SISTEMAS DE SUBDRENAJE PARA VÍAS CON GEOTEXTIL Y MATERIAL GRANULAR

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1 MANUAL Y SOFTWARE DE DISEÑO C A P Í T U L O 8 SISTEMAS DE SUBDRENAJE PARA VÍAS CON GEOTEXTIL Y MATERIAL GRANULAR

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3 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, técnico 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 subdrenajes para vías es evitar la saturación total de la estructura, captando, conduciendo o evacuando el agua que pueda entrar en la estructura del pavimento. Para lograr el buen diseño de un subdrenaje se debe tener en cuenta cuatro aspectos fundamentales: 1. Determinar la ubicación y profundidad de la dirección del flujo, que puede ir en sentido longitudinal o transversalmente con respecto al eje de la vía. Para captar aguas subsuperficiales es conveniente tener en cuenta el diseño de un sistema de captación, que asegure la rápida llegada del agua al subdrén, verificando la velocidad de llegada. En la mayoría de los casos es recomendable especificar un sistema de subdrenaje, 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. 2. Estimar el caudal crítico para la longitud de descarga, el cual es la sumatoria de los caudales de aporte, que provienen del nivel freático y de infiltración. El agua de infiltración proviene de aguas lluvia y superficiales que se filtran 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. SISTEMAS DE SUBDRENAJE PARA VÍAS CON GEOTEXTIL Y MATERIAL GRANULAR 4. Los sistemas de subdrenaje deben contar un sistema de filtración adecuado, que asegure una mayor vida útil del sistema 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, facilidad de instalación, reducción de costos totales de la construcción y en general por ser un sistema constructivo ambientalmente eficiente. 191

4 8.3 METODOLOGÍA DE DISEÑO DE SUBDRENAJES Determinación de la ubicación de las líneas de Subdrenaje o Subdrenajes MANUAL DE DISEÑO CAPÍTULO 8 La ubicación del subdrenaje, debe ser 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 subdrenajes 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 (subdrenajes longitudinales), si es mayor a 45 grados las líneas de subdrenaje deben correr normal al eje (subdrenajes transversales). Figura 8.1 Dirección de la resultante de dos pendientes dadas Estimación del caudal de diseño Para diseñar subdrenaje laterales en una vía, se debe considerar primero la distancia entre alcantarillas o los sitios en donde los subdrenajes realizan la descarga de agua. Para establecer las distancias de los tramos, 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 subdrenaje, mayor tendrá que ser su capacidad de transporte debido a que a lo largo del subdrenaje se van sumando caudales de aporte. Posteriormente se identifica las posibles fuentes a tener en cuenta para el cálculo del caudal total. Los subdrenajes son sistemas que se utilizan para retirar el agua infiltrada o subterránea que ha entrado en la estructura. Un sistema eficiente de drenaje en vías se debe complementar con estructuras de drenaje superficial como son: cunetas, zanjas de coronación, trincheras drenantes, etc. Los caudales de aporte que conforman el caudal total para el diseño de un subdrenaje en 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

5 Es importante determinar adecuadamente las áreas aferentes para el cálculo del caudal por infiltración ya que muchas veces el subdrenaje puede captar agua de infiltración proveniente de los taludes aledaños. 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 permeables. Por lo tanto el caudal de infiltración se calcula de la siguiente forma: Donde: Q inf = I R * B * L * F i * F R (8.1) I R = Precipitación máxima horaria de frecuencia anual, registrada en la zona del proyecto. Dato que se puede extraer de las curvas anexas a éste documento (ver anexo 3), 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. Alternativamente se pueden emplear ecuaciones para determinar la precipitación si no se cuenta con curvas IDF para la región en estudio. Dichas ecuaciones están correlacionadas con datos pluviométricos medidos en campo. Para tal efecto se presenta en este manual la investigación realizada por Vargas y Díaz-Granados para determinar la ecuación más apropiada (ver anexo 4) a emplearse para determinar la precipitación en el territorio Colombiano (estas ecuaciones se emplearan a criterio del diseñador). B = Para subdrenajes longitudinales, b es la semibanca de la vía (ancho de la vía/2). Para el caso de subdrenajes transversales, B es la distancia entre subdrenajes. L = Longitud del tramo de drenaje. F i = Factor de infiltración. (Ver Tabla 8.1) F R = Factor de retención de la base, refleja el hecho de que las bases dada su tiempo de servicio disminuye su permeabilidad. (Ver Tabla 8.2) Tabla 8.1 Valores recomendados para F i Tabla 8.2 Valores recomendados para F R SISTEMAS DE SUBDRENAJE PARA VÍAS CON GEOTEXTIL Y MATERIAL GRANULAR 193

6 Caudal por abatimiento del nivel freático MANUAL DE DISEÑO CAPÍTULO 8 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: Q NF = k * i * Aa (8.2) i = (N d N f) / B A a = (N d N f) * L Donde: k = Es el coeficiente de permeabilidad del suelo adyacente. i = Es el gradiente hidráulico. N d = Cota inferior del subdrén. (Ver Figura 8.2) N f = Cota superior del nivel freático. (Ver Figura 8.2) A a = Es el área efectiva para el caso de abatimiento del nivel freático. B = Para subdrenajes longitudinales, b es la semibanca de la vía. Para el caso de subdrenajes transversales, b es la distancia entre subdrenajes. L = Longitud del tramo de drenaje. Una vez estimados los caudales de aporte al sistema se obtiene el caudal de diseño: Q T = Q inf + Q NF (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 (Q Nf) debe ser duplicado. Figura 8.2 Sección transversal del sistemas de subdrenajes 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.

7 8.3.3 Dimensionamiento de la sección transversal Teniendo el caudal total Q T, el cual es la suma de los caudales calculados, se realiza el siguiente procedimiento: Donde: Q T = V * i * A (8.4) Q T = 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 subdrenajes 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 ( m). Para el caso en que se requiera aumentar la eficiencia de los subdrenajes es recomendable usar tubería perforada, 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: Q T = (1/n) * A * R 2/3 * S 1/2 (8.5) Donde: Q T = Caudal total calculado n = Coeficiente de Manning. Para tubería perforada usualmente es A = Área del tubo R = A T/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 N d. SISTEMAS DE SUBDRENAJE PARA VÍAS CON GEOTEXTIL Y MATERIAL GRANULAR 195

8 MANUAL DE DISEÑO CAPÍTULO 8 Figura 8.3 Pendiente Vs. Velocidad, según el tamaño del agregado (Para agregados de tamaño uniforme) 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. 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) 1 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. 1 HOLTZ, Robert, Geosynthetic Engineering. Junio 1997, Pags

9 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 < D 85 * B (8.6) 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. D 85 = 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 C u, donde C u = D 60/D 10, de la siguiente manera: C u 2 ó C u 8 B = 1 2 < C u 4 B = 0.5 x C u 4 < C u 8 B = 8/ C u 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 D 85 Para No Tejidos: B = 1.8 TAA 1.8 * D 85 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 2 y suelos no dispersivos 3, 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: SISTEMAS DE SUBDRENAJE PARA VÍAS CON GEOTEXTIL Y MATERIAL GRANULAR 2 El comportamiento hidráulico de drenajes convencionales como cortinas drenantes o sistemas de captación de lixiviados se asemeja más a las características de flujo laminar. 3 Los suelos dispersivos son aquellos que efervecen en contacto con el agua, tienen relaciones de vacíos altas, altos contenidos de sales y generan flujos. 197

10 k g > k s (8.7) Donde: k g = Permeabilidad del geotextil MANUAL DE DISEÑO CAPÍTULO 8 k s = Permeabilidad del suelo Para condiciones de flujo crítico 4, 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): k g > 10 * k s (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. 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 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 muy alto, con la consecuencia de una pérdida súbita en la permeabilidad; razón por la cual no se recomienda usarlos 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%, razón por la cual no se deben usar geotextiles tejidos en sistemas de subdrenaje. 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 4 El comportamiento hidráulico de subdrenajes 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.

11 manera diferente dependiendo del material que se está 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 5, 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 mediante la diferencia de la porosidad inicial del geotextil y la porosidad de éste 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/m 2 ) ρ = Densidad. (g/m 3 ) 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%. 5 FAJARDO A., RODRÍGUEZ S., Diseño Racional De Elementos Filtrantes Para Sistemas De Subdrenaje, P.U.J., 1999 SISTEMAS DE SUBDRENAJE PARA VÍAS CON GEOTEXTIL Y MATERIAL GRANULAR 199

12 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. MANUAL DE DISEÑO CAPÍTULO 8 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 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 esfuerzos, los cuales deben ser soportados de tal manera que no afecten drásticamente sus propiedades hidráulicas y físicas. S.M. Leuttich, J.P. Giroud, R.C. Bachus 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 M 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.

13 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. En casos donde el geotextil vaya a quedar expuesto a la intemperie por un tiempo prolongado, se recomienda utilizar geotextiles no tejidos fabricados por compuestos que le proporcionen alta resistencia a la degradación UV 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 (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 * Δh/t * A k / t = Q / (Δh * H * L) Ψ req = Q / (Δh * H * L) Ψ req = q w / (Δh * H) (8.11) Donde: Ψ req = Permitividad requerida del geotextil, k/t. q w = Caudal por unidad de longitud (teniendo el caudal final y la longitud del tramo en consideración, Q/ L. Q = Caudal total a evacuar calculado. Δh = 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. SISTEMAS DE SUBDRENAJE PARA VÍAS CON GEOTEXTIL Y MATERIAL GRANULAR L = Longitud del tramo de drenaje en consideración. 201

14 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). Ψ adm = Ψ ult / (FR SCB* FR CR * FR IN* FR CC* FR BC) (8.12) MANUAL DE DISEÑO CAPÍTULO 8 Donde: Ψ adm = Permitividad admisible. Ψ ult = Permitividad última, entregada por el fabricante. FR SCB = Factor de reducción por colmatación y taponamiento. FR CR = Factor de reducción por creep o fluencia. FR IN = Factor de reducción por intrusión. FR CC = Factor de reducción por colmatación química. FR BC = Factor de reducción por colmatación biológica. 3. Calcule el factor de seguridad global: FS g = Permitividad Admisible Permitividad Requerida FS g > EJEMPLO DE DISEÑO Subdrén longitudinal de una vía Se requiere diseñar los subdrenajes 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 20 cm 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). D 85 = mm (Dato extraído de la curva granulométrica del suelo) Diseñar la sección transversal del subdrén. 2. Establecer que características hidráulicas y mecánicas debe tener el geotextil a usar en el filtro. 6 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.

15 Solución: 1. Cálculo del caudal total de diseño Caudal por infiltración Q inf = I R * B * L * F i * F R I R = 60 mm/h = 1.67 x 10-5 m/s b = 5.25 m (Semibanca) L = 50.0 m F i = 0.67 (Ver Tabla 8.1) F R = 1/3 (Ver Tabla 8.2) Q inf = 1.67 x 10-5 m/s * 5.25 m * 50.0 m * 0.67 * 1/3 Q inf = 9.79 x 10-4 m 3 /s Caudal por abatimiento del nivel freático Q NF = k * i * Aa k = 2.5 x 10-5 m/s i = (N d - N f) / B = ( ) / 5.25 = A a = (N d - N f) * L = 0.50 m * 50.0 m = 25.0 m 2 Q NF = 2.5 x 10-5 m/s * * 25.0 m 2 Q NF = 5.94 x 10-5 m 3 /s El nivel freático se encuentra a los dos lados de la sección transversal de subdrén. Q NF = 5.94 x 10-5 m 3 /s * 2 = x 10-4 m 3 /s Q T = Q inf + Q NF = 9.79 x 10-4 m 3 /s x 10-4 m 3 /s Q T = 1.10 x 10-3 m 3 /s Q T = V * i * A El agregado disponible para colocar como material drenante, es una grava, la cual tiene un tamaño uniforme de 19 mm (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 = m/s i = 1.0 A = (1.10 x 10-3 m 3 /s) / ( m/s) A = m 2 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. SISTEMAS DE SUBDRENAJE PARA VÍAS CON GEOTEXTIL Y MATERIAL GRANULAR 203

16 MANUAL DE DISEÑO CAPÍTULO 8 A = L * ancho A = m 2 ancho = 0.60 m L = 0.344/0.60 = m Aprox. Sección Transversal 0.60 x 0.60 m. 2. Evaluación del geotextil a usar en el filtro Criterio de retención (TAA) TAA < B * D 85 B = 1.8; Para geotextiles No Tejidos D 85 = mm TAA TAA < 1.8 * mm mm Criterio de permeabilidad Como es un suelo fino, se debe cumplir: k g k s k g > 10 * k s = 2.5 x 10-5 m/s > 2.5 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 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 M (Ver Tabla 8.3). Con base en los criterios anteriores y comparando las especificaciones de los geotextiles (Ver Apéndice A), 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 * Δh / t * A

17 k / t = Q / (Δh * H * L) Ψ req = Q / (Δh * H * L) Ψ req = 1.10 x 10-3 m 3 /s / (0.6 m * 0.6 m * 50.0 m) Ψ req = 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. Ψ ult = 1.8 s -1 (Ver Apéndice A. Especificaciones De Productos) Con base a la permitividad última del Geotextil no tejido NT 2500, se calcula la permitividad admisible, teniendo en cuenta los factores de reducción para sistemas de subdrenaje que aparecen en la Tabla 3.3. Ψ adm = Ψ ult / (FR SCB* FR CR * FR IN* FR CC* FR BC) Ψ adm = 1.8 s -1 / (2.0 * 1.1 * 1.1 * 1.2 * 2.0) Ψ adm = 0.31 s -1 Finalmente se compara la permitividad admisible con la requerida para determinar el factor de seguridad global: FS g = Ψ adm / Ψ req FS g = 0.31 s -1 / 6.11 x 10-5 s -1 FSg >> 1.0 Por lo que el geotextil NT 2500 es apto como medio filtrante en el sistema. 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: 7.5cm Espesor de la base granular: 30cm Espesor de la subbase granular: 40cm 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: SN = a 1D 1m 1 + a 2D 2m 2 + a 3D 3m 3 SISTEMAS DE SUBDRENAJE PARA VÍAS CON GEOTEXTIL Y MATERIAL GRANULAR 205

18 Donde: a i = Coeficiente de la capa (1/pulg) MANUAL DE DISEÑO CAPÍTULO 8 D i = Espesor de la capa (pulg) m i = Coeficiente de drenaje de la capa Realizando el cálculo de SN, para nuestra estructura se obtiene un valor de 4.45 Los datos utilizados en los coeficientes de capa m 1, m 2, m 3 se tomaron de la Tabla 8.4 donde se especifica el rango de valores recomendados por AASHTO. Tabla 8.4 Valores de coeficiente de drenaje mi recomendados 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 = psi

19 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. SISTEMAS DE SUBDRENAJE PARA VÍAS CON GEOTEXTIL Y MATERIAL GRANULAR 207

20 4. Con el nuevo SN, se calcula el nuevo número de ejes equivalentes que soportará la vía: MANUAL DE DISEÑO CAPÍTULO 8 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. 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 = 7.5 cm Base granular = 30 cm Subbase = 40 cm Costo por m 2 Diseño sin drenajes Carpeta Asfáltica = x ( U$) = U$ Base Granular = x ( U$) = 4.37 U$ Subbase = x ( U$) = 4.83 U$ Total = U$

21 Para una vida útil de 10 años, el (costo/m 2 /año) es igual a U$/10 = U$. Costo anual por m 2 = U$. b. Diseño con drenajes laterales (vida efectiva = 20 años) Carpeta Asfáltica = 7.5 cm Base Granular = 30 cm Subbase = 40 cm Sección de subdrén = (60x40) cm Costo por m 2 Diseño con drenajes laterales Carpeta Asfáltica = x ( U$) = U$ Base Granular = x (14.58 U$) = 4.37 U$ Subbase = x (12.08 U$) = 4.83 U$ Análisis de sección subdrén con geotextil y grava (medio filtrante) = 8.35 U$ Total = U$ Para una vida útil de 20 años, el (costo/m 2 /año) es igual a U$/20 = 1.42 U$. Costo anual por m 2 = 1.42 U$. Para este ejemplo, un diseño de pavimento bien drenado tiene un costo anual de 1.42 U$/2.014 U$ = 29.5% sobre un pavimento no drenado. 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., FEDERAL HIGHWAY ADMINISTRATION, Geosynthetics Design And Constructuon Guidelines Publication No. FHWA HL GEOTEXTILES AND GEOMEMBRANES, GEOSYNTHETICS IN FILTRATION, DRAINAGE AND EROSION CONTROL, VOL. 11. KOERNER R.M., Geosynthetics In Filtration, Drainage And Erosion Control. SISTEMAS DE SUBDRENAJE PARA VÍAS CON GEOTEXTIL Y MATERIAL GRANULAR LAFLEUR J., ROLLIN A.L., Geofilters 96, Comptes Rendus Proceedings, École Polytechnique Montréal, NOS 4-6, 1992, An Official Journal Of The International Geotextile Society. 209

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23 ANEXO 1 CÁLCULO DEL CAUDAL CAUDAL 40cm SISTEMAS DE SUBDRENAJE PARA VÍAS CON GEOTEXTIL Y MATERIAL GRANULAR 211

24 MANUAL DE DISEÑO CAPÍTULO 8

25 SISTEMAS DE SUBDRENAJE PARA VÍAS CON GEOTEXTIL Y MATERIAL GRANULAR 213

26 MANUAL DE DISEÑO CAPÍTULO 8

27 CAUDAL 50cm SISTEMAS DE SUBDRENAJE PARA VÍAS CON GEOTEXTIL Y MATERIAL GRANULAR 215

28 MANUAL DE DISEÑO CAPÍTULO 8

29 SISTEMAS DE SUBDRENAJE PARA VÍAS CON GEOTEXTIL Y MATERIAL GRANULAR 217

30 CAUDAL 60cm MANUAL DE DISEÑO CAPÍTULO 8

31 SISTEMAS DE SUBDRENAJE PARA VÍAS CON GEOTEXTIL Y MATERIAL GRANULAR 219

32 MANUAL DE DISEÑO CAPÍTULO 8

33 CAUDAL 70cm SISTEMAS DE SUBDRENAJE PARA VÍAS CON GEOTEXTIL Y MATERIAL GRANULAR 221

34 MANUAL DE DISEÑO CAPÍTULO 8

35 CAUDAL 80cm SISTEMAS DE SUBDRENAJE PARA VÍAS CON GEOTEXTIL Y MATERIAL GRANULAR 223

36 MANUAL DE DISEÑO CAPÍTULO 8