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CONCEPTOS BASICOS Y GUA DE DISEO DE SISTEMAS DE DRENAJE CON GEOTEXTIL

APLICACIN DE LOS GEOTEXTILES FORTEX

1 INTRODUCCIN

La constante preocupacin de los ingenieros por lacalidad de los materiales y la durabilidad de las obraslos ha llevado durante aos a emplear diferentessistemas y/o elementos, que permitan desarrollar ymantener las estructuras.

De acuerdo con Koerner, 1986, los geotextiles, comose conocen y se usan hoy en da, se utilizaronoriginalmente en aplicaciones de control de erosin,como una alternativa a los filtros de suelosgranulares. As, el trmino original usado para losgeotextiles era el de telas de filtro. Barrett en supublicacin original clsica de 1966, habla sobre lostrabajos iniciales a finales de los 50, usandogeotextiles detrs de muros marinos de concretoprefabricado, bajo bloques de concreto para controlde la erosin, debajo de grandes piedras para rip-rapy en muchas otras situaciones.

El diseo, especificacin y construccin de filtrosresulta vital en el desempeo de las estructurasgeotcnicas. En el entendido que un filtro es unmedio poroso que acta principalmente para retenerel suelo contra el cual es apoyado y permitir el flujode agua a travs de l, se han desarrollado diversasinvestigaciones que han dado lugar a mltiplesmetodologas de diseo que coinciden en ladefinicin de los dos criterios que gobiernan eldiseo de filtros con geotextil: Retencin yPermeabilidad.

Los geotextiles de Alto Mdulo Fortex sonproducidos con multifilamentos orientados dePolister (Tereftalato de Polietileno) de alto pesomolecular (mayor a 25.000 g/mol), los cuales poseenuna alta relacin resistencia a la tensin deformacin, con tenacidades superiores a 7 gpd(superiores a los de cualquier otro polmero utilizadopara la fabricacin de geosintticos). Los

multifilamentos son tejidos para conformar elementosde alta resistencia a la rotura y alto modulo dedeformacin, con los cuales se fabrican geotextilesque se caracterizan por presentar una alta capacidadde absorcin de carga desde muy bajos niveles dedeformacin, inclusive, muy baja deformacinplstica (creep) bajo carga sostenida a largo plazo yexcelente comportamiento hidrulico.

2. SUBDRENES CON GEOTEXTIL YMATERIAL GRANULAR

La construccin de filtros para subdrenaje congeotextiles Fortex garantiza eficientemente elcomportamiento de las estructuras gracias acaractersticas como:

Estabilidad en sus propiedades hidrulicasen cualquier ambiente de carga

Su Tamao de Abertura Aparente Su Permeabilidad Su Permitividad Su Tasa de flujo

2.1 CRITERIOS DE DISEO

Las funciones bsicas de un filtro con geotextilpueden resumirse bajo dos criterios:

1. El filtro debe retener el suelo, lo que implicaque el Tamao de Abertura Aparente (AOS)del geotextil debe ser ms pequeo que unvalor mximo especfico,

2. El filtro debe ser suficientemente permeablecomo para permitir el paso del agua hacia elmedio drenante, por lo que el Tamao deAbertura Aparente (AOS) debe ser mayorque un valor mximo especfico.

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Con estas dos consideraciones, se puede afirmar queel diseo de filtros con geotextil obedece dosparmetros bsicos:

RETENCION PERMEABILIDAD

La definicin del criterio de diseo se basa en elconocimiento del terreno natural donde se alojar elfiltro, las dimensiones del filtro y el materialdrenante. Esto con el fin de estimar la cantidad desuelo que eventualmente podra atravesar el geotextilsin poner en peligro el desempeo del filtro.

Por ejemplo, la construccin de un filtro degeometra amplia, dentro de un suelo granular con unrgimen de flujo de agua elevado (ver Figura 1a),admite que una cierta cantidad de suelo atraviese elgeotextil sin causar deterioro en el desempeo delfiltro. En esta situacin, es posible preferir el criteriode permeabilidad sobre el de retencin.

Por el contrario, un filtro de seccin transversalreducida, como el que se aprecia en la Figura 1b,construido en el mismo suelo granular puede generarcolmatacin y la posterior falla del sistema dedrenaje. En este caso, el diseo debe orientarse haciael criterio de retencin.

Figura 1. Seleccin del criterio de diseo del filtro

2.2 CONDICIONES LMITE

El diseo de filtros con geotextil est caracterizadopor dos condiciones lmite:

La presin de confinamiento y,

las condiciones de flujo

2.2.1 Presin de confinamientoSe evala porque:

a. En suelos granulares, las altas presiones deconfinamiento tienden a incrementar la resistencia delas partculas al movimiento.b. En suelos finos, las altas presiones incrementan elpotencial del suelo de atravesar el geotextil.c. En general, para todas las clases de suelos, altaspresiones de confinamiento incrementan el potencialdel geotextil y la masa de suelo de penetrar dentro delos canales de flujo del medio drenante.

2.2.2 Condiciones del flujoLas condiciones de flujo se definen para flujo estable(laminar) y flujo dinmico (turbulento).

La importancia de la evaluacin de las condicionesde flujo radica en la naturaleza de las fuerzas queinducen el movimiento de las partculas (criterio deretencin del suelo). En otras palabras, las fuerzasgeneradas en presencia de flujo estable son diferentesa las que se presentan en condiciones de flujodinmico.

2.3 SOLICITACIONES DE DISEO

Las solicitaciones hacen referencia al anlisisminucioso de los factores involucrados en el diseo yposterior desempeo del filtro. Estos factoresdescriben su capacidad de retencin y permeabilidad,los riesgos asociados al fenmeno de colmatacin,los requerimientos de supervivencia, las exigenciasde durabilidad y algunos otros riesgos derivados deltipo de material utilizado.

2.3.1. RetencinTal como se ha venido mencionando, el primer pasoen el diseo de filtros con geotextil es la seleccin delcriterio de diseo y las condiciones lmite. Ladefinicin de estos dos conceptos, permite avanzarhacia la evaluacin detallada de las propiedadesmecnicas del suelo donde se alojar el filtro.

En el caso de los suelos granulares es necesariodeterminar su granulometra ya que, en trminosgenerales, los suelos granulares son potencialmenteinestables. Por otra parte, la estabilidad interna de lossuelos finos tales como los limos y arcillas se mide atravs de su cohesin y dispersin. Suelos con altacohesin (arcillas) son internamente ms estables quelos de baja cohesin (limos).

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En resumen, el objetivo de las solicitaciones deretencin, es la seleccin de un geotextil con unapropiado Tamao de Abertura Aparente (AOS).

2.3.2. PermeabilidadAmplio tema de debate ha sido la permeabilidad delgeotextil. Solo basta observar algunas metodologaspublicadas, segn las cuales la permeabilidad delgeotextil debe ser mayor que la del suelo. Ms an,otros mtodos establecen que la permeabilidad delgeotextil debe ser al menos 10 veces mayor que la delsuelo.

Como resultado de investigaciones posteriores,Giroud, 1988, encontr que la permeabilidad inicialdel geotextil debe ser mayor que la permeabilidad delsuelo multiplicada por el gradiente hidrulico delfiltro.

A continuacin se resumen algunos valores tpicospara diferentes aplicaciones:

APLICACIN GRADIENTEHIDRULICO ( i )Filtros longitudinales 1.0Filtros verticales para muros 1.5Revestimiento de canales 1.0Rellenos sanitarios 1.5

2.3.3. ColmatacinEl fenmeno de colmatacin es sin lugar a dudas elms mencionado de la construccin de filtros congeotextil. Este es un mecanismo complejodependiente del tipo de suelo, del geotextil y lascondiciones del flujo.

A pesar de su complejidad, es posible reducir laposibilidad de que se presente, teniendo en cuentaque es preferible un geotextil que tenga suficienteTamao de Abertura Aparente (AOS) sin superar elmximo requerido para garantizar la retencin delsuelo.2.3.4. SupervivenciaComo cualquier otro material de construccin, ungeotextil debe ser capaz de resistir su propiainstalacin.

La degradacin del geotextil durante la instalacin seexpresa fundamentalmente en trminos de daos porrasgado, punzonamiento estallido. Para garantizarla supervivencia del geotextil es necesario determinar

las propiedades mecnicas e hidrulicas que stedebe cumplir. Para lograr este propsito serecomienda seguir las Especificaciones TcnicasInternacionales, Nacionales Regionales que seencuentren vigentes durante la etapa de diseo yconstruccin.

2.3.5. DurabilidadAlgunas aplicaciones como sistemas de proteccin deorillas y algunos tipos de rellenos pueden requerirque el geotextil quede expuesto a la luz natural porlargos periodos de tiempo. Es por esta razn que esnecesario protegerlo de los rayos UV. Polmeroscomo el polister (PET) no requieren ser cubiertoscon resinas especiales para evitar su degradacin.Caso contrario ocurre con el polipropileno (PP), cuyadegradacin sera inminente sin la aplicacin deaditivos especiales.

La abrasin es tambin, un factor determinante enaplicaciones como los sistemas de proteccin deorillas, en donde el espesor del geotextil puede sufrirdesgaste. Es entonces necesario incrementar suresistencia. Es decir, utilizar un geotextil de AltoMdulo.

2.3.6. VariosAlgunos otros interrogantes pueden surgir en la etapade diseo y seleccin de un geotextil para filtro.

Entre ellos tenemos:

1. Clase de geotextil a utilizar: Tejido No Tejido?

2. El espesor del geotextil puede ser considerado uncriterio que determine la escogencia rechazo de ungeotextil?

3. Puede presentarse intrusin del geotextil dentro delmedio drenante? extrusin del material fino a travsdel geotextil?

En primer lugar, es necesario mencionar que lasEspecificaciones Tcnicas para el uso de geotextilescomo filtros, admiten el uso de geotextiles tejidos yno tejidos. La escogencia entre uno u otro debebasarse en sus propiedades mecnicas e hidrulicas.

Por otra parte, el espesor del geotextil no es unindicador del desempeo en campo, aunque enaplicaciones donde se prev que se puede presentar

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abrasin desgaste es recomendable utilizargeotextiles de Alto Mdulo.

Tambin en aplicaciones que involucran altaspresiones de confinamiento, el geotextil puedeintentar penetrar dentro de los canales de flujo deldren. La probabilidad de que se presente estefenmeno es mayor en geotextiles con bajos Mdulosde Tensin.

De forma anloga, altas presiones de confinamientopueden causar que el material fino pase a travs delas aberturas del geotextil, incluso en ausencia decondiciones de flujo. En estos casos, es necesarioutilizar un geotextil que funcione como elementoseparador y tambin como filtro.

2.4 METODOLOGAS DE DISEO

Diversas metodologas han sido desarrolladas, enaras de disear estructuras para drenaje encondiciones de flujo esttico. Dentro de ellastenemos:

2.4.1. Giroud

Cu > 3 Cu < 3

Densidad < 35%

O95 < (9/Cu) x d50

35% < Densidad < 65%

O95 < (13.5/Cu) x d50

Densidad > 65%

O95 < (18/Cu) x d50

Densidad < 35%

O95 < Cu x d50

35% < Densidad < 65%

O95 < (1.5Cu) x d50

Densidad > 65%

O95 < 2Cu x d50

PERMEABILIDAD

Cu = (d100 d0)0.5

RETENCION

1 < Cc < 3 Cc > 3 Cc < 1

Cu = (d60 d30) Cu = (d30 d10)

Cu > 3 Cu < 3

Densidad < 35%

O95 < (9/Cu) x d50

35% < Densidad < 65%

O95 < (13.5/Cu) x d50

Densidad > 65%

O95 < (18/Cu) x d50

Densidad < 35%

O95 < Cu x d50

35% < Densidad < 65%

O95 < (1.5Cu) x d50

Densidad > 65%

O95 < 2Cu x d50

PERMEABILIDAD

Cu = (d100 d0)0.5

RETENCION

1 < Cc < 3 Cc > 3 Cc < 1

Cu = (d60 d30) Cu = (d30 d10)

Esta metodologa tiene en cuenta el tipo de materialen funcin de su granulometra, su densidad y lascondiciones del flujo.

2.4.2. AASHTO Task Force # 25

En esta metodologa no se presentan limitacionesfrente a la clase de geotextil y/o distribucingranulomtrica del material adyacente al filtro.

RETENCION

Si d50 0.074 mmSi d50 > 0.074 mm

0.149 mm O95 < 0.211 mm 0.149 mm O95 d85

Restriccin: No usar geotextil si d85 < 0.074 mm

RETENCION

Si d50 0.074 mmSi d50 > 0.074 mm

0.149 mm O95 < 0.211 mm 0.149 mm O95 d85

Restriccin: No usar geotextil si d85 < 0.074 mm

2.4.3. U.S. Corp Of Engineers

Sin restricciones frente al tipo de suelo

O95 < 0.59 mm

RETENCION

Si d50 0.074 mmSi d50 > 0.074 mm

O95 < 0.30 mm O95 < 0.59 mm

RETENCION

Si d50 0.074 mmSi d50 > 0.074 mm

O95 < 0.30 mm

En trminos generales, la metodologa para el diseode filtros con geotextil se puede resumir de lasiguiente manera:

CONDICIONES

LIMITE

REQUERIMIENTOS DE DISEO

RETENCION

DEL SUELO

PERMEABILIDAD

COLMATACION

SUPERVIVENCIA DEL GEOTEXTIL

(Construccin)

DURABILIDAD

VARIOS

CONDICIONES

LIMITE

REQUERIMIENTOS DE DISEO

RETENCION

DEL SUELO

PERMEABILIDAD

COLMATACION

SUPERVIVENCIA DEL GEOTEXTIL

(Construccin)

DURABILIDAD

VARIOS

OBJETIVO: Determinarel mximo AOS

OBJETIVO: Determinar la permeabilidad mnima

OBJETIVO: Determinar el mnimo AOS

OBJETIVO: Determinar lasPropiedades mecnicas e hidrulicas mnimas

OBJETIVO: Determinar la clase de geotextil a utilizar en funcin de su resistencia y eficienciahidrulica

OBJETIVO: Determinar la clase deGeotextil a usar, evitar intrusin, Extrusin, etc.

GENERALIDADES

CONDICIONES

LIMITE

REQUERIMIENTOS DE DISEO

RETENCION

DEL SUELO

PERMEABILIDAD

COLMATACION

SUPERVIVENCIA DEL GEOTEXTIL

(Construccin)

DURABILIDAD

VARIOS

CONDICIONES

LIMITE

REQUERIMIENTOS DE DISEO

RETENCION

DEL SUELO

PERMEABILIDAD

COLMATACION

SUPERVIVENCIA DEL GEOTEXTIL

(Construccin)

DURABILIDAD

VARIOS

OBJETIVO: Determinarel mximo AOS

OBJETIVO: Determinar la permeabilidad mnima

OBJETIVO: Determinar el mnimo AOS

OBJETIVO: Determinar lasPropiedades mecnicas e hidrulicas mnimas

OBJETIVO: Determinar la clase de geotextil a utilizar en funcin de su resistencia y eficienciahidrulica

OBJETIVO: Determinar la clase deGeotextil a usar, evitar intrusin, Extrusin, etc.

GENERALIDADES

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3. CARACTERISTICAS DE LOSGEOTEXTILES GEOMATRIX

3.1 PROPIEDADES DEL POLISTER YTCNICA DE TEJIDO

Los geotextiles de alto mdulo Fortex songeosintticos producidos con multifilamentosorientados de Polister (Tereftalato de Polietileno) dealto peso molecular (mayor a 25.000 g/mol y grupocarboxilo final menor a 30). Este material secaracteriza por poseer una alta relacin resistencia ala tensin deformacin; con tenacidades superioresa 8 gpd, (superiores a los de cualquier otro polmeroutilizado para la fabricacin de geosintticos, talcomo se ilustra en la figura 2), alta estabilidadmecnica a travs del tiempo (bajo creep) y altaestabilidad ante la temperatura, con punto deablandamiento por encima de 240 C.

0123

4

5

6

78

9

10

0 10 20 30 40 50

Resistencia a la TensinFibras de Geosintticos

PET

PP

HDPE

Deformacin Unitaria (%)

Esfu

erzo

(K

g/cm

)

Figura 2. Curva Esfuerzo DeformacinGeosintticos de Polister. (Typical properties of fibers

Bastn, Designing with Geosynthetics )

Los geosintticos Geomatrix son fabricadosutilizando la tcnica de tejido por insercin, en lacual se disponen las fibras horizontales ytransversales independientemente, entrelazndolascon un tercer grupo de fibras que se insertanajustando los nodos para formar un tejido altamenteresistente. Ver figura 3. De esta forma las fibrasprincipales permanecen rectas, confirindoles as lapropiedad de dar refuerzo desde muy bajasdeformaciones, al igual que excelentes propiedadeshidrulicas.

Figura 3. Tejido de insercin

En el caso especfico de filtros, el sistema de tejidode los geotextiles Fortex les confiere una excelenteestabilidad en sus propiedades hidrulicas bajocualquier ambiente de carga, por lo cual, sonpreferidos para aplicaciones de drenaje.

3.2 PRODUCCIN

Los geotextiles de alto mdulo FORTEX sonfabricados a travs de un sistema de produccinverticalmente integrado. La produccin inicia con elproceso de hilatura, donde un grupo de control decalidad, apoyado en pruebas de laboratorio,monitorea permanentemente desde la tenacidad delhilo hasta las propiedades mecnicas finales delgeosinttico.Las principales caractersticas de los geotextilesFORTEX son obtenidas a partir de ensayosrealizados en nuestros laboratorios siguiendo lasexigencias de las Normas Tcnicas ASTM. Y algunascaractersticas como la resistencia a la tensin y laelongacin son corroboradas adicionalmente en unlaboratorio GAI-LAP (Laboratorio acreditado por elInstituto de Geosintticos para la ejecucin deensayos e investigacin sobre geosintticos),garantizando as las caractersticas y desempeo delos productos.Geomatrix S.A., cuenta con un grupo deinvestigacin, quienes tienen a su cargo elmejoramiento permanente de los productos que estnen el mercado y la creacin nuevos productosbuscando la excelencia en la satisfaccin de losconsumidores de geosintticos de Alto Mdulo.

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4. REFERENCIAS

Koerner, R.M. (1.986). Designing withgeosynthetics. New Jersey, USA, pp. 210 238.

Palmeira, E.M., FANNIN, R.J. (2.002). Soil-geotextile compatibility in filtration. Proc. of the 7thInternational Conference on Geosynthetics Nice,France. Vol. IV. pp. 853 870.

Luettich, S. (1.993). Geotextil Filters: Designing forthe application. Geothecnical Fabrics Report. USA.Pp. 70 78

AASHTO-AGC-ARTBA Task Force 25,Specifications Guide for Drainage Geotextiles(1989), pp. 3.

Giroud, J.P., Filter Criteria for Geotextiles.Proceedings of Second International Conference onGeotextiles, Las Vegas, Nev., U.S.A., 1982, pp. 103 108.

Giroud, J.P., Review of Geotextile Filter Criteria,Proceedings of First Indian Geotextiles Conferenceon Reinforced Soil and Geotextiles, Bombay, India.1988, pp. 1 6.