4-Diseño por Filtración y Drenaje-1.ppt

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DISEÑO POR FILTRACIÓN Y DRENAJE

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DEFINICIÓN

Equilibrio del Sistema Suelo-Geotextil, que permite un adecuado flujo de liquido a través del plano del Geotextil, con perdida mínima de suelo, para un tiempo de servicio compatible con la aplicación considerada.

FUNCIONES:Filtración

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•Características de la función- Existe movimiento del suelo fino por acción

del agua dentro de una masa de suelo.- Se pretende permitir el paso libre del agua

sin dejar pasar el suelo.- Para esto se requiere una adecuada

Permeabilidad, una apertura del textil, y una retención de suelo.

- Adicionalmente una compatibilidad de flujo Suelo-Geotextil perdurable; que no permita una excesiva colmatación durante el periodo de servicio del sistema.


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•Permeabilidad- Refiere a la Permeabilidad perpendicular al

plano del Geotextil, es decir, cuando el liquido fluye a través del espesor del Geotextil.

- Muchos de los Geotextiles usados para esta función poseen un espesor importante y son compresibles, por lo que el coeficiente de Permeabilidad es relacionado al espesor mediante la PERMITIVIDAD, es decir:


Permisividad = PermeabilidadGeotex / EspesorPermisividad = PermeabilidadGeotex / Espesor

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•Retención de Suelo- Para tener un mayor flujo de liquido a través

del Geotextil, este requiere un mayor tamaño de aperturas.

- Sin embargo existe una limitante: la partículas finas de suelo es arrastrada a través del Geotextil dejando las gruesas detrás, entonces la velocidad de flujo se incrementa, hasta provocar el colapso de la estructura de suelo (Tubificación).

- Este proceso es detenido colocando un Geotextil con un tamaño de apertura lo suficientemente pequeño para detener a las partículas del suelo aguas arriba.


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•Compatibilidad de Flujo de Largo Plazo

- Pregunta más común en Filtros Geotextil: ¿Se colmatará eventualmente?. Obviamente algunas partículas de suelo se alojaran sobre o dentro del Geotextil, esta colmatación parcial es esperada.

- La clave esta en que el Geotextil no se cólmate, a un punto tal, que no permita el flujo de la “Cantidad” de liquido para el que fue diseñado.


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•Compatibilidad de Flujo de Largo Plazo- Varios mecanismos hipotéticos en esta función.


Formación del Filtro aguas arriba

Arqueo de partículas sobre las aperturas del Geotextil

Apertura del Geotextil bloqueando las partículas de suelo

Concepto de filtración profunda, usando Geotextiles gruesosPartículas de suelo atracadas dentro del cuerpo del Geotextil

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DEFINICIÓN

Equilibrio del Sistema Suelo-Geotextil, que permite un adecuado flujo de liquido dentro del plano del Geotextil, con perdida mínima de suelo, para un tiempo de servicio compatible con la aplicación considerada.

FUNCIONES:Drenaje

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•Características de la función- El Geotextil es colocado de manera que el

liquido fluya en el plano del geotextil.- Todos los Geotextiles ofrecen esta

característica, pero en un rango muy amplio. Así los Geotextiles Tejidos delgados son poseen drenaje muy pobre, mientras que los No Tejidos Punzonados por agujas gruesos pueden drenar flujos importantes.

- Un diseño apropiado podrá cuantificar el flujo a drenar, y las características del Geotextil a usar.

FUNCIONES:Drenaje

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•Permeabilidad (Transmisividad)- Refiere a la Permeabilidad en el plano del

Geotextil, es decir, cuando el liquido fluye dentro del espesor del Geotextil.

- Muchos de los Geotextiles usados para esta función poseen un espesor importante y son compresibles, por lo que el coeficiente de Permeabilidad es relacionado al espesor mediante la PERMITIVIDAD, es decir:

FUNCIONES:Drenaje

Permisividad = PermeabilidadGeotex * EspesorPermisividad = PermeabilidadGeotex * Espesor

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•Retención de Suelo- El Criterio es el mismo usado en la función

de Filtración.

FUNCIONES:Drenaje

•Compatibilidad de Flujo de Largo Plazo- El Criterio es el mismo usado en la función de

Filtración.

i sPerú• Sistema de subdrenaje

Conjunto de elementos técnicamente interrelacionados que permiten captar, conducir y evacuar un caudal previamente estimado. Está compuesto por:

* Elementos de captación

* Filtro

* Elemento drenante, puede ser sintético o natural

Tipos de subdrenaje

* Francés

* Francés con tubería

* Geodren con tubo

* Lloraderos

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Geotextil

Geo-red

Tubo

Geotextil

Grava

Tubo

Subdren Francés Subdren Francés con tubo

Geodren con tubo

FUNCIONES:Filtración y Drenaje

Sistemas de Subdrenaje

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SISTEMAS DE SUBDRENAJE

• El agua es la principal causa de los problemas en la Ingeniería Geotécnica.

• Drenaje en las vías es de vital importancia, el agua en la estructura de pavimento:– Incrementa las presiones de poros, disminuye

los esfuerzos efectivos– Incrementa las supresiones de flujo– Cambia los mecanismos de transmisión de

carga

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DISTRIBUCION DE ESFUERZOS

Subrasante

2

1

CON DRENAJE SIN DRENAJE


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• Campos de aplicación de subdrenes

Los subdrenes son sistemas que sacan el agua infiltrada. Su principal aplicación esta en:

* Taludes

* Presas, Diques

* Campos deportivos

* Urbanizaciones

* Agricultura

* Estructuras viales

APLICACIONES:Filtración y Drenaje

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Consideraciones constructivas y recomendaciones

* Excavación uniforme

* El geotextil debe cubrir totalmente el perímetro de la trinchera

* Asegurar un contacto íntimo entre el geotextil y las paredes de la trinchera

* El material drenante en el caso de ser agregado, debe ser limpio, durable y preferiblemente usar tamaños entre 19 mm y 100 mm.

* La altura de caída del agregado debe ser menor a 1 metro

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* El subdren debe quedar cubierto totalmente por el geotextil, considerandose un traslapo

* Cuando se coloque geodren los espacios libres a los lados deberán ser llenado con materiales gruesos en su mayor proporción

* El subdren deberá quedar cubierto con suelo

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APLICACIONES:Filtración y Drenaje

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APLICACIONES:Defensas de Arcilla (Silt Fence)

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TESTIMONIALES

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DISEÑO DE FILTRO Y DRENAJE

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N.F.

N.F.

Q lluvia

Q N.F.Q N.F.

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Consideraciones de DiseñoConsideraciones de Diseño

Mecanismos:Capacidad suficiente de flujo.Retención de suelo adecuada.Aseguramiento contra la colmatación

por partículas de suelo.

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Capacidad de FlujoCapacidad de Flujo

La permeabilidad del Geotextil debe ser mayor que aquella del suelo adyacente para permitir una condición de flujo.

Con el tiempo, la permeabilidad del Geotextil se reducirá debido al movimiento de partículas a través de los poros.

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Retención de SueloRetención de SueloEl suelo aguas arriba debe

retenerse y no se debe permitir que pase a través de los vacíos del Geotextil.

Criterios de Retención:Comparación del tamaño de

abertura vs. características del tamaño de las partículas de suelo a retenerse.

i sPerúHistoria real de un diseño de un sistema de filtraciónHistoria real de un diseño de un sistema de filtración

Día 1 El ingeniero busca los criterios de filtración existente.

Encuentra una lista con 12 criterios según Fischer (1990) continúa la búsqueda y encuentra que en la actualidad ya se le han añadido otro tanto de criterios a la lista de Fischer.

Día 2 Consulta la guía de la FHWA y se encuentra que en el

paso 4 dice que en el diseño se debe tener en cuenta el AOS del geotextil, pero descubre que existen otros criterios como el canadiense que sugieren utilizar el parámetro O90 del geotextil.

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Día 3 Llega a la conclusión de consultar con otros dos

ingenieros amigos, Desafortunadamente los dos tienen diferentes opiniones. El primero se apoya en la aproximación de la FHWA el segundo introduce los criterios presentados en las conferencias de Geosynthetics 95.

Día 4 Llama a un distribuidor de geotextiles, este le menciona

que tiene tanto Geotextiles Tejidos como No Tejidos. Cuando le pregunta por detalles acerca de los Tejidos, este le confirma que para sistemas de filtración solo le recomienda los tejidos del tipo Multifilamento y hay que tener en cuenta el ensayo del POA del geotextil, ensayo desarrollado por el Cuerpo de Ingenieros y no tener en cuenta el ensayo del AOS.

i sPerúDía 5 Se encuentra con su jefe el cual sabe mucho de

geosintéticos, éste le comunica que no es tan fácil el diseño de un sistema de filtración pero que le de algunas horas para averiguar sobre el tema. Después de 10 horas de investigación, no llega a ninguna conclusión de cual es el criterio que mejor se le acomoda a su situación. Le sugiere hacer un pequeño ensayo a escala del problema.

Días 6 - 10 Le toma 5 días en construir un aparato de filtración. El

aparato es similar al del ensayo de relación de gradientes de la ASTM.

Días 11 - 15 Se realizan los primeros ensayos, pero analizando los

resultados muestra que existe un problema de reproducibilidad estadística, decide volver a realizar los ensayos.

i sPerú Días 16 - 20 Se realizan nuevamente los ensayos pero se advierte el

mismo problema de reproducibilidad. Se decide seguir adelante sin tener en cuenta este factor.

Día 21 Se reúne con el jefe con quien analiza los resultados y

estuvieron de acuerdo en que el ensayo realmente fue corto y no se tuvo en cuenta el desempeño a largo plazo, acordaron dar a conocer su experiencia a otros ingenieros dedicados en la materia.

Su experiencia apareció en la conferencia de Montreal y hoy está designada como el criterio de filtración número 105.

i sPerú METODOLOGIA DE DISEÑO

1. Establecer el sitio o los sitios más convenientes en donde se requiera captar los fluidos.

2. Estimar el caudal crítico para un tramo de diseño o la capacidad del sistema para obtener un tramo.

3. Dimensionamiento de la sección transversal

4. Establecer el geotextil a usar en el sistema de filtración.

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• Interceptar lo mas perpendicularmente posible las líneas de drenaje

• Establecer tramos que en lo posible conserven la misma topografía, condiciones geométricas de la vía similares, geomorfología. ( Sectorizar )

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L = 2 %B = 5 %

68°

B>L: Subdren Transversal

B<L: Subdren Longitudinal

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• Caudal por infiltración• Caudal por nivel freático

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Caudal por infiltración:

qinfiltración = IR * B * L * Fi * FR

Donde:

IR : Precipitación máxima horaria de frecuencia anual, registrada en la zona del proyecto.

B : Para subdrenes longitudinales B es la semibanca de la vía (ancho de la vía / 2). Para el caso de subdrenes transversales B es la distancia entre subdrenes.

L : Longitud del tramo de drenajeF i: Factor de infiltración. Tabla 1

FR = Factor de retención de la capa granular, refleja el hecho de que la capa granular, dada su permeabilidad, entrega lentamente el agua al subdren (Tabla 2).

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TABLA 1. Valores recomendados para Fi

TIPO DE CARPETA Fi

Carpetas asfálticas muy bienconservadas 0.3

Carpetas asfálticas normalmenteconservadas 0.4

Carpetas asfálticas pobrementeconservadas 0.5

Carpeta de concreto de cementoPortland 0.67

TABLA 2. Valores recomendados para FR

Tipo de Base FR

Bases bien gradadas, en servicio 5años o más 1/4

Bases bien gradadas, en serviciomenos de 5 años 1/3

Bases de gradación abierta, enservicio 5 años o más 1/3

Bases de gradación abierta, enservicio menos de 5 años 1/2

i sPerúCaudal por abatimiento del nivel Freático:

qNf = K * i * Aa

i = (Nd - Nf) / (B)

Aa = (Nf - Nd) * LDonde:K : Coeficiente de permeabilidad del suelo adyacentei : Gradiente hidráulico

Nd :Cota inferior del subdren.

Nf : Cota superior del nivel freático.

Aa :Area efectiva para el caso de abatimiento del nivel freático

B :Para subdrenes longitudinales, B es la semibanca de la vía. Para el caso de subdrenes transversales, B es la distancia entre subdrenes.

L: Longitud del tramo de drenaje

i sPerúQf = qinfiltración + qNf

Dimensionar la sección transversalQf = V * i * A

Donde:

Qf: Caudal final

V: Velocidad de flujo, la cual depende de la pendiente longitudinal y del tamaño del agregado usado en el subdren.

i: Gradiente hidráulico que para el caso de subdrenes es = 1

A: Área de la sección transversal del subdren, normalmente se fija el ancho y se despeja su longitud.

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Pendiente Vs Velocidad, según el diámetro del agregado Para tamaños uniformes

0

0.25

0.5

0.75

1

1.25

1.5

1.75

2

2.25

2.5

2.75

3

3.25

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

Pendiente del subdrén (%)

Agregado 12 mm (1/2")

Agregado 19 mm (3/4")

Agregado 25 mm (1")

Agregado 50 mm (2")

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4. Determinación del tipo de geotextil a usar como filtro.

• Criterio de Retención• Criterio de Permeabilidad• Criterio de Colmatación• Criterio de Supervivencia• Criterio de Durabilidad

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• Criterio de retención:

Según el FHWA, y los criterios de Holtz y Christopher:

TAA < D85 * B

Donde:

TAA: Tamaño de apertura aparente, dato suministrado por el fabricante

D85: Tamaño de partículas (en milímetros). Cuando al tamizar un suelo pasa el 85 %.

B: Coeficiente que varía entre 1 y 3. Depende del tipo de suelo a filtrar, de las condiciones de flujo y del tipo de geotextil.

i sPerúCriterio de retención:

Para suelos gruesos (menos de 50 % que pasa el tamiz No 200) B es función del coeficiente de uniformidad Cu, de la siguiente manera:

Cu 2 ó 8: Use B = 1

2 Cu 4 : Use B = 0.5 * Cu

4 < Cu < 8: Use B = 8/ Cu

Donde Cu = D60 / D10

• En suelos arenosos mal gradados usar B entre 1.5 y 2.

• Para suelos finos, (más de 50 % pasa el tamiz No 200) B es función del tipo del geotextil.

• Para geotextiles no tejidos punzonados por agujas use B = 3

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• Criterio de permeabilidad:

Kg Ks (Flujo estable)

Donde:

Kg : permeabilidad del geotextil

Ks: permeabilidad del suelo

Kg 10 * Ks (Flujo critico)

i sPerú• Criterio de permeabilidad: Para filtros de

estructuras de contención.

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• Criterio de permeabilidad: Para filtros de estructuras de contención.

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• Criterio de Colmatación:

Porosidad 50%

Los Geotextiles No Tejidos Punzonados por Agujas poseen Porosidades > 80%.

En aplicaciones muy criticas o proyectos que involucren suelos muy finos se recomienda realizar ensayos de colmatación ASTM D5101.

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MTC EG-2000, Sección 650, Aplicación de Subdrenaje Criterio de Supervivencia: Clase 2

Resistencia

a la tensión, método Grab. N ASTM D 4632

Resistencia de la costura N ASTM D 4632

Resistencia al punzonamiento N ASTM D 4833

Resistencia al estallido Mullen Burst KPa ASTM D 3786

Resistencia al rasgado trapezoidal N ASTM D 4533

Condiciones moderadas de instalación, con esfuerzos bajos de contacto. (Aplicación típica de subdrenes)

700

630

250

1300

250

Criterio de supervivencia

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Ejemplo de diseño

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Software diseño función de Filtración

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GEODRENGEODREN

El más Avanzado Sistema de Drenaje

i sPerú Descripción

El Geodrén PAVCO está compuesto por tres geosintéticos diferentes:

• Geotextil: su función principal es la de filtrar las partículas de suelo que pudieran colmatar el núcleo del sistema, es decir deja pasar el agua pero reteniendo las partículas de suelo, evitando fenómenos de tubificación dentro de la masa de suelo. Permite, gracias a su alta permeabilidad, que la cantidad de agua que entre dentro del sistema sea tal, que el geotubo trabaje con toda su capacidad para evacuar la mayor cantidad de agua posible.

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• Georred: Este geosintético está especialmente diseñado para transportar una alta cantidad de agua en su plano (transmisividad), bien sea colocándola horizontal o verticalmente. Su función es brindar un área de captación de agua, para posteriormente conducirla hasta el geotubo.

• Geotubo: Su función es la de conducir y evacuar el agua recogida por el sistema de drenaje.– Circular: Posee una capacidad de flujo mayor

para condiciones iguales de pendiente.

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Geotextil

Geo-red

Tubo

GEODREN CON TUBO

i sPerú Georedes

i sPerú Geocompuestos

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Presentación

• Geodren con tubería PAVCO 65 mm• Geodren con tubería PAVCO 100 mm• Geodren con tubería PAVCO 160 mm• Geodren con tubería PAVCO 200 mm• Geodren Planar 1, 2 y 3• Georred de drenaje, 4mmy 5mm de espesor

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Campos de Aplicación• Muros de Contención:

Es útil como medio disipador de presiones hidrostáticas. Se coloca formando un drén chimenea en el espaldón del muro. Agiliza el proceso constructivo permitiendo la construcción del sistema de drenaje con antelación a la masa de suelo reforzada con geotextil.

• Rellenos Sanitarios:Se convierte en un excelente medio de evacuación tanto de gases como de líquidos (lixiviados), evitando la formación de ¨ballenas¨ en la geomembrana y el tener que utilizar un material drenante punzante.

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• Campos DeportivosSu principal función es la de captar y evacuar el agua lluvia en exceso en el menor tiempo posible de grandes áreas tales como canchas, parques o jardines que estén sometidas al uso permanente por parte del público, generando un aumento en su tiempo de utilización.

• Vías UrbanasMantiene la estructura granular del pavimento en condiciones ideales de humedad, evitando deformaciones como ahuellamientos por ablandamiento de las capas granulares . causar traumatismos menores.

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Su instalación es más rápida que los sistemas tradicionales tales como el drén francés. Aumenta la vida útil de la vía y reduce los programas de mantenimiento.

• Vías IntermunicipalesAbate y controla las posibles fluctuaciones del nivel freático y del agua que se pueda infiltrar a la estructura de pavimento. Reduce la sección transversal de los subdrenes laterales, disminuyendo los costos de excavación y relleno, además de aumentar los rendimientos constructivos.

i sPerú Procedimiento de Instalación 1. Excavación o Zanjado

Generalmente los anchos de excavación para conformar la trinchera varían entre los 10 y 20 cms, para lo cual se utilizan zanjadoras mecánicas. En caso de hacerse con equipos convencionales o manualmente los anchos se aumentarán. Dependiendo del tipo del suelo, serán los equipos a utilizar. El sentido de excavación siempre será en contrapendiente, para facilitar la salida de agua hasta el extremo de la descarga.A medida que avanza la excavación, esta se va llenando con arena o gravas de gradación uniforme con tamaño máximo de 1/2¨.

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2. EnsamblajeEste geocompuesto viene preensamblado, sin embargo es necesario que en las zonas de unión entre cada rollo, se realice lo siguiente antes de colocar el geodren dentro de la trinchera:– Colocar el accesorio de unión entre las dos

tuberías. – Dejar un excedente de geotextil en la zona de

unión para hacer el traslapo sobre la unión entre tuberías y evitar la intrusión de partículas de suelo al sistema.

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3. Instalación del GeodrenUna vez realizada la unión entre paneles, se procede a colocarlos dentro de la trinchera.

4. Aseguramiento del GeodrenEl geodren debe asegurarse mediante el anclaje con estacas o pines metálicos en su parte superior dejando dejando una pequeña franja doblada horizontalmente sobre el borde de la trinchera para tal fin.

5. RellenoDespués de conformar la cama inferior de 10 cms de altura con material seleccionado no mayor a 1/2¨, se procede a llenar la trinchera con gravas no mayores a las 4¨.

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Los últimos 10 cms se rellenan con suelo del sitio, preferiblemente con poco permeable, con el fin de evitar el ingreso de aguas superficiales al sistema. Esta actividad debe realizarse casi inmediatamente después a la colocación del geodren dentro de la trinchera, para evitar fallas en la zanja.

6. Compactación del RellenoSe busca un mejor acomodamiento intergranular

7. Salidas o Entregas a la AtmósferaSe deben buscar salidas o entregas con espaciamiento de 50 a 100 m, dependiendo de la pendiente, para evitar una acumulación excesiva de agua dentro del tubo.

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TESTIMONIALES GEODREN

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DISEÑO DE SISTEMAS DE DRENAJE CON GEODREN

i sPerú METODOLOGIA DE DISEÑO



3. Establecer el geotextil a usar en el sistema de filtración.

4. Establecer el número de georedes necesarias.

5. Establecer el sistema de evacuación de los líquidos que capta el geodren. Diámetro de la tubería.

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• Interceptar lo mas perpendicularmente posible las líneas de drenaje

• Reducir la distancia de recorrido de las líneas de flujo.


• Caudal por infiltración• Caudal por nivel freático

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N.F.

N.F.

Q lluvia

Q N.F.Q N.F.

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3. Determinación del tipo de geotextil a usar como filtro.

• Criterio de Retención• Criterio de Permeabilidad• Criterio de Colmatación• Criterio de Supervivencia• Criterio de Durabilidad

4. Diseño del número de georedes necesarias

4.1 Obtener la transimisividad requerida

Q = K * i * A K * t = = Q/(i * W)

Q = K * i * (W * t) requeridaQ / (i * W)

Q = (k * t) * i * W

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Donde:

: Transmisividad requerida

Q : Caudal total estimado.

i : Gradiente hidráulico.

W : Ancho de la Geo-red. (Longitud del sistema de drenaje)

4.2 Obtener la transmisividad disponible.

Dato suministrado por el fabricante (Norma ASTM D 4 716)

Dividida por unos factores de seguridad (Tabla 5).

4.3 Calcule el factor de seguridad final.F.S. = disponible / requerida

Este factor de seguridad debe ser mayor a 1.

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5. Establecer el sistema de evacuación de líquidos que capta el geodren.

1. Que el tubo tenga la capacidad de absorber o recibir el caudal de diseño por cada metro lineal.

2. Capacidad de conducción del tubo.

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CAPACIDAD DE CAPTACIÓN POR METRO LINEAL DE TUBERIA CIRCULAR

0

2

4

6

8

10

12

14

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Cabeza (cm)

Cau

dal

q 1

0^2

(cm

^3/s

)

D 65 - 100 mm

D 160 mm

D 200 mm

i sPerúNOMOGRAMA PARA ESTABLECER EL DIAMETRO A USAR DE TUBERIA

0.1

1

10

100

1000

0.1 1 10 100

Pendiente (%)

Cau

dal 1

0^3(

cm^3

/s)

D 65 mm

D 100 mm

D 160 mm

D 200 mm

i sPerúMAYOR INFORMACIÓN

CONTACTAR A:

Ing. Nestor Sifuentes Boggio

Telfs.: 435 1806, 814 7249

Fax: 466 2120

E-mail: [email protected]

Web: www.pavco.com.co

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