Módulo No. 4 - Drenaje interior de pavimentos

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Profesor: Ing. Elvis Castillo

Drenaje Interior del Pavimento

4. Drenaje Interior del Pavimento El drenaje es uno de los factores más importantes en el diseño del pavimento.

Hasta hace poco, este factor no había recibido la atención que se merece. Se

pensaba erróneamente que un buen sistema de drenaje no era necesario si el

diseño del espesor del pavimento estaba basado en una condición de suelo

saturado. Este concepto pudo haber sido cierto en aquellos tiempos cuando el

volumen de tráfico era bajo y sus cargas eran pequeñas.

Con el tiempo el peso y el número de ejes aumentó y el agua comenzó a causar

muchos daños en el pavimento: al crearse grietas, y en condiciones de suelo

saturado, el peso de los vehículos grandes causa un incremento de presión en el

suelo haciendo que el agua salga por la grieta, junto a gran cantidad de

partículas finas. Esto provoca la pérdida de material de soporte del pavimento,

creando aún más grietas que intensifican el problema.

Teóricamente, no se requiere un sistema interno de drenaje si la infiltración en el

pavimento es menor que la capacidad de drenaje de la base y sub-base. Debido

a que la infiltración y la capacidad de drenaje tienen altas variaciones y también

es difícil de calcular, se recomienda que los sistemas de drenaje sean utilizados en

todas las obras importantes y en las que se sabe que tendrán muy poco o no

tendrán mantenimiento a lo largo de su vida útil.

4.1 Efectos perjudiciales del agua

El agua entra a la estructura del pavimento por infiltración a través de grietas,

juntas, hombros, agua subterránea debido a un alto nivel freático, acuíferos

interrumpidos, manantiales, etc.

Los afectos perjudiciales del agua, se pueden resumir en:

Reducción de la resistencia de los suelos granulares en la sub-base.

El peso de los vehículos grandes causa un incremento de presión en el

suelo haciendo que el agua salga por la grieta, junta, etc, junto a gran

cantidad de partículas finas. Esto provoca la pérdida de material de

soporte del pavimento, creando aún más grietas que intensifican el

problema.

El agua causa hinchazón en suelos expansibles (ej.: algunas arcillas) que

causan incrementos de esfuerzos en el pavimento.

El contacto continuo con el agua produce la separación de la mezcla de

asfalto.

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4.2 Movimiento del agua a través de las capas bajo el

pavimento

El agua se introduce desde el pavimento hacia la base del pavimento a través de

las grietas (Qi). Parte del agua es desalojada horizontalmente mediante los

materiales “permeables” que componen la base y la sub-base (QH) y parte de

ella es absorbida por el sub-grado (QSG).

Sabiendo lo anterior, podemos escribir la siguiente ecuación:

𝑄𝑖 = 𝑄𝐻 + 𝑄𝑆𝐺

Se analizará el flujo en dos etapas: cuando el agua está drenando mientras

todavía está lloviendo, y cuando el agua drena una vez ha dejado de llover.

4.3 Flujo en estado estable

Es el flujo de agua que se da cuando todavía está lloviendo.

4.3.1 Caudal de infiltración

Según AASHTO, por cada pie lineal de grieta, se infiltran 2.4 pies cúbicos por día

en el pavimento (Ic = 2.4 ft3/día/ft o Ic = 0.22 m3/día/m). De manera que si

logramos conocer la cantidad de grietas en el pavimento, lograremos calcular el

la cantidad de agua que se infiltra diariamente (caudal de infiltración), por

ejemplo:

De la vista en planta del pavimento mostrado, calcularemos la longitud total de

grietas causadas por las juntas. Para eso tomaremos el área tributaria

sombreada.

Qi

QH QH

QSG

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Longitud de grieta:

Área tributaria:

A la razón entre la longitud de grieta y el área tributaria se le conoce como índice

de grieta:

Lo que quiere decir que por cada metro cuadrado de pavimento existe 0.44

metros de grietas de construcción.

Consideraremos un agrietamiento adicional producto del deterioro del

pavimento:

Grietas

5m

5m

2.75m

3.60m

2.75m

3.60m

5m

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Para calcular la infiltración (qi) se multiplica el índice de grieta por Ic.

Lo que significa que por cada metro cuadrado de pavimento, al día se infiltran

0.162 metros cúbicos de agua, para este ejemplo en específico.

Ahora se analizará el tramo desde donde el pavimento tiene una sola pendiente

de bombeo, en este caso la mitad del pavimento.

1m

L

h

S

1

H

Qi

QSG

QH

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Si se multiplica la infiltración por el área mostrada en la figura anterior, se

obtendrá entonces el caudal de infiltración.

Quiere decir que en el área mostrada arriba (un metro lineal de pavimento en la

dirección del viaje), diariamente se infiltran 1.028 metros cúbicos de agua. Una

parte de este caudal es absorbido por el sub-grado, y la otra es drenada por la

base y sub-base.

4.3.2 Caudal que puede absorber el sub-grado

El caudal que puede absorber el sub-grado se calculará así:

𝑄𝑆𝐺 = 𝐾𝑆𝐺 ∙ 𝑖

Donde

KSG = permeabilidad del material (m3/m2/s o m/s por cada metro

cuadrado) (más adelante aprenderemos a calcularlo)

i = gradiente hidráulico

𝑖 =𝑏

𝑐

Como el sub-grado drena el agua verticalmente, entonces el gradiente hidráulico

en este caso es i = 1.0 (b=c)

De manera que

𝑄𝑆𝐺 = 𝐾𝑆𝐺

Para continuar con el ejemplo, asumiremos un valor de KSG.

a

bc

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Recordemos que esto es por cada metro lineal de pavimento en la dirección del

viaje.

Ahora podemos calcular el caudal que debe poder desalojar la base (QH).

4.3.3 Caudal que puede desalojar la base

Es el agua que no pude absorber el sub-grado.

Ahora, la capacidad hidráulica de una capa de material puede calcularse igual

a la de la capacidad hidráulica del sub-grado.

𝑄𝑐𝑎𝑝𝑎 = 𝐾𝐵 ∙ 𝑖 ∙ 𝐴

Donde

KB = permeabilidad del material (m3/m2/s o m/s por cada metro cuadrado)

(más adelante aprenderemos a calcularlo)

i = gradiente hidráulico

A = área transversal.

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Asumiremos que la longitud de la línea que define la elevación del flujo es casi

igual a la longitud horizontal L ya que la pendiente es muy pequeña.

𝑖 =(ℎ +

𝐻2)

𝐿

ℎ = 𝑆 ∙ 𝐿

𝑖 =(𝑆𝐿 +

𝐻2)

𝐿

𝑖 = 𝑆 +𝐻

2𝐿

𝐴 = 𝐻 ∙ 1

𝑄𝑐𝑎𝑝𝑎 = 𝐾𝐵 ∙ (𝑆 +𝐻

2𝐿) 𝐻

Ahora asumamos un espesor de capa y una pendiente para calcular la

permeabilidad necesaria para desalojar QH

1m

L

h

S

1

H

Qi

QSG

QH

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De manera que para este ejemplo, se necesita una permeabilidad de 5.0 x 10-2

para que funcione el drenaje con las dimensiones dadas.

4.4 Drenaje del agua de saturación

El drenaje del agua de saturación se refiere al desalojo del agua libre en la capa

de drenaje una vez termine la lluvia.

El agua libre es el agua que queda entre las partículas de drenaje y que no está

adherida a las partículas.

Según el método AASHTO la calidad del drenaje interior se mide en relación al

tiempo que le toma drenar el 50% del agua libre (t50), y se clasifica de la siguiente

manera:

Agua libre

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Calidad del drenaje t50

Excelente ≤ 2 Horas

Bueno ≤ 1 Día

Regular ≤ 1 Semana

Malo ≤ 1 Mes

Muy malo No drena

La ecuación que nos da el tiempo necesario para desalojar el 50% del agua es:

𝑡50 =𝑛𝑒𝐿2

2𝐾𝐵(𝐻 + 𝑆𝐿)

Donde

ne = Porosidad efectiva

𝑛 = 1 −𝛾𝑑

𝐺𝑠

Donde

γd = peso específico seco

Gs = gravedad específica

Continuando con el ejemplo anterior:

Asumamos un valor de porosidad efectiva de 18%

De manera que este drenaje califica como bueno.

Otras especificaciones norteamericanas califican el drenaje en base a tiempos

para desalojar mayor cantidad de agua, como el 95% y otras más.

Para calcular esos tiempos se puede utilizar la siguiente gráfica:

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El eje vertical se denomina grado de drenaje (de 0% a 100%). El eje horizontal es el

factor de tiempo (t/m)

𝑚 =𝑛𝑒𝐿2

𝐾𝐵𝐻

Las diferentes curvas corresponden a un factor de pendiente diferente (Sf)

𝑆𝑓 =𝐿𝑆

𝐻

Sf = 0 corresponde a una capa totalmente horizontal.

Por ejemplo, para un tiempo t80

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De igual manera se puede utilizar la gráfica 8.18 que está elaborada para

tiempos para drenar el 95% del agua libre.

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4.5 Cálculo de propiedades y compatibilidad de los materiales

4.5.1 Cálculo de la permeabilidad

Hazen propuso la siguiente ecuación para calcular la permeabilidad para suelos

arenosos:

K = permeabilidad del material en mm/día

D10 = Es el tamaño efectivo en mm, para el cual pasa el 10% de material

Ck = coeficiente experimental que depende de la naturaleza del suelo

También se utiliza la ecuación empírica de Moulton (1980) para determinar la

permeabilidad de un filtro hecho de material granular.

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Donde:

K = Permeabilidad en ft/día

D10 = Es el tamaño efectivo en mm, para el cual pasa el 10% de material

n = Porosidad

γd = Peso específico seco (pcf)

Gs = Gravedad específica

Una limitación de la ecuación es que no puede utilizarse con materiales que no

tienen partículas finas (pasan el tamiz No. 200)

Ejemplo 4.2

Si un 3% de finos (pasan el tamiz 200) se agrega a la siguiente muestra, determine

la permeabilidad con la ecuación de Moulton. Asuma que la gravedad

específica es 2.7 y que el peso específico seco aumenta con la adición de finos.

Solución

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Primero calcularemos D10

Vemos que el 10 por ciento de pase está entre el tamiz No. 60 (13%) y el tamiz No.

140 (6%)

En la siguiente tabla aparecen los tamaños de abertura para cada tamiz:

El tamaño de abertura correspondiente al tamiz N0. 60 es 0.25 mm y el tamaño de

abertura correspondiente al tamiz No. 140 es 0.106 mm.

D13 = 0.25 mm (Da) 13% (a)

D10 = ? (Dx) 10% (x)

D6 = 0.106 mm (Db) 6% (b)

Recordemos que las curvas granulométricas so semi-logarítmicas para hacerlas un

poco más lineales. Ejm:

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Pero como se agregó a la muestra 3% de finos, entonces

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4.5.2 Compatibilidad de Materiales

Cualquier agregado que vaya a ser utilizado para drenaje debe cumplir con los

siguientes criterios.

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4.5.2.1 Criterio de Obstrucción

El material de filtro debe ser lo suficientemente fino para prevenir que el material

más fino adyacente migre hacia el filtro.

Si la sub base es diseñada como filtro, entonces debe considerarse la sub base

como filtro y el sub grado como suelo, y después la base como filtro y la sub base

como suelo.

4.5.2.2 Criterio de permeabilidad

El material de filtro debe ser lo suficientemente grueso para dejar pasar el agua

sin demasiada resistencia

4.5.2.3 Criterio adicional

También que el coeficiente de uniformidad en el filtro debe ser menor de 25

𝐶𝑢 =𝐷60𝑓𝑖𝑙𝑡𝑒𝑟

𝐷10𝑓𝑖𝑙𝑡𝑒𝑟≤ 25

Además Moulton recomendó que, para prevenir la intrusión de finos en el filtro, la

cantidad de material que pase el tamiz No. 200 no debe ser mayor de 5%, o D5

del filtro > 0.0029 in (0.074 mm).

Ejemplo 4.2

¿Puede una base con permeabilidad de 20000 ft/day (de la siguiten gráfica) ser

directamente colocada sobre un sub grado con D15 = 0.0013 in, D50 = 0.0055 in y

D85 = 0.021 in? ¿Si la una sub base es colocada entre sub grado y la base, cuál/es

de los materiales de la siguiente gráfica pueden utilizarse?

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Nos damos cuenta que los tres materiales que cumplen son los que tienen

permeabilidades de 10, 20 y 50 ft/día.

4.6 Geotextiles

Los geotextiles son filtros manufacturados que pueden ser utilizados para proteger

las capas de drenaje de la obstrucción.

Compatibilidad del Geotextil con el suelo adyacente

La dimensión más importante de un geotextil es el tamaño de apertura aparente

(apparent openig size) AOS, y se define como el tamaño de las esferas de vidrio,

que corresponde al tamaño que solamente pasa el 5% de esferas, vibrando la

muestra 10 minutos.

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Existen dos requerimientos de AOS contradictorios, uno con el otro. El AOS debe

ser pequeño para retener la mayor de sólidos, pero también debe ser grande

para evitar el taponamiento.

Para suelos finos granulares, con más del 50% o más de pase por el tamiz

No. 200.

o Tejido: AOS ≤ D85

o No tejido: AOS ≤ 1.8D85

o AOS ≥ No. 50, o menor que 0.297 mm

Para suelos granulares con 50% o menos de pase por el tamiz No. 200.

o AOS ≤ B x D85

B = 1 Cu 2 o 8

B = 0.5Cu 2 Cu 4

B = 8/Cu 4 < Cu < 8

Cu = coeficiente de uniformidad

D60/D10

Cuando el suelo a proteger contiene partículas que van desde 1 pulgada

hasta partículas que pasan el tamiz No. 200, entonces solamente la porción

que pasa el tamiz No. 4 será utilizada para determinar el tamaño de grano.

Criterio de permeabilidad

o K (fabric) ≥ k (soil) – esta ecuación casi siempre será satisfecha a

menos que el suelo sea extremadamente permeable.

Criterio de taponamiento

o Tejido: Porcentaje de áreas abiertas ≥ 4%

o No tejido: Porosidad ≥ 30%

Ejemplo No. 4.4

En la siguiente figura se muestra las curvas granulométricas de dos diferentes tipos

de suelo. Determine el AOS que debe tener un geotextil tejido para servir como

separador.

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Módulo No. 4 - Drenaje interior de pavimentos