Subdrenaje longitudinal en caminos Underdrain Systems in Roads

R. Morales y Monroy, Facultad de Ingeniera, UNAM, ESIA, IPN. V.A. Sotelo Cornejo, D.G.S.T., S.C.T. S. Palacios Prez, Huerpa, S.A. de C.V. RESUMEN. En ste artculo se comenta la evolucin histrica del subdrenaje en la red carretera de nuestro pas. Se analizan y se comparan los principales tipos de subdrenes en uso. Se hace una crtica constructiva y se emiten algunas conclusiones y recomendaciones que se consideran tiles para la prctica profesional. 1. INTRODUCCIN A lo largo de la historia de los caminos, siempre se han tenido problemas con el agua, tanto superficial como subterrnea y es por ello que la vida de un camino est ntimamente ligada al drenaje y al subdrenaje. El subdrenaje est formado por obras muy distintas como: capas permeables en pavimentos, subdrenes longitudinales de zanja, subdrenes interceptores transversales, subdrenes de delantal, drenes de penetracin transversal, pozos de alivio, capas rompedoras de capilaridad, capas permeables profundas con remocin de material, trincheras estabilizadoras, galeras filtrantes, etc. En todas ellas siempre se han empleado materiales granulares del tipo bien graduado, ya sea arenas SW gravas GW aunque en ocasiones se colocan diferentes capas, de gruesos a finos y viceversa. Los filtros de materiales graduados han sido tradicionalmente los que proporcionan proteccin al subdren, pero estos son caros, difciles de instalar, y muchas veces no son confiables, debido a diversas condiciones, especialmente a su instalacin. 2. SUBDRENAJE LONGITUDINAL Los subdrenes longitudinales son las obras ms comunes en las carreteras, los cuales se han recomendado construir por medio de trincheras que intercepten la red de flujo, pudiendo en ocasiones llegar a profundidades tan grandes como los cuatro metros. La prctica tradicional peda zanjas de 0.6 m de ancho. En ocasiones se construan hasta de 1 m de ancho, pero con el advenimiento de equipo de construccin ms sofisticado, con botes para retroexcavadoras y

zanjadoras, actualmente se pueden construir de 0.3 m y an, ms angostas, hasta de 2.5 cm de ancho. En las zanjas anteriores se colocaba un tubo, generalmente de concreto, del tipo de albaal, perforado en tres-bolillo, y se rellenaba con material de filtro (que deba de cumplir con una cierta granulometra, bien graduada). En otras ocasiones, en esas zanjas se colocaba material grueso, mayor de 5" (12.5 cm), formando as los drenes llamados "franceses" (Fig. 1), los cuales rpidamente eran taponados por el arrastre de los finos hacia la zanja, minimizando o clausurando su funcin de drenaje. Posteriormente se mejor el sistema de subdrenaje, colocndole a la misma zanja una cama de concreto pobre en el fondo, para luego colocar el tubo de concreto perforado en tresbolillo (Fig. 2), rellenando luego con material de filtro (cumpliendo las especificaciones granulomtricas que marcaba la SCT). Sin embargo muchos de estos filtros duraban poco en su vida til, debido a que pocas veces se cumpla con la especificacin de "materiales bien graduados", que se peda. Al no cumplirse con ello, los finos comenzaban a invadir los vacos dejados por el material granular, taponndolo e impidindole as cumplir con su funcin de drenaje. Ms tarde aparecieron los geotextiles, los cuales sustituyen de manera eficiente a los filtros de materiales graduados, logrando con ello aumentar en un 500% la eficacia de los drenes "franceses", al recubrir las zanjas con ese geotextil, que impide el paso de los finos hacia los vacos que deja el material granular grueso, que sirve para drenar (Fig. 3). Buscando mejorar el diseo anterior, para zonas en donde el gasto por eliminar era alto, se decidi ampliarle el rea hidrulica a los drenes franceses y se cay a los

NTN

Relleno de materialgranular grueso

CaminoZanja

Tubo dim.=20 cmperforado

Fig. 1 . Dren Francs, sin geotextil y con tubo perforado

NTN

Material defiltro

CaminoZanja

Tubo dim.=20 cmperforado

Plantilla de concretopobre

Fig. 2 . Dren SCT tradicional

drenes tradicionales en la prctica mexicana (a excepcin del geotextil), una cepa rodeada con geotextil, con un tubo de concreto perforado en tresbolillo y rodeado por material granular grueso (mayor de 5", sin finos, Fig. 4). Con el advenimiento de los geotextiles surgieron los geocompuestos y con ellos los geodrenes: un geocompuesto formado por un alma o corazn hecho de cloruro de polivinilo PVC, polietileno de alta densidad HDPE, polietileno PE o poliestireno, en forma de caja de huevos, con "pilares" cnicos, que crea de sta manera un rea hidrulica que permite el paso del agua. El geotextil impide el paso de slidos hacia el interior del geodrn (Fig. 5). Este tipo de geodrenes ha tenido algunos inconvenientes, como son la incrustacin del material de relleno dentro de los "pilares" cnicos del geodrn, disminuyndole de sta manera su rea hidrulica y su capacidad de drenar. Otro tipo de problemas observados es que el agua que intercepta cae toda hasta el fondo de la zanja y se vuelve a infiltrar, sobre todo cuando la pendiente del fondo de la zanja no es adecuada. Estos geodrenes, debe de sealarse, no son sino drenes interceptores, pero les hace falta una conduccin. Los dos inconvenientes anteriores, mostrados por el geodrn de "caja de huevos" fueron resueltos regresando a las bases, al uso del tubo perforado, que usan los subdrenes longitudinales clsicos. Este tubo permite la recoleccin del agua y su conduccin hasta eliminarla. Estos tubos estn recubiertos por un geotextil, que impide que pasen los slidos, a travs de las perforaciones del tubo, al interior del tubo drenante. En aquellos casos en donde se trate de impedir por completo el acceso de agua a la subrasante, se deber usar una geomembrana, preferentemente de PVC, por su flexibilidad, para garantizar una total estanqueidad. Igualmente, cuando se quieran evitar los cambios de humedad, como en el caso de suelos expansivos, se podrn revestir los subdrenes (tipo dren francs) con geomembranas, en su parte interior, para evitar el paso del agua a la subrasante (Fig. 6). Paralelo a los anteriores y destinados a resolver el problema de la conduccin del agua en los geodrenes caja de huevos, se han desarrollado algunos nuevos tipos de tubo, de PE, HDPE, PVC, de 10 cm (4") a 20 cm (8") de dimetro, los cuales han sido provistos de perforaciones especiales para drenar sin taponarse, cosa que no ha resultado muy evidente. Se considera que dichos tubos pudieran aumentar su eficiencia al hacerlos

trabajar dentro de una zanja como la del dren francs, rodeada por geotextil, o simplemente, dotndolos de una "funda o calcetn" de geotextil a su alrededor pero siempre dentro de una zanja interceptora de flujo.. Otra manera de hacerlos funcionar de manera eficiente es formando pneles, es decir, un geodrn tipo caja de huevos, rodeado por geotextil y unido de manera intrnseca con un tubo (del mismo material que el ncleo del geodrn), en su parte inferior. De esta manera, el panel que se consigue intercepta, por una parte, la red de flujo del sitio, captura el agua y la lleva hasta el tubo, que le sirve de conduccin hasta un lavadero o corriente cercanas. Con respecto al tipo de geotextil por usar, existe ya una carta para tal seleccin, basndose en pruebas granulomtricas (Fig. 7) y en la clasificacin triangular de suelos, elaborada por la Universidad del Mississipi. En general, se puede decir que, para suelos arcillosos y limosos se debe de utilizar como filtro un geotextil no tejido, punzonado y de preferencia sin termofijar; para suelos arenosos, gravas, boleos y roca fracturada o fisurada, se debern de utilizar geotextiles tejidos. En ambos casos, dichos geotextiles debern de cumplir con las especificaciones marcadas por la AASHTO, en su documento M-288-96. Este ltimo documento especifica los valores mnimos de las propiedades con los que deba cumplir el geotextil, de a cuerdo a su tipo, tejido o no tejido. Deja en libertad al ingeniero de aceptarlo o modificarlo, en base a su experiencia propia. 3. DISCUSIN No se puede generalizar sobre el mejor tipo de subdrenaje, para todos los casos. Cada sitio, dependiendo de su red de flujo, de su clima, de su temporada de lluvias, de sus isoyetas, de su tipo de suelo, del gasto por eliminar, de la variacin de temperaturas, deber de tener un subdrenaje distinto. Recapitulando lo ya mencionado, se puede mencionar que los principales tipos de subdrenes son: Los tradicionales, a base de materiales ptreos, SW GW, con o sin tubo colector. Subdren francs a base de materiales ptreos pero forrados con un geotextil adecuado al tipo de suelo por proteger, esto es: geotextiles tejidos o no tejidos,

NTN

Material de granulargrueso

CaminoZanja

Geotextil

Fig. 3 . Dren Francs, con geotextil y sin tubo perforado

NTN

Material de granulargrueso

CaminoZanja

Tubo dim.=20 cmperforado

Geotextil

Fig. 4 . Dren Francs, con geotextil y con tubo perforado

Conos

Area hidrulica

Geotextil

Conos

Area hidrulica

Geotextil

a) b)

Fig. 5 . Geodrenes de conos: a) de doble lado b) de un solo lado.

NTN

Camino

Material granulargrueso, sin finos

Tubo perforado(opcional)

Subdrn

Relleno con materialimpermeable (local)

Flujo

Hvariable

Geomembranaimpermeable

Geotextil

Fig. 6. Esquema de un dren francs con geomembrana impermeable

0 100

50 50

0100

0 50 100

90

80

70

60

40

30

20

1090

9080

80

70

60

6040

40

30

3020

20

10

10

70

Arcilla

Arcillaarenosa

Arcillalim osa

Arenaarcillosa

Lim oarcilloso

Arena lim osa

Lim oarenoso Lim oArena

% Arcilla% Arena

% Lim o

geotextil no tejido

geotextil no tejido

geotextiles no tejido

,

Carta para seleccionarGeotextiles en los Geodrenes

geotextil tejido

geotextil tejido

geotextil tejido

geotextiles no tejidos

geotextil tejido

Fig. 7. GUIA PARA LA SELECCIN DE GEOTEXTILES EN LOS GEODRENES

Esta carta intenta ser una gua para seleccionar adecuadamente el tipo de geotextil, usado en los geodrenes . No intenta, de ninguna manera, reemplazar un adecuado diseo ingenieril si no indicar, de manera general, que tipo de geotextil se ha acostumbrado a usar, en base a la experiencia, de acuerdo al tipo de suelo encontrado:

* Con suelos predominantemente arcillosos, que tienen cohesin, use geotextiles no tejidos, punzonados.

Los geotextiles no tejidos, punzonados, de alta resistencia se usan cuando se prevn maniobras complejas sobre el geotextil durante el periodo de construccin.

* Con suelos predominantemente arenosos o en roca muy fisurada, el geotextil necesita tener una alta

permisividad y permitir el paso de gran cantidad de agua. Use geotextiles tejidos para estos suelos.

* Con suelos limosos o mezclas de arena, limo y arcilla, ser necesaria una pequea abertura de granos (AOS), por lo cual se sugiere el uso de geotextil no tejido.

dependiendo de que el suelo sea granular o fino (limos y arcillas), respectivamente. Geodrenes prefabricados, en base a un corazn de poliestireno, de polietileno o de PVC y un filtro o cedazo de geotextil, nuevamente tejidos o no tejidos, dependiendo de que el suelo sea granular o fino (limos y arcillas). Dentro de los geodrenes prefabricados existen una gran variedad y tamaos, de acuerdo al gasto que se piense drenar. Esto debiera de dar la pauta a seguir, pues los subdrenes debieran recomendarse luego de un cuidadoso estudio del suelo y de las redes de flujo que se obtengan de cada lugar especfico. El uso de tubos perforados, de concreto, de PVC, de polietileno de alta densidad HDPE o cualquier otro tipo de tubo, as como el dimetro por utilizar, depender sobretodo del gasto necesario que se quiera drenar, de acuerdo a la red de flujo obtenida y del tipo de suelo por estabilizar. Igualmente depender de las maniobras de instalacin a realizar y la dificultad de colocacin, ya que el tubo de concreto es fcil de romperse y difcil de colocar. Debe de tomarse en cuenta si ser usado en combinacin con los geotextiles o si ser usado solo o acompaando a un geodrn, para conducirle las aguas interceptadas por l. El uso de geomembranas queda limitado por las restricciones del proyecto; cuando ste sea muy rgido y requiera garantizar la estanqueidad del subdren, podr utilizarse, lo mismo que en casos cuando se trate de terraplenes u obras sobre suelos expansivos y se requiera garantizar que ese suelo permanezca sin cambios en el contenido de agua. Podran usarse geomembranas, de la misma manera, cuando se quiera evitar la ascensin del agua capilar hacia capas superiores de un terrapln o cuando se quiera evitar que le entre agua a muros o tneles o aproches de puentes. Cuando el proyecto sea nuevo y se pueda interceptar desde un principio la red de flujo, los drenes en forma de caja de huevos, con "pilares" cnicos, pueden ser muy efectivos, sobre todo si se est al pi de un corte o en un corte en "cajn", ya que est mono-orientado, por tener sus conos de un solo lado, pero, cuando el subsuelo bajo la subrasante se encuentra ya saturado, cuando es un proyecto ya existente, cuyo subdrenaje se colmat o bien nunca se le coloc con anterioridad, debern colocarse drenes en forma de caja de huevos, pero con drenes de ambos lados, lo mismo que cuando se colocan en situaciones en donde el nivel de aguas freticas est muy cercano a la superficie; en este caso, el geodrn caja de

huevos que mejor funciona, es el que tiene conos por ambos lados. 4. CONSTRUCCIN La gran mayora de los drenes longitudinales se colocan dentro de suelos blandos y finos: arcillas y limos, saturados, o bien al lado de taludes o cortes, que pueden ser en algunas ocasiones de roca fisurada. El procedimiento constructivo a seguir es el siguiente (Fig. 8): 1) Ejecucin de una zanja, del menor ancho posible (de acuerdo al equipo con que se cuente) y hasta la profundidad sealada por proyecto (de acuerdo a la red de flujo); 2) Introduccin del geodrn; 3) Rellenar la zanja con material local. 4.1. Problemtica En el caso de los subdrenes tradicionales y aquellos rodeados con geotextil, no existen problemas mayores para su construccin. En el caso de los geodrenes prefabricados, si estos se colocan del lado de la zanja "aguas abajo", adelante de l se debe rellenar con el material local. En el caso de arcillas esto se vuelve un problema, ya que, segn su contenido de humedad, podrn estar formando grumos o "bolas" podrn estar casi fluidas. En ambos casos es difcil su recolocacin, pues las arcillas "per-se" son difciles de compactar y por el problema del remoldeo del suelo, debido a su tixotropa. Si se colocan, como se acaba de mencionar, delante del geodrn, podran formar una capa impermeable que evite que el agua, proveniente de "aguas arriba", pueda acceder al geodrn, al menos por un tiempo, creando as aumentos importantes en las presiones de poro. En el caso de que el geodrn se colocara del lado de la zanja "aguas arriba", atrs de l se debera rellenar con el material local. En el caso de arcillas, stas podran formar una capa impermeable pero sera menor su importancia, ya que, el flujo de agua est siendo interceptado "aguas arriba" y no llega a la subrasante del camino, que es lo que se persigue. Si se quisiera colocar material granular como relleno de estas zanjas, realizadas en suelo fino (arcillas o limos), el resultado podra ser el mismo que se viene tratando de evitar, ya que, si se coloca "aguas arriba" del geodrn, este material podra colmatarse por el arrastre de finos por el agua. Si se colocara "aguas abajo" del geodrn, el resultado podra ser semejante o peor que la de rellenar con el material local, ya que podra "captar" agua por detrs del geodrn e introducirla al cuerpo del camino.

Como una conclusin parcial a la discusin anterior, se considera, en principio, que la mejor solucin para el relleno de la zanja de los geodrenes es hacerlo con el material local, proveniente de la excavacin, colocada "aguas abajo" del geodrn, que deber colocarse, preferentemente, con la cara hacia "aguas arriba" (Fig. 8 y 9). En el caso de geodrenes caja de huevos con conos de un solo lado, los conos debern quedar hacia "aguas arriba" y la pared continua del lado del camino. En el caso de drenes caja de huevos con conos de ambos lados, no existe problema de colocacin, colocndolos siempre "aguas arriba", lo mismo que los drenes de "caja" y los drenes de "tubitos". En el caso de los drenes tradicionales, forrados con geotextil, no se presentan estos problemas, pues el material excavado se desperdicia. 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES No se puede generalizar sobre el mejor tipo de subdrenaje, para todos los casos. Cada sitio, dependiendo de su red de flujo, de su clima, de su temporada de lluvias, de sus isoyetas, de su tipo de suelo, del gasto por eliminar, de la variacin de temperaturas, deber de tener un subdrenaje distinto. La existencia de adecuados bancos de materiales, cercanos, podra favorecer el uso de los subdrenes tradicionales. Su lejana los encarece de manera exponencial. La dificultad de encontrar materiales graduados o el precio excesivo de los mismos, as como el flete, conlleva a la seleccin de subdrenes franceses y en ocasiones resulta ms econmico (no siempre ms barato) el uso de geodrenes prefabricados. Los geodrenes, sin embargo, deben recomendarse luego de un estudio del suelo y de las redes de flujo que se obtengan de cada lugar especfico. Generalmente se debieran recomendar en forma de pneles integrndole un tubo colector que conduzca el agua hacia fuera del subsuelo. Su profundidad o altura de enterramiento es funcin estrictamente de la red de flujo encontrada en el sitio (Fig. 9). Cuando el proyecto sea nuevo y se pueda interceptar desde un principio la red de flujo, los geodrenes con "pilares" cnicos, pueden ser muy efectivos, sobre todo si se est al pi de un corte o en un corte en "cajn", ya que est mono-orientado, por tener sus conos de un solo

lado, pero, cuando el subsuelo bajo la subrasante se encuentra ya saturado, cuando es un proyecto ya existente, cuyo subdrenaje se colmat o bien nunca se le coloc con anterioridad, debern colocarse drenes en forma de caja de huevos, pero con drenes de ambos lados, lo mismo que cuando se colocan en situaciones en donde el nivel de aguas freticas est muy cercano a la superficie; en este caso, el geodrn que mejor funciona, es el que tiene conos por ambos lados y un tubo colector en el fondo. 6. REFERENCIAS Carrol, R. G., "Geotextile Filter Criteria", Symposium on Geotextiles, Transportation Research Board, Task Force on Engineering Fabrics, 1983. Cedergren, H.R., O'Brien, K.H., and Arman, J.A., "Guidelines for the Design of Subsurface Drainage Systems for Highway Structural Sections", FHWA-RD-72-30, Federal Highway Administration, 1972. Haliburton, T.A. and Wood, P.E., "Evaluation of the U.S. Army Corps of Engineers Gradient Ratio Test for Geotextile Performance", Proceedings of the Second International Conference on Geotextiles, 1982. Lpez A.M. Curvas para el diseo de drenes prefabricados. XIX Reunin Nacional de Mecnica de Suelos, Pue. Mx., 1998. Morales R, et al. Gua de Diseo de Estructuras de Subdrenaje, 1994. Morales R. Comportamiento Hidrulico de los Geotextiles. Simposio sobre Geosintticos, SMMS, Mxico, 1990. Rico A. y del Castillo H., Mecnica de Suelos Aplicada a Vas Terrestres, Vol. I., 1987. Snchez C., Comportamiento filtrante de filtros geotextiles en el tiempo. Simposio sobre Geosintticos, SMMS, Mxico, 1990. SMMS, Uso de Medios Filtrantes en Ingeniera Sanitaria y Mecnica de Suelos, 1982. Trueba V., Criterios de diseo del dren francs con geotextiles. Un caso en condiciones de filtracin hidrodinmica. XVII Reunin Nacional de Mecnica de Suelos, Xalapa. Mx., 1994.

(Los Picos hacia aguas arriba)

Pavimento

Base hidrulica

Acotamiento

Material deexcavacin

recompactado

Geodrn

Subrasante

El Traslape delgeotextil hacia

bajo

Fig. 8. Instalacin tpica del geodrn en el borde del pavimento

Sub-Base

Base

Cuneta imperm eabilizada

Talud del corte

Anchovariable

C arpeta

Sub-R asante

M aterial de excavac inrecompactado

Geodrn

Variab le

60 cm

90 cmCuerpo del pavim entoFlu jo de agua

subterrnea

Flujo de agua

Fig. 9. Seccin transversal de la instalacin de un geodrn como subdren longitudinal Nota: Se observa la diferencia de interseccin de flujo que tiene el dren de 60 cm de peralte y el dren de 90 cm.