Filtros de transición

Se colocan para evitar la colmatación de finos de una capa drenante y para asegurar una buena permeabilidad en el filtro. Para cumplir estas condiciones la granulometría de ambas capas debe cumplir lo siguiente:

F se refiere a la capa de filtro

M se refiere a la capa situada antes del filtro

Además se busca que ambas curvas granulométricas sean lo más paralelas posibles. Esto se logra haciendo cumplir esta ley:

 según el US Corp of Engineers                                                                                        (7.8)

Estas ecuaciones se aplican al filtro y capa de transición, en este caso “F” corresponde al filtro y "M" a la capa de transición. Cuando se aplican a la capa de transición y al terreno natural, "F" corresponde a la capa de transición y "M" al terreno natural.

Adicionalmente, la FHWA recomienda que el porcentaje de finos no exceda del 12%.

Materiales de filtro

Cuando se usan materiales de granulometría muy abierta para drenes transversales, longitudinales, bases permeables y pozos de drenaje, se hace necesario el empleo de materiales de filtro. Sus funciones son:

·                Prevenir el movimiento de partículas de suelo que pueden migrar y taponar el dren.

·                Proveer material en las vecindades de los vacíos del dren que sea más permeable que el suelo circundante.

·                Proveer un buen apoyo para el dren.

·                Estabilizar el suelo sobre el que apoya el dren.

En el caso de tener tuberías de drenaje, el material circundante debe cumplir determinadas condiciones granulométricas con respecto a las aperturas de los tubos. Estos son:

Para tuberías con ranuras rectangulares:

Siendo:

D₈₅^F= diámetro equivalente a "pasa 85%" para el filtro

B    = ancho de la ranura

Para tuberías con orificios circulares:

                                                                                                                                   (7.3)

D = diámetro del orificio

De acuerdo a Cedergreen, el Bureau of Reclamation aconseja:

Tubos colectores

Pueden estar hechos de varios materiales:

Cerámico; Hormigón; Plástico con fibra bituminosa; Metal corrugado; Polietileno corrugado; PVC.

Las longitudes son muy variables, 0.3 a 0.9 m para cerámicos. En este caso pueden ir no perforados y el agua se capta a través de las juntas abiertas. Los de hormigón normalmente son de 1 m de longitud. Los metálicos y de fibras son de 2.5 m o más. Los de plástico corrugado vienen en longitudes de 60 a 90 m. Los diámetros más comunes usados en la práctica son de 10 a 15 cm (4" y 6”).

Material para drenaje

En todo diseño de un sistema de drenaje, los materiales deben ser seleccionados cuidadosamente para asegurar que el drenaje se vea favorecido. Todos los componentes de un sistema de drenaje deben funcionar en armonía para que cumplan con los objetivos propuestos en el diseño. Los componentes son aquellos que interceptan el agua, los que la colectan a un punto determinado y los que la evacuan del paquete estructural.

Sistema de pozos

Los pozos verticales se usan para controlar el caudal de agua dentro del terreno y aliviar las presiones de poros en taludes cuya estabilidad se encuentre seriamente comprometida. En este caso los pozos deben ser bombeados para abatir el nivel freático durante la construcción o simplemente permitir el flujo para aliviar presiones artesianas. A veces tienen algún sistema colector que permite su drenaje libre hacia lugares más bajos. En este caso están combinados con túneles, drenes horizontales, etc. (Figura 7.8).

Figura 7.8. Sistema de pozos

Bases permeables

Es una capa de pavimento cuyo ancho y longitud (en la dirección del flujo) son mucho mayores que su espesor. Si están correctamente diseñadas controlan eficazmente los problemas de infiltración y escurrimiento de agua.

Una base permeable debe tener un espesor adecuado y estar construida con un material de alto coeficiente de permeabilidad. Debe poseer una salida bien diseñada para las aguas colectadas y en muchos casos deben estar rodeadas con capas de filtro para protegerlas frente al taponamiento de capas vecinas más finas. En la Figura 7.7.a se ve una base permeable conectada a un dren colector longitudinal proyectada para controlar la filtración y el caudal de agua proveniente de una fuente artesiana. En este caso se ha usado un filtro debajo de la base para evitar que la subrasante contamine la base drenante y la tapone.

En la Figura 7.7.b se muestra una base drenante proyectada para captar el agua infiltrada a través del pavimento. En este caso la salida del agua es a la atmósfera y la superficie de la base drenante no tiene ninguna protección. Esto puede provocar que caiga material más fino sobre la misma y tapone la salida del agua anulando el efecto buscado. Se considera mucho mejor diseño el colocar un dren colector como desagüe de la base drenante.

Figura 7.7. Bases permeables

Drenes transversales y horizontales

Son los drenes que corren en forma transversal al camino. En general forman un ángulo recto con el eje del camino, aunque a veces son oblicuos a éste. Han sido usados en juntas de pavimentos para producir en correspondencia con ellas un buen drenaje de bases y subbases. Esto es muy conveniente de hacer cuando, debido a la relación entre pendientes longitudinales y transversales, el agua tiende a correr paralela al eje del camino. En la Figura 7.5 se ve como los drenes transversales han sido usados junto con una base permeable y un sistema colector de drenes longitudinales que proveen un medio efectivo para evacuar el agua.

También cuando se pasa de sección en terraplén a sección en corte y es de esperar un flujo de agua desde la zona de corte a la de terraplén, se usan drenes transversales interceptores de agua (Figura 7.6).

 

 Figura 7.5. Drenes transversales conectados a un dren longitudinal

Figura 7.6. Drenes interceptores transversales

Drenes longitudinales

Están ubicados en forma paralela al camino y pueden constar de una cuneta de una profundidad determinada o de un tubo colector perforado y un filtro (Figura 7.3).

Figura 7.3. Dren longitudinal  

 Figura 7.4. Drenes interceptores longitudinales 

Cuando se trata de desmontes muy profundos con niveles freáticos originales altos, un dren longitudinal al costado del camino puede no ser suficiente y aparecería agua al pie del talud del desmonte, con todos los problemas que esto causa. En este caso se recomienda colocar a media ladera otro dren interceptor.

Sistemas de drenaje subterráneo de caminos

Un sistema de drenaje subterráneo de caminos puede clasificarse de acuerdo a:

·                La fuente de agua subterránea que deben controlar.

·                La función que cumplen.

·                Su ubicación y geometría.

Estos sistemas pueden cumplir estas funciones:

·                Intercepción del escurrimiento proveniente de un desmonte.

·                Abatimiento del nivel freático.

·                Captación de flujos de otros sistemas de drenaje.

Los sistemas más conocidos son:

·                Drenes longitudinales.

·                Drenes transversales y horizontales.

·                Bases permeables.

·                Pozos.

PRINCIPIOS BÁSICOS DE UN SISTEMA DE DRENAJE II

El movimiento del agua dentro del paquete estructural depende de la permeabilidad de los materiales usados en el mismo y de las pendientes longitudinal y transversal del camino (Figura 7.2).

Figura 7.2. Forma en que escurre el agua sobre y bajo un pavimento de hormigón

Un sistema de drenaje subsuperficial debe ser diseñado de acuerdo a estos criterios:

a) El pavimento, incluyendo bermas y áreas adyacentes, debe ser diseñado y mantenido tan impermeable como sea posible para minimizar la infiltración de agua de superficie, como de agua por capilaridad o de agua freática.

b) Para minimizar los efectos perjudiciales del agua, el sistema de drenaje debe ser diseñado de manera tal que evacue el agua lo más pronto posible.

c) El sistema de drenaje debe ser diseñado como un componente estructural del paquete, sin que sus buenas propiedades drenantes impliquen una merma de sus cualidades resistentes.

Codergreen (1962), midió la permeabilidad en pavimentos rígidos y flexibles, determinando valores típicos de: 5.1 mm/h para los primeros y de 12.7 mm/h para los últimos.

PRINCIPIOS BÁSICOS DE UN SISTEMA DE DRENAJE I

Hay dos fuentes de agua en lo que concierne al estudio de un sistema de drenaje:

·                El agua existente en la zona de saturación a la altura del nivel freático.

·                El agua de infiltración que entra en el pavimento escurriendo a través de juntas o fisuras en la superficie del pavimento, a través de vacíos en el pavimento o a través de cunetas laterales al camino.

Dentro de la primera categoría se ubican las lentes de hielo que se forman por congelación, ya que el aporte para formar éstos viene del nivel freático.

En el diseño de un sistema de drenaje se deben considerar estos conceptos:

·                Filtración: es el movimiento o flujo de agua a través de un medio poroso permeable.

·                Porosidad: es la relación entre el volumen de vacíos y el volumen total.

·                Permeabilidad: es la propiedad que tiene un medio para permitir el pasaje del agua. Esta depende del tamaño, forma y extensión de los poros o vacíos interconectados.

·                Coeficiente de permeabilidad k: es el volumen de agua que atraviesa una unidad de área en un medio poroso en una unidad de tiempo bajo un gradiente hidráulico unitario. Por ley de Darcy:

k = coeficiente de permeabilidad

i = gradiente hidráulico

El coeficiente de permeabilidad varía dentro de un rango muy alto y varía también según la dirección en que se escurra el agua.

FUENTES DE HUMEDAD EN PAVIMENTOS

La humedad en la subrasante y en la estructura del pavimento proviene de distintas causas tal como se ve en la Figura 7. 1.

Figura 7.1. Fuentes de humedad en pavimentos

Cedergreen midió la capacidad del agua para infiltrarse a través de pavimentos y encontró que la permeabilidad del pavimento de hormigón considerando juntas y otras áreas de infiltración era de 5.1 mm/hora (1.4x10^‑4 cm/seg) y para pavimentos flexibles, teniendo en cuenta fisuras y otras discontinuidades era de 12.7 mm/hora (3.5x10^-4 cm/seg).

FALLAS INDUCIDAS POR LA HUMEDAD

La infiltración a través de la superficie, niveles freáticos altos, ascenso capilar y aguas provenientes de infiltraciones (comunes en secciones en desmonte con niveles freáticos altos) contribuyen al desarrollo de fallas en los pavimentos. Las fallas en pavimentos flexibles están caracterizadas por excesiva deflexión, fisuración, bajo valor soporte de la subrasante y desintegraciones. Para pavimentos rígidos las fallas son debidas a inestabilidad de la subrasante, bombeo con la consecuente pérdida de soporte y deterioro del hormigón debido a fisuras de durabilidad.

Es un hecho bien conocido que la presencia del agua es muy perjudicial para los pavimentos. Tanto es así que ya los métodos clásicos de diseño consideraban los parámetros resistentes de la subrasante en condición saturada como dato de entrada para el diseño. El agua libre en la interfase subrasante ‑ pavimento es la responsable de muchos problemas. Cedergreen demostró que las cargas dinámicas producen incrementos más importantes de la presión de poros justo en el momento del pasaje de la carga y en consecuencia, hay una reducción notable de la capacidad de carga.

PROBLEMAS DE HUMEDAD EN PAVIMENTOS II

3. Proveer un drenaje adecuado para remover efectivamente todo tipo de humedad que pueda entrar en el pavimento antes que se produzcan deterioros. Para ello se debe:

·                Diseñar un sistema de drenaje que mantenga el nivel freático por debajo del pavimento o que pueda evacuar fácilmente el agua que eventualmente pueda ingresar en el paquete estructural.

·                Usar bases y subbases permeables, diseñadas no sólo desde el punto de vista estructural, sino también como capas drenantes. Debido a esto, el agua que ingresa al pavimento drena en dirección horizontal para salir del camino, en lugar de continuar hacia abajo, hacia la subrasante.

·                Colocar mantos drenantes debajo de secciones en terraplén.

No siempre se pueden cumplir con las premisas citadas anteriormente, pero un buen diseño debe tratar de reunir la mayor parte de ellas y saberlas complementar bien. Por ejemplo, es imposible el sellado completo de un pavimento, pero un sellado junto a un buen sistema de drenaje hará que el agua que eventualmente pueda infiltrarse salga rápidamente del paquete estructural. Un buen diseño de drenaje debe complementarse con buenas tareas de mantenimiento. También es conveniente darle al pavimento una pendiente transversal de por lo menos el 2%.

PROBLEMAS DE HUMEDAD EN PAVIMENTOS I

En todo buen diseño de pavimentos debe buscarse que la base, subbase y subrasante estén lo más protegidos de la acción del agua. Hay tres formas de considerar el control o la reducción de los problemas causados por el agua:

1.     Sellar correctamente el pavimento y no permitir la entrada del agua a las distintas capas. Para ello se debe:

·                Usar materiales apropiados y técnicas especiales para sellado de juntas longitudinales, transversales y fisuras.

·                Diseñar pavimentos con membranas impermeables.

·                Usar capas de rodamiento, bases, subbases y bermas impermeables.

·                Instalar drenes interceptores para evitar la entrada de agua al paquete estructural.

2.     Usar materiales que sean insensibles a la humedad y que no provoquen daños relacionados con la humedad. Para ello se debe:

·                Usar materiales estabilizados para capas granulares (estabilización con cemento o productos bituminosos).

·                Seleccionar materiales granulares con bajo contenido de finos y baja plasticidad que puedan resistir los efectos de la humedad.

CONCEPTOS DE DRENAJE DE PAVIMENTOS

El agua presente en los pavimentos puede provocar estos daños:

• Migración de partículas de suelo, creando problemas de erosión.
• Fallas producidas por un escurrimiento incontrolado que llevan a la saturación, exceso de subpresión o exceso de fuerzas de filtración.
•  Ablandamiento de la subrasante cuando ésta se satura y permanece saturada durante un prolongado período.
• Degradación de la calidad del material del pavimento por acción de la humedad, por ejemplo: descascaramiento o peladuras en pavimentos asfálticos y fisuras de durabilidad en pavimentos de hormigón.

DRENAJE

Introducción

La humedad tiene una gran influencia sobre las propiedades de los materiales que constituyen el paquete estructural y sobre el comportamiento de los pavimentos en general. En este capítulo se discutirán los distintos métodos para reducir o eliminar el agua de un pavimento. La presencia del agua juega un papel tan importante que el método AASHTO‑86 incorporaba un coeficiente de drenaje en la ecuación de diseño, que afectaba a base y subbase. Antes de explicar el diseño de dispositivos de drenaje, se describen brevemente los conceptos y dispositivos de drenaje.

Selección del nivel de confiabilidad III

Tipo de camino	Confiabilidad recomendada
	Zona urbana	Zona Rural
Rutas interestatales y autopistas	85-99.9	80-99.9
Arterias principales	80-99	75-99
Colectoras	80-95	75-95
Locales	50-80	50-80

Aunque la clasificación funcional de caminos es un factor muy importante a tener en cuenta, la confiabilidad a adoptar no está basada sólo en este criterio. En la Guía de Diseño AASHTO, niveles de confiabilidad altos indican que la consecuencia de falla es muy grave. Niveles altos de tránsito traen como consecuencia un más rápido deterioro y también un mayor costo de rehabilitación; es por eso que los niveles de confiabilidad deben tener en cuenta las consecuencias de la falla.

Selección del nivel de confiabilidad II

Figura 6.13. La confiabilidad óptima corresponde al costo total mínimo (AASHTO 1993) En la tabla 6.4 se dan niveles de confiabilidad aconsejados por AASHTO.

Selección del nivel de confiabilidad I

La selección del nivel apropiado de confiabilidad para el diseño de un pavimento está dictada por el uso esperado de ese pavimento. Un subdimensionado de un pavimento tiene consecuencias más graves para un pavimento en el cual se espera que lleve un gran volumen de tránsito (por ejemplo una autopista urbana) que un pavimento que experimentará un bajo volumen de tránsito. En ambos casos habrá problemas, el pavimento alcanzará los niveles mínimos de serviciabilidad antes de lo previsto y será necesario realizar trabajos de reparaciones. Lo que sí debe quedar claro es que los costos de rehabilitación para el caso de la autopista urbana serán mucho mayores que para el camino rural de bajo tránsito.

Un nivel de confiabilidad alto implica un pavimento más costoso y por lo tanto mayores costos iniciales, pero también pasará más tiempo hasta que ese pavimento necesite una reparación y por ende los costos de mantenimiento serán menores. Por el contrario, un nivel de confiabilidad bajo da pavimentos más económicos, pero con un mayor costo de mantenimiento. En base a lo dicho, hay un nivel de confiabilidad óptimo en el cual la suma de los costos iniciales y de mantenimiento dan un mínimo (Figura 6.13)

Aplicación de la confiabilidad al diseño II

El número de ESALs de diseño para una dada confiabilidad es:

log(ESALs_diseño) = log N_t + Z_r SD                                                                                                       (6.22)

Z_R = valor de Z (área bajo la curva de distribución) correspondiente a la curva estandarizada. Por ejemplo, para R = 90%, Z_R = 1.28

SD = desvío estándar, valor obtenido de la tabla 6.3.

Ejemplo:

Sea N_T = 1X10⁶  R = 90%  SD = 0.49

ESALs_diesño = 4.238x10⁶

Esto significa que el pavimento va a diseñarse para 4.238x10⁶ ESALs en lugar de los 1x10⁶ previstos. La diferencia entre estos valores es un coeficiente de seguridad cuyo propósito es tener en cuenta la incertidumbre y variabilidad en el diseño, construcción y cargas.

Veamos que pasa si bajamos la confiabilidad:

Sea N_T = 1X10⁶   R = 70%    Z_R = 0.53    SD = 0.49

log(ESALs_diseño) = log 1x1O⁶ + 0.53xO.49 = 6.2597

ESALs_diseño = 1.818X10⁶

El número de ESALs es menor, con lo cual resultará un pavimento de menor espesor, pero más expuesto a fallas, dado que ahora hay un 30% de probabilidades de que el pavimento se rompa antes de completar su período de diseño.

Aplicación de la confiabilidad al diseño I

El siguiente procedimiento permite diseñar un pavimento para un nivel predeterminado de confiabilidad. La varianza (SD)² del comportamiento del pavimento y el tránsito estimado en el período de diseño pueden ser determinados para un caso de diseño en particular si se dispone de suficiente información o en caso contrario se pueden usar los valores de la tabla 6.3. Estos valores fueron desarrollados a partir de un análisis de varianza que existía en el AASHO Road Test y en base a predicciones futuras de tránsito.

Condición de diseño	Desvío Estándar
Variación en la predicción del comportamiento del pavimento sin errores en el tránsito	0.34 (pav. Rígidos)
	0.44 (pav. Flexibles)
Variación en la predicción del comportamiento del pavimento con errores en el tránsito	0.39 (pav. Rígidos)
	0.49 (pav. Flexibles)

Definiciones de confiabilidad IV

Como log Nt y log NT tienen distribución normal, D tendrá también distribución normal (Figura 6.11).

Figura 6.11. Ilustración de la distribución de log NT Y log NT (Darter y Hudson, 1973)

El desvío estándar de D es:

Pasando a una curva normalizada:

Figura 6.12. Ilustración de la confiabilidad en una curva de distribución normal

Definiciones de confiabilidad III

El área de la curva hasta ‑2.88 es 1‑0.998 = 0.002    y    p_f = 0.2%.

En la Figura 6.10 están las distribuciones normales para la losa de 7” (17.5 cm) y se observa un solape entre las curvas de distribución de resistencia y solicitación. El área de solape no es la probabilidad de falla, pero sí una función de la misma. La figura muestra también la curva de solicitación para una losa de 9" (22.5 cm), que como es mucho más resistente, da una probabilidad de falla mucho menor.

Para el caso de un pavimento, las variables a analizar pueden ser el número de repeticiones de ESALs:

R(%)=l00 P(log N_t>log N_T)= 100 P((log N_t ‑ log N_T) > 0)=100 P(D>0)                                               (6.14)

Siendo:  D=log(N_t) ‑ log(N_T)                                                                                                           (6.15)

Figura 6.10. Ilustración de la distribución de la resistencia a la flexión y las distribuciones estimadas de las tensiones aplicadas a la losa usando el modelo de carga en el borde de Wester (Darter, 1974)

Definiciones de confiabilidad II

Como S y F tienen una distribución normal, “d” tendrá también una distribución normal.

Si usamos valores medios resulta: d = F_med ‑ S_med                                                                             (6.11)

El desvío estándar de d, S_d responde a esta expresión:

S_d = (S_s²+S_F²)^0,5                                                                                                                              (6.12)

donde:

S_s = desvío estándar de las solicitaciones

S_F = desvío estándar de las resistencias

p_f = P(d<O) = P (‑oo<d<O)                                                                                                            (6.13)

Para calcular p, o R = 1 ‑ p_f se deben usar tablas de distribución normal. Por ejemplo para una losa de 178 mm de espesor (7”):

S = 2480 KPa, tensión de tracción media en la sección más solicitada

F = 4760 KPa, resistencia a la tracción por flexión de la losa

S_S = 330KPa

S_F =720 KPa

S_d = (3302 +720²)^0.5 =792 KPa

Luego, transformando el parámetro “d” para una distribución estandarizada con media nula se tiene:

Definiciones de confiabilidad I

Como ejemplo la confiabilidad estructural de una viga simplemente apoyada es:

R(%) = 100P(resistencia>solicitación)                                                                                               (6.6)

Para un pavimento se tiene:

R(%)= 100 P(N_t>N_T)                                                                                                                       (6.7)

donde:

N_t=número de ESALs de 80 kN que llevan al pavimento a su serviciabilidad final

N_T =número de ESALs de 80 kN previstos que actuarán sobre el pavimento en su período de diseño (vida útil).

La probabilidad de falla de cualquier estructura es:

p_f = P(solicitación>resistencia)                                                                                                          (6.8)

Tanto la solicitación S como la resistencia F son variables probabilísticas, entonces:

p_f = P(S>F) = P(d<O) 

d = F – S                                                                                                                                      (6.10)

S=solicitación sobre la estructura

F=resistencia

Uso del concepto de confiabilidad

La incertidumbre siempre ha sido tenida en cuenta a través del uso de coeficientes de seguridad surgidos en base a la experiencia. Cuanto mayores eran las incertidumbres, mayores eran los coeficientes de seguridad.

La aplicación de estos coeficientes de seguridad puede hacer que el pavimento resulte sobre o subdimensionado, dependiendo de las magnitudes de los coeficientes de seguridad y de la sensibilidad de los procedimientos de diseño. Una aproximación realista para encarar la incertidumbre es la que utiliza los coeficientes de seguridad que reflejan el monto de la variabilidad estadística asociada con cada uno de los parámetros en el proceso de diseño.

CONCEPTO GENERAL DE CONFIABILIDAD DE DISEÑO

Uso del concepto de confiabilidad

Este concepto fue utilizado por primera vez para el diseño de pavimentos flexibles en 1973 en Texas (Texas Highway Department). Los conceptos de confiabilidad fueron desarrollados e incorporados en los procedimientos de diseño AASHTO en 1973 (Kher y Darter) y finalmente fueron adoptados en la guía de diseño AASHTO de 1986.

La confiabilidad en el diseño de un pavimento puede definirse, de acuerdo a Darter y Hudson (1973) como:

Confiabilidad es la probabilidad de que el sistema estructural que forma el pavimento cumpla su función prevista dentro de su vida útil bajo las condiciones (medio ambiente) que tiene lugar en ese lapso.