasa

19,0

100

9,50

80

4,75

65

2,00

50

0,425

35

0,075

25

294

M ANUAL DE DISEÑO

4.

Parámetros de diseño del refuerzo

Los geotextiles de refuerzo son T1700, T2100, T2400 y TR4000. FS

= FRID * FRFL * FSDQB

FS

= 1.2 * 2.5 * 1.0 = 3.0

• Geotextil Tejido 2100: Tult

= 30 KN/m

Tadm

= Tult / FS

Tadm

= 30 KN/m / 3.0

Tadm

= 10 KN/m


• Geotextil Tejido 2400: Tult

= 40 KN/m

Tadm

= Tult / FS

Tadm

= 35 KN/m / 3.0

Tadm

= 11.7 KN/m


5. Análisis de estabilidad del talud sin refuerzo. Es más preciso y más fácil utilizar algún programa de estabilidad, en este caso se utilizó el PCSTBLE6 Es importante tener en cuenta que cuando se realice el análisis de estabilidad se debe tener en cuenta las propiedades geomecánicas de los dos suelos, las del suelo de fundación y las del material que se utilizará para construir los terraplenes, con el objetivo de analizar las diferentes superficies de falla. No sólo se debe tener en cuenta la superficie de falla crítica si no también todas aquellas superficies de falla que su factor de seguridad sea menor a 1.5.

295


Figura 11.5 Resultado del análisis de estabilidad del talud sin refuerzo Realizado en PCSTABLE 6 6. Diseño del refuerzo necesario para la estabilidad del talud • Cálculo de momentos, MD y MR MD

=W*x+q*d

W

= 17.02 m2 * 21 KN/m3 = 357.4 KN/m

x

= 4.13 m

q

= 17.7 KN/m (la sobrecarga es de 10 KN/m2, la parte que está dentro de la superficie de falla es

de 1.77 m, lo que se hace es determinar una carga puntal que es de 17.7 KN/m equivalente a

la carga distribuida).

d

= 6.51 m

MD

= 357.4 * 4.13 + 17.7 * 6.51 = 1591.3 KN-m/m

MR

= MD * FSU = 1591.3 * 0.998 = 1588.1 KN-m/m,

R

= 7.56 m

Ttotal

= [(FSR – FSU) * MD] / R

Ttotal

= [(1.5 – 0.998) * 1591.3] / 7.56 = 105.7 KN/m

• Determinación de la distribución de los refuerzos: Se recomienda por aspectos constructivos espesores de capa entre 25 y 50 cm y como es un terraplén de 6 m de altura se recomienda una distribución uniforme.

296

M ANUAL DE DISEÑO

Tg

= Ttotal / N

Tg

= 105.7 KN/m / 12 = 8.8 KN/m

El geotextil Tejido T2100 presenta un Tadm de 10 KN/m N = 105.7/10 ≈ 11 capas pero teniendo en cuenta la recomendación constructiva de un espesor máximo de 50 cm se recomiendan 12 capas espaciadas 50 cm. • Determinación de la longitud de empotramiento Le: Le

= (Tadm * FS) / (F * α * σv’ * 2)

FS

= 1.5

Tadm

= 10 KN/m

F

= 2/3 tan φ = 0.385

α

= 0.9

σv’

= Esfuerzo vertical, es función de la profundidad (γ * h)

Realice la siguiente tabla:

Tabla 11.3 Resultados de espesores de capa y longitud del geotextil No. Capa

Z (m)

Sv (m)

Lo (m)

Lg (m)

Le (m)

Le min (m)

LT (m)

L T usar* (m)

12

0,5

0,5

1,0

2,2

2,1

1,0

5,8

8,5

11

1,0

0,5

1,0

2,5

1,0

1,0

5,0

8,5

10

1,5

0,5

1,0

2,8

0,7

1,0

5,3

8,5

9

2,0

0,5

1,0

3,1

0,5

1,0

5,6

8,5

8

2,5

0,5

1,0

3,3

0,4

1,0

5,8

8,5

7

3,0

0,5

1,0

3,4

0,3

1,0

5,9

8,5

6

3,5

0,5

1,0

3,5

0,3

1,0

6,0

8,5

5

4,0

0,5

1,0

3,5

0,3

1,0

6,0

8,5

4

4,5

0,5

1,0

3,4

0,2

1,0

5,9

8,5

3

5,0

0,5

1,0

3,2

0,2

1,0

5,7

8,5

2

5,5

0,5

1,0

2,6

0,2

1,0

5,1

8,5

1

6,0

0,5

1,0

0,8

0,2

1,0

3,3

8,5


Donde: Sv

= Espesor de la capa

Lo

= Longitud del doblez use 1.0m

Lg

= Longitud geométrica que va desde la cara del terraplén hasta la superficie de falla

Le

= Longitud de empotramiento detrás de la superficie de falla

LT

= Longitud total, la cual es la suma de Sv + Lo + Lg + Le

297


• Chequeo al deslizamiento Una vez realizado el diseño de las capas de refuerzo del talud se revisa la estabilidad al deslizamiento del talud reforzado teniendo en cuenta la longitud de la capa inferior del refuerzo. El factor de seguridad al deslizamiento se calcula de la siguiente forma: W

= [7 m * 6 m – 36 m2 / (2 * tan 45)] * 21 KN/m3

W

= 504.0 KN/m

⇒ para L > H

El empuje generado en el espaldón del talud es: Pa = ½ * Ka * γt * H2 Pa = ½ * 0.33 * 21 KN/m3 * (6 m)2 Pa = 124.74 KN/m Según la ecuación (11.11) el factor de seguridad es: FSD

= [(504 + 124.74 * sen 30) tan 21.6] / (124.74 * cos 30)

FSD

= 2.0 > 1.5

Posteriormente se debe realizar el chequeo a la estabilidad global teniendo en cuenta las condiciones particulares del sitio del proyecto. Finalmente se debe realizar los diseños del sistema de drenaje y subdrenaje los cuales son de vital importancia para la estabilidad de la estructura a largo plazo.

BIBLIOGRAFÍA • KOERNER R., Designing With Geosynthetics, 5 ED., U.S.A., 2005. • HOLTZ R., Geosynthetic Engineering, 1997. • CONSTRUCTION INDUSTRY RESEARCH AND INFORMATION ASSOCIATION, Soil Reinforcement With Geotextiles.

298

CAPÍTULO 12 REFUERZO DE TERRAPLENES SOBRE SUELOS BLANDOS

12.1 INTRODUCCIÓN Cuando se construyen terraplenes sobre suelos blandos, estos pueden transmitir una presión de contacto de tal forma que se generan unas fuerzas de corte las cuales pueden superar la resistencia al corte del suelo de fundación, obteniéndose como resultado la falla en la base del terraplén. Un adecuado diseño de capas de geotextil Tejido de alta resistencia colocados en la base del terraplén permite desarrollar un refuerzo a la tracción de tal manera que el factor de seguridad ante la falla por efecto del peso del terraplén aumente hasta un valor confiable. El refuerzo con geotextil puede disminuir los desplazamientos horizontales, verticales y los asentamientos diferenciales, aunque no se debe considerar que presente una disminución de los asentamientos por consolidación primaria ni secundaria. El uso de geotextiles Tejidos de alta resistencia para la construcción de terraplenes sobre suelos blandos puede presentar los siguientes beneficios: • El incremento del factor de seguridad • La posibilidad de incrementar la altura del terraplén • Reducción de los desplazamientos durante la construcción • Disminución de los asentamientos diferenciales Existen varias alternativas para la estabilización de terraplenes sobre suelos blandos, dependiendo de las condiciones particulares de cada caso, estas soluciones pueden ser: Reemplazo de suelos, pilotes de carga por fricción o por punta, pilotes drenantes o drenes verticales, geotextiles de refuerzo y otras. Está demostrado que el refuerzo con geotextiles Tejidos de alta resistencia es una alternativa de estabilización a un bajo costo comparado con otras alternativas. En algunos casos la solución técnica y económicamente más conveniente puede ser la combinación de tratamientos convencionales como por ejemplo reemplazos de materiales en la fundación alternados con el refuerzo del geosintético.

299

Capítulo 12 • REFU ER ZO DE TERR APLENES SO BRE SU ELOS BL ANDOS

El refuerzo de terraplenes sobre suelos de baja capacidad de soporte es necesario para las siguientes dos condiciones: En suelos muy blandos y saturados tales como arcillas, limos o turbas. La segunda situación es la construcción de terraplenes sobre materiales que presentan grietas, fisuras o vacíos (típicas de suelos residuales los cuales presentan estructuras heredadas). Los geotextiles también pueden ser usados como elementos de separación para evitar la contaminación de los materiales seleccionados que conforman al terraplén. Si la función y aplicación del geotextil sólo va ser la de separación el diseño se debe basar en garantizar la supervivencia en la construcción y posterior vida útil, entonces se puede pensar en geotextiles que tengan alta elongación como son los geotextiles No Tejidos. En este caso no se puede considerar que el geotextil aporte resistencia.

12.2 CONSIDERACIONES DE DISEÑO En los terraplenes construidos sobre suelos blandos de baja capacidad portante se puede presentar tres tipos de falla:

a. Por capacidad portante

b. Falla rotacional de base

c. Falla por desprendimiento lateral

En esta guía de diseño se presenta la metodología para determinar el geotextil necesario para la estabilización por los modelos de falla antes descritos, la estabilidad interna de los taludes también debe ser analizada. Las tres posibilidades de modelos de falla indican los tipos de análisis de estabilidad que se requieren, también se debe tener en cuenta los demás chequeos de estabilidad externa necesarios en todos los casos. El momento más crítico de estabilidad del terraplén es el final de la construcción, por tal motivo el mayor beneficio que presta el refuerzo es durante el proceso constructivo.

Ver Capítulo 11 - Refuerzo de taludes.

300

M ANUAL DE DISEÑO

El procedimiento de diseño de terraplenes sobre suelos blandos se realiza por métodos convencionales de geotecnia con algunas modificaciones por la inclusión del refuerzo. Las condiciones que mejor modelan el comportamiento constructivo de terraplenes sobre suelo blandos son las de realizar análisis en términos de esfuerzos totales y las más apropiadas para el diseño del refuerzo. (Holtz, 1989).

12.3 METODOLOGÍA DE DISEÑO 12.3.1 Establecer las dimensiones geométricas, condiciones de carga, tiempo de construcción y condiciones ambientales • Altura del terraplén, H, la longitud del terraplén L, el ancho de la cresta, B. • Ángulo del talud o de los taludes del terraplén, β. • Establecer las cargas externas que tendrá el terraplén tales como sobrecargas (Q), (q), cargas vivas, diseño sísmico, aceleración αg. • Tiempo de construcción (para revisar la tasa de incremento de esfuerzo en el suelo de fundación). • Condiciones ambientales tales como drenajes naturales, probabilidad de infiltraciones.

12.3.2 Establecer el perfil estratigráfico, las propiedades geomecánicas del suelo de fundación y las condiciones del nivel freático • Es muy importante conocer el perfil estratigráfico, las propiedades geotécnicas de los suelos de fundación: Gradación e índice de plasticidad (propiedades índice), cu, para los análisis de estabilidad al final de la construcción, φu y/o c´, φ´ y parámetros de consolidación para el cálculo de los asentamientos (Cc, Cr, Cv y σp´) con el objetivo de revisar las condiciones a largo plazo. • Localizar la altura del nivel freático NF y las condiciones de presencia de agua y de lugares o zonas de aporte de agua que puede presentar algún riesgo de infiltración. Ver Figura 12.1.

q Q dW NF

αg H 2H/3 H1

NF

Terraplén

β

Suelo De Fundación

dW

Figura 12.1 Esquema terraplén

301


12.3.3 Obtener las propiedades ingenieriles del suelo que se utilizará para la construcción del terraplén • Clasificación, propiedades índice. • Propiedades para la compactación, según el Proctor modificado, densidad máxima y humedad óptima de compactación (γdmax, ωóptima). • Parámetros de resistencia al corte, cu, φu y/o c´, φ´.

12.3.4 Establecer los parámetros de diseño del geotextil de refuerzo Obtener la resistencia a la tracción disponible del geotextil (Tadm) como:

Tult FS

Tadm

=

FS


(12.1)

(12.2)

Donde: Tult

=


Tadm

=

Resistencia a la tracción disponible del geotextil

FRID

=


FRFL

=


FRDQB

=


Los rangos para los factores de reducción se mencionan en la Tabla 3.1 del presente manual Determinar la resistencia en ensayos Pullout. A este dato se le aplica un factor de seguridad de 1.5 para suelos granulares y de 2.0 para suelos cohesivos.

Donde:

FSP

= PR/Treq

FSP

= (2 * Le* F * α * σv) / Treq

(12.3)

Treq

= Resistencia Pullout requerida

PR

= Resistencia pullout por unidad de ancho de refuerzo

Le

= Longitud de empotramiento, (longitud del geotextil detrás de la superficie de falla)

F

= Factor de resistencia Pullout

α

= Factor de transferencia de esfuerzo por efecto de escala

σv

= Esfuerzo vertical total

12.3.5 Chequeo por Capacidad Portante Cuando el espesor del estrato de suelo blando es mayor que el ancho del terraplén se puede calcular la capacidad portante por métodos clásicos. (Terzghi and Peck, 1967; Vesic, 1975; Perloff and Baron, 1976; and U.S. Navy, 1982). F es obtenido en ensayos Pullout con el suelo y el geotextil que se va a usar para cada caso en particular, puede usarse como valor conservativo F = 2/3 Tan φ .

302

M ANUAL DE DISEÑO

Los cuales asumen metodologías de equilibrio límite, asumiendo una espiral logarítmica como la superficie de falla. Se recomienda calcular la capacidad portante en términos de parámetros no drenados pues esta condición se asemeja más a los condiciones de construcción de terraplenes, un proceso de carga rápido sin disipación de presiones de poros. Con base en lo anterior la capacidad portante se puede calcular como:

qult

= cu * Nc

(12.4)

qult

= (π + 2) * cu

(12.5)

Donde: Nc

=

Es el factor de capacidad portante, usualmente se toma 5.14.

cu

=

Resistencia al corte no drenada del suelo de fundación.

El refuerzo no se debe considerar como un elemento que incrementa la capacidad portante (aunque el refuerzo logra una mejor redistribución de la presión de contacto) si la presión de contacto es mayor que la capacidad portante el terraplén puede fallar por capacidad portante. En estos casos es conveniente pensar adicionalmente al refuerzo, otros tipos de soluciones como pilotes drenantes ó drenes verticales, pilotes de cimentación, reemplazo de materiales etc.

12.3.6 Chequeo a la falla Rotacional de Base Para revisar contra la falla rotacional, se debe hacer un análisis clásico de equilibrio límite de estabilidad que involucre el suelo de fundación con el objetivo de determinar la superficie potencial de falla (Ver Figura 12.2).

Figura 12.2 Análisis de estabilidad de un terraplén sin refuerzo construido sobre un suelo blando. Realizado en el PCSTABLE5. 303


Si el factor de seguridad de la superficie potencial de falla rotacional es mayor a 1.3 (al final de la construcción) el terraplén no requiere refuerzo. Si el factor de seguridad a la falla rotacional es menor a 1.3 (al final de la construcción) el terraplén requiere refuerzo. Entonces se debe calcular la fuerza, Tg, necesaria para incrementar el factor de seguridad a un valor confiable normalmente 1.3.

Tg

= [(FS * MD) – MR] / [(R * Cos (θ - β)]

(12.6)

Donde: MD

=

Momento desestabilizante (W * x)

MR

=

Momento resistente (Σ cu * L) * R R

R cos (θ - β)

Tg β D

θ

Figura 12.3 Modelo de falla rotacional del terraplén para el diseño del refuerzo β=θ

Para arcillas sensitivas, slurry, lechadas o arcillas marinas. Condiciones extremas.

β=θ/2

Si D/B < 0.4 y suelos con compresibilidad de moderada a alta, suelos arcillosos y turbas.

β=θ

Si D/B ≥ 0.4 y suelos altamente compresibles. Arcillas blandas y turbas

12.3.7 Chequeo por desprendimientos laterales Se debe de determinar el factor de seguridad al desprendimiento, teniendo en cuenta dos situaciones, la primera que el bloque de terraplén se desprenda sin romper el geotextil y la segunda que el bloque de terraplén se desprenda rompiendo el geotextil. Si el factor de seguridad al desprendimiento en los dos casos es mayor a 1.5 no se requiere geotextil adicional para estabilizar este modo de falla, si el factor de seguridad es menor a 1.5 se requiere geotextil adicional para llevar el refuerzo a un valor confiable. Esto se hace calculando los refuerzos adicionales. b Terraplén

H

δsg

Suelo De Fundación

Figura 12.4 Desprendimiento lateral del talud 304

M ANUAL DE DISEÑO

La ecuación para el cálculo del factor de seguridad por desprendimiento lateral es la siguiente:

FSDL

= b * tan δsg / Ka * H

(12.7)

Donde: b

= Ancho del hombrillo del talud

δsg

= Ángulo de fricción entre el suelo del terraplén y el geotextil

Ka

= Presión activa del suelo del terraplén

H

= Altura del terraplén

12.3.8 Establecer la deformación tolerable del geotextil y calcular el módulo (J) del refuerzo requerido con base en el ensayo a la tensión por el método de la tira ancha (ASTM D 4595) Recomendaciones basadas en el tipo de suelo a utilizar para la construcción del terraplén sobre suelos blandos (Turbas): • Módulo de refuerzo

J

= T / Egeotextil

• Suelos poco cohesivos

Egeotextil = 5 al 10 %

• Suelos cohesivos

Egeotextil

• Turbas

Egeotextil = 2 al 10 %

=2%

Con base en los chequeos anteriores se determina el geotextil a utilizar. Otros chequeos: • Estimar la magnitud del asentamiento, usando métodos tradicionales de la geotecnia • Establecer la secuencia, procedimientos constructivos, velocidad de avance de obra. • Sistemas de subdrenaje y drenaje • Establecer la instrumentación que se requiera en cada caso, celdas de carga, platinas de asentamiento, piezómetros, presurómetros, strain gage etc. • Afectación a construcciones vecinas • Retroanálisis

12.4 EJEMPLO DE DISEÑO Se requiere construir un terraplén de 2 m de altura para soportar una estructura de pavimento (Ver Figura 12.5). 15.0 m 2.0 m 4.5 m

31.0 m

Suelo 1 Suelo 2

Figura 12.5 Sección típica del terraplén 305


• Propiedades de los Suelos Suelo 1. MH γ = 17 KN/m3 cu = 6 KPa

Suelo 2. GM γ = 19.8 KN/m3 φ = 30° c’ = 10 KPa

Suelo para construcción del terraplén γ = 21.7 KN/m3 φ = 35° • Factores de seguridad requeridos FSmin > 1.5 Para condición a largo plazo FSmin ≈ 1.3 Para condición a corto plazo

1.

Chequeo de capacidad portante

La capacidad portante en términos no drenados es: qult

= cu * Nc

Nc

= 4.14 + 0.5 (B/d)

B = Base del terraplén (m) d = Profundidad estrato suelo de fundación (m) Nc

= 4.14 + 0.5 (31 / 4.5) = 7.6

qult

= 6.0 KPa * 7.6 = 45.6 KPa

Presión de contacto: Pcto sin geotextil = γ * h = 21.7 KN/m3 x 2 m Pcto sin geotextil = 43.4 KPa El cálculo del factor de seguridad por capacidad portante del terraplén sin tener en cuenta el geotextil es: FSCP

= 45.6 / 43.4

FSCP

= 1.04 > 1.5

⇒ No cumple

Con geotextil se logra una distribución de la presión de contacto y se calcula de la siguiente manera: Pcto con geotextil

=Aγ/B

306

M ANUAL DE DISEÑO

A

= Área de sección transversal del terraplén

B

= Base del Terraplén

Pcto con geotextil

= [ (½ x (37 m + 15 m) 2 m) x (21.7 KN/m3)] / 37m

Pcto con geotextil

= 30.5

Nc

= 4.14 + 0.5 (37 / 4.5) = 8.3

qult

= 6.0 KPa * 8.3 = 49.5 KPa

Por lo tanto el factor de seguridad por capacidad portante teniendo en cuenta el sobreancho del geotextil en los costados del terraplén es el siguiente: FSCP

= 49.5 / 30.5

FSCP

= 1.63 ⇒ Cumple

2. Chequeo a la falla Rotacional de Base A continuación se calcula el factor de seguridad de la falla rotacional de base sin refuerzo. Nota: El valor mínimo del factor de seguridad al final de la construcción debe ser 1.3. Es recomendable usar un programa de estabilidad de taludes.

Figura 12.6 Análisis de estabilidad del terraplén sin refuerzo

307


R = 8.49 m

FS = 0.83

Figura 12.7 Cuña de falla a tener en cuenta para el diseño Una vez corrido el programa de estabilidad de taludes se realizan los siguientes cálculos teniendo como datos de entrada la geometría de la superficie de falla mostrada en el programa. FS

= 0.83 ⇒ Sin refuerzo

FSreq

= (MR + Tg * R) / MD ≥ 1.3

R

= 8.49 m

MR

= (Σ cu * L) * R (Momento Resistente)

MR

= (6.0 KPa * 18.4 m) * 8.49 m

MR

= 937.3 KN

x

= 4.0 m

MD

= W * x (Momento Desestabilizante)

MD

= 14.18 m2 * 21.7 KN/m3 * 4.0 m

MD

= 1230.8 KN

FSreq

= 1.3

Σ MR / Σ MD

= (937.3 + Tg * 8.49] / 1230.8 = 1.3

Despejando Tg se obtiene la magnitud del refuerzo para la base del terraplén: Tg

= 78.06 KN/m

Tadm

= Tult / FS

FS

= FSID * FSFL * FSDQB

FS

= 1.2 * 2.5 * 1.0 = 3.0

Geotextil Tejido T2400: Tult

= 35 KN/m

Tadm

= 35.0 / 3.0

Tadm

= 11.7 KN/m

N

= 78.06 / 11.7

N

= 6.7


⇒ 7 Refuerzos

308

M ANUAL DE DISEÑO

Geotextil Tejido TR4000: Tult

=64 KN/m

Tadm

= 64.0 / 3.0

Tadm

= 21.3 KN/m

N

= 78.06 / 21.3

N

= 3.66 ⇒ 4 Refuerzos


Las capas deben estar espaciadas 0.15 m aproximadamente. Adicionalmente se deben hacer cálculos de asentamientos, procedimiento constructivo, seguimiento durante el procedimiento constructivo (Método Observacional).

BIBLIOGRAFÍA • KOERNER R.M., Designing With Geosynthetics, 5 ED., U.S.A., 2005. • HOLTZ R., Geosynthetic Engineering, 1997. • CONSTRUCTION INDUSTRY RESEARCH AND INFORMATION ASSOCIATION, Soil Reinforcement With Geotextiles.

309

CAPÍTULO 13 REFUERZO DE CIMENTACIONES CON GEOSINTÉTICOS

13.1 INTRODUCCIÓN Cuando se construyen estructuras sobre suelos de baja capacidad portante, éstos pueden transmitir una presión de contacto de tal forma que se generan unas fuerzas de corte que pueden llegar a superar la resistencia al corte del suelo de fundación, dando como resultado una falla por capacidad portante o por asentamiento en la cimentación. Un adecuado diseño de capas de geosintético de alta resistencia a la tensión instalados en la cimentación de una estructura permite desarrollar un refuerzo a la tracción de tal forma que el factor de seguridad ante la falla por efecto de la carga de la estructura aumente hasta un valor confiable. El refuerzo con geosintéticos puede disminuir los desplazamientos horizontales, verticales y los asentamientos diferenciales, aunque no se debe considerar que presente una disminución de los asentamientos por consolidación primaria y secundaria. La capacidad de carga última de cimentaciones superficiales puede mejorase incluyendo refuerzo de tensión como geotextiles y geomallas en el suelo que soporta la cimentación. En este caso se va a utilizar la metodología de diseño racional de Binquet y Lee para el problema de capacidad de carga admisible de cimentaciones superficiales que descansan sobre suelo granular reforzado.

13.2 CONSIDERACIONES DE DISEÑO Las cimentaciones superficiales reforzadas con geosintéticos presentan una variación del modo de falla respecto a las cimentaciones no reforzadas, a continuación se enumeran los modos de falla que pueden presentar en este tipo de estructuras:

13.2.1 Falla por capacidad portante por encima de la primera capa de refuerzo Este tipo de falla ocurre generalmente cuando la primera capa de refuerzo esta colocada a una profundidad, d, mayor que 2/3B donde B es el ancho de la cimentación. 311

Capítulo 13 • REFU ER ZO DE CI M ENTACIONES CON GEOSINTÉTI COS

B

d

Refuerzo

Figura 13.1 Falla por cortante arriba del refuerzo 13.2.2 Falla por Pullout o longitud de empotramiento insuficiente Esta corresponde a la longitud que se encuentra por detrás de la superficie de falla, en la cual se desarrollan las fuerzas resistentes generadas por el coeficiente de fricción entre el suelo de relleno y el geosintético. B

d

Refuerzo

Figura 13.2 Falla por longitud de empotramiento insuficiente 13.2.3 Falla por tensión del material de refuerzo Aunque todos los tipos de falla se deben chequear para el diseño de la cimentación, este modo de falla es el que se considera para el diseño del geosintético de refuerzo, y tiene en cuenta propiedades mecánicas tales como la resistencia a la tensión del material de refuerzo. B

d

Refuerzo

Figura 13.3 Falla por tensión del material de refuerzo 13.2.4 Falla por fluencia del material de refuerzo a largo plazo o creep Esta se refiere a la deformación del material de refuerzo con el tiempo, debido a la aplicación de una carga constante o repetitiva y menor a la resistencia última del material. Se ha demostrado que el fenómeno de creep para geotextiles se ve reducido al cuantificar las deformaciones en condición confinada, sin embargo se recomienda utilizar factores de reducción en la resistencia de diseño del material, que minimicen el efecto de este fenómeno en la cimentación, controlando así los asentamientos que se puedan generar.

312

M ANUAL DE DISEÑO

B Asentamiento d

Refuerzo

Figura 13.4 Falla del material por fluencia

13.3 METODOLOGÍA DE DISEÑO 13.3.1 Localización de la superficie de falla Para el modo de falla a tensión del material de refuerzo la Figura 13.5 muestra el comportamiento de los materiales frente al desarrollo de la superficie de falla cuando d/B es menor que 2/3, condición en la que es de mayor beneficio la inclusión de refuerzo. B

Zona II

Zona II Zona I

∆H ∆H

d

τXZ (max) XO

∆H

LO

z

Refuerzo

Figura 13.5 Mecanismo de falla baja cimentaciones reforzadas La Figura 13.5 muestra una condición idealizada para el desarrollo de la superficie de falla en el suelo, la cual consta de dos zonas, la Zona I, localizada debajo de la cimentación, forma una cuña debido al asentamiento que se genera por la aplicación de la carga. La Zona II es la que se localiza a los costados de la Zona I en la cual el suelo es empujado hacia fuera y hacia arriba. Los puntos que definen el límite entre las zonas I y II, se obtienen como el resultado de la localización del esfuerzo cortante máximo debido a la aplicación de carga en la cimentación, para una profundidad dada. El esfuerzo cortante τxy es el esfuerzo desarrollado a una profundidad z y a una distancia x medida desde el eje de la cimentación. Integrando la ecuación de Bousinnesq, el esfuerzo cortante se calcula de la siguiente manera:

4 b qR x z2 τxz = π [(x2 + z2 – b2)2 + 4 b2 z2]

313

(13.1)


Donde: b

=

Ancho medio de la cimentación o B/2

B

=

Ancho de la cimentación

qR

=

Carga por área unitaria de la cimentación

El límite exterior de la zona I se refiere a los puntos donde el valor del esfuerzo cortante es máximo para una profundidad z. Xo es la distancia en la cual el esfuerzo cortante es máximo para una profundidad dada, esta distancia es variable y se puede calcular mediante la siguiente figura. 2.0 1.5 Xo / B 1.0 0.5

0

1

2 z/B

4

3

Figura 13.6 Localización del esfuerzo cortante máximo para una profundidad z, dado un ancho de cimentación B 13.3.2 Disipación de esfuerzos por medio del refuerzo con geosintético A continuación se muestran las fuerzas aplicadas sobre una capa de suelo ∆H no reforzada y reforzada, localizada a una profundidad z de la cimentación, según la hipótesis mencionada anteriormente, ambos tipos de cimentación poseen el mismo asentamiento Se.

• Caso no reforzado: Las fuerzas presentes para este caso son las fuerzas F1 y F2, ambas verticales y S1 la fuerza cortante máxima localizada a una distancia Xo.

qo

Df B

σ (qo) max

x

Variación de σ (qo)

F1 ∆H

S1

F2 z

Xo

Figura 13.7 Fuerzas actuantes en cimentaciones no reforzadas 314

M ANUAL DE DISEÑO

Por lo tanto las fuerzas aplicadas sobre la capa de suelo son las siguientes: 0

= F1 – F2 – S1

• Caso reforzado: En el caso de la cimentación reforzada, las fuerzas verticales son F3 y F4, S2 la fuerza cortante máxima y T es la fuerza desarrollada por la capa de refuerzo, y esta es vertical debido a la hipótesis de la deformación del refuerzo.

qR

Df

x

B

Variación de σ (qo)

F3

σ (qo) max

∆H

F4

S2

T

Xo

z

Figura 13.8 Fuerzas actuantes en cimentaciones no reforzadas Las fuerzas aplicadas sobre cada capa de suelo son las siguientes: 0

= F 3 – F 4 – S2 – T

Debido a que el asentamiento es el mismo para ambos casos: F2

= F4

Reemplazando F2 en F4 en la ecuación del caso reforzado

T

= F3 – F1 – S2 + S1

(13.2)

Por lo tanto la magnitud de las fuerzas F1 y F3 son causadas por el esfuerzo vertical generado por la aplicación de las cargas qo y qR, y son calculadas como el área bajo la curva de la función del esfuerzo vertical entre 0 y Xo. Para S1 y S2 se calculan los esfuerzos cortantes a una profundidad z y a una distancia Xo desde el eje de la cimentación, causados por las cargas qo y qR. F1 =

∫

X0

F3 =

∫

X0

0

0

σ (qo) dx σ (qR) dx

315


S1 = τxz (qo) ∆H S2 = τxz (qR) ∆H Integrando y simplificando la solución de Bousinesq se tienen las siguientes ecuaciones:

F1

= A1 qo B

(13.3)

F3

= A1 qR B

(13.4)

S1

= A2 qo ∆H

(13.5)

S2

= A2 qR ∆H

(13.6)

Donde A1 y A 2 están dados en función de z y B. 0.4

A1

0.3 A1, A2, A3 0.2

A3 0.1 A2

0

1

2 z/B

3

4

Figura 13.9 Variación de A1, A2, A3 con respecto a z/B Reemplazando las ecuaciones (13.3) – (13.6) en la ecuación (13.2) se obtiene:

T

= A1 qR B – A1 qo B – A2 qR ∆H + A2 qo ∆H

T

= qo (qR / qo – 1) (A1 B – A2 ∆H)

(13.7)

Debido a que esta ecuación se desarrolló para una sola capa de refuerzo, si se tienen N capas bajo la zapata separadas una distancia ∆H la fuerza T calculada en este caso es:

Tult

= T / N

(13.8)

Donde N es el número de refuerzos a incluir bajo la cimentación. Combinando las ecuaciones (13.7) y (13.8), la ecuación para el cálculo de la fuerza a la que es sometida el refuerzo es la siguiente:

T(N)

= 1/N [qo (qR/qo – 1) (A1B – A2∆H)] 316

(13.9)

M ANUAL DE DISEÑO

Donde: T(N)

=

Fuerza desarrollada por cada capa del refuerzo

N

=

Número de capas de refuerzo en la cimentación

qo

=

Carga admisible por área unitaria de la cimentación

qR

=

Carga aplicada por área unitaria de la cimentación

A1

=

Factor para el cálculo de fuerzas verticales en el suelo

A 2

=

Factor para el cálculo de fuerzas cortantes en el suelo

B

=

Ancho de la cimentación

∆H

=

Separación entre las capas de refuerzo

Una vez calculada la resistencia a la tensión requerida de cada capa, se determina la resistencia a la tensión admisible en función los factores de reducción.

Tadm

Tult = FS

(13.10)

FS


(13.11)

Donde: Tult

=

Resistencia última del geotextil o geomalla por el método de la tira ancha

Tadm

=

Resistencia a la tracción disponible del geotextil o geomalla

FRID

=


FRFL

=


FRDQB

=


Los rangos para los factores de reducción se mencionan en la Tabla 3.1 y Tabla 3.2 del presente manual.

13.3.3 Cálculo de la longitud de refuerzo Una vez calculada la fuerza que soportará cada capa de refuerzo, se debe revisar si la resistencia admisible del refuerzo de la cimentación es mayor que la resistencia requerida, calculada en el paso anterior, si no es así, el refuerzo podrá fallar por tensión o por Pullout. La resistencia al Pullout se obtiene de la resistencia por fricción entre el suelo y el refuerzo. Esta corresponde a la superficie de empotramiento por detrás de la zona de falla la cual es calculada por la siguiente ecuación:

FB FB

= 2 tan δ [Fuerza Normal] = 2 tan δ [(LDR)fσ (qR) dx + (LDR) γ (Lo – Xo) (z + Df)] (13.12)

Donde: γ

=

Peso específico del suelo

Df

=

Profundidad de la cimentación

δ

=

Ángulo de fricción entre el geosintético y el suelo (ASTM D 5321) 317


La fuerza normal la definen la fuerza generada por la disipación de la carga de la cimentación y la fuerza generada debido a la presión normal del suelo a la profundidad del refuerzo. El término LDR se define como la razón de densidad lineal del refuerzo; para el caso de geotextiles LDR=1 debido a que el geotextil cubre toda el área de refuerzo. Para el caso de geomallas pese a que estas no cubren un área de forma constante debido a su estructura de costillas y aberturas, el refuerzo generado por las geomallas se debe en gran parte al trabazón de los agregados entre sus aberturas, por lo que en términos de densidad de refuerzo la geomalla se encuentra muy cercana a la unidad y por lo tanto el valor con el que se diseña es igual a 1. Lo se calcula como la distancia a la que el esfuerzo σ(qR) es igual a 0.1 qR, este valor se puede calcular por medio de la Figura 13.10 en función del ancho y de la profundidad. 5

4

3 Lo / B 2

1

0

1

2

3

4

z/B

Figura 13.10 Variación de Lo/B con respecto a z/B Simplificando el término de la integral, la ecuación queda de la siguiente forma:

FB = 2 tan δ (LDR) [A3 B qo (qR / qo) + γ (Lo – Xo) (z + Df)]

(13.13)

Donde A 3 esta expresada en función de la profundidad y el ancho de la cimentación (Ver Figura 13.9). El factor de seguridad contra el Pullout del refuerzo es:

FSP

=

FB T(N)

≥ 1.5

(13.14)

13.4 PROCEDIMIENTO PARA EL DISEÑO DE CIMENTACIONES REFORZADAS 1. Con base en las propiedades geomecánicas del suelo de fundación determine la capacidad portante admisible, qadm. 2. Según las propiedades ingenieriles del suelo de mejoramiento. establezca el peso unitario total, y ángulo de fricción del material.

318

M ANUAL DE DISEÑO

3. Según el ancho de cimentación, B, preestablecido, suponga la profundidad de la primera capa de refuerzo, d, y el número de capas, N. La ubicación más efectiva del refuerzo con geosintéticos se produce cuando la profundidad de la capa superior cumple que d < 2/3 B. Para la ubicación de la capa más baja del refuerzo se tiene en cuenta el bulbo de presiones del cimiento donde se recomienda que esta debe estar a una distancia de menor o igual a 2B. 4. Calcule la magnitud de qR para la cimentación reforzada con el geosintético: qR

= QL / B

Donde: QL

=

Carga lineal sobre el cimiento

B

=

Ancho del cimiento

5. Calcule la fuerza requerida por cada capa del refuerzo utilizando la ecuación (13.9). Se recomienda realizar una tabla especificando la profundidad de cada capa, y los cálculos necesarios para calcular la magnitud del refuerzo (Ver sección 13.5). 6. Determine los factores de reducción del material de refuerzo según las condiciones del proyecto y las Tablas 3.1 y 3.2 del presente manual. 7. Compare la fuerza desarrollada por el refuerzo del cimiento, T(N), con la resistencia admisible de los geosintético disponibles para la aplicación de refuerzo y seleccione el más apropiado con base en que el factor de seguridad sea mayor a la unidad. 8. Calcule la resistencia por fricción del refuerzo con geosintético por longitud unitaria de cimentación, FB, utilizando la ecuación (13.13) y verificando que la longitud de empotramiento sea suficiente para cada una de las capas de refuerzo. Tenga en cuenta que la distancia mínima de empotramiento no puede ser menor a 0.5 m. 9. Realice el esquema del diseño final de la cimentación teniendo en cuenta el número de capas, la profundidad, la separación y el tipo de refuerzo empleado de las mismas.

13.5 EJEMPLO DE DISEÑO Para la construcción de una bodega que tendrá 4 pisos en el frente y una altura de 12.0 m en el sitio de almacenaje, se diseñó una cimentación conformada por zapatas corridas con un ancho de 2.0 m. Se desea reforzar la cimentación debido a que la capacidad portante última del suelo de fundación es de 51 Ton/m2 y el ancho de cimentación debe ser mantenido, debido a las condiciones específicas del sitio del proyecto. Diseñe el refuerzo de la cimentación empleando geosintéticos, sabiendo que las cargas previamente estimadas por metro lineal de cimentación son inferiores a 70 Ton/m. Utilice los siguientes parámetros: Las propiedades geomecánicas del suelo de mejoramiento son: φ

= 34°

γT

= 19 KN/m3

Solución: 1. Cálculo de capacidad portante admisible y cargas aplicadas sobre el cimiento Ancho de la cimentación: B

= 2.0 m 319


Determinar la capacidad admisible de carga para el suelo sin refuerzo es:

qult

= 51.0 Ton/m2

qadm

= qult / 3

qadm

= 17.0 Ton/m2

qadm

≈ 170 KPa

Determinar la carga sobre la cimentación por metro lineal: qR

= QL / B

qR

= 70.0 Ton/m / 2.0 m

qR

= 35.0 Ton/m2

q R

≈ 350 KPa

2. Diseño de la conformación de las capas de refuerzo • Profundidad de la primera capa de refuerzo, “d”, en este caso: d

= 0.5 m

• Profundidad de la capa más baja de refuerzo, “u”, en este caso: u

< 4.0 m

• Separación entre capas, “∆H”, se recomienda que la separación entre las capas de refuerzo sea uniforme para la conformación de la base de la cimentación, y que este a su vez sea un valor constructivamente viable, en este caso: ∆H

= 0.40 m

• Número de capas de refuerzo, N, se supone un valor inicial del número de las capas de refuerzo y se verifica con el cálculo de diseño si el valor es aceptable. En general el número de capas de refuerzo para las bases de cimentaciones no debe ser mayor que 7, en este caso: N

=3

3. Resistencia a la tensión requerida del refuerzo A1, A 2: se obtienen de la gráfica de variación de z/B de Binquet y Lee (Ver Figura 13.9)

Tabla 13.1 Cálculo de la resistencia a tensión del geosintético Capa No qo/N(qR/qo-1)

z (m)

z/B

A1

A1B

A2

A2∆H

A1B-A2∆H

T(N) (KN/m)

1

60,0

0,5

0,3

0,35

0,70

0,31

0,156

0,541

32,44

2

60,0

1,0

0,5

0,35

0,69

0,26

0,130

0,563

33,77

3

60,0

1,5

0,8

0,34

0,69

0,22

0,109

0,580

34,78

320

M ANUAL DE DISEÑO

4. Selección del geosintético de refuerzo a. Refuerzo con geotextil Tejido: La resistencia a la tensión última por el método de la tira ancha (ASTM D-4595) del geotextil Tejido TR4000 es: Tult

= 64 KN/m

Tadm

=

Tadm

=

Tult FRDI x FRFL x FRDQB 64 1.1 x 2.0 x 1.0

Por lo tanto la resistencia a la tensión admisible del geotextil TR4000 es: = 29 KN/m < T(N) ⇒ No Cumple

Tadm

Debido a que Tadm < T(N) se puede añadir una capa más de refuerzo, con el fin de que el geotextil tenga la resistencia necesaria para soportar la tensión en cada capa. Para N = 4 capas la fuerza del refuerzo es:

Tabla 13.2 Cálculo de la resistencia a tensión del geosintético Capa No

qo/N(qR/qo-1)

z (m)

z/B

A1

A1B

A2

A2∆H

A1B-A2∆H

T(N) (KN/m)

1

45,0

0,5

0,3

0,35

0,70

0,31

0,156

0,541

24,33

2

45,0

1,0

0,5

0,35

0,69

0,26

0,130

0,563

25,33

3

45,0

1,5

0,8

0,34

0,69

0,22

0,109

0,580

26,08

4

45,0

2,0

1,0

0,34

0,68

0,18

0,092

0,592

26,63

5

45,0

2,5

1,3

0,34

0,68

0,16

0,078

0,600

27,00

En este caso con 4 capas, Tadm > T(N), por lo que el geotextil Tejido TR4000 cumple con la resistencia solicitada por la estructura. b. Refuerzo con geomalla biaxial coextruída: Con base en la Tabla 13.2 donde se observa que la T(N)max requerida empleando 4 capas de geosintético es de 26.63 KN/m. La geomalla LBO302 tiene una resistencia última de 30 KN/m por lo tanto Tult > T(N), entonces la geomalla es una opción para el refuerzo de la cimentación. Para el caso de las geomallas en aplicaciones de refuerzo de cimentaciones se emplea la Tult debido a que estas desarrollan su resistencia máxima a menor elongación debido a su rigidez, además el efecto de fluencia se reduce en este tipo de refuerzo debido al grosor de su estructura. 5. Cálculo de la resistencia del geosintético debido a la fricción Empleando la ecuación (13.13) se calcula la resistencia por fricción del refuerzo de cada capa, junto la longitud total de cada capa de refuerzo según la Figura 3.10, donde la longitud de refuerzo de cada capa debe ser de 2Lo. Posteriormente se calcula el factor de seguridad por Pullout del refuerzo teniendo en cuenta la ecuación (13.15).

321


En este caso debido a que la resistencia al corte generada por las capas de refuerzo y el material granular es mucho mayor que la resistencia al corte requerida por el geotextil (Ver Tabla 13.3), se puede reducir la longitud de empotramiento en las capas inferiores, sin afectar el diseño del refuerzo. (Ver Figura 13.11).

Tabla 13.3 Resistencia al Pullout del material de refuerzo Valor

1

2

3

4

5

2 tan(δ)(LDR)

1,10

1,10

1,10

1,10

0,718

A3

0,11

0,12

0,13

0,14

0,145

75,42

83,64

90,86

96,95

101,82

z (m)

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

z/B

0,3

0,5

0,8

1,0

1,3

Lo (m)

1,9

3,2

4,4

5,3

6,1

Xo (m)

1,25

1,28

1,44

1,67

1,95

Lo - Xo

0,6

2,0

2,9

3,7

4,2

A3BqR

z + Df

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

18,48

74,52

139,94

208,92

277,50

FB (KN/m)

103,67

174,61

254,81

337,69

272,21

T(N) (KN/m)

24,33

25,33

26,08

26,63

27,0

FS(P) = FB / T(N)

4,3

6,9

9,8

12,7

10,1

FS(P) > 1.5

O.K

O.K

O.K

O.K

γ (Lo - Xo)(z + Df)

O.K

6. Esquema del refuerzo de la cimentación Una vez modificadas las longitudes de refuerzo de las capas inferiores se realiza un esquema del refuerzo de la cimentación, teniendo en cuenta la separación y longitud de las capas.

1.0 m Geotextil Tejido TR4000

2.0 m 3.8 m

0.5 m 0.5 m 0.5 m

0.5 m 6.4 m z

Figura 13.11 Refuerzo de la base del muro

322

M ANUAL DE DISEÑO

BIBLIOGRAFÍA: • DAS B.M., Principios De Ingeniería De Cimentaciones, Capítulos 3 y 4, 4 ED.,2004.

323

CAPÍTULO 14 PROTECCIÓN DE GEOMEMBRANAS

14.1 GENERALIDADES La impermeabilización de las obras de infraestructura en diferentes campos de aplicación empleando geomembranas sintéticas, cada día es más frecuente, ya que este sistema trae consigo ventajas económicas, técnicas y ambientales, estas últimas constituyéndose en un tema de vital importancia debido a la normativa que en los últimos años se ha creado para regular el uso y manejo de los recursos naturales. Debido a que estos sistemas, se instalan en obras de infraestructura, donde están en contacto directo con diferentes tipos de suelo los cuales pueden tener tamaños de partículas considerables con superficies angulares, o suelos con superficie irregular, es posible que se genere una afectación en la estructura de la geomembrana, deteriorando de esta manera, la total hermeticidad del sistema cuando se utiliza este tipo de materiales. La durabilidad de un sistema de impermeabilización con geomembrana deberá tener en cuenta el diseño y la instalación de un geosintético que la proteja, evitando los problemas mencionados, generando un aporte a la calidad de este tipo de obras. Este tipo de sistemas se ha empleado principalmente en proyectos donde se involucre la construcción de: recubrimiento de canales, reservorios, rellenos sanitarios, lagunas de oxidación, piscinas de lixiviados, control de filtración en presas de tierra, canchas de relave, pondajes, espejos de agua, lagunas artificiales, etc.

14.2 INTRODUCCIÓN Este documento es una guía práctica para diseñar geotextiles No Tejidos punzonados por aguja para la protección de geomembranas, de tal forma que se escoja el geotextil más conveniente, técnica y económicamente para cada proyecto. En esta metodología se diseña únicamente geotextiles No Tejidos, porque estos geosintéticos presentan un espesor que evita que las geomembranas sufran punzonamiento y tienen una elongación mayor al 50% la cual es capaz de soportar sucesivas contracciones y dilataciones que experimenta la geomembrana por efecto de las variación térmica, situación que no puede ser soportada por un geotextil Tejido. Adicionalmente los geotextiles No Tejidos facilitan la instalación de la geomembrana cuando se esta en presencia de aguas freáticas, haciendo que las obras de instalación sean más limpias y permitan realizar un mejor procedimiento para el sellado de la geomembrana.

325

Capítulo 14 • PROTECCIÓN DE GEOM EM BR ANAS

Figura 14.1 Aplicación de protección de geomembranas Otra ventaja de este tipo de geotextil es que funciona como elemento drenante bajo la geomembrana, proporcionando una conducción de gases y líquidos emergentes del subsuelo, los cuales podrían afectar la elongación inicial de la geomembrana deteriorando su correcto funcionamiento.

14.3 METODOLOGÍA DE DISEÑO La metodología para escoger el geotextil más adecuado para la aplicación de protección se basa en la resistencia al punzonamiento de la geomembrana. En esta metodología se determina la presión que actúa sobre el geotextil, bajo unas determinadas condiciones y se verifica que el geotextil seleccionado resista el punzonamiento que se pueda generar. Con respecto a la geomembrana y al material de protección, el análisis teórico demuestra que la resistencia al punzonamiento de la geomembrana se puede mejorar bajo las siguientes condiciones: • Al incrementar el espesor de la geomembrana, el análisis realizado por Wilson-Fahmy, Narejo y Koerner muestra que la resistencia al punzonamiento se incrementa linealmente con relación al espesor. Si se incrementa el espesor de 1.5 a 2.5mm el incremento de la resistencia al punzonamiento puede ser de 1.7 veces. Según esto el incremento de espesor puede ser benéfico para la resistencia al punzonamiento de la geomembrana, si la resistencia de la geomembrana es cercana al valor requerido. • El uso de un material de protección, en este caso un geotextil No Tejido punzonado por agujas, es una solución para el mejoramiento de la resistencia al punzonamiento de la geomembrana. Por ejemplo, la utilización de un geotextil con una masa unitaria de 270 g/m2 generará un incremento en la resistencia al punzonamiento de la geomembrana entre 4 a 10 veces comparado con 1.7 generado por el incremento del espesor de la geomembrana de 1.5 a 2.5mm. • El incremento del espesor, o masa unitaria del material de protección, incrementará de 8 a 30 veces la resistencia al punzonamiento de la geomembrana con un geotextil No Tejido de 550g/m2. De esta forma a medida que la masa unitaria se ve incrementada por el cambio de geotextil, la resistencia al punzonamiento aumenta considerablemente. Como se dijo anteriormente, este capítulo se basa en el diseño del geotextil como material de protección utilizando la metodología planteada por Wilson-Fahmy, Narejo y Koerner, expuesta en 1996, a través de trabajos técnicos del GRI.

326

M ANUAL DE DISEÑO

Este método usa la ecuación tradicional de factor de seguridad:

(14.1)

Donde: FS

=

Factor de seguridad (en este caso contra el punzonamiento de la geomembrana).

Padm

=

Presión admisible usando diferentes tipos de geotextiles y condiciones específicas del lugar.

Preq

=

Presión real debida al contenido del relleno o depósito superficial.

Se ha obtenido una relación empírica para el cálculo del Padm basado en un gran número de ensayos y pruebas del método de punzonamiento hidrostático de la norma ASTM D5514, la cual se muestra en la siguiente ecuación, y utiliza factores de modificación y de reducción con el fin de tener en cuenta las condiciones de campo y comportamiento de los materiales.

(14.2)

Donde: Padm

=

Presión admisible (KPa)

M

=

Masa por unidad de área (g/m2)

H

=

Altura Efectiva de la Protuberancia (mm)

FMS

=

Factor de Reducción por la forma de la protuberancia

FMDR

=

Factor de Modificación por Densidad del Relleno

FMA

=

Factor de Modificación por efecto de Arco en Sólidos

FRFL

=

Factor de Reducción por fluencia del material a largo plazo

FRDQB

=

Factor de Reducción por degradación química y biológica a largo plazo

Además de debe cumplir la siguiente condición:

Padm

= 450 * M / H2 ≥ 50 KPa

(14.3)

Donde 50 KPa es la resistencia al punzonamiento de una geomembrana de 1.5 mm o 60 mil sin geotextil de protección. A continuación se muestra el significado de cada factor y los valores típicos que cada uno de estos puede tomar, según las condiciones de cada proyecto.

14.3.1 Factor de seguridad global El factor de seguridad global debe ser mínimo 3.0, sin embargo para cierto tipo de condiciones el factor de seguridad requerido puede ser mayor. Por ejemplo se debe utilizar un factor de seguridad mayor en proyectos en los cuales la subrasante contenga un alto contenido de rocas aisladas de gran tamaño en su superficie. Este factor también se puede ver afectado por el tipo de instalación de la geomembrana. El objetivo de este factor de seguridad es garantizar un diseño adecuado para la protección de geomembranas, evitando que estas fallen por punzonamiento durante su período de servicio. En proyectos de rellenos sanitarios la falla

327


de la geomembrana puede ocasionar filtración de lixiviados al subsuelo y posteriormente a las aguas subterráneas, generando un foco de contaminación de difícil detección. Para los reservorios la falla de la geomembrana puede ocasionar pérdida en los niveles de líquido almacenado. Los factores de seguridad global se encuentran en la siguiente tabla:

Tabla 14.1 Factores de seguridad global para el diseño Arreglo de las Piedras

Altura Efectiva de Protuberancia (mm)

Piedras Aisladas

Piedras Agrupadas

Factor De Seguridad Global (Mínimo)

6

3,0

12

4,5

25

7,0

38

10,0

38 o menos

3,0

14.3.2 Factores de modificación Este tipo de factores son propuestos con el fin de representar de mejor forma las condiciones de campo del material de protección en el diseño. Los factores de modificación son iguales o menores a 1.0, y deberán ser tomados de las tablas que se muestran a continuación.

• Factor de modificación por forma de la protuberancia Estos factores fueron propuestos con base al ensayo hidrostático de presión por punzonamiento de la norma ASTM 5514, según la cual se estableció que el valor de presión resistente más alto es alcanzado cuando las rocas tienen forma redondeada, seguidas de las semiredondeadas y finalmente la menor resistencia a la presión es la generada por rocas de forma angular, en las que su efecto es casi el mismo que el generado por los conos truncados en el ensayo de falla a presión. Debido a que el factor de modificación es inversamente proporcional a la presión admisible, los factores para rocas redondeadas y semiredondeadas son menores a la unidad, es decir que aumenta la presión admisible a la que puede ser sometido el material de protección y la geomembrana.

Tabla 14.2 Factor de Modificación por Forma de la Protuberancia Forma de la Piedra

FMS

Angular

1,00

Semiredondeada

0,50

Redondeada

0,25

• Factor de modificación por densidad del relleno Según las pruebas realizadas por Wilson-Fahmy, Narejo y Koerner se pudo demostrar que la presión admisible para protuberancias concentradas es mucho mayor que para protuberancias aisladas. Basados en los resultados, se llegó a un factor de modificación de 0.5 que estima el efecto generado por rocas concentras en relación a estas mismas pero ubicadas de forma aislada. Para poder hacer una comparación del comportamiento de la geomembrana sobre protuberancias aisladas, en la siguiente tabla se encuentran los factores según su tamaño y forma de ubicación.

328

M ANUAL DE DISEÑO

Tabla 14.3 Factor de Modificación por Densidad del Relleno Arreglo de la Protuberancia

FMDR

Aislada

1,00

Compacta, 38 mm

0,83

Compacta, 25 mm

0,67

Compacta, 12 mm

0,50

• Factor de modificación por efecto de arco en sólidos Este factor tiene en cuenta el tipo de material o de carga a la que es sometida la geomembrana. La resistencia al punzonamiento de la geomembrana bajo cargas geoestáticas, puede llegar a ser hasta 6 veces mayor que la resistencia de la geomembrana bajo una carga hidrostática, este efecto se atribuye a la capacidad de los suelos para disipar las cargas aplicadas en función de la profundidad y a la compresibilidad del mismo, propiedad que carecen los líquidos, por lo que este efecto tenderá a aliviar el esfuerzo que es transmitido a la geomembrana y a su material de protección.

Tabla 14.4 Factor de Modificación por Efecto de Arco en Sólidos Efecto de Arco en Sólidos

FMA

Hidrostático

1,00

Geoestático, superficial

0,75

Geoestático, moderado

0,50

Geoestático, profundo

0,25

14.3.3 Factores de reducción Una vez presentados los factores de modificación establecidos según el tipo y tamaño de partículas presentes en el suelo de instalación del sistema, se presentan los factores de reducción los cuales son aplicados para garantizar la integridad de la geomembrana. Se consideran dos factores, el primer factor involucra la fluencia de los materiales a largo plazo, y el segundo factor tiene en cuenta la posible acción de degradación química y biológica debido a la acción de agentes presentes en el lugar del proyecto. Los factores de reducción son iguales o mayores a 1.0, y deberán ser tomados de las tablas que se muestran a continuación.

• Factor de reducción por fluencia a largo plazo Como se puede ver en la Tabla 14.5 los factores de reducción por fluencia a largo plazo son relativamente menores a los encontrados en la literatura para geotextiles sometidos a tensión. Esto se debe a que la geomembrana y el material de protección al estar ambos sometidos a punzonamiento, con el tiempo se verán afectados positivamente por el efecto de fluencia, lo cual hará que la longitud inicial sin apoyo del material contra el suelo disminuya con el pasar del tiempo. De esta forma, los esfuerzos de la geomembrana y del material de protección son reducidos. Con base a lo anterior el factor por fluencia requerido para la protección de geomembranas es menor comparado con el requerido por el mismo material sometido a esfuerzos de tensión constantes.

329


Tabla 14.5 Factor de Reducción por Fluencia FRFL

Masa por Unidad de Área (gr/m2)

Altura Efectiva de Protuberancia (mm) 38

25

12

6

Sin Geotextil

N/R

N/R

N/R

>>1.5

270

N/R

N/R

> 1.5

1,5

550

N/R

1,5

1,3

1,2

1100 > 1100

1,3

1,2

1,1

1,0

~1.2

~1.1

~1.0

1,0

• Factor de reducción por degradación química y biológica a largo plazo Para este factor se debe tener en cuenta la posible acción de agentes externos los cuales puedan afectar la integridad del sistema, por ejemplo roedores, hongos, bacterias, entre otros, los cuales pueden generar degradación del material, sin embargo debido al alto peso molecular de los materiales con los cuales se fabrican los geosintéticos el efecto de estos agentes sobre el material es mínimo. Para el caso de degradación por sustancias químicas el efecto que tienen estas sobre el material puede ser más decisivo a la hora del diseño, es el caso de rellenos sanitarios (ver Tabla 14.6), donde se debe evaluar el tipo de lixiviado generado por el tipo de desechos que conforman el relleno. Este es el único caso en el cual un factor químico pueda amenazar la integridad del sistema.

Tabla 14.6 Factor de Reducción por degradación química y biológica a largo plazo Tipo de Lixiviado

FRDQB

Ligero

1,1

Moderado

1,3

Agresivo

1,5

14.3.1 Cálculo de la masa unitaria del geotextil de protección 1. Estimar la presión admisible, en función de la masa unitaria del geotextil, M, utilizando la Ecuación (14.2), y aplicando los factores de modificación y reducción, según apliquen. Teniendo en cuenta lo siguiente: H de Piedras Aisladas

= Altura real de Protuberancia

H de Piedras Compactadas = Mitad del Tamaño Máximo de Piedras 2. Estimar la presión actuante sobre la geomembrana, aplicando la siguiente ecuación:

Preq

=h*γ

(14.3)

Donde: γ

=

Peso Unitario del material de relleno o líquido (KN/m3)

h

=

Altura de Diseño del material de relleno o profundidad del líquido ó sólido (m)

Preq

=

Presión actuante sobre la geomembrana (KPa)

330

M ANUAL DE DISEÑO

3. Los parámetros de la ecuación (14.2) pueden ser asumidos o especificados según las consideraciones específicas de obra. El peso unitario típico de residuos sólidos puede estimarse como 12.56 KN/m3, en caso que no se tuvieran datos específicos del proyecto. De la misma manera el peso unitario de la mayoría de los líquidos puede ser aproximado al peso unitario del agua, es decir, 9.81 KN/m3. 4. Calcular la masa por unidad de área requerida, para el geotextil de protección, teniendo en cuenta la ecuación (14.2) y la Tabla 14.1. 5. Verificar que se cumpla la condición presentada en la ecuación (14.3) para verificar el aporte del geotextil de protección. 6. Seleccione el geotextil de protección apropiado, seleccione un geotextil No Tejido punzonado por agujas de línea minera, teniendo un cuenta el valor mínimo promedio por rollo (MARV) de masa unitaria (M) mayor o igual al calculado en el paso anterior. 7. Debe anotarse que el método presentado se basa en la aplicación de geotextiles No Tejidos punzonados por agujas, hechos de polímeros vírgenes; esta teoría no aplica a otro tipo de geotextil o material de protección.

14.4 EJEMPLO DE DISEÑO Para la construcción de un relleno sanitario, se tiene una superficie que tiene rocas aisladas en la subrasante, sobre la cual se va a colocar una geomembrana de HDPE de 1.5 mm de espesor. Determinar la masa unitaria del geotextil requerido, asumiendo una altura de protuberancia de 25 mm. La máxima altura del relleno es de 10 metros, con un peso unitario de 12.5 KN/m3.

Solución: Usando las tablas de los factores de modificación y factores de reducción; y asumiendo que la altura efectiva de protuberancia es la real (por ser aislada), se deberán aplicar los siguientes datos: • Altura Efectiva de Protuberancia: H

= 25mm

• Factores de Modificación: FMS

= 0.5

FMDP

= 1.0

FMA

= 0.5

• Factores de Reducción: FRFL

= Es función del gramaje, M

FRDQB

= 1.30

• Factor de Seguridad Global: Se debe determinar el peso unitario del geotextil de protección, capaz de proveer un factor de seguridad de 7.0, según la Tabla 14.1 en el cual se toma una condición de piedras aisladas con una altura de protuberancia efectiva de 25 mm.

331


La Presión admisible sobre la geomembrana puede ser calculada así: Padm

= FS x Preq

Padm

= 7.0 x 12.5 KN/m3 x 10 m = 875 KPa

Este valor es expresado en términos de la masa unitaria desconocida del geotextil y del FRFL, como sigue: Padm

1 1 M 450 = 2 H FRFL x FRDQB FMS x FMDR x FMA

De donde se puede deducir que: Padm x H2 (FMS x FMDR x FMA) (FRFL x FRDQB)

M

=

M

= 875 KPa x (25mm)2 x (0.5 x 1.0 x 0.5) (FRFL x 1.3) / 450

M

= 394 x FRFL

450

Al revisar la Tabla 14.5 para el factor de reducción por fluencia a largo plazo observamos que para alturas de protuberancias de 25mm no se puede usar geotextiles menores a 550 g/m2, por lo tanto: M

= 394 x 1.5

M

= 591 g/m2

Finalmente se debe seleccionar el geotextil con base a la masa unitaria calculada y comparada con las especificaciones dadas por el fabricante.

BIBLIOGRAFÍA: • KOERNER, R., Designing with Geosynthetics, Prentice Hall, 5 ED., 2005. • NAREJO, D., KOERNER, R., WILSON–FAHMY, Puncture Protection Of Geomembranes – Parts I, II and III, GRI, 1996.

332

CAPÍTULO 15 GEOMEMBRANAS

15.1 INTRODUCCIÓN El crecimiento en la conciencia ambiental, así como el desarrollo de nuevas tecnologías es claramente una facilidad 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 importante de geosintéticos en ventas detrás de los geotextiles, 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 almacenamiento de materiales sólidos y líquidos. El uso de las geomembranas a la intemperie han sido en proyectos tales como cubiertas flotantes en reservorios, recubrimientos expuestos a la luz solar en taludes, impermeabilización de superficies, etc. Su durabilidad es estimada de acuerdo a la vida útil que sea especificada por el fabricante, comúnmente para geomembranas HDPE (Polietileno de alta densidad) su vida útil se considera alrededor de 20 años. Otros tipos de 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 con suelo o con material de sacrificio, como puede ser un geotextil reemplazable. Finalmente para detenernos en la durabilidad y la vida de servicio de las geomembranas, tenemos que remitirnos a la experiencia, donde hace 15 años los conceptos originales decían que los geosintéticos eran fáciles 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 geosintéticos, 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 • GEOM EM BR ANAS

•

Son materiales homogéneos, de propiedades completamente cuantificables.

•

Bajo una adecuada instalación, sus propiedades no sufren modificaciones durante el proceso constructivo.

•

Son una alternativa más económica sobre todo en proyectos donde el tiempo de construcción es un factor 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 generados de los procesos industriales, en lagunas de oxidación, etc. El diseño por función 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 factor de seguridad global FSg.

FSg

Resistencia Admisible =

⇒ FSg > 1

Resistencia Requerida

Donde: Resistencia disponible: Resistencia última del ensayo de laboratorio que simula las condiciones reales del proyecto sobre los factores 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 fabricada dicha membrana debido a los comportamientos tan distintos a la fluencia de cada uno de los materiales. Para el cálculo de dicho espesor se realiza un equilibrio límite teniendo en cuenta la posible deformación en la geomembrana como se muestra a continuación:

FUσ Tcos β

β

FLσ

FLT

Tsen β 2Tsenβ X X Figura 15.1 Modelo de diseño utilizado para calcular el espesor de la geomembrana 334

M ANUAL DE DISEÑO

Σ Fx

=0

T cos β = FUσ + FLσ + FLT T cos β = σn tan δU (x) + σn tan δL(x) + 0.5 (2T sin β/ x) (x) tan δL σn x (tan δU + tan δL) T = cos β − sin β tan δL

(15.1)

(15.2)

La tensión inducida en la geomembrana es igual al esfuerzo admisible por el espesor. = σadm t

T Donde: T

=

Tensión mobilizadora en la geomembrana

σadm

=

Esfuerzo admisible en la geomembrana

t

=

Espesor de la geomembrana

Entonces reemplazando estos valores en la ecuación 15.1 se tiene que:

t=

σn x (tan δU + tan δL) σadm ( cos β − sin β tan δL)

Donde: β

= Ángulo que forma el movimiento de la geomembrana a tensión con la horizontal

FUσ

= Fuerza de fricción sobre la geomembrana debido al suelo de cubierta ( para suelos de cubierta

demasiado delgados, la fracturación de este puede ocurrir por tensión, en estos casos este valor suelo despreciable) FLσ

= Fuerza de fricción debajo de la geomembrana debido al suelo de cubierta

FLT

= Fuerza de fricción debajo de la geomembrana al componente vertical de T admisible

σn

= Esfuerzo aplicado por el material de relleno

δU

= Ángulo de fricción entre la geomembrana y el material superior (ASTM D 5321)

δL

= Ángulo de fricción entre la geomembrana y el material inferior (ASTM D 5321)

x

= Distancia de movilización de la deformación 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

Tipo De Suelo - Arena

HDPE

No Tejido Punzonado

φ = 30o

φ = 28o

φ = 26o

Texturizada

32°

30o (100%)

26o (92%)

22o (83%)

Lisa

8°

18 (56%)

18 (61%)

17o (63%)

o

335

o


15.5.2 Estabilidad de la Cobertura del Relleno Las geomembranas por lo general deben ser recubiertas 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 metodología se basa en las condiciones de equilibrio límite entre el subsuelo, la geomembrana y el suelo de recubrimiento asumiendo que estos tienen un espesor uniforme.

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 estabilidad de la cobertura se chequea un F.S. por equilibrio limite.

(15.3)

Donde: W

=

Peso del material de relleno

β

=

Ángulo de inclinación del talud con la horizontal

δU

=

Ángulo de fricción entre la geomembrana y el material superior

L

=

Longitud de la inclinación

Tadm

=

σadm * t, Fuerza de tensión en la geomembrana

Se obtienen diferentes factores de seguridad para diferentes 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

M ANUAL DE DISEÑO

15.5.3 Diseño de la Longitud y Zanja de Anclaje Para este chequeo se tienen en cuenta un estado de esfuerzos dentro de la zanja de anclaje y su mecanismo de resistencia. En la profundidad de la zanja de anclaje se tienen fuerzas laterales actuando sobre la geomembrana, mas específicamente una presión activa de tierras tendiendo a desestabilizar 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

γAT

=

Peso Especifico del suelo de la zanja de anclaje 337


dAT

=

Profundidad de la zanja de anclaje

σn

=

Esfuerzo normal aplicado por el suelo de cobertura

KA

=

Coeficiente de presión de tierra activa = tan2 (45 - φ/2)

KP

=

Coeficiente de presión de tierra pasiva = tan2 (45 + φ/2)

φ

=

Ángulo de fricción 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 profundidad 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 fuera del alcance del diseñador. Únicamente mediante especificaciones estrictas y un aseguramiento de la calidad en la construcción la geomembrana puede sobrevivir la instalación y comenzar con la función para la cual fue instalada. Mientras una geomembrana es transportada, manejada e instalada ésta es frecuentemente vulnerable al rasgado, punzonamiento e impacto. Estos eventos pueden ocurrir accidentalmente por vandalismos o por la falta 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, fuertes vientos que llegan por debajo de la geomembrana en el proceso de colocación. El espesor es la propiedad física 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 especificas del sitio. La Tabla 15.2 nos muestra valores a cuatro niveles diferentes de supervivencia.

Tabla 15.2 Valores mínimos recomendados para supervivencia de la geomembrana en el proceso de instalación PROPIEDAD FISICA Y MÉTODO DE LABORATORIO

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)

10

12

15

20

Impacto (D 3998 mod), J

GRADO REQUERIDO DE SUPERVIVENCIA

Fuente: Designing With Geosynthetics 5ta Edición. Robert Koerner.

1 Bajo: Se refiere a una cuidadosa instalación a mano sobre un terreno bien gradado y uniforme con cargas leves de naturaleza estática. Típicos usados como barreras de vapor bajo trozos de piso. 2 Medio: Se refiere 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 refiere 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 refiere 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.

338

M ANUAL 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 especifico de 12.5KN/m3. El área del pondaje esta conformado por unos taludes con pendiente 1H:1V. En la parte inferior 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 fricción interna de 30º y un peso especifico de 18KN/m3.

Solución: 15.3.1 Diseño del Espesor t=

σn x (tan δU + tan δL) σadm ( cos β − sin β tan δL)

Donde: β

=

45o

σn

=

7m * 12.5 KN/m3 = 87.5 KN/m2

δU

=

30o 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

=

50 mm (distancia mas desfavorable para movilización de la geomembrana).

σadm

=

15000 KPa, Mayor esfuerzo soportado por las geomembranas HDPE según Designing

with Geosynthetic Cap 5, 5 Ed.

Reemplazando en los valores de la ecuación obtenemos: t= t=

87.5 ( 0.05) (tan (30) + tan (32)) 15.000 ( cos (45) − sin (45) tan (32)) 5.26 3978.86

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.)


β

=

45°

δU

=


L

=

Longitud de la inclinación

Tadm

=

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) F.S. =

3.67L + 22.5 6.36 L

Asumiendo diferentes valores para la longitud de inclinación se obtienen diferentes 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 fin de obtener un factor de seguridad adecuado.

15.3.3 Diseño de la Longitud y Zanja de Anclaje Tadm =

σn LRO (tan δU + tan δL) – PA + PP cos β − sin β tan δL

PA = (0.5 γAT dAT + σn) K A dAT PP = (0.5 γAT dAT + σn) KP dAT Donde: γAT

=

18 KN/m3

σn

=

(18 KN/m3) (0.30 m) = 5.4 KN/m2

φ

=

Ángulo de fricción de la arena = 30o

KA

=

tan2 (45 - φ/2) = tan2 (45 - 30/2) = 1

KP

=

tan2 (45 + φ/2) = tan2 (45 + φ/2) = 3

δU

=


δL

=

32º por ser un geotextil no tejido punzonado por agujas y una geomembra texturizada

β

=

45º

Tadm

=

σadm t = 15,000 (0.0015)

340

M ANUAL DE DISEÑO

Reemplazando en la ecuación tenemos: Tadm =

(5.4) (LRO ) (tan 30 + tan 32) – ((0.5)(18)dAT + 5.4)(1)dAT) + ((0.5)(18)dAT + 5.4)(3)dAT)

22.5 =

6.49 (LRO ) - 9 dAT 2 – 5.4 dAT + 27 dAT 2 + 16.2 dAT

5.97 =

(cos 45) − (sin 45) (tan 32)

0.2653 6.49 (LRO ) + 18 dAT 2 + 10.8 dAT

Entonces nos queda finalmente una ecuación con dos incognitas, las cuales son: LRO = Longitud de desarrollo dAT = Profundidad de la zanja de anclaje Se asume uno de las dos incógnitas y se encuentra la otra. LRO = 0.3m y se reemplaza en la ecuación quedando una cuadrática de la siguiente forma: 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 supervivencia.

BIBLIOGRAFÍA • KOERNER R.M., Designing with Geosynthetics, 5 ED., U.S.A., 2005. • 1er Simposio Suramericano de Geosintético; Geosintéticos 1999.

341

LIBRO. Manual de Diseño

Recommend Documents