Consideraciones sobre el drenaje en pavimentos

CONSIDERACIONES SOBRE EL
DRENAJE EN LOS PAVIMENTOS
CONTENIDO
Generalidades
Drenaje superficial
Drenaje interno
CONSIDERACIONES SOBRE
EL DRENAJE EN LOS PAVIMENTOS
GENERALIDADES
PROBLEMAS RELACIONADOS
CON EL AGUA EN LOS PAVIMENTOS
El incremento de la presión de poros reduce la fricción
interna y la resistencia al corte de los suelos
Generación de movimientos diferenciales en suelos
expansivos
Erosión y bombeo en las capas de soporte de los
pavimentos rígidos
Desprendimiento del ligante que rodea los agregados
pétreos en las mezclas y tratamientos asfálticos
Se afecta la seguridad de los usuarios en instantes de
lluvia, debido a la posibilidad de salpicaduras e hidroplaneo
PROBLEMAS RELACIONADOS
CON EL AGUA EN LOS PAVIMENTOS
Los daños del pavimento relacionados con la humedad
se encuentran en las siguientes categorías:
— Debilitamiento de las capas del pavimento
— Degradación de los materiales (desprendimiento y
erosión de mezclas asfálticas; erosión de otros
materiales del pavimento; bombeo, escalonamiento
y agrietamiento en pavimentos rígidos)
— Pérdida de adherencia entre capas
PROBLEMAS RELACIONADOS
CON EL AGUA EN LOS PAVIMENTOS
FUENTES DE AGUA EN LOS PAVIMENTOS
FACTORES A CONSIDERAR EN EL DISEÑO
DE OBRAS DE DRENAJE PARA PAVIMENTOS
1. Factores topográficos

Tipo de terreno por donde transcurre la carretera: plano,
ondulado, montañoso, escarpado

Situación de la carretera respecto del terreno natural: corte,
terraplén, media ladera
2. Factores hidrológicos

Aporte y desagüe de aguas superficiales

Variaciones en el nivel y caudal de las aguas subterráneas
3. Factores geotécnicos

Naturaleza y condiciones de los suelos: homogeneidad,
estratificación, permeabilidad, compresibilidad, etc.

Posibilidad de deslizamientos o de erosión del terreno
SISTEMA BÁSICO DE DRENAJE
EN UNA CARRETERA
MÉTODOS PARA REDUCIR EL EFECTO
DEL AGUA EN LOS PAVIMENTOS
SISTEMAS DE DRENAJE DE PAVIMENTOS
MÉTODOS PARA REDUCIR EL EFECTO
DEL AGUA EN LOS PAVIMENTOS
DRENAJE
SUPERFICIAL
HIDRÁULICA SUPERFICIAL DEL PAVIMENTO
Existe la posibilidad de que se desarrollen películas de
agua muy gruesas sobre la superficie del pavimento en
instantes de lluvia
Estas películas generan hidroplaneo, encharcamientos
y salpicaduras excesivas
Existen modelos que predicen, a partir de la condición
superficial del pavimento y de la intensidad de la lluvia,
la velocidad vehicular a la cual se produce hidroplaneo,
la cual se debe comparar con la velocidad de operación
de la carretera
HIDRÁULICA SUPERFICIAL DEL PAVIMENTO
DEFINICIÓN DEL ESPESOR DE PELÍCULA DE AGUA, DE LA
PROFUNDIDAD MEDIA DE LA TEXTURA Y DEL FLUJO
TOTAL
HIDRÁULICA SUPERFICIAL DEL PAVIMENTO
 El espesor de la lámina de agua que contribuye al
hidroplaneo es la suma de la profundidad media de
textura (PMT), más el espesor de agua que fluye sobre
las asperezas superficiales
 El agua que se aloja bajo la PMT queda atrapada en
la superficie y no contribuye al drenaje del pavimento
 El aumento de la macrotextura brinda un espacio
adecuado para alojar el agua (debajo de la PMT) y
para facilitar el drenaje (espesor sobre la PMT)
HIDRÁULICA SUPERFICIAL DEL PAVIMENTO
REQUISITOS DE PENDIENTE TRANSVERSAL Y LONGITUDINAL
(INVÍAS)
Pendiente transversal
Tipo de superficie
Concreto hidráulico o asfáltico
Mezclas en vía y tratamientos superficiales
Tierra o grava
Pendiente transversal (%)
Calzada
Berma *
2
4
2 - 3
4 - 5
2 - 4
4 - 6
* Si la berma se construye como continuación de la calzada, se deberá mantener la pendiente de ésta
Pendiente longitudinal
Valor mínimo deseado es 0.50% y mínimo absoluto 0.25%
MEZCLAS ESPECIALES PARA
EL DRENAJE SUPERFICIAL
MICROAGLOMERADOS EN CALIENTE
Capas de rodadura de poco espesor, elaboradas con agregado
pétreo de tamaño máximo nominal comprendido entre 8 y 10
mm, con una marcada discontinuidad entre los tamaños de 2 y
5 mm, que se traduce en una superficie macro-rugosa con
elevada capacidad de drenaje superficial
MEZCLAS ESPECIALES PARA
EL DRENAJE SUPERFICIAL
MEZCLAS DRENANTES
Mezclas asfálticas para capa de rodadura con un elevado
contenido de vacíos con aire, cuyo diseño da lugar a una
superficie de textura abierta y alta capacidad drenante, a
causa de la cual el agua lluvia que cae sobre la calzada se
elimina por infiltración
OBRAS DE DRENAJE SUPERFICIAL
PERÍODO DE RETORNO
 El sistema se debe diseñar de manera que sea capaz de
desaguar el caudal máximo correspondiente a un
determinado periodo de retorno (frecuencia de aparición del
caudal de referencia)
OBRAS DE DRENAJE SUPERFICIAL
CAUDALES DE REFERENCIA
El método de estimación de los caudales asociados a
diferentes periodos de retorno depende del tamaño y
naturaleza de la cuenca aportante
Para cuencas pequeñas (menos de 1000 acres - 404.7 Ha según el Instituto del Asfalto) resulta apropiado el método
racional:
Q  CIA
 Para cuencas mayores se recomienda la fórmula de Burkli –
Ziegler:
S
Q  CIA 4
A
OBRAS DE DRENAJE SUPERFICIAL
CAUDALES DE REFERENCIA
C = coeficiente medio de escorrentía de la cuenca o superficie drenada
I = intensidad de la lluvia para el período de retorno considerado y una
duración igual al tiempo de concentración
A = área de la cuenca o superficie aportante
S = pendiente del terreno en el área de drenaje, º/oo
OBRAS DE DRENAJE SUPERFICIAL
CAUDALES DE REFERENCIA
Tiempo de concentración
Tiempo requerido para la escorrentía desde el punto más
remoto del área de drenaje hasta arribar a la estructura
Existen fórmulas empíricas para su determinación en
función de la longitud máxima de recorrido del agua,
diferencias de cotas entre los puntos extremos del área de
drenaje, coeficientes de escorrentía, etc. (Kirpich, Témez,
Giandiotti, Bureau of Reclamation)
Desde el punto de vista práctico, no conviene adoptar
tiempos de concentración inferiores a 5 minutos
OBRAS DE DRENAJE SUPERFICIAL
TIEMPO DE CONCENTRACIÓN
DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES
CAPACIDAD DE DESAGÜE
Para los elementos lineales (cunetas, bordillos) resulta
determinante el rozamiento con las paredes del cauce y
se puede aplicar la fórmula de Manning-Strickler
Los elementos puntuales (sumideros aislados y
bajantes) se pueden asimilar a vertederos
Se debe tener en cuenta que la velocidad del agua no
cause daños al elemento por erosión o sedimentación
DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES
CAPACIDAD DE DESAGÜE
DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES
ELEMENTOS LINEALES
Cunetas
Zanjas longitudinales abiertas en el terreno junto a la
plataforma de la vía
 Su pendiente deberá ser igual a la de la rasante de la
vía, salvo que se estime necesario ceñirse más al
terreno o modificar dicha pendiente para mejorar la
capacidad de desagüe
DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES
ELEMENTOS LINEALES
Cunetas
CUNETA
DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES
ELEMENTOS LINEALES
Bordillos
Elementos de contención de los pavimentos, que protegen sus
bordes y ayudan a la recolección lateral del agua de la calzada
Dado que impiden la evacuación del agua de la corona de la vía, es
importante garantizar una pendiente longitudinal mínima
Si su presencia da origen a láminas de agua que generen
hidroplaneo, encharcamientos o salpicaduras, se deben sustituir por
cunetas
DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES
CAPACIDAD DE DESAGÜE DE ELEMENTOS LINEALES
Fórmula de Manning - Strickler
Q  A * R 2 / 3 * S 1 / 2 * K *U
Q = caudal desaguado
A = área de la sección transversal del elemento
R= radio hidráulico (A/perímetro mojado)
S = pendiente longitudinal del elemento
K = coeficiente de rugosidad del elemento
U = coeficiente de conversión de unidades
DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES
CAPACIDAD DE DESAGÜE DE ELEMENTOS LINEALES
DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES
ELEMENTOS PUNTUALES
Sumideros
Permiten el desagüe de los
superficiales de drenaje a un colector
dispositivos
Pueden ser continuos o aislados. En el último
caso se distinguen los de rejilla (horizontales), los
de tipo abierto (laterales) y los combinados
DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES
ELEMENTOS PUNTUALES
Sumideros aislados
Rejilla
Lateral
Combinado
DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES
ELEMENTOS PUNTUALES
Bajantes
Permiten la conducción de las aguas colectadas por los
bordillos hacia la base de los taludes de los terraplenes
DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES
CAPACIDAD DE DESAGÜE DE ELEMENTOS PUNTUALES
La capacidad de un conjunto de sumideros o bajantes no debe ser
inferior al doble del caudal de referencia en previsión de obstrucciones
o perturbaciones del flujo
Sumideros laterales y bajantes
Se puede aplicar la fórmula del vertedero
Q (l/s) = L*H3/2/60
Siendo
H (cm) = profundidad del agua desde el borde inferior de la abertura,
medida en su centro
L (cm) = ancho libre
DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES
CAPACIDAD DE DESAGÜE DE ELEMENTOS PUNTUALES
Sumideros horizontales y combinados
Donde la profundidad del agua sea menor de 12 cm se puede usar
la fórmula del vertedero (sustituyendo el ancho libre por el perímetro
exterior de la rejilla suponiendo que está desprovista de barras)
Donde la profundidad del agua (H) sea mayor de 40 cm se podrá
usar la fórmula del orificio
Q (l/s) = 300*S*[H – (D/2)]1/2
S (m2) = área del sumidero
D (cm) = ancho de la abertura
En casos intermedios, se puede interpolar linealmente entre las dos
fórmulas
DRENAJE TRANSVERSAL
Las obras de drenaje superficial transversal se pueden
dividir en dos grupos:
—Las pequeñas obras de desagüe, como alcantarillas
de tubo y de cajón, cuya sección resulta determinante
para el desagüe del cauce (suelen tener solado)
—Las obras de paso de grandes dimensiones como
puentes y viaductos, cuya sección no resulta
determinante para el desagüe del cauce (no tienen
solado)
DRENAJE TRANSVERSAL
MÉTODOS PARA REDUCIR EL EFECTO
DEL AGUA EN LOS PAVIMENTOS
DRENAJE
INTERNO
DRENAJE INTERNO DEL PAVIMENTO
Funciones
Abatir el nivel freático
Eliminar aguas de filtración lateral o a través del
pavimento
Derivar fuentes de agua situadas debajo de la subrasante
Estas acciones se traducen en los siguientes beneficios
Facilitan la ejecución de las explanaciones
Aumentan la capacidad portante de la subrasante
Previenen fenómenos de erosión interna y bombeo
Contribuyen en la estabilidad de la estructura y de los
taludes
CAPA PERMEABLE
 Capa que se coloca bajo la superficie pavimentada,
constituida por un material filtrante de manera que, con ayuda
de una pendiente transversal adecuada y unas correctas
instalaciones de salida, pueda drenar el agua
— que se infiltre desde la superficie del pavimento
— que provenga de las bermas, o
— que ascienda por subpresión desde los niveles inferiores
 Esta capa, que puede ser granular o tratada con ligantes
hidrocarbonados o con cemento, se puede integrar a la
estructura del pavimento
CAPA PERMEABLE
 El remate de la capa permeable (manto drenante) puede
ocurrir:
—Contra un subdrén longitudinal
—Contra el talud lateral hacia el exterior (no es
recomendable, porque se pueden producir contaminaciones
en el talud durante las operaciones de construcción y
mantenimiento)
CAPA PERMEABLE
La capa permeable puede ser:
—La base, la cual pudiera cumplir a la vez funciones
drenantes y estructurales. Se emplea para drenar el agua
proveniente de la superficie y se aplica preferentemente
en la construcción de pavimentos rígidos
—Una capa adicional sobre la subrasante, sin función
estructural o como parte de la subbase, para control de
agua ascendiente por subpresión. Si se desea que en este
caso la capa ayude a drenar el agua que se infiltre desde la
superficie, la permeabilidad de las capas superiores debe
ser mayor que la tasa de infiltración, para que el agua
pueda fluir
CAPA PERMEABLE
NOTA :
Los materiales que rodeen la capa permeable
deben cumplir requisitos de filtro
BASE PERMEABLE
CARACTERÍSTICAS REQUERIDAS
Alta permeabilidad, para reducir el tiempo de saturación a
un mínimo [k > 1000 pies/día (3.5*10-1 cm/s)]
Suficiente estabilidad, para soportar las operaciones de
construcción del pavimento
Suficiente estabilidad, para resistir y distribuir los
esfuerzos impuestos por las cargas del tránsito
Las bases pueden ser estabilizadas o no estabilizadas. La
finalidad primaria de la estabilización (con cemento
asfáltico o cemento Pórtland) es brindar estabilidad a la
capa durante la etapa constructiva
BASE PERMEABLE
BASE NO ESTABILIZADA
Su estabilidad se logra a través de la trabazón de
agregados
Se exige que el material tenga 100% de partículas
trituradas mecánicamente
El desgaste Los Ángeles no puede exceder de 45 %
Las pérdidas en el ensayo de solidez no pueden
exceder de 12 % (sulfato de sodio) o de 18 % (sulfato
de magnesio)
BASE PERMEABLE
BASE NO ESTABILIZADA
GRANULOMETRÍAS USUALES
Nota -Se recomienda que Cu > 4 para garantizar la estabilidad de la base
BASE PERMEABLE
BASE ESTABILIZADA CON CEMENTO ASFÁLTICO
Se recomienda el uso de un asfalto de grado AC-40 en
proporción de 2 a 2 ½ % en peso
GRANULOMETRÍAS USUALES
BASE PERMEABLE
BASE ESTABILIZADA CON CEMENTO ASFÁLTICO
Lindly y Elsayed desarrollaron una fórmula para estimar
la permeabilidad de las bases tratadas con asfalto:
k = 852.3 – 248.67 Pb + 97.51 Va – 95.52 P8
Siendo
k = coeficiente de permeabilidad (pies/día)
Pb = porcentaje de cemento asfáltico en peso
Va = % de volumen de vacíos con aire
P8 = porcentaje en peso de material que pasa el tamiz No 8
BASE PERMEABLE
BASE ESTABILIZADA CON CEMENTO PORTLAND
La cantidad de cemento varía entre 120 y 150 kg/m3
La cantidad de agua se debe ajustar para controlar la
segregación
GRANULOMETRÍAS USUALES
X = % indicado por el constructor
GRADACIÓN Y PERMEABILIDAD
DE MATERIALES PARA BASE
COMPARACIÓN DE GRANULOMETRÍAS
GRADACIÓN Y PERMEABILIDAD
DE MATERIALES PARA BASE
COMPARACIÓN DE GRANULOMETRÍAS
GRADACIÓN Y PERMEABILIDAD
DE MATERIALES PARA BASE
VALORES TÍPICOS DEL COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD DE MATERIALES DE BASE
COMPACTADOS A LA DENSIDAD MÁXIMA DEL PROCTOR ESTÁNDAR
MATERIAL
% PASA TAMIZ No. 200
k (cm/s)
Piedra partida y gravas naturales con
llenante no plástico.
5
10
15
100 – 10-1
10-2 – 10-3
10-4 – 10-5
Piedra partida y gravas naturales con
llenante plástico (IP<6)
5
10
15
10-1 – 10-3
10-2 – 10-5
10-4 – 10-7
Bases asfálticas
a)
20% de vacíos
b)
5% de vacíos
Arena uniforme estabilizada con cemento
Bases tratadas permeables
a)
AASHTO # - 57
b)
AASHTO # - 67
100 – 10-2
10-7 – 10-8
Menos de 10
10-1 – 10-4
0
1
2.40
1.80
DISEÑO HIDRÁULICO DE
LA BASE PERMEABLE
ESTIMACIÓN DEL FLUJO DE INFILTRACIÓN (qi)
La infiltración superficial es normalmente la mayor fuente
de entrada de agua a un pavimento
Existen diversos procedimientos para estimarla:
—Método de la relación de infiltración
—Método de la infiltración a través de juntas y grietas
—Método del tiempo para drenar
DISEÑO HIDRÁULICO DE
LA BASE PERMEABLE
ESTIMACIÓN DEL FLUJO DE INFILTRACIÓN (qi)
Método de la relación de infiltración (Cedergren)
Se seleccionan una lluvia de diseño y una relación de infiltración y la
infiltración se determina con la expresión:
qi =2*C*R
qi= infiltración en el pavimento (pies3/día/pie2 de pavimento)
C = relación de infiltración
0.33-0.50 para pavimentos asfálticos
0.50-0.70 para pavimentos rígidos
R = intensidad de la lluvia (pulgadas/hora). Se sugiere usar una lluvia de
diseño para 2 años de frecuencia y 1 hora de duración
DISEÑO HIDRÁULICO DE
LA BASE PERMEABLE
ESTIMACIÓN DEL FLUJO DE INFILTRACIÓN (qi)
Método de la infiltración por juntas y grietas (Moulton)
N
Wc 
qi  I c  c 
  kp
W
W
*
C
s 

qi= infiltración en el pavimento (pies3/día/pie2 de pavimento)
Ic = tasa de infiltración por juntas y grietas (2.4 pies3/día/pie de grieta)
Nc = número de juntas o grietas longitudinales
Nc = N + 1, siendo N el número de carriles que contribuyen a la infiltración
Wc = longitud de las juntas o grietas transversales que contribuyen (pies)
Cs = espaciamiento entre juntas o grietas transversales contributivas (pies)
W = ancho de la base permeable que contribuye (pies)
kp = permeabilidad de pavimento sin juntas ni grietas (pies3/día/pie2 de pavimento)
DISEÑO HIDRÁULICO DE
LA BASE PERMEABLE
ESTIMACIÓN DEL FLUJO DE INFILTRACIÓN (qi)
Método de la infiltración por juntas y grietas (Moulton)
Ejemplo
Determinar la infiltración en un pavimento rígido de 2
carriles de 12 pies de ancho cada uno y bermas de 10 pies en
concreto asfáltico a cada lado en un sitio donde la pendiente
transversal es uniforme en un solo sentido
Las juntas transversales se encuentran cada 20 pies y la base
permeable tiene un ancho igual al del pavimento más las
bermas
DISEÑO HIDRÁULICO DE
LA BASE PERMEABLE
ESTIMACIÓN DEL FLUJO DE INFILTRACIÓN (qi)
Método de la infiltración por juntas y grietas (Moulton)
Solución al ejemplo
Ic = tasa de infiltración por juntas y grietas (2.4 pies3/día/pie de grieta)
Nc = número de juntas o grietas longitudinales = 2 + 1 = 3
Wc = longitud de las juntas o grietas transversales que contribuyen = 24
pies
Cs = espaciamiento entre juntas o grietas transversales contributivas =
20 pies
W = ancho de la base permeable que contribuye = 24 pies
kp = permeabilidad de pavimento sin juntas ni grietas = 0
24 
3
3
2
qi  2.4 

0

0
.
42
pies
/
día
/
pie
 24 24 * 20 
DISEÑO HIDRÁULICO DE
LA BASE PERMEABLE
ESTIMACIÓN DEL FLUJO DE INFILTRACIÓN (qi)
Método del tiempo para drenar
Se considera que es el mejor método para determinar el comportamiento
de una base permeable, dado que la selección de los parámetros de diseño
en los otros 2 métodos es muy incierta
Es una aproximación que se basa en el flujo que entra al pavimento
hasta que la base permeable se satura
Se supone que la lluvia en exceso no entra al pavimento y simplemente
corre por la superficie
Existen 2 aproximaciones para determinar el tiempo para drenar
(Ref: Publicación FHWA-SA-92-008 -March 1992-)
—Tiempo para drenar el 50% del agua que puede drenar (AASHTO)
—Criterio del 85 % de saturación
DISEÑO HIDRÁULICO DE
LA BASE PERMEABLE
ESTIMACIÓN DEL FLUJO DE DESCARGA DE LA BASE (qd)
qd = qi*LR
Donde
qd = tasa de descarga de la base permeable (pie3/día/pie de base)
qi = infiltración en el pavimento (pies3/día/pie2 de pavimento)
LR = longitud resultante de la trayectoria de flujo, la cual depende de
las pendientes longitudinal y transversal de la base permeable (pies)
S
LR  W 1   
 Sx 
2
Siendo
W = ancho de la base (pies)
S = pendiente longitudinal de la calzada (pie/pie)
Sx = pendiente transversal de la calzada (pie/pie)
DISEÑO HIDRÁULICO DE
LA BASE PERMEABLE
ESTIMACIÓN DEL FLUJO DE DESCARGA DE LA BASE (qd)
DISEÑO HIDRÁULICO DE
LA BASE PERMEABLE
ESTIMACIÓN DEL FLUJO DE DESCARGA DE LA BASE (qd)
Ejemplo
Determinar la tasa de descarga de la base permeable de 24
pies de ancho en un pavimento rígido donde la infiltración es
1.80 pies3/día/pie2 de pavimento, si la pendiente longitudinal de
la calzada es 3 % y la transversal es 2 %
Solución
2
2
S
 0.03 
LR  W 1     24 1  
 43.27 pies

 Sx 
 0.02 
qd = qi*LR = 1.80*43.27 = 77.89 pies3/día/pie de base
DISEÑO HIDRÁULICO DE
LA BASE PERMEABLE
DETERMINACIÓN DEL ESPESOR REQUERIDO DE BASE
PERMEABLE
Se puede estimar por medio de 2 criterios:
—Régimen de flujo uniforme (se obtienen espesores
exagerados)
—Régimen de flujo no uniforme, que considera que la
profundidad del flujo se incrementará hasta alcanzar el
efecto de abatimiento de la descarga del agua en el
subdrén. En este caso, se toma como espesor requerido
de la base permeable el valor correspondiente a la
máxima profundidad del flujo (ver figura)
DISEÑO HIDRÁULICO DE
LA BASE PERMEABLE
DETERMINACIÓN DEL ESPESOR REQUERIDO DE BASE PERMEABLE
S R  S 2  Sx 2
DISEÑO HIDRÁULICO DE
LA BASE PERMEABLE
DETERMINACIÓN DEL ESPESOR REQUERIDO DE BASE
PERMEABLE
Ejemplo
Determinar el espesor requerido de la base permeable, dados
los siguientes datos:
—Infiltración en el pavimento = 1.8 pies3/día/pie2
—Longitud resultante = 43.27 pies
—Pendiente longitudinal = 3 %
—Pendiente transversal = 2 %
—Coeficiente de permeabilidad de la base = 3,000 pies/día
DISEÑO HIDRÁULICO DE
LA BASE PERMEABLE
DETERMINACIÓN DEL ESPESOR REQUERIDO DE BASE
PERMEABLE
Solución del ejemplo
-Cálculo de la pendiente resultante
S R  S 2  Sx 2  (0.03) 2  (0.02) 2  0.036
-Cálculo de p
p  qi / k  1.80 / 3000  0.0006
-Entrando a la figura con p = 0.0006 y SR = 0.036 se obtiene
LR/H = 110
H = LR/130 = 43.27/110 = 0.393 pies = 0.393*12 = 4.7 pulgadas
CAPA SEPARADORA
FUNCIONES DE LA CAPA SEPARADORA
Se coloca bajo la base permeable, para evitar que ésta
sea contaminada por los finos de la subbase/subrasante
Si la capa de subbase/subrasante es estabilizada no se
requiere la capa separadora, si la capa estabilizada no
va a estar sometida a saturación o altas presiones
durante períodos extensos.
Un riego de imprimación sobre la subbase/subrasante
estabilizada proporciona una protección adicional
CAPA SEPARADORA
La separación puede ser proporcionada por una capa
de material granular o por un geotextil
CAPA SEPARADORA
CAPA SEPARADORA DE MATERIAL GRANULAR
Debe estar constituida por partículas duras (desgaste no
mayor de 50%) y sanas (pérdidas en ensayo de solidez en
sulfato de sodio menores de 12 %)
Debe ser resistente, para proporcionar una plataforma
adecuada para la construcción de la base permeable
Su gradación debe ser seleccionada cuidadosamente, para
prevenir la migración de los finos de la capa subyacente
(debe cumplir requisitos de material de filtro)
Su permeabilidad debe ser relativamente baja, ya que
tiene que actuar como escudo para desviar el agua infiltrada
al subdrén longitudinal
CAPA SEPARADORA
REQUISITOS DE MATERIAL DE FILTRO PARA LA
CAPA SEPARADORA DE MATERIAL GRANULAR
Criterio de obstrucción
El agregado deberá ser lo suficientemente fino para prevenir
que materiales más finos migren dentro de él
D15 filtro
 5
D85 suelo
El criterio se debe aplicar tanto a la capa separadora como a
la capa permeable drenante. La ecuación se aplica primero
considerando la capa separadora como filtro y la subyacente
como suelo y luego considerando la base permeable como
filtro y la separadora como suelo
CAPA SEPARADORA
REQUISITOS DE MATERIAL DE FILTRO PARA LA
CAPA SEPARADORA DE MATERIAL GRANULAR
Criterio de permeabilidad
D15 filtro
 5
D15 suelo
Este criterio se aplica sólo a la capa separadora en
relación con el suelo que la soporta, dado que la base
permeable la satisface siempre por su alta
permeabilidad
CAPA SEPARADORA
REQUISITOS DE MATERIAL DE FILTRO PARA LA
CAPA SEPARADORA DE MATERIAL GRANULAR
Criterio de uniformidad
Busca que las curvas granulométricas de las capas
adyacentes sean algo paralelas
D50 filtro
 25
D50 suelo
Este criterio se aplica tanto a la base permeable como a
la capa separadora
CAPA SEPARADORA
REQUISITOS DE MATERIAL DE FILTRO PARA LA
CAPA SEPARADORA DE MATERIAL GRANULAR
Criterios adicionales
Hay discrepancias respecto de la uniformidad del
material y de la cantidad de finos que puede contener
CAPA SEPARADORA
GRANULOMETRÍA TÍPICA RECOMENDADA POR
LA FHWA PARA LA CAPA SEPARADORA
CAPA SEPARADORA
GRANULOMETRÍAS Y PERMEABILIDADES TÍPICAS PARA
BASES PERMEABLES Y MATERIALES DE FILTRO
[Cedergren et al (1972)]
CAPA SEPARADORA
Ejemplo No 1
La base permeable de k = 20,000 pies/día mostrada en la
figura presenta los siguientes diámetros:
— D15 = 0.26 pg
—D50 = 0.53 pg
Determinar si es posible colocar esta capa directamente
sobre un suelo de subrasante con:
—D15 = 0.0013 pg
— D50 = 0.0055 pg
— D85 = 0.021 pg
CAPA SEPARADORA
Solución al Ejemplo No 1
Como la base se colocará directamente sobre la
subrasante, la base será el filtro y la subrasante el suelo
D15 base
0.26

 12.4  5 (no cumple)
D85 suelo 0.021
D15 base
0.26

 200  5 (cumple)
D15 suelo 0.0013
D50 base
0.53

 96.4 
D50 suelo 0.055
25 (no cumple)
En consecuencia, la base no se debe colocar
directamente sobre la subrasante
CAPA SEPARADORA
Ejemplo No 2
Como del ejemplo anterior se deduce que se debe colocar una capa
separadora, ¿cuál de los materiales de filtro de la figura pudiera ser
utilizado?
Solución
Cuando se coloca una capa granular como separadora entre la base
permeable y la subrasante, el análisis se debe dividir en 2 etapas:
—Primero se considera la capa granular separadora como filtro
y la subrasante como suelo
—En segundo lugar, se coloca la base permeable como filtro y
la capa granular separadora como suelo
En ambos casos se deben satisfacer los requisitos de filtro
CAPA SEPARADORA
Solución al Ejemplo No 2 - Primera Etapa
Capa granular separadora como filtro y la subrasante como
suelo
Teniendo en cuenta los tamaños de las partículas de la
subrasante (D15 = 0.0013 pg, D50 = 0.0055 pg y D85 = 0.021
pg), los requisitos que debe cumplir la capa separadora son
los siguientes:
D15 ≤ 5*0.021 = 0.105 pg
D15 ≥ 5*0.0013 = 0.0065 pg
D50 ≤ 50*0.0055 = 0.138 pg
CAPA SEPARADORA
Solución al Ejemplo No 2 - Segunda Etapa
Capa de base permeable como filtro y la granular
separadora como suelo
Teniendo en cuenta los tamaños de las partículas de la base
permeable (D15 = 0.26 pg y D50 = 0.53 pg), los requisitos
que debe cumplir la capa separadora son los siguientes:
D85 ≥ 0.26/5 = 0.052 pg
D15 ≤ 0.26/5 = 0.052 pg
D50 ≥ 0.53/25 = 0.0212 pg
CAPA SEPARADORA
Conclusión Ejemplo No 2
Combinando los seis requisitos por cumplir en las dos etapas,
se llega a los siguientes tres:
0.0065 pg ≤ D15 ≤ 0.052 pg
0.0212 pg ≤ D50 ≤ 0.138 pg
D85 ≥ 0.052 pg
Revisando los 5 materiales de filtro incluidos en la figura se
advierte que exceptuando el más grueso (cuyo D50 = 0.18 pg),
los demás satisfacen las exigencias y pueden ser utilizados
CAPA SEPARADORA
CAPA SEPARADORA DE GEOTEXTIL
Debe cumplir tres requisitos
PERMEABILIDAD- Debe permitir que el agua que fluya
desde el suelo entre a la base permeable
RETENCIÓN – El tamaño de las aberturas debe ser tal, que
en ellas se retenga la mayoría de las partículas del suelo
OBSTRUCCIÓN – El geotextil debe tener suficiente
cantidad de aberturas para que en caso de alguna obstrucción
el flujo no se vea restringido y se generen presiones de poros
excesivas
CAPA SEPARADORA
PROPIEDADES HIDRÁULICAS Y DE FILTRACIÓN
DEL GEOTEXTIL
Permeabilidad
La permeabilidad del geotextil debe ser superior a la
del suelo de subrasante, de manera que el drenaje
vertical del agua no sea impedido indebidamente por el
geotextil
Este requisito no suele constituir un problema, por
cuanto la mayoría de los suelos tienen baja
permeabilidad
CAPA SEPARADORA
PROPIEDADES HIDRÁULICAS Y DE FILTRACIÓN
DEL GEOTEXTIL
Retención
Esta propiedad se evalúa a través del tamaño de
abertura aparente (TAA)
El TAA es un número índice que identifica el tamaño
de las mayores aberturas del geotextil
El TAA se determina mediante la norma de ensayo
ASTM D4751
CAPA SEPARADORA
PROPIEDADES HIDRÁULICAS Y DE FILTRACIÓN
DEL GEOTEXTIL
Retención
La prueba consiste en tamizar pequeñas esferas de vidrio de
tamaño uniforme a través del geotextil y determinar el
porcentaje de ellas, en peso, que queda retenido en él
La prueba se repite aumentando el tamaño de las esferas
hasta que menos del 5 % de ellas atraviese el geotextil (más
de 95 % quedan retenidas)
El tamaño de abertura aparente es el número del tamiz
estándar que tiene las aberturas del tamaño superior más
próximo al de las esferas que son retenidas en más de 95 %
CAPA SEPARADORA
PROPIEDADES HIDRÁULICAS Y DE FILTRACIÓN
DEL GEOTEXTIL
Retención
El tamaño de abertura aparente también se puede expresar
en milímetros y se refiere al tamaño correspondiente al 95%
retenido (O95)
La nomenclatura de los tamaños de tamices es a veces
difícil de seguir, por cuanto la abertura del tamiz decrece a
medida que el número del tamiz aumenta
El tamaño de abertura aparente se debe elegir de manera
que prevenga la migración de los finos dentro de la base
permeable
CAPA SEPARADORA
PROPIEDADES HIDRÁULICAS Y DE FILTRACIÓN
DEL GEOTEXTIL
TAMAÑOS DE ABERTURA DE LOS TAMICES
CAPA SEPARADORA
PROPIEDADES HIDRÁULICAS Y DE FILTRACIÓN
DEL GEOTEXTIL
Obstrucción
La obstrucción es un problema potencial y por lo tanto el
diseño debe tomarla en consideración
La mejor aproximación consiste en estudiar la interacción
en la interfaz suelo/geotextil
El potencial de obstrucción del geotextil se mide mediante
el ensayo de relación de gradientes, según norma ASTM
D5101
CAPA SEPARADORA
PROPIEDADES HIDRÁULICAS Y DE FILTRACIÓN
DEL GEOTEXTIL
Obstrucción
La prueba de relación
de gradientes consiste en
determinar el gradiente
hidráulico a través del
geotextil más 1‖ de suelo
colocada encima de él (if)
y a través de 2‖ de suelo
colocadas encima de la
anterior (ig)
CAPA SEPARADORA
PROPIEDADES HIDRÁULICAS Y DE FILTRACIÓN
DEL GEOTEXTIL
Obstrucción
RELACIÓN DE GRADIENTES 
if
ig
Si las partículas de suelo son atrapadas en el geotextil,
la relación de gradientes aumenta, en tanto que si lo
atraviesan, la relación de gradientes disminuye
CAPA SEPARADORA
CRITERIOS DE DISEÑO PARA SELECCIÓN DE GEOTEXTILES
CAPA SEPARADORA
CRITERIOS DE DISEÑO PARA SELECCIÓN DE GEOTEXTILES
CAPA SEPARADORA
CRITERIOS DE DISEÑO PARA SELECCIÓN DE GEOTEXTILES
REQUERIMIENTOS DE PROPIEDADES MECÁNICAS PARA
GEOTEXTILES EN CAPAS SEPARADORAS (INVÍAS)
CAPA SEPARADORA
CRITERIOS DE DISEÑO PARA SELECCIÓN DE GEOTEXTILES
Ejemplo
Determinar el TAA de un geotextil tejido que sea adecuado
para retener un suelo de subrasante cuyo D85 es 0.24 mm
Solución
Como se trata de un geotextil tejido
O95 ≤ D85
O95 ≤ 0.24 mm
Por lo tanto, se elige un AOS No 70, el cual corresponde a
un tamiz de 0.212 mm de abertura
SUBDRENES LONGITUDINALES
Zanjas paralelas a la dirección de la vía, en las cuales
se colocan materiales permeables (agregados pétreos,
geotextiles, geodrenes) y, eventualmente, una tubería
Excavación de zanja
Colocación de geotextil
y tubería
Relleno con agregado pétreo
SUBDRENES LONGITUDINALES
Utilización
 Los subdrenes longitudinales se emplean para:
1. Cortar corrientes de agua subterránea, impidiendo
que alcancen las inmediaciones del pavimento
2. Encauzar el agua que ingrese al pavimento por
filtraciones a través de su superficie
3. Rebajar el nivel freático, manteniéndolo a una
profundidad conveniente del nivel superior de la
explanación
SUBDRENES LONGITUDINALES
Utilización
1. Cortar corrientes de agua subterránea, impidiendo
que alcancen las inmediaciones del pavimento
SUBDRENES LONGITUDINALES
Utilización
2. Encauzar el agua que ingrese al pavimento por
filtraciones a través de su superficie
SUBDRENES LONGITUDINALES
Utilización
3. Rebajar el nivel freático, manteniéndolo a una
profundidad conveniente del nivel superior de la
explanación
SUBDRENES LONGITUDINALES
CARACTERÍSTICAS DE LOS SUBDRENES
LONGITUDINALES
Deben tener la capacidad hidráulica suficiente para conducir
todo el agua que reciban
Si están unidos con una base permeable, su material de
relleno debe ser el mismo de la base para asegurar su
capacidad. Además, deben llevar una tubería
Cuando el subdrén no va unido a una base permeable, puede
estar constituido por un geodrén o ser del tipo francés envuelto
en geotextil
El geotextil usado para el subdrén no debe atravesar una base
permeable, por cuanto formaría una barrera al flujo de agua
SUBDRENES LONGITUDINALES
TUBERÍA DEL SUBDRÉN
Puede ser de concreto, arcilla, metal, fibra bituminosa
o plástico
Los tubos de concreto y arcilla se podrán proyectar
con juntas abiertas o perforaciones que permitan la
entrada del agua en su interior
Los tubos de hormigón poroso permiten la entrada del
agua a través de sus paredes
Los tubos de plástico, metal y fibra bituminosa tienen
orificios circulares o ranuras para el mismo fin
SUBDRENES LONGITUDINALES
TUBERÍA DEL SUBDRÉN
En tuberías con juntas abiertas, el ancho de éstas oscila
entre 1 cm y 2 cm
Los orificios circulares o ranuras de las tuberías perforadas
se disponen de preferencia en la mitad inferior de los tubos
Se deben cumplir los siguientes requisitos para evitar que
se introduzca el material granular del subdrén dentro de los
tubos perforados
—Para orificios circulares
—Para ranuras
D85 filtro
1.0
Diámetro del orificio
D85 filtro
1.2
Ancho de la ranura
SUBDRENES LONGITUDINALES
TUBERÍA DEL SUBDRÉN
Disposición de los orificios en una tubería perforada
SUBDRENES LONGITUDINALES
DISEÑO HIDRÁULICO DEL
SUBDRÉN LONGITUDINAL
DETERMINACIÓN DEL FLUJO DE DESCARGA
El subdrén debe ser diseñado de manera que la tasa del
flujo de salida sea mayor que la de entrada y que el agua
pueda ser llevada con seguridad de las fuentes hasta los sitios
de descarga
Existen 3 aproximaciones para el cálculo del flujo de
descarga del sistema de subdrenaje:
—Tasa de descarga de la infiltración del pavimento
—Tasa de descarga de la base permeable
—Tasa de descarga del tiempo para drenar
DISEÑO HIDRÁULICO DEL
SUBDRÉN LONGITUDINAL
DETERMINACIÓN DEL FLUJO DE DESCARGA
Método de la velocidad de descarga de la infiltración del pavimento
Qp = qi W L
Donde
Qp = caudal de diseño por el conducto (pie3/día)
qi = infiltración del pavimento (pie3/día/pie2)
W= ancho de la base permeable (pies)
L = espaciamiento entre tubos de descarga (pies)
DISEÑO HIDRÁULICO DEL
SUBDRÉN LONGITUDINAL
DETERMINACIÓN DEL FLUJO DE DESCARGA
Método de la velocidad de descarga de la base permeable
Algunos ingenieros consideran que el sistema debe ser capaz
de manejar el flujo máximo que la base permeable puede
descargar en el subdrén
Qp = k SR H L cos(A)
Donde
Qp = caudal de diseño por el conducto (pie3/día)
k = coeficiente de permeabilidad (pies/día)
SR = pendiente resultante (pie/pie)
H = espesor de la base (pies)
L = espaciamiento entre tubos de descarga (pies)
A = ángulo entre la pendiente transversal y la pendiente resultante
DISEÑO HIDRÁULICO DEL
SUBDRÉN LONGITUDINAL
DETERMINACIÓN DEL FLUJO DE DESCARGA
Método de la velocidad de descarga del tiempo para drenar
En esta aproximación el sistema debe ser capaz de manejar el
flujo generado por el drenaje de la base permeable
Qp = (W L H Ne U)(1/tD)*24
Donde
Qp = caudal de diseño por el conducto (pie3/día)
W = ancho de la base permeable (pies)
L = espaciamiento entre tubos de descarga (pies)
H = espesor de la base (pies)
Ne = porosidad efectiva
U = porcentaje drenado (expresado como decimal)
tD = tiempo de drenaje (horas)
DISEÑO HIDRÁULICO DEL
SUBDRÉN LONGITUDINAL
CAPACIDAD DE LA TUBERÍA CIRCULAR
Se puede determinar con la fórmula de Manning
Q = (53.01 D8/3 S1/2)/ n
Donde
Q = capacidad de la tubería (pie3/día)
D = diámetro de la tubería (pulgadas)
S = pendiente longitudinal (pies/pie)
n = coeficiente de rugosidad de Manning
n = 0.012 para tubería lisa
n = 0.024 para tubería corrugada
DISEÑO HIDRÁULICO DEL
SUBDRÉN LONGITUDINAL
CAPACIDAD DE LA TUBERÍA CIRCULAR
Si se asignan valores de diámetro de tubería y coeficiente de
rugosidad, la ecuación de Manning se puede simplificar
Q = K S1/2
Valores K para diferentes diámetros de
tubería y coeficientes de rugosidad
DISEÑO HIDRÁULICO DEL
SUBDRÉN LONGITUDINAL
CAPACIDAD DE LA TUBERÍA CIRCULAR
Ejemplo
Determinar la capacidad de una tubería circular corrugada
de 4 pulgadas de diámetro, si la pendiente longitudinal del
subdrén longitudinal es 1 %
Solución
K = 89,051 (ver tabla)
Q = K S1/2 =89,051(0.01)1/2 = 8,905 pies3/día
DISEÑO HIDRÁULICO DEL
SUBDRÉN LONGITUDINAL
ESPACIAMIENTO ENTRE TUBOS DE DESCARGA (L)
Método de la velocidad de descarga de la infiltración en el
pavimento
En esta aproximación se iguala el caudal de diseño de este
método con la ecuación de capacidad del conducto
qi W L = K S1/2
Despejando ―L‖:
K S 1/ 2
L
qi W
DISEÑO HIDRÁULICO DEL
SUBDRÉN LONGITUDINAL
ESPACIAMIENTO ENTRE TUBOS DE DESCARGA (L)
Método de la velocidad de descarga de la infiltración en el pavimento
Ejemplo
Dados:
—Infiltración en el pavimento = 1.80 pies3/día/pie2
—Ancho de la base permeable = 24 pies
—K = 89051
—Pendiente longitudinal de la tubería = 1 %
Determinar el espaciamiento entre tubos de descarga
Solución
K S 1 / 2 89051 * (0.01)1 / 2
L

 206 pies
qi W
1.80 * 24
DISEÑO HIDRÁULICO DEL
SUBDRÉN LONGITUDINAL
ESPACIAMIENTO ENTRE TUBOS DE DESCARGA (L)
Método de la velocidad de descarga de la base permeable
En esta aproximación se iguala el caudal de diseño de este
método con la ecuación de capacidad del conducto
k SR H L cos(A) = K S1/2
Despejando ―L‖:
K S 1/ 2
L
k S R H cos( A)
DISEÑO HIDRÁULICO DEL
SUBDRÉN LONGITUDINAL
ESPACIAMIENTO ENTRE TUBOS DE DESCARGA (L)
Método de la velocidad de descarga de la base permeable
Ejemplo
Dados
—Ancho de la base permeable = 24 pies
—k = 3000 pies/día
—K = 89051
—Pendiente longitudinal de la tubería = 1 %
—Pendiente resultante = 0.036 (Sx = 0.02)
—Espesor de la base permeable = 0.393 pies
Determinar el espaciamiento entre tubos de descarga
DISEÑO HIDRÁULICO DEL
SUBDRÉN LONGITUDINAL
ESPACIAMIENTO ENTRE TUBOS DE DESCARGA (L)
Método de la velocidad de descarga de la base permeable
Solución al ejemplo
cos( A) 
Sx
0.02

 0.556
S R 0.036
K S 1/ 2
89051 * (0.01)1 / 2
L

 377 pies
k S R H cos( A) 3000 * 0.036 * 0.393 * 0.556
DISEÑO HIDRÁULICO DEL
SUBDRÉN LONGITUDINAL
ESPACIAMIENTO ENTRE TUBOS DE DESCARGA (L)
Método de la velocidad de descarga del tiempo para drenar
En esta aproximación se iguala el caudal de diseño de este
método con la ecuación de capacidad del conducto
(W L H Ne U)(1/tD)*24 = K S1/2
Despejando ―L‖:
K S 1/ 2 t D
L
24 W H N e U
DISEÑO HIDRÁULICO DEL
SUBDRÉN LONGITUDINAL
DETERMINACIÓN DE LA SECCIÓN
TRANSVERSAL DEL SUBDRÉN
Si no hay heladas ni un caudal significativo de agua
por subpresión, el subdrén puede tener poca profundidad
Tan sólo se requiere que la parte superior del tubo
quede al menos 5 centímetros (2 pulgadas) por debajo
del fondo de la capa permeable
DISEÑO HIDRÁULICO DEL
SUBDRÉN LONGITUDINAL
DETERMINACIÓN DE LA SECCIÓN
TRANSVERSAL DEL SUBDRÉN
El ancho mínimo de la zanja (W) se puede determinar
aplicando la ley de Darcy, suponiendo que el gradiente
hidráulico es unitario (i = 1) y que el caudal de diseño del
subdrén (Q) es igual a la descarga de la base permeable
(qd), lo que permite llegar a
qd
W
k
SUBDRENES LONGITUDINALES
TUBERÍA DE DESCARGA
Su instalación es crítica en el sistema de drenaje de bases
permeables
Puede ser metálica o rígida de PVC sin perforaciones y
debe ir adecuadamente conectada con la tubería del subdrén,
debiendo tener el mismo diámetro de ésta
Su salida a la zanja o cuneta lateral debe producirse por lo
menos 15 centímetros por encima del flujo de diseño para 10
años
La FHWA recomienda construirle cabezal de salida y
limitar la separación entre tuberías a 250 pies (76 metros)
SUBDRENES LONGITUDINALES
TUBERÍA DE DESCARGA
Esquema general
Cabezal de salida
SUBDRENES TRANSVERSALES
Función
 En carreteras de montaña, los subdrenes
longitudinales pueden resultar insuficientes para
interceptar toda el agua de filtración
 En estos casos se deben instalar subdrenes
transversales normales al eje de la vía o en forma de
espina de pez
SUBDRENES TRANSVERSALES
Función
Estos dispositivos son análogos a los longitudinales y
lo único que los distingue de ellos es la dirección en la
cual se desarrollan y el hecho de tener paredes
inclinadas
 Su efecto se puede incrementar, si en cierta longitud
se coloca una capa permeable a cada lado de ellos
SUBDRENES TRANSVERSALES
COROLARIO
SI EL AGUA DESTROZA LOS CAMINOS
¿QUÉ HARÁ EN LOS INTESTINOS?