REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

ESTADO DEL ARTE DE LOS GEOSINTÉTICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS CIVILES

TRABAJO ESPECIAL DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL

PRESENTADO POR: BR. ALVARADO AMADO. MANUEL A. C.I.: 15.411.044

MARACAIBO, MAYO DE 2009

OS D A V ER S E R S

HO C E R E DEL ARTE DE LOS GEOSINTÉTICOS DESTADO PARA EL DISEÑO DE OBRAS CIVILES

Dedicatoria

iii

__________________________________________________________________________________

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

Dedicatoria: Para Pito, cuyo espíritu nunca me ha dejado flaquear, para Letty, Via Mangini 25 per sempre; y para mi madre, una sobreviviente enamorada de la vida, gracias por despertarme desde tu letargo.

Agradecimientos

iv

__________________________________________________________________________________

AGRADECIMIENTOS

Quiero agradecer a Dios, a mis padres, a mi familia, y a todo ese otro que ayudo a ser lo que soy en este momento, por mantenerme en perspectiva a lo largo de esta prolongada jornada de estudio, por siempre apoyarme y guiarme de la manera correcta.

A la Ing. Nancy Urdaneta, por “ponerme las pilas” y darme los empujones necesarios para culminar exitosamente mí desempeño académico.

OS D A V A mi tutor, Ing. Alfonso Soto, quien aunque ERno esté presente ha sido un gran S E R OS H C apoyo en el desarrollo de esta investigación. E DER A los diversos profesores que conocí a lo largo de la carrera, por ayudar a enamorarme de la Ingeniería Civil como de ninguna otra carrera. Gracias a Jesús Urdaneta, José Orbegoso, Ines Ajjam, Sara Mavarez, Raiza Castellanos, Loreta Santilli, Castor Chacin, Jose Bravo, Xiomara Orozco y Esteban Di Loreto, por la enseñanza impartida.

A los MgS José Manuel Chirinos, y Yahel Belloso, por su invaluable asistencia con respecto a la metodología utilizada en la presente investigación.

Al Ing. Robert Koerner, PHD; pionero en el campo de los Geosintéticos a nivel mundial, por su apoyo documental y sus notas acerca de la investigación.

Índice General v __________________________________________________________________________________

ÍNDICE GENERAL Pág. DEDICATORIA

iii

AGRADECIMIENTOS

iv

INDICE GENERAL

v

INDICE DE TABLAS

x

INDICE DE GRAFICOS

xii

RESUMEN

xvii

ABSTRACT

xviii

INTRODUCCIÓN

19

OS D A V ER S E R S

CAPÍTULO I MARCO REFERENCIAL 1.1 Planteamiento del Problema 1.2 Objetivos de la Investigación 1.2.1Objetivo General 1.2.2 Objetivos Específicos 1.3 Justificación e Importancia de la Investigación 1.4 Delimitación Espacial y Temporal

23 26 26 26 27 27

CAPÍTULO II MARCO METODOLOGICO 2.1 Sistema de Categorías 2.1.1 Definición Conceptual 2.1.2 Definición Operacional 2.2 Tipo de Investigación 2.3 Diseño de la Investigación 2.4 Unidades de Análisis 2.5 Técnicas e instrumentos de recolección de información 2.6 Métodos y técnicas de análisis de la información 2.7 Procedimiento de la investigación

29 29 29 29 30 31 32 33 34

CAPÍTULO III TIPOS DE GEOSINTÉTICOS 3.1 INTRODUCCION 3.2 GEOTEXTILES 3.2.1 Clasificación 3.2.1.1 Según su método de fabricación 3.2.1.2 Según su composición 3.2.2 Funciones y campos de aplicación 3.2.2.1 Función de separación

39 40 40 40 41 42 42

HO C E R DE

Índice General vi __________________________________________________________________________________

3.2.2.2 Función de refuerzo 3.2.2.3 Función de drenaje 3.2.2.4 Función de filtración 3.2.2.5 Función de protección 49 3.2.2.6 Función de impermeabilización 3.3 GEOMALLAS COEXTRUÍDAS 3.3.1 Clasificación 3.3.2 Funciones y aplicaciones 3.4 GEOREDES 3.4.1 Funciones y aplicaciones 3.5 GEOCOMPUESTOS 3.5.1 Geocompuestos De Drenaje 3.5.1.1 Funciones y aplicaciones 3.6 GEOMEMBRANAS 3.6.1 Clasificación 3.6.2 Funciones y aplicaciones 3.7 REVESTIMIENTOS GEOSINTÉTICOS DE ARCILLA (GCL) 3.7.1 Funciones y aplicaciones 3.8 GEOESPUMA 3.8.1 Funciones y aplicaciones 3.9 GEOPIPE (TUBERIA PLASTICA) 3.9.1 Funciones y aplicaciones

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

44 46 47 50 50 52 54 56 56 57 58 61 61 63 64 65 66 67 68 69 69

CAPÍTULO IV NORMAS Y METODOS DE ENSAYO DE LOS GEOSINTETICOS 4.1 INTRODUCCION 72 4.2 NORMAS DE ENSAYO 73 4.2.1 MÉTODO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA CARGA DE ROTURA Y LA ELONGACIÓN DE GEOTEXTILES (MÉTODO GRAB) INV E – 901 73 4.2.2 MÉTODO PARA LA DETERMINACIÓN DEL ÍNDICE DE RESISTENCIA AL PUNZONAMIENTO DE GEOTEXTILES, GEOMEMBRANAS Y PRODUCTOS RELACIONADOS INV E – 902 76 4.2.3 MÉTODO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL RASGADO TRAPEZOIDAL DE GEOTEXTILES INV E – 903 79 4.2.4 MÉTODO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIAAL ESTALLIDO DE GEOTEXTILES (MÉTODO DEL DIAFRAGMA HIDRÁULICO – MULLEN BURST). INV E – 904 82 4.2.5 MÉTODO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA PERMEABILIDAD AL AGUA DE LOS GEOTEXTILES POR MEDIO DE LA PERMITIVIDAD INV E – 905 87 4.2.6 MÉTODO DE ENSAYO ESTÁNDAR PARA DETERMINAR EL ESPESOR NOMINAL DE GEOTEXTILES Y GEOMEMBRANAS INV… 92

Índice General vii __________________________________________________________________________________

4.2.7 MÉTODO ESTÁNDAR PARA LA DETERMINACIÓN DEL TAMAÑO DE ABERTURA APARENTE (TAA DE UN GEOTEXTIL INV E–907 95 4.2.8 MÉTODO DE MUESTREO DE GEOSINTÉTICOS PARA ENSAYOS INV E–908 99 4.2.9 PRÁCTICA PARA ESTABLECER LA CONFORMIDAD DE ESPECIFICACIONES DE GEOSINTÉTICOS INV E–909 103 4.2.10 MÉTODO DE ENSAYO PARA MEDIR EL DETERIORO DE GEOTEXTILES A LA EXPOSICIÓN DE LUZ ULTRAVIOLETA Y AGUA, (APARATO DEL TIPO ARCO XENON) INV E – 910 105 4.2.11 MÉTODO ESTÁNDAR PARA DETERMINAR LA RETENCIÓN DE ASFALTO DE GEOTEXTILES USADOS EN REPAVIMENTACIONES ASFÁLTICAS INV E – 911 109 4.2.12 MÉTODO ESTÁNDAR PARA MEDIR LA MASA POR UNIDAD DE ÁREA DE GEOTEXTILES INV E – 912 113 4.2.13 MÉTODO DE ENSAYO ESTÁNDAR PARA DETERMINAR LA RESISTENCIA AL PUNZONAMIENTO ESTÁTICA DE GEOTEXTILES USANDO UN PISTÓN DE PRUEBA DE 50MM DE DIÁMETRO INV… 115 4.2.14 MÉTODO DE ENSAYO ESTÁNDAR PARA DETERMINAR EL COEFICIENTE DE FRICCIÓN SUELO - GEOSINTÉTICO Y GEOSINTÉTICO - GEOSINTÉTICO POR EL MÉTODO DE CORTE DIRECTO ASTM D 5321 – 02 118 4.2.15 MÉTODO DE ENSAYO PARA DETERMINAR LA TASA DE FLUJO Y LA TRANSMISIVIDAD HIDRÁULICA DE UN GEOSINTÉTICO UTILIZANDO UNA CABEZA CONSTANTE ASTM D 4716 – 03 123 4.2.16 MEDIDA DEL POTENCIAL DE COLMATACIÓN DE UN SISTEMA SUELO – GEOTEXTIL POR LA VARIACIÓN DEL GRADIENTE HIDRÁULICO ASTMD 5101 – 90 129

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

CAPÍTULO V - METODOLOGÍAS DE DISEÑO 5.1 DISEÑO POR COSTOS Y DISPONIBILIDAD 5.2 DISEÑO POR EXPERIENCIA Ó MÉTODO EMPÍRICO 5.3 DISEÑO POR ESPECIFICACIONES 5.4 DISEÑO POR FUNCIÓN

135 135 136 140

CAPITULO VI - APLICABILIDAD DE GEOSINTETICOS EN EL DISEÑO DE OBRAS CIVILES 6.1 ORGANIZACIÓN POR FUNCIÓN 153 6.2 SEPARACIÓN Y ESTABILIZACIÓN DE SUBRASANTES EN VÍAS 154 6.2.1 Metodología de Diseño 158 6.3 REFUERZO EN VÍAS CON GEOTEXTIL 172 6.3.1 Beneficios del Geotextil 173 6.3.2 Funciones Del Geotextil 176

Índice General viii __________________________________________________________________________________

6.3.3 Consideraciones Para El Diseño 179 6.3.4 Metodología de Diseño 191 6.4 REFUERZO VIAL CON GEOMALLAS BIAXIALES COEXTRUÍDAS 197 6.4.1 Mecanismos De Refuerzo Generados Por Las Geomallas 198 6.4.2 Método AASHTO Para Pavimentos Flexibles. 202 6.5 PAVIMENTACIÓN Y REPAVIMENTACIÓN CON GEOTEXTILES 207 6.5.1 Funciones del geotextil 208 6.5.2 Tipo y Nivel de severidad de las fallas del Pavimento 213 6.5.3 Efectos del Agrietamiento 215 6.5.4 Asfaltos 218 6.5.5 Procedimiento De Instalación 228 6.6 SISTEMAS DE SUBDRENAJE PARA VÍAS CON GEOTEXTIL Y MATERIAL GRANULAR 242 6.6.1 Metodología de Diseño de Subdrenes 245 6.7 SISTEMAS DE SUBDRENAJE CON GEODRÉN 265 6.7.1 Metodología De Diseño De Sistemas De Drenaje Con Geodrén 268 6.8 MUROS DE CONTENCIÓN REFORZADOS CON GEOSINTÉTICOS 287 6.8.1 Metodología de Diseño 289 6.9 REFUERZO DE TALUDES 312 6.9.1 Beneficios del uso de geotextiles en la construcción de terraplenes reforzados. 315 6.9.2 Consideraciones de Diseño 316 6.9.3 Procedimiento de Diseño 318 6.10 REFUERZO DE TERRAPLENES SOBRE SUELOS BLANDOS 332 6.10.1 Consideraciones de Diseño 334 6.10.2 Metodología de Diseño 336 6.11 REFUERZO DE FUNDACIONES CON GEOSINTETICOS 344 6.11.1 Consideraciones De Diseño 345 6.11.2 Metodología de Diseño 347 6.11.3 Procedimiento para el Diseño de Fundaciones Reforzadas 357 6.12 IMPERMEABILIZACION CON GEOMEMBRANAS 359 6.12.1 Metodología de Diseño 361

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

CONCLUSIONES

371

RECOMENDACIONES

373

BIBLIOGRAFÍA

374

Índice de Tablas x __________________________________________________________________________________

ÍNDICE DE TABLAS Pág. Tabla 2.1 – Matriz de Análisis.

34

Tabla 5.1 Factores de reducción para geotextiles en aplicaciones de separación y refuerzo.

146

Tabla 5.2 Factores de reducción para geomallas en aplicaciones de refuerzo.

146

Tabla 5.3 Factores de reducción para geotextiles en aplicaciones de drenaje.

149

OS D A V ER S E R Tabla 6.1 Identificación de OlaSfunción primaria H C para cada tipo de Geosintético. E DER Tabla 5.4 Factores de reducción para geocompuestos en aplicaciones de drenaje.

151 154

Tabla 6.2 Valores de f(ε)

165

Tabla 6.3 Valores de Ap / Ac

167

Tabla 6.4 Propiedades del geotextil de separación AASHTO M288-05

172

Tabla 6.5 Rango de valores recomendados (1/pul) para los coeficientes a1, a2, a3, para diferentes materiales

205

Tabla 6.6 Condiciones De Drenaje

206

Tabla 6.7 Valores de coeficiente de drenaje mi recomendados

206

Tabla 6.8 Asfaltos cortados de curado rápido AASHTO M 81

223

Tabla 6.9 Asfaltos cortados de curado medio AASHTO M 82

223

Tabla 6.10 Cantidad a utilizar de cemento asfáltico Vs. emulsión asfáltica

231

Tabla 6.12 Valores recomendados para Fi

248

xi

Índice de Tablas

__________________________________________________________________________________

Tabla 6.13 Valores recomendados para FR

249

Tabla 6.14 Especificaciones generales de construcción de carreteras AASHTO M280-05 262 Tabla 6.15 Especificaciones de material para construcción de terraplenes

297

Tabla 6.16 Especificaciones suelos de relleno, Según FHWA

298

Tabla 6.17 Factores de seguridad mínimos para análisis estático

300

Tabla 6.18 Factores de seguridad para análisis sísmico

300

Tabla 6.19 Valores típicos de δ para distintos tipos de arenas

308

Tabla 6.19 Valores de C a y δ para suelos con contenido de finos y geotextiles tejidos de cinta plana

309

Tabla 6.20 Gradación para terraplenes recomendada por la especificación AASHTO-00

321

Tabla 6.21 Ángulos de fricción geomembrana - suelo y geomembrana - geotextil según ensayo ASTM D 5321

364

Tabla 6.22 Valores mínimos recomendados para supervivencia de la geomembrana en el proceso de instalación

369

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

Índice de Gráficos xii __________________________________________________________________________________

ÍNDICE DE GRAFICOS Pág. Figura 3.1 Geomalla Coextruída Mono-orientada

52

Figura 3.2 Geomalla Coextruída Bi-orientada

53

Figura 3.3 Geodrén Planar Con Tubería

60

Figura 5.1 Relaciones relativas de diferentes valores usados en la especificación de los Geotextiles y la literatura de los fabricantes

138

Figura 6.1a Sección transversal de una estructura de pavimento sin geotextil de separación (Interfaz SR – C. Granular)

158

OS D A V Figura 6.1b Sección transversal de una estructura ER de pavimento S E R con geotextil de separación (Interfaz SR – C. Granular) OS H C E R DE Figura 6.2 Geotextil de separación – Resistencia al estallido

160

Figura 6.3 Presión vs Resistencia al estallido (BURST) según el tamaño de agregado (FSg = 2.0; FSp = 1.5

163

Figura 6.4 Presión vs Resistencia al estallido (BURST) según el tamaño de agregado (FSg = 2.0; FSp = 2.0)

163

Figura 6.5 – Geotextil de separación Resistencia a la tensión (GRAB).

164

Figura 6.6 Punzonamiento causado por una particula sobre el geotextil.

166

Figura 6.7 Presión Vs. Resistencia al punzonamiento Según tamaño del agregado (FSg = 2.0; FSp = 1.5)

169

Figura 6.8 Presión Vs. Resistencia al punzonamiento Según tamaño del agregado (FSg = 2.0; FSp = 2.0)

169

Figura 6.9 Sección Transversal tipica de una estructura de pavimento

182

158

xiii

Índice de Gráficos

__________________________________________________________________________________

Figura 6.10 Cinemática de vias con geotextil

187

Figura 6.11 Forma del geotextil deformado

188

Figura 6.12 Mecanismos de Falla

189

Figura 6.13 Condición critica trabajo del geotextil

190

Figura 6.14 Sección típica de estructuras de pavimento asfáltico

198

Figura 6.15 Confinamiento Lateral generado por la geomalla en un material granular

199

Figura 6.16 Capacidad Portante.

200

Figura 6.17 Sección de estructura con sus respectivos coeficientes de capa.

HO C E R DE

204

Figura 6.18 Clasificación de los Polímeros

228

Figura 6.19 Limpieza de la superficie

229

Figura 6.20 Imprimación con Asfalto

234

Figura 6.21 Instalación del geotextil

237

Figura 6.22 Compactador de llantas sobre el geotextil

237

Figura 6.23 Formación de arrugas

239

Figura 6.24 Dirección de la resultante de dos pendientes dadas

246

Figura 6.25 Sección transversal de sistema de subdrenes laterales en una vía

250

Figura 6.26 Pendiente Vs. Velocidad, según el tamaño del agregado (Para agregados de tamaño uniforme)

252

Figura 6.27 Paso del agua a través del sistema de filtración

253

OS D A V ER S E R S

Índice de Gráficos

xiv

__________________________________________________________________________________

Figura 6.28 Colmatación del filtro por penetración de partículas

257

Figura 6.29 Diagrama de geodrén con tubería

268

Figura 6.30 Dirección de la resultante de dos pendientes dadas

268

Figura 6.31a Trayectoria de las líneas de flujo

270

Figura 6.31b Trayectoria de las líneas de flujo

270

Figura 6.32 Aplicación del geodrén en rellenos sanitarios

271

Figura 6.33 Tasa de flujo en función del esfuerzo normal y el gradiente hidráulico Geodrén 1600/1600/4mm

278

OS D A V ER S E R Figura 6.34 Tasa de flujo O en S función H C del esfuerzo normal y el gradiente hidráulico E R E D Geodrén 3000/3000/5mm

278

Figura 6.35 Nomograma para el cálculo del diámetro de tubería a usar

280

Figura 6.36 Sumideros para incremento de velocidad de respuesta del drenaje

284

Figura 6.37 Configuraciones Geométricas en Sistemas de Subdrenaje

287

Figura 6.38 Continuidad de las capas de refuerzo

291

Figura 6.39 Conceptos de presión de suelos y teoría de muros con Geotextil

292

Figura 6.40 Despiece de las capas

304

Figura 6.41 Cálculo de la longitud de empotramiento del refuerzo

304

Figura 6.42 Envolvente de falla ensayo de corte directo para geosintéticos

307

Índice de Gráficos xv __________________________________________________________________________________

Figura 6.43 Ensayo de corte con geosintéticos

308

Figura 6.44 Esquema terraplén

320

Figura 6.45 Resultado de un análisis de estabilidad a un talud sin refuerzo realizado en PCSTABLE 6

324

Figura 6.46 Esquema superficie de falla

325

Figura 6.46 Esquema de obras de subdrenaje en un terraplén

331

Figura 6.47 Esquema Terraplen

337

OS D A V ER S E R S

Figura 6.48 Análisis de estabilidad de un terraplén sin refuerzo construido sobre un suelo blando. Realizado en el PCSTABLE5.

340

Figura 6.47 Modelo de falla rotacional del terraplén para el diseño del refuerzo

341

Figura 6.48 Desprendimiento lateral del talud

342

Figura 6.49 Falla por cortante arriba del refuerzo

345

Figura 6.50 Falla por longitud de empotramiento insuficiente

346

Figura 6.51 Falla por tensión del material de refuerzo

346

Figura 6.52 Falla del material por fluencia

347

Figura 6.53 Mecanismo de falla bajo fundaciones reforzadas

348

Figura 6.54 Localización del esfuerzo cortante máximo para una profundidad z, dado un ancho de fundación B

349

Figura 6.55 Fuerzas actuantes en fundaciones no reforzadas

301

Figura 6.56 Fuerzas actuantes en fundaciones no reforzadas

351

Figura 6.57 Variación de A1, A2, A3 con respecto a z/B

353

HO C E R DE

xvi

Índice de Gráficos

__________________________________________________________________________________

Figura 6.58 Variación de L o/B con respecto a z/B

356

Figura 6.59 Modelo de diseño utilizado para calcular el espesor de la geomembrana

362

Figura 6.60 Fuerzas actuantes con suelos de cobertura sobre la geomembrana de recubrimiento, con profundidad del suelo constante

365

Figura 6.61 Sección transversal de la longitud de desarrollo de una geomembrana con zanja de anclaje y fuerzas actuantes

367

HO C E R DE

OS D A V ER S E R S

ALVARADO AMADO, Manuel A. Estado Del Arte De Los Geosintéticos Para El Diseño De Obras Civiles. Universidad Rafael Urdaneta. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Civil. Maracaibo 2009. 378p

RESUMEN

El objetivo general de la presente investigación es analizar el Estado del Arte de los Geosintéticos para el Diseño de Obras Civiles. El uso de los geosintéticos a nivel mundial se ha incrementado considerablemente, ofreciendo una vasta gama de materiales para una innumerable cantidad de usos en la Ingeniería Civil, haciéndose más notables en el área de la geotecnia. La enseñanza del manejo de materiales geosintéticos a nivel mundial ha sido desplegada por diferentes institutos de investigación y sociedades de ingeniería civil y ambiental, reflejando una evidente falta de información en el público acerca de su uso. La investigación presenta una única categoría de análisis: Geosintéticos, la cual es definida conceptual y operacionalmente, y establece el tipo de investigación como documental y descriptivo, con la finalidad de recolectar información a partir de documentos escritos para ser analizados. El estudio se realizó bajo el diseño bibliográfico. De acuerdo con ello, el abordaje metodológico de la categoría de análisis Geosintéticos se hizo a través de la revisión de diferentes documentos científicos que se constituyen en unidades de análisis. Se definieron y desarrollaron cuatro elementos de análisis, Tipos de Geosintéticos, Normas y Metodos de Ensayo, Metodología de DIseño y Aplicabilidad para el Diseño de Obras Civiles, pautando un capítulo de la investigación para cada uno. Al finalizar la investigación se llegó a la conclusión de que el uso de los materiales geosintéticos en Venezuela con respecto al mundo es más de tipo académico que funcional. El uso de los geosintéticos internacionalmente está acompañado de investigación previa y posterior al hecho mismo de su aplicación, por lo cual debe realizarse una instrucción competente con respecto al tema. Tal contribución se traducirá, en el futuro, en la formación de profesionales mejor preparados para desempeñarse en el ámbito de la Ingeniería Civil, cada vez más competitiva.

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

Palabras Claves: Geosintéticos, Ingeniería Civil, Diseño.

Correo electrónico: [email protected]

XVII

ALVARADO AMADO, Manuel A. State of the Art of Geosynthetics for the Design of Civil Works. Universidad Rafael Urdaneta. Faculty of Engineering. School of Civil Engineering. Maracaibo 2009. 378p

ABSTRACT

The main objective of this research paper is to analyze the state of the art of Geosynthetics for design in Civil Works. The worldwide use of geosynthetics has increased considerably over the years, offering a wide range of products for a large number of uses in civil engineering, especially in the area of geotechnics. Teaching about the use of geosynthetic materials worldwide has been deployed by different institutes and civil and environmental engineering societies, even so reflecting an evident lack of knowledge in general public about their use. The research presents a single category of analysis: Geosynthetics, which are defined conceptually and operationally; and establishes the type of investigation as documentary and descriptive, with the purpose of collecting information from the basis of written documents to be analyzed. The investigation was pursued as a form of bibliographic design. Accordingly, the methodological approach of the analysis category Geosynthetics was done through the review of different scientific documents which constitute units of analysis. Four elements of analysis were defined and developed, Types of Geosynthetics, Standards and Test Methods, Design Methodology and Applicability for the Design of Civil Works, setting a respective chapter in the research paper for each. At the end of the research it was concluded that the use of Geosynthetic materials in Venezuela over the world is more academic than functional. The use of geosynthetics internationally is tied with research before and after its application, reason to determine that proper instruction must be given about the subject. Such a contribution will result in the future in training professionals better prepared to serve in the increasingly competitive field of Civil Engineering.

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

Keywords: Geosynthetics, Civil Engineering, Design.

E-mail: [email protected]

XVIII

Introducción

19

__________________________________________________________________________________

INTRODUCCION

La ubicación temporal de los primeros intentos de la humanidad por reforzar los suelos es más que imposible. Sin embargo, se puede considerar razonable suponer que dichos intentos correspondieron al uso de troncos de árboles, arbustos y elementos afines. Pese a que su efectividad parece obedecer más a la aplicación de grandes masas de material que a la verdadera funcionalidad de los mismos, se les puede considerar como acertados puesto que, en algunos de los casos, su efecto estabilizador

OS D A V ER S E R S

se prolongaba por el tiempo suficiente para hacer de la solución utilizada una costumbre.

HO C E R DE

Estas estructuras semi-sintéticas, constituidas de materiales naturales utilizados como cuerpos extraños para mejorar un medio natural, no siempre fueron exitosas. De hecho, en ocasiones desmejoraban las condiciones iniciales del suelo haciendo compleja la reinstalación del material de refuerzo. Fue así como la falta de material suficiente para resistir las cargas a las que la vía era expuesta, la “filtración” del suelo de pobres condiciones a través de la estructura de estabilización y la degradación del material natural utilizado como estabilizante (hecho que en ocasiones constituía la reaparición del estado de inestabilidad inicial), se convirtieron en ejemplos comunes de la vulnerabilidad del uso de estos materiales.

El concepto de reforzar suelos ha permanecido vigente ante las crecientes necesidades de la humanidad, tanto que en 1926 se dio el primer intento de uso de

Introducción

20

__________________________________________________________________________________

fibras sintéticas en el refuerzo de una estructura de pavimentación. El propulsor de dicho experimento fue el Departamento de Vías de Carolina del Sur en Estados Unidos (Koerner, 1997). El ensayo consistió en disponer una gruesa capa de algodón sobre la capa de base del pavimento flexible para luego verter asfalto caliente sobre la fibra y protegerlo con una delgada capa de arena. Los resultados del experimento fueron publicados en 1935, mostrando una reducción de las fallas localizadas y el agrietamiento en la estructura y buenas condiciones de servicio antes de que la fibra se deteriorara completamente. Este proyecto demostró la relevancia de usar cuerpos

OS D A V propias de las fibras sintéticas que conocemosS hoy en día. ER E R OS H C E DER

ajenos al material, que cumplan las funciones de mejoramiento del material natural

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.

El desempeño general de los geosintéticos permite proveer soluciones eficientes a la ingeniería en diversas escalas. Su amplio uso se ha alcanzado gracias a las ventajas comparativas frente a otros métodos de mejoramiento de condiciones in-situ dentro de las cuales se destacan: a) un mejor desempeño de la función específica: por su estricto control de calidad y desarrollo tecnológico están calificados en el

Introducción

21

__________________________________________________________________________________

cumplimiento de funciones específicas y b) economía en su uso: ya sea por menor inversión inicial o por prolongación de la vida útil de la estructura.

La incursión y posicionamiento del mercado de los geosintéticos en Venezuela sugiere la posibilidad de innovar en las metodologías tradicionales de diseño y construcción de obras de pavimentación. El país tiene la responsabilidad de estudiar, analizar y cuestionar el uso óptimo de estos materiales dentro del contexto regional, con el fin de motivar su uso responsable y eficiente y satisfacer la necesidad de contar con

OS D A V ER S E R S

una infraestructura vial que sea segura y de alta calidad.

HO C E R DE

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.

Capitulo I S O D A RV E S E R Referencial S O Marco H C DERE

Capítulo I – Marco Referencial

23

__________________________________________________________________________________

1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.

Desde hace más de 3000 años se registran antecedentes de la aplicación del concepto de suelo reforzado, que consiste en colocar algún elemento en el suelo para mejorar sus características mecánicas.

Para la construcción de las paredes de las torres gigantes, los Babilonios usaron ramas de palmera entrelazadas; mientras que para la construcción de la

OS D A V algunas secciones mediante la utilización de R ramas. También en la Armada E S E R S otra forma de refuerzo de suelos. En este Ointrodujo H C Británica, en los años 1800, se E DER Gran Muralla China (2000 años atrás) la arcilla y la arena eran reforzadas en

caso, se demostró con pruebas empíricas que se podía reducir la presión lateral

en un muro de contención si éste era reforzado con capas horizontales de madera o lona.

En el pasado se utilizaban diversos materiales para separación y refuerzo del suelo, incluyendo céspedes, chorros de agua, broncos de madera, tablas, malla metálica, algodón y yute. Empero, debido a que se deterioraban en un tiempo relativamente corto, necesitaban mantenimiento con frecuencia o tenían un alto costo, era deseable el uso de materiales más eficientes, más durables. Como opción, ahora se utilizan telas sintéticas, cuadriculas, redes y otras estructuras.

Capítulo I – Marco Referencial

24

__________________________________________________________________________________

A comienzos del siglo pasado, en 1926 se ve el inicio de un proceso más sistemático de utilización de elementos para el mejoramiento de las condiciones del terreno. En Carolina del Sur se utilizó por vez primera para la ejecución de una carretera una capa gruesa de algodón cubierta por asfalto caliente con una capa delgada de arena sobre una base de tierra. Este experimento no se dio a conocer sino diez años después; demostrando su efectividad al observar que después de hacer ensayos de campo se había disminuido considerablemente el agrietamiento y las fallas en la carretera.

OS D A V A pesar de este aparente éxito, unS factor ERque no pudo ser controlado se E R S O H C presentaba, la descomposición de la tela. De esta manera se da inicio a la creación y E DER

diseño de los GEOSINTÉTICOS, " GEO " por su aplicación directa a suelos y rocas y " SINTÉTICOS ", por ser fabricado exclusivamente de productos no naturales.

A lo largo de la historia, ha sido de interés para la humanidad aumentar la capacidad soporte de los suelos blandos. Uno de los métodos para lograr esto, consiste en confinar lateralmente el material y suministrarle resistencia a tracción. Esto se lograba antiguamente a través de la utilización de ramas trenzadas o colocando troncos en forma perpendicular, siendo hoy día las georedes y las geomallas los productos ideales para brindar confinamiento lateral y resistencia a tracción.

Capítulo I – Marco Referencial

25

__________________________________________________________________________________

Durante la Guerra del Golfo el Ejército norteamericano, con la finalidad de lograr una rápida movilidad de sus tropas, utilizó geoceldas para confinar la arena del lugar. Con esto se aumentaba su capacidad soporte, lo que hacía posible la creación de caminos de acceso para vehículos pesados con mucha facilidad y velocidad de ejecución.

Otro método constructivo anteriormente empleado era la utilización de pieles de animales para separar el suelo blando de la estructura superior, a la vez que

OS D A V R estancamiento de agua y disminuir la presión Los proyectos modernos Eintersticial. S E R OS para facilitar el drenaje y la separación. H C incluyen geotextiles y/o geocompuestos E DER mediante capas de arena o grava se lograba un drenaje adecuado para evitar el

El

uso

de

los

geosintéticos

a

nivel

mundial

se

ha

incrementado

considerablemente, ofreciendo una vasta gama de materiales para una innumerable cantidad de usos en la Ingeniería Civil, haciéndose más notables en el área de la geotecnia.

La enseñanza del manejo de materiales geosintéticos a nivel mundial ha sido desplegada por diferentes institutos de investigación y sociedades de ingeniería civil y ambiental, destacándose entre ellos The Geosynthetic Institute (GSI), consorcio de organizaciones relacionadas con todos los tipos de materiales geosintéticos, así como también por universidades europeas, centro, sur y norteamericanas, donde se manejan

Capítulo I – Marco Referencial

26

__________________________________________________________________________________

diferentes cursos de diseño, especialización e investigación de geosintéticos y sus funciones para la ingeniería civil.

Debido al conocimiento de la existencia del material más no de la total extensión de sus usos en la actualidad, se formula la interrogante: ¿Cuál es el estado del arte de los geosintéticos para el diseño de obras civiles?

1.2 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN

1.2.1 OBJETIVO GENERAL. •

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

“Analizar el estado del arte de los geosintéticos para el diseño de obras civiles”.

1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS. •

Describir los tipos de geosintéticos utilizados en el diseño de obras civiles.

•

Caracterizar las normas y métodos de ensayo de los geosintéticos para la

justificación de su uso en el diseño de obras civiles. •

Caracterizar las metodologías de diseño de obras civiles con el uso de

geosintéticos. •

Identificar la aplicabilidad de los diferentes tipos de Geosintéticos para el

diseño de obras civiles.

Capítulo I – Marco Referencial

27

__________________________________________________________________________________

1.3 JUSTIFICACION E IMPORTANCIA DE LA INVESTIGACION.

La importancia de esta investigación radica en la importancia que tienen hoy en día el uso de Geosintéticos para reforzar diferentes tipos de diseño tanto vial como estructural e hidráulico, entre otros; presentándose en la Ingeniería Civil dadas sus propiedades físicas y composición única, como las técnicas más eficientes y prácticas para la resolución de problemas tales como separación y estabilización de subbases (obras de carreteras y ferrocarriles, fundaciones, etc.), filtraje en obras hidráulicas y

OS D A V pavimentos viejos y agrietados, entre muchosS otros. ER E R OS H C E DER

sistemas de drenaje (zanjas drenantes, campos deportivos, etc.), y rehabilitación de

Por ende, se lleva a cabo esta investigación para solventar la falta de información

actual existente en la comunidad de ingenieros en Venezuela acerca de los materiales geosintéticos y la necesidad de orientar a Ingenieros Civiles y Ambientales acerca de las alternativas de diseño vial, hidráulico y estructural, entre otros, disponibles mediante el uso de estos materiales.

1.4 DELIMITACION 1.4.1 DELIMITACION ESPACIAL Maracaibo, Estado. Zulia. Venezuela. 1.4.2 DELIMITACION TEMPORAL Periodo comprendido entre Enero 2009 y Abril 2009.

Capitulo II S O D A RV E S E R S O Marco Metodológico H C DERE

Capítulo II – Marco Metodológico.

29

__________________________________________________________________________________

2.1. Sistema de categorías

La investigación presenta una única categoría de análisis: Geosintéticos, la cual es definida conceptual y operacionalmente en función de la matriz de análisis (Tabla 2.1).

2.1.1 Definición Conceptual:

OS D A V R producto en el que, por lo menos, uno de sus es a base de polímetro Ecomponentes S E R HOSen forma de filtro, manto, lamina o estructura sintético o natural,R yE seCpresenta DE De acuerdo a la normativa ASTM D4439, un Geosintético se define como un

tridimensional, utilizada en contacto con el suelo o con otros materiales dentro del campo de la geotecnia o de la ingeniería civil.

2.1.2 Definición Operacional

Geosintético es el filtro, manto, lámina o estructura tridimensional, aplicada en contacto con el suelo u otros materiales dentro del campo de la geotecnia en el mundo de la construcción y edificación, como en obras viales, hidráulicas, sistemas de control de erosión o aplicaciones medioambientales.

Capítulo II – Marco Metodológico.

30

__________________________________________________________________________________

2.2. Tipo De Investigación

Considerando los parámetros al cual esta sujeta la categoría de análisis establecida, la investigación fue del tipo documental y descriptivo. En este sentido, Hernández, Fernández y Baptista (2003: 119), señalan que “los estudios descriptivos pretenden medir o recoger información de manera independiente o conjunta sobre los conceptos o las variables a los que se refieren”. De allí que se recogió información sobre la categoría de análisis Geosintéticos, a partir de las subcategorías y elementos

OS D A V ER S E R S

de análisis, para determinar como es su comportamiento.

HO C E R DE

Al mismo tiempo, la investigación fue de carácter documental por cuanto se recurrió al análisis de diferentes textos científicos para estudiar la categoría anteriormente mencionada; para analizar su comportamiento frente a ella. En este sentido, Nava (2002) señala que la investigación documental es aquella donde el investigador analiza sistemáticamente un conjunto de documentaciones validas para esclarecer la aplicación de conceptos.

Por su parte, Chávez (2001: 137) define los estudios documentales como “aquellos que se realizan sobre la base de documentos o revisión bibliográfica… con la finalidad de recolectar información a partir de documentos escritos y no escritos susceptibles de ser analizados”. En consecuencia, la investigación siguió los criterios de la autora precitada por cuanto se analizaron las diferentes fuentes que constituyen las unidades de análisis.

Capítulo II – Marco Metodológico.

31

__________________________________________________________________________________

2.3. Diseño de la Investigación.

El estudio se realizó bajo el diseño bibliográfico. De acuerdo con ello, el abordaje metodológico de la categoría de análisis Geosintéticos se hizo a través de la revisión de diferentes documentos científicos que se constituyen en unidades de análisis. Como lo refieren Finol y Nava (1996) los diseños bibliográficos se apoyan en la ejecución de un conjunto de pasos enfocados a analizar documentaciones, de manera que puedan extraerse conclusiones científicas sobre la temática analizada.

2.4. Unidades de Análisis

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

Desde la perspectiva de la investigación documental de diseño bibliográfico, se emplearon diversas fuentes documentales científicas primarias, entre las que destacan como fuentes fundamentales los textos “Designing with Geosynthetics, 5th Edition” de Robert Koerner (2005) y el “Manual de Diseño, 7ma Edición” de Pavco, S.A. (2006).

2.5. Técnicas e instrumentos de recolección de información

Desde el enfoque de investigación documental de diseño bibliográfico, la técnica de recolección de información fue la observación documental ya que el análisis se hizo directamente del material bibliográfico y científico seleccionado por el investigador como unidades de análisis. Al respecto, Arias (1999:55) señala que estas técnicas “son las distintas formas o maneras de obtener información. Son ejemplos de técnicas: la

Capítulo II – Marco Metodológico.

32

__________________________________________________________________________________

observación directa, la encuesta en sus dos modalidades (entrevista o cuestionario), la observación documental.

Por su parte, Mendicoa (2003) señala que la observación documental se vale de diversos documentos que conforman unidades de análisis sobre las cuales el investigador propiciará su tratamiento inspirado en sus percepciones e interpretaciones, diferente de aquellas otras que puedan ser sujeto de cuantificación.

OS D A V R se desarrollen categorías de instrumento un guión de observación en S elEcual E R S HO C codificación lo masR concretas posible, a fin de seleccionar aquellas categorías que E DE La autora precitada agrega que para esta técnica se puede utilizar como

potencien relaciones lógicas en función de los objetivos de la investigación.

Para el caso especifico de la investigación, se diseñaron cuatro guiones de observación para medir las subcategorías Tipos de Geosintéticos, Normas y Métodos de ensayo de los Geosintéticos, Metodología de Diseño, y Aplicabilidad de los Geosintéticos en el diseño de obras civiles, correspondientes a las categorías de análisis y en función de los elementos de análisis seleccionados.

2.6. Métodos y técnicas de análisis de la información

Desde

su

perspectiva

documental,

la

investigación

utilizo

el

método

hermenéutico definido por Mendicoa (2003) como aquel cuya finalidad consiste en

Capítulo II – Marco Metodológico.

33

__________________________________________________________________________________

comprender o interpretar los hechos; interpretación que se hace sobre la base de ciertos conocimientos previos. En efecto, la información analizada de los textos científicos que sirvieron de unidades de análisis se utilizo para interpretar de las subcategorías y categorías objeto de estudio.

Dada la naturaleza del estudio y en función de los datos requeridos, se situaron las denominadas técnicas y protocolos instrumentales de la investigación documental; empleándose de ellas, fundamentalmente, para el análisis de fuentes documentales: la

OS D A V R de técnicas operacionales para el análisis crítico. Asimismo, se usaron una serie E S E R S una dimensión estrictamente técnica y común a O H C manejar fuentes documentales, desde E DER observación documental, las técnicas de presentación resumida, el resumen analítico y

todas las ciencias, a saber: de subrayado, fichaje, bibliográficas, de citas, y notas de referencias bibliográficas y de ampliación de texto, construcción y presentación de

índices, presentación de cuadros y gráficos y presentación de trabajos escritos, entre otras.

2.7. Procedimiento de la Investigación.

Una vez seleccionado el problema, se procedió a la selección de técnicas e instrumentos adecuados para la recolección de la información. Se diseñó el sistema de categorías atendiendo a la bibliografía consultada y la observación no sistemática de la problemática, lo que permitió seleccionar las subcategorías, elementos y unidades de análisis.

Capítulo II – Marco Metodológico.

34

__________________________________________________________________________________

Posteriormente, se realizó una búsqueda exhaustiva de bibliografía actualizada y de investigaciones que previamente hubiesen estudiado las categorías a fin de identificar las teorías que darán sustento al estudio, así como las mejores prácticas investigativas para el abordaje metodológico.

Sobre la base de lo planteado, se diseñaron los guiones de observación para recolectar la información. Luego, se procedió a interpretar la información documental, la

OS D A V ER S E R S

cual se analizó y discutió confrontándolo con las fuentes teóricas consultadas y a través de la hermenéutica.

O H C Tabla 2.1 - Matriz de análisis E R DE

Objetivo General: Analizar el estado del arte de los Geosintéticos para el diseño de obras civiles. No.

1

Objetivos Específicos

Describir los tipos de Geosintéticos utilizados en el diseño de obras civiles

Categoría

GEOSINTETICOS

Subcategorías

Tipos de Geosintéticos

Elementos de análisis

• Geotextiles • Geomallas coextruídas • Georedes • Geocompuestos • Geomembranas • Revestimientos Geosintéticos de arcilla (GCL) • Geoespuma • Tubos Ranurados (Geopipes) • Método para la determinación de la carga de rotura y la elongación de geotextiles (método

Unidades de Análisis

“Clasificación de los Geosintéticos “ R.J Batthurst, IGS (2005) “Designing with Geosynthetics, 5th Edition” Robert Koerner (2005) Cap. 1 “Manual de Diseño, 7ma Edición” de Pavco, S.A. (2006). Cáp. 1

“Manual de Diseño, 7ma Edición” de Pavco, S.A. (2006).

Capítulo II – Marco Metodológico.

35

__________________________________________________________________________________

2

Caracterizar las normas y métodos de ensayo de los geosintéticos para la justificación de su uso en el diseño de obras civiles

grab) • Método para la determinación del índice de resistencia al punzonamiento de Geotextiles, Geomembranas, y productos relacionados • Método para la determinación de la resistencia al estallido de geotextiles • Método para la determinación de la resistencia al rasgado trapezoidal de geotextiles • Método para la determinación de la resistencia al estallido de geotextiles (método del diafragma hidráulico – mullen burst). • Método para la determinación de la permeabilidad al agua de los geotextiles por medio de la permisividad • Método de ensayo estándar para determinar el espesor nominal de geotextiles y geomembranas • Método estándar para la determinación del tamaño de abertura aparente (taa) de un geotextil • Método de muestreo de geosintéticos para ensayos • Práctica para establecer la conformidad de especificaciones de geosintéticos • Método de ensayo

OS D A V ER S E R SNormas y

HO Métodos de C E R Ensayo de los DE GEOSINTETICOS

Geosintéticos

Cáp. 2 ASTM: D 4632-91 D D4833 D 4533 D 3786-87 D4491 – 92 D 5199-91 D 4354 - 89 D 4354 - 89 D 4759 88 D 4439 D 4355-92 D 6140-00 D 5261-92 D6241 – 99 D 5321- 02 D 698 D 1557 D 3080 D4716 – 03 D 5101 – 90

Capítulo II – Marco Metodológico.

36

__________________________________________________________________________________

2

OS D A V ER S E R S

HO Normas y C E R Métodos de DE

Caracterizar las normas y métodos de ensayo de los geosintéticos para la justificación de su uso en el diseño de obras civiles (Continuación)

para medir el deterioro de geotextiles a la exposición de luz ultravioleta y agua, (aparato del tipo arco xenon) • Método estándar para determinar la retención de asfalto de geotextiles usados en repavimentaciones asfálticas • Método estándar para medir la masa por unidad de área de geotextiles • Método de ensayo estándar para determinar la resistencia al punzonamiento estática de geotextiles usando un pistón de prueba de 50mm de diámetro • Método de ensayo estándar para determinar el coeficiente de fricción suelo geosintético y geosintético geosintético por el método de corte directo • Método de ensayo para determinar la tasa de flujo y la transmisividad hidráulica de un geosintético utilizando una cabeza constante • Medida del potencial de colmatación de un sistema suelo – geotextil por la variación del gradiente hidráulico

GEOSINTETICOS

Ensayo de los Geosintéticos

Capítulo II – Marco Metodológico.

37

__________________________________________________________________________________

3

4

Caracterizar las metodologías de diseño de obras civiles con el uso de Geosintéticos

Identificar la aplicabilidad de los diferentes tipos de Geosintéticos para el diseño de obras civiles.

Metodologías de diseño

Aplicabilidad de los tipos de geosintéticos en el diseño de obras civiles.

• Diseño por costo y disponibilidad • Diseño por experiencia o método empírico • Diseño por especificaciones • Diseño por función • Separación y estabilización de subrasantes en vías • Refuerzo en vías con Geotextiles o Geomallas • Pavimentación y Repavimentación con Geotextiles • Sistemas de Subdrenaje en vías con Geotextiles o Geocompuestos. • Refuerzo de muros de contención • Refuerzo de Taludes

HO C E R DE

OS D A V ER S E R S

• Refuerzo de terraplenes sobre suelos blandos • Refuerzo de fundaciones • Impermeabilización con Geomembranas

Fuente: Alvarado, 2009.

“Designing with Geosynthetics, 5th Edition” Robert Koerner (2005) Cáp.. 2 “Manual de Diseño, 7ma Edición” de Pavco, S.A. (2006). Cáp. 3 “Designing with Geosynthetics, 5th Edition” Robert Koerner (2005) Cáp.. 2, 3, 4, 5, 7, 9 “Manual de Diseño, 7ma Edición” de Pavco, S.A. (2006). Cáp. 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 15

Capitulo III S O D A RV E S E R S O Tipos de Geosintéticos H C DERE

Capítulo III – Tipos de Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

39

3.1 INTRODUCCION

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

OS D A V control de erosión, aplicaciones medioambientales, ERentre otras. La fabricación de los S E R OS principalmente de extrusión, tecnología textil H C geosintéticos comprende procedimientos E DER construcción y la edificación como son: obras viales, obras hidráulicas, sistemas de

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.

Capítulo III – Tipos de Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

40

3.2 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”.

3.2.1 Clasificación de los geotextiles.

OS D A V ER S E R S

3.2.1.1 Clasificación según su método de fabricación

HO C E R DE

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.

Capítulo III – Tipos de Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

41

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

OS D A V 3.2.1.2 Clasificación de los geotextiles según ER su composición S E R OS H C E DER

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.

Capítulo III – Tipos de Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

42

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.

3.2.2 Funciones y campos de aplicación

OS D A V R va a desempeñar. En la mayoría aplicación puede definirse mediante las funciones Eque S E R S cumplir simultáneamente varias funciones, Opuede H C de las aplicaciones el geotextil E DER

El uso de los geotextiles tejidos y no tejidos en los diferentes campos de

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.

3.2.2.1 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, entre otras) evitando permanentemente la mezcla de material.

Capítulo III – Tipos de Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

43

A continuación se hace referencia a 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

OS D A V • Entre geomembranas y capas de drenaje EdeRpiedra S E R OS de suelos como sobrecargas H C • Entre la cimentación y terraplenes E DER • Entre rellenos y capas de base de piedra.

• 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

Capítulo III – Tipos de Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

44

• Entre diversas zonas de presas en tierra • Entre capas antiguas y nuevas de asfalto

3.2.2.2 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

OS D A V ER S E R S

servicio de las estructuras.

HO C E R DE

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 hace referencia a 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

Capítulo III – Tipos de Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

45

• 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 • Para construir muros en tela reforzada • Para reforzar terraplenes • Para ayudar en la construcción de taludes pronunciados • Para reforzar presas de tierra y roca

OS D A V • Para detener o disminuir la reptación en taludes ER de suelo S E R S con juntas Oflexibles H C • Para reforzar pavimentos E DER • Para estabilización temporal de taludes

• 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

Capítulo III – Tipos de Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

46

• 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

OS D A V 3.2.2.3 Función de drenaje ER S E R OS H C E DER

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.

Capítulo III – Tipos de Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

47

A continuación se hace referencia a 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 • 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

OS D A V • Como un dren de gas debajo de geomembranas ER S E R S deportivos Ocampos H C • Como un dren debajo de E DER • Como un dren de agua debajo de geomembranas

• 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

3.2.2.4 Función de filtración

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

Capítulo III – Tipos de Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

48

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 hace referencia a las aplicaciones de Robert M. Koerner en su libro “Designing With Geosynthetics” - Quinta Edición.

• En lugar de filtro de suelo granular

OS D A V R de aterrizaje pavimentados • Debajo de base de piedra para caminos yE pistas S E R S Oférreas H C • Debajo de balasto en vías E DER

• Debajo de base de piedras para caminos y pistas de aterrizaje no pavimentados

• 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 • Como un encofrado flexible para reconstruir pilotes deteriorados • Como un encofrado flexible para restaurar la integrad en la minería subterránea

Capítulo III – Tipos de Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

49

• 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

OS D A V ER S E R S

• Contra georedes para prevenir la intrusión del suelo

HO C E R DE

3.2.2.5 Función de 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

Capítulo III – Tipos de Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

50

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.

3.2.2.6 Función de impermeabilización

OS D A V Esta función se consigue desarrollar mediante ERla impregnación del geotextil con S E R OS sintético. H C asfalto u otro material impermeabilizante E DER 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.

3.3 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.

Capítulo III – Tipos de Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

51

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.

OS D A V R La principal función de las geomallas es indiscutiblemente el Ecoextruídas S E R HOSesta ligado a la dirección en que los esfuerzos se C refuerzo; el uso delR tipo de geomalla E DE 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 bidireccionales 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

Capítulo III – Tipos de Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

52

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

OS D A V ER S E R S

la estructura durante el sometimiento de esta a cargas tanto estáticas como dinámicas.

HO C E R DE

3.3.1 Clasificación

Como se mencionó anteriormente se dividen en dos tipos, los cuales se enuncian a continuación. a. Geomallas Coextruídas Mono-Orientadas

Figura 3.1 Geomalla Coextruída Mono-orientada Fuente: Manual de Diseño PAVCO, Séptima edición (2006).

Capítulo III – Tipos de Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

53

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 traba óptimo con el suelo especialmente de tipo granular. (Ver

OS D A V ER S E R S

Figura 3.1).

HO C E R DE

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 3.2 Geomalla Coextruída Bi-orientada Fuente: Manual de Diseño PAVCO, Séptima edición (2006).

Capítulo III – Tipos de Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

54

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.

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

OS D A V ER S E R S

suelo.

HO C E R DE

Este tipo de geomallas coextruídas se componen de elementos y nudos rígidos que proveen un gran confinamiento. Se consideran particularmente efectivas para reforzar estructuras de pavimentos rígidos y flexibles. (Ver Figura 3.2).

3.3.2 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 una traba de agregados en presencia de diferentes tipos de materiales.

Las principales aplicaciones de las geomallas coextruídas mono-orientadas se enuncian a continuación:

Capítulo III – Tipos de Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

55

• Refuerzo de muros y taludes. • 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.

OS D A V Las principales aplicaciones de las geomallas ER coextruídas bi–direccionales se S E R OS H C enuncian a continuación: E DER • 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

Capítulo III – Tipos de Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

56

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.

3.4 GEOREDES

La Geored es una estructura de polímero manufacturada en forma de lienzo, que consiste de un sistema regular de costillas sobrepuestas y conectadas íntegramente,

OS D A V R utilizada en aplicaciones de ingeniería geotécnica, hidráulica y de transporte. Eambiental, S E R OS H C E DER

cuyas aberturas son generalmente más grandes que los elementos que la forman,

Aunque las georedes son efectivamente materiales con propiedades de malla y

similares a ellas, su uso actual indica una identidad diferente. Mientras que las geomallas son utilizadas para refuerzo, las georedes son usadas por su capacidad de drenaje en plano. Debe acotarse que las georedes, sin embargo, no son materiales débiles. Tienen una resistencia a la tracción razonable, pero son utilizados exclusivamente para aplicaciones de drenaje.

3.4.1 Funciones y aplicaciones. Como se ha descrito, las georedes son utilizadas casi exclusivamente por su capacidad de drenaje. Como tal, son geosintéticos de función única. A continuación se enuncian algunas de las principales aplicaciones reportadas de las georedes:

Capítulo III – Tipos de Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

57

• Como un dren chimenea en una presa de tierra • Como una galería de drenaje en una presa de tierra • 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

OS D A V • Como un dren debajo de campos deportivos ER S E R OSde techo H C • Como un dren para jardines E DER • Como un dren de gas debajo de geomembranas

• 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

3.5 GEOCOMPUESTOS

Un geocompuesto consiste en la combinación de geotextil y geored; o de geomalla y geomembrana; o de geotextil, geomalla y geomembrana; o cualquiera de estos cuatro materiales geosintéticos con otro material. Esta área brinda los mejores esfuerzos creativos de la ingeniería, fabricantes y contratistas, Las áreas de aplicación

Capítulo III – Tipos de Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

58

son numerosas y constantemente crecientes. Las principales funciones cubren el rango entero de las funciones principales de los geosintéticos como separación, refuerzo, filtración, drenaje y contención (barrera impermeable)

La filosofía básica detrás de los materiales, es combinar los mejores rasgos de materiales diferentes, de tal manera que se resuelva un problema específico en forma óptima. Los geocompuestos generalmente se fabrican a partir de material sintético.

OS D A V ER S E R S

3.5.1 Geocompuestos De Drenaje

HO C E R DE

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.

Capítulo III – Tipos de Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

59

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. Este tipo de geocompuesto surge como una alternativa a los sistemas tradicionales de drenaje presentando la capacidad de conducir flujos en mayores cantidades que las que un geotextil puede 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

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

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.

Capítulo III – Tipos de Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

60

b. Geodrén Planar Con Tubería

OS D A V ERSéptima edición (2006). Fuente: Manual de Diseño PAVCO, S E R OS H C E ER Figura 3.3 Geodrén Planar Con Tubería

D

El geodrén con tubería (Ver figura 3.3) es un geocompuesto que combina las 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.

Capítulo III – Tipos de Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

61

3.5.1.1 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.

OS D A V R de edificaciones. • Como sistema de subdrenaje debajo de la Efundación S E R OSen carreteras y pistas de aterrizaje. H C • Como sistema de subdrenaje E DER • Como sistema de subdrenaje de campos deportivos.

• 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.

3.6 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.

Capítulo III – Tipos de Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

62

Es importante 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.

OS D A V interfase entre dos suelos o como revestimiento ERsuperficial; el término barrera se S E R S HO C emplea cuando las R membranas se usan en el interior de una masa de tierra. E DE El término recubrimiento es aplicado cuando se utilizan membranas como

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 impermeabilización, 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

Capítulo III – Tipos de Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

63

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

OS D A V ER S E R S

• Resistentes a la radiación ultravioleta • Económicas

HO C E R DE

3.6.1 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.

Capítulo III – Tipos de Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

64

3.6.2 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.

OS D A V • Recubrimientos para desperdicios líquidos. ER S E R OSradioactivo o desperdicios líquidos peligrosos. H C • Recubrimiento para material E DER • Recubrimientos para reserva de agua.

• 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.

Capítulo III – Tipos de Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

65

• 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.

OS D A V • Para conducción de agua por senderos elegidos. ER S E R S polución y para recoger derramamiento O H C • Bajo autopistas para prevenir E DER • Para prevenir infiltración de agua en áreas sensitivas.

de

líquidos peligrosos.

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

3.7 REVESTIMIENTOS GEOSINTÉTICOS DE ARCILLA (GCL)

Revestimientos geosintéticos de arcilla (GCL’s) son geocompuestos que son prefabricados con una capa de arcilla bentonitica típicamente incorporada entre una

Capítulo III – Tipos de Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

66

camada superior e inferior de geotextil o limitado por una geomembrana o una simple camada de Geotextil. Geotextiles de GCL’s son frecuentemente cocidos a trabes del núcleo de bentonita para incrementar internamente la resistencia al corte. Cuando hidratadas representan barreras efectivas de fluido y gases y son comúnmente usadas en aplicaciones de revestimiento de rellenos sanitarios muchas veces conjuntamente con una geomembrana.

3.7.1 Funciones y aplicaciones

OS D A V Los GCL son de hecho barreras hidráulicas ER de fluido, y como tales sen S E R OS H C competitivas o complementarias donde quiera que se utilicen geomembranas y E DER

revestimientos compactados de arcilla. A continuación se enuncian algunas de las principales aplicaciones reportadas de los GCL: • Debajo de geomembranas en los recubrimientos primarios de vertederos. • Debajo de geomembranas en los recubrimientos secundarios de vertederos

• Entre geomembranas y recubrimientos de arcilla de vertederos, también conocido como recubrimientos de tres componentes. • Debajo de geomembranas en las cubiertas de vertederos. • Adyacentes a las geomembranas en paredes de corte vertical • Sobre las geomembranas como protección de punzamiento por grava gruesa. • Como una porción de un recubrimiento de arcilla compactado en cubrimientos compuestos primarios.

Capítulo III – Tipos de Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

67

• Como una porción de un recubrimiento de arcilla compactado en cubrimientos compuestos secundarios. • Como recubrimientos secundarios en tanques de almacenamiento subterráneo. • Como recubrimientos únicos para embalses superficiales. • Debajo de geomembranas como recubrimientos compuestos para embalses superficiales. • Debajo de geomembranas como recubrimientos compuestos para estanques de lixiviación.

OS D A V R agrícolas. • Como recubrimientos para tratamientoS deE residuos E R OS y neutralización de soluciones de deshielo. H C • En aeropuertos para contención E DER • Como recubrimientos para canales.

• En carreteras para áreas que son sensibles a las sales de deshielo.

3.8 GEOESPUMA.

La geoespuma (conocida en Venezuela con el termino común anime) es un material creado por la expansión de espuma de poliestireno para formar una red de baja densidad de celdas cerradas llenas de gas, y utilizada como relleno primariamente por su bajo peso y a veces como aislante térmico.

Capítulo III – Tipos de Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

68

3.8.1 Funciones y aplicaciones

Las siguientes aplicaciones han sido reportadas en la actualidad: • Como relleno liviano sobre suelos compresibles. • Como relleno liviano sobre suelos sensibles a heladas. • Como relleno liviano sobre suelos con capacidad desigual de carga. • Como relleno liviano para acercamientos a puentes para minimizar el asentamiento.

OS D A V • Para inclusión compresible tras paredes de R carga. E S E R OS H C • Para inclusión compresible bajo (o sobre) tuberías. E DER • Para uso en pilares temporales para puentes y muelles

• Para inclusión compresible bajo estructuras hidráulicas. • Para inclusión compresible bajo fundaciones

• Para inclusión compresible en áreas con tendencia sísmica. • Para inclusión compresible para amortiguación de vibraciones. • Como aislante térmico para construcción en bajas temperaturas • Como aislante térmico para evitar presiones de heladas • Para ser utilizado como medio de transmisión de fluidos cuando son debidamente maquinadas.

Capítulo III – Tipos de Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

69

3.9 GEOPIPE (TUBERIA PLASTICA)

Son tubos poliméricos perforados o de pared sólida utilizados para drenaje de líquidos o gases (incluyendo aguas lixiviadas o colecta de gas en aplicaciones sanitarias). En algunos casos el tubo perforado es cubierto con filtro de geotextil.

La tubería plástica es anterior a otros geosintéticos y fue uno de los primeros materiales poliméricos manufacturado y utilizado a gran escala, existiendo asociaciones

OS D A V R tuberías de aguas blancas y de siendo PVC el material más conocido y utilizado Epara S E R OS C desecho en obras R civiles enH Venezuela. áreas adicionales de mayor interés son en E DE de tubería plástica e institutos en la mayoría de los países industrializados en el mundo,

aplicaciones industriales, de agricultura, de transmisión y drenaje. El uso de las tuberías

plásticas en las aplicaciones de la ingeniería civil es solamente una pequeña fracción de un mercado mucho más extenso.

En el orden de optimizar el comportamiento, economizar en la resina que la compone y permitir una mejor instalación, un número de diferentes tipos de sección de paredes de tubería, consistentes de perfiles corrugados, ha surgido.

3.9.1 Funciones y aplicaciones.

Tubos plásticos de pared sólida y corrugada son utilizados en una gran variedad de aplicaciones de ingeniería civil, incluyendo las siguientes:

Capítulo III – Tipos de Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

70

• En líneas de transmisión de fluidos por gravedad. • En sistemas de drenaje de aguas residuales. • Como tuberías en campos de lixiviación de varios tipos • En líneas de tubería de transmisión química. • En sistemas primarios de extracción de lixiviados en vertederos. • En sistemas secundarios de extracción de lixiviados en vertederos. • En gasoductos de dragado. • En múltiples sistemas de tuberías para colección y eliminación de gases de

OS D A V R • En múltiples sistemas de tuberías para de lixiviados en rellenos Ereinyección S E R OS H C sanitarios. E DER

rellenos sanitarios.

Capitulo S IV O D A RV E S E R S O Normas y Métodos H C E R E D De Ensayo de los Geosintéticos

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

72

4.1 INTRODUCCION

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. Debido a la falta de documentación y normativas existente en Venezuela con respecto

OS D A V ER S E R Nacional de Vías (INVIAS) de Colombia OS basadas en las normas dadas por la ASTM, H C E ER organización D fundada en 1898, sin fines de lucro que ofrece un foro mundial para el al tópico de geosintéticos en este capítulo se hace referencia a las normas del Instituto

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.

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

73

4.2 NORMAS DE ENSAYO

4.2.1 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

OS D A V ER S E R diagramas de registro autográficos OSo de computadores interconectados. Esta norma H C E ER índice. Dpropiedad determina una

Grab) del espécimen de ensayo se obtienen de las escalas o diales de las máquinas, de

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

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

74

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.

OS D A V ER S E R El número de muestras necesario OS para realizar el ensayo es de 10. H C E DER

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

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

75

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 grupo de especímenes, se descarta el resultado y se toma otro espécimen. Se continúa este procedimiento hasta obtener el número requerido de roturas aceptables.

OS D A V ER S E R 4. Se enciende la máquina OdeSensayo de tracción y el dispositivo de medición de H C E DER 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

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

76

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

OS D A V ER S E R hasta el punto de la fuerza correspondiente OS en milímetros. H C E DER

donde la curva deja el eje de la carga cero, establecido después de aplicar la precarga,

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

4.2.2 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

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

espécimen.

La

máxima

fuerza

registrada

corresponde

a

la

resistencia

77

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.

OS D A V ER S E R concéntricas con un orificio de diámetro OS interno de 45 ± 0.025 mm, que permite sujetar H C E ER el espécimenD sin que se deslice. Se sugiere que el diámetro externo sea 100 ± 0.025 2. Dispositivo anular de sujeción: El dispositivo consiste en dos placas

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.

El número de especimenes 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

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

78

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.

OS D A V ER S E R tal forma que el espécimen se extienda OS más allá de los bordes exteriores de los anillos. H C E DER

2. Se centra y se asegura el espécimen entre el dispositivo anular de sujeción, de

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.

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

79

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

4.2.3 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.

OS D A V ER S E R Esta norma describe el procedimiento para la determinación de la resistencia al OS H C E DERde geotextiles. Este método corresponde a una propiedad índice y rasgado trapezoidal 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:

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

80

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. 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.

OS D A V ER S E R espécimen. El número de especimenes OS necesario es de 10, tomados a una distancia H C E DEdelRancho a partir del borde de la tela o a 150 mm, escogiendo el mínima de 1/20 3. Molde trapezoidal: Este molde es opcional y se utiliza para marcar 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.

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

81

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.

OS D A V ER S E R 5. Si el geotextil se desliza entre las mordazas o si 25% ó más del espécimen OS H C E ER rompe en un D 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)

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

82

4.2.4 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

OS D A V ER S E R requerida para romper el espécimen OSy la presión requerida para inflar el diafragma se H C E ER reporta comoD la resistencia al estallido.

fluido hasta el punto de rotura del espécimen. La diferencia entre la presión total

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.

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

83

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

OS D A V ER S E R mm desde el borde de la abertura. S superficies de las mordazas deben ser metálicas OLas H C E R pueda causar corte debe ser redondeado a un radio máximo de DEque y cualquier borde

ranuras concéntricas espaciadas 0,8mm como mínimo y una profundidad mayor a 0,015

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

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

84

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.

OS D A V ER S E R e) Sistema hidráulico de presión: OS Consiste en un medio de aplicación de presión H C E R DE 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.

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

85

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

OS D A V ER S E R S

HO C E R DEde impulsión manual 1. Aparato

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

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

86

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.

OS D A V ER S E R S

HO C E R DEde impulsión por motor 2. Aparato

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)

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

87

4.2.5 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.

OS D A V ER S E R 1. Ensayo de cabeza constante: OS Se mantiene una cabeza de 50 mm de agua H C E DERde geotextil durante el ensayo. Se determina el caudal por método sobre el espécimen 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.

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

88

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

OS D A V ER S E R calibración (caudal vs cabeza) para OSel aparato sólo con el propósito de establecer las H C E ER correlacionesD correspondientes.

ensayo (caudal, cabeza, sección transversal, tiempo). Se debe establecer una curva de

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

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

89

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.

OS D A V ER S E R Con el propósito de obtener un valor representativo de la permitividad se deben OS H C E DERde cada metro cuadrado a ensayar y seleccionar cuatro (4) tomar especímenes 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.

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

90

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.

OS D A V ER S E R S

Continuar con el llenado del aparato con agua deaireada, hasta que el nivel de agua

HO C E R DE

alcance el reboce.

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, ajustar la cabeza a 50 mm después de remover la aspiradora.

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

91

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

OS D A V ER S E R procedimiento. Incrementar la cabeza OS en 5 mm después de cada cinco lecturas, hasta H C E ER alcanzar 75 D mm. Usar esta información para determinar la región de flujo laminar.

mm, usando la misma muestra, empezar con 10 mm de cabeza y repetir el

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

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

92

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).

OS D A V ER S E R porción expuesta del espécimen la temperatura del agua (T). Hacer al menos cinco Oy S H C E DER ensayado. lecturas por espécimen

4. Registrar el diámetro interno (d) de la unidad superior, el diámetro (D) de la

5. Repetir el procedimiento de los tres especímenes restantes acondicionados previamente.

REFERENCIAS ASTM D4491 - 92 ; ICONTEC 2002

4.2.6 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

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

93

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.

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

OS D A V ER S E R método específico. Este método OdeS ensayo no ofrece los valores de espesor para H C E ER geotextiles yD geomembranas bajo esfuerzos normales variables. Este método de para asegurar que todos los resultados son comparables como se indicara en este

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.

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

94

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

OS D A V ER S E R S

este tipo de geomembranas; hay una gran cantidad de lecturas ficticias usando 20 KPa de presión. 3.

HO C E R DE

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

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

95

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

OS D A V ER S E R 4. Repita el método anterior sobre cada uno de los especímenes que esta usted OS H C E ER ensayando. D a 0.002 mm y remueva el espécimen del aparato de prueba.

REFERENCIAS ASTM D 5199-91

4.2.7 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 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).

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

96

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:

OS D A V ER S E R y verticales al tamiz, causandoO que S las partículas salten y giren al mismo tiempo, H C E ER presentando D así diferentes orientaciones sobre la superficie del geotextil. El tamizador 1. Tamizador: Se usa un tamizador mecánico que imparta movimientos laterales

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.

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

97

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

OS D A V ER S E R S

HO C E R DlosEespecímenes de ensayo y sumérjalos en agua destilada por 1 hora a 1. Pesar 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.

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

98

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.

OS D A V ER S E R 8. Pesar las partículas deO cristal S que pasan a través del espécimen y registrar la H C E ER información. D 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.

10. Repetir los pasos para los cinco especímenes de ensayo que corresponden a una misma muestra de laboratorio. REFERENCIAS ASTM D4751 - 95 ; ICONTEC

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

99

4.2.8 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.

OS D A V ER S E R Esta práctica cubre dos procedimientos para el muestreo de geosintéticos para OS H C E ER DSe ser ensayados. 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.

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

PROCEDIMIENTO

A:

Muestreo

para

ensayos

de

conformidad

100

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

OS D A V ER S E R durante la manufactura, considere OSun lote como si fuera una cantidad de producción H C E ER planeada. D

despachada por separado como un lote separado. Cuando se requiere el muestreo

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

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

101

siguiente número entero de unidades. La Tabla 1 muestra el número de unidades a seleccionar, de lotes de varios tamaños.

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

OS D A V ER S E R S

muestra sirven tanto como muestras de laboratorio o especímenes de ensayo.

HO C E R DE 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.

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

102

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.

OS D A V ER S E R S

Tabla 4.1 Número de unidades a ser seleccionadas como lote muestra

HO C E R DE

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

103

Tabla 4.2 Número de unidades a ser seleccionadas como lote muestra

REFERENCIAS ASTM D 4354 - 89 ASTM D 4439

S LADO CONFORMIDAD A V ER S E R ESPECIFICACIONES DE GEOSINTÉTICOS INV E–909 OS H C E DER 4.2.9

PRÁCTICA

PARA

ESTABLECER

DE

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

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

104

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.

OS D A V ER S E R ensayo que se está aplicando.O 3.S Si el promedio de los resultados de los ensayos H C E ER practicados aD las unidades individuales de muestreo por cada lote satisface todos los

2. Ensayar el número de especímenes, tal como lo establece el método de

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.

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

105

c) Si todas las unidades de muestreo no alcanzan los valores establecidos, se rechazará el lote completamente, sin posibilidad de re-muestreos y ensayos.

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.

OS D A V ER S E R 6. El lote se rechazará O si el Spromedio de los valores de los ensayos de las H C E ER unidades del D 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

4.2.10

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.

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

106

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.

OS D A V ER S E R Este procedimiento evalúa OSgeotextiles bajo condiciones normalizadas de H C E DER para tres diferentes periodos de tiempo junto con probetas sin humedad y temperatura 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

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

107

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

OS D A V ER S E R cuadrado, (1m2) cada uno. Se debe OSdesechar una franja en cada borde de la muestra H C E ER de laboratorioD correspondiente a 1/10 del ancho de ésta para tomar cada una de las Tomar de cada muestra de laboratorio, dos pedazos que posean un metro

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.

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

108

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

OS D A V ER S E R colocara con la cara que estará O másS expuesta en el campo, de tal forma que quede más H C E ER expuesto éseD lado dentro del aparato. especímenes de cada dirección principal tomados de la muestra de laboratorio, se

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).

REFERENCIAS ASTM D 4355-92

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

109

4.2.11 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

OS D A V ER S E R S

establecer un valor índice para proveer criterios estándar y una base para reportes uniformes.

HO C E R DE

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

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

110

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.

OS D A V ER S E R 2. Troquel de corte: El troquel OSdebe medir 100 mm por 200 mm (4 por 8 pulg) con H C E ER una toleranciaD 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

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

111

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

OS D A V ER S E R 1. Seleccione en forma aleatoria OS cuatro especímenes en la dirección transversal H C E ER y longitudinalD 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.

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

112

5. Después del sumergimiento requerido, 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.

OS D A V ER S E R 6. Permita que el cemento S se enfríe por 30 minutos y luego deseche Oasfáltico H C E DEdeRcemento asfáltico tales como los goteos en los bordes, después de cualquier exceso 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.

REFERENCIAS ASTM D 6140-00

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

113

4.2.12 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

OS D A V ER S E R con los otros valores correspondientes OS de las muestras del lote. H C E DER

valor mínimo promedio por rollo del lote, como resultado de la evaluación comparativa

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

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

114

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

OS D A V ER S E R exceda el 0.1% de la masa del espécimen. OS H C E DER

masa del espécimen en pesajes sucesivos, a intervalos no menores de 2 horas, no

PROCEDIMIENTO

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

REFERENCIAS ASTM D 5261-92

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

4.2.13

MÉTODO

DE

ENSAYO

ESTÁNDAR

PARA

DETERMINAR

115

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

OS D A V ER S E R ocurre la ruptura. La fuerza O máxima S registrada es el valor de la H C E DER punzonamiento.

parte que esta sin apoyar por un pistón de acero fijo al indicador de carga hasta que resistencia al

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:

1. Máquina de Ensayo. debe ser del tipo tasa - constante de Extensión (CRE), con registrador gráfico que se ajuste a la especificación D 76.

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

116

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.

OS D A V ER S E R S

HO C E R E 4. Las D 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

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

117

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.

OS D A V ER S E R 3. Centre y asegure la muestra OS entre las placas asegurándose que la muestra se H C E ER extienda másDallá 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

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

118

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

4.2.14

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

OS D A V ER S E R La resistencia al corte entre OSun geosintético y un suelo, u otro material, es H C E ER determinado D colocando el geosintético y una o más superficies de contacto, como un suelo, dentro de la caja de corte directo. Una fuerza normal constante 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.

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

119

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:

OS D A V ER S E R 1. Equipo de corte: El equipo OSconsiste en dos contenedores uno fijo y uno móvil, H C E ER ambos debenD 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.

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

120

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

OS D A V ER S E R el punto de aplicación de la fuerza OS este en el plano de la interfase de corte y se H C E ERtodas las muestras. Dpara mantenga igual

0.025mm/min. Este equipo debe ser conectado al aparato de prueba de tal manera que

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.

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

121

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 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.

OS D A V ER S E R dobleces y arrugas que tenga el Sujete o fije de alguna manera el borde S Ogeosintético. H C E R DE del geosintético y verifique que este en su superficie en completo contacto con el suelo 2. Colocar el geosintético sobre el suelo de sustrato. Remueva todos los

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.

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

122

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

OS D A V ER S E R ASTM D 3080. La tasa de corteO debe Sser definida según los requerimientos del usuario. H C E DERde poros en la muestra, se recomienda aplicar la carga cortante a Si no existe presión suficientemente lenta para disipar la presión de poros, como es descrito el método

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

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

123

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.

OS D A V ER S E R 14. Graficar los datos O deSla prueba de fuerza cortante aplicada contra H C E R DE 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

4.2.15 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.

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

124

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

OS D A V ER S E R S

deberán estar cubiertas con una capa de caucho para filtraciones.

HO C E R DE Este puede ser de material plástico, de vidrio o metal. Su altura 2. Reservorio: 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.

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

125

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

OS D A V ER S E R Los gradientes hidráulicos y las superficies de contacto del espécimen son OS H C E ER seleccionadosD 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.

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

126

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

OS D A V ER S E R S

que el agua fluya por el espécimen de prueba.

HO C E R DE 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.

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.

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

127

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

OS D A V ER S E R especialmente para cierto tipo O de S geosintéticos y secciones que incluyan suelos que H C E R DEcompresiones puedan presentar o deformaciones a largo plazo.

extender considerablemente para poder determinar la tasa de flujo 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

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

128

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.

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE los datos de la tasa de flujo de cada prueba realizada, en una 16. Comparar 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

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

129

4.2.16 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

OS D A V ER S E R le medirá en diferentes intervalos de tiempo las alturas piezométricas y los caudales OS H C E DER para así determinar el taponamiento y la permeabilidad del filtro.

el filtro. A este sistema se le hará circular agua a diferentes gradientes hidráulicos y se

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.

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

130

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

OS D A V ER S E R disminución de la permeabilidad OySen consecuencia los datos medidos en el ensayo H C E DERLa norma ASTM recomienda que la extracción del aire se debe resultaran errados.

proceso, se pueden presentar problemas de burbujas de aire, causando una

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.

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

131

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.

OS D A V ER S E R La compactación del material OSse hace golpeando 6 veces la cámara de filtración H C E R Cuando el material llegue al borde de la sección superior de DdeEmadera. con un cilindro 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. 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

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

132

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.

OS D A V ER S E R S

15. Revisar y remover de nuevo las burbujas de aire que se encuentren dentro de

HO C E R DE 16. Medir la temperatura del agua dentro del permeámetro.

los tubos de los piezómetros.

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.

Capítulo IV – Normas y Métodos de Ensayo de los Geosintéticos. __________________________________________________________________________________

133

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.

OS D A V ER S E R hasta obtener un gradiente hidráulico OSde 10. En este gradiente hidráulico se leen todos H C E DEdeRlas 0 hasta las 24 h. los datos a partir 11. Después de leer el dato de la media hora elevar el dispositivo de entrada

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

Capitulo V S O D A RV E S E R S O Metodologías H C DERE De Diseño

Capítulo V – Metodologías de Diseño. __________________________________________________________________________________

135

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:

5.1 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

OS D A V mejores propiedades es seleccionado dentro de un precio límite. ER S E R OS H C E DER

y se calcula un máximo geotextil admisible según su precio unitario. El geotextil con las

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.

5.2 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.

Capítulo V – Metodologías de Diseño. __________________________________________________________________________________

136

5.3 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

OS D A V (ARBTA) están tratando de unificar todas las propiedades ER de estos materiales. S E R OS H C E DER

Contractors (ABC) y la American Road Builders and Transportation Association

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 frecuentemente se enumeran los requerimientos mínimos de las propiedades del geotextil, mientras que

Capítulo V – Metodologías de Diseño. __________________________________________________________________________________

137

comúnmente el fabricante lista los valores promedio 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

OS D A V mínimo promedio del rollo ó MARV. ER S E R OS H C E DER

en la Figura 5.1 en donde el valor intermedio entre estos dos extremos es el valor

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. Estos valores son mostrados sistemáticamente en la Figura 5.1. 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,

Capítulo V – Metodologías de Diseño. __________________________________________________________________________________

138

OS D A V Geotextiles y la literatura de ElosRfabricantes S E R OS H C E ER

Figura 5.1 Relaciones relativas de diferentes valores usados en la especificación de los

D

Donde:

X = Valor medio S = Desviación estándar

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 S X/N, la desviación estándar se calcula como:

Capítulo V – Metodologías de Diseño. __________________________________________________________________________________

139

Donde:

X = Valor medio Xi = Valor medido N = El número de mediciones

OS D A V R E S baja posible, para mantener un buen control (S/ X )(100). Esta variación debe ser lo mas E R OS H C E de calidad. Tanto DElaRAASHTO, como el comité de TASK FORCE #25, recomendaron el

El coeficiente de variación V, o simplemente variación se calcula por medio de

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.

Capítulo V – Metodologías de Diseño. __________________________________________________________________________________

140

5.4 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

OS D A V ER S E R S

simultáneamente.

HO C E R DE

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.

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

Capítulo V – Metodologías de Diseño. __________________________________________________________________________________

141

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

OS D A V ER S E R S

geosintético seleccionado es el adecuado.

HO C E R DE se pueden establecer los siguientes pasos a seguir en el desarrollo En resumen 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.

Capítulo V – Metodologías de Diseño. __________________________________________________________________________________

142

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.

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

Este cuarto método de diseño, método por función, será utilizado en el desarrollo del sexto capitulo de la presente investigación, aplicabilidad de los tipos de geosintéticos en el diseño de obras civiles, 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

Capítulo V – Metodologías de Diseño. __________________________________________________________________________________

143

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.

OS D A V ER S E R S

Factores de reducción para geosintéticos en separación y refuerzo

HO C E R DE

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

Capítulo V – Metodologías de Diseño. __________________________________________________________________________________

144

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

OS D A V ER S E R S

al espesor y rigidez del material.

HO C E R DE

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

Capítulo V – Metodologías de Diseño. __________________________________________________________________________________

145

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 5.1 y 5.2 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

OS D A V ER S E R S

tiempo.

HO C E R DE

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 IV, norma INV E -901).

Capítulo V – Metodologías de Diseño. __________________________________________________________________________________

146

Tabla 5.1 Factores de reducción para geotextiles en aplicaciones de separación y refuerzo.

Tabla 5.2 Factores de reducción para geomallas en aplicaciones de refuerzo.

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

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.

Capítulo V – Metodologías de Diseño. __________________________________________________________________________________

147

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 5.3, 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 permisividad del material antes y después del

OS D A V este factor son utilizados cuando el suelo del EsitioRdel proyecto tiene un contenido S E R S más altos generalmente aplican para suelos Ovalores H C mínimo de finos, mientras que los E DER

contacto con un determinado tipo de suelo. Por lo general los valores más bajos para

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.

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 permisividad 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

Capítulo V – Metodologías de Diseño. __________________________________________________________________________________

148

transmisividad a largo plazo.

Sin embargo para ambas situaciones tanto para permisividad 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

OS D A V ER S E R S

través del mismo.

HO C E R DE

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 tenida 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

Capítulo V – Metodologías de Diseño. __________________________________________________________________________________

149

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 5.3 Factores de reducción para geotextiles en aplicaciones de drenaje

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE 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

Capítulo V – Metodologías de Diseño. __________________________________________________________________________________

150

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.

OS D A V Los factores de reducción por creep yS por intrusión en los vacíos, pueden ser ER E R OelSfabricante suministre al diseñador las gráficas H C minimizados, en caso de que E DER

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.

Capítulo V – Metodologías de Diseño. __________________________________________________________________________________

151

Colmatación Biológica: Así como la colmatación química, la naturaleza del líquido a drenar también es tenida 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.

S O D A V Tabla 5.4 Factores de reducción para geocompuestos ER en aplicaciones de drenaje S E R OS H C E DER

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

153

6.1 ORGANIZACIÓN POR FUNCIÓN

La yuxtaposición de los varios tipos de geosintéticos descritos con la función primaria que el material es llamado a servir permite la creación de una matriz que nos sirve para entender el campo entero de los geosintéticos y su metodología de uso relacionada al diseño de obras civiles. La Tabla 6.1 ilustra la función primaria que cada uno de los geosintéticos puede ser llamada a servir. Debe notarse que estas son funciones primarias, y en muchos (por no decir la mayoría) de los casos cumplen

OS D A V R a su capacidad de refuerzo, pero usualmente será colocado en un suelo blandoS enE base E R OSciertamente ser consideraciones secundarias y H C la separación y filtración pueden E DER

también funciones secundarias, y quizás hasta terciarias. Por ejemplo, un geotextil

terciarias. Una geomembrana es utilizada obviamente por su capacidad de contención, pero la separación siempre será una función secundaria.

La mayor variabilidad desde un punto de vista de manufacturación y materiales, la presenta la categoría de geocompuestos. La función primaria siempre dependerá del tipo de geocompuesto que sea creado, manufacturado e instalado.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

154

Tabla 6.1 - Identificación de la función primaria para cada tipo de Geosintético Función Primaria

Tipo de Geosintético Separación

Refuerzo

Filtración

Drenaje

Contención

Geotextil Geomalla Geored Geomembrana Revestimiento Geosintético de Arcilla (GCL) Tubo Ranurado (Geopipe) Geoespuma Geocompuesto

OS D A V ERde obras civiles. geosintéticos según su función principal enE el S diseño R OS H C E DER

A continuación se detallan los tipos de aplicaciones principales de los

6.2 SEPARACIÓN Y ESTABILIZACIÓN DE SUBRASANTES EN VÍAS 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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

155

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

OS D A V R una capa de separación entre los Específicamente, la utilización de los geotextiles como E S E R OSgranulares ha permitido mantener la integridad de H C suelos de subrasantes y las capas E DER

económicos que en muchos casos representan una disminución de costos.

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.

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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

156

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

OS D A V totalmente el diseño por separación. En los casos EenRque el CBR de la subrasante sea S E R S por refuerzo y verificar los criterios del diseño Odiseño H C menor del 3% se debe hacer un E DER

absorber esfuerzos a tensión que lo inducen a trabajar como refuerzo, factor que afecta

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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

157

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).

OS D A V El geotextil se traduce en una barreraSpara ERmigración de partículas entre dos E R OS de agua. Se requiere entonces un geotextil que H C tipos de suelo, facilitando la transmisión E DER

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 normas y métodos de ensayo de los geotextiles, Capítulo V), bajo concentraciones de esfuerzos locales causados por irregularidades en el suelo de fundación.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

Figura 6.1a Sección transversal de una estructura de pavimento sin geotextil de separación (Interfaz SR – C. Granular)

158

Figura 6.1b Sección transversal de una estructura de pavimento con geotextil de separación (Interfaz SR – C. Granular)

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

6.2.1 Metodología De Diseño

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 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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

159

Donde: Resistencia Admisible: 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.

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

OS D A V ER S E R S

de las especificaciones del geotextil que se vaya a utilizar.

HO C E R DE

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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

160

Donde: Tadm Tult

= =

Resistencia admisible para emplear en el diseño Resistencia última obtenida en laboratorio

FR p

=

Factor de reducción parcial

FRID

=

FRDQB

=

Factor de reducción por daños de instalación Factor de reducción por degradación química y biológica

6.2.1.1 Resistencia al Estallido (Mullen Burst)

OS D A V vacíos que permiten que el geotextil se introduzca entre ellas por la acción simultánea ER S E R S Otransmitidas H C de las cargas de tráfico que son hasta las capas granulares, al geotextil y E DER

Entre las partículas del suelo granular que se colocan sobre el geotextil existen

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.

Figura 6.2 Geotextil de separación – Resistencia al estallido

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

161

Donde: =

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 d a (mm)

da

=

Diámetro máximo de las partículas de agregados (mm)

T req

f(ε) Tult ptest dtest

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE =

Función de deformación (elongación) del geotextil

=

Resistencia última del geotextil (KPa)

=

Presión del ensayo Mullen Burst (KPa)

=

Diámetro del diafragma – ensayo Burst (30.48 mm)

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

(6.1) (6.2)

Reemplazando la ecuación (6.1) en (6.2) y sustituyendo los valores de T req y Tult se obtiene:

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

•

Para FSp = 1.5

Ecuación de factor de Seguridad Global

•

Para FSp = 2.0

Ecuación de factor de Seguridad Global

162

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

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 del diseño del geotextil, asumiendo un factor de seguridad global FSg = 2.0 y factores de seguridad parcial FSp = 1.5 y FSo = 2.0 para las condiciones definidas en el método 1.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

163

Figura 6.3 Presión vs Resistencia al estallido (BURST) según el tamaño de agregado (FSg = 2.0; FSp = 1.5)

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

Figura 6.4 Presión vs Resistencia al estallido (BURST) según el tamaño de agregado (FSg = 2.0; FSp = 2.0)

6.2.1.2 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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

164

“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 6.5). 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.

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

Figura 6.5 – Geotextil de separación – Resistencia a la tensión (GRAB).

(6.3) Donde: T req

=

Resistencia Grab requerida (N)

p´

=

Presión aplicada (KPa)

dv

=

Diámetro máximo de los vacíos: d v ≅ 0.33 d a (mm)

da

=

Diámetro máximo de las partículas de agregado (mm)

=

Función de deformación (elongación) del geotextil, (ver Tabla 6.1)

f(ε)

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

165

Tabla 6.2 – Valores de f(ε)

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

(6.4)

OS D A V ER S E R S

HO C E R (6.5) DE

Reemplazando las ecuaciones (6.3) y (6.4) en (6.5)

Entonces la ecuación de factor de seguridad global es:

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

166

6.2.1.3 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

OS D A V R que actuará sobre el geotextil sobre la estructura. Se debe calcular la fuerza vertical E S E R OS que el geotextil que se coloque resista el H C bajo estas condiciones, y verificar E DER desgastarlo cuando se coloque la capa granular y se apliquen las cargas de tráfico

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.

Figura 6.6 Punzonamiento causado por una particula sobre el geotextil.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

167

Donde T req

=

Fuerza vertical que el geotextil debe resistir (N)

p´

=

Presión aplicada (KPa)

p

=

Presión de inflado (KPa)

da

=

S1

=

hh

=

Altura de empuje: hh< d a

S2

=

S3

=

0.31d a. 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. 1 – A p/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

A

=

Área del menor circulo circunscrito

Diámetro máximo de las partículas de agregado o de partículas angulares (mm) hh/da. Factor de punzonamiento (empuje) del suelo o partículas subyacentes al geotextil.

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

Tabla 6.3 – Valores de Ap / Ac

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

Treq

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

168

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

Donde: Tu

=

(N)

lt

p´ d

= =

(KPa) (mm)

OS D A V R E S E R Método 2: Determinar la resistencia al punzonamiento requerida del geotextil S O H REC global FS establecido FS conocido, Determinar T DdeEseguridad para un factor a

g

p

req

diseño.

Si se asume que se coloca una capa de material granular con particulas 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 de punzonamiento requerida para el diseño bajo las condiciones establecidas se tiene:

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

169

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.

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

Figura 6.7 Presión Vs. Resistencia al punzonamiento Según tamaño del agregado (FSg = 2.0; FSp = 1.5)

Figura 6.8 Presión Vs. Resistencia al punzonamiento Según tamaño del agregado (FSg = 2.0; FSp = 2.0)

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

170

6.2.1.4 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

OS D A V ER S E R S

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

HO C E R DE

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

k del suelo

Donde: k= ψ * t ψ = Permisividad 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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

172

6.2.1.6 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 6.3 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

S O D A V Tabla 6.4 Propiedades del geotextil de separación ER – AASHTO M288-05 S E R OS H C E DER

deben ser expuestos por largo tiempo a estos rayos.

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

6.3 REFUERZO EN VÍAS CON GEOTEXTIL

Uno de los mayores campos de aplicación de los geosintéticos son las vías, donde se deben considerar los 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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

173

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 Venezuela 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 comprobar la función de los geotextiles

OS D A V de los suelos, evaluando sus funciones de separación ER y refuerzo en las vías y S E R OS una metodología de diseño racional que H C estructuras de pavimento, y desarrollar E DER como una herramienta para determinar el mejoramiento de las propiedades mecánicas

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.

6.3.1 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:

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

174

• 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

OS D A V ER S E R S

granulares respectivamente.

HO C E R DE

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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

175

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

OS D A V durante el período de operación de la vía. EnS resumen, ER los efectos de la utilización de E R S de subrasante de una estructura de pavimento Ocapa H C un geotextil de refuerzo sobre la E DER

tránsito de diseño, evaluado con la cantidad de ejes equivalentes que van a pasar

son los siguientes:

• Incremento de la capacidad portante del sistema. • 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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

176

6.3.2 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.

6.3.2.1 Separación

OS D A V buen funcionamiento de dos suelos adyacentes ERcon propiedades y características S E R OS de pavimento, donde se coloca suelo granular H C diferentes. En el caso de las estructuras E DER

La función de separación que cumple un geotextil es mantener la integridad y el

(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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

177

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.

6.3.2.2 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

OS D A V Rcon poca resistencia a la tensión, materiales con alta resistencia a la compresión pero E S E R S finos y granulares. Osuelos H C como ocurre generalmente en los E DER

materiales con alta resistencia a la tensión y son un buen complemento de aquellos

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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

178

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 6.1 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 corte. En efecto, cuando el suelo se deforma a lo largo de una superficie de ruptura (en cortante), se generan

OS D A V eficiente cuando su inclinación iguala la dirección ERen la que se haya desarrollado la S E R OSdeformado, entonces la deformación por corte del H C deformación a tracción en el suelo E DER

deformaciones a compresión y tracción. El refuerzo comienza a actuar en forma

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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

179

vías y para prevenir el colapso de un relleno en un hueco o cavidad que se presente en el suelo de fundación.

6.3.3 Consideraciones para el Diseño.

6.3.3.1 Evaluación del aporte del geotextil como refuerzo

La metodología de diseño aquí descrita contempla la utilización de geotextiles

OS D A V de la estructura. El geotextil de refuerzo colocado ERa nivel de subrasante se escoge S E R OS C técnicamente para R mejorar laH capacidad portante de todo el sistema, sin embargo para E DE para el refuerzo de vías, colocados sobre la capa de subrasante o el suelo de fundación

evaluar el aporte del geotextil de refuerzo se puede hacer el análisis cuantitativo de varias formas:

6.3.3.1.1 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:

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

180

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.

6.3.3.1.2 Reducción de espesores de la capa granular

OS D A V sobre la subrasante es mediante la reducción EdelRespesor de la capa granular que S E R OSEsta capa se diseña con el fin de distribuir los H C conforma la estructura del sistema. E DER Otra forma de evaluar los efectos de la utilización de un geotextil de refuerzo

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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

181

6.3.3.1.3 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

OS D A V incremento del número de ejes equivalentes, es decir ERde la vida útil de la vía. S E R OS H C E DER

valores admisibles de esfuerzos y deformaciones, lo que se puede interpretar como un

6.3.3.2 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 de diseño aquí descrita 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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

182

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.

6.3.3.2.1 Definiciones Generales 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

h la reducción de espesor de la capa granular que resulta de la introducción de un geotextil a nivel de subrasante. OS D A V EelR Para este método analítico se supone que suelo de subrasante es homogéneo S E R S HOpara desarrollar una zona plástica. C E y que tiene un espesor suficiente R DE cuando hay geotextil y

Figura 6.9 Sección Transversal tipica de una estructura de pavimento

h = h

0

–h

Donde: h0 =

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 debido al del uso de geotextil (m)

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

183

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.

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.

OS D A V Suelo de subrasante El suelo de subrasante ERse supone saturado con una baja S E R OlaSaplicación de carga rápida como la carga de tráfico, H C permeabilidad. Sin embargo, bajo E DER 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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

184

6.3.3.2.2 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

OS D A V por la variación de espesor durante los ensayos, ERsobre todo en los geotextiles más S E R OS H C delgados. E DER esfuerzo (fuerza por unidad de área), debido a los problemas que se pueden presentar

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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

185

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.

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

OS D A V R que varía según barrera contra sedimentos y repavimentación), Evalor S E R OS H C geotextil que se especifique. E DER

diferentes aplicaciones (drenaje, separación, estabilización, refuerzo, control de erosión, la clase de

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.

6.3.3.3 Análisis de vías con Geotextiles

6.3.3.3.1 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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

186

La forma del geotextil se convierte en algo similar a una onda y como consecuencia se presenta una tensión del geotextil (Ver Figura 6.10).

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

OS D A V ER S E R S

el geotextil sobre la subrasante es mayor a la presión aplicada por la capa granular sobre el geotextil.

HO C E R DE

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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

187

Figura 6.10 Cinemática de vias con geotextil

OS D A V ER S E R S

6.3.3.3.2 Forma del geotextil deformado

O H C E R La forma de onda del geotextil deformado se da por la condición incompresible DE 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 6.11).

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:

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

188

Figura 6.11 Forma del geotextil deformado

OS D A V ER S E R S

6.3.3.3.3 Mecanismos de Falla

HO C E R DE

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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

189

OS D A V Figura 6.12 Mecanismos de Falla ER S E R OS H C E ER

D

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 anclaje que se presente por acción de las cargas.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

190

Figura 6.13 Condición critica trabajo del geotextil.

OS D A V SE(R E Cuando inicia la transmisiónS de R esfuerzos σ ) sobre el geotextil, se presenta O H ECpor efecto del empuje actuante. La zona que se observa en DEdelRmismo una deformación n

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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

191

6.3.4 Metodología de Diseño

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, enfocandose 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).

OS D A V La metodología permite calcular la reducción ERdel espesor de la capa granular de S E R S en el análisis de los esfuerzos que se presentan Obase H C una estructura de pavimento con E DER 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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

192

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.

6.3.4.1 Procedimiento

Paso 1. Diseño Inicial de la estructura de pavimento

OS D A V R debe conocer el diseño inicial de la estructuraS de sin geotextil. La estructura Epavimento E R OS que estime conveniente. Sin embargo, para H C puede ser diseñada por la metodología E DER

Para hacer la comparación de los diseños sin y con geotextil de refuerzo, se

obtener la reducción por utilización del geotextil se requiere conocer los parámetros necesarios para realizar la modelación en un programa de diseño racional, para obtener los σ n 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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

193

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:

OS D A V concretos asfálticos, grava asfáltica, etc, se verifica la deformación a tracción en la fibra ER S E R OS inferior de la capa. RECH DE • Capas bituminosas: Para las capas de materiales bituminosos tales como

• 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.

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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

194

Definición de variables:

Ei = Módulo de la capa i (Kg/cm2) hi = Espesor de la capa i (m)

ν i = Relación de Poisson de la capa i

ε t = Deformación a tracción (m/m) e ε z = Deformación vertical (m/m)

OS D A V ER S E R S

σ t = Esfuerzo a tracción (kg/cm2)

HO C E R DE

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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

195

Paso 3. Esfuerzo normal aplicado

El esfuerzo normal calculado por el programa ( σ n, 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

OS D A V pavimento y se calcula el valor de la resistencia ERadmisible. Para la selección del S E R S Ocuenta H C geotextil es importante tener en las propiedades del suelo de subrasante y del E DER Se define el geotextil que se va a utilizar para el refuerzo de la estructura de

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 = Factor de reducción por daños de instalación FRDQB = Factor de reducción por degradación química y biológica.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

196

Los rangos para los factores de reducción se mencionan en la Tabla 5.1 del la presente investigación.

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.

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

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.

197

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

6.4 REFUERZO EN VÍAS CON GEOMALLAS BIAXIALES COEXTRUÍDAS

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 es conformado por una capa bituminosa apoyada

OS D A V Rsub-base con material de menor estabilizados (con cementos, cal o asfalto) yS una Ede E R OS H C calidad. E DER

sobre una capa de base que puede ser piedra partida, grava bien gradada o materiales

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.

La metodología que se presenta a continuación es la empleada como punto de partida para el desarrollo de la inclusión de geomalla de refuerzo, y 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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

198

coextruídas, según la investigación desarrollada por Filippo Montanelli, Aigen Zhao y Pietro Rimoldo, Ingenieros investigadores de TENAX CORP.

Figura 6.14 Sección típica de estructuras de pavimento asfáltico

OS D A V SER La modificación del métodoSdeR laEAASHTO empleando geomallas biaxiales HO C E R DErefuerzo de pavimentos flexibles, se realizó con base en ensayos de coextruídas para 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.

6.4.1 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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

199

6.4.1.1 Confinamiento lateral de la base o subbase

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.

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

Figura 6.15 Confinamiento Lateral generado por la geomalla en un material granular

6.4.1.2 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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

200

Figura 6.16 Capacidad Portante.

6.4.1.3 Membrana tensionada

OS D A V R E S E R Este efecto se origina en la propiedad por la cual un material flexible elongado, al S O H ECpor efecto de la carga, el esfuerzo normal sobre su cara ERcurva adoptar una D forma 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 beneficios principales:

• Restricción del desplazamiento lateral de los agregados de la base o subbase.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

201

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

OS D A V ER S E R S

deformación vertical de la superficie de la vía.

HO C E R DE

• 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 la subrasante. En términos generales, el esfuerzo vertical en la subbase o subrasante directamente por

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

202

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

OS D A V ER S E R S

subrasante.

HO C E R DE

6.4.2 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:

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

203

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)

MR

=

Módulo Resiliente (psi)

El número estructural requerido se convierte en los espesores reales de concreto asfáltico, base y subbase multiplicado cada uno, por los coeficientes de capa

OS D A V ERes la siguiente: capacidad de drenaje. La ecuación de diseño usada S E R OS H C E DER

respectivos representando el esfuerzo relativo de los materiales de construcción y la

Donde: a = Coeficiente correspondiente a la capa i (1/Pulg) i

D = Espesor correspondiente a la capa i (Pulg) i

Mi = Coeficiente de drenaje de la capa i

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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

204

OS D A V ER S E R S

Figura 6.17 Sección de estructura con sus respectivos coeficientes de capa.

HO C E R DE

6.4.2.1 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 SN 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 6.5 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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

205

Tabla 6.5 Rango de valores recomendados (1/pul) para los coeficientes a1, a2, a3, para diferentes materiales

OS D A V 6.4.2.2 Coeficiente de drenaje m ESER R S O H RECasume que la resistencia de la subrasante y la base se El método DEAASHTO i

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) El posible efecto de drenaje en la superficie de la capa del concreto asfáltico no es considerado.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

206

Tabla 6.6 Condiciones De Drenaje

La Tabla 6.7 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

OS D A V ER S E R S

estará expuesta a un nivel de humedad.

HO C E R DE Tabla 6.7 Valores de coeficiente de drenaje m recomendados i

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

207

6.5 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

OS D A V ER S E R S

mantenimiento de las obras viales que se ejecuten en nuestro país.

HO C E R DE

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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

208

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 Venezuela, desde hace poco mas de cinco años, 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

OS D A V R poco ortodoxa. Además de la superficie de la carpeta asfáltica antigua de una Emanera S E R S Orodadura, H C colocación de la nueva capa de que en algunos casos no contempla tan E DER general no contemplan más que la utilización de un ligante asfáltico, colocado sobre la

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.

6.5.1 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,

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

209

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:

6.5.1.1 Barrera Impermeabilizadora

A pesar que el concreto asfáltico ha sido sometido a un proceso de compactación

OS D A V permeable, a través del cual se infiltrará un S gran porcentaje del agua superficial que ER E R HOS y a la subrasante, ablandando estos suelos C podrá llegar a lasR capas granulares E DE

y que su relación de vacíos es muy baja, hay que considerársele como un elemento

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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

210

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,

OS D A V Rcuales el geotextil a usarse debe ser de 0.9 L/m2 , esta es una de las razonesS por Elas E R OS H C ser un no tejido punzonado por agujas, gracias a su espesor y porosidad que le E DER exige que como mínimo la cantidad de cemento asfáltico para saturar el geotextil debe

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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

211

6.5.2.2 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.

Esto resulta del contacto entre agregados del pavimento antiguo y la capa nueva

OS D A V ER S E R S

de repavimentación.

HO C E R DE

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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

212

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

OS D A V la base del pavimento debido a los esfuerzos de tensión, continuando ER S E R OS H C superficie. E DER

las cargas de tráfico. La mayoría de los agrietamientos en los pavimentos comienza en hasta la

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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

213

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.

6.5.2 Tipo y Nivel de severidad de las fallas del Pavimento

Las fallas en los pavimentos contemplan los tipos que se enunciarán a continuación:

OS D A V 6.5.2.1 Fallas Superficiales ER S E R OS H C E DER

• 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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

214

6.5.2.2 Fallas por Adhesión

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

6.5.2.3 Fallas Estructurales

OS D A V pavimento y/o a un diseño inadecuado de la sección. ER S E R OunScontenido de humedad excesivo y/o a un diseño H C • Ahuellamiento debido a E DER

• Agrietamientos transversales por fatiga debidos a deflexiones excesivas en el

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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

215

6.5.3 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

OS D A V ER S E R S

grietas y posteriormente éste efecto se aumenta debido a la acción de las cargas generadas por el tráfico.

HO C E R DE

• 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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

216

6.5.3.1 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.

6.5.3.2 Agrietamiento por reflexión

OS D A V horizontales en las grietas existentes tambiénS causarán ER deformaciones horizontales en E R OS a la continuación del crecimiento de la grieta H C la capa de repavimentación, llevando E DER Si la capa de repavimentación se aplica sobre grietas, los movimientos

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:

• Geotextiles para repavimentación: combinación de geotextil y asfalto, en casos donde las grietas no sean por fallas estructurales.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

217

• 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:

OS D A V R • Evaluación de los factores y mecanismos Einvolucrados. S E R S HO C • Análisis de R las E posibles soluciones y sus respectivas limitaciones. DE • Identificación del problema.

• 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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

218

6.5.4 Asfaltos

6.5.4.1 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:

OS D A V Contribuir a impermeabilizar la estructura ERdel pavimento, haciéndolo poco S E R OS H C sensible a la humedad y eficaz contra la penetración del agua proveniente de la E DER precipitación.

Proporcionar 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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

219

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

OS D A V ER S E R S

siguientes:

HO C E R DE

CA 40 - 50: Para sellado de juntas de pavimento de hormigón CA 60 - 70: En concreto asfáltico 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:

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

220

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%

OS D A V ER S E R S

solubles en bisulfuro de carbono y por lo tanto casi betunes puros. Las impurezas, si las hay, son inertes.

HO C E R DE

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.

6.5.4.2 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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

221

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

OS D A V las emulsiones asfálticas pueden ser: ER S E R OS H C E DER

instantánea y otros que retardan éste fenómeno. De acuerdo con la velocidad de rotura,

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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

222

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.

OS D A V dichas y anteponiéndoles la letra “C”, como por ejemplo ER las CRS-1 y CSS-1. S E R OS H C E DER

Las emulsiones catiónicas se designan con las mismas letras anteriormente

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:

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

Tabla 6.8 Asfaltos cortados de curado rápido AASHTO M 81

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

Tabla 6.9 Asfaltos cortados de curado medio AASHTO M 82

223

224

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

6.5.4.3 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 geológicas disminuir su susceptibilidad a la temperatura y a la humedad, así como a la oxidación.

OS D A V términos de rangos de temperatura y tolerancia EalResfuerzo, mediante la modificación S E R OS H C del balance en su comportamiento visco-elástico a través del rango de temperaturas de E DER El propósito de modificar el asfalto es el de incrementar su desempeño en

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,

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

225

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.

OS D A V R las propiedades de los ligantes tradicionales S sonE insuficientes para cumplir con éxito la E R HOS es decir, en mezclas para pavimentos que C función para la cualR fueron encomendados, E DE Los asfaltos modificados se deben aplicar, en aquellos casos específicos en 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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

226

-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.

OS D A V esfuerzos tangenciales, evitando la propagación de R las fisuras. E S E R OS mantiene las propiedades del ligante, pues H C -Mayor resistencia al envejecimiento: E DER -Mejor impermeabilización: en los sellados bituminosos, pues absorbe mejor los

los sitios más activos del asfalto son ocupados por el polímero.

-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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

227

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

OS D A V ER S E R S

endurecimiento.

HO C E R DE

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:

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

228

Figura 6.18 Clasificación de los Polímeros

OS D A V ER S E R S

Termo-Endurecibles: son polímeros formados por una reacción química de dos

HO C E R DE

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.

6.5.3 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:

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

229

6.5.3.1 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

OS D A V ER S E R S

incluso se permite la utilización de escobas.

HO C E R DE

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 6.19.

Figura 6.19 Limpieza de la superficie

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

230

6.5.3.2 Tratamiento de Fisuras

Después de terminar el proceso de limpieza, todas 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.

6.5.3.3 Ligante Asfáltico

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

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.

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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

231

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.

S O D A V Tabla 6.10 Cantidad a utilizar de cemento E asfáltico R Vs. emulsión asfáltica S E R OS H C E DER

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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

232

6.5.3.3.1 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

OS D A V ER S E R S

que a partir de esta puede romperse la emulsión.

HO C E R DE

Si se trabaja con emulsiones deberá esperarse hasta que rompa y que el agua se evapore para proceder a colocar el geotextil.

6.5.3.3.2 Tasa Teórica de Aplicación del Ligante Asfáltico

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:

Donde:

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

233

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 recomendaciones 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

OS D A V hasta 0.59 para superficies porosas y oxidadas. ER S E R OS H C E DER

concreto asfáltico de la capa vieja. Oscila entre 0.05 L/m2 para superficies niveladas

Sin embargo en varias obras los valores obtenidos de ensayos realizados en

campos son bastante menores que los obtenidos en la fórmula de Button.

6.5.3.3.3 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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

234

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

OS D A V ER S E R S

oxidación relativa del pavimento existente (Ver tabla 6.10)

HO C E R DE

Las técnicas de imprimación requieren que los equipos a usarse coloquen el ligante a una tasa uniforme, siendo conveniente el uso de equipos 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 6.20.

Figura 6.20 Imprimación con Asfalto

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

235

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.

6.5.3.4 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

OS D A V ER S E R S

la cantidad suficiente de ligante asfáltico; dichos geotextiles pueden ser de polipropileno o poliéster.

HO C E R DE

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 6.11.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

236

Tabla 6.11. Requerimientos del geotextil. Especificaciones generales de construcción de carreteras, según Articulo 464 INVIAS.

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

6.5.3.4.1 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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

237

Figura 6.21 Instalación del geotextil

OS D A V R E S capa antigua y eliminar en mayor proporción las arrugas del geotextil, se podrán utilizar E R OS H C E equipos mecánicos DERcomo es el caso de un compactador de llantas en una pasada Para facilitar un mayor contacto (adherencia) del geotextil con el ligante y con la

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 6.22 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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

238

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

OS D A V aplicación. A manera de solución parcial paraS casos ERdonde el geotextil se haya mojado E R S soplar con aire a presión para eliminar toda la O H C con una llovizna superficial se podrá E DER se moja completamente, éste se debe secar totalmente antes de ser utilizado para esta

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.

6.5.3.4.2 Tratamiento a las posibles arrugas.

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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

239

para la formación de la barrera impermeable, reduciendo los beneficios a largo plazo de esta membrana de intercapa.

Figura 6.23 Formación de arrugas

OS D A V ER con ligante asfáltico. Es en estas capas de geotextiles, haciendo imposible laE saturación S R OS H C E pequeñas zonas,E R de no hacerse las correcciones en el momento preciso, no se D donde En la Figura 6.23 se puede observar como en la zona de la arruga se genera tras

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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

240

• 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.

6.5.3.4.3 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

OS D A V ER S E R S

adicional con ligante asfáltico para garantizar la saturación total del geotextil.

HO C E R DE

6.5.3.5 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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

241

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.

6.5.3.6 Instalación de la Capa de Repavimentación

La capa de repavimentación de concreto asfáltico podrá ser colocada

OS D A V mediante el empleo de una finisher y se compactará ERal igual que en cualquier proceso S E R S que se debe tener en cuenta es que los O H C de repavimentación. La única precaución E DER

inmediatamente después de haber sido instalado el geotextil; dicha capa se instalará

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.

6.5.3.7 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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

242

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.

6.6 SISTEMAS DE SUBDRENAJE PARA VÍAS CON GEOTEXTIL Y MATERIAL GRANULAR

OS D A V R útil de las vías depende en gran una mayor durabilidad de las obras. De hecho, la Evida S E R OS Hque C parte del periodo deR tiempo en el exceso de agua esté presente en su estructura. E DE

Un buen sistema de drenaje y/o subdrenaje está íntimamente relacionado con

El buen diseño de un sistema de drenaje que involucre la utilización de geotextiles en las obras civiles, será indudablemente 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.

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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

243

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

OS D A V ER S E R S

estructura del pavimento.

HO C E R DE

Para lograr el buen diseño de un subdrén, se debe tener en cuenta cuatro aspectos fundamentales:

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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

244

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.

OS D A V R capaz de conducir la suma de 3. Dimensionar la sección transversal del subdrén E S E R S de evacuación adecuada. O H C los caudales de aporte, con una velocidad E DER 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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

245

6.6.1 Metodología de Diseño de Subdrenes

6.6.1.1 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

OS D A V R dirección de la suma vectorial o resultante de S lasE pendientes. E R OS H C E DER

eficiente colocar subdrenes transversales. Esto debido a que el agua se moverá en

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 6.24). 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).

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

246

Figura 6.24 Dirección de la resultante de dos pendientes dadas

OS D A V ER S E R S

6.6.1.2 Estimación del caudal de diseño

HO C E R DE

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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

247

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

OS D A V ER S E R S

pueden afectar la estructura de un pavimento son:

HO C E R DE

• 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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

248

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:

Donde IR = Precipitación máxima horaria de frecuencia anual, registrada en la zona del

OS D A V ER S E R S

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

HO C E R B = Para DEsubdrenes longitudinales, B es la semibanca de la vía (ancho de la

de 2 años.

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 6.12) 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 6.13) Tabla 6.12 Valores recomendados para Fi

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

249

Tabla 6.13 Valores recomendados para FR

Caudal por abatimiento del nivel freático En sitios donde el nivel freático o el agua proveniente a presión alcancen una

S O D A V necesario abatir este nivel de manera que no genere ER inconvenientes por excesos de S E R OS H agua. El cálculo de este caudal se basa en los siguientes parámetros C E DER

altura tal, que supere el nivel de subrasante afectando a la estructura del pavimento, es

Donde: k = Es el coeficiente de permeabilidad del suelo adyacente. i = Es el gradiente hidráulico. Nd = Cota inferior del subdrén. (Ver Figura 6.25) Nf = Cota superior del nivel freático. (Ver Figura 6.25) 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 = Longitud del tramo de drenaje.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

250

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

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.

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

Figura 6.25 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.

6.6.1.3 Dimensionamiento de la sección transversal.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

251

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

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

OS D A V ER S E R S

A = Área de la sección transversal del subdrén, normalmente se fija el ancho y se

HO C E R DE

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.

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:

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

252

Donde: QT = Caudal total calculado n = Coeficiente de Manning. Para tubería perforada usualmente es 0.013. A = Área del tubo R = AT/PT (Área total / Perímetro total) A tubo lleno S = Pendiente del subdrén

OS D A V ER la profundidad del subdrén N . S cota de subrasante, con este criterio se debe establecer E R OS H C E DER

La línea superior de flujo o nivel freático no debe superar en ningún momento la d

Figura 6.26 Pendiente Vs. Velocidad, según el tamaño del agregado (Para agregados de tamaño uniforme)

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

253

6.6.1.4 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.

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

Figura 6.27 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:

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

254

Criterio de Retención (TAA). El criterio de retención por Tamaño de Abertura Aparente (TAA), anteriormente mencionado, 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

OS D A V ER S E R S

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

HO C E R DE

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

k del suelo

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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

256

Teindl (1979); Wates (1980); Carroll (1983); Cristopher y Holtz (1985) y numerosos otros: k del geotextil

>

10 * k del suelo

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

OS D A V ER S E R S

Criterio de Colmatación

HO C E R DE

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. 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. 4 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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

257

Figura 6.28 Colmatación del filtro por penetración de partículas

OS D A V ER S E recomienda realizar ensayos de colmatación con los suelos del sitio, la norma que R OS H C E ERes la ASTM 5101 – 90 la cual se menciona en el Capítulo 2 del describe esteD ensayo En aplicaciones críticas o en proyectos que involucren suelos muy finos se

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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

258

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

OS D A V R caso particular, de tal manera, un sistema de subdrenaje, debe diseñarse para Ecada S E R HOS del sistema del cual forman parte, y para el C que se garantice unR óptimo funcionamiento E DE

presente y de la disposición de ésta en el sistema. El geotextil es parte fundamental de

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”, realizado por A. Fajardo, 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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

259

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 este después del ensayo. La porosidad fue calculada como la relación entre el volumen de vacíos y el volumen total del geotextil, la forma

OS D A V ER S E R S

para calcular esta relación se realiza por medio de la siguiente ecuación:

HO C E R Donde:DE

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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

260

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.

OS D A V R que al añadir una capa de Según los ensayos realizados se pudo Econcluir S E R S HelO C transición (arena) alR sistema, comportamiento para el geotextil No Tejido punzonado E DE 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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

261

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

OS D A V R granulares; debido a esto, la retenidas en el geotextil es mayor que para suelos E S E R OS cuando se utilizan suelos finos en el sistema de H C porosidad del geotextil se ve disminuida E DER suelo base, por esta razón, para suelos finos la cantidad de partículas que quedan

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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

262

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.

OS D A V El geotextil debe tener unos valores S mínimos ER de resistencia mecánica con el E R HOSde instalación y manipulación. Estas propiedades C objeto que soporteR lasEactividades DE

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 6.14 Especificaciones generales de construcción de carreteras AASHTO M280-05

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

263

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.

OS D A V R prolongado. Donde por razones quedar expuestos a los rayos ultravioleta por S un E tiempo E R Sgeotextiles estén expuestos al ataque de los rayos O H C de instalación y funcionamiento los E DER

No se recomienda el uso de los geotextiles como filtros en sitios donde vayan a

ultravioleta, estos deberán estar fabricados por compuestos, que les proporcionen una alta resistencia a la degradación UV.

6.6.1.5 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:

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

264

Donde: Ψ = Permisividad (s-1) k = Permeabilidad del geocompuesto (m/s) t = Espesor del geotextil de una cara del geocopuesto (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.

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE Donde:

Ψ req = Permisividad 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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

265

2. Se calcula la permisividad admisible, la cual se obtiene de la permisividad entregada por el fabricante (Norma ASTM D4491, INV E-905), dividida por unos factores de reducción, según el tipo de proyecto.

Donde: Ψ adm = Permisividad admisible. Ψ ult = Permisividad última, entregada por el fabricante. FRSCB = Factor de reducción por colmatación y taponamiento.

OS D A V ER S E R = Factor de reducción OporSintrusión. H C E ER =D Factor de reducción por colmatación química.

FRCR = Factor de reducción por creep o fluencia. FRIN

FRCC

FRBC = Factor de reducción por colmatación biológica.

3. Calcule el factor de seguridad global:

6.7 SISTEMAS DE SUBDRENAJE CON GEODRÉN

Cuanto más rápido se capte el agua en las obras civiles, se garantiza una mayor durabilidad de éstas, debido a que el exceso de agua en los suelos afecta sus propiedades geomecánicas, los mecanismos de transferencia de carga, incrementos de

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

266

presiones de poros, subpresiones de flujo, presiones hidrostáticas y afecta la susceptibilidad a los cambios volumétricos.

La utilización del geocompuesto denominado Geodren, manufacturado por PAVCO, es una 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

OS D A V ER S E R S

explotación y transporte de materiales pétreos no renovables, disminuyendo el fuerte impacto ambiental.

HO C E R DE

Por tal motivo, los geodrenes representan una novedosa solución de Ingeniería en obras de infraestructura y en obras de vialidad.

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 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 6.29)

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

267

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.

OS D A V R de filtración. El uso de los 3. Establecer el geotextil a usar en S elE sistema E R OSlos sistemas tradicionales de filtración, debido H C geotextiles ha venido desplazando E DER

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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

268

Figura 6.29 Diagrama de geodrén con tubería

OS D A V ER S E R 6.7.1 Metodología De Diseño OSDe Sistemas De Drenaje Con Geodrén H C E DER Las líneas de subdrenaje o drenes deben correr de tal manera que intercepten el agua lo más perpendicularmente posible.

Figura 6.30 Dirección de la resultante de dos pendientes dadas

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

269

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 6.30). 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

OS D A V ER S E R S

agua lo más perpendicularmente posible.

HO C E R DE

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 6.31a y 6.31b).

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

270

Figura 6.31a Trayectoria de las líneas de flujo

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

Figura 6.31b Trayectoria de las líneas de flujo

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, fundaciones 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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

271

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.

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

Figura 6.32 Aplicación del geodrén en rellenos sanitarios

6.7.1.1 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 de lluvia. • El caudal generado por el abatimiento del nivel de agua subterránea.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

272

• El caudal generado por escorrentía superficial.

En la presente metodología se 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.

OS D A V R del pavimento. Una parte de El agua de lluvia cae directamente enS laE carpeta E R OlaSestructura del pavimento debido a que las carpetas H C éste inevitablemente se infiltra en E DER Caudal por infiltración

de pavimento, tanto rígidas como flexibles, no son impermeables. El cálculo de este

caudal se realiza utilizando el mismo método descrito en la sección de Subdrenaje en Vias con Geotextiles.

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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

273

Caudal total de diseño Una vez estimados los caudales de aporte al sistema se obtiene el caudal de diseño, utilizando el mismo método descrito en la sección de Subdrenaje en Vias con Geotextiles

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.

OS D A V 6.7.1.2 Evaluación del geotextil a usar en EelRgeodrén S E R OS H C E DER

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; criterios explicados en la sección de Subdrenaje en vías con Geotextiles, numeral 6.6.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

274

6.7.1.3 Cálculo hidráulico para la selección del geodrén

Evaluación según la permisividad 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 subdrenaje 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

OS D A V Para lo cual se realiza el método de evaluación de permisividad detallado en la sección ER S E R OS H C de subdrenaje en vías con geotextiles. E DER normal al geodrén, frente a la cantidad de flujo volumétrico a evacuar por metro lineal.

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 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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

275

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

OS D A V embargo, los valores de la tasa de flujo y la S transmisividad ER serán las mismas para i = E R S Ocuando H C 1.0, valor que adquiere el geodrén este es colocado de forma vertical, como por E DER aunque su nomenclatura sea diferente para poder diferenciarlas, son iguales, sin

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 4. 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:

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

276

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.

Donde:

σ n = Esfuerzo normal máximo. (KPa)

OS D A V ER S E R h = Altura a la cual el esfuerzo OSnormal es máximo. (m) H C E DER lateral de presiones.* K = Coeficiente

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

a

* 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.

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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

277

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

OS D A V R en comparación a la pérdida de cabeza hidráulica por unidad de distancia queS esE mayor E R OS de forma vertical. Este valor es recomendado y H C cabeza hidráulica del geodrén instalado E DER

de 0.1. Condición en la cual la transmisión de flujo es menor debido a la pérdida de

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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

278

Figura 6.33 Tasa de flujo en función del esfuerzo normal y el gradiente hidráulico

OS D A V ER S E R S

Geodrén 1600/1600/4mm

HO C E R DE

Figura 6.34 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 6.33 y 6.34 se calcula el valor admisible teniendo en cuenta los factores de reducción, los cuales varían según las condiciones del proyecto.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

279

Donde: q adm = Permitividad admisible. q ult = Permitividad última, entregada por el fabricante. 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.

OS D A V Finalmente para la verificación del geodrén ERpropuesto se verifica el factor de S E R S O H C E seguridad global: R DE

6.7.1.4 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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

280

conociendo la pendiente y el caudal de diseño se puede establecer el diámetro de la tubería a usar.

OS D A V ER S Figura 6.35 Nomograma para el cálculo del diámetro de tubería a usar E R S O CH E R E D 6.7.1.5 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.

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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

281

plantas, de tal manera que se evita condiciones anaeróbicas con la consecuente muerte de la vegetación.

El caudal de agua excesivo 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.

Para realizar un correcto diseño y lograr una evacuación rápida del agua

OS D A V ER S E R S

presente en las áreas de actividad deportiva se debe tener en cuenta la siguiente metodología:

HO C E R DE

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:

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

282

Donde IR = Precipitación máxima horaria de frecuencia anual, registrada en la zona del proyecto. Usualmente se toma el intervalo entre 60 y 120 minutos y se escoge la curva de 2 años. A = Area 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)

OS D A V Para el cálculo del caudal por abatimiento EdelRnivel freático se puede emplear la S E R OS H C metodología expuesta anteriormente. E DER Caudal por abatimiento del Nivel Freático

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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

283

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.

OS D A V necesarios para el desarrollo de la capa vegetal. ER S E R OS H C E DER

La mezcla obtenida debe conservar una adecuada proporción de nutrientes

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%.

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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

284

Figura 6.36 Sumideros para incremento de velocidad de respuesta del drenaje

OS D A V ER S E R geotextil con capacidad de drenaje OSen su plano o sifones de geotextil o de arena (Ver H C E ER Figura 6.36). D

Estos sumideros son elementos de drenaje vertical que pueden ser cortinas de

Estos elementos de drenaje vertical se deben colocar mínimo uno por metro cuadrado.

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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

285

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 diseñar el espesor necesario del colchón drenante se debe tener en cuenta lo siguiente:

OS D A V ER S E R S

HO C E R Donde:DE

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:

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

286

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

OS D A V ER S E R S

Otra alternativa para el colchón drenante es el uso del geodrén planar, el cual presenta ventajas tales como:

HO C E R DE

• 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 en los cuales se evalúan las propiedades del geotextil como medio filtrante y al geocompuesto como medio drenante, verificando su permisividad y su capacidad de conducción en el plano del mismo con pendientes mínimas.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

287

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 6.37.

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

Figura 6.37 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 anteriormente descrita

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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

288

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.

6.8 MUROS DE CONTENCIÓN REFORZADOS CON GEOSINTÉTICOS

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.

que

OS D A V Tradicionalmente se han venido utilizando muros de contención por gravedad ER S E R S HO C absorben las R presiones horizontales gracias a su gran masa. Una de las E DE

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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

289

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.

OS D A V Los muros de contención reforzados con ERgeosintéticos se han convertido S E R OSde construcción frente a los muros de concreto H C mundialmente en una alternativa E DER 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.

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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

290

La evolución en este campo ha sido tan grande, que hoy en día, gracias a investigaciones realizadas por la FHWA (Federal Highway Administration) de EEUU, se han desarrollado métodos constructivos y de diseño para conformar las pilas de puentes, en suelo reforzado con geosintéticos.

6.8.1 Metodología de Diseño

Al incluir un material con resistencia a la tensión dentro de una masa de suelo

OS D A V R conjunto, básicamente por el esfuerzo cortante desarrollado entre el geosintético y las E S E R OS H C capas de suelo adyacentes. E DER

que debe soportar una serie de empujes, se logra aumentar la resistencia general del

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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

291

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.

OS D A V ER S E R S

6.8.1.1 Establecimiento de límites del diseño, alcance del proyecto y las cargas externas

HO C E R DE

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 6.38)

Figura 6.38 Continuidad de las capas de refuerzo

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

292

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.

Evaluar las cargas externas y su ubicación (Ver Figura 6.39).

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

Figura 6.39 Conceptos de presión de suelos y teoría de muros con Geotextil

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

293

En el caso de existir un terraplén sobre el muro, determinar la inclinación ß con respecto a la horizontal y definirlo como una sobrecarga.

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

OS D A V R verificar el comportamiento por el muro reforzado con geosintético. S SeE deberá E R OS H C estructural de la fachada independientemente de la estructura en suelo reforzado. E DER conformar la fachada, la cual no soportará ningún tipo de empuje horizontal originado

• 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.

• 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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

294

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

OS D A V construcción de la fachada con elementos prefabricados ER los cuales están conectados S E R OS pero igual que los recubrimientos realizados H C con el refuerzo y son de fácil colocación, E DER recubiertos con los productos anteriormente mencionados haciendo énfasis en la

con mampostería estructural, el comportamiento de estos debe ser verificado garantizando su estabilidad independientemente de la estructura en suelo reforzado.

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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

295

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

OS D A V de drenaje con geodrén o cualquier otra forma EdeRdrenaje sugerida por el ingeniero S E R OS H C diseñador del proyecto. E DER

gravas con granulometría entre 1/2” y 3”, otra alternativa es la colocación de un sistema

El colchón drenante está constituido por un espesor de material granular, que en lo posible debe cubrir toda la superficie de fundación 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, d, sobre el que se apoya, varía del 92 al 96% de f dependiendo del tipo de suelo (Ver Tabla 10.5). El agua captada por el drenaje chimenea deberá ser conducida a un sistema de evacuación.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

296

• 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

OS D A V ER S E R S

muro, evitando así la socavación de la base de la estructura.

HO C E R DE

• 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. 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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

297

6.8.1.2 Determinacion de las propiedades del suelo de fundación.

Se debe: Determinar los parámetros de resistencia cu, o c’ y f’. Determinar los pesos unitarios .t, .d y las propiedades índice del material. Localización del nivel freático. Determinar las propiedades del suelo a usar en la construcción del muro y Ias del relleno de confinamiento.

OS D A V especificaciones mínimas exigibles para los materiales ER de relleno. S E R OS H C E DER

Determinar la gradación y el índice de plasticidad, verificando si cumplen con las

Los requisitos para materiales a utilizar en la conformación de terraplenes, según

INVIAS de Colombia, son los siguientes: Tabla 6.15 Especificaciones de material para construcción de terraplenes

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

298

De acuerdo con la Federal Highway Administration (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:

Tabla 6.16 Especificaciones suelos de relleno, según la FHWA

OS D A V ER S E R Índice de plasticidad no debe OSser mayor a 6 H C E DER 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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

299

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.

Debe determinarse la humedad óptima ω optima y el γ

max

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.

OS D A V ER directo drenados o de los triaxiales. S E R OS H C E DER

Se debe obtener el ángulo de fricción interna por medio de los ensayos de corte

6.8.1.3 Establecimiento de factores de seguridad a usar durante el diseño.

Estabilidad Interna. Debe determinarse la resistencia a la tensión admisible del geotextil.

Donde: Tult = Resistencia última del geotextil por el método de la tira ancha. (ASTM D 4595) FS

g

= 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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

300

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.

Estabilidad externa y asentamientos. Los factores que se mencionan a continuación son los factores mínimos recomendados por la AASHTO para el cálculo y

OS D A V la FHWA. La selección de estos valores deben ERser establecidos por el ingeniero S E R OSgeomecánicas de los materiales a utilizar y de las H C diseñador según las características E DER diseño de muros en suelo reforzado para accesos a puentes según los lineamientos de

condiciones propias del proyecto.

Tabla 6.17 Factores de seguridad mínimos para análisis estático

Tabla 6.18 Factores de seguridad para análisis sísmico

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

301

6.8.1.4 Diseño de Estabilidad interna.

Debe determinarse 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

OS D A V ER S E R S

inicialmente mayor o igual a 0.7 veces la altura máxima.

HO C E R DE

Deben desarrollarse 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.

Deben calcularse los máximos esfuerzos horizontales en cada capa de refuerzo.

Debe diseñarse 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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

302

Donde:

σ

PS =

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

S O D A V z = Profundidad desde la superficie hasta E la capa R en estudio S E R OS H σ = Presión debida a sobrecargas C E DER SC

q = γ *D. Sobrecargas en la superficie, donde γ es el peso unitario de la

sobrecarga D = Profundidad del suelo de sobrecarga

σ

CV

= 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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

303

totales y sumando las fuerzas en la dirección horizontal, se obtiene la siguiente ecuación, para calcular la separación vertical entre las capas de refuerzo.

Donde:

SV = Separación vertical (Espesor de cada capa) Tadm = Esfuerzo admisible del geosintético, calculado según ecuación (10.2)

σ h = La presión lateral total en la profundidad total

OS D A V ER S E R S

FSg = Factor de seguridad global (usar 1.3 a 1.5)

HO C E R DdeElas longitudes de desarrollo del refuerzo con geosintético: • Cálculo Estas se componen por tres longitudes, que sumadas dan la longitud total a utilizarse por capa en la sección transversal del muro.

1. Longitud geométrica hasta la zona de falla, Lg (Ver Figura 10.3)

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

304

OS D A V ER S E R S

Figura 6.40 Despiece de las capas HO C E R DE

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 suelogeotextil o suelo-geomalla se desarrollan las fuerzas resistentes.

Figura 6.41 Cálculo de la longitud de empotramiento del refuerzo

Haciendo sumatoria de fuerzas en X: Σ Fx, se obtiene:

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

305

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

OS D A V ERlos materiales presentes en cada Ssegún E R permite obtener diseños óptimos yS eficientes HO C E R DE proyecto. recomienda realizar en aplicaciones de refuerzo con geosintéticos, con los cuales se

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:

Donde:

FC = Fuerza de adherencia suelo – geotextil a lo largo de la longitud de empotramiento

Ca = Cohesión suelo – geotextil

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

306

tan δ = Coeficiente de fricción suelo – geotextil

σ h = 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

OS D A V porcentaje estimado a usar en campo (se recomienda ER que sea al 95% del ensayo S E R OS C Proctor modificado),R una vezH se compacta la última capa de material, se enrasa y se E DE representativa del suelo ubicada en la parte inferior de la caja y es compactada al

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, τ

max

en función del esfuerzo normal, σ n, dibujando la

envolvente de falla para los diferentes niveles de esfuerzo calculados (Ver Figura 6.42) se miden en esta gráfica los valores de Ca y δ .

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

307

Figura 6.42 Envolvente de falla ensayo de corte directo para geosintéticos

OS D A V material de relleno para determinar cual es la eficiencia ER del sistema suelo – geosintético S E R OS H C contra la interacción suelo – suelo. E DER

Una vez finalizado el ensayo se puede realizar el ensayo de corte directo para el

Según la norma ASTM D 5321, 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: • 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)

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

308

Figura 6.43 Ensayo de corte con geosintéticos

OS D A V R tales como su granulometría, Erelleno, las propiedades físicas y mecánicas del suelo de S E R S O H C E plasticidad y lasE D másRimportantes la cohesión y fricción del suelo. En el capítulo 4 se Las magnitudes de Ca y δ dependen directamente del tipo de geosintético y de

describe el procedimiento de ensayo según la norma ASTM D 5321.

En las Tablas 6.18 y 6.19 se hace referencia a 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 6.18 Valores típicos de

δ

para distintos tipos de arenas

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

309

Para suelos con porcentaje de contenido de finos se tienen los siguientes valores:

Tabla 6.19 Valores de C a y

δ

para suelos con contenido de finos

y geotextiles tejidos de cinta plana

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

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 0.7 φ y 0.85 φ , siendo 0.7 φ 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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

310

La longitud total a usarse para cada capa de geotextil será:

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

OS D A V ER S refuerzo sea la misma en toda la altura R del E muro. OS H C E DER

estructuras sea mayor o igual a 0.7 veces la altura del muro y que la longitud del

6.8.1.5 Análisis de la estabilidad externa del muro

Se debe: • 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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

311

6.8.1.6 Análisis de la estabilidad dinámica

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

OS D A V Okabe, la cual es una modificación de la teoría propuesta ER por Coulomb. S E R OS H C E DER

el suelo para el diseño de estructuras de contención es la propuesta por Mononobe-

Según Mononobe-Okabe el empuje total activo en condiciones de sismo es:

Para suelos granulares

El cálculo o la estimación del coeficiente de presión activo Kas se determina mediante las siguientes ecuaciones:

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

Donde:

312

OS D A V ER S E R S

α = Ángulo de inclinación del trasdós

HO C E R DE

ß = 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

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 6.17).

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

313

6.8.1.7 Diseño de los sistemas de drenaje

Para el control de aguas superficiales y subsuperficiales. En la presente investigación, numeral 6.6 y numeral 6.7, se presentan dos guías sobre el diseño de sistemas de drenaje donde se explica todo el procedimiento a realizar.

6.9 REFUERZO DE TALUDES

OS D A V Los geotextiles y en general los geosintéticos ER complementan las falencias que S E R S Opermitiendo H C presentan los materiales térreos, obtener excelentes ventajas técnicas y E DER 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.

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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

314

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° + f/ ).

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.

OS D A V R de alta resistencia colocado en Un adecuado diseño de capas de geotextil Etejido S E R S a la tracción, de tal manera que el factor de Orefuerzo H C la base del terraplén suministra E DER seguridad ante la falla por efecto del peso del terraplén aumente hasta un valor confiable.

A continuación se presenta 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. Asimismo 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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

315

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

OS D A V R utilización de geotextiles en terraplenes ofrece la de construcción de estos Eposibilidad S E R S O H C sobre suelos de baja capacidad portante. E DER

ahorros en volumen de material y menor área para la construcción, también la

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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

316

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.

6.9.1 Beneficios del uso de geotextiles en la construcción de taludes de terraplenes reforzados

OS D A V terraplenes presenta beneficios técnicos y económicos ER tales como: S E R OS H C E DER

La utilización de geotextiles Tejidos en la construcción de los taludes en

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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

317

6.9.2 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

OS D A V ER S E R S

fuerzas movilizantes.

HO C E R DE

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 necesaria 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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

318

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

OS D A V ER S E R S

metodología:

HO C E R DE

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. Determinar 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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

319

6.9.3 Procedimiento de Diseño

6.9.3.1 Establecimiento de las dimensiones geométricas y condiciones de carga Geometría y condiciones de cargas:

• Altura del terraplén, H. • Ángulo del o de los taludes del terraplén, ß. • Se debe establecer las cargas externas que tendrán el terraplén tales como

OS D A V ER S E R S

sobrecargas (Q), (q), cargas vivas, diseño sísmico, aceleración α g.

HO C E R DE

6.9.3.2 Perfil estratigráfico del suelo de fundación, y determinación de las propiedades geotécnicas

• Es muy importante conocer el perfil estratigráfico, propiedades geotécnicas de los suelos de fundación encontrados: Gradación e índice de plasticidad, cu, φ u y/o c’, φ ’ y parámetros de consolidación para el cálculo de los asentamientos ( Cc, Ct, Cvy , φ p’ ), con el objetivo de revisar las condiciones de fundación del terraplén, se aclara que en esta metodología de diseño se suponen condiciones óptimas de fundación.

De presentarse problemas de inestabilidad por malas condiciones de fundación es necesario estudiar alternativas de estabilización tales como: refuerzo de base de terraplenes con geotextil, reemplazo de materiales, fundación profunda, etc.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

320

• 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.

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

Figura 6.44 Esquema terraplén

6.9.3.3 Establecimiento de 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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

321

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. Tabla 6.20 Gradación para terraplenes recomendada por la especificación AASHTO-00

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

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 ( γ

dmax,

ωóptima).

• Parámetros de resistencia al corte, cu, φu γ c’, φ’.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

322

6.9.3.4 Establecimiento de los parámetros de diseño del geotextil de refuerzo

a. Obtener la resistencia a la tracción disponible del geotextil (Tadm) como:

Donde:

OS D A V ER S E R S

Tult = Resistencia última del geotextil por el método de la tira ancha. (ASTM D 4595)

HO C E R DE

Tadm = Resistencia a la tracción disponible del geotextil FRID = Factor de reducción por daños de instalación FRFL = Factor de reducción por fluencia o creep

FRDQB = Factor de reducción por degradación química y biológica

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.

Donde: Treq = Resistencia Pullout requerida PR = Resistencia Pullout por unidad de ancho de refuerzo

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

323

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

σ v = Esfuerzo vertical total

6.9.3.5 Análisis de estabilidad de los taludes del terraplén sin refuerzo

OS D A V Cuando la inclinación de las caras o taludes delR terraplén no son simétricas o las E S E R OS es necesario hacer análisis de estabilidad a los H C condiciones de frontera son diferentes E DER

Se realiza un análisis de estabilidad de los taludes del terraplén sin refuerzo.

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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

324

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 6.45).

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

Figura 6.45 Resultado de un análisis de estabilidad a un talud sin refuerzo Realizado en PCSTABLE 6

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

325

6.9.3.6 Diseño del refuerzo necesario para la estabilidad del talud

Teniendo en cuenta las superficies de falla con factores de seguridad menores a .5, determinados en un programa de estabilidad de taludes ó trazando superficies de falla y aplicando la ecuación de equilibrio límite como:

Donde:

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE de la superficie de falla = Longitud

τ = Resistencia al corte del suelo Lsf

R = Radio W = Peso del segmento de tierra q = Sobrecarga

Figura 6.46 Esquema superficie de falla

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

326

Para la superficie de falla que se está diseñando el refuerzo, calcule el momento desestabilizante MD y el momento resistente MR.

Como:

Donde:

OS D A V FS = Calculado en el programa de estabilidad ERu obtenido manualmente S E R S O H C E trazando superficiesR DE de falla. U

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:

Donde: FSR = Factor de seguridad requerido (Normalmente es .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:

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

327

Se repite lo anterior hasta obtener una distribución adecuada.

Para taludes con alturas bajas (H < 6 m) se asume una distribución uniforme del refuerzo y se usa T para determinar el total espaciamiento del refuerzo.

Para taludes altos (H > 6 m) divida el talud en dos zonas de refuerzo (T superior y Tinferior) o en tres zonas de refuerzo. (Tsuperior, Tmedio y Tinferior) de iguales dimensiones y

OS D A V ER S E R S

use la siguiente distribución de T:

HO C E R DE

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

Determinar el espaciamiento vertical del refuerzo Sv.

Para cada zona, se calcula la tensión de diseño del refuerzo, Tgdm, requerida para cada capa basada en asumir el espaciamiento Sv. Si la resistencia a la tensión es

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

328

conocida, se debe calcular el espaciamiento vertical y el número de capas de refuerzo, N, requerida para cada zona como:

Donde: Rc = Porcentaje de cubrimiento del refuerzo (Rc= para planos continuos). T zona = Resistencia máxima a la tensión requerida para cada zona; Tzona igual a

OS D A V ER S = Espaciamiento vertical del refuerzo. S E R OS H C E H = Altura DERde la zona y es igual en la parte superior, media e inferior para

Ttotal para taludes bajos (H < 6 m). v

zona

taludes altos (H > 6 m).

Determinar la longitud de empotramiento requerida, Le.

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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

329

α= Factor de transferencia - usar 0.8 a 1.0. Le = Longitud de empotramiento, mínima de 1m. 6.9.3.7 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.

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

Donde:

FSD = Factor de seguridad al deslizamiento (> .5) L = Longitud del refuerzo en la capa inferior H = Altura del talud PA = Presión activa de tierra

δ

sg

= Ángulo de fricción entre el suelo de fundación y el geotextil

ß = 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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

330

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.

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. Debe estimarse la

OS D A V ER S E R S

magnitud del asentamiento, usando métodos tradicionales de la geotecnia.

HO C E R DE

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, ya que son vitales en garantizar la estabilidad de la estructura. Básicamente son de dos tipos: 1. Dren Chimenea: Ubicado en el espaldon del terraplén y consiste en un espesor de grava entre 30 a 60 cm forrado con geotextil No Tejido (Ver Figura 6.46).

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

331

2. Lloraderos: Consisten en tuberías perforadas normalmente de ½” 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 fundación protegido con un geotextil No Tejido diseñado para que pase el agua y retenga las partículas finas

OS D A V ER S E R S

de la estructura; este elemento ayuda a la disipación de la presión de poros y al abatimiento del nivel freático.

HO C E R DE

Figura 6.46 Esquema de obras de subdrenaje en un terraplén

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

332

6.10 REFUERZO DE TERRAPLENES SOBRE 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 colocado en la base del terraplén permite desarrollar un

OS D A V del peso del terraplén aumente hasta un valorS confiable. ER E R OS H C E DER

refuerzo a la tracción de tal manera que el factor de seguridad ante la falla por efecto

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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

333

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

OS D A V económicamente más conveniente puedeSser ERla combinación de tratamientos E R S Oreemplazos H C convencionales como por ejemplo de materiales en la fundación alternados E DER costo comparado con otras alternativas. En algunos casos la solución técnica y

con el refuerzo del geosintético.

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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

334

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.

6.10.1 Consideraciones de diseño

OS D A V En los terraplenes construidos sobre suelos blandos de baja capacidad portante ER S E R S HdeO C se puede presentarR tres tipos falla: E DE

a. Por capacidad portante.

b. Falla rotacional de base.

c. Falla por desprendimiento lateral

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

335

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.

por

OS D A V R es el final de la construcción, El momento más crítico de estabilidad S delE terraplén E R HOSque presta el refuerzo es durante el proceso C tal motivo el R mayor beneficio E DE

constructivo.

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, 989).

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

336

6.10.2 Metodología de Diseño

6.10.2.1 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, ß.

OS D A V (Q), (q), cargas vivas, diseño sísmico, aceleración Eαg.R S E R S revisar la tasa de incremento de esfuerzo en el HO(para C • Tiempo de R construcción E DE • Establecer las cargas externas que tendrá el terraplén tales como sobrecargas

suelo de fundación).

• Condiciones ambientales tales como drenajes naturales, probabilidad de infiltraciones.

6.10.2.2 Perfil estratigráfico, propiedades geomecánicas del suelo de fundación y 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, φ u y/o c’, φ ’ y parámetros de consolidación para

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

337

el cálculo de los asentamientos (Cc, Ct, Cv y , σ p’) 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 6.47.

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

Figura 6.47 Esquema Terraplen

6.10.2.3 Propiedades del suelo a utilizar para la construcción del terraplén.

• Clasificación, propiedades índice. • Propiedades para la compactación del Proctor modificado, densidad máxima y humedad óptima de compactación ( γ

dmax,

ωóptima).

• Parámetros de resistencia al corte, cu, φu γ c’, φ’.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

338

6.10.2.4 Establecer los parámetros de diseño del geotextil de refuerzo

a. Obtener la resistencia a la tracción disponible del geotextil (Tadm) como:

Donde: Tult = Resistencia última del geotextil por el método de la tira ancha. (ASTM D 4595) Tadm FRID

OS D A V = Resistencia a la tracción disponible delR geotextil E S E R HOporSdaños de instalación C = FactorR deE reducción DE

FRFL = Factor de reducción por fluencia o creep

FRDQB = Factor de reducción por degradación química y biológica

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.

Donde: Treq = Resistencia Pullout requerida PR = Resistencia Pullout por unidad de ancho de refuerzo

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

339

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

σ v = Esfuerzo vertical total

6.10.2.5 Chequeo por Capacidad Portante

OS D A V terraplén se puede calcular la capacidad portante por métodos clásicos. (Terzghi and ER S E R OS H C Peck, 967; Vesic, 975; Perloff and Baron, 976; and U.S. Navy, 982) los cuales asumen E DER Cuando el espesor del estrato de suelo blando es mayor que el ancho del

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:

Donde:

Nc = Es el factor de capacidad portante, usualmente se toma 5.14. cu = Resistencia al corte no drenada del suelo de fundación.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

340

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 fundación, reemplazo de materiales etc.

6.10.2.6 Chequeo a la falla Rotacional de Base

OS D A V R de fundación con el objetivo de equilibrio límite de estabilidad que involucre S el E suelo E R OdeSfalla (Ver Figura 6.48). H C determinar la superficie potencial E DER

Para revisar contra la falla rotacional, se debe hacer un análisis clásico de

Figura 6.48 Análisis de estabilidad de un terraplén sin refuerzo construido sobre un suelo blando. Realizado en el PCSTABLE5.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

341

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.

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

Figura 6.47 Modelo de falla rotacional del terraplén para el diseño del refuerzo

ß = θ . Para arcillas sensitivas, slurry, lechadas o arcillas marinas. Condiciones extremas. ß= θ /2 Si D/B < 0.4 y suelos con compresibilidad de moderada a alta, suelos arcillosos y turbas. ß= θ Si D/B ≥ 0.4 y suelos altamente compresibles. Arcillas blandas y turbas

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

342

6.10.2.7 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

OS D A V ER S E R S

valor confiable. Esto se hace calculando los refuerzos adicionales.

HO C E R DE

Figura 6.48 Desprendimiento lateral del talud

La ecuación para el cálculo del factor de seguridad por desprendimiento lateral es la siguiente:

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

343

6.10.2.8 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)

OS D A V ER S E R S

HO C E R Recomendaciones DE 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 0 %

• Suelos cohesivos

Egeotextil = 2 %

•Turbas

Egeotextil = 2 al 0 %

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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

344

• 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

6.11 REFUERZO DE FUNDACIONES CON GEOSINTÉTICOS

OS D A V éstas pueden transmitir una presión de contacto de tal forma que se generan unas ER S E R S a superar la resistencia al corte del suelo de O H C fuerzas de corte que pueden llegar E DER Cuando se construyen estructuras sobre suelos de baja capacidad portante,

fundación, dando como resultado una falla por capacidad portante o por asentamiento en la fundación.

Un adecuado diseño de capas de geosintéticos de alta resistencia a la tensión instalado en la fundación 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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

345

La capacidad de carga última de fundaciones superficiales puede mejorase incluyendo refuerzo de tensión como geotextiles y geomallas en el suelo que soporta la fundación. 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 fundaciones superficiales que descansan sobre suelo granular reforzado.

6.11.1 Consideraciones De Diseño Las fundaciones superficiales reforzadas con geosintéticos presentan una

OS D A V enumeran los modos de falla que pueden presentar en este tipo de estructuras: ER S E R OS H C E DER

variación del modo de falla respecto a las fundaciones no reforzadas, a continuación se

6.11.1.1 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 fundación.

Figura 6.49 Falla por cortante arriba del refuerzo

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

346

6.11.1.2 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.

OS D A V ER Figura 6.50 Falla por longitud deS empotramiento insuficiente E R OS H C E DER 6.11.1.3 Falla por tensión del material de refuerzo Aunque todos los tipos de falla se deben chequear para el diseño de la fundación, 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.

Figura 6.51 Falla por tensión del material de refuerzo

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

347

6.11.1.4 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 fundación, controlando así los asentamientos que se puedan generar.

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

Figura 6.52 Falla del material por fluencia

6.11.2 Metodología de Diseño

6.11.2.1 Localización de la superficie de falla.

Para el modo de falla a tensión del material de refuerzo la Figura 6.53 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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

348

OS D A V ER S E R S

Figura 6.53 Mecanismo de falla baja fundaciones reforzadas

La

HO C E R Figura DE6.53 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 fundación, 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 fundación, para una profundidad dada. El esfuerzo cortante t xy es el esfuerzo desarrollado a una profundidad z y a una distancia x medida desde el eje de la fundación. Integrando la ecuación de Bousinnesq, el esfuerzo cortante se calcula de la siguiente manera:

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

349

Donde: b = Ancho medio de la fundación o B/2 B = Ancho de la fundación qR = Carga por área unitaria de la fundación

El límite exterior de la zona I se refiere a los puntos donde el valor del esfuerzo

OS D A V R distancia es variable y se puede Eesta S E cortante es máximo para una profundidad dada, R OS H C E calcular mediante DElaRsiguiente figura. cortante es máximo para una profundidad z. X o es la distancia en la cual el esfuerzo

Figura 6.54 Localización del esfuerzo cortante máximo para una profundidad z, dado un ancho de fundación B

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

350

6.11.2.2 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 fundación, según la hipótesis mencionada anteriormente, ambos tipos de fundación poseen el mismo asentamiento Se.

• Caso no reforzado:

OS D A V la fuerza cortante máxima localizada a unaS distancia ER X. E R OS H C E DER

Las fuerzas presentes para este caso son las fuerzas F1 y F2, ambas verticales y

S1

Figura 6.55 Fuerzas actuantes en fundaciones no reforzadas

Por lo tanto las fuerzas aplicadas sobre la capa de suelo son las siguientes: 0

= F1 – F2 – S1

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

351

• Caso reforzado: En el caso de la fundación 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.

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

Figura 6.56 Fuerzas actuantes en fundaciones no reforzadas

Las fuerzas aplicadas sobre cada capa de suelo son las siguientes: 0

=

F3 – F4 – 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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

352

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 X desde el eje de la fundación, causados por las cargas qo y qR.

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

Integrando y simplificando la solución de Bousinesq se tienen las siguientes ecuaciones:

Donde A1 y A2 están dados en función de z y B.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

353

OS D A V ER S E R S

Figura 6.57 Variación de A1, A2, A3 con respecto a z/B

HO C E R DE con el reemplazo de las ecuaciones se obtiene: Continuando

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:

Donde N es el número de refuerzos a incluir bajo la fundación.

Combinando las ecuaciones de T y Tult, la ecuación para el cálculo de la fuerza a la que es sometida el refuerzo es la siguiente:

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

354

Donde: T(N) = Fuerza desarrollada por cada capa del refuerzo N = Número de capas de refuerzo en la fundación qo = Carga admisible por área unitaria de la fundación qR = Carga aplicada por área unitaria de la fundación A1 = Factor para el cálculo de fuerzas verticales en el suelo

OS D A V ER S E R S

A2 = Factor para el cálculo de fuerzas cortantes en el suelo B = Ancho de la fundación

HO C E R DE

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.

Donde: Tult = Resistencia última del geotextil por el método de la tira ancha. (ASTM D 4595) Tadm = Resistencia a la tracción disponible del geotextil o geomalla 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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

355

6.11.2.3 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 fundación 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

OS D A V falla la cual es calculada por la siguiente ecuación: ER S E R OS H C E DER

refuerzo. Esta corresponde a la superficie de empotramiento por detrás de la zona de

La fuerza normal la definen la fuerza generada por la disipación de la carga de la fundación 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

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

356

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 6.57 en función del ancho y de la profundidad.

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

Figura 6.58 Variación de L o/B con respecto a z/B

Simplificando el término de la integral, la ecuación queda de la siguiente forma:

Donde A3 esta expresada en función de la profundidad y el ancho de la fundación (Ver Figura 6.56). El factor de seguridad contra el Pullout del refuerzo es:

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

357

6.11.3 Procedimiento para el Diseño de Fundaciones Reforzadas

1. Con base en las propiedades geomecánicas del suelo de fundación determine la capacidad portante admisible, qadm.

2. Según las propiedades del suelo de mejoramiento, se establece el peso unitario total, y ángulo de fricción del material.

OS D A V la primera capa de refuerzo, d, y el número de capas, ER N. La ubicación más efectiva del S E R S cuando la profundidad de la capa superior O H C refuerzo con geosintéticos se produce E DER

3. Según el ancho de fundación, B, preestablecido, se supone la profundidad de

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. Se calcula la magnitud de qR para la fundación reforzada con el geosintético: qR

=

Donde: QL = Carga lineal sobre el cimiento B = Ancho del cimiento

QL / B

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

358

5. Se calcula la fuerza requerida por cada capa del refuerzo utilizando la ecuación de TN. Se recomienda realizar una tabla especificando la profundidad de cada capa, y los cálculos necesarios para calcular la magnitud del refuerzo.

6. Se determinan los factores de reducción del material de refuerzo según las condiciones del proyecto y las tablas de reducción indicadas.

7. Se compara la fuerza desarrollada por el refuerzo del cimiento, T(N), con la

OS D A V seleccione el más apropiado con base en que el R factor de seguridad sea mayor a la E S E R OS H C unidad. E DER

resistencia admisible de los geosintético disponibles para la aplicación de refuerzo y

8. Se calcula la resistencia por fricción del refuerzo con geosintético por longitud unitaria de fundación, FB, verificando que la longitud de empotramiento sea suficiente para cada una de las capas de refuerzo. Debe tenerse en cuenta que la distancia mínima de empotramiento no puede ser menor a 0.5 m.

9. Se realiza el esquema del diseño final de la fundación teniendo en cuenta el número de capas, la profundidad, la separación y el tipo de refuerzo empleado de las mismas.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

359

6.12 IMPERMEABILIZACION CON GEOMEMBRANAS

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.

OS D A V geosintéticos en ventas detrás de los geotextiles, EsinRembargo en volúmenes de dinero S E R OS H C son las geomembranas las que ocupan el primer lugar. Su crecimiento ha sido E DER

Las geomembranas representan el segundo grupo más importante de

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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

360

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

OS D A V ER S E R S

largo periodo de servicio.

HO C E R DE

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:

• 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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

361

6.12.1 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.

OS D A V utiliza la geomembrana y calcular el valor requerido ERpara esa propiedad en particular. S E R OS H C En el caso del diseño para la geomembrana, se comparan las resistencias del material E DER

El diseño por función consiste en evaluar la principal aplicación para la cual se

con el valor requerido en el diseño para una misma propiedad, obteniendo un factor de seguridad global FSg

Donde: Resistencia Admisible: 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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

362

6.12.1.1 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:

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

Figura 6.59 Modelo de diseño utilizado para calcular el espesor de la geomembrana

La tensión inducida en la geomembrana es igual al esfuerzo admisible por el espesor.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

363

Donde:

T = Tensión mobilizadora en la geomembrana

σ

adm

= Esfuerzo admisible en la geomembrana

t = Espesor de la geomembrana

Entonces reemplazando estos valores en la ecuación anterior se tiene que:

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE Donde:

ß = Ángulo que forma el movimiento de la geomembrana a tensión con la horizontal FU σ = 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) FL σ = 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

σ n= Esfuerzo aplicado por el material de relleno

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

364

δ U= Ángulo de fricción entre la geomembrana y el material superior (ASTM D 5321)

δ L= Ángulo de fricción entre la geomembrana y el material inferior (ASTM D 5321) x = Distancia de movilización de la deformación de la geomembrana

Tabla 6.21 Ángulos de fricción geomembrana - suelo y geomembrana - geotextil Según ensayo ASTM D 5321

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

6.12.1.2 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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

365

Figura 6.60 Fuerzas actuantes con suelos de cobertura sobre la geomembrana de recubrimiento,

OS D A V ER S E R S

con profundidad del suelo constante

HO C E R DE

Para realizar el cálculo de la estabilidad de la cobertura se chequea un F.S. por equilibrio limite.

Donde:

W = Peso del material de relleno ß = Ángulo de inclinación del talud con la horizontal

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

δ

U

366

= Ángulo de fricción entre la geomembrana y el material superior

L = Longitud de la inclinación Tadm= σ

adm*

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.

OS D A V R 6.12.1.3 Diseño de la Longitud y Zanja de EAnclaje S E R OS H C E DER

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.

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

367

OS D A V ER S E R S

HO C E R DE

Figura 6.60 Sección transversal de la longitud de desarrollo de una geomembrana con zanja de anclaje y fuerzas actuantes

Donde: LRO = Longitud de desarrollo PA = Presión activa de tierras contra el material de relleno de la zanja de anclaje PP = Presión pasiva de tierras contra el suelo in-situ de la zanja de anclaje

γ

AT

= Peso Especifico del suelo de la zanja de anclaje

dAT = Profundidad de la zanja de anclaje

σ n = Esfuerzo normal aplicado por el suelo de cobertura

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

368

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 de Tadm 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.

OS D A V ER S 6.12.1.4 Chequeo por supervivencia E R OS H C E DER 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,

Capítulo VI – Aplicabilidad de los tipos de Geosintéticos en el diseño de Obras Civiles. __________________________________________________________________________________

369

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

OS D A V Rsitio. estar relacionadas con las condiciones especificas Edel S E R OS H C E DER

para todas las condiciones, el espesor mínimo y sus propiedades subsecuentes deben

La Tabla 6.22 nos muestra valores a cuatro niveles diferentes de supervivencia. Tabla 6.22 Valores mínimos recomendados para supervivencia de la geomembrana en el proceso de instalación

Fuente de Todas las tables y gráficos del presente capítulo: Designing With Geosynthetics 5ta Edición. Robert Koerner.

Conclusiones y S O D A RV E S E R S O Recomendaciones H C DERE

Conclusiones

371

__________________________________________________________________________________

CONCLUSIONES

La búsqueda de información referente al uso de los geosintéticos en Venezuela corrobora la poca competencia de los métodos de diseño de pavimentos en el país. El uso de métodos estadísticos está fuertemente instituido para toda clase de diseños viales, desde corredores urbanos hasta carreteras. Estos métodos no sólo no son acordes con los avances en investigación respecto al tema sino que no permiten la inclusión en el diseño de algún material geosintético, hecho que, por consiguiente,

OS D A V ER S E R S

permite suponer un diseño con geosintéticos puramente artesanal, contrario al estado del arte mundial.

HO C E R DE

La diferencia significativa en el uso de los materiales geosintéticos en el mundo con respecto a Venezuela es más de tipo académico que funcional. El uso de los geosintéticos internacionalmente está acompañado de investigación previa y posterior al hecho mismo de su aplicación, a través de evaluaciones in situ que permitan verificar el buen funcionamiento de los proyectos. La cultura del aprendizaje, mediante la investigación de las condiciones de los proyectos realizados, no es una práctica muy común en el país; y si se tiene en cuenta la poca inversión en investigación y desarrollo, tanto del gobierno como de la empresa privada, el panorama futuro no es muy alentador.

Algunas de las empresas productoras realizan inversiones en investigación. Prácticas como esta deben incentivarse para masificar el uso responsable de los

Conclusiones

372

__________________________________________________________________________________

geosintéticos. El método de diseño con geosintéticos debe garantizar la optimización de todos los factores que se encuentran en torno a la materialización del proyecto. Se deben evaluar todas las alternativas posibles de manera que la elección de este diseño, de resultar viable, satisfaga todos los criterios de evaluación.

Es necesario dejar en claro la imposibilidad de crear un modelo único para el diseño con geosintéticos. Esto se debe a la gran cantidad de factores que involucra este procedimiento y a lo específicos que pueden llegar a ser para cada proyecto. De esta

OS D A V cómo el geosintético va a mejorar algunaScondición ER dentro de un proyecto de E R OSde estos materiales en el país debe realizarse a H C pavimentación. El uso responsable E DER manera, no existe un algoritmo o un programa que pueda decidir de forma general

través de la participación conjunta del Estado, las empresas productoras y las empresas constructoras.

Recomendaciones

373

__________________________________________________________________________________

RECOMENDACIONES

Con el objetivo de mejorar las condiciones que determinan el uso de los geosintéticos en nuestro país, se sugieren algunos procedimientos que establecen líneas de investigación y propician la difusión de la tecnología de los geosintéticos en Venezuela.

• Mente abierta al diseño. Al diseñar con geosintéticos se deben tener en

OS D A V gastos en tiempo y las inversiones en investigación. ER Además, se debe tener claridad S E R OunSúnico modelo de diseño con geosintéticos, pese a H C sobre la imposibilidad de lograr E DER cuenta múltiples factores, tales como los ambientales, los ahorros monetarios, los

que son materiales con características estandarizadas. Las mejoras producidas en cada proyecto dependen de sus condiciones particulares, razón por la cual se debe conocer

el entorno en el que se va a diseñar por medio de una investigación cautelosa en la región de interés.

• Evitar el manejo comercial. Es importante evitar que el manejo comercial afecte el conocimiento real que debe tener el ingeniero sobre las propiedades inherentes a los geosintéticos. La tendencia actual es considerar a los geosintéticos como productos, más que como materiales especiales que requieren un empleo cuidadoso. En esta medida, se deben reasaltar los esfuerzos que vienen realizando instituciones académicas y comerciales en la difusión del tema.

Recomendaciones

374

__________________________________________________________________________________

• Establecer academia. La mejor forma de garantizar diseños eficientes con el uso de los geosintéticos, es garantizar que quienes lo hacen tienen un criterio formado por el estudio de las propiedades de los materiales y por la experiencia recolectada, más que por la utilización de la “fórmula” o el testimonio de algún cercano que obtuvo buenos resultados. Se debe hacer énfasis en la necesidad de crear conocimiento, pues como indican las teorías de crecimiento económico, en la medida en que se tiene más conocimiento se es más receptivo a la asimilación del nuevo conocimiento; igualmente, en la medida en que un país invierte en tecnología, tiene una predisposición a ser

OS D A V ER S E R S

receptor de tecnología.

HO C E R DE

• Desarrollar investigación. De la mano con la academia, se debe realizar una evaluación permanente de las obras reforzadas con geosintéticos con el objetivo de aprender a identificar su comportamiento, sus ventajas y sus desventajas dentro del ambiente de la construcción.

• Asumir una responsabilidad social. Las obras de infraestructura vial son necesarias para alcanzar una malla vial de cobertura y calidad adecuadas, que propicien el desarrollo económico en el país. En ese sentido, los productores y compradores de geosintéticos deben asumir la responsabilidad que les exige la profesión de la ingeniería civil y deben ser conscientes de los efectos sociales y económicos que implican el uso inapropiado de estos materiales.

374 BIBLIOGRAFÍA

KOERNER R.M., Designing with Geosynthetics, 5 ED., U.S.A., 2005.

PAVCO, S.A., Manual de Diseño, 7 ED, Colombia, 2006

CONSTRUCTION

INDUSTRY

RESEARCH

AND

INFORMATION

ASSOCIATION, Soil Reinforcement With Geotextiles. USA, 1999.

OS D A V ER S E R S

HOLTZ ROBERT., Geosynthetic Engineering, 1997.

U.S.

O H C OF TRANSPORTATION, E R DE

DEPARTMENT

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.

375 RIVERA, L., Muros de Contención de Suelo Reforzado con Cintas Metálicas y Geosintéticos, 1 ED., Universidad Del Cauca, Colombia 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.

OS D A V Tejido, VI Congreso Colombiano DeS Geotecnia. ER E R OS H C E DER

ESCOBAR, L., RUBIO, R., Estudio De La Interacción Suelo Geotextil No

CEDERGREN H.R., Seepage, Drainage And Flow Nets. 3 ED US, 1997

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

FEDERAL HIGHWAY ADMINISTRATION, Geosynthetics Design And Construction Guidelines Publication No. FHWA HL-95-038

KOERNER R.M., Geosynthetics in Filtration, Drainage and Erosion Control. REPRINT ED., ENGLAND, 1992.

376 LAFLEUR J., ROLLIN A.L., Geofilters’96, Comptes Rendus Proceedings, École Polytechnique Montréal, 1996.

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

ASSOCIATION SUISSE DES PROFESSIONNELS DE GEOTEXTILES, Le Manuel Des Géotextiles, 2 ED., Suisse, 1988.

OS D A V ER S E R S

CIRIA, Soil Reinforcement With Geotextiles, 1 ED.,England, 1996.

HO C E R DE

DON AND LOW LTD., A Geotextile Design Guide, 2 ED., Scotland, 1989.

FEDERAL HIGHWAY ADMINISTRATION, Geosynthetics Design And Construction Guidelines, Publication No. HI–95 038, 11995. 108

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.

DAS B.M., Principios De Ingeniería De Cimentaciones, Capítulos 3 y 4, 4 ED.,2004.

377 CEDERGREN

H.R.,

DRAINAGE

OF

HIGHWAY

AND

AIRFIELD

PAVEMENTS, REPRINT ED., U.S.A., 1987.

FEDERAL HIGHWAY ADMINISTRATION, GEOSYNTHETICS DESIGN AND CONSTRUCTION GUIDELINES, PUBLICATION NO HI – 95 038, 1995.

DAS, B.M. Fundamentos de la ingeniería geotécnica. Thomson Learning, México, D.F. 2001

OS D A V de Cimentaciones. Limusa. Cáp. II. 1990. ER S E R OS H C E DER

PECK, Ralph B, Walter E. HANSON y Thomas H. THORNBURN. Ingeniería

ARIAS, F. (1999). El Proyecto de Investigación. Caracas: Episteme

BALESTRINI, M. (1998) Procedimientos Técnicos de la Investigación Documental. Caracas. Editorial Livrosca.

CÁZARES, L.;

CHRISTEN, M.; JARAMILLO, E.; VILLASEÑOR, L. Y

ZAMUDIO, L. (2000). Las Técnicas de la Investigación Documental. México: Trillas.

CHÁVEZ, N. (2001). Introducción a la Investigación Educativa. Maracaibo: La Columna.

378 DAVENPORT, T. y PRUSAK, L. (2001). Conocimiento en Acción. Buenos Aires: Prentice Hall.

HERNANDEZ, R.; FERNÁNDEZ, C. Y BAPTISTA, P. (2003). Metodología de la Investigación. México: Mc Graw Hill.

MENDICOA, G. (2003). Sobre Tesis y Tesistas. Buenos Aires: Espacio.

SILVA, E. (2000). Proceso Metodológico en la Investigación Socio –

OS D A V ER S E R S

Educativa. Modulo de Aprendizaje. Material Mimeografiado. Cabimas.

HO C E R DE

TAMAYO, M. (2001). El Proceso de la Investigación Científica. Caracas: Limusa.

REFERENCIAS ELECTRÓNICAS •

www.soiltest.com

•

http://www.geosyntheticssociety.org/indexigs.htm

•

http://www.geosynthetica.net/

•

http://www.tenax.net/geosinteticos/

•

http://www.technical-textiles.net/

•

http://en.wikipedia.org/wiki/Geosynthetic

•

http://www.trical.net/index2.php