DRENAJE Y ESTABILIZACIÓN.

Para cada tipo de suelo se tiene que realizar un ensayo de Granulometría, previamente al diseño de filtro. Debe tenerse en cuenta que las partículas de mayor tamaño tienen muy poco efecto en el proceso de filtración

OBJETIVOS DE LA ESTABLIZACION Y DRENAJE

El objetivo principal del drenaje superficial es mejorar la estabilidad del talud reduciendo la infiltración y evitando la erosión

El propósito de un filtro es proteger el suelo contra la erosión interna al mismo tiempo permitir el paso del agua. En la literatura técnica se han presentado decenas de relaciones entre los diversos parámetros granulométricos del suelo y del filtro que se deben cumplir para garantizar su funcionamiento óptimo.

MATERIALES PARA DRENAJES

1. Material granular natural filtrante. 2. Filtro de mantos sintéticos o geotextiles.

Para evitar este fenómeno se debe colocar un filtro que debe cumplir los siguientes objetivos:

a. Impedir el paso de las partículas finas del suelo a proteger. b. Permitir la filtración rápida del agua.

TIPOS DE FILTROS

Zanjas y Cárcamos

Donde el espacio lo permita, pueden usarse zanjas para abatir el nivel del agua freática en arena o en otros materiales que se han hecho permeables por grietas o juntas. En arenas limosas o finas, los taludes laterales ordinariamente deben ser relativamente tendidos debido a las presiones de filtración que produce el agua que penetra.

Los taludes relativamente tendidos que se requieren para las zanjas abiertas en arena, generalmente impiden el uso de zanjas para abatir el nivel del agua freática más que unos cuantos decímetros. Sin embargo, se usan las zanjas abiertas en el fondo de una excavación para recolectar el agua que se filtra en ella. Estas zanjas conducen a cárcamos de los cuales se bombea el agua.

CARCAMEO

es una fosa a nivel más bajo que el de las zanjas que entran en él. Debe tenerse mucho cuidado para evitar que la arena y el limo de los lados y del fondo del cárcamo se deslaven y se vayan en el agua que se bombea. Para reducir la pérdida de arena por bombeo

y evitar la consecuente inestabilidad, con frecuencia es conveniente revestir las paredes del cárcamo, y cubrir el fondo con un material de grano grueso que funcione como filtro. La fig. 9.1 muestra un dispositivo de ese tipo al pie de un corte en arena.

Un tubo de diámetro grande, colocado verticalmente, con material de filtro en su parte inferior, es con frecuencia satisfactorio. 

Figura 9.1. Cárcamo protegido con filtro para hacer cortes a cielo abierto en arena. 

El drenaje de construcciones temporales o permanentes también puede efectuarse, excavando cepas en vez de zanjas, colocando tubos de barro o tubos perforados en ellas y llenando las cepas de material permeable. 

Para evitar que se deslave el material fino del relleno que rodea la excavación, puede ser necesario rodear

los drenes de material granular que satisfaga los requisitos de los filtros. El ancho de las aberturas en los tubos de drenaje deberá ser igual al (D60) del material por proteger.

Pozos Punta.

En los materiales granulares se puede abatir el nivel del agua freática por medio de pozos punta. Un pozo punta es un tubo perforado de longitud aproximada de 90 cm y de 38 mm de diámetro, cubierto con una tela cilíndrica para evitar la entrada de partículas finas. Se unen al extremo inferior de un tubo vertical de 38 mm o 50 mm que se encaja verticalmente en el terreno. Usualmente, el pozo punta puede introducirse en el terreno con ayuda de un chiflón de agua, sin golpearlo, aunque en algunos estratos duros se requiere una púlseta o una barrena. En la obra, las líneas de pozos punta separadas de 0.5 a 1.5 m se conectan a una tubería colectora de 15, 20, o 25 cm tendida sobre la superficie del terreno. El colector, a su vez, está conectado a una bomba aspirante. Como se muestra en la fig. 9.2,

Figura 9.2. Detalles de un pozo de Punta. 

Se muestran las diferentes partes del conjunto. Si la profundidad de excavación abajo del nivel del agua freática es mayor que 4 o 5 m, posiblemente se requieran varias filas de pozos punta. La primera excavación se hace a una profundidad del orden de 4 m y se hinca la segunda línea de pozos antes de excavar los siguientes 4 o 5 m. Los pozos se disponen generalmente de manera que los bordes de la excavación quedan formados por un conjunto de taludes interrumpidos por bermas, en las que se alojan las zanjas de drenaje. A esta disposición se le llama de varios pisos y se muestra en la fig. 9.3.

Figura 9.3. Instalación de pozos punta en varios niveles. 

Cuando la cantidad que se va a bombear por pozo es pequeña, puede usarse un sistema eyector de chorro en lugar de la instalación de varios pisos. Cada pozo punta se instala en el fondo de una perforación ademada. El pozo punta se conecta al lado inferior de una bomba de eyector de chorro, que a su vez se conecta a la superficie con dos tubos, uno de ellos es para el agua que llega a alta presión que hace funcionar la bomba, y el otro para el agua de retorno incluyendo la que sale del pozo punta. La eficiencia es baja, debido a que la mayor parte del agua que saca el sistema hubo de inyectarse previamente para operar la bomba. Sin embargo, un sistema de un sólo piso puede abatir el nivel del agua freática hasta 30m. Cuando las limitaciones de espacio impiden el uso de

un sistema de etapas múltiples, pueden resultar económicos los eyectores de chorro.

Si la permeabilidad es menor que 10-4 cm/seg, el drenaje no puede lograrse bombeando simplemente de pozos punta, debido a que las fuerzas de la capilaridad impiden la salida del agua de los poros del suelo. Sin embargo, el drenaje puede efectuarse por consolidación. Esto puede lograrse haciendo funcionar los pozos punta con una presión inferior a la atmosférica, lo que provoca una succión (fig. 9.4). En este método, los pozos se colocan en perforaciones de 20 cm de diámetro, hechas con barrena o con chiflón. Se coloca luego un filtro de arena media o gruesa, alrededor del pozo hasta 0.5 m o 1 m de la superficie. 

Arriba del filtro, se coloca un material impermeable tal como arcilla compactada para formar un sello. 

En perforaciones que no se mantienen abiertas pueden ser necesarias técnicas especiales. Las bombas para estas instalaciones deben tener la capacidad para mantener la succión en los pozos y filtro que los rodea. Por lo tanto, la presión alrededor de los pozos se reduce a una pequeña fracción de la presión atmosférica, mientras que en la superficie del terreno obra el peso de la atmósfera. Así, el suelo se consolida bajo una presión de 10 ton/m2. 

Figura 9.4. Instilación de pozos punta para absorción

Figura 9.5. Drenaje por medio de bombas de pozo profundo.

El proceso de succión, es muy efectivo en limos y en limos orgánicos, pero el tiempo necesario para obtener la consolidación y la estabilidad es probable que sea de varias semanas.

Bombas de pozo profundo.

En las excavaciones muy profundas, la instalación de pozos punta de varios pisos tiene la desventaja de que el nivel del agua desciende en forma súbita en los bordes de la excavación. En consecuencia, el gradiente hidráulico cerca de la excavación es bastante grande, y las presiones de filtración resultantes pueden producir la inestabilidad de los taludes. Bajo estas circunstancias, es más seguro, y algunas veces más económico, instalar pozos de gran diámetro equipados con bombas de pozo profundo. En la fig. 9.5, se muestra una instalación típica para esos pozos. La separación, que comúnmente varía de 6 a 60 m, depende de varios factores, incluyendo la permeabilidad del suelo y el espesor del estrato permeable.

Los pozos para una de estas instalaciones son perforaciones ademadas de diámetros que comúnmente varían de 15 a 60 cm. El ademe está perforado en las zonas permeables. La unidad de bombeo consiste en una bomba de turbina, sumergible, de varios pasos y motor montado en un eje vertical común. Una bomba de este tipo de 25 cm, es capaz de descargar 3,780 lt/min contra una carga de 24 m y requiere un motor de aproximadamente 30 HP.

Drenes de arena.

En muchos casos, es necesario construir una estructura o un terraplén sobre suelos finos con pequeña resistencia al esfuerzo cortante. La resistencia inicial de los suelos puede ser demasiado baja para que soporte el peso de la estructura sin fallar. Sin embargo, si los suelos débiles pueden drenarse con la suficiente rapidez como para permitir la consolidación casi al mismo tiempo que se aplica la carga, la resistencia del material puede aumentar lo suficiente para permitir una construcción segura.

Pueden construirse drenes verticales con el objeto de acelerar el drenaje en los suelos relativamente impermeables. En los Estados Unidos, estos drenes son comúnmente columnas de arena de 0.6 m de diámetro, dispuestos en cuadros o formando triángulos con separaciones de 3 a 5 m. La superficie del terreno sobre los drenes se cubre con una capa de material permeable, y la estructura o terraplén se construye en la parte superior de esta capa (fig. 9.6). Al aumentar el peso, se expulsa el agua del subsuelo hacia los drenes, de los cuales escapa por la capa permeable a las cunetas. Puede controlarse la rapidez de la consolidación, variando la separación y diámetro de los drenes.

La instalación de los drenes de arena puede alterar mucho la estructura del suelo, ya que puede disminuir su permeabilidad y su resistencia, y aumentar la compresibilidad. La alteración es especialmente grande si los drenes se forman con un mandril que

desaloje el suelo. El no considerar o no disminuir estos efectos desfavorables ha dado por resultado malas instalaciones

Figura 9.6  Instalación de drenes de arena.

Diferentes Métodos de Drenaje y Estabilización.

La estabilización de arenas y limos valiéndose del drenaje no siempre es factible. Por lo tanto, se han ideado diversos métodos, en la mayor parte de los cuales se inyectan lodos o soluciones en los vacíos del suelo. Estos materiales endurecen el suelo en grados variables y le imparten cohesión. Como llenan parcialmente los vacíos, también reducen la permeabilidad.

En muchas ocasiones, se ha intentado la inyección de lechada de cemento. La experiencia ha demostrado que el método puede producir resultados muy buenos, pero solamente si el suelo es relativamente homogéneo y no está estratificado, y si el tamaño de los granos no es demasiado pequeño. La lechada no penetrará los vacíos de un suelo suelto cuyo diámetro efectivo D10 sea menor que 0.5 mm, o los de un suelo compacto cuyo diámetro efectivo sea menor que 1.5

mm. Por lo tanto, las inyecciones de cemento no son adecuadas para los suelos más finos que las arenas gruesas.

El tamaño de las partículas del cemento, limita la finura de una arena adecuada para la inyección de cemento. Sin embargo, pueden obtenerse suspensiones de arcilla de cualquier finura deseada, quitando las fracciones más gruesas de las arcillas naturales. Esto ha conducido a la realización de intentos de inyectar suelos con lodos de arcilla. En la práctica, se ha encontrado que impide la penetración, la formación de una película filtrante que tapa los huecos. La formación de la película filtrante depende al parecer, en gran manera de los electrólitos que se hallen presentes en el agua subterránea; esta influencia introduce un elemento de gran incertidumbre con respecto a la eficacia del procedimiento. En realidad, parece que los materiales que pueden inyectarse con éxito con lodos de arcilla tienen aproximadamente las mismas características que los que son adecuados para la inyección de cemento. Además, aunque la inyección de arcilla puede reducir mucho la permeabilidad de la arena, no aumenta gran cosa su resistencia.

Se ha practicado mucho la solidificación de suelos inyectándoles sustancias químicas. Un procedimiento común consiste en la inyección de silicato de sodio y cloruro de calcio, que reaccionan en el suelo para formar un aglutinante cohesivo. En una variante de este método, se inyecta una sola solución que

contiene un amortiguador que retrasa y controla el tiempo de fraguado. Estos métodos tienen mucho éxito en las arenas limpias relativamente homogéneas con diámetro efectivo mayor que 0.1 mm, pero la eficacia del procedimiento disminuye rápidamente al disminuir el tamaño de los granos o la homogeneidad de la arena. Además, depende mucho de la composición química del agua subterránea.

También se han usado muchos polímeros que se mezclan con catalizadores y retardado res antes de la inyección, y que reaccionan después de un lapso para formar un gel casi impermeable. Antes de la reacción, la viscosidad de la mezcla es solamente el doble de la del agua. Además, al tiempo de la reacción no lo afectan significativamente la composición química del agua subterránea. El tiempo que dura la reacción puede controlarse para que ocurra en pocos segundos en varios minutos; con este control algunas veces es posible estabilizar materiales a través de los cuales el agua pasa con relativa rapidez.

Todos los procedimientos en que se emplean las inyecciones son costosos, y aun bajo condiciones favorables, son inciertos. Aunque se han hecho con éxito muchas aplicaciones, muchos otros intentos han resultado fracasos decepcionantes. Por lo tanto, las estabilizaciones de este tipo deben considerarse solamente en circunstancias excepcionales, donde el riesgo de un fracaso se compense, en vista de los posibles beneficios de una aplicación exitosa. En

cualquier caso, la inyección no debe tomarse como una cuestión de rutina y no debe emprenderse sin el asesoramiento de especialistas competentes y experimentados.

Si el coeficiente de permeabilidad del suelo está comprendido entre 10^-4 y 10^-6 cm/seg, no resultaría satisfactorio ningún procedimiento de inyección. En estos suelos, la estabilización puede efectuarse por electro-ósmosis, que es un método eléctrico para crear presiones de filtración y producir consolidación. Se requieren estudios cuidadosos para determinar la probabilidad de éxito y estimar la energía requerida.

En algunos casos, se han impermeabilizado y estabilizado los suelos congelando el agua contenida en los vacíos. El método se ha usado con mayor frecuencia en la perforación de tiros o de túneles, pero también se ha empleado con éxito en la estabilización temporal de cuando menos un gran deslizamiento de limo. La congelación se efectúa haciendo circular un refrigerante por una serie de tubos dobles introducidos en el suelo que se trata de estabilizar. Cada tubo doble consta de una cubierta exterior dentro de la cual se bombea el líquido frío y de un tubo interior por el cual regresa. Pueden ser necesarias varias semanas o meses para congelar un bloque de suelo que tenga un volumen de unos cuantos cientos de metros cúbicos. El método es costoso debido al tiempo necesario, así como al costo del equipo refrigerante.

2.2 EXCAVACIÓN DEL CANAL DE DESVÍO DE

AGUA PLUVIAL

En este tipo de construcciones es indispensable el aislamiento de la humedad. La construcción sobre la que versa este documento está ubicada sobre un suelo de tipo arcilloso. La arcilla tiene una capacidad excepcional para absorción de agua, la cual es muy importante para hacer un manejo efectivo del desvío de agua de lluvia. Al llegar las lluvias, las capas superiores de suelo se sellan con la absorción del agua impidiendo que se infiltre hacia capas inferiores y favoreciendo que fluya sobre la superficie del terreno. En cualquier tipo de suelo será necesario considerar la textura, si son suelos arcillosos, limosos o arenosos. Estos últimos son suelos filtrantes, al contrario de los suelos arcillosos o arcillo limosos. En este manual se pueden encontrar referencias para hacer un análisis de campo que permita conocer el tipo de suelo (ver la parte de las pruebas para la construcción de pisos

cal y arena). Para efectos éste modelo de construcción, al inicio se marcaron 2 grandes rectángulos: uno interior, de 4 x 8 m y uno exterior de 5 x 9 m con una distancia entre ellos de 1 m. Ambos rectángulos, se excavaron con una profundidad de 1 m. y 60 cm

de ancho, aproximadamente. MANUAL DE CONSTRUCCION (BIO-CONSTRUCCIÓN) 13

• Una vez nivelado el canal, se rellena el fondo con una capa de grava gruesa de entre 7 y 10 cm de espesor, aproximadamente.

• Sobre la capa de grava se coloca un tubo de PVC de 4 pulg. de diámetro que previamente se ha preparado. Se hacen dos líneas paralelas de perforaciones con taladro y broca a lo largo del tubo.

La distancia de separación entre las líneas de 5 cm, y de 2.5 cm

entre las perforaciones (entre un orificio y otro).

• El tubo se coloca en el interior de la zanja con las líneas de perforaciones dirigidas hacia abajo para evitar que se tapen con arena o tierra fina, permitiendo que colecten el agua y que corra por el interior del tubo para ser desviada.

• Sobre el tubo se coloca una capa de grava y luego se rellena con piedras grandes metiéndolas con cuidado para no romperlo.

• Los espacios entre las piedras también se rellenan con grava hasta llegar al nivel del terreno.

Figuras 2 y 3: A la Izquierda, detalles de la excavación de las zanjas, interior y del canal perimetral. A la derecha, detalles del rellenado de ambas zanjas

CONCLUSIONES

Se concluyo que es muy importante tener en cuenta el, drenaje y la estabilización cuando se quiere realizar cualquier tipo apertura de excavación par todo tipo de construcción

Se debe tener en cuenta el tipo de suelo en donde se va a realizar este tipo de trabajos

Tomar en cuente el nivel friático par a realizar nuestro drenaje y estabilización