CONSIDERACIONES SOBRE EL DRENAJE EN LOS...

CONSIDERACIONES SOBRE EL

DRENAJE EN LOS PAVIMENTOS

CONTENIDO

Generalidades

Drenaje superficial

Drenaje interno

CONSIDERACIONES SOBRE

EL DRENAJE EN LOS PAVIMENTOS

GENERALIDADES

El incremento de la presión de poros reduce la fricción

interna y la resistencia al corte de los suelos

Generación de movimientos diferenciales en suelos

expansivos

Erosión y bombeo en las capas de soporte de los

pavimentos rígidos

Desprendimiento del ligante que rodea los agregados

pétreos en las mezclas y tratamientos asfálticos

Se afecta la seguridad de los usuarios en instantes de

lluvia, debido a la posibilidad de salpicaduras e hidroplaneo

PROBLEMAS RELACIONADOS

CON EL AGUA EN LOS PAVIMENTOS

Los daños del pavimento relacionados con la humedad

se encuentran en las siguientes categorías:

— Debilitamiento de las capas del pavimento

— Degradación de los materiales (desprendimiento y

erosión de mezclas asfálticas; erosión de otros

materiales del pavimento; bombeo, escalonamiento

y agrietamiento en pavimentos rígidos)

— Pérdida de adherencia entre capas



FUENTES DE AGUA EN LOS PAVIMENTOS



1. Factores topográficos

Tipo de terreno por donde transcurre la carretera: plano,

ondulado, montañoso, escarpado

Situación de la carretera respecto del terreno natural: corte,

terraplén, media ladera

2. Factores hidrológicos

Aporte y desagüe de aguas superficiales

Variaciones en el nivel y caudal de las aguas subterráneas

3. Factores geotécnicos

Naturaleza y condiciones de los suelos: homogeneidad,

estratificación, permeabilidad, compresibilidad, etc.

Posibilidad de deslizamientos o de erosión del terreno

FACTORES A CONSIDERAR EN EL DISEÑO

DE OBRAS DE DRENAJE PARA PAVIMENTOS

SISTEMA BÁSICO DE DRENAJE

EN UNA CARRETERA

SISTEMAS DE DRENAJE DE PAVIMENTOS

MÉTODOS PARA REDUCIR EL EFECTO

DEL AGUA EN LOS PAVIMENTOS



DRENAJE

SUPERFICIAL

Existe la posibilidad de que se desarrollen películas de

agua muy gruesas sobre la superficie del pavimento en

instantes de lluvia

Estas películas generan hidroplaneo, encharcamientos

y salpicaduras excesivas

Existen modelos que predicen, a partir de la condición

superficial del pavimento y de la intensidad de la lluvia,

la velocidad vehicular a la cual se produce hidroplaneo,

la cual se debe comparar con la velocidad de operación

de la carretera

HIDRÁULICA SUPERFICIAL DEL PAVIMENTO


DEFINICIÓN DEL ESPESOR DE PELÍCULA DE AGUA, DE LA

PROFUNDIDAD MEDIA DE LA TEXTURA Y DEL FLUJO

TOTAL

El espesor de la lámina de agua que contribuye al

hidroplaneo es la suma de la profundidad media de

textura (PMT), más el espesor de agua que fluye sobre

las asperezas superficiales

El agua que se aloja bajo la PMT queda atrapada en

la superficie y no contribuye al drenaje del pavimento

El aumento de la macrotextura brinda un espacio

adecuado para alojar el agua (debajo de la PMT) y

para facilitar el drenaje (espesor sobre la PMT)


REQUISITOS DE PENDIENTE TRANSVERSAL Y LONGITUDINAL

(INVÍAS)

Pendiente transversal

Calzada Berma *

Concreto hidráulico o asfáltico 2 4

Mezclas en vía y tratamientos superficiales 2 - 3 4 - 5

Tierra o grava 2 - 4 4 - 6

Tipo de superficie

Pendiente transversal (%)

* Si la berma se construye como continuación de la calzada, se deberá mantener la pendiente de ésta

Pendiente longitudinal

Valor mínimo deseado es 0.50% y mínimo absoluto 0.25%


MEZCLAS ESPECIALES PARA

EL DRENAJE SUPERFICIAL

MICROAGLOMERADOS EN CALIENTE

Capas de rodadura de poco espesor, elaboradas con agregado

pétreo de tamaño máximo nominal comprendido entre 8 y 10

mm, con una marcada discontinuidad entre los tamaños de 2 y

5 mm, que se traduce en una superficie macro-rugosa con

elevada capacidad de drenaje superficial

MEZCLAS DRENANTES

Mezclas asfálticas para capa de rodadura con un elevado

contenido de vacíos con aire, cuyo diseño da lugar a una

superficie de textura abierta y alta capacidad drenante, a

causa de la cual el agua lluvia que cae sobre la calzada se

elimina por infiltración

MEZCLAS ESPECIALES PARA

EL DRENAJE SUPERFICIAL

El sistema se debe diseñar de manera que sea capaz de

desaguar el caudal máximo correspondiente a un

determinado periodo de retorno (frecuencia de aparición del

caudal de referencia)

OBRAS DE DRENAJE SUPERFICIAL

PERÍODO DE RETORNO

El método de estimación de los caudales asociados a

diferentes periodos de retorno depende del tamaño y

naturaleza de la cuenca aportante

Para cuencas pequeñas (menos de 1000 acres - 404.7 Ha -

según el Instituto del Asfalto) resulta apropiado el método

racional:

Para cuencas mayores se recomienda la fórmula de Burkli –

Ziegler:


CAUDALES DE REFERENCIA

4

A

SCIAQ

CIAQ



C = coeficiente medio de escorrentía de la cuenca o superficie drenada

I = intensidad de la lluvia para el período de retorno considerado y una

duración igual al tiempo de concentración

A = área de la cuenca o superficie aportante

S = pendiente del terreno en el área de drenaje, º/oo


Tiempo de concentración

Tiempo requerido para la escorrentía desde el punto más

remoto del área de drenaje hasta arribar a la estructura

Existen fórmulas empíricas para su determinación en

función de la longitud máxima de recorrido del agua,

diferencias de cotas entre los puntos extremos del área de

drenaje, coeficientes de escorrentía, etc. (Kirpich, Témez,

Giandiotti, Bureau of Reclamation)

Desde el punto de vista práctico, no conviene adoptar

tiempos de concentración inferiores a 5 minutos



TIEMPO DE CONCENTRACIÓN

DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES

CAPACIDAD DE DESAGÜE

Para los elementos lineales (cunetas, bordillos) resulta

determinante el rozamiento con las paredes del cauce y

se puede aplicar la fórmula de Manning-Strickler

Los elementos puntuales (sumideros aislados y

bajantes) se pueden asimilar a vertederos

Se debe tener en cuenta que la velocidad del agua no

cause daños al elemento por erosión o sedimentación


CAPACIDAD DE DESAGÜE


ELEMENTOS LINEALES

Cunetas

Zanjas longitudinales abiertas en el terreno junto a la

plataforma de la vía

Su pendiente deberá ser igual a la de la rasante de la

vía, salvo que se estime necesario ceñirse más al

terreno o modificar dicha pendiente para mejorar la

capacidad de desagüe


ELEMENTOS LINEALES

Cunetas

CUNETA


ELEMENTOS LINEALES

Bordillos

Elementos de contención de los pavimentos, que protegen sus

bordes y ayudan a la recolección lateral del agua de la calzada

Dado que impiden la evacuación del agua de la corona de la vía, es

importante garantizar una pendiente longitudinal mínima

Si su presencia da origen a láminas de agua que generen

hidroplaneo, encharcamientos o salpicaduras, se deben sustituir por

cunetas


CAPACIDAD DE DESAGÜE DE ELEMENTOS LINEALES

Fórmula de Manning - Strickler

UKSRAQ **** 2/13/2

Q = caudal desaguado

A = área de la sección transversal del elemento

R= radio hidráulico (A/perímetro mojado)

S = pendiente longitudinal del elemento

K = coeficiente de rugosidad del elemento

U = coeficiente de conversión de unidades


CAPACIDAD DE DESAGÜE DE ELEMENTOS LINEALES


Sumideros

Permiten el desagüe de los dispositivos

superficiales de drenaje a un colector

Pueden ser continuos o aislados. En el último

caso se distinguen los de rejilla (horizontales), los

de tipo abierto (laterales) y los combinados

ELEMENTOS PUNTUALES


Sumideros aislados

ELEMENTOS PUNTUALES

Rejilla

Lateral

Combinado


ELEMENTOS PUNTUALES

Bajantes

Permiten la conducción de las aguas colectadas por los

bordillos hacia la base de los taludes de los terraplenes


CAPACIDAD DE DESAGÜE DE ELEMENTOS PUNTUALES

La capacidad de un conjunto de sumideros o bajantes no debe ser

inferior al doble del caudal de referencia en previsión de obstrucciones

o perturbaciones del flujo

Sumideros laterales y bajantes

Se puede aplicar la fórmula del vertedero

Q (l/s) = L*H3/2/60

Siendo

H (cm) = profundidad del agua desde el borde inferior de la abertura,

medida en su centro

L (cm) = ancho libre


CAPACIDAD DE DESAGÜE DE ELEMENTOS PUNTUALES

Sumideros horizontales y combinados

Donde la profundidad del agua sea menor de 12 cm se puede usar

la fórmula del vertedero (sustituyendo el ancho libre por el perímetro

exterior de la rejilla suponiendo que está desprovista de barras)

Donde la profundidad del agua (H) sea mayor de 40 cm se podrá

usar la fórmula del orificio

Q (l/s) = 300*S*[H – (D/2)]1/2

S (m2) = área del sumidero

D (cm) = ancho de la abertura

En casos intermedios, se puede interpolar linealmente entre las dos

fórmulas

Las obras de drenaje superficial transversal se pueden

dividir en dos grupos:

—Las pequeñas obras de desagüe, como alcantarillas

de tubo y de cajón, cuya sección resulta determinante

para el desagüe del cauce (suelen tener solado)

—Las obras de paso de grandes dimensiones como

puentes y viaductos, cuya sección no resulta

determinante para el desagüe del cauce (no tienen

solado)

DRENAJE TRANSVERSAL

DRENAJE TRANSVERSAL



DRENAJE

INTERNO

DRENAJE INTERNO DEL PAVIMENTO

Funciones

Abatir el nivel freático

Eliminar aguas de filtración lateral o a través delpavimento

Derivar fuentes de agua situadas debajo de la subrasante

Estas acciones se traducen en los siguientes beneficios

Facilitan la ejecución de las explanaciones

Aumentan la capacidad portante de la subrasante

Previenen fenómenos de erosión interna y bombeo

Contribuyen en la estabilidad de la estructura y de lostaludes

CAPA PERMEABLE

Capa que se coloca bajo la superficie pavimentada,

constituida por un material filtrante de manera que, con ayuda

de una pendiente transversal adecuada y unas correctas

instalaciones de salida, pueda drenar el agua

— que se infiltre desde la superficie del pavimento

— que provenga de las bermas, o

— que ascienda por subpresión desde los niveles inferiores

Esta capa, que puede ser granular o tratada con ligantes

hidrocarbonados o con cemento, se puede integrar a la

estructura del pavimento

CAPA PERMEABLE

El remate de la capa permeable (manto drenante) puede

ocurrir:

—Contra un subdrén longitudinal

—Contra el talud lateral hacia el exterior (no es

recomendable, porque se pueden producir contaminaciones

en el talud durante las operaciones de construcción y

mantenimiento)

CAPA PERMEABLE

La capa permeable puede ser:

—La base, la cual pudiera cumplir a la vez funciones

drenantes y estructurales. Se emplea para drenar el agua

proveniente de la superficie y se aplica preferentemente

en la construcción de pavimentos rígidos

—Una capa adicional sobre la subrasante, sin función

estructural o como parte de la subbase, para control de

agua ascendiente por subpresión. Si se desea que en este

caso la capa ayude a drenar el agua que se infiltre desde la

superficie, la permeabilidad de las capas superiores debe

ser mayor que la tasa de infiltración, para que el agua

pueda fluir

CAPA PERMEABLE

NOTA : Los materiales que rodeen la capa permeable

deben cumplir requisitos de filtro

BASE PERMEABLE

CARACTERÍSTICAS REQUERIDAS

Alta permeabilidad, para reducir el tiempo de saturación a

un mínimo [k > 1000 pies/día (3.5*10-1 cm/s)]

Suficiente estabilidad, para soportar las operaciones de

construcción del pavimento

Suficiente estabilidad, para resistir y distribuir los

esfuerzos impuestos por las cargas del tránsito

Las bases pueden ser estabilizadas o no estabilizadas. La

finalidad primaria de la estabilización (con cemento

asfáltico o cemento Pórtland) es brindar estabilidad a la

capa durante la etapa constructiva

BASE PERMEABLE

BASE NO ESTABILIZADA

Su estabilidad se logra a través de la trabazón de

agregados

Se exige que el material tenga 100% de partículas

trituradas mecánicamente

El desgaste Los Ángeles no puede exceder de 45 %

Las pérdidas en el ensayo de solidez no pueden

exceder de 12 % (sulfato de sodio) o de 18 % (sulfato

de magnesio)

BASE PERMEABLE

BASE NO ESTABILIZADA

GRANULOMETRÍAS USUALES

Nota -Se recomienda que Cu > 4 para garantizar la estabilidad de la base

BASE PERMEABLE

BASE ESTABILIZADA CON CEMENTO ASFÁLTICO

Se recomienda el uso de un asfalto de grado AC-40 en

proporción de 2 a 2 ½ % en peso


BASE PERMEABLE

BASE ESTABILIZADA CON CEMENTO ASFÁLTICO

Lindly y Elsayed desarrollaron una fórmula para estimar

la permeabilidad de las bases tratadas con asfalto:

k = 852.3 – 248.67 Pb + 97.51 Va – 95.52 P8

Siendo

k = coeficiente de permeabilidad (pies/día)

Pb = porcentaje de cemento asfáltico en peso

Va = % de volumen de vacíos con aire

P8 = porcentaje en peso de material que pasa el tamiz No 8

BASE PERMEABLE

BASE ESTABILIZADA CON CEMENTO PORTLAND

La cantidad de cemento varía entre 120 y 150 kg/m3

La cantidad de agua se debe ajustar para controlar la

segregación


X = % indicado por el constructor

COMPARACIÓN DE GRANULOMETRÍAS

GRADACIÓN Y PERMEABILIDAD

DE MATERIALES PARA BASE



COMPARACIÓN DE GRANULOMETRÍAS

MATERIAL % PASA TAMIZ No. 200 k (cm/s)

Piedra partida y gravas naturales con

llenante no plástico.

5

10

15

100 – 10-1

10-2 – 10-3

10-4 – 10-5

Piedra partida y gravas naturales con

llenante plástico (IP<6)

5

10

15

10-1 – 10-3

10-2 – 10-5

10-4 – 10-7

Bases asfálticas

a) 20% de vacíos

b) 5% de vacíos

100 – 10-2

10-7 – 10-8

Arena uniforme estabilizada con cemento Menos de 10 10-1 – 10-4

Bases tratadas permeables

a) AASHTO # - 57

b) AASHTO # - 67

0

1

2.40

1.80

VALORES TÍPICOS DEL COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD DE MATERIALES DE BASE

COMPACTADOS A LA DENSIDAD MÁXIMA DEL PROCTOR ESTÁNDAR



DISEÑO HIDRÁULICO DE

LA BASE PERMEABLE

ESTIMACIÓN DEL FLUJO DE INFILTRACIÓN (qi)

La infiltración superficial es normalmente la mayor fuente

de entrada de agua a un pavimento

Existen diversos procedimientos para estimarla:

—Método de la relación de infiltración

—Método de la infiltración a través de juntas y grietas

—Método del tiempo para drenar


LA BASE PERMEABLE


Método de la relación de infiltración (Cedergren)

Se seleccionan una lluvia de diseño y una relación de infiltración y la

infiltración se determina con la expresión:

qi =2*C*R

qi= infiltración en el pavimento (pies3/día/pie2 de pavimento)

C = relación de infiltración 0.33-0.50 para pavimentos asfálticos

0.50-0.70 para pavimentos rígidos

R = intensidad de la lluvia (pulgadas/hora). Se sugiere usar una lluvia de

diseño para 2 años de frecuencia y 1 hora de duración


LA BASE PERMEABLE


Método de la infiltración por juntas y grietas (Moulton)

qi= infiltración en el pavimento (pies3/día/pie2 de pavimento)

Ic = tasa de infiltración por juntas y grietas (2.4 pies3/día/pie de grieta)

Nc = número de juntas o grietas longitudinales

Nc = N + 1, siendo N el número de carriles que contribuyen a la infiltración

Wc = longitud de las juntas o grietas transversales que contribuyen (pies)

Cs = espaciamiento entre juntas o grietas transversales contributivas (pies)

W = ancho de la base permeable que contribuye (pies)

kp = permeabilidad de pavimento sin juntas ni grietas (pies3/día/pie2 de pavimento)

p

s

ccci k

CW

W

W

NIq

*


LA BASE PERMEABLE



Ejemplo

Determinar la infiltración en un pavimento rígido de 2

carriles de 12 pies de ancho cada uno y bermas de 10 pies en

concreto asfáltico a cada lado en un sitio donde la pendiente

transversal es uniforme en un solo sentido

Las juntas transversales se encuentran cada 20 pies y la base

permeable tiene un ancho igual al del pavimento más las

bermas


LA BASE PERMEABLE



Solución al ejemplo

Ic = tasa de infiltración por juntas y grietas (2.4 pies3/día/pie de grieta)

Nc = número de juntas o grietas longitudinales = 2 + 1 = 3

Wc = longitud de las juntas o grietas transversales que contribuyen = 24

pies

Cs = espaciamiento entre juntas o grietas transversales contributivas =

20 pies

W = ancho de la base permeable que contribuye = 24 pies

kp = permeabilidad de pavimento sin juntas ni grietas = 0

23 //42.0020*24

24

24

34.2 piedíapiesqi


LA BASE PERMEABLE


Método del tiempo para drenarSe considera que es el mejor método para determinar el comportamiento

de una base permeable, dado que la selección de los parámetros de diseño

en los otros 2 métodos es muy incierta

Es una aproximación que se basa en el flujo que entra al pavimento

hasta que la base permeable se satura

Se supone que la lluvia en exceso no entra al pavimento y simplemente

corre por la superficie

Existen 2 aproximaciones para determinar el tiempo para drenar

(Ref: Publicación FHWA-SA-92-008 -March 1992-)

—Tiempo para drenar el 50% del agua que puede drenar (AASHTO)

—Criterio del 85 % de saturación


LA BASE PERMEABLE

ESTIMACIÓN DEL FLUJO DE DESCARGA DE LA BASE (qd)

qd = qi*LR

Donde

qd = tasa de descarga de la base permeable (pie3/día/pie de base)

qi = infiltración en el pavimento (pies3/día/pie2 de pavimento)

LR = longitud resultante de la trayectoria de flujo, la cual depende de

las pendientes longitudinal y transversal de la base permeable (pies)

Siendo

W = ancho de la base (pies)

S = pendiente longitudinal de la calzada (pie/pie)

Sx = pendiente transversal de la calzada (pie/pie)

2

1

Sx

SWLR


LA BASE PERMEABLE



LA BASE PERMEABLE


Ejemplo

Determinar la tasa de descarga de la base permeable de 24

pies de ancho en un pavimento rígido donde la infiltración es

1.80 pies3/día/pie2 de pavimento, si la pendiente longitudinal de

la calzada es 3 % y la transversal es 2 %

Solución

piesSx

SWLR 27.43

02.0

03.01241

22

qd = qi*LR = 1.80*43.27 = 77.89 pies3/día/pie de base


LA BASE PERMEABLE

DETERMINACIÓN DEL ESPESOR REQUERIDO DE BASE

PERMEABLE

Se puede estimar por medio de 2 criterios:

—Régimen de flujo uniforme (se obtienen espesores

exagerados)

—Régimen de flujo no uniforme, que considera que la

profundidad del flujo se incrementará hasta alcanzar el

efecto de abatimiento de la descarga del agua en el

subdrén. En este caso, se toma como espesor requerido

de la base permeable el valor correspondiente a la

máxima profundidad del flujo (ver figura)


LA BASE PERMEABLE

DETERMINACIÓN DEL ESPESOR REQUERIDO DE BASE PERMEABLE

22 SxSSR


LA BASE PERMEABLE


PERMEABLE

Ejemplo

Determinar el espesor requerido de la base permeable, dados

los siguientes datos:

—Infiltración en el pavimento = 1.8 pies3/día/pie2

—Longitud resultante = 43.27 pies

—Pendiente longitudinal = 3 %

—Pendiente transversal = 2 %

—Coeficiente de permeabilidad de la base = 3,000 pies/día


LA BASE PERMEABLE


PERMEABLE

Solución del ejemplo

-Cálculo de la pendiente resultante

036.0)02.0()03.0( 2222 SxSSR

-Cálculo de p

-Entrando a la figura con p = 0.0006 y SR = 0.036 se obtiene

LR/H = 110

H = LR/130 = 43.27/110 = 0.393 pies = 0.393*12 = 4.7 pulgadas

0006.03000/80.1/ kqp i

CAPA SEPARADORA

FUNCIONES DE LA CAPA SEPARADORA

Se coloca bajo la base permeable, para evitar que ésta

sea contaminada por los finos de la subbase/subrasante

Si la capa de subbase/subrasante es estabilizada no se

requiere la capa separadora, si la capa estabilizada no

va a estar sometida a saturación o altas presiones

durante períodos extensos.

Un riego de imprimación sobre la subbase/subrasante

estabilizada proporciona una protección adicional

CAPA SEPARADORA

La separación puede ser proporcionada por una capa

de material granular o por un geotextil

CAPA SEPARADORA

CAPA SEPARADORA DE MATERIAL GRANULAR

Debe estar constituida por partículas duras (desgaste no

mayor de 50%) y sanas (pérdidas en ensayo de solidez en

sulfato de sodio menores de 12 %)

Debe ser resistente, para proporcionar una plataforma

adecuada para la construcción de la base permeable

Su gradación debe ser seleccionada cuidadosamente, para

prevenir la migración de los finos de la capa subyacente

(debe cumplir requisitos de material de filtro)

Su permeabilidad debe ser relativamente baja, ya que

tiene que actuar como escudo para desviar el agua infiltrada

al subdrén longitudinal

CAPA SEPARADORA

REQUISITOS DE MATERIAL DE FILTRO PARA LA


Criterio de obstrucción

El agregado deberá ser lo suficientemente fino para prevenir

que materiales más finos migren dentro de él

El criterio se debe aplicar tanto a la capa separadora como a

la capa permeable drenante. La ecuación se aplica primero

considerando la capa separadora como filtro y la subyacente

como suelo y luego considerando la base permeable como

filtro y la separadora como suelo

585

15 sueloD

filtroD

CAPA SEPARADORA



Criterio de permeabilidad

Este criterio se aplica sólo a la capa separadora en

relación con el suelo que la soporta, dado que la base

permeable la satisface siempre por su alta

permeabilidad

515

15 sueloD

filtroD

CAPA SEPARADORA



Criterio de uniformidad

Busca que las curvas granulométricas de las capas

adyacentes sean algo paralelas

Este criterio se aplica tanto a la base permeable como a

la capa separadora

2550

50 sueloD

filtroD

CAPA SEPARADORA



Criterios adicionales

Hay discrepancias respecto de la uniformidad del

material y de la cantidad de finos que puede contener

CAPA SEPARADORA

GRANULOMETRÍA TÍPICA RECOMENDADA POR

LA FHWA PARA LA CAPA SEPARADORA

CAPA SEPARADORA

GRANULOMETRÍAS Y PERMEABILIDADES TÍPICAS PARA

BASES PERMEABLES Y MATERIALES DE FILTRO

[Cedergren et al (1972)]

CAPA SEPARADORA

La base permeable de k = 20,000 pies/día mostrada en la

figura presenta los siguientes diámetros:

— D15 = 0.26 pg

—D50 = 0.53 pg

Ejemplo No 1

Determinar si es posible colocar esta capa directamente

sobre un suelo de subrasante con:

—D15 = 0.0013 pg

— D50 = 0.0055 pg

— D85 = 0.021 pg

CAPA SEPARADORA

)(54.12021.0

26.0

85

15 cumplenosueloD

baseD

)(254.96055.0

53.0

50

50 cumplenosueloD

baseD

Solución al Ejemplo No 1

Como la base se colocará directamente sobre la

subrasante, la base será el filtro y la subrasante el suelo

En consecuencia, la base no se debe colocar

directamente sobre la subrasante

)(52000013.0

26.0

15

15 cumplesueloD

baseD

CAPA SEPARADORA

Como del ejemplo anterior se deduce que se debe colocar una capa

separadora, ¿cuál de los materiales de filtro de la figura pudiera ser

utilizado?

Solución

Cuando se coloca una capa granular como separadora entre la base

permeable y la subrasante, el análisis se debe dividir en 2 etapas:

—Primero se considera la capa granular separadora como filtro

y la subrasante como suelo

—En segundo lugar, se coloca la base permeable como filtro y

la capa granular separadora como suelo

En ambos casos se deben satisfacer los requisitos de filtro

Ejemplo No 2

CAPA SEPARADORA

Solución al Ejemplo No 2 - Primera Etapa

Capa granular separadora como filtro y la subrasante como

suelo

Teniendo en cuenta los tamaños de las partículas de la

subrasante (D15 = 0.0013 pg, D50 = 0.0055 pg y D85 = 0.021

pg), los requisitos que debe cumplir la capa separadora son

los siguientes:

D15 ≤ 5*0.021 = 0.105 pg

D15 ≥ 5*0.0013 = 0.0065 pg

D50 ≤ 50*0.0055 = 0.138 pg

CAPA SEPARADORA

Solución al Ejemplo No 2 - Segunda Etapa

Capa de base permeable como filtro y la granular

separadora como suelo

Teniendo en cuenta los tamaños de las partículas de la base

permeable (D15 = 0.26 pg y D50 = 0.53 pg), los requisitos

que debe cumplir la capa separadora son los siguientes:

D85 ≥ 0.26/5 = 0.052 pg

D15 ≤ 0.26/5 = 0.052 pg

D50 ≥ 0.53/25 = 0.0212 pg

CAPA SEPARADORA

Conclusión Ejemplo No 2

Combinando los seis requisitos por cumplir en las dos etapas,

se llega a los siguientes tres:

0.0065 pg ≤ D15 ≤ 0.052 pg

0.0212 pg ≤ D50 ≤ 0.138 pg

D85 ≥ 0.052 pg

Revisando los 5 materiales de filtro incluidos en la figura se

advierte que exceptuando el más grueso (cuyo D50 = 0.18 pg),

los demás satisfacen las exigencias y pueden ser utilizados

CAPA SEPARADORA

CAPA SEPARADORA DE GEOTEXTIL

Debe cumplir tres requisitos

PERMEABILIDAD- Debe permitir que el agua que fluya

desde el suelo entre a la base permeable

RETENCIÓN – El tamaño de las aberturas debe ser tal, que

en ellas se retenga la mayoría de las partículas del suelo

OBSTRUCCIÓN – El geotextil debe tener suficiente

cantidad de aberturas para que en caso de alguna obstrucción

el flujo no se vea restringido y se generen presiones de poros

excesivas

CAPA SEPARADORA

PROPIEDADES HIDRÁULICAS Y DE FILTRACIÓN

DEL GEOTEXTIL

Permeabilidad

La permeabilidad del geotextil debe ser superior a la

del suelo de subrasante, de manera que el drenaje

vertical del agua no sea impedido indebidamente por el

geotextil

Este requisito no suele constituir un problema, por

cuanto la mayoría de los suelos tienen baja

permeabilidad

CAPA SEPARADORA


DEL GEOTEXTIL

Retención

Esta propiedad se evalúa a través del tamaño de

abertura aparente (TAA)

El TAA es un número índice que identifica el tamaño

de las mayores aberturas del geotextil

El TAA se determina mediante la norma de ensayo

ASTM D4751

CAPA SEPARADORA


DEL GEOTEXTIL

Retención

La prueba consiste en tamizar pequeñas esferas de vidrio de

tamaño uniforme a través del geotextil y determinar el

porcentaje de ellas, en peso, que queda retenido en él

La prueba se repite aumentando el tamaño de las esferas

hasta que menos del 5 % de ellas atraviese el geotextil (más

de 95 % quedan retenidas)

El tamaño de abertura aparente es el número del tamiz

estándar que tiene las aberturas del tamaño superior más

próximo al de las esferas que son retenidas en más de 95 %

CAPA SEPARADORA


DEL GEOTEXTIL

Retención

El tamaño de abertura aparente también se puede expresar

en milímetros y se refiere al tamaño correspondiente al 95%

retenido (O95)

La nomenclatura de los tamaños de tamices es a veces

difícil de seguir, por cuanto la abertura del tamiz decrece a

medida que el número del tamiz aumenta

El tamaño de abertura aparente se debe elegir de manera

que prevenga la migración de los finos dentro de la base

permeable

CAPA SEPARADORA


DEL GEOTEXTIL

TAMAÑOS DE ABERTURA DE LOS TAMICES

CAPA SEPARADORA


DEL GEOTEXTIL

Obstrucción

La obstrucción es un problema potencial y por lo tanto el

diseño debe tomarla en consideración

La mejor aproximación consiste en estudiar la interacción

en la interfaz suelo/geotextil

El potencial de obstrucción del geotextil se mide mediante

el ensayo de relación de gradientes, según norma ASTM

D5101

CAPA SEPARADORA


DEL GEOTEXTIL

Obstrucción

La prueba de relación

de gradientes consiste en

determinar el gradiente

hidráulico a través del

geotextil más 1‖ de suelo

colocada encima de él (if)

y a través de 2‖ de suelo

colocadas encima de la

anterior (ig)

CAPA SEPARADORA


DEL GEOTEXTIL

Obstrucción

Si las partículas de suelo son atrapadas en el geotextil,

la relación de gradientes aumenta, en tanto que si lo

atraviesan, la relación de gradientes disminuye

g

f

i

iGRADIENTESDERELACIÓN

CAPA SEPARADORA

CRITERIOS DE DISEÑO PARA SELECCIÓN DE GEOTEXTILES

CAPA SEPARADORA


REQUERIMIENTOS DE PROPIEDADES MECÁNICAS PARA

GEOTEXTILES EN CAPAS SEPARADORAS (INVÍAS)

CAPA SEPARADORA


Ejemplo

Determinar el TAA de un geotextil tejido que sea adecuado

para retener un suelo de subrasante cuyo D85 es 0.24 mm

Solución

Como se trata de un geotextil tejido

O95 ≤ D85

O95 ≤ 0.24 mm

Por lo tanto, se elige un AOS No 70, el cual corresponde a

un tamiz de 0.212 mm de abertura

SUBDRENES LONGITUDINALES

Zanjas paralelas a la dirección de la vía, en las cuales

se colocan materiales permeables (agregados pétreos,

geotextiles, geodrenes) y, eventualmente, una tubería

Excavación de zanja Colocación de geotextil

y tubería

Relleno con agregado pétreo

Utilización

Los subdrenes longitudinales se emplean para:

1. Cortar corrientes de agua subterránea, impidiendo

que alcancen las inmediaciones del pavimento

2. Encauzar el agua que ingrese al pavimento por

filtraciones a través de su superficie

3. Rebajar el nivel freático, manteniéndolo a una

profundidad conveniente del nivel superior de la

explanación


Utilización

1. Cortar corrientes de agua subterránea, impidiendo

que alcancen las inmediaciones del pavimento


Utilización

2. Encauzar el agua que ingrese al pavimento por

filtraciones a través de su superficie


Utilización

3. Rebajar el nivel freático, manteniéndolo a una

profundidad conveniente del nivel superior de la

explanación


CARACTERÍSTICAS DE LOS SUBDRENES

LONGITUDINALES

Deben tener la capacidad hidráulica suficiente para conducir

todo el agua que reciban

Si están unidos con una base permeable, su material de

relleno debe ser el mismo de la base para asegurar su

capacidad. Además, deben llevar una tubería

Cuando el subdrén no va unido a una base permeable, puede

estar constituido por un geodrén o ser del tipo francés envuelto

en geotextil

El geotextil usado para el subdrén no debe atravesar una base

permeable, por cuanto formaría una barrera al flujo de agua


TUBERÍA DEL SUBDRÉN

Puede ser de concreto, arcilla, metal, fibra bituminosa

o plástico

Los tubos de concreto y arcilla se podrán proyectar

con juntas abiertas o perforaciones que permitan la

entrada del agua en su interior

Los tubos de hormigón poroso permiten la entrada del

agua a través de sus paredes

Los tubos de plástico, metal y fibra bituminosa tienen

orificios circulares o ranuras para el mismo fin



En tuberías con juntas abiertas, el ancho de éstas oscila

entre 1 cm y 2 cm

Los orificios circulares o ranuras de las tuberías perforadas

se disponen de preferencia en la mitad inferior de los tubos

Se deben cumplir los siguientes requisitos para evitar que

se introduzca el material granular del subdrén dentro de los

tubos perforados


2.185 ranuraladeAncho

filtroD

0.185 orificiodelDiámetro

filtroD—Para orificios circulares

—Para ranuras



Disposición de los orificios en una tubería perforada

DISEÑO HIDRÁULICO DEL

SUBDRÉN LONGITUDINAL

DETERMINACIÓN DEL FLUJO DE DESCARGA

El subdrén debe ser diseñado de manera que la tasa del

flujo de salida sea mayor que la de entrada y que el agua

pueda ser llevada con seguridad de las fuentes hasta los sitios

de descarga

Existen 3 aproximaciones para el cálculo del flujo de

descarga del sistema de subdrenaje:

—Tasa de descarga de la infiltración del pavimento

—Tasa de descarga de la base permeable

—Tasa de descarga del tiempo para drenar




Método de la velocidad de descarga de la infiltración del pavimento

Qp = qi W L

Donde

Qp = caudal de diseño por el conducto (pie3/día)

qi = infiltración del pavimento (pie3/día/pie2)

W= ancho de la base permeable (pies)

L = espaciamiento entre tubos de descarga (pies)




Método de la velocidad de descarga de la base permeable

Algunos ingenieros consideran que el sistema debe ser capaz

de manejar el flujo máximo que la base permeable puede

descargar en el subdrén

Qp = k SR H L cos(A)

Donde


k = coeficiente de permeabilidad (pies/día)

SR = pendiente resultante (pie/pie)

H = espesor de la base (pies)


A = ángulo entre la pendiente transversal y la pendiente resultante




Método de la velocidad de descarga del tiempo para drenar

En esta aproximación el sistema debe ser capaz de manejar el

flujo generado por el drenaje de la base permeable

Qp = (W L H Ne U)(1/tD)*24

Donde


W = ancho de la base permeable (pies)


H = espesor de la base (pies)

Ne = porosidad efectiva

U = porcentaje drenado (expresado como decimal)

tD = tiempo de drenaje (horas)



CAPACIDAD DE LA TUBERÍA CIRCULAR

Se puede determinar con la fórmula de Manning

Q = (53.01 D8/3 S1/2)/ n

Donde

Q = capacidad de la tubería (pie3/día)

D = diámetro de la tubería (pulgadas)

S = pendiente longitudinal (pies/pie)

n = coeficiente de rugosidad de Manning

n = 0.012 para tubería lisa

n = 0.024 para tubería corrugada




Si se asignan valores de diámetro de tubería y coeficiente de

rugosidad, la ecuación de Manning se puede simplificar

Q = K S1/2

Valores K para diferentes diámetros de

tubería y coeficientes de rugosidad




Ejemplo

Determinar la capacidad de una tubería circular corrugada

de 4 pulgadas de diámetro, si la pendiente longitudinal del

subdrén longitudinal es 1 %

Solución

K = 89,051 (ver tabla)

Q = K S1/2 =89,051(0.01)1/2 = 8,905 pies3/día



ESPACIAMIENTO ENTRE TUBOS DE DESCARGA (L)

Método de la velocidad de descarga de la infiltración en el

pavimento

En esta aproximación se iguala el caudal de diseño de este

método con la ecuación de capacidad del conducto

qi W L = K S1/2

Despejando ―L‖:

Wq

SKL

i

2/1




Método de la velocidad de descarga de la infiltración en el pavimento

Ejemplo

Dados:

—Infiltración en el pavimento = 1.80 pies3/día/pie2

—Ancho de la base permeable = 24 pies

—K = 89051

—Pendiente longitudinal de la tubería = 1 %

Determinar el espaciamiento entre tubos de descarga

Solución

piesWq

SKL

i

20624*80.1

)01.0(*89051 2/12/1







k SR H L cos(A) = K S1/2

Despejando ―L‖:

)cos(

2/1

AHSk

SKL

R





Ejemplo

Dados

—Ancho de la base permeable = 24 pies

—k = 3000 pies/día

—K = 89051

—Pendiente longitudinal de la tubería = 1 %

—Pendiente resultante = 0.036 (Sx = 0.02)

—Espesor de la base permeable = 0.393 pies

Determinar el espaciamiento entre tubos de descarga





Solución al ejemplo

556.0036.0

02.0)cos(

R

x

S

SA

piesAHSk

SKL

R

377556.0*393.0*036.0*3000

)01.0(*89051

)cos(

2/12/1




Método de la velocidad de descarga del tiempo para drenar



(W L H Ne U)(1/tD)*24 = K S1/2

Despejando ―L‖:

UNHW

tSKL

e

D

24

2/1



DETERMINACIÓN DE LA SECCIÓN

TRANSVERSAL DEL SUBDRÉN

Si no hay heladas ni un caudal significativo de agua

por subpresión, el subdrén puede tener poca profundidad

Tan sólo se requiere que la parte superior del tubo

quede al menos 5 centímetros (2 pulgadas) por debajo

del fondo de la capa permeable



DETERMINACIÓN DE LA SECCIÓN

TRANSVERSAL DEL SUBDRÉN

El ancho mínimo de la zanja (W) se puede determinar

aplicando la ley de Darcy, suponiendo que el gradiente

hidráulico es unitario (i = 1) y que el caudal de diseño del

subdrén (Q) es igual a la descarga de la base permeable

(qd), lo que permite llegar a

k

qW d

TUBERÍA DE DESCARGA

Su instalación es crítica en el sistema de drenaje de bases

permeables

Puede ser metálica o rígida de PVC sin perforaciones y

debe ir adecuadamente conectada con la tubería del subdrén,

debiendo tener el mismo diámetro de ésta

Su salida a la zanja o cuneta lateral debe producirse por lo

menos 15 centímetros por encima del flujo de diseño para 10

años

La FHWA recomienda construirle cabezal de salida y

limitar la separación entre tuberías a 250 pies (76 metros)


TUBERÍA DE DESCARGA


Esquema general Cabezal de salida

SUBDRENES TRANSVERSALES

En carreteras de montaña, los subdrenes

longitudinales pueden resultar insuficientes para

interceptar toda el agua de filtración

En estos casos se deben instalar subdrenes

transversales normales al eje de la vía o en forma de

espina de pez

Función


Estos dispositivos son análogos a los longitudinales y

lo único que los distingue de ellos es la dirección en la

cual se desarrollan y el hecho de tener paredes

inclinadas

Su efecto se puede incrementar, si en cierta longitud

se coloca una capa permeable a cada lado de ellos

Función

SI EL AGUA DESTROZA LOS CAMINOS

¿QUÉ HARÁ EN LOS INTESTINOS?

COROLARIO

CONSIDERACIONES SOBRE EL DRENAJE EN LOS...

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