Drenaje Y Subdrenajes de pavimentos

SUBDRENAJE DE PAVIMENTOS
Pavimentos asf
álticos y Pavimentos de concreto
asfálticos
Jaime Su
árez D
íaz
Suárez
Díaz
Universidad Industrial de Santander
Bucaramanga
Colombia
Bucaramanga --Colombia
700
Colombia es un pa
ís de grandes vol
úmenes de
país
volúmenes
precipitaci
ón
precipitación
700
1400
28
00
700
2100
140
1400
0
700
2800
2100
700
1400
Junto con Brasil, Colombia es el pa
ís de mayores
país
precipitaciones anuales promedio en Am
érica.
América.
La susceptibilidad a saturaci
ón de los pavimentos en
saturación
Colombia es muy alta.
Gran parte de las precipitaciones en
Colombia son convectivas
ELABORO: JAIME SUAREZ DIAZ
Las lluvias convectivas son de alta intensidad y saturan
ffácilmente
ácilmente la estructura del pavimento.
Los pavimentos deben funcionar en
presencia del agua
Lo normal en Colombia es que la mayor
ía de los pavimentos van a
mayoría
trabajar con la estructura
-rasante saturada
íodos
estructura yy sub
sub-rasante
saturada durante
durante per
períodos
importantes de tiempo
El agua pasa con frecuencia por encima de
los terraplenes de las v
ías
vías
FS
ELABORO: JAIME SUAREZ DIAZ
Las
Las inundaciones
inundaciones son
son parte
parte de
de nuestro
nuestro medio
medio ambiente
ambiente
JAIME SUAREZ DIAZ
ELABORO: JAIME SUAREZ DIAZ
Los pavimentos desde chiquitos (Desde el dise
ño) deben
diseño)
estar preparados para funcionar bajo agua
El agua penetra al pavimento y a la subrasante
por varios medios
Es importante determinar para cada caso espec
ífico las
específico
fuentes principales de agua y los vol
úmenes esperados
volúmenes
de infiltraci
ón
infiltración
Medios de entrada de agua al pavimento y sub
-rasante
sub-rasante
La presenciaInfiltraci
de ón superficial
Juntas
y grietas
El diseño adecuado
del sistema
Por la
berma
Succión
capilar del
N.Freático
Ascenso
de
vapor
Ascenso del nivel
freático
Agua
subterránea
lateral
Filtración de Agua subterránea
ELABORO: JAIME SUAREZ DIAZ
El agua de los niveles fre
áticos y de las
freáticos
corrientes subterr
áneas pueden saturar
subterráneas
totalmente la estructura del pavimento
ELABORO: JAIME SUAREZ DIAZ
vía Bucaramanga -Barrancabermeja
Infiltración de agua de las cunetas
Por los bordes de la v
ía sin cunetas,
vía
con cunetas sin revestimiento, o por la juntas
de las cunetas se pueden infiltrar grandes
cantidades de agua
Las cunetas son tal vez la fuente m
ás importante
más
de infiltraci
ón.
infiltración.
Infiltración por los bordes de la vía
El agua se acumula muy ffácilmente
ácilmente en los
bordes de la v
ía.
vía.
Para que se infiltre se requiere
solamente que el agua est
é
esté
presente.
Un sitio de infiltración concentrada es la
junta entre el pavimento y la cuneta
El agua de escorrent
ía
escorrentía
sobre el pavimento o el
agua de la cuneta se
puede infiltrar en
forma masiva
Estas juntas deben ser herm
éticas
herméticas
La problem
ática de las juntas entre el asfalto y el
problemática
concreto no se le est
á dando en nuestro medio la
está
importancia adecuada
Infiltraci
ón de agua por las juntas y grietas
Infiltración
Los estudios realizados en los Estados Unidos por la
FHWA muestran que las lluvias se infiltran muy
ffácilmente
ácilmente por las grietas y juntas de los pavimentos
Infiltraci
ón de agua por las juntas y grietas
Infiltración
de pavimentos de concreto (Universidad
)
(Universidad de
de Maryland
Maryland)
Intensidad
/hora
Intensidad de
de lluvia
lluvia 50
50 mm
mm/hora
% de
infiltración de
la escorrentía
0.035
Pendiente del
pavimento
%
1.25
0.035
2.50
76
0.035
2.75
79
0.050
2.50
89
0.050
3.75
87
0.125
2.50
97
0.125
3.75
95
Ancho de la
junta o grieta
Pulgadas
70
Infiltración de agua por las juntas y
grietas
La infiltraci
ón disminuye a medida que se satura la
infiltración
estructura del pavimento
La presencia de saturaci
ón en la estructura
saturación
del pavimento y en la sub
-rasante
sub-rasante
genera :
‰ Presiones de poro
‰ Desplazamiento del agua
‰ Disminuci
ón de la capacidad de soporte
Disminución
‰ Deformaci
ón del pavimento
Deformación
Disminuci
ón de la capacidad de soporte
Disminución
JAIME SUAREZ DIAZ
Una estructura saturada posee una capacidad muy
limitada para resistir cargas repetidas aplicadas
muy rrápidamente
ápidamente
La estructura act
úa en condiciones no
-drenadas y la
actúa
no-drenadas
capacidad de soporte en estas condiciones es muy baja
JAIME SUAREZ DIAZ
La sub-rasante es el elemento más
afectado por la saturación
JAIME SUAREZ DIAZ
Especialmente si se trata de suelos
arcillosos
JAIME SUAREZ DIAZ
Los
Los suelos
suelos arcillosos
arcillosos saturados
saturados poseen
poseen
muy
muy baja
baja capacidad
capacidad de
de soporte
soporte
ELABORO: JAIME SUAREZ DIAZ
FS
Los pavimentos saturados se deterioran muy
rrápidamente
ápidamente debido a las cargas repetidas en
condiciones no
-drenadas
no-drenadas
ELABORO: JAIME SUAREZ DIAZ
FS
El comportamiento depende de las propiedades
de los materiales
ELABORÓ : JAIME SUAREZ DIAZ
Los suelos granulares limpios bien drenados se
comportan muy bien en condiciones de saturaci
ón
saturación
ELABORO: JAIME SUAREZ DIAZ
Las
íaS deben
ñarse para
én bajo
Las vvíaS
deben dise
diseñarse
para que
que est
estén
bajo agua
agua durante
durante
determinados
íodos de
determinados per
períodos
de tiempo.
tiempo.
En
ía
En estos
estos casos
casos todos
todos los
los elementos
elementos de
de infraestructura
infraestructura de
de la
la vvía
(Terraplenes,
(Terraplenes, pavimentos,
pavimentos, puentes,
puentes, alcantarillas,
alcantarillas, etc.)
etc.) deben
deben
dise
ñarse para
diseñarse
para que
que no
no sean
sean destruidos
destruidos yy para
para que
que funcionen
funcionen
eficientemente
és de
ón.
eficientemente durante
durante y despu
después
de la inundaci
inundación.
La presencia de
El diseño adecuado del sistema
Se generan presiones de poro
y el agua trata de moverse y
salir del pavimento
La presencia de
La falla por fatiga se
produce en menos de la
mitad del tiempo que en
un pavimento no saturado
La falta de drenaje es mas grave cuando
las cargas de transito son muy altas
Articulados
Metrolinea
En un sistema de transporte masivo o en una estación de
servicio de acpm es mas grave que en un parqueadero de
automóviles o una estación para automóviles.
Deformaciones del pavimento por cargas
repetidas en condiciones de saturaci
ón
saturación
0
A -67%
DEFLEXION EN PULGADAS
-1
A -67%
B -75%
C -63%
-2
A -81%
-3
C -80%
A - 6.2 % Pasantes tamiz 200
B - 9.1 % Pasantes tamiz 200
C - 11.5 % Pasantes tamiz 200
-4
C -68%
B -81%
Nota:En cada curva se indica el
porcentaje de saturación
-5
MINIMO DE CICLOS DE CARGA
5
10
50
100
500
1000
5000 10000
50000 100000
Utilizando en el dise
ño la resistencia de la
diseño
subrasante en condici
ón de inmersi
ón, no se
condición
inmersión,
requiere tener en cuenta el efecto del agua ?
ELABORÓ : JAIME SUAREZ DIAZ
?
Falla anticipada de los pavimentos por falta
de drenaje
ELABORO: JAIME SUAREZ DIAZ
La presencia de
Una vez se inicia el deterioro del pavimento la falla
demora muy poco tiempo
Los pavimentos
bien drenados
duran
aproximadamente
el doble que los
pavimentos mal
drenados
Christopher and
McGuffey (1997)
NCHRP 1-34),
Deterioro por humedecimiento de la carpeta
asf
áltica por per
íodos largos de tiempo
asfáltica
períodos
Infiltración
de agua
Lubricación de
Las partículas
Materiales se
debilitan
JAIME SUAREZ DIAZ
Desmoronamiento de la carpeta por
humedecimiento prolongado
Separación
entre
asfalto y
agregado
JAIME SUAREZ DIAZ
Desmoronamiento
JAIME SUAREZ DIAZ
Expansi
ón de la sub
-rasante
Expansión
sub-rasante
ELABORO: JAIME SUAREZ DIAZ
Colapso y flujo de los rellenos
ELABORO: JAIME SUAREZ DIAZ
Comportamiento del pavimento en
Condiciones no-saturadas (NHI)
Hundimiento (mm)
15.1
12.6
10.1
7.5
6.2 % Finos
9.1 % Finos
11.5 % Finos
Triturado
Grava
5.0
2.5
60
70
80
Grado de saturación (%)
90
100
Disminuye el tamaño de poros que retiene el agua
La presencia de
Disminuye la permeabilidad
El diseño adecuado del sistema
El diseño adecuado del sistema
Aumenta la succión y la resistencia al cortante
Suelo
Agua
Aire
Saturado
No-saturado
Cierto nivel de humedad puede ser ben
éfico
benéfico
para el comportamiento del pavimento
pavimento..
„
„
„
„
„
„
Mayor resistencia
Menor deformabilidad
Mejores propiedades dinámicas
Conservación de la densidad
Menor permeabilidad
Mayor permanencia de las propiedades
CONCLUSIÓN: Las capas de pavimento siempre
deberían trabajar con una saturación cercana al
40 %
Hidro
-planeo
Hidro-planeo
Acumulación de agua.
Alta presión de agua en el
contacto llanta/pavimento.
Baja presión efectiva.
Baja resistencia al corte.
HIDROPLANEO
Accidente
HIDROPLANEO
Accidentes por hidro-planeo
ASOCRETO
Erosi
ón en las
Erosión
cunetas de la v
ía
vía
ELABORO: JAIME SUAREZ DIAZ
Los canales o cunetas
no revestidas se
profundizan o ampl
ían
amplían
ELABORO: JAIME SUAREZ DIAZ
La fuerza tractiva del agua es muy grande
ELABORO: JAIME SUAREZ DIAZ
Erosi
ón por paso de corrientes de agua por encima de
Erosión
la vvía
ía
Erosi
ón en los taludes de la banca
Erosión
ELABORO: JAIME SUAREZ DIAZ
El bombeo
JUNTA
PLACA DE
CONCRETO
BASE/SUBBASE EROSIONABLE
Vacío lleno de
agua
El bombeo es un resultado de la aplicaci
ón de
aplicación
cargas sobre un pavimento saturado
JAIME SUAREZ DIAZ
Bombeo en pavimentos asfálticos
Dirección de movimiento
Grieta
Pavimento asfáltico flexible
Presión hidrostática
Base saturada
Deflexión
subrasante-saturada
Deflexión
Expulsión de agua
Bombeo en pavimentos asf
álticos
asfálticos
La presencia de
El diseño adecuado del sistema
Bombeo en pavimentos de
concreto
P.C.C.
Dirección de movimiento
Pavimento de concreto
Base saturada
Agua libre
Presión hidrostática
o flujo de agua
Subrasante saturada
Dirección de movimiento
El gua es expulsada violentamente
cargado particulas en suspención
ASOCRETO
La presencia de
El diseño adecuado del sistema
Erosi
ón resultado del bombeo
Erosión
Terminal de Transportes de Bucaramanga
JAIME SUAREZ DIAZ
Terminal de Transportes de Bucaramanga
JAIME SUAREZ DIAZ
Efectos de la erosi
ón relacionada con el
erosión
bombeo
Escalonamiento
dislocación y rotura de
losas.
ASOCRETO
Deterioro de las juntas
La presencia de
El diseño adecuado del sistema
Juntas
Juntas al
al poco
poco tiempo
tiempo de
de iniciado
iniciado el
el
proceso
ón por
proceso de
de erosi
erosión
por bombeo
bombeo
JAIME SUAREZ DIAZ
Estaci
ón de servicio La Paz - Magdalena medio
Estación
JAIME SUAREZ DIAZ
JAIME SUAREZ DIAZ
JAIME SUAREZ DIAZ
Bogot
á
Bogotá
ASOCRETO
Agua libre
ASOCRETO
JAIME SUAREZ DIAZ
Soluciones a los problemas relacionados
con el agua en los pavimentos
1. Controlar el agua antes de que se infiltre
9 Sellado de las juntas
El efecto condón
Las juntas requieren de
un mantenimiento
continuo durante toda
la vida del pavimento
Mantenimiento
preventivo
9 Impermeabilizaci
ón de las bermas y separadores
Impermeabilización
9 Drenaje superficial
Cunetas , alcantarillas , sumideros, entregas, etc.
Levantar los niveles de la vía para facilitar el drenaje
9 Subdrenaje para el manejo del nivel freático y las
corrientes de agua
ASOCRETO
Sub
-drenes interceptores
Sub-drenes
ELABORÓ : JAIME SUAREZ DIAZ
ELABORÓ : JAIME SUAREZ DIAZ
2. Manejar el agua despu
és de que se infiltre
después
9
Sub
-Bases abiertas
Sub-Bases
9
Sub
-Bases resistentes
Sub-Bases
a la erosi
ón
erosión
ASOCRETO
Sub
-bases o bases abiertas
Sub-bases
Son materiales muy permeables donde el agua drena
libremente
Ejemplo : Triturado limpio
Granulometr
ía ideal de una base abierta
Granulometría
Tamiz
1”
% Pasantes
FHWA
100
% Pasantes
AASHTO No.67
100
3/4”
90-100
90-100
3/8”
30-50
20-55
No. 4
0- 5
0-10
No. 8
0- 2
0- 5
Tipos de base abierta (NCHRP Synthesis 239):
1. Material granular, grueso limpio.
2. Material granular, grueso limpio con adición de
cemento.(135 a 150 Kg de cemento/m3)
3. Material granular, grueso limpio con adición de
asfalto. (2 a 2.5 % de asfalto AC 40 o AR 8000)
Sub-base abierta
Problemas de la base abierta:
Penetraci
ón de lade
base dentro de la sub-rasante
La presencia
Traficabilidad durante la construcción
Unión estructural entre el concreto y la base
Contaminación de la base con material de la
sub-rasante
Las bases abiertas con aditivo presentan
generalmente deformaciones menores que
las bases sin aditivo (NCHRP Synthesis 239)
Bases cerradas VS Bases abiertas
JAIME SUAREZ DIAZ
Soluci
ón ideal:
Solución
Bases permeables aunque no totalmente
abiertas
Por ejemplo : Base de Pescadero
(Sin agregarle barro)
JAIME SUAREZ DIAZ
Granulometr
ía de base permeable (New Jersey
)
Granulometría
Jersey)
Tamiz
% de pasantes
1.5”
1”
½”
4
8
16
50
100
95-100
60-80
40-55
5-25
0- 8
0- 5
JAIME SUAREZ DIAZ
Normas INVIAS para Bases granulares
TAMIZ
PARTICULAS FRACTURADAS:
%
pasantes
BG-1
BG-2
1 ½”
100
-
1”
70-100
100
¾”
60-90
INDICE DE APLANAMIENTO:
3/8”
45-75
70100
50-80
MAX. 35%
No. 4
30-60
35-65
C.B.R. : MIN. 80%
No. 10
20-45
20-45
IP : < = 3
No. 40
10-30
10-30
No. 200
5-15
5-15
MIN. 50%
DESGASTE: MAX. 40%
SOLIDEZ SULFATO DE SODIO:
MAX. 12%
SOLIDEZ SULFATO DE
MAGNESIO: MAX. 18%
EQUIVALENTE DE ARENA: MIN.
30%
JAIME SUAREZ DIAZ
Normas INVIAS para sub
-bases granulares
sub-bases
TAMIZ
2”
1 ½”
1”
DESGASTE: MAX. 50%
½”
SOLIDEZ SULFATO DE SODIO: MAX. 12%
3/8”
SOLIDEZ
No. 4
SOLIDEZ SULFATO
SULFATO DE
DE MAGNESIO:
MAGNESIO: MAX.
MAX. 18%
18%
No. 10
C.B.R. : MIN. 20-30 ó 40%
No. 40
IP : < = 6
No. 200
EQUIVALENTE DE ARENA: MIN. 25%
PORCENTAJE
PASANTES
100
70-100
60-100
50-90
40-80
30-70
20-55
10-40
4-20
JAIME SUAREZ DIAZ
Se deben elaborar
especificaciones de bases y sub
subbases utilizando los materiales
excelentes que hay en la regi
ón
región
Es un error muy grave ““Recetar”
Recetar” las
especificaciones INVIAS
Y es un error a
ún mas grave adicionarle a las bases
aún
y sub
-bases materiales ““Dispersivos”
Dispersivos” como son los
sub-bases
materiales de la formaci
ón Organos.
formación
Dispersi
ón de los suelos finos que se acostumbra
Dispersión
agregar en Bucaramanga a las bases y sub
-bases
sub-bases
granulares
Ejemplo de base abierta
urbanizaci
ón Bucarica
urbanización
constru
ído en 1977
construído
: Pavimento de la
en Bucaramanga
JAIME SUAREZ DIAZ
Sub-drenes longitudinales de borde
Material
permeable
Filtro de geotextil
Tubería perforada
Geodren
pre-fabricado
Sub-dren longitudinal de borde
ASOCRETO
La colocación de sub-drenes longitudinales en
bases cerradas reduce las grietas de fatiga pero
no los hundimientos según la FHWA
El
-dren
El tipo
tipo de
de sub
sub-dren
aa utilizar
utilizar depende
depende
de
de ::
• Requerimientos del drenaje
• Caudales esperados
• Costos
ELABORÓ : JAIME SUAREZ DIAZ
• Disponibilidad de materiales
ELABORÓ : JAIME SUAREZ DIAZ
ELABORÓ : JAIME SUAREZ DIAZ
Sub
-drenes sint
éticos
Sub-drenes
sintéticos
ELABORÓ : JAIME SUAREZ DIAZ
Problemas de los sub-drenes longitudinales
Solo uno de cada tres sub-drenes longitudinales
en los Estados Unidos funciona correctamente
para lo que fue diseñado. (FHWA)
ELABORÓ : JAIME SUAREZ DIAZ
Subdrenes debajo de las cunetas
El sub-dren
recoge el agua
de la cuneta y
la infiltra hacia
el pavimento y
la sub-rasante.
Subdrenes en cortes y en terraplenes
NO
SI
Subdrenes longitudinales en cortes
Los subdrenes longitudinales deben construirse
debajo del pavimento
Otra alternativa es reemplazar los subdrenes por
cunetas profundas
Un sub
-dren tapado puede ser peor que no tener
sub-dren
sub
-drenes .
sub-drenes
El mantenimiento o limpieza los sub
-drenes es
sub-drenes
esencial para garantizar la vida del pavimento
Subdrenaje integral
Sub-drenes longitudinales + base permeable
Transición
Base permeable
Placa
Berma
Flujo de agua
Tubería
perforada
Geotextil
Calidad de drenaje.AASHTO (1993)
Agua removida en
(2horas)
Excelente
( 1 día)
Buena
(1 semana)
Regular
(1 mes)
Pobre
(no drena)
Muy pobre
La calidad del
drenaje es la
calidad del
pavimento
El drenaje afecta el espesor de pavimento
de diseño ?
Base y sub-bas deben cumplir
especificaciones de filtro
La presencia de
obras de
subdrenaje no
necesariamente
mejora el
comportamient
o del pavimento
Pavimento
Base drenante
Material debe cumplir
como filtro
Base y sub-base deben cumplir
especificaciones de permeabilidad
Pavimento
(FHWA)
Sub-base drenante
Filtro
El diseño adecuado del sistema de sub-drenaje es
mas importante que el subdrenaje en si
El pavimento es algo m
ás que una estructura
más
Nos
olvidamos
del drenaje
A
INE
L
O
R
MET
Mucho
Pingo!