Nuevas tecnologías en drenaje subsuperficial de pavimentos

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(1)ICIV 2003-1 13. Universidad de Los Andes. Facultad de Ingeniería. Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. NUEVAS TECNOLOGÍAS EN DRENAJE SUBSUPERFICIAL DE PAVIMENTOS. Sonia Llorente Enciso. Bogotá, Mayo 2003. Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 1.

(2) ICIV 2003-1 13 TABLA DE CONTENIDO 1. SISTEMAS DE DRENAJE.............................................................................................. 5 1.1 INTRODUCCIÓN .............................................................................................................. 5 1.2 DEFINICIÓN DE PAVIMENTO FLEXIBLE .......................................................................... 5 1.2.1 Capas de Pavimento.............................................................................................. 6 1.3 INFILTRACIÓN DE AGUA ................................................................................................ 7 1.4 ESTRUCTURAS DE DRENAJE SUBSUPERFICIAL ................................................................ 9 1.5 CONCLUSIONES ............................................................................................................ 13 2. NUEVAS TECNOLOGÍAS ........................................................................................... 14 2.1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 14 2.2 MÉTODO DE MEDICIÓN ............................................................................................... 14 2.3 MATERIALES EMPLEADOS PARA LAS CAPAS DRENANTES ............................................. 16 2.3.1 Solución convencional: Agregados abiertamente gradados (OGDL por sus siglas en inglés) ............................................................................................................ 16 2.3.2 Base Permeable Tratada con Asfalto (ATPB por sus siglas en inglés)............... 18 2.3.3 Geocompuesto...................................................................................................... 22 2.3.4 Dren de barrera capilar (GCBD por sus siglas en ingles) ................................. 25 2.4 SUBDRENES LONGITUDINALES ..................................................................................... 27 2.4.1 Subdren Francés .................................................................................................. 27 2.4.2 Drenes prefabricados .......................................................................................... 29 2.5 MATERIALES EMPLEADOS EN LOS SUBDRENES LONGITUDINALES ................................ 30 2.5.1 Geomembranas permeables................................................................................. 30 2.5.2 Tubería................................................................................................................. 32 3. SISTEMAS DE DRENAJE SUBSUPERFICIAL EN COLOMBIA.......................... 35 3.1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 35 3.2 MATERIALES EMPLEADOS PARA LAS CAPAS DRENANTES ............................................. 35 3.2.1 Capa de drenaje (colchón filtrador) .................................................................... 35 3.3 SUBDRENES LONGITUDINALES ..................................................................................... 37 3.3.1 Drenaje francés ordinario ................................................................................... 37 3.3.2 Drenaje de Trinchera convencional .................................................................... 37 3.3.3 Drenaje construido con Geotextiles .................................................................... 38 3.4 MATERIALES EMPLEADOS EN LOS SUBDRENES LONGITUDINALES ................................ 39 3.4.1 Geotextiles ........................................................................................................... 39 3.4.2 Tubería................................................................................................................. 40 3.5 CONCLUSIONES ............................................................................................................ 41 4. VENTAJAS DE LA IMPLEMENTACIÓN DE LAS NUEVAS TECNOLOGÍAS EN COLOMBIA ................................................................................................................. 42 4.1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 42 4.2 TECNOLOGÍAS BAJO CONSIDERACIÓN PARA EMPLEAR COMO CAPAS DRENANTES EN LOS DISEÑOS PARA LAS VÍAS EN COLOMBIA .............................................................................. 43 4.2.1 Solución convencional: Agregados abiertamente gradados ............................... 43 4.2.2 Base Permeable Tratada con Asfalto.................................................................. 44 Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 2.

(3) ICIV 2003-1 13 4.2.3 Geocompuesto...................................................................................................... 45 4.2.4 Dren de barrera capilar ...................................................................................... 46 4.3 TECNOLOGÍAS BAJO CONSIDERACIÓN PARA EMPLEAR COMO SUBDRENES LONGITUDINALES EN LOS DISEÑOS PARA LAS VÍAS EN COLOMBIA ...................... 46 4.3.1 Subdren Francés .................................................................................................. 46 4.3.2 Drenes prefabricados .......................................................................................... 47 4.4 CONCLUSIONES ............................................................................................................ 47 5. MODELACIÓN DEL FUJO DE AGUA EN LA ESTRUCURA DE PAVIMENTO: RESULTADOS NO RELEVANTES ................................................................................ 49 5.1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 49 5.2 DESCRIPCIÓN DEL MODELO .......................................................................................... 49 5.3 GENERALIDADES DEL PROGRAMA CLIMA (CARO, GARCÍA 2001)................................ 51 5.4 DATOS EMPLEADOS ..................................................................................................... 52 5.4.1 Climatológicos ..................................................................................................... 53 5.4.2 Mecánicos ............................................................................................................ 53 5.4.3 Hidráulicos .......................................................................................................... 54 5.4.4 Térmicos .............................................................................................................. 54 5.5 RESULTADOS ............................................................................................................... 54 5.5.1 Módulos de rigidez .............................................................................................. 55 5.5.2 Deformaciones verticales .................................................................................... 59 5.5.3 Saturación............................................................................................................ 60 5.6 CONCLUSIÓN ............................................................................................................... 61 6. DATOS RELEVANTES PARA LA REALIZACIÓN DE UNA MODELACIÓN .. 62 6.1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 62 6.2 PROPIEDADES .............................................................................................................. 62 6.2.1 Propiedades de los materiales granulares .......................................................... 62 6.2.2 Propiedades de los materiales asfálticos ............................................................ 64 7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................................... 66 8. REFERENCIAS .............................................................................................................. 67. Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 3.

(4) ICIV 2003-1 13 INTRODUCCIÓN El sistema de drenaje subsuperficial influye de forma importante en el comportamiento del pavimento a lo largo de su vida útil. Por este motivo es necesario analizar el tipo de estructuras que se están empleando y las que se han venido desarrollando con el fin de conocer su comportamiento y así determinar su efectividad. Existe un gran número de bibliografía sobre la forma en la que el agua penetra y afecta al pavimento, y se ha concluido que este factor es el causante de la disminución de la resistencia del mismo, y de la reducción del periodo de vida útil de la estructura (Road Management and Engineering Journal, 1998; Z. Ahmed et all 1997). El diseño del sistema de drenaje subsuperficial que se va a aplicar en cada proyecto depende de muchas variables, entre las que se encuentran; el tipo de suelo, el tipo de pavimento, las proyecciones de tráfico, y la variable de interés para este proyecto, la precipitación. Esta es la variable más importante para tener en cuenta a la hora de hacer el diseño del sistema de drenaje, debido a que es de esta forma como el agua puede llegar a dañar el pavimento, penetrando por grietas por infiltración o por las cunetas y bordes laterales. La efectividad del sistema de drenaje subsuperficial empleado en cada proyecto depende en gran medida de la capacidad que tiene el mismo para evacuar el agua que ya se encuentra dentro de la estructura. En los próximos capítulos se pretenden explicar claramente los diferentes sistemas de drenaje subsuperficial de pavimentos con el fin de que el lector se familiarice con ellos y así tenga el concepto general de la importancia que tiene este aspecto dentro del comportamiento general de la estructura. Debido a la gran importancia que tienen las vías en nuestro país, es necesario conocer las opciones. que. existen. para. mejorar. las. condiciones. de. diseño,. construcción. y. mantenimiento, ya que se ha demostrado con el tiempo que las estructuras actuales funcionan, pero hay que hacer ciertos cambios. El propósito general de este proyecto es el de dar a conocer de una forma sencilla los sistemas de drenaje subsuperficial que se han venido utilizado en Colombia, y las nuevas tecnologías que se han desarrollado con el fin de mejorar la efectividad de los sistemas de evacuación de agua.. Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 4.

(5) ICIV 2003-1 13 1. SISTEMAS DE DRENAJE 1.1 Introducción. En el presente capítulo se pretende explicar la estructura del pavimento flexible a través de la descripción de cada una da las capas que la compone. Se explica brevemente el funcionamiento de cada una de ellas y la relevancia que tienen en cuanto a drenaje subsuperficial, debido a que este es el tema de interés en esta investigación. Al hablar de drenaje subsuperficial se tiene implícito el tema de la infiltración de agua dentro de la estructura, por esta razón también se explicarán los lugares por donde este líquido penetra y las consecuencias que la presencia del mismo tiene dentro del pavimento flexible.. 1.2 Definición de Pavimento Flexible. Un pavimento es una estructura formada por capas superpuestas, cada una de diferentes materiales, que son colocadas sobre la subrasante (suelo natural). Su función principal es la de soportar el peso aplicado de las llantas y distribuirlo de tal forma que la subrasante no se vea afectada, a su vez, es importante que la estructura de pavimento sea resistente a las condiciones climáticas de la zona.. FIGURA1.1 Estructura de pavimento flexible. Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 5.

(6) ICIV 2003-1 13 1.2.1 Capas de Pavimento Rodadura: Su función es la de proveer confort a los vehículos, pero es de gran importancia en cuanto a drenaje, ya que esta capa esta conformada por bitumen y agregados, haciendo de esta una unión una mezcla para la superficie, que tiene la cualidad de ser poco permeable, protegiendo así el cuerpo de la estructura.. Base: Es la capa de pavimento más importante en cuanto a comportamiento estructural se refiere, a su vez, puede tener la función de “capa drenante” para evacuar eficazmente el agua infiltrada. No siempre se cumple esta función, ya que muchas veces la capa de base esta ligada por medio de bitumen, para el caso de capas asfálticas gruesas, lo que no hace posible obtener una capa altamente permeable.. Sub-base: Esta capa se emplea para la protección de la subrasante, puede ser empleada como “capa drenante” extendiéndola hasta los bordes para que entre en contacto con los subdrenes longitudinales.. Membrana de separación: Por lo general el material de esta capa es un geotextil, se puede o no emplear dependiendo de las necesidades de drenaje del sitio. Su función radica en evitar la migración de partículas finas hacia la base y a su vez bloquear el paso del agua por capilaridad desde la subrasante.. Subrasante: Suelo natural. Es de conocimiento general que el agua es el enemigo número uno del pavimento, es por eso que un buen diseño puede asegurar que el agua extra será evacuada eficazmente a través de un buen sistema de drenaje subsuperficial. Al hacer referencia al “agua extra” se esta haciendo énfasis en el agua no deseada dentro de la estructura, ya que para el diseño y construcción de un pavimento se debe tener en cuenta el agua empleada para la compactación de las diferentes capas, pero que una vez construidas se debe tratar de mantener la condición de humedad del pavimento durante su periodo de vida útil.. Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 6.

(7) ICIV 2003-1 13 1.3 Infiltración de agua. La forma en la que el agua puede deteriorar el pavimento es clara, una vez dentro de la capa de base, bajará la capacidad portante de la misma, ayudando así a la formación de grietas y huecos. Al incluir drenaje, también se está controlando el flujo interno del agua, reduciendo así las presiones intersticiales y la posible inestabilidad del suelo. En realidad al incluir drenaje subsuperficial dentro de la estructura del pavimento no se está incrementando el periodo de vida útil de este, sino que mas bien se esta garantizando su buen funcionamiento a lo largo del periodo para el que fue diseñado.. Las posibles entradas de agua a la estructura del pavimento son; filtración a través de la superficie por medio de grietas o en los bordes de la vía, filtración desde secciones adyacentes al corte, por succión (capilaridad del suelo) o aumento del nivel freático (Figura 1.2).. FIGURA 1.2 Posibles entradas de agua hacia el pavimento (O’Flaherty, 2002). La importancia del drenaje subsuperficial en pavimentos, radica en que es difícil impedir que el agua penetre en la estructura, ya que la superficie bituminosa (en el caso de pavimentos flexibles) no es completamente impermeable debido al diseño de la mezcla o la. Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 7.

(8) ICIV 2003-1 13 técnica de construcción y las juntas o grietas mal selladas (en el caso de pavimento rígido) hacen posible la filtración de agua a través de la capa externa del pavimento. Debido a esto, es necesario evacuar lo más rápido y eficazmente posible el agua penetrante antes de que esta llegue a la subrasante y se presenten los problemas anteriormente mencionados.. La solución para cada uno de los diferentes problemas que se presentan es la implementación de drenaje subsuperficial de acuerdo con las necesidades de la vía. En este proyecto, no se estudiarán los casos de filtración de agua a través de secciones adyacentes al corte ya que se tratarán vías de carácter urbano. Para el caso en el que se espere un aumento no deseado del nivel freático, es necesario implementar subdrenes longitudinales a ambos lados de la vía. Los subdrenes se deben colocar a una profundidad mayor que la profundidad mínima deseada del nivel freático bajo el pavimento. Este método es eficaz, ya que el agua que se encuentra por debajo del nivel freático está a una presión superior a la atmosférica, entonces fluirá por el dren ya que éste le proporciona una abertura con presión atmosférica al suelo saturado, haciendo así que el agua tome ese camino y sea evacuada. En estos casos, aunque la normatividad varía de país a país, se recomienda que para suelos arenosos no-plásticos la interfase entre SubrasanteSubbase se encuentre a 1m sobre el nivel freático, mientras que para arcillas arenosas o limosas esta interfase puede estar a una distancia de hasta 3m, de esta forma se garantiza que el nivel freático no va a tener un efecto importante sobre el contenido de humedad del suelo de subrasante y por lo tanto no afectará la estructura del pavimento (O´Flaherty, 2002). La infiltración de agua desde la subrasante depende en gran parte de la calidad del material del suelo natural, una subrasante con un contenido mínimo de finos puede tener una permeabilidad alta, permitiendo así la infiltración. Si en un suelo de subrasante el contenido de partículas finas es mayor, la capacidad del agua de infiltrarse será menor. Debido a esto es importante categorizar de forma correcta el suelo natural sobre el cual se va a construir la vía.. La infiltración del agua a través del pavimento depende en gran medida de la habilidad que posee el agua para atravesar la capa de rodadura (en pavimentos flexibles) o las losas (en pavimentos rígidos). La presencia de grietas no selladas o juntas en la superficie Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 8.

(9) ICIV 2003-1 13 incrementan significativamente la infiltración de agua a las capas inferiores, incluso cuando no hay presencia de grietas en la capa de rodadura de los pavimentos flexibles, la tasa de infiltración. de. agua. puede. variar. considerablemente. dependiendo. del. grado. de. compactación de la capa. Se ha encontrado que la infiltración se puede reducir al tener un alto nivel de compactación, al reducir el contenido de vacíos con aire de un 10% a un 5%, la permeabilidad de la superficie del pavimento se puede reducir en aproximadamente 2 ordenes de magnitud (Lovering, Cedergren 1984).. 1.4 Estructuras de drenaje subsuperficial. Para evacuar el agua que ya ha penetrado al pavimento se debe emplear un sistema de drenaje subsuperficial, que por lo general consiste en una capa drenante, un geotextil y subdrenes longitudinales. El buen desempeño del sistema de drenaje depende en gran medida del desempeño de cada uno de estos elementos, si alguno falla, no habrá drenaje.. Capa drenante La capa drenante está colocada a lo largo de toda la sección de la vía y se encuentra entre la capa superior del pavimento y la subrasante. Su función es evacuar el agua que penetró a la estructura a través de la superficie, pero también sirve para detener el ascenso de agua por capilaridad. El material colocado en esta capa debe cumplir con ciertas características que serán nombradas a continuación: debe tener una alta permeabilidad, por lo menos debe ser 100 veces mayor que la permeabilidad de la capa superior del pavimento, alrededor de unos 300m/día (Road Management & Engineering Journal, 1998), el material seleccionado debe tener baja capilaridad, ser resistente a la ruptura bajo condiciones de humedad por largos periodos y no ser susceptible de ser bloqueado por partículas finas. Esta capa por lo general contiene material bien gradado y por lo tanto debe ser protegido con filtros para evitar la intrusión de material fino desde capas adyacentes por encima o por debajo de la misma.. Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 9.

(10) ICIV 2003-1 13 Subdrenes Un subdren está compuesto por una tubería apoyada en el fondo de una fosa rectangular, por lo general rodeada de un material protector que actúa como filtro, que a su vez está rodeado por un geotextil (Figura 1.3). Estas fosas son relativamente angostas, el ancho de las mismas depende del diámetro externo de la tubería más 300mm para drenes con una altura de pavimento menor a 1,5m o 450mm para drenes con una altura de pavimento superior a 1,5m. La tubería tiene salidas espaciadas regularmente de tal forma que el agua recolectada pueda escapar en cantidades convenientes, por lo general el espaciamiento entre las salidas es menor a 90m, la pendiente sobre la que debe descansar la tubería no debe ser menor al 5% (1:200). Para que la tubería sea efectiva al permitir el paso de agua a través de ella, puede ser de tres tipos; a) concreto perforado, plástico, PVC o arcilla vitrificada b) concreto poroso, o c) concreto sin perforar o arcilla vitrificada colocada con las juntas abiertas. Las perforaciones de la tubería pueden ser circulares, en este caso las perforaciones no deben ser mayores a D85 del material del filtro. También se pueden hacer ranuras para evitar el enarenamiento de la tubería, para este caso las ranuras no deben ser mayores a 0,85D85 . El tamaño de los drenes, debe ser escogido de tal forma que al pasar por las salidas el caudal no esté al máximo y así no inunde el material filtrante que lo rodea, por lo general el tamaño de los drenes es de 4 o 6in de diámetro.. FIGURA 1.3 Esquema de un subdren. El material que rodea a la tubería, es usualmente encapsulado por la parte superior con 150mm de material impermeable para evitar la filtración directa desde la superficie a los drenes y para evitar el riesgo de obstaculización del filtro por partículas finas lavadas desde. Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 10.

(11) ICIV 2003-1 13 la superficie. La función principal del material de relleno es la de recolectar el agua que se encuentra cerca de la tubería. Para cumplir con esta función el material debe ser lo suficientemente grueso para facilitar el acceso del agua a la tubería, pero a su vez debe ser lo suficientemente fino como para detener la filtración del suelo adyacente, se debe tener en cuenta que no debe ser demasiado fino ya que podría bloquear las perforaciones de la tubería. Para que cumpla ambos requerimientos se han establecido estas ecuaciones:. 1) 5 < D15 (filtro) / D15 (suelo) > 20 2) D15 (filtro) / D85 (suelo) < 5 3) D50 (filtro) / D50 (suelo) < 25 De acuerdo a estas ecuaciones, se ha establecido que la arena limpia es un buen material de relleno para los subdrenes (Croney, 1947). Geotextil El geotextil se emplea en drenes convencionales para rodear el material filtrante actuando así como un primer filtro entre el suelo y el material de relleno que cubre la tubería, el geotextil también se puede colocar como una media que cubre la tubería para evitar que las perforaciones sean taponadas por el material fino. La característica más importante para elegir correctamente un geotextil es su permisividad, que es una característica que depende de la permeabilidad del geotextil y de su espesor, ya que la capacidad de flujo aumenta de forma inversamente proporcional al espesor, por lo general la permisividad de un geotextil es de 0.05/s. Aunque la permisividad del material es importante, también se deben tener en cuenta los siguientes criterios (Amoco Fabrics & Fibers Co, 2002);. •. Criterio de retención: las aberturas del filtro deben ser lo suficientemente pequeñas para prevenir la migración de las partículas finas hacia las otras capas del pavimento.. •. Criterio de Permeabilidad: el material del filtro debe ser lo suficientemente permeable para permitir que el agua pase a través de él sin reducir significativamente el flujo.. Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 11.

(12) ICIV 2003-1 13 •. Criterio de Obstrucción: el material del filtro debe tener un número significativo de poros, de tal manera que si un número determinado de partículas de suelo bloquean algunas aberturas, el flujo seguirá siendo el requerido para mantener la permeabilidad del sistema.. •. Criterio de supervivencia: el material del filtro debe ser fuerte y debe tener una adecuada resistencia a los químicos y al medio ambiente, para prevenir que el material sufra daños durante la instalación y durante el periodo de diseño para el cual es empleado el geotextil.. Los subdrenes pueden colocarse con o sin tubería, para el segundo caso el geotextil se encuentra en las paredes del material filtrante, se mantiene con separadores de polietileno en el centro, entonces el agua penetra a través del geotextil y fluye hasta depositarse el fondo encerrado, para finalmente ser evacuada por salientes localizadas a lo largo. Este sistema solo funciona para evacuar pequeñas cantidades de agua. Para el primer caso el geotextil envuelve la tubería de tal forma que el agua viaja a través del cuerpo del geotextil hasta que entra a la tubería para luego ser evacuada por medio de salientes. (Figura 1.4).. Sin tubería. Con tubería FIGURA 1.4 Clases de subdrenes. Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 12.

(13) ICIV 2003-1 13 1.5 Conclusiones. El desempeño de una estructura de pavimento flexible depende en gran parte de las propiedades características de los materiales empleados en las distintas capas que la conforman. Sin embargo como se observó en el capítulo, la carencia de estructuras de drenaje impiden el correcto desempeño del mismo. Una de las capas más importantes en este aspecto es la capa de base granular, ya que no solo actúa como soporte estructural, sino que es de gran importancia para drenar el agua que se ha infiltrado.. Es importante mencionar que las entradas de agua hacia la estructura son inevitables, no solo porque a veces el método constructivo no es bueno, sino porque con el paso del tiempo la formación de grietas facilita la penetración de agua hacia la estructura interna. Debido a esto, la implementación de una capa drenante y un subdren son de gran importancia. Como se mencionó anteriormente, la función de la capa drenante es la de transportar el agua hacía el subdren, para que este último se encargue de evacuarla por medio de un sistema de tuberías y salientes. La efectividad del conjunto capa/drenante-subdren depende en gran medida de los materiales que se empleen, por ejemplo un buen geotextil alrededor de la tubería perforada o del material de relleno debe ser capaz de evitar la infiltración de partículas finas y a la vez debe permitir el paso libre del agua. Finalmente se debe tener en cuenta el carácter climático de la zona donde se va a construir la vía, para determinar qué clase de material se debe colocar como capa drenante y qué tipo de subdren es conveniente para esa región en especial.. Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 13.

(14) ICIV 2003-1 13 2. NUEVAS TECNOLOGÍAS. 2.1 Introducción. Debido a la importancia que ha venido adquiriendo el tema de drenaje subsuperficial de pavimentos, en este capítulo se pretenden exponer los diferentes sistemas que se emplean en la actualidad para evacuar el agua que se encuentra atrapada dentro de la estructura con el único fin, de que esta funcione correctamente a lo largo de su vida útil de diseño. En el capítulo anterior se describió la estructura interna del pavimento, y se mencionaron las funciones de los sistemas de drenaje subsuperficial; ahora lo que se pretende explicar no es el funcionamiento del mismo, sino cuales son los materiales que se emplean para esto, su ubicación dentro del pavimento y la razón por la cual funcionan.. 2.2 Método de medición. La importancia de la implementación de nuevas estructuras de drenaje radica en que a medida que pasa el tiempo, la efectividad con la que es evacuada el agua sea cada vez mejor. Para conocer el resultado de la implementación de nuevos materiales, se deben realizar medidas para obtener valores que representen la calidad del nuevo sistema. Hasta ahora, el mejor método para medir la efectividad de nuestros sistemas de drenaje es el “Flujo de Salida” (J. Harvey et all, 1999).. Este método es una función de la cantidad de agua infiltrada dentro del pavimento y la permeabilidad de la capa drenante, si la capa drenante es obstaculizada por la intrusión de material fino, su permeabilidad se verá reducida sustancialmente, de tal forma que esto se verá reflejado en la disminución de la cantidad de agua evacuada a través de los drenes.. La medida del “flujo de salida” es usada comúnmente como: volumen de salida / volumen de lluvia, esta medida se denomina eficiencia de drenaje. En lugares donde el ascenso de. Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 14.

(15) ICIV 2003-1 13 agua por capilaridad es mínimo, este cociente representa la condición del pavimento, es decir la eficiencia del sistema de drenaje. Este sistema de determinación de eficiencia presenta dos grandes problemas, uno de los cuales es que la cantidad de flujo de salida depende de la cantidad de agua que se infiltra dentro del pavimento, y esta cantidad no es fácilmente determinable. El otro problema que se presenta es el tiempo que requiere el agua infiltrada para pasar a través de la capa drenante y atravesar el sistema de tuberías de evacuación, si la capacidad de la capa drenante y el sistema de tuberías de evacuación es inadecuado, el agua se quedará atrapada dentro del pavimento; lo que conllevaría a los mismos problemas que se presentan cuando el sistema de drenaje está bloqueado.. En la siguiente descripción de los diferentes sistemas de drenaje (Capas drenantes y Subdrenes longitudinales) no se presentarán valores numéricos en cuanto a la eficiencia del sistema, lo que se pretende es exponer la variedad de materiales disponibles en la actualidad para la implementación del drenaje sub-superficial de pavimentos.. En la Tabla 2.1 se pueden observar las definiciones de las condiciones del drenaje de pavimentos (AASHTO, 1993). Estas definiciones están basadas en el tiempo que requiere el 50% del agua libre para drenarse de la estructura.. Calidad del drenaje. Tiempo en el que el agua debe ser removida. Excelente. 2 Horas. Bueno. 1 Día. Regular. 1 Semana. Malo. 1 Mes. Muy malo. No drena. Tabla 2.1 Calidad de las condiciones de drenaje según el tiempo de evacuación. Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 15.

(16) ICIV 2003-1 13 2.3 Materiales empleados para las capas drenantes. 2.3.1 Solución convencional: Agregados abiertamente gradados (OGDL por sus siglas en inglés) Desde la época de los romanos se ha considerado de gran importancia la presencia de una capa que sea capaz de drenar eficazmente el agua que entra a la estructura. La incorporación de una capa de agregados abiertamente gradados, como estructura de drenaje, ha demostrado buenos resultados, y es por esta razón es que en la actualidad se ha convertido en la capa drenante por excelencia, para los ingenieros que desean realizar un diseño de pavimentos que posea la vida útil esperada. Por lo general, para obtener una gradación abierta como es la requerida para cumplir la función de drenaje dentro del pavimento, se emplean diferentes tipos de roca fragmentada o triturada; las rocas más empleadas para este propósito son los conglomerados, las areniscas o se pueden emplear piedras encontradas a la orilla de los ríos. De acuerdo a diferentes ensayos realizados para conocer la efectividad de una capa drenante compuesta principalmente por roca triturada, se ha encontrado que el mínimo valor aceptado de permeabilidad es del orden de los 305m/día, pero preferiblemente este valor se debe encontrar entre los 610 y los 915m/día, ya que permite que el agua sea drenada del pavimento en unas cuantas horas, condición que se considera “excelente” según la Tabla 2.1.. Debido a que la capa drenante en la mayoría de las estructuras de pavimento está conformada por agregados abiertamente gradados y su estabilidad no es muy buena, es necesario colocar una capa de subbase densamente gradada para cumplir la función de separación y filtro, previniendo así la migración de partículas finas desde la subrasante o suelo natural hacia la capa de OGDL, además de brindar estabilidad y un soporte adicional. Una de las desventajas de colocar una capa de agregados abiertamente gradados con su respectiva subbase, radica en que no se está previniendo la infiltración de agua hacia la subbase desde la subrasante, lo que tendrá como resultado una reducción en su módulo de rigidez, y como esta capa cumple también con una función estructural se verá severamente Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 16.

(17) ICIV 2003-1 13 afectada la estructura del pavimento. Para combatir este problema se ha implementado el uso de un geotextil entre la capa de agregados abiertamente gradados y la subrasante, eliminando así el empleo de una subbase que tendría ocasionalmente problemas de saturación.. Anteriormente se había mencionado la falta de estabilidad que se presenta al incluir una capa de OGDL como capa drenante, es decir, las dificultades que se presentan en el proceso constructivo son muy altas, por esta razón muchos ingenieros se han inclinado hacia una tendencia que, aunque presenta muchos problemas y no es la mejor, soluciona los problemas de estabilidad que se presentan al construir la capa drenante con materiales densamente gradados. No es la mejor solución debido a que se cree que se está incrementando de cierta forma la confiabilidad del sistema, pero por el contrario se está evitando que la capa drenante cumpla con su trabajo. En la gráfica 2.1 se pueden observar las diferencias de permeabilidad al emplear una capa de OGDL y una capa de material granular densamente gradado.. Gráfica 2.1 Variación de la permeabilidad en función de la granulometría empleada (J.Harvey et all, 1999). Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 17.

(18) ICIV 2003-1 13 En la gráfica 2.1 se pueden observar las diferencias entre la permeabilidad que se obtiene al colocar una base abiertamente gradada o una base densa. Por ejemplo, una base DGAB (densa) tiene una permeabilidad promedio de 4ft/día, mientras que una base abiertamente gradada (AASTHO No. 57 y No. 67) tiene una permeabilidad de 6,800ft/día o 5,800ft/día respectivamente.. En conclusión se podría decir que es adecuado emplear una capa de OGDL para garantizar un buen drenaje, ya que se ha venido haciendo por varios años con buenos resultados, siempre y cuando se evite que estas estructuras se taponen con el material fino de las capas adyacentes. Sin embargo, si se requiere una mayor estabilidad, se puede permitir hasta el 5% de material fino debido a que no tendrá mayores consecuencias en cuanto a disminución de la permeabilidad de la capa.. 2.3.2 Base Permeable Tratada con Asfalto (ATPB por sus siglas en inglés) Se ha implementado el uso de este material directamente debajo de la capa de rodadura ya que se ha considerado que ésta tiene la capacidad de interceptar el agua que penetra desde la superficie, antes de que llegue a las capas granulares no tratadas, reduciendo así, el daño sobre las mismas. Las características que tiene dentro del comportamiento de la estructura de pavimento son las siguientes: •. Indicador del efecto que tiene la presencia de agua sobre la deformación permanente y rigidez de la capa.. •. Buen comportamiento de la capa bajo condiciones de saturación.. •. Identificación del efecto estructural que posee la presencia de esta capa.. Refiriéndose un poco a la historia de este material, se puede observar que ha sido empleado por Caltrans (California Department of Transportation) desde hace aproximadamente unos 19 años. La filosofía de esta entidad era incluir un material. que cumpliera con ciertas. características, para que removiera rápidamente el agua que penetraba a la estructura de. Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 18.

(19) ICIV 2003-1 13 pavimento ya sea a través de la superficie o por capilaridad, para mantener la capacidad estructural de los materiales no tratados con la cual habían sido diseñados. Los primeros diseños de mezcla que se emplearon para cumplir con este objetivo no eran lo suficientemente buenos y esto se veía reflejado en la repentina separación de la mezcla bitumen-agregados bajo la presencia de agua. En la actualidad, a pesar de que se han presentado dificultades, el desempeño de la capa drenante ha sido satisfactorio. Dentro de las dificultades que se han detectado, está la inclusión tardía de subdrenes y el taponamiento de los mismos; esto hace que la capa de ATPB trabaje bajo condiciones de saturación, la cual se ha calificado como no favorable para la misma. Para los primeros diseños de mezcla de ATPB siempre se mantuvo en mente la idea de mitigar los problemas causados por la presencia de grandes cantidades de agua bajo la estructura, los aspectos más importantes a tener en cuenta para el diseño de una capa drenante efectiva eran: cabeza hidráulica de la subrasante, permeabilidad de todos los materiales, granulometría apropiada de los agregados y la presencia de subdrenes longitudinales que permitan la evacuación del agua removida del interior de la estructura. En un principio se propuso el empleo de una capa de roca triturada (sin finos) colocada directamente bajo la rodadura para pavimentos flexibles construidos sobre subrasantes que tuvieran un bajo contenido de material fino, pero finalmente se empleó un tratamiento con bitumen para la roca triturada ya que aparte de facilitar el proceso constructivo, brindaría una plataforma estable para la construcción de la vía. Para los casos en los cuales se presentaba una capa de subrasante con alto contenido de finos, se recomendaba el empleo de una capa de “filtro” (que podría ser de arena o geotextil) para evitar el contacto directo entre la capa tratada con bitumen y el material fino de la subrasante. Para los primeros diseños se recomendaba emplear un único tamaño de roca triturada para la mezcla y entre el 2 y el 3% de contenido de asfalto, esto con el fin de darle una alta capacidad de flujo y un rango de estabilidad aceptable. Las permeabilidades se muestran en la Tabla (2.2). Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 19.

(20) ICIV 2003-1 13 Tamaño partículas (mm). Permeabilidad (m/día). Proporción de partículas trituradas. 25-38. 36,600. 10%. 9.5-19. 10,700. 50%. 2.36-4.75. 1,800. 100%. Tabla 2.2 Materiales recomendados para la elaboración de la capa de ATPB ( J. Harvey et all, 1999) Para que la capa de ATPB cumpla con el objetivo de evacuar el agua que penetra al pavimento según estas especificaciones, solo es necesario un espesor de 75mm, teniendo en cuenta el empleo de una capa de filtro cuando es necesario, como se mencionó anteriormente. En el caso en el que el problema de filtración de agua se deba primordialmente por capilaridad o ascenso del nivel freático, el espesor de la capa debe ser de 100mm acompañado de un filtro que tenga el mismo espesor, para garantizar que su desempeño sea bueno a pesar de que se encuentre un poco obstaculizado por la intrusión de finos.. Con el paso del tiempo se cambiaron algunas especificaciones. En un principio el material granular que se empleaba era uniforme (entre el 80-90 % entre los tamices 9.5mm-19mm) con un 25% de material triturado, el asfalto paso a tener un 1,5% de contenido por masa de agregado con un AR-4000, con estas características se obtenía una permeabilidad de 4,575m/día. Sin embargo se presentaron grandes problemas de deformación durante la construcción y empleo de esta mezcla, por lo tanto se realizó otra modificación para mejorar el comportamiento de la capa. En 1984 se incrementó el porcentaje de material triturado (90%) y se empleó un asfalto con AR-8000, con un contenido de asfalto entre el 2-2.5%. Estos cambios surtieron efecto, pero en 1987 se decidió modificar la temperatura a la cual se efectuaba la mezcla (<135°C) ya que a una temperatura entre los 135-163°C se garantizaba un enlace más fuerte entre los materiales, reduciendo así la ni estabilidad que se presentaba en la capa de ATPB después de su construcción. El resultado de estos cambios ha sido tan satisfactorio que la mayoría de las especificaciones de la mezcla siguen vigentes hasta el día de hoy.. Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 20.

(21) ICIV 2003-1 13 En 1999 se empezó a observar la presencia de desgaste (corte en tiras) en la parte inferior de la capa de ATPB en vías que se encontraban en servicio desde hace más de diez años en el estado de California. Se cree que este fenómeno se presenta cuando grandes cantidades de agua entran en contacto con la capa de ATPB a través de grietas o a través de las juntas de las losas, en el caso de pavimentos rígidos. A raíz de este estudio, se modificó el contenido de asfalto, entre el 2.5-3% por masa de agregado.. Finalmente se ha concluido que para propósitos de diseño, la capa de ATPB, no contribuye a la capacidad estructural del pavimento. Las especificaciones finales para la elaboración de la capa de ATPB se pueden observar en las tablas 2.3 y 2.4.. Contenido de Asfalto (% masa agregados). 2.5-3.0. Tamaño del tamiz 25.4. Porcentaje que pasa 100. 19. 90-100. 9.5. 20-55. #4. 0-10. Tabla 2.3 Contenido de asfalto y granulometría para la elaboración de la capa de ATPB (J. Harvey et all, 1999). % Material triturado Mínimo 90% Los Angeles Rattler. Máximo 45%. Pérdida a 500 Rev. Valor de pureza. Mínimo 57. Tabla 2.4 Calidad de los materiales empleados en la capa de ATPB (J. Harvey et all, 1999). El material con las especificaciones mencionadas anteriormente fue sometido a un estudio por parte del IDOT (Indiana Department of Transportation), ya que no se había comprobado el desgaste del material al estar en contacto con grandes cantidades de agua, ni su comportamiento bajo condiciones de saturación. Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 21.

(22) ICIV 2003-1 13 Con la realización de este estudio se concluyó que la capa de ATPB puede permanecer saturada por un periodo significativo de tiempo después de presenciar un evento de lluvia prolongada, sin embargo los resultados mostraron una reducción significativa en el valor de Módulo Resiliente y un aumento en la deformación permanente cuando se encuentra bajo estados de saturación. También se observó la pérdida de cohesión y desgaste en la base de la capa cuando se encontraban bajo la influencia de cargas cíclicas acompañadas de un alto grado de saturación. Se encontró que el módulo de rigidez de la capa de ATPB tiene un valor del orden de 1x106 KPa cuando se encuentra en estado seco, y de 5x105 KPa para estado saturado. Al finalizar el estudio, se reportó que el desgaste de la capa de ATPB no era considerado un gran problema ya que el asfalto que se emplea para ésta, es añadido para darle estabilidad a la misma durante la construcción y no con fines estructurales. El mayor desgaste se observó en la base de la capa, y como esta parte es la que experimenta una cantidad de flujo considerable, la observación era de esperarse.. El éxito de un sistema de drenaje depende en gran parte del comportamiento como conjunto que cada uno de sus elementos tenga. Por lo tanto la capa de ATPB no funcionará correctamente sino no se incluye una capa de filtro para que las partículas finas no obstaculicen los poros, a su vez la capacidad de evacuación de los subdrenes debe concordar con la cantidad de agua que debe ser evacuada, de acuerdo a la cantidad de lluvia presente en la zona.. 2.3.3 Geocompuesto. Una nueva alternativa para drenar un pavimento se ha venido desarrollando desde hace relativamente poco tiempo. Este sistema esta integrado por una capa drenante que se encuentra atada directamente a un subdren (Figura 2.1). La capa drenante, formada por un geotextil y un cuerpo interno de polietileno que se encuentra amarrado a la tubería del subdren, puede ser colocada directamente debajo de la capa de rodadura, reemplazando eficientemente las ya existentes capas drenantes compuestas en su mayoría por materiales Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 22.

(23) ICIV 2003-1 13 granulares; de hecho este material permite mejorar el drenaje de capas realizadas con materiales densamente gradados.. FIGURA 2.1 Estructura del Geocompuesto (B. C. Christopher, A. Zhao 2001). Debido a la calidad del material, también puede ser colocado entre la capa de base y la subrasante, garantizando así que el agua infiltrada no llegue hasta el suelo natural, causando disminuciones en el módulo de este material; a su vez se está reduciendo la capacidad de infiltración por capilaridad hacia las capas superiores del pavimento. Una de las ventajas que se obtiene al emplear esta capa es que se reduce significativamente la profundidad del pavimento al eliminar el uso de una subbase, el efecto positivo se ve reflejado en la disminución de los costos de la estructura. Cuando se decide emplear un geocompuesto como capa drenante entre la base y la subrasante, no sólo se esta mejorando el drenaje sino que también se esta previniendo la infiltración de partículas finas dentro de la base, es decir, cumple una función de separación. Este efecto, en combinación con el mencionado anteriormente, permite la estabilización y mejoramiento del soporte para pavimentos construidos sobre suelos blandos, ya que permite que éstos se consoliden y mejoren con el paso del tiempo. Para. que. el. geocompuesto. pueda. cumplir. con. las. características. anteriormente. mencionadas, este debe tener la rigidez necesaria para soportar el proceso de compactación y el paso del tráfico sin sufrir daños significativos en cuanto a deformación o pérdida de resistencia; a su vez debe tener la capacidad de flujo necesaria para evacuar eficazmente el agua infiltrada, evitando así la saturación de la estructura de pavimento. Según la tabla 2.1 para que un sistema de drenaje sea efectivo, el agua que se encuentra dentro del pavimento debe ser drenada dentro de unas cuantas horas, por lo tanto en este caso el geocompuesto debe ser capaz de evacuar el agua en el menor tiempo posible. Las permeabilidades del Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 23.

(24) ICIV 2003-1 13 geocompuesto se encuentran en el orden de los 275 a los 915m/día, que es relativamente parecida a la de un material granular abiertamente gradado.. Desafortunadamente. la. mayoría. de. las. geomallas. empleadas. para. drenaje. con. geocompuestos no tienen la misma capacidad de drenaje que los materiales granulares abiertamente gradados bajo las condiciones de gradientes y de carga en las carreteras. Es por esta razón que es necesaria la existencia de un vacío dentro del geocompuesto, esto permite romper la capilaridad evitando la saturación de las capas permitiendo obtener una capacidad de drenaje equivalente a la de una capa de OGDL. Este geocompuesto tiene en el centro un cuerpo de polietileno que permite la existencia del vacío, evitando que las geomallas se toquen entre sí obstruyendo el paso del agua. La estructura de este material está compuesta por tres capas de redes tensadas que forman un cuerpo interior triplanar y dos geotextiles no-tejidos a cada lado. La estructura triplanar le brinda a la estructura una alta resistencia a la compresión y una alta capacidad de flujo, mientras que los geotextiles evitan el taponamiento de la estructura con partículas finas, permitiendo así solo el paso del agua a través de ellos.. El subdren longitudinal que se encuentra atado al geocompuesto tiene un diseño muy simple ya que sólo consiste en una envoltura que cubre toda la tubería perforada, que por lo general tiene un diámetro entre los 10.16 y los 15.24cm, todo el conjunto (tubería y geotextil) se encuentra dentro de una zanja, ubicada en el borde de la sección transversal del pavimento (Figura 2.2).. FIGURA 2.2 Estructura del subdren longitudinal (B. C. Christopher, A. Zhao 2001). Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 24.

(25) ICIV 2003-1 13 La selección del geotextil que va a ser parte del geocompuesto es muy importante ya que una mala elección de este material no permitiría el flujo libre de agua a través de la estructura. El geotextil debe prevenir la infiltración hacia el sistema de partículas finas, sin que se tapone con ellas con el paso del tiempo. La FHWA (Federal Highway Administration) ha establecido 3 principios para el diseño y la selección correcta de este material: a) Si los poros de mayor tamaño del geotextil son más pequeños que las partículas más grandes de suelo, estas partículas no atravesarán el filtro. b) Si los poros más pequeños del geotextil son lo suficientemente grandes para que las partículas más pequeñas de suelo sean capaces de atravesar el filtro, el geotextil no se taponará. c) El número de aberturas que debe estar presente en el geotextil, debe ser alto para que el flujo de agua apropiado se mantenga a pesar de que algunas aberturas se encuentren taponadas con el paso del tiempo.. Las características de filtración del geotextil deben ser comparadas con las características de gradación y de permeabilidad de la base y de la subrasante para que en conjunto estos tres componentes funcionen apropiadamente. Los geotextiles más usados para este trabajo son los no-tejidos.. 2.3.4 Dren de barrera capilar (GCBD por sus siglas en ingles) El dren de barrera capilar drena el agua de la capa superior que se encuentra parcialmente saturado y evita que el flujo capilar de agua desde el suelo natural hacia la capa superior. Por lo general el GCBD se coloca entre la capa de base y la subrasante, para que de esta forma, drene el agua de la base cuando ésta no se encuentra saturada y prevenga que el agua infiltrada penetre hasta el suelo natural. Las principales funciones del dren de barrera capilar son: •. Acelerar el drenaje de la base después de la infiltración.. Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 25.

(26) ICIV 2003-1 13 •. Proteger la subrasante.. •. Reducir el flujo no saturado (por capilaridad) hacia la base. El método que emplea el GCBD es el de drenar el agua de la estructura del pavimento cuando el agua está sometida a presiones de poros negativas. Es decir, al contrario de todos los sistemas de drenaje, esta estructura está diseñada para trabajar cuando la estructura se encuentra bajo condiciones no-saturadas. El dren de barrera capilar está formado por un sistema de tres capas que son: una capa de transporte, una capa de barrera capilar y finalmente una capa de separación. El sistema es mostrado en la Figura 2.3. Algunos geotextiles no-tejidos se pueden emplear para la capa de transporte, mientras que una geomalla con poros de gran tamaño puede funcionar como la capa de barrera capilar. La función de la capa de separación es la de evitar que las partículas finas se introduzcan y taponen los poros de la capa de barrera capilar; para este caso también se puede emplear una capa de geotextil no-tejido. A primera vista se podría decir que este dren se parece al mencionado anteriormente, pero a diferencia del geocompuesto anterior, en este caso el sistema del dren de barrera capilar está diseñado para drenar el agua en el geotextil superior (capa de transporte) y no en la geomalla, cuando se encuentra bajo condiciones no-saturadas. Por esta razón las características más importantes de los materiales geosintéticos en la configuración del GCBD son las propiedades hidráulicas no saturadas.. FIGURA 2.3 Esquema del dren de barrera capilar (K. S. Henry, J. C. Stormont et all 2001). Las características que debe cumplir la capa de transporte son; que sean lo más “humedecible” posible, esto quiere decir que el desempeño de la capa puede ser. Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 26.

(27) ICIV 2003-1 13 incrementado, ya que esta se vuelve más conductiva cuando los valores de cabeza de succión son grandes. A pesar de que anteriormente se dijo que se podrían emplear geotextiles para esta capa, según ensayos realizados (Transportation Research Board) el material que posee las mejores características para cumplir con la función de la capa es TGLASS (Fibra de vidrio tratada térmicamente), ya que es un material pesado conformado por multifilamentos que lo hacen muy conductivo frente a grandes cabezas de succión.. A pesar de que se ha demostrado en laboratorio la efectividad de este dren, se necesita desarrollar todavía más esta tecnología, ya que su costo es relativamente alto; con solo mantener las características hidráulicas de los materiales pero a un menor costo haría de este sistema uno de los más empleados para solucionar los sistemas de drenaje.. En conclusión lo que hace revolucionario a este sistema es que se pueden diseñar drenajes para suelos no-saturados con el propósito de extender la vida útil de la estructura del pavimento, limitando el tiempo en el que las bases son saturadas y desviando grandes cantidades de volumen de agua antes de que alcancen el suelo natural y esto solo se logra con la implementación de esta nueva tecnología.. 2.4 Subdrenes longitudinales. 2.4.1 Subdren Francés Un dren francés consiste en una tubería perforada enterrada dentro de una zanja rellena de material granular, que se encuentra cubierta en su totalidad por un geotextil (Figura 2.4). El funcionamiento del sistema radica en que el agua que se ha infiltrado dentro del pavimento es evacuada al entrar en contacto con el geotextil, después de esto debe atravesar la columna de material granular de relleno dentro de zanja, para finalmente entrar a la tubería perforada y ser evacuada en los pozos de captación más adelante. Es importante resaltar que para el buen funcionamiento de este sistema se debe garantizar que la interacción entre el material de relleno y la tubería sea lo suficientemente. fuerte y estable como para. Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 27.

(28) ICIV 2003-1 13 soportar las cargas ejercidas por los vehículos. A su vez, el material de relleno debe ser lo suficientemente permeable como para permitir que el agua se mueva rápidamente a través de él y llegue fácilmente a la tubería perforada.. FIGURA 2.4 Estructura del dren Francés Debido a que existe una gran variedad de materiales para las tuberías perforadas, se ha recomendado que para efectos de un buen drenaje cuando se emplee una tubería corrugada no-recubierta, esta debe tener ranuras alrededor de toda la tubería, mientras que para tuberías de doble pared o tuberías recubiertas, se recomienda que estas tengan pequeñas perforaciones redondas localizadas en filas a un lado de la tubería para prevenir que el material circundante se infiltre dentro de la tubería.. Los filtros que se emplean con regularidad para recubrir la zanja son geotextiles livianos no-tejidos, ya que tienen la capacidad de evitar que las partículas finas provenientes de las capas del pavimento penetren dentro del material de relleno que recubre la tubería, evitando así su taponamiento. Es importante resaltar que se emplean geotextiles no-tejidos porque tienen una alta capacidad de flujo y al mismo tiempo el tamaño de los poros es muy pequeño. A la hora de escoger el geotextil que se va a emplear es importante conocer la permeabilidad del las capas de pavimento que rodean al dren francés, pues de esta manera se podrá seleccionar el que mejor se acomode a las necesidades de la zona en donde se planea construir la vía.. Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 28.

(29) ICIV 2003-1 13 El material que rodea a la tubería por lo general está conformado por roca triturada o grava ya que estos materiales permiten una alta permeabilidad, facilitando así el flujo de agua. Otra ventaja al emplear estos materiales como relleno, es que mejoran el comportamiento estructural del sistema de drenaje. A pesar de que este es el tipo de dren más empleado tiene varios factores en su contra: requiere zanjas anchas y profundas para acomodar adecuadamente el material de relleno alrededor de la tubería, el material granular es en su mayoría roca triturada (lo que lo hace más costoso), y finalmente existe la posibilidad de que se infiltren partículas finas dentro de la tubería haciendo que esta se tapone y evitando que el agua sea evacuada con rapidez.. 2.4.2 Drenes prefabricados Un dren de este tipo está conformado por un cuerpo interno de plástico rectangular, que está completamente forrado por un geotextil, este puede estar pegado o cosido dependiendo de la fábrica en donde sea solicitado (Figura 2.5). La función del geotextil es la de permitir el paso del agua hasta llegar al cuerpo interno del dren, mientras que restringe el paso del material fino a través de el, evitando el taponamiento del sistema. El funcionamiento del sistema es muy simple, el agua pasa a través del geotextil para llegar al cuerpo interno de plástico que se encarga de recolectar el agua infiltrada y la canaliza hasta el sitio de descarga diseñado previamente.. FIGURA 2.5 Esquema de un dren prefabricado. Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 29.

(30) ICIV 2003-1 13 El material del cuerpo interno del dren debe ser fabricado con un polietileno de alta densidad y debe tener una excelente resistencia al ataque biológico y químico ya que va a estar funcionando bajo condiciones sub-superficiales. El cuerpo interno debe tener una forma escalonada diseñada para proveer el medio adecuado para la recolección. y. transporte de agua. Los requisitos mínimos exigidos son: 1.5Kg/m2 de masa y una rigidez de 200KPa.. Para el material que envuelve el cuerpo de polietileno (geotextil), este debe ser no-tejido, debe estar tratado térmica y químicamente para fortalecer los enlaces entre las fibras y reducir la tensión superficial para que de este modo el agua pueda pasar a través de ella lo suficientemente rápido. Para efectos de la instalación este material también debe ser resistente a la abrasión.. El material de relleno que debe ser ubicado al otro lado del dren solo puede emplear arena gruesa lavada o concreto sin contenido de finos para que garantice estabilidad y a su vez permita el flujo libre de agua. El relleno es colocado para evitar que las partículas finas del suelo adyacente al subdren penetren hacia el cuerpo interior del dren prefabricado, evitando así el posterior taponamiento de la tubería debido a la acumulación de estas partículas.. 2.5 Materiales empleados en los subdrenes longitudinales. 2.5.1 Geomembranas permeables Este tipo de material se ha venido desarrollando desde hace unos 15 años, más o menos en el mismo tiempo en el que los geocompuestos se empezaron a emplear como una solución para el drenaje de pavimentos. Se podría decir que este material es un tipo de sándwich en el que las cubiertas exteriores son geotextiles y la parte central esta conformada por una geomalla. La función de este dren es la de dirigir el agua que penetra dentro la estructura directamente hacia el sistema de tubería que posteriormente se encargará de evacuar el agua drenada. La idea final de la implementación de este tipo de material es la de eliminar la. Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 30.

(31) ICIV 2003-1 13 necesidad de emplear una capa de relleno de material granular, para de esta forma reducir un poco tanto el tiempo de construcción como los costos de la misma.. Existe una gran variedad de compuestos empleados para el drenaje subsuperficial de pavimentos y todos ellos utilizan distintas clases de membranas; algunos tienen ambas caras permeables, mientras que otros poseen una cara impermeable y la otra permeable (Figura 2.6). En cuanto a la capa interna la variedad radica solo en el ancho de la misma para que esté de acuerdo con los diferentes regímenes de flujo requeridos. Sin importar la combinación de membranas que se tenga, la idea principal es que la membrana interior actué como un canal mientras que las membranas exteriores evitan el ingreso del material fino al subdren.. La ubicación de las geomembranas permeables puede variar según las características de la vía, se pueden emplear de forma tal que envuelvan por completo el material de relleno alrededor de la tubería o por el contrario pueden estar recubriendo la tubería.. FIGURA 2.6 Esquema de las geomembranas (Terram, 2001). Para el correcto funcionamiento de las geomembranas, la ASTM ha establecido algunos valores mínimos que cada uno de los componentes debe tener; éstos se muestran en las tablas 2.5 y 2.6 para la membrana interior y para las membranas exteriores respectivamente.. Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 31.

(32) ICIV 2003-1 13 Propiedad. Valor Unidades. Ancho. 1. In. Resistencia a la compresión. 6000. Psf. Tabla 2.5 Propiedades del cuerpo interior de las geomembranas (Terram, 2001). Propiedad. Valor. Unidades. Elongación. 50. %. Coeficiente de permeabilidad. 0.2. cm/s. Estabilidad UV. 70 retenido después de 500 horas %. Tabla 2.6 Propiedades de las membranas permeables que componen a las geomembranas (Terram, 2001). 2.5.2 Tubería Este elemento es de gran importancia debido a que. su principal función es la de recoger y. evacuar el agua sobrante atraída mediante las capas drenantes. Generalmente la tubería es colocada horizontalmente en el borde del pavimento con una ligera pendiente para que el desagüe se produzca por gravedad. Actualmente se están empleando tuberías de polietileno o PVC; este tipo de tuberías han venido reemplazado a las anteriormente fabricadas con concreto o con metal debido a que son más económicas y ofrecen una mayor resistencia. La variedad en este tipo de elemento fundamental dentro del drenaje subsuperficial radica en que su superficie puede ser lisa o corrugada, de pared doble o sencilla y que las perforaciones por las cuales el agua penetra pueden tener una forma redondeada o puede ser simplemente por medio de ranuras (Figura 2.7).. Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 32.

(33) ICIV 2003-1 13. a). b). c). d). e). f). FIGURA 2.7 Esquema de las diferentes clases de tubería. Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 33.

(34) ICIV 2003-1 13 a) La tubería lisa hace que la estructura de la misma sea rígida, evitando así. que. irregularidades en el terreno la deformen y obstaculicen el paso libre del agua evacuada. b) Una tubería corrugada es flexible, por lo tanto sería susceptible a la deformación por ondulaciones en el terreno. c) La funcionalidad de la doble pared es la de proporcionar una superficie interna lisa, que permite una menor fricción entre el agua y la tubería, a su vez le proporciona a la misma una mayor rigidez. d) Para el caso en que la tubería es corrugada y de pared simple, el flujo de agua se puede ver obstaculizado por las ondulaciones presentes en la misma. e) Las perforaciones redondas de una tubería permiten el flujo libre del agua con la desventaja de que debido a su forma, las partículas que logran penetrar en geotextil encajan perfectamente en ellas y las taponan, reduciendo así su capacidad de captación. f) Las ranuras presentes en una tubería también permiten el flujo libre del agua con la ventaja de que en caso de presentarse un taponamiento con partículas finas, estas no clausuran en su totalidad la ranura.. El empleo de materiales como el PVC o el polietileno se ha incrementado en los últimos años debido a que una de sus ventajas es que proporciona un mejor flujo debido a su superficie más lisa y por otro lado tienen una alta resistencia a la abrasión al mismo tiempo que poseen una mayor resistencia química.. Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 34.

(35) ICIV 2003-1 13 3. SISTEMAS DE DRENAJE SUBSUPERFICIAL EN COLOMBIA. 3.1 Introducción. Es indudable que el avance en cuanto a tecnologías para drenaje subsuperficial de pavimentos ha mejorado la forma en la que se evacua el agua de la estructura en la actualidad. Sin embargo, hace falta mucha investigación a cerca de la relación costobeneficio que la inclusión de estos sistemas puede tener. En Colombia se han venido incluyendo estos sistemas para la evacuación del agua infiltrada dentro del pavimento. Sin embargo debido a problemas de costo y manufactura de las tecnologías mencionadas en el capítulo anterior, los sistemas de drenaje subsuperficial de pavimentos empleados en el país son ligeramente diferentes, como se verá a continuación.. 3.2 Materiales empleados para las capas drenantes. 3.2.1 Capa de drenaje (colchón filtrador) El principio básico bajo el cual funciona el colchón filtrador es el de remover el agua infiltrada dentro de la estructura de pavimento, interceptándola con un material que tenga una porosidad mayor a la del suelo natural. Por lo tanto, el principal requerimiento de este material es su capacidad para mover la cantidad de agua que se infiltra y evacuarla. El material empleado para cumplir con esta función es por lo general grava y arena con un tamaño máximo de 5 cm y con un máximo de 2% de material fino pasa 200. En las normas Colombianas el espesor mínimo que debe tener esta capa es de 15cm (G. Keller, G. Bauer, M. Aldana 1995).. Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 35.

(36) ICIV 2003-1 13 Para garantizar el buen funcionamiento de la capa de drenaje se recomienda, según el artículo 330-96 del manual del INVIAS, una granulometría como la siguiente:. Tamiz. Porcentaje que pasa. Normal. Alterno. BG-1. 37.5 mm. 1 ½”. 100. 25.0 mm. 1”. 70-100. 100. 19.0 mm. ¾”. 60-90. 70-100. 9.5 mm. 3/8”. 45-75. 50-80. 4.75 mm. No. 4. 30-60. 3565. 2.0 mm. No. 10. 20-45. 20-45. 425 µm. No. 40. 10-30. 10-30. 75 µm. No. 200. 5-15. 5-15. Tabla 3.1. BG-2. Granulometría recomendada para la conformación del colchón filtrante. (G. Keller, G. Bauer, M. Aldana 1995).. Este tipo de material puede ser producto de la trituración de piedra o roca, también puede ser una mezcla de los dos, pero se debe garantizar que el material sea duro y resistente. Por lo general no se exige ningún tipo de gradación especial, de esta forma es permitido el empleo de fragmentos de un mismo tamaño.. El único material empleado para la capa drenante en Colombia es el anteriormente mencionado, las limitaciones se deben a la inseguridad que se tiene al no conocer con exactitud el beneficio en cuanto al ahorro en mantenimiento a largo plazo y los costos que se deben asumir durante la construcción. La otra razón por la cual se emplea únicamente material granular para la capa drenante es la gran cantidad de fuentes de extracción en el país y el costo del mismo.. Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 36.

(37) ICIV 2003-1 13 3.3 Subdrenes longitudinales. 3.3.1 Drenaje francés ordinario Este tipo de subdren empleado en Colombia es muy apto para abatir el nivel freático y transportar una cantidad considerable de agua. Las zanjas pueden ser construidas con pendientes grandes, evacuan rápidamente el agua y no requieren de gran mantenimiento. Su funcionamiento y estructura es igual a la del Subdren francés explicada anteriormente, pero a diferencia de este, el empleado en nuestro país no lleva tubería (Figura 3.1).. FIGURA 3.1 Esquema de un Dren francés ordinario ( Manual de Estabilidad de Taludes, Geotecnia Vial 1998).. 3.3.2 Drenaje de Trinchera convencional La función principal de este tipo de estructura de drenaje es la de evacuar el agua por medio de la tubería incluida en el subdren. La tubería por lo general es de PVC o de carácter metálico, debe estar perforada y a su vez se encuentra rodeada en primera instancia por un material granular grueso que a medida que se aleja de la tubería se vuelve de menor tamaño (Figura 3.2).. Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 37.

(38) ICIV 2003-1 13. FIGURA 3.2 Esquema de una trinchera convencional ( Manual de Estabilidad de Taludes, Geotecnia Vial 1998).. 3.3.3 Drenaje construido con Geotextiles Este tipo de subdren es el único empleado en Colombia cuya estructura incluye geotextil. El empleo de este material en nuestro país ha venido ganando cada vez más aceptación debido a que facilita la construcción del subdren y a que en determinadas zonas del territorio nacional escasea el material granular grueso. Dependiendo de las condiciones hidrológicas de la zona, el subdren puede o no llevar tubería.. FIGURA 3.3 Esquema de un dren construido con geotextil ( Manual de Estabilidad de Taludes, Geotecnia Vial 1998).. Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 38.

(39) ICIV 2003-1 13 El empleo del geotextil como material de filtro permite recubrir de diferentes formas el material de relleno del subdren, en Colombia se emplea de tres formas diferentes: se puede extender directamente sobre la trinchera, se puede colocar hasta el fondo de la. zanja. recubriendo así los bordes laterales de al misma, para luego colocar el material dentro del geotextil, o se puede colocar hasta el fondo de la zanja pero se traslapa sobre el relleno y se recubre con otro material.. 3.4 Materiales empleados en los subdrenes longitudinales. 3.4.1 Geotextiles Este material se puede emplear como capa de separación, usualmente entre la capa drenanate y la capa de suelo natural para evitar la filtración de material fino y como filtro alrededor del subdren para permitir el flujo de agua. Los requisitos que debe cumplir este material según las normas Colombianas son (Instituto Nacional de Vías, 1998; G. Keller et all 1995): el tamaño de la apertura del geotextil debe ser menor que D85 a D60 correspondiente al material que se encuentra adyacente al separador. Para evitar la acumulación excesiva de presión de poros en el material fino, el geotextil debe ser poroso y debe tener la capacidad suficiente para evacuar el agua que se ha infiltrado dentro de la estructura del pavimento, es decir, debe tener una permeabilidad o transmisividad mayor a la del suelo adyacente.. Por lo general en la mayoría de los proyectos se emplean geotextiles no-tejidos, con un peso de 4,5 onzas por yarda cuadrada, sin embargo es permitido el uso de un material de 6 onzas por yarda cuadrada en caso de tener condiciones difíciles de construcción. Los geotextiles tejidos no son muy empleados pero en situaciones críticas de filtración funcionana mejor, la única condición con la que debe cumplir es que este deberá tener un área abierta de más del 4%. Las fibras que conforman el cuerpo del geotextil deben consistir en cadenas largas de polímeros sintéticos resistentes a la radiación ultravioleta (G.. Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 39.