CONSIDERACIONES SOBRE EL DRENAJE EN LOS PAVIMENTOS

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1 CONSIDERACIONES SOBRE EL DRENAJE EN LOS PAVIMENTOS

2 CONTENIDO Generalidades Drenaje superficial Drenaje interno

3 CONSIDERACIONES SOBRE EL DRENAJE EN LOS PAVIMENTOS GENERALIDADES

4 PROBLEMAS RELACIONADOS CON EL AGUA EN LOS PAVIMENTOS El incremento de la presión de poros reduce la fricción interna y la resistencia al corte de los suelos Generación de movimientos diferenciales en suelos expansivos Erosión y bombeo en las capas de soporte de los pavimentos rígidos Desprendimiento del ligante que rodea los agregados pétreos en las mezclas y tratamientos asfálticos Se afecta la seguridad de los usuarios en instantes de lluvia, debido a la posibilidad de salpicaduras e hidroplaneo

5 PROBLEMAS RELACIONADOS CON EL AGUA EN LOS PAVIMENTOS Los daños del pavimento relacionados con la humedad se encuentran en las siguientes categorías: Debilitamiento de las capas del pavimento Degradación de los materiales (desprendimiento y erosión de mezclas asfálticas; erosión de otros materiales del pavimento; bombeo, escalonamiento y agrietamiento en pavimentos rígidos) Pérdida de adherencia entre capas

6 PROBLEMAS RELACIONADOS CON EL AGUA EN LOS PAVIMENTOS FUENTES DE AGUA EN LOS PAVIMENTOS

7 FACTORES A CONSIDERAR EN EL DISEÑO DE OBRAS DE DRENAJE PARA PAVIMENTOS 1. Factores topográficos Tipo de terreno por donde transcurre la carretera: plano, ondulado, montañoso, escarpado Situación de la carretera respecto del terreno natural: corte, terraplén, media ladera 2. Factores hidrológicos Aporte y desagüe de aguas superficiales Variaciones en el nivel y caudal de las aguas subterráneas 3. Factores geotécnicos Naturaleza y condiciones de los suelos: homogeneidad, estratificación, permeabilidad, compresibilidad, etc. Posibilidad de deslizamientos o de erosión del terreno

8 SISTEMA BÁSICO DE DRENAJE EN UNA CARRETERA

9 MÉTODOS PARA REDUCIR EL EFECTO DEL AGUA EN LOS PAVIMENTOS SISTEMAS DE DRENAJE DE PAVIMENTOS

10 MÉTODOS PARA REDUCIR EL EFECTO DEL AGUA EN LOS PAVIMENTOS DRENAJE SUPERFICIAL

11 HIDRÁULICA SUPERFICIAL DEL PAVIMENTO Existe la posibilidad de que se desarrollen películas de agua muy gruesas sobre la superficie del pavimento en instantes de lluvia Estas películas generan hidroplaneo, encharcamientos y salpicaduras excesivas Existen modelos que predicen, a partir de la condición superficial del pavimento y de la intensidad de la lluvia, la velocidad vehicular a la cual se produce hidroplaneo, la cual se debe comparar con la velocidad de operación de la carretera

12 HIDRÁULICA SUPERFICIAL DEL PAVIMENTO DEFINICIÓN DEL ESPESOR DE PELÍCULA DE AGUA, DE LA PROFUNDIDAD MEDIA DE LA TEXTURA Y DEL FLUJO TOTAL

13 HIDRÁULICA SUPERFICIAL DEL PAVIMENTO El espesor de la lámina de agua que contribuye al hidroplaneo es la suma de la profundidad media de textura (PMT), más el espesor de agua que fluye sobre las asperezas superficiales El agua que se aloja bajo la PMT queda atrapada en la superficie y no contribuye al drenaje del pavimento El aumento de la macrotextura brinda un espacio adecuado para alojar el agua (debajo de la PMT) y para facilitar el drenaje (espesor sobre la PMT)

14 HIDRÁULICA SUPERFICIAL DEL PAVIMENTO REQUISITOS DE PENDIENTE TRANSVERSAL Y LONGITUDINAL (INVÍAS) Pendiente transversal Pendiente transversal (%) Tipo de superficie Calzada Berma * Concreto hidráulico o asfáltico 2 4 Mezclas en vía y tratamientos superficiales Tierra o grava * Si la berma se construye como continuación de la calzada, se deberá mantener la pendiente de ésta Pendiente longitudinal Valor mínimo deseado es 0.50% y mínimo absoluto 0.25%

15 MEZCLAS ESPECIALES PARA EL DRENAJE SUPERFICIAL MICROAGLOMERADOS EN CALIENTE Capas de rodadura de poco espesor, elaboradas con agregado pétreo de tamaño máximo nominal comprendido entre 8 y 10 mm, con una marcada discontinuidad entre los tamaños de 2 y 5 mm, que se traduce en una superficie macro-rugosa con elevada capacidad de drenaje superficial

16 MEZCLAS DRENANTES MEZCLAS ESPECIALES PARA EL DRENAJE SUPERFICIAL Mezclas asfálticas para capa de rodadura con un elevado contenido de vacíos con aire, cuyo diseño da lugar a una superficie de textura abierta y alta capacidad drenante, a causa de la cual el agua lluvia que cae sobre la calzada se elimina por infiltración

17 OBRAS DE DRENAJE SUPERFICIAL PERÍODO DE RETORNO El sistema se debe diseñar de manera que sea capaz de desaguar el caudal máximo correspondiente a un determinado periodo de retorno (frecuencia de aparición del caudal de referencia)

18 OBRAS DE DRENAJE SUPERFICIAL CAUDALES DE REFERENCIA El método de estimación de los caudales asociados a diferentes periodos de retorno depende del tamaño y naturaleza de la cuenca aportante Para cuencas pequeñas (menos de 1000 acres Ha - según el Instituto del Asfalto) resulta apropiado el método racional: Q CIA Para cuencas mayores se recomienda la fórmula de Burkli Ziegler: S Q CIA 4 A

19 OBRAS DE DRENAJE SUPERFICIAL CAUDALES DE REFERENCIA C = coeficiente medio de escorrentía de la cuenca o superficie drenada I = intensidad de la lluvia para el período de retorno considerado y una duración igual al tiempo de concentración A = área de la cuenca o superficie aportante S = pendiente del terreno en el área de drenaje, º/oo

20 OBRAS DE DRENAJE SUPERFICIAL Tiempo de concentración CAUDALES DE REFERENCIA Tiempo requerido para la escorrentía desde el punto más remoto del área de drenaje hasta arribar a la estructura Existen fórmulas empíricas para su determinación en función de la longitud máxima de recorrido del agua, diferencias de cotas entre los puntos extremos del área de drenaje, coeficientes de escorrentía, etc. (Kirpich, Témez, Giandiotti, Bureau of Reclamation) Desde el punto de vista práctico, no conviene adoptar tiempos de concentración inferiores a 5 minutos

21 OBRAS DE DRENAJE SUPERFICIAL TIEMPO DE CONCENTRACIÓN

22 DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES CAPACIDAD DE DESAGÜE Para los elementos lineales (cunetas, bordillos) resulta determinante el rozamiento con las paredes del cauce y se puede aplicar la fórmula de Manning-Strickler Los elementos puntuales (sumideros aislados y bajantes) se pueden asimilar a vertederos Se debe tener en cuenta que la velocidad del agua no cause daños al elemento por erosión o sedimentación

23 DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES CAPACIDAD DE DESAGÜE

24 DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES ELEMENTOS LINEALES Cunetas Zanjas longitudinales abiertas en el terreno junto a la plataforma de la vía Su pendiente deberá ser igual a la de la rasante de la vía, salvo que se estime necesario ceñirse más al terreno o modificar dicha pendiente para mejorar la capacidad de desagüe

25 DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES ELEMENTOS LINEALES Cunetas CUNETA

26 DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES Bordillos ELEMENTOS LINEALES Elementos de contención de los pavimentos, que protegen sus bordes y ayudan a la recolección lateral del agua de la calzada Dado que impiden la evacuación del agua de la corona de la vía, es importante garantizar una pendiente longitudinal mínima Si su presencia da origen a láminas de agua que generen hidroplaneo, encharcamientos o salpicaduras, se deben sustituir por cunetas

27 DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES CAPACIDAD DE DESAGÜE DE ELEMENTOS LINEALES Fórmula de Manning - Strickler 2 / 3 1/ 2 Q A* R * S * K * U Q = caudal desaguado A = área de la sección transversal del elemento R= radio hidráulico (A/perímetro mojado) S = pendiente longitudinal del elemento K = coeficiente de rugosidad del elemento U = coeficiente de conversión de unidades

28 DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES CAPACIDAD DE DESAGÜE DE ELEMENTOS LINEALES

29 DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES ELEMENTOS PUNTUALES Sumideros Permiten el desagüe de los dispositivos superficiales de drenaje a un colector Pueden ser continuos o aislados. En el último caso se distinguen los de rejilla (horizontales), los de tipo abierto (laterales) y los combinados

30 DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES ELEMENTOS PUNTUALES Sumideros aislados Rejilla Lateral Combinado

31 DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES ELEMENTOS PUNTUALES Bajantes Permiten la conducción de las aguas colectadas por los bordillos hacia la base de los taludes de los terraplenes

32 DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES CAPACIDAD DE DESAGÜE DE ELEMENTOS PUNTUALES La capacidad de un conjunto de sumideros o bajantes no debe ser inferior al doble del caudal de referencia en previsión de obstrucciones o perturbaciones del flujo Sumideros laterales y bajantes Se puede aplicar la fórmula del vertedero Siendo Q (l/s) = L*H 3/2 /60 H (cm) = profundidad del agua desde el borde inferior de la abertura, medida en su centro L (cm) = ancho libre

33 DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES CAPACIDAD DE DESAGÜE DE ELEMENTOS PUNTUALES Sumideros horizontales y combinados Donde la profundidad del agua sea menor de 12 cm se puede usar la fórmula del vertedero (sustituyendo el ancho libre por el perímetro exterior de la rejilla suponiendo que está desprovista de barras) Donde la profundidad del agua (H) sea mayor de 40 cm se podrá usar la fórmula del orificio S (m2) = área del sumidero D (cm) = ancho de la abertura Q (l/s) = 300*S*[H (D/2)] 1/2 En casos intermedios, se puede interpolar linealmente entre las dos fórmulas

34 DRENAJE TRANSVERSAL Las obras de drenaje superficial transversal se pueden dividir en dos grupos: Las pequeñas obras de desagüe, como alcantarillas de tubo y de cajón, cuya sección resulta determinante para el desagüe del cauce (suelen tener solado) Las obras de paso de grandes dimensiones como puentes y viaductos, cuya sección no resulta determinante para el desagüe del cauce (no tienen solado)

35 DRENAJE TRANSVERSAL

36 MÉTODOS PARA REDUCIR EL EFECTO DEL AGUA EN LOS PAVIMENTOS DRENAJE INTERNO

37 Funciones Abatir el nivel freático DRENAJE INTERNO DEL PAVIMENTO Eliminar aguas de filtración lateral o a través del pavimento Derivar fuentes de agua situadas debajo de la subrasante Estas acciones se traducen en los siguientes beneficios Facilitan la ejecución de las explanaciones Aumentan la capacidad portante de la subrasante Previenen fenómenos de erosión interna y bombeo Contribuyen en la estabilidad de la estructura y de los taludes

38 CAPA PERMEABLE Capa que se coloca bajo la superficie pavimentada, constituida por un material filtrante de manera que, con ayuda de una pendiente transversal adecuada y unas correctas instalaciones de salida, pueda drenar el agua que se infiltre desde la superficie del pavimento que provenga de las bermas, o que ascienda por subpresión desde los niveles inferiores Esta capa, que puede ser granular o tratada con ligantes hidrocarbonados o con cemento, se puede integrar a la estructura del pavimento

39 CAPA PERMEABLE El remate de la capa permeable (manto drenante) puede ocurrir: Contra un subdrén longitudinal Contra el talud lateral hacia el exterior (no es recomendable, porque se pueden producir contaminaciones en el talud durante las operaciones de construcción y mantenimiento)

40 CAPA PERMEABLE La capa permeable puede ser: La base, la cual pudiera cumplir a la vez funciones drenantes y estructurales. Se emplea para drenar el agua proveniente de la superficie y se aplica preferentemente en la construcción de pavimentos rígidos Una capa adicional sobre la subrasante, sin función estructural o como parte de la subbase, para control de agua ascendiente por subpresión. Si se desea que en este caso la capa ayude a drenar el agua que se infiltre desde la superficie, la permeabilidad de las capas superiores debe ser mayor que la tasa de infiltración, para que el agua pueda fluir

41 CAPA PERMEABLE NOTA : Los materiales que rodeen la capa permeable deben cumplir requisitos de filtro

42 BASE PERMEABLE CARACTERÍSTICAS REQUERIDAS Alta permeabilidad, para reducir el tiempo de saturación a un mínimo [k > 1000 pies/día (3.5*10-1 cm/s)] Suficiente estabilidad, para soportar las operaciones de construcción del pavimento Suficiente estabilidad, para resistir y distribuir los esfuerzos impuestos por las cargas del tránsito Las bases pueden ser estabilizadas o no estabilizadas. La finalidad primaria de la estabilización (con cemento asfáltico o cemento Pórtland) es brindar estabilidad a la capa durante la etapa constructiva

43 BASE PERMEABLE BASE NO ESTABILIZADA Su estabilidad se logra a través de la trabazón de agregados Se exige que el material tenga 100% de partículas trituradas mecánicamente El desgaste Los Ángeles no puede exceder de 45 % Las pérdidas en el ensayo de solidez no pueden exceder de 12 % (sulfato de sodio) o de 18 % (sulfato de magnesio)

44 BASE PERMEABLE BASE NO ESTABILIZADA GRANULOMETRÍAS USUALES Nota -Se recomienda que Cu > 4 para garantizar la estabilidad de la base

45 BASE PERMEABLE BASE ESTABILIZADA CON CEMENTO ASFÁLTICO Se recomienda el uso de un asfalto de grado AC-40 en proporción de 2 a 2 ½ % en peso GRANULOMETRÍAS USUALES

46 BASE PERMEABLE BASE ESTABILIZADA CON CEMENTO ASFÁLTICO Lindly y Elsayed desarrollaron una fórmula para estimar la permeabilidad de las bases tratadas con asfalto: Siendo k = P b V a P 8 k = coeficiente de permeabilidad (pies/día) P b = porcentaje de cemento asfáltico en peso V a = % de volumen de vacíos con aire P 8 = porcentaje en peso de material que pasa el tamiz No 8

47 BASE PERMEABLE BASE ESTABILIZADA CON CEMENTO PORTLAND La cantidad de cemento varía entre 120 y 150 kg/m 3 La cantidad de agua se debe ajustar para controlar la segregación GRANULOMETRÍAS USUALES X = % indicado por el constructor

48 GRADACIÓN Y PERMEABILIDAD DE MATERIALES PARA BASE COMPARACIÓN DE GRANULOMETRÍAS

49 GRADACIÓN Y PERMEABILIDAD DE MATERIALES PARA BASE COMPARACIÓN DE GRANULOMETRÍAS

50 GRADACIÓN Y PERMEABILIDAD DE MATERIALES PARA BASE VALORES TÍPICOS DEL COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD DE MATERIALES DE BASE COMPACTADOS A LA DENSIDAD MÁXIMA DEL PROCTOR ESTÁNDAR MATERIAL % PASA TAMIZ No. 200 k (cm/s) Piedra partida y gravas naturales con llenante no plástico. Piedra partida y gravas naturales con llenante plástico (IP<6) Bases asfálticas a) 20% de vacíos b) 5% de vacíos Arena uniforme estabilizada con cemento Menos de Bases tratadas permeables a) AASHTO # - 57 b) AASHTO #

51 DISEÑO HIDRÁULICO DE LA BASE PERMEABLE ESTIMACIÓN DEL FLUJO DE INFILTRACIÓN (q i ) La infiltración superficial es normalmente la mayor fuente de entrada de agua a un pavimento Existen diversos procedimientos para estimarla: Método de la relación de infiltración Método de la infiltración a través de juntas y grietas Método del tiempo para drenar

52 DISEÑO HIDRÁULICO DE LA BASE PERMEABLE ESTIMACIÓN DEL FLUJO DE INFILTRACIÓN (q i ) Método de la relación de infiltración (Cedergren) Se seleccionan una lluvia de diseño y una relación de infiltración y la infiltración se determina con la expresión: q i =2*C*R q i = infiltración en el pavimento (pies 3 /día/pie 2 de pavimento) C = relación de infiltración para pavimentos asfálticos para pavimentos rígidos R = intensidad de la lluvia (pulgadas/hora). Se sugiere usar una lluvia de diseño para 2 años de frecuencia y 1 hora de duración

53 DISEÑO HIDRÁULICO DE LA BASE PERMEABLE ESTIMACIÓN DEL FLUJO DE INFILTRACIÓN (q i ) Método de la infiltración por juntas y grietas (Moulton) q i I c N W c Wc W * C s k p q i = infiltración en el pavimento (pies 3 /día/pie 2 de pavimento) I c = tasa de infiltración por juntas y grietas (2.4 pies 3 /día/pie de grieta) N c = número de juntas o grietas longitudinales Nc = N + 1, siendo N el número de carriles que contribuyen a la infiltración W c = longitud de las juntas o grietas transversales que contribuyen (pies) C s = espaciamiento entre juntas o grietas transversales contributivas (pies) W = ancho de la base permeable que contribuye (pies) k p = permeabilidad de pavimento sin juntas ni grietas (pies 3 /día/pie 2 de pavimento)

54 DISEÑO HIDRÁULICO DE LA BASE PERMEABLE ESTIMACIÓN DEL FLUJO DE INFILTRACIÓN (q i ) Método de la infiltración por juntas y grietas (Moulton) Ejemplo Determinar la infiltración en un pavimento rígido de 2 carriles de 12 pies de ancho cada uno y bermas de 10 pies en concreto asfáltico a cada lado en un sitio donde la pendiente transversal es uniforme en un solo sentido Las juntas transversales se encuentran cada 20 pies y la base permeable tiene un ancho igual al del pavimento más las bermas

55 DISEÑO HIDRÁULICO DE LA BASE PERMEABLE ESTIMACIÓN DEL FLUJO DE INFILTRACIÓN (q i ) Método de la infiltración por juntas y grietas (Moulton) Solución al ejemplo I c = tasa de infiltración por juntas y grietas (2.4 pies 3 /día/pie de grieta) N c = número de juntas o grietas longitudinales = = 3 W c = longitud de las juntas o grietas transversales que contribuyen = 24 pies C s = espaciamiento entre juntas o grietas transversales contributivas = 20 pies W = ancho de la base permeable que contribuye = 24 pies k p = permeabilidad de pavimento sin juntas ni grietas = 0 q i * pies / día / pie

56 DISEÑO HIDRÁULICO DE LA BASE PERMEABLE ESTIMACIÓN DEL FLUJO DE INFILTRACIÓN (q i ) Método del tiempo para drenar Se considera que es el mejor método para determinar el comportamiento de una base permeable, dado que la selección de los parámetros de diseño en los otros 2 métodos es muy incierta Es una aproximación que se basa en el flujo que entra al pavimento hasta que la base permeable se satura Se supone que la lluvia en exceso no entra al pavimento y simplemente corre por la superficie Existen 2 aproximaciones para determinar el tiempo para drenar (Ref: Publicación FHWA-SA March 1992-) Tiempo para drenar el 50% del agua que puede drenar (AASHTO) Criterio del 85 % de saturación

57 DISEÑO HIDRÁULICO DE LA BASE PERMEABLE ESTIMACIÓN DEL FLUJO DE DESCARGA DE LA BASE (q d ) q d = q i *L R Donde q d = tasa de descarga de la base permeable (pie 3 /día/pie de base) q i = infiltración en el pavimento (pies 3 /día/pie 2 de pavimento) L R = longitud resultante de la trayectoria de flujo, la cual depende de las pendientes longitudinal y transversal de la base permeable (pies) L R W 1 Siendo W = ancho de la base (pies) S = pendiente longitudinal de la calzada (pie/pie) Sx = pendiente transversal de la calzada (pie/pie) S Sx 2

58 DISEÑO HIDRÁULICO DE LA BASE PERMEABLE ESTIMACIÓN DEL FLUJO DE DESCARGA DE LA BASE (q d )

59 DISEÑO HIDRÁULICO DE LA BASE PERMEABLE ESTIMACIÓN DEL FLUJO DE DESCARGA DE LA BASE (q d ) Ejemplo Determinar la tasa de descarga de la base permeable de 24 pies de ancho en un pavimento rígido donde la infiltración es 1.80 pies 3 /día/pie 2 de pavimento, si la pendiente longitudinal de la calzada es 3 % y la transversal es 2 % Solución 2 S 0.03 L R W Sx pies q d = q i *L R = 1.80*43.27 = pies 3 /día/pie de base

60 DISEÑO HIDRÁULICO DE LA BASE PERMEABLE DETERMINACIÓN DEL ESPESOR REQUERIDO DE BASE PERMEABLE Se puede estimar por medio de 2 criterios: Régimen de flujo uniforme (se obtienen espesores exagerados) Régimen de flujo no uniforme, que considera que la profundidad del flujo se incrementará hasta alcanzar el efecto de abatimiento de la descarga del agua en el subdrén. En este caso, se toma como espesor requerido de la base permeable el valor correspondiente a la máxima profundidad del flujo (ver figura)

61 DISEÑO HIDRÁULICO DE LA BASE PERMEABLE DETERMINACIÓN DEL ESPESOR REQUERIDO DE BASE PERMEABLE S R S 2 Sx 2

62 DISEÑO HIDRÁULICO DE LA BASE PERMEABLE DETERMINACIÓN DEL ESPESOR REQUERIDO DE BASE PERMEABLE Ejemplo Determinar el espesor requerido de la base permeable, dados los siguientes datos: Infiltración en el pavimento = 1.8 pies 3 /día/pie 2 Longitud resultante = pies Pendiente longitudinal = 3 % Pendiente transversal = 2 % Coeficiente de permeabilidad de la base = 3,000 pies/día

63 DISEÑO HIDRÁULICO DE LA BASE PERMEABLE DETERMINACIÓN DEL ESPESOR REQUERIDO DE BASE PERMEABLE Solución del ejemplo -Cálculo de la pendiente resultante S R S 2 Sx 2 (0.03) 2 (0.02) Cálculo de p p q i / k 1.80/ Entrando a la figura con p = y S R = se obtiene L R /H = 110 H = L R /130 = 43.27/110 = pies = 0.393*12 = 4.7 pulgadas

64 CAPA SEPARADORA FUNCIONES DE LA CAPA SEPARADORA Se coloca bajo la base permeable, para evitar que ésta sea contaminada por los finos de la subbase/subrasante Si la capa de subbase/subrasante es estabilizada no se requiere la capa separadora, si la capa estabilizada no va a estar sometida a saturación o altas presiones durante períodos extensos. Un riego de imprimación sobre la subbase/subrasante estabilizada proporciona una protección adicional

65 CAPA SEPARADORA La separación puede ser proporcionada por una capa de material granular o por un geotextil

66 CAPA SEPARADORA CAPA SEPARADORA DE MATERIAL GRANULAR Debe estar constituida por partículas duras (desgaste no mayor de 50%) y sanas (pérdidas en ensayo de solidez en sulfato de sodio menores de 12 %) Debe ser resistente, para proporcionar una plataforma adecuada para la construcción de la base permeable Su gradación debe ser seleccionada cuidadosamente, para prevenir la migración de los finos de la capa subyacente (debe cumplir requisitos de material de filtro) Su permeabilidad debe ser relativamente baja, ya que tiene que actuar como escudo para desviar el agua infiltrada al subdrén longitudinal

67 CAPA SEPARADORA REQUISITOS DE MATERIAL DE FILTRO PARA LA CAPA SEPARADORA DE MATERIAL GRANULAR Criterio de obstrucción El agregado deberá ser lo suficientemente fino para prevenir que materiales más finos migren dentro de él D D filtro suelo El criterio se debe aplicar tanto a la capa separadora como a la capa permeable drenante. La ecuación se aplica primero considerando la capa separadora como filtro y la subyacente como suelo y luego considerando la base permeable como filtro y la separadora como suelo 5

68 CAPA SEPARADORA REQUISITOS DE MATERIAL DE FILTRO PARA LA CAPA SEPARADORA DE MATERIAL GRANULAR Criterio de permeabilidad D D filtro suelo 5 Este criterio se aplica sólo a la capa separadora en relación con el suelo que la soporta, dado que la base permeable la satisface siempre por su alta permeabilidad

69 CAPA SEPARADORA REQUISITOS DE MATERIAL DE FILTRO PARA LA CAPA SEPARADORA DE MATERIAL GRANULAR Criterio de uniformidad Busca que las curvas granulométricas de las capas adyacentes sean algo paralelas D D filtro suelo Este criterio se aplica tanto a la base permeable como a la capa separadora 25

70 CAPA SEPARADORA REQUISITOS DE MATERIAL DE FILTRO PARA LA CAPA SEPARADORA DE MATERIAL GRANULAR Criterios adicionales Hay discrepancias respecto de la uniformidad del material y de la cantidad de finos que puede contener

71 CAPA SEPARADORA GRANULOMETRÍA TÍPICA RECOMENDADA POR LA FHWA PARA LA CAPA SEPARADORA

72 CAPA SEPARADORA GRANULOMETRÍAS Y PERMEABILIDADES TÍPICAS PARA BASES PERMEABLES Y MATERIALES DE FILTRO [Cedergren et al (1972)]

73 CAPA SEPARADORA Ejemplo No 1 La base permeable de k = 20,000 pies/día mostrada en la figura presenta los siguientes diámetros: D 15 = 0.26 pg D 50 = 0.53 pg Determinar si es posible colocar esta capa directamente sobre un suelo de subrasante con: D 15 = pg D 50 = pg D 85 = pg

74 CAPA SEPARADORA Solución al Ejemplo No 1 Como la base se colocará directamente sobre la subrasante, la base será el filtro y la subrasante el suelo D D base suelo ( no cumple) D D base suelo ( cumple) D D base suelo ( no cumple) En consecuencia, la base no se debe colocar directamente sobre la subrasante

75 CAPA SEPARADORA Ejemplo No 2 Como del ejemplo anterior se deduce que se debe colocar una capa separadora, cuál de los materiales de filtro de la figura pudiera ser utilizado? Solución Cuando se coloca una capa granular como separadora entre la base permeable y la subrasante, el análisis se debe dividir en 2 etapas: Primero se considera la capa granular separadora como filtro y la subrasante como suelo En segundo lugar, se coloca la base permeable como filtro y la capa granular separadora como suelo En ambos casos se deben satisfacer los requisitos de filtro

76 CAPA SEPARADORA Solución al Ejemplo No 2 - Primera Etapa Capa granular separadora como filtro y la subrasante como suelo Teniendo en cuenta los tamaños de las partículas de la subrasante (D 15 = pg, D 50 = pg y D 85 = pg), los requisitos que debe cumplir la capa separadora son los siguientes: D 15 D 15 D 50 5*0.021 = pg 5* = pg 50* = pg

77 CAPA SEPARADORA Solución al Ejemplo No 2 - Segunda Etapa Capa de base permeable como filtro y la granular separadora como suelo Teniendo en cuenta los tamaños de las partículas de la base permeable (D 15 = 0.26 pg y D 50 = 0.53 pg), los requisitos que debe cumplir la capa separadora son los siguientes: D /5 = pg D /5 = pg D /25 = pg

78 CAPA SEPARADORA Conclusión Ejemplo No 2 Combinando los seis requisitos por cumplir en las dos etapas, se llega a los siguientes tres: pg D pg pg D pg D pg Revisando los 5 materiales de filtro incluidos en la figura se advierte que exceptuando el más grueso (cuyo D 50 = 0.18 pg), los demás satisfacen las exigencias y pueden ser utilizados

79 CAPA SEPARADORA CAPA SEPARADORA DE GEOTEXTIL Debe cumplir tres requisitos PERMEABILIDAD- Debe permitir que el agua que fluya desde el suelo entre a la base permeable RETENCIÓN El tamaño de las aberturas debe ser tal, que en ellas se retenga la mayoría de las partículas del suelo OBSTRUCCIÓN El geotextil debe tener suficiente cantidad de aberturas para que en caso de alguna obstrucción el flujo no se vea restringido y se generen presiones de poros excesivas

80 CAPA SEPARADORA PROPIEDADES HIDRÁULICAS Y DE FILTRACIÓN DEL GEOTEXTIL Permeabilidad La permeabilidad del geotextil debe ser superior a la del suelo de subrasante, de manera que el drenaje vertical del agua no sea impedido indebidamente por el geotextil Este requisito no suele constituir un problema, por cuanto la mayoría de los suelos tienen baja permeabilidad

81 CAPA SEPARADORA PROPIEDADES HIDRÁULICAS Y DE FILTRACIÓN DEL GEOTEXTIL Retención Esta propiedad se evalúa a través del tamaño de abertura aparente (TAA) El TAA es un número índice que identifica el tamaño de las mayores aberturas del geotextil El TAA se determina mediante la norma de ensayo ASTM D4751

82 CAPA SEPARADORA PROPIEDADES HIDRÁULICAS Y DE FILTRACIÓN DEL GEOTEXTIL Retención La prueba consiste en tamizar pequeñas esferas de vidrio de tamaño uniforme a través del geotextil y determinar el porcentaje de ellas, en peso, que queda retenido en él La prueba se repite aumentando el tamaño de las esferas hasta que menos del 5 % de ellas atraviese el geotextil (más de 95 % quedan retenidas) El tamaño de abertura aparente es el número del tamiz estándar que tiene las aberturas del tamaño superior más próximo al de las esferas que son retenidas en más de 95 %

83 CAPA SEPARADORA PROPIEDADES HIDRÁULICAS Y DE FILTRACIÓN DEL GEOTEXTIL Retención El tamaño de abertura aparente también se puede expresar en milímetros y se refiere al tamaño correspondiente al 95% retenido (O 95 ) La nomenclatura de los tamaños de tamices es a veces difícil de seguir, por cuanto la abertura del tamiz decrece a medida que el número del tamiz aumenta El tamaño de abertura aparente se debe elegir de manera que prevenga la migración de los finos dentro de la base permeable

84 CAPA SEPARADORA PROPIEDADES HIDRÁULICAS Y DE FILTRACIÓN DEL GEOTEXTIL TAMAÑOS DE ABERTURA DE LOS TAMICES

85 CAPA SEPARADORA PROPIEDADES HIDRÁULICAS Y DE FILTRACIÓN DEL GEOTEXTIL Obstrucción La obstrucción es un problema potencial y por lo tanto el diseño debe tomarla en consideración La mejor aproximación consiste en estudiar la interacción en la interfaz suelo/geotextil El potencial de obstrucción del geotextil se mide mediante el ensayo de relación de gradientes, según norma ASTM D5101

86 CAPA SEPARADORA PROPIEDADES HIDRÁULICAS Y DE FILTRACIÓN DEL GEOTEXTIL Obstrucción La prueba de relación de gradientes consiste en determinar el gradiente hidráulico a través del geotextil más 1 de suelo colocada encima de él (i f ) y a través de 2 de suelo colocadas encima de la anterior (i g )

87 CAPA SEPARADORA PROPIEDADES HIDRÁULICAS Y DE FILTRACIÓN DEL GEOTEXTIL Obstrucción RELACIÓN DE GRADIENTES i i f g Si las partículas de suelo son atrapadas en el geotextil, la relación de gradientes aumenta, en tanto que si lo atraviesan, la relación de gradientes disminuye

88 CAPA SEPARADORA CRITERIOS DE DISEÑO PARA SELECCIÓN DE GEOTEXTILES

89 CAPA SEPARADORA CRITERIOS DE DISEÑO PARA SELECCIÓN DE GEOTEXTILES

90 CAPA SEPARADORA CRITERIOS DE DISEÑO PARA SELECCIÓN DE GEOTEXTILES REQUERIMIENTOS DE PROPIEDADES MECÁNICAS PARA GEOTEXTILES EN CAPAS SEPARADORAS (INVÍAS)

91 CAPA SEPARADORA CRITERIOS DE DISEÑO PARA SELECCIÓN DE GEOTEXTILES Ejemplo Determinar el TAA de un geotextil tejido que sea adecuado para retener un suelo de subrasante cuyo D 85 es 0.24 mm Solución Como se trata de un geotextil tejido O 95 D 85 O mm Por lo tanto, se elige un AOS No 70, el cual corresponde a un tamiz de mm de abertura

92 SUBDRENES LONGITUDINALES Zanjas paralelas a la dirección de la vía, en las cuales se colocan materiales permeables (agregados pétreos, geotextiles, geodrenes) y, eventualmente, una tubería Excavación de zanja Colocación de geotextil y tubería Relleno con agregado pétreo

93 SUBDRENES LONGITUDINALES Utilización Los subdrenes longitudinales se emplean para: 1. Cortar corrientes de agua subterránea, impidiendo que alcancen las inmediaciones del pavimento 2. Encauzar el agua que ingrese al pavimento por filtraciones a través de su superficie 3. Rebajar el nivel freático, manteniéndolo a una profundidad conveniente del nivel superior de la explanación

94 SUBDRENES LONGITUDINALES Utilización 1. Cortar corrientes de agua subterránea, impidiendo que alcancen las inmediaciones del pavimento

95 SUBDRENES LONGITUDINALES Utilización 2. Encauzar el agua que ingrese al pavimento por filtraciones a través de su superficie

96 SUBDRENES LONGITUDINALES Utilización 3. Rebajar el nivel freático, manteniéndolo a una profundidad conveniente del nivel superior de la explanación

97 SUBDRENES LONGITUDINALES CARACTERÍSTICAS DE LOS SUBDRENES LONGITUDINALES Deben tener la capacidad hidráulica suficiente para conducir todo el agua que reciban Si están unidos con una base permeable, su material de relleno debe ser el mismo de la base para asegurar su capacidad. Además, deben llevar una tubería Cuando el subdrén no va unido a una base permeable, puede estar constituido por un geodrén o ser del tipo francés envuelto en geotextil El geotextil usado para el subdrén no debe atravesar una base permeable, por cuanto formaría una barrera al flujo de agua

98 SUBDRENES LONGITUDINALES TUBERÍA DEL SUBDRÉN Puede ser de concreto, arcilla, metal, fibra bituminosa o plástico Los tubos de concreto y arcilla se podrán proyectar con juntas abiertas o perforaciones que permitan la entrada del agua en su interior Los tubos de hormigón poroso permiten la entrada del agua a través de sus paredes Los tubos de plástico, metal y fibra bituminosa tienen orificios circulares o ranuras para el mismo fin

99 SUBDRENES LONGITUDINALES TUBERÍA DEL SUBDRÉN En tuberías con juntas abiertas, el ancho de éstas oscila entre 1 cm y 2 cm Los orificios circulares o ranuras de las tuberías perforadas se disponen de preferencia en la mitad inferior de los tubos Se deben cumplir los siguientes requisitos para evitar que se introduzca el material granular del subdrén dentro de los tubos perforados Para orificios circulares D85 filtro 1.0 Diámetro del orificio Para ranuras D85 filtro 1.2 Ancho dela ranura

100 SUBDRENES LONGITUDINALES TUBERÍA DEL SUBDRÉN Disposición de los orificios en una tubería perforada

101 SUBDRENES LONGITUDINALES

102 DISEÑO HIDRÁULICO DEL SUBDRÉN LONGITUDINAL DETERMINACIÓN DEL FLUJO DE DESCARGA El subdrén debe ser diseñado de manera que la tasa del flujo de salida sea mayor que la de entrada y que el agua pueda ser llevada con seguridad de las fuentes hasta los sitios de descarga Existen 3 aproximaciones para el cálculo del flujo de descarga del sistema de subdrenaje: Tasa de descarga de la infiltración del pavimento Tasa de descarga de la base permeable Tasa de descarga del tiempo para drenar

103 DISEÑO HIDRÁULICO DEL SUBDRÉN LONGITUDINAL DETERMINACIÓN DEL FLUJO DE DESCARGA Método de la velocidad de descarga de la infiltración del pavimento Donde Qp = q i W L Qp = caudal de diseño por el conducto (pie 3 /día) q i = infiltración del pavimento (pie 3 /día/pie 2 ) W= ancho de la base permeable (pies) L = espaciamiento entre tubos de descarga (pies)

104 DISEÑO HIDRÁULICO DEL SUBDRÉN LONGITUDINAL DETERMINACIÓN DEL FLUJO DE DESCARGA Método de la velocidad de descarga de la base permeable Algunos ingenieros consideran que el sistema debe ser capaz de manejar el flujo máximo que la base permeable puede descargar en el subdrén Donde Qp = k S R H L cos(a) Qp = caudal de diseño por el conducto (pie 3 /día) k = coeficiente de permeabilidad (pies/día) S R = pendiente resultante (pie/pie) H = espesor de la base (pies) L = espaciamiento entre tubos de descarga (pies) A = ángulo entre la pendiente transversal y la pendiente resultante

105 DISEÑO HIDRÁULICO DEL SUBDRÉN LONGITUDINAL DETERMINACIÓN DEL FLUJO DE DESCARGA Método de la velocidad de descarga del tiempo para drenar En esta aproximación el sistema debe ser capaz de manejar el flujo generado por el drenaje de la base permeable Donde Qp = (W L H N e U)(1/t D )*24 Qp = caudal de diseño por el conducto (pie 3 /día) W = ancho de la base permeable (pies) L = espaciamiento entre tubos de descarga (pies) H = espesor de la base (pies) N e = porosidad efectiva U = porcentaje drenado (expresado como decimal) t D = tiempo de drenaje (horas)

106 DISEÑO HIDRÁULICO DEL SUBDRÉN LONGITUDINAL CAPACIDAD DE LA TUBERÍA CIRCULAR Se puede determinar con la fórmula de Manning Donde Q = (53.01 D 8/3 S 1/2 )/ n Q = capacidad de la tubería (pie 3 /día) D = diámetro de la tubería (pulgadas) S = pendiente longitudinal (pies/pie) n = coeficiente de rugosidad de Manning n = para tubería lisa n = para tubería corrugada

107 DISEÑO HIDRÁULICO DEL SUBDRÉN LONGITUDINAL CAPACIDAD DE LA TUBERÍA CIRCULAR Si se asignan valores de diámetro de tubería y coeficiente de rugosidad, la ecuación de Manning se puede simplificar Q = K S 1/2 Valores K para diferentes diámetros de tubería y coeficientes de rugosidad

108 DISEÑO HIDRÁULICO DEL SUBDRÉN LONGITUDINAL Ejemplo CAPACIDAD DE LA TUBERÍA CIRCULAR Determinar la capacidad de una tubería circular corrugada de 4 pulgadas de diámetro, si la pendiente longitudinal del subdrén longitudinal es 1 % Solución K = 89,051 (ver tabla) Q = K S 1/2 =89,051(0.01) 1/2 = 8,905 pies 3 /día

109 DISEÑO HIDRÁULICO DEL SUBDRÉN LONGITUDINAL ESPACIAMIENTO ENTRE TUBOS DE DESCARGA (L) Método de la velocidad de descarga de la infiltración en el pavimento En esta aproximación se iguala el caudal de diseño de este método con la ecuación de capacidad del conducto Despejando L : q i W L = K S 1/2 L K q i S 1/ 2 W

110 DISEÑO HIDRÁULICO DEL SUBDRÉN LONGITUDINAL ESPACIAMIENTO ENTRE TUBOS DE DESCARGA (L) Método de la velocidad de descarga de la infiltración en el pavimento Ejemplo Dados: Infiltración en el pavimento = 1.80 pies 3 /día/pie 2 Ancho de la base permeable = 24 pies K = Pendiente longitudinal de la tubería = 1 % Determinar el espaciamiento entre tubos de descarga Solución L 1/ K S q W i *(0.01) 1.80*24 1/ pies

111 DISEÑO HIDRÁULICO DEL SUBDRÉN LONGITUDINAL ESPACIAMIENTO ENTRE TUBOS DE DESCARGA (L) Método de la velocidad de descarga de la base permeable En esta aproximación se iguala el caudal de diseño de este método con la ecuación de capacidad del conducto Despejando L : k S R H L cos(a) = K S 1/2 L k S 1/ 2 K S H cos( A) R

112 DISEÑO HIDRÁULICO DEL SUBDRÉN LONGITUDINAL ESPACIAMIENTO ENTRE TUBOS DE DESCARGA (L) Método de la velocidad de descarga de la base permeable Ejemplo Dados Ancho de la base permeable = 24 pies k = 3000 pies/día K = Pendiente longitudinal de la tubería = 1 % Pendiente resultante = (Sx = 0.02) Espesor de la base permeable = pies Determinar el espaciamiento entre tubos de descarga

113 DISEÑO HIDRÁULICO DEL SUBDRÉN LONGITUDINAL ESPACIAMIENTO ENTRE TUBOS DE DESCARGA (L) Método de la velocidad de descarga de la base permeable Solución al ejemplo S cos( A) S x R L k 1/ 2 K S S H cos( A) R 1/ *(0.01) 3000*0.036*0.393* pies

114 DISEÑO HIDRÁULICO DEL SUBDRÉN LONGITUDINAL ESPACIAMIENTO ENTRE TUBOS DE DESCARGA (L) Método de la velocidad de descarga del tiempo para drenar En esta aproximación se iguala el caudal de diseño de este método con la ecuación de capacidad del conducto Despejando L : (W L H N e U)(1/t D )*24 = K S 1/2 L K S 1/ 2 24 W H t N D e U

115 DISEÑO HIDRÁULICO DEL SUBDRÉN LONGITUDINAL DETERMINACIÓN DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL DEL SUBDRÉN Si no hay heladas ni un caudal significativo de agua por subpresión, el subdrén puede tener poca profundidad Tan sólo se requiere que la parte superior del tubo quede al menos 5 centímetros (2 pulgadas) por debajo del fondo de la capa permeable

116 DISEÑO HIDRÁULICO DEL SUBDRÉN LONGITUDINAL DETERMINACIÓN DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL DEL SUBDRÉN El ancho mínimo de la zanja (W) se puede determinar aplicando la ley de Darcy, suponiendo que el gradiente hidráulico es unitario (i = 1) y que el caudal de diseño del subdrén (Q) es igual a la descarga de la base permeable (q d ), lo que permite llegar a W q d k

117 SUBDRENES LONGITUDINALES TUBERÍA DE DESCARGA Su instalación es crítica en el sistema de drenaje de bases permeables Puede ser metálica o rígida de PVC sin perforaciones y debe ir adecuadamente conectada con la tubería del subdrén, debiendo tener el mismo diámetro de ésta Su salida a la zanja o cuneta lateral debe producirse por lo menos 15 centímetros por encima del flujo de diseño para 10 años La FHWA recomienda construirle cabezal de salida y limitar la separación entre tuberías a 250 pies (76 metros)

118 SUBDRENES LONGITUDINALES TUBERÍA DE DESCARGA Esquema general Cabezal de salida

119 SUBDRENES TRANSVERSALES Función En carreteras de montaña, los subdrenes longitudinales pueden resultar insuficientes para interceptar toda el agua de filtración En estos casos se deben instalar subdrenes transversales normales al eje de la vía o en forma de espina de pez

120 SUBDRENES TRANSVERSALES Función Estos dispositivos son análogos a los longitudinales y lo único que los distingue de ellos es la dirección en la cual se desarrollan y el hecho de tener paredes inclinadas Su efecto se puede incrementar, si en cierta longitud se coloca una capa permeable a cada lado de ellos

121 SUBDRENES TRANSVERSALES

122 COROLARIO SI EL AGUA DESTROZA LOS CAMINOS QUÉ HARÁ EN LOS INTESTINOS?

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