Experiencia española en el uso de geomembranas sintéticas ...
GEOMEMBRANAS
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CAPÍTULO 15GEOMEMBRANAS
15.1 INTRODUCCIÓN
El crecimiento en la conciencia ambiental, así como el desarrollo de nuevas tecnologías es claramente una
facilidad en el control de agentes contaminantes no sólo en el manejo de basuras, sino también en el manejo de
residuos producidos por las grandes industrias. Es así como las geomembranas ayudan al desarrollo ambiental y a
la protección del ecosistema.
Las geomembranas representan el segundo grupo más importante de geosintéticos en ventas detrás de los geotex-
tiles, sin embargo en volúmenes de dinero son las geomembranas las que ocupan el primer lugar. Su crecimiento ha
sido estimulado por regulaciones gubernamentales, las cuales hasta el momento apenas se están desarrollando en
nuestro país. Las geomembranas en si son hojas delgadas de materiales poliméricos utilizados principalmente como
recubrimientos y cubiertas de almacenamiento de materiales sólidos y líquidos.
El uso de las geomembranas a la intemperie han sido en proyectos tales como cubiertas flotantes en reservorios, re-
cubrimientos expuestos a la luz solar en taludes, impermeabilización de superficies, etc. Su durabilidad es estimada
de acuerdo a la vida útil que sea especificada por el fabricante, comúnmente para geomembranas HDPE (Polietileno
de alta densidad) su vida útil se considera alrededor de 20 años. Otros tipos de geomembranas que de igual manera
son generalmente usadas poseen una menor vida útil expuestas a la luz solar y por lo tanto deben ser cubiertas con
suelo o con material de sacrificio, como puede ser un geotextil reemplazable.
Finalmente para detenernos en la durabilidad y la vida de servicio de las geomembranas, tenemos que remitirnos a
la experiencia, donde hace 15 años los conceptos originales decían que los geosintéticos eran fáciles de instalar pero
no durarían largo tiempo. Los pensamientos actuales han cambiado drásticamente y se tienen experiencias reales
sobre la larga vida y servicio de los geosintéticos, eso sí con gran preocupación acerca de la correcta instalación de
los mismos. Claramente los geosintéticos deben sobrevivir su colocación si se quiere alcanzar que cumplan con su
largo periodo de servicio.
El uso de las geomembranas en el diseño de barreras impermeables es una alternativa valida y en muchos casos se
utiliza como complemento a las alternativas tradicionales. El empleo de este geosintético presenta las siguientes
características:
Capítulo 15 • GEOMEMBRANAS
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• Son materiales homogéneos, de propiedades completamente cuantificables.
• Bajo una adecuada instalación, sus propiedades no sufren modificaciones durante el proceso constructivo.
• Son una alternativa más económica sobre todo en proyectos donde el tiempo de construcción es un
factor importante del costo.
• Minimizan el impacto ambiental en las obras y permiten un mejor aprovechamiento de los volúmenes
disponibles.
15.2 METODOLOGÍA DE DISEÑO
Este diseño permite escoger la geomembrana más adecuada para ser instalada como barrera impermeable garan-
tizando la protección del ecosistema en cada una de las aplicaciones como pueden ser en reservorios de agua, en
rellenos sanitarios, en recolección de lodos generados de los procesos industriales, en lagunas de oxidación, etc.
El diseño por función consiste en evaluar la principal aplicación para la cual se utiliza la geomembrana y calcular
el valor requerido para esa propiedad en particular. En el caso del diseño para la geomembrana, se comparan las
resistencias del material con el valor requerido en el diseño para una misma propiedad, obteniendo un factor de
seguridad global FSg.
FSg = ⇒ FSg > 1
Donde:
Resistencia disponible: Resistencia última del ensayo de laboratorio que simula las condiciones reales del proyecto
sobre los factores de reducción.
Resistencia requerida: Valor obtenido de una metodología de diseño que simula las condiciones reales del
proyecto.
15.5.1 Diseño del Espesor
El espesor necesario de una geomembrana dependerá del polímero con que este fabricada dicha membrana debido
a los comportamientos tan distintos a la fluencia de cada uno de los materiales.
Para el cálculo de dicho espesor se realiza un equilibrio límite teniendo en cuenta la posible deformación en la geo-
membrana como se muestra a continuación:
Figura 15.1 Modelo de diseño utilizado para calcular el espesor de la geomembrana
ResistenciaRequeridaResistenciaRequeridaResistenciaAdmisibleResistenciaAdmisible
XX
ββFUσFUσ
FLσFLσ FLTFLTTcos βTcos β
Tsen βTsen β
2Tsenβ2Tsenβ
XX
MANUAL DE DISEÑO
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ΣFx =0
Tcosβ=FUσ+FLσ+FLT
Tcosβ=σntanδU(x)+σntanδL(x)+0.5(2Tsin β/ x)(x)tanδL
σnx(tanδU+tanδL)T = (15.1)cosβ − sin β tanδL
La tensión inducida en la geomembrana es igual al esfuerzo admisible por el espesor.
T = σadm t
Donde:
T = Tensión mobilizadora en la geomembrana
σadm = Esfuerzo admisible en la geomembrana
t = Espesor de la geomembrana
Entonces reemplazando estos valores en la ecuación 15.1 se tiene que:
σnx(tanδU+tanδL) t= (15.2) σadm( cosβ − sin β tanδL)
Donde:
β = Ángulo que forma el movimiento de la geomembrana a tensión con la horizontal
FUσ = Fuerza de fricción sobre la geomembrana debido al suelo de cubierta ( para suelos de cubierta
demasiado delgados, la fracturación de este puede ocurrir por tensión, en estos casos este valor suelo des-
preciable)
FLσ = Fuerza de fricción debajo de la geomembrana debido al suelo de cubierta
FLT = Fuerza de fricción debajo de la geomembrana al componente vertical de T admisible
σn = Esfuerzo aplicado por el material de relleno
δU = Ángulo de fricción entre la geomembrana y el material superior (ASTM D 5321)
δL = Ángulo de fricción entre la geomembrana y el material inferior (ASTM D 5321)
x = Distancia de movilización de la deformación de la geomembrana
Tabla 15.1 Ángulos de fricción geomembrana - suelo y geomembrana - geotextil Según ensayo ASTM D 5321
Tipo De Geomembrana Tipo De Geotextil Tipo De Suelo - Arena
HDPE No Tejido Punzonado φ = 30o φ = 28o φ = 26o
Texturizada 32° 30o(100%) 26o(92%) 22o(83%)
Lisa 8° 18o(56%) 18o(61%) 17o(63%)
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15.5.2 Estabilidad de la Cobertura del Relleno
Las geomembranas por lo general deben ser recubiertas debido a que el recubrimiento se busca protección contra la
oxidación, protección contra la degradación ultra-violeta, protección contra las altas temperaturas que incrementan
la alta degradación, protección contra el punzonamiento y el rasgado por materiales angulares, protección gene-
rados por daños accidentales o intencionales. Usualmente se suelen cubrir con espesores pequeños de suelo, que
generalmente tienen la tendencia a deslizarse sobre los taludes, motivo por el cual este chequeo dentro de la meto-
dología se basa en las condiciones de equilibrio límite entre el subsuelo, la geomembrana y el suelo de recubrimiento
asumiendo que estos tienen un espesor uniforme.
Figura 15.2 Fuerzas actuantes con suelos de cobertura sobre la geomembrana de recubrimiento, con profundidad del suelo constante
Para realizar el cálculo de la estabilidad de la cobertura se chequea un F.S. por equilibrio limite.
(15.3)
Donde:
W = Peso del material de relleno
β = Ángulo de inclinación del talud con la horizontal
δU = Ángulo de fricción entre la geomembrana y el material superior
L = Longitud de la inclinación
Tadm = σadm * t, Fuerza de tensión en la geomembrana
Se obtienen diferentes factores de seguridad para diferentes longitudes de inclinación y se escoge la longitud con la
cual se obtenga un FS mínimo de 1 para garantizar que no abra deslizamiento de la capa de suelo.
N tan δN tan δ NN
WW
ββ
TadmTadm
GeomembranaGeomembrana
MANUAL DE DISEÑO
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15.5.3 Diseño de la Longitud y Zanja de Anclaje
Para este chequeo se tienen en cuenta un estado de esfuerzos dentro de la zanja de anclaje y su mecanismo de
resistencia. En la profundidad de la zanja de anclaje se tienen fuerzas laterales actuando sobre la geomembrana,
mas específicamente una presión activa de tierras tendiendo a desestabilizar el sistema y una presión pasiva de tierra
que lo tiende a soportar.
Figura 15.3 Sección transversal de la longitud de desarrollo de una geomembrana con zanja de anclaje y fuerzas actuantes
Donde:
LRO = Longitud de desarrollo
PA = Presión activa de tierras contra el material de relleno de la zanja de anclaje
PP = Presión pasiva de tierras contra el suelo in-situ de la zanja de anclaje
γAT = Peso Especifico del suelo de la zanja de anclaje
Capítulo 15 • GEOMEMBRANAS
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dAT = Profundidad de la zanja de anclaje
σn = Esfuerzo normal aplicado por el suelo de cobertura
KA = Coeficiente de presión de tierra activa = tan2 (45 - φ/2)
KP = Coeficiente de presión de tierra pasiva = tan2 (45 + φ/2)
φ = Ángulo de fricción del suelo respectivo
Entonces resolviendo para la ecuación (15.4) se tendrían dos incógnitas, motivo por el cual se asume un dato y se
encuentra el otro hasta que se encuentre un dato considerable tanto para la longitud de desarrollo como para la
profundidad de la zanja de anclaje.
15.2.4 Chequeo por supervivencia
Después de haber escogido la geomembrana aplicando la metodología de diseño se debe tener en cuenta que es
importante ésta sobreviva los procesos de transporte, manejo e instalación, parámetros que están fuera del alcance
del diseñador. Únicamente mediante especificaciones estrictas y un aseguramiento de la calidad en la construcción
la geomembrana puede sobrevivir la instalación y comenzar con la función para la cual fue instalada.
Mientras una geomembrana es transportada, manejada e instalada ésta es frecuentemente vulnerable al rasgado,
punzonamiento e impacto. Estos eventos pueden ocurrir accidentalmente por vandalismos o por la falta de calidad
en el trabajo de instalación. Situaciones convencionales son el soltar herramientas sobre el material, transitar auto-
móviles o camiones sobre la geomembrana sin proteger, fuertes vientos que llegan por debajo de la geomembrana
en el proceso de colocación.
El espesor es la propiedad física de la geomembrana que esta mas envuelta con la resistencia o con la susceptibili-
dad al rasgado, punzonamiento y daño por impacto. El incremento presentado del espesor puede ser en algunos
casos lineal o en algunos otros exponencial. Es por esta razón que las agencias internacionales requieren un espesor
mínimo bajo cualquier circunstancia. Sin embargo mas allá de un simple valor para todas las condiciones, el espesor
mínimo y sus propiedades subsecuentes deben estar relacionadas con las condiciones especificas del sitio. La Tabla
15.2 nos muestra valores a cuatro niveles diferentes de supervivencia.
Tabla 15.2 Valores mínimos recomendados para supervivencia de la geomembrana en el proceso de instalación
PROPIEDAD FISICA Y MÉTODO DE LABORATORIO
GRADO REQUERIDO DE SUPERVIVENCIA
BAJO1 MEDIO2 ALTO3 MUY ALTO4
Espesor(D5199),mils(mm) 25(0.63) 30(0.75) 35(0.88) 40(1.00)
Tensión(D6693),Lb/pulg(KN/m) 40(7.0) 51(9.0) 63(11.0) 74(13.0)
Rasgado(D1004),Lb(N) 7.5(33) 10(45.0) 15(67.0) 20(90.0)
Punzonamiento(D4833),Lb(N) 25(110) 30(140) 39(170) 46(200)
Impacto(D3998mod),J 10 12 15 20 Fuente: Designing With Geosynthetics 5ta Edición. Robert Koerner.
1 Bajo: Se refiere a una cuidadosa instalación a mano sobre un terreno bien gradado y uniforme con cargas leves de naturaleza estática. Típicos usados como barreras de vapor bajo trozos de piso. 2 Medio: Se refiere a una instalación manual o con maquinaria sobre un terreno gradado con maquinaria de una pobre textura con cargas medianas. Generalmente usados para canales. 3 Alto: Se refiere a una instalación manual o con maquinaria sobre un terreno gradado con maquinaria de una pobre textura con cargas altas. Generalmente usados para suelos de relleno y coberturas. 4 Muy Alto: Se refiere a una instalación manual o con maquinaria sobre un terreno gradado con maquinaria de una textura muy pobre con cargas altas. Típicamente usados para reservorios y rellenos sanitarios.
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15.3 EJEMPLO DE DISEÑO
Se requiere diseñar una geomembrana texturizada HDPE que se va a instalar en un sistema en un relleno sanita-
rio de H=7m y con un peso especifico de 12.5KN/m3. El área del pondaje esta conformado por unos taludes con
pendiente 1H:1V. En la parte inferior se ha colocado un geotextil no tejido punzonado por agujas para proteger la
geomembrana de los posibles daños durante la construcción. Se ha decido utilizar arena como suelo de cobertura
en un espesor de 30cm y como relleno para la zanjas de anclaje; esta arena tiene un ángulo de fricción interna de
30º y un peso especifico de 18KN/m3.
Solución:
15.3.1 Diseño del Espesor
σn x (tan δU + tan δL) t = σadm ( cos β − sin β tan δL)
Donde:
β = 45o
σn = 7m * 12.5 KN/m3 = 87.5 KN/m2
δU = 30o porque en este caso la geomembrana es texturizada en conjunto con la arena
δL = 32º por ser un geotextil no tejido punzonado por agujas y una geomembrana texturizada.
x = 50 mm (distancia mas desfavorable para movilización de la geomembrana).
σadm = 15000 KPa, Mayor esfuerzo soportado por las geomembranas HDPE según Designing
with Geosynthetic Cap 5, 5 Ed.
Reemplazando en los valores de la ecuación obtenemos:
87.5 ( 0.05) (tan (30) + tan (32)) t = 15.000 ( cos (45) − sin (45) tan (32))
5.26 t = 3978.86
t = 1.32 x 10-3 m = 1.32mm
Entonces:
15.3.2 Estabilidad de la Cobertura del Relleno
Donde:
W = (18*0.50*1) = 9 KN/m
t instaladoF.S. = t requerido t instaladoF.S. = t requerido
1.50 mmF.S. = 1.32 mm 1.50 mmF.S. = 1.32 mm
F.S. = 1.13 >> 1 (o.k.)F.S. = 1.13 >> 1 (o.k.)
(W cos β) tag δU (L) + TadmF.S. = W sin β (L)
(W cos β) tag δU (L) + TadmF.S. = W sin β (L)
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β = 45°
δU = 30o porque en este caso la geomembrana es texturizada en conjunto con la arena
L = Longitud de la inclinación
Tadm = σadm t = 15000 (0.0015)
Reemplazando en la ecuación tenemos:
Asumiendo diferentes valores para la longitud de inclinación se obtienen diferentes resultados en el FS.
Longitud de Inclinación FS
4,0 1,46
6,0 1,17
8,0 1,02
10,0 0,93
20,0 0,75
30,0 0,69
Por lo tanto, la longitud de inclinación máxima deberá ser de 8.00m con el fin de obtener un factor de seguridad
adecuado.
15.3.3 Diseño de la Longitud y Zanja de Anclaje
σn LRO (tan δU + tan δL) – PA + PPTadm = cos β − sin β tan δL
PA = (0.5 γATdAT + σn) KAdAT
PP = (0.5 γATdAT + σn) KP dAT
Donde:
γAT = 18 KN/m3
σn = (18 KN/m3) (0.30 m) = 5.4 KN/m2
φ = Ángulo de fricción de la arena = 30o
KA = tan2 (45 - φ/2) = tan2 (45 - 30/2) = 1
KP = tan2 (45 + φ/2) = tan2 (45 + φ/2) = 3
δU = 30o porque en este caso la geomembrana es texturizada en conjunto con la arena
δL = 32º por ser un geotextil no tejido punzonado por agujas y una geomembra texturizada
β = 45º
Tadm = σadm t = 15,000 (0.0015)
(9 cos 45) tag 30 (L) + (15,000)(0.0015)F.S. = 9 sin 45 (L)
(9 cos 45) tag 30 (L) + (15,000)(0.0015)F.S. = 9 sin 45 (L)
3.67L + 22.5F.S. = 6.36 L 3.67L + 22.5F.S. = 6.36 L
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Reemplazando en la ecuación tenemos:
(5.4) (LRO ) (tan 30 + tan 32) – ((0.5)(18)dAT + 5.4)(1)dAT) + ((0.5)(18)dAT + 5.4)(3)dAT)Tadm = (cos 45) − (sin 45) (tan 32)
6.49 (LRO ) - 9 dAT 2 – 5.4 dAT + 27 dAT
2 + 16.2 dAT 22.5 = 0.2653
5.97 = 6.49 (LRO ) + 18 dAT 2 + 10.8 dAT
Entonces nos queda finalmente una ecuación con dos incognitas, las cuales son:
LRO = Longitud de desarrollo
dAT = Profundidad de la zanja de anclaje
Se asume uno de las dos incógnitas y se encuentra la otra. LRO = 0.3m y se reemplaza en la ecuación quedando una
cuadrática de la siguiente forma:
18 dAT 2 + 10.8 dAT - 4.023
Resolviendo para dAT = 0.26 = 0.3m
15.3.4 Chequeo por supervivencia
Se revisa la Tabla 15.2 y se observa que para el caso de manejo de basuras se requiere tener en cuenta la condición
mas critica, la cual exige como mínimo una geomembrana de 1.0mm, motivo por el cual nuestra geomembrana de
1.5mm cumple con el criterio de supervivencia.
BIBLIOGRAFÍA
• KOERNER R.M., Designing with Geosynthetics, 5 ED., U.S.A., 2005.
• 1er Simposio Suramericano de Geosintético; Geosintéticos 1999.
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