1.1.Conceptos Básicos de Geosinteticos en Pavimentos

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Conceptos Básicos de Estructuras de Pavimento con Geosintéticos Pág. 1

Conceptos Básicos sobre el refuerzo de Pavimentos con

Geosintéticos

Aplicación de Geotextiles de Alto Módulo FORTEX®,

Geomallas FORTGRID® y FORTGRID® ASPHALT

1. Introducción

La ingeniería enfrenta permanentemente el reto de

mantener y desarrollar estructuras de pavimento

con recursos económicos limitados. Las

especificaciones tradicionales de diseño y

construcción establecen la necesidad de grandes

cantidades de materiales de alta calidad para

garantizar la durabilidad y desempeño de tales

estructuras, sin embargo, en muchos lugares del

mundo, no hay disponibilidad suficiente de tales

materiales o éstos no se encuentran a distanciasrazonables del proyecto. Ante este panorama, la

ingeniería ha recurrido a alternativas de diseño

que consideren materiales térreos de calidad

secundaria, materiales elaborados que suplan las

deficiencias de los materiales de construcción,

disponibles y prácticas de diseño innovadoras.

Dentro de estas posibilidades se encuentran los

geotextiles de alto módulo FORTEX®,

las

geomallas FORTGRID® y FORTGRID

® ASPHALT,

materiales geosintéticos fabricados a base de

polímeros, desarrollados para cumplir

fundamentalmente funciones de refuerzo,

separación, filtración, drenaje y confinamiento,

entre otras. Estos materiales gozan de amplia

aceptación en proyectos viales, reconociéndose

las funciones que desempeñan y las ventajas de

uso, las cuales se describen en este documento.

De acuerdo con Koerner (1998), una geomalla se

define como un material geosintético consistente

de dos grupos de elementos paralelos, resistentes

a la tensión, ordenados en forma de malla, con

aberturas de tamaño adecuado para permitir el

paso total o parcial de partículas del suelo

adyacente, material granular y otros materiales

geotécnicos; las geomallas FORTGRID® hacen

parte de este grupo. Berg et al (2000), han definido

las geomallas flexibles como geomallas fabricadas

con hilos de poliéster mediante técnicas de tejido,

las cuales son impregnadas con polímeros que

incrementan su estabilidad mecánica y resistencia

a la abrasión.

Los geotextiles de alto módulo, son mantos textiles

permeables capaces de desarrollar alta resistencia

a la tensión a bajos valores de deformación.

Generalmente se fabrican con hilos de poliéster de

alta tenacidad, caracterizándose por presentar

muy baja fluencia ante carga sostenida y

estabilidad en la respuesta mecánica y

comportamiento hidráulico en cualquier ambiente

de carga y/o deformación.





2. Geomallas y Geotextiles de Alto

Módulo en Carreteras yAeropuertos

En un sistema de pavimentos, las geomallas

FORTGRID® y los geotextiles de alto módulo

FORTEX® tienen aplicación como parte de la

subestructura granular. Para el refuerzo de capas

asfálticas se aplican las geomallas FORTGRID®

ASPHALT. En cada caso se tienen funciones y

mecanismos de refuerzo diferentes que se detallan

a continuación.

2.1. Subestructura Granular

La colocación de geomallas FORTGRID® y

geotextiles de alto módulo FORTEX® en la

subestructura granular se hace buscando uno o

varios de los siguientes objetivos:

• Evitar la contaminación de los materiales

granulares con los suelos de subrasante

(geotextil).

• Permitir la construcción de pavimentos sobre

subrasantes blandas compresibles.

• Mejorar el desempeño de la estructura y

extender el período de servicio.

• Reducir la estructura requerida para un

período de servicio dado.

Estos materiales han sido utilizados exitosamente

para la conformación de plataformas de trabajo

sobre suelos blandos (mejoramientos de

subrasantes), tal como ha sido reportado por

numerosos autores como Cancelli et al. (1996),

Douglas (1997), Hass et al. (1988), Halliday y

Potter (1984), Santoni et al. (2001), entre otros.

Las geomallas y los geotextiles de alto módulo

permiten lograr eficientemente la compactación de

las capas de granulares, al tiempo que se reduce

la cantidad de material de la subrasante que

debería ser removido y reemplazado.

Numerosos trabajos de investigación han

reportado y documentado el aumento en la vida de

servicio al comparar una estructura de pavimento

reforzada con una no reforzada (Al-Qadi et al.

1997, Barksdale et al. 1989, Cancelli et al, 1996,

Collin et al 1996, Haas et al. 1988, Miura et al.

1990, Perkins et al. 1997 a/b y Webster 1993). La

investigación ha demostrado que el espesor de

base granular requerido para un diseño dado

puede reducirse cuando se incluyen estos

materiales en el diseño (ver las mismas

referencias).

2.2. Refuerzo de Capas Asfálticas

Las geomallas FORTGRID® ASPHALT se utilizan

como parte integral del concreto asfáltico

buscando cualquiera de los siguientes beneficios:

• Refuerzo de capas asfálticas nuevas

• Bloqueo del reflejo de agrietamientos en

trabajos de rehabilitación de pavimentos mediante

sobrecapas asfálticas

El uso de geomallas en trabajos de pavimentación

o repavimentación comenzó en la década de los

80 en Europa, evidenciándose aumento en la vida

útil y resistencia al agrietamiento de los

pavimentos tal como ha sido ilustrado por autores

como Koerner, (1992); Dondi, (1998), Austin y

Gilchrist, (1996); Huhnholz (1996); Bayex (1998).





Finalmente, hay acuerdo en que la inclusión de

geomallas y geotextiles de alto módulo en un

sistema de pavimento generan grandes beneficios,

sin embargo, la magnitud del mejoramiento es

particular para cada caso y depende del

geosintético que se esté utilizando.

3. Mecanismos de Refuerzo

3.1. Subestructura GranularSe han identificado tres tipos de mecanismos de

refuerzo fundamentales que suceden al colocar

una geomalla o un geotextil de alto módulo para

refuerzo de la subestructura granular de un

pavimento:

• Restricción al desplazamiento lateral

• Mejoramiento de la capacidad de soporte

• Efecto de membrana tensionada (Perkins e

Ishmeik 1997 a)

3.1.1. Restricción al DesplazamientoLateral

La restricción al desplazamiento lateral hace

referencia al confinamiento que restringe el

desplazamiento del material granular ante la

aplicación de la carga. Dado que la mayoría de los

materiales utilizados para la construcción de

pavimentos son esfuerzo-dependientes, la

restricción al desplazamiento lateral hace que

queden trabajando permanentemente a

compresión, obteniéndose como resultado un

aumento en el módulo mecánico de la capa. Un

mayor módulo mecánico significa una mayor

capacidad de distribución de esfuerzos y, por lo

tanto, menores deformaciones sobre la

subrasante. La Figura 1 ilustra este efecto.

Flujo cortante lateral

Restricción lateral por fricción

Flujo cortante lateral

Restricción lateral por fricción

Figura 1. Efecto de restri cción al desplazamientolateral

3.1.2. Mejoramiento de la Capacidad deSoporte

El segundo mecanismo, mejora de la capacidad de

soporte, es consecuencia del desplazamiento

hacia arriba de la envolvente de falla del sistema

de pavimento. El geosintético actúa como una

barrera que controla la superficie inferior de la

envolvente de falla, confinándola completamente a

la capa de granulares, que ofrece mayor

resistencia que la subrasante, con lo cual se logra

este efecto que se ilustra en la Figura 2.

Superficie de fallaMaterial reforzado

Superficie de fallamateriales no reforzados

Superficie de fallaMaterial reforzado

Superficie de fallamateriales no reforzados

Figura 2. Efecto de mejora de la capacidad desoporte





3.1.3. Efecto de Membrana Tensionada

Este efecto se basa en el mejoramiento de la

capacidad de distribución vertical de esfuerzos

resultante del esfuerzo de tensión en una

membrana deformada, tal como se ilustra en la

Figura 3.

En principio, la investigación sobre el efecto de

refuerzo de pavimentos consideró que el efecto de

membrana tensionada era el principal mecanismo

de refuerzo, sin embargo, investigaciones

posteriores han demostrado que los beneficios del

refuerzo se logran sin que la estructura

experimente mayores deformaciones. De esta

manera, la restricción al desplazamiento lateral

constituye el mecanismo de refuerzo fundamental,

seguido por la mejora de la capacidad de soporte y

el efecto de membrana tensionada. La contribución

de cada uno de estos mecanismos en el refuerzo

total que provee una geomalla o un geotextil de

alto módulo es aún objeto de investigación y es

particular para cada material.

Membranatensionada

Soporte verticalde la membrana

Membranatensionada

Soporte verticalde la membrana

Figura 3. Efecto de membrana tensionada

3.2. Refuerzo de Capas Asfálticas

En las geomallas FORTGRID® ASPHALT, el

mecanismo de refuerzo de capas asfálticas se da

por la capacidad de distribuir los esfuerzos de

corte y tensión que suceden en las paredes de una

discontinuidad. En una fisura o grieta, se

concentran altos niveles de esfuerzos cortantes

sobre su plano por desplazamientos relativos de

las paredes. Adicionalmente, el comportamiento a

flexión de la capa agrietada induce tensiones que

tienden a ampliar la separación de las paredes de

la grieta (Ver Figura 4). La colocación de la

geomalla sobre la discontinuidad, distribuye este

pico de esfuerzos hacia la capa superior, haciendo

que el volumen de material involucrado sea mayor

que en la condición no reforzada, con lo cual se

logra controlar el progreso vertical y longitudinal de

los agrietamientos existentes hacia la sobrecapa,

tal como se ilustra en la Figura 5.

Concreto asfáltico existente, agrietado

Alta concentración de esfuerzos de corte y tensiónProgreso acelerado de las grietas

Sobrecapa de concreto asfáltico






Figura 4. Reflejo de discontinuidades. Condición

sin refuerzo

Distribución de esfuerzos a unMayor volumen de material


Sobrecapade concreto asfáltico

Geomalla

Distribución de esfuerzos a unMayor volumen de material


Sobrecapade concreto asfáltico

Geomalla Figura 5. Aumento de la capacidad de distribución

de esfuerzo cortante.





4. Interacción Suelo-Geosintético

Al colocar capas de geosintéticos en la masa de

suelo se establece una relación enmarcada por las

siguientes características:

• La transferencia de esfuerzo ente el suelo y el

refuerzo se desarrolla en forma continua a lo largo

de todo el refuerzo.

• Los refuerzos se distribuyen sobre toda la

masa de suelo y no localmente.

Los esfuerzos son transmitidos entre el

geosintético y la masa de suelo por fricción (Figura

6) o por resistencia pasiva (Figura 8), dependiendo

de la geometría del elemento geosintético.

4.1. Fricción

Este mecanismo de interacción se desarrolla

cuando hay un desplazamiento cortante relativo y

es proporcional al esfuerzo cortante entre el suelo

y la superficie del refuerzo. Los elementos de

refuerzo donde la fricción es importante deben

estar alineados con la dirección de desplazamiento

relativo del suelo.

Los geotextiles de alto módulo FORTEX® derivan

su aporte de refuerzo debido a esta interacción.

Geosintético de

refuerzo

Fuerza dearrancamiento

Fuerzafriccionante

Presión normal

Partículas desuelo

Figura 6. Transferencia de esfuerzos por fricción

entre el suelo y el geosintético

4.2. Resistencia Pasiva

Ocurre mediante el desarrollo de esfuerzos de

soporte sobre las superficies de refuerzo

transversal, normales a la dirección del

desplazamiento relativo del suelo de refuerzo, que

se dan por el entrabamiento entre el material

térreo y el geosintético. Este mecanismo se ilustra

en las Figuras 7 y 8.

Partículasde suelo

Geosintético deRefuerzo (geomalla)

Fuerza de

arrancamiento

Sentido deldesplazamiento

Figura 7. Entrabamiento de la geomalla con laspartículas de suelo.

Resistenciafriccionante

Geosintético de

Refuerzo (geomalla)

Fuerza dearrancamiento

Superficie normalal desplazamiento

Sentido deldesplazamiento

Resistenciapasiva

Figura 8. Transferencia de esfuerzos por

resistencia pasiva





La resistencia pasiva y la fricción constituyen el

principal mecanismo de interacción en las

geomallas FORTGRID®.

5. Aplicaciones

5.1. Aplicación De Las Geomallas

FORTGRID

Las geomallas FORTGRID® se han utilizado

tradicionalmente en cuatro aplicaciones que son:

• Estabilización mecánica de subrasantes

• Refuerzo de la capa de base granular

• Bloqueo del reflejo de agrietamientos

En la medida en que la resistencia del suelo de

subrasante se incrementa, la aplicación de la

geomalla va de estabilización mecánica de la

subrasante a refuerzo de base granular. En

general, el uso de geomallas se recomienda para

subrasantes en el rango de CBR entre 0% y 8%,

para:

• CBR entre 0% y 2%: para permitir la

construcción de una plataforma de trabajo

(mejoramiento de la subrasante) y proteger la

subrasante ante fallas por capacidad portante.

• CBR entre 2% y 4%: para garantizar la

estabilidad de las capas de granulares y reducir el

espesor de granulares.

• CBR mayor a 4%: reducir el espesor de

granulares y aumentar la vida útil de la estructura.

Se requiere hacer un análisis de costos a lo largo

del período de servicio.

Tal como ha sido presentado por Montestruque y

Martins (2002), el uso de geomallas permite

ampliar los períodos de servicio de pavimentos

flexibles nuevos. La colocación de un manto de

geomalla directamente sobre la base granular y en

contacto con la carpeta asfáltica, otorga un

refuerzo a la tensión en el fondo de la capa

asfáltica, lográndose un incremento sustancial en

el número de ciclos de carga requeridos para la

falla por fatiga. Adicionalmente se obtiene una

reducción en la magnitud de las deformaciones

plásticas del concreto asfáltico, con lo cual se logra

mantener la condición de servicio por más tiempo

y por ende aumentar los períodos de tiempo entre

labores de mantenimiento periódico.

5.2. Aplicación De Los Geotextiles De Alto

Módulo FORTEX

Los geotextiles de alto módulo FORTEX® se han

utilizado tradicionalmente en cuatro aplicaciones

que son:

• Separación de suelos de subrasante y capas

granulares

• Filtros longitudinales

• Estabilización mecánica de subrasantes

• Refuerzo de la capa de base granular

Los geotextiles de alto módulo se recomiendan

para el mismo rango de aplicaciones que las

geomallas, teniendo en cuenta que éste por

tratarse de un manto continuo, cumple la función

de separar los materiales granulares y los suelos





de subrasante, complementando eficientemente la

relación entre los materiales de la estructura.

5.3. Aplicación De Las Geomallas

FORTGRID® ASPHALT

En trabajos de mantenimiento de pavimentos

flexibles mediante sobrecapas asfálticas o,

recapados de pavimentos rígidos con capas

asfálticas, la colocación de geomallas FORTGRID®

ASPHALT permite aumentar los períodos de

servicio, dado que retarda la aparición de las

grietas en superficie y controla la continuidad de

las mismas. Los agrietamientos no tendrán la

continuidad del patrón existente, sino que se

distribuirán en pequeñas grietas cortas de abertura

escasa, las cuales demandarán menores trabajos

de mantenimiento.

6. Características de los

Geosintéticos Geomatrix

6.1. Propiedades del Poliéster y Técnica deTejido

Los geotextiles de alto módulo FORTEX®, las


® ASPHALT

son geosintéticos producidos con multifilamentos

orientados de Poliéster (Tereftalato de Polietileno)

de alto peso molecular (mayor a 25.000 g/mol y

grupo carboxilo final menor a 30). Este material secaracteriza por poseer una alta relación resistencia

a la tensión – deformación, con tenacidades

superiores a 8 gpd, (superiores a los de cualquier

otro polímero utilizado para la fabricación de

geosintéticos, tal como se ilustra en la Gráfica 1),

alta estabilidad mecánica a través del tiempo (bajo

creep) y alta estabilidad ante la temperatura, con

punto de ablandamiento por encima de 240º C.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 10 20 30 40 50

Resistencia a la Tensión

Fibras de Geosintéticos

PET

PP

HDPE

Deformación Unitaria (%)

E s f u e r z o

( K g / c m ² )

Figura 9. Curva Esfuerzo – Deformación.

Geosintéticos de Poliéster. (Typical properties offibers. Bastón, Designing with Geosynthetics )

Los geosintéticos GEOMATRIX son fabricados

utilizando la técnica de tejido por inserción, en la

cual se disponen las fibras horizontales y

transversales independientemente,

entrelazándolas con un tercer grupo de fibras que

se insertan ajustando los nodos para formar un

tejido altamente resistente. Ver Figura 9. De esta

forma las fibras principales permanecen rectas,

confiriéndoles así la propiedad de dar refuerzo

desde muy bajas deformaciones y mantener el

desempeño hidráulico en cualquier condición de

confinamiento o tensionamiento.

Figura 10. Tejido de inserción





Dado lo anterior, los geotextiles de alto módulo

FORTEX®

, las geomallas FORTGRID®

y

FORTGRID® ASPHALT brindan un rápido

desarrollo de resistencia a la tensión y alta

resistencia a la rotura, por lo cual, son preferidos

para aplicaciones de refuerzo de fundaciones de

terraplenes sobre suelos blandos, estabilización de

subrasantes y refuerzo de estructuras de

pavimentos y carpetas asfálticas y otras en las que

la integridad física y estabilidad mecánica de los

geosintéticos es garantía de estabilidad de la obra

o estructura.

6.2. Producción

Los geotextiles de alto módulo FORTEX®,


® ASPHALT

son fabricados a través de un sistema de

producción verticalmente integrado. La producción

inicia con el proceso de hilatura y termina con el

proceso de impregnación, donde un grupo de

control de calidad, apoyado en pruebas de

laboratorio, monitorea permanentemente desde la

tenacidad del hilo hasta las propiedades

mecánicas finales del geosintético.

Las principales características, tales como la

resistencia a la tensión y la elongación son

corroboradas adicionalmente en un laboratorio

GAI-LAP (Laboratorio acreditado por el Instituto de

Geosintéticos para la ejecución de ensayos e

investigación sobre geosintéticos), garantizando

así las características y desempeño de los

productos.

GEOMATRIX S.A., cuenta con un grupo de

investigación, desarrollo y control de calidad,

quienes tienen a su cargo el mejoramiento

permanente de los productos que están en el

mercado y la creación de nuevos productos

buscando la excelencia en la satisfacción de los

consumidores de geosintéticos de alto módulo.

7. Diseño

Para el diseño de estructuras de pavimento

considerando el uso de geotextiles de alto módulo

FORTEX®, geomallas FORTGRID

® y FORTGRID®

ASPHALT se siguen métodos que consideran el

aporte del geosintético a través del efecto de

membrana y de la restricción al desplazamiento

lateral. GEOMATRIX S.A., con base en los

resultados de caracterización mecánica de sus

materiales en laboratorio, ha adelantado trabajos

de investigación y documentación técnica para

determinar el desempeño de sus materiales de

cara al diseño de aplicaciones prácticas, tales

como el mejoramiento de subrasantes blandas

compresibles y el refuerzo de estructuras de

pavimento.

8. oporte Técnico

El equipo técnico de Geosintéticos GEOMATRIX

S.A. está en capacidad de asesorar y trabajar en

conjunto con ingenieros consultores,

constructores, y promotores de proyectos para

lograr soluciones óptimas desde el punto de vista

de confiabilidad, durabilidad, desempeño y estricto

criterio de costo-beneficio





Para mayor información sobre nuestros materiales

geosintéticos, y esta u otras soluciones de

ingeniería, por favor visite el sitio web

www.geomatrix.com.co ; comuníquese a través de

correo electrónico a [email protected]

o al PBX (+57-1) 4249999 en Bogotá.

9. Referencias

[1] Al Quadi, I.L., Brandon, T.L., Valentine, R.J.,Lancina, B.A. and Smith T.E. (1994). “Laboratory

Evaluation of Geosynthetic Reinforced Pavement

Sections”. Transportation Research Record 1439,

pp 25 – 31.

[2] Al Quadi, I.L., Brandon, T.L., and Bhutta, A.

“Geosynthetic Stabilized Flexible Pavements”.

Proceedings of Geosynthetics ´97. IFAI, Vol 2,

Long Beach, California, pp 647 – 662.

[3] Anderson, P., and Killeavy, M. (1989)

“Geotextiles and Geogrids: Cost Effective Alternate

Materials for Pavement Design and Construction”

Proceedings of Geosynthetics ´89, IFAI, Vol 2, San

Diego, California, pp 353 – 360.

[4] Barenberg, E,J., Hales, J., and Downland, J.

(1975) “Evaluation of Soil - Aggregate Systems

with Mirafi Fabric”, University of Illinois Report No

UILU-ENG-75-2020, prepared for Celanese Fibers

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[5] Barksdale, R.D. Brown, S.F., and Chan, F.

(1989) “Potential Benefits of Geosynthetics in

Flexible Pavement Systems”. National Cooperative

Highway Research Program Report No 315.

Transportation Research Board, National Research

Council, Washington , D.C.

[6] Department of The Army. US Army Corps of

Engineers. Use of Geogrids in Pavement

Construction. February 2003.

[7] Giroud J.P., and Noiray, L. (1981) “Geotextile

Reinforced Unpaved Roads Design,” Journal of the

Geotechnical Engineering Division, ASCE, Vol 107,

No GT9, pp 1233 – 1254

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