DISEO DEL SUBDRENAJE DE PAVIMENTOS EN EL NORTE PERUANO

El objetivo principal del presente trabajo es el estudio y anlisis del subdrenaje en pavimentos aplicados a los pavimentos rgidos de la ciudad de Piura enmarcados bajo nuestros parmetros locales.

Este trabajo se ha llevado a cabo en cuatro etapas como se detalla a continuacin:

1.- Primeramente expondremos una teora bsica de los conceptos fundamentales y criterios generales de ingeniera que servirn para la aplicacin en el diseo de subdrenaje de los pavimentos en general.

2.- Se expondr los puntos a seguir en el diseo de subdrenaje de los pavimentos, sealando primeramente la capacidad de drenaje que deben tener los elementos componentes del mismo dentro de la estructura de los pavimentos (capa de drenaje, tuberas, drenes de borde, etc.).

3.- Se presentarn dos diseos de pavimentos rgidos en dos zonas de Piura en los cuales se incluirn detalles del diseo de subdrenaje. Estos diseos fueron realizados por un consultor durante el perodo de emergencia del fenmeno el nio (1997-1998).

4.- Se analizarn optimizarn mejorarn dichos diseos de una manera pausada y no con el apresuramiento que se tuvo en aquellos momentos. Para el rediseo se aplicarn todos los conceptos y criterios citados en las partes I y II con la particularidad de ser aplicados en los pavimentos rgidos. Dichos procedimientos de diseo harn nfasis en los parmetros locales, justificando todos los criterios adoptados. Estos parmetros son referentes a tablas que muestran registros de lluvia proporcionados por el Proyecto Especial Chira Piura de acuerdo a los periodos de retorno.

Adicionalmente se presentarn conclusiones y recomendaciones en base a los resultados obtenidos del anlisis realizado en el desarrollo del presente trabajo, as como tambin los correspondientes anexos.

Se presentar un programa de Computacin en donde se automatiza el diseo.

INTRODUCCIN

El Per es un pas en vas de desarrollo, el cual depende de varios factores. Uno de ellos es una buena infraestructura; si contramos con una adecuada infraestructura vial entonces se facilitara el desarrollo socio-econmico de las regiones del Per. Es clave entonces conocer a fondo la problemtica vial. Esta problemtica vial sugiere -entre otras- la creacin de una poltica de calidad en el diseo y mantenimiento de nuestros pavimentos, ms an por la presencia del fenmeno El Nio, que cada vez se hace ms frecuente y con mayor intensidad como ha sucedido en el ltimo evento del 97 98.

Por tanto es necesario que nuestros ingenieros especializados en carreteras tengan un mayor celo en el anlisis, diseo y construccin de las mismas.

FILTRACIN Y DRENAJE EN LOS SUELOS

Los suelos son ensamblajes de partculas slidas con vacos interconectados a travs de los cuales el agua puede fluir de un punto de energa alta a un punto de energa baja.

El proceso mediante el cual el agua de infiltracin superficial o agua de filtracin subterrnea es removida de los suelos y rocas por medios naturales o artificiales, se llama drenaje. El drenaje es uno de los factores ms importantes en el diseo de pavimentos; sin embargo este factor no ha recibido la atencin que merece.

Los efectos perjudiciales del agua sobre los pavimentos pueden minimizarse:

Previniendo el ingreso del agua al pavimento, a travs de un sellado de la superficie por ejemplo.

Proveyendo drenaje para removerla rpidamente.

Construyendo el pavimento suficientemente fuerte para resistir el efecto combinado de carga y agua.

Debido a que la prevencin completa no es posible durante la vida til del pavimento, y la construccin de un pavimento a toda prueba resulta econmicamente prohibitiva; la instalacin de un sistema de drenaje para removerla rpidamente se hace tremendamente necesaria antes de que cualquier dao sobre el pavimento pueda iniciarse.

REQUISITOS Y CRITERIOS BSICOS

Los filtros y los drenes pueden suministrar seguridad permanente contra las acciones destructoras de la filtracin y del agua subterrnea; sin embargo, ciertos requisitos fundamentales deben ser estrictamente asegurados. Si los filtros y los drenes han de servir para estos propsitos, los agregados usados en su construccin deben tener correcta gradacin y deben ser manipulados y colocados con cuidado para evitar la contaminacin y segregacin. Tambin deben estar bien compactados para reducir las posibilidades de cambios localizados en la gradacin ocurrida por la cada de partculas finas a travs de espacios vacos.

Muchos de los problemas asociados con el diseo de filtros adecuados y de los drenes aparecen por las necesidades de satisfacer dos requisitos conflictivos.

I. REQUISITO DE LA TUBIFICACIN U OBSTRUCCIN (PIPING CLOGGING):

Huang (1993) llama a este criterio, el criterio de la obstruccin (clogging) y lo enuncia de la siguiente manera: el material de filtro debe ser lo suficientemente fino para obstruir la posible migracin de los finos del material adyacente hacia l.

Para Cedergren (1990) este criterio se llama de la tubificacin (piping) y lo enuncia as: los espacios de los poros en los drenes y en los filtros que estn en contacto con suelos y rocas erosionables deben ser lo suficientemente pequeos para prevenir o evitar que las partculas sean lavadas hacia dentro o a travs de ellos.

II. REQUISITO DE LA PERMEABILIDAD:

Huang (1993) enuncia este criterio de la siguiente manera: el material de filtro debe ser lo suficientemente grueso para transportar el agua sin ninguna resistencia significativa.

Para Cedergren (1990) este criterio lo enuncia como sigue: los espacios de los poros en los drenes y los filtros deben ser suficientemente grandes para otorgar suficiente permeabilidad que permita a la filtracin desplazarse libremente y as suministrar un alto grado de control sobre las fuerzas de filtracin y las presiones hidrostticas.

TUBIFICACIN O EROSIN INTERNA:

Para prevenir la tubificacin, los terrenos y rocas erosionadas que contengan agua nunca deben estar en contacto directo con pasajes ms grandes que algunos de los suelos ms gruesos o partculas de rocas.

I. CRITERIO DE TUBIFICACION O EROSIN INTERNA

D15filtro

-----------5

D85suelo

El 15% del tamao (D15) del material del filtro no debe ser ms de 4 5 veces el 85% del tamao de un suelo protegido. La relacin entre D15 de un filtro y D85 de un suelo es llamada la relacin de tubificacin.

II. CRITERIO DE PERMEABILIDAD

El 15% del tamao (de quince) del material del filtro debe ser al menos 4 o 5 veces el tamao de un suelo protegido. La relacin entre D15 de un filtro y D15 de un suelo a proteger se llama relacin de permeabilidad.

El intento de este criterio es garantizar suficiente permeabilidad para impedir el fortalecimiento de las fuerzas de filtracin y de las presiones hidrostticas en filtros y drenes.

D15filtro

----------------------- > 5

D15filtro

III. CRITERIOS ADICIONALES:

El Bureau of Reclamation de los Estados Unidos limita el tamao mximo de los agregados de filtro a 3 para minimizar la segregacin y extensin (bridging) de enormes partculas durante la construccin. Para minimizar la segregacin, el cuerpo de Ingenieros especific ms tarde que los materiales de filtro deben tener un coeficiente de uniformidad, el cual es una relacin entre D60y D10no mayor que 25.

Para prevenir el movimiento de las partculas de suelo hacia dentro o a travs de los filtros, es decir, para proteger los filtros, el Cuerpo de Ingenieros del Ejrcito de Norte Amrica (1955 y 1979) exige que las siguientes condiciones sean satisfechas.

D50filtro

-----------------------25

D50filtro

D50= Tamao de grano correspondiente al 50 del material que pasa respectivamente, y puede obtenerse de la curva granulomtrica de cada material.

Para prevenir que los finos en el filtro ingrese hacia la capa de drenaje, Moulton (1980) recomend que la cantidad que pasan a travs de la malla N 200 no sea mayor que 5% el D5del filtro > 0.0029 pulg. (0.074 mm.).

EL CONFLICTO: ESTABILIDAD VS PERMEABILIDAD

Ha sido largamente reconocido que la gradacin apropiada y densidad son vitales para la estabilidad de los materiales granulares. La gradacin requerida para el criterio de estabilidad usualmente vara uniformemente de grueso a fino. Por otro lado para obtener la permeabilidad deseada, la porcin fina necesita ser eliminada; por tanto, la estabilidad de la capa de drenaje puede ser adversamente afectada. Esto puede compensarse estabilizando la capa de drenaje con una pequea cantidad de asfalto o cemento portland.

PROCEDIMIENTO DE DISEO

ESTIMACIN DEL FLUJO INTERNO:

Las fuentes ms importantes del flujo interno son la infiltracin superficial, la filtracin del subsuelo, y el agua proveniente de deshielo. La infiltracin superficial es la ms importante fuente de agua y debera ser siempre considerada en el diseo del subdrenaje.Cuando sea posible, el agua subterrnea debera ser deprimida a travs de drenes longitudinales profundos y la filtracin al interior de la estructura del pavimento no debera permitirse. Si esto no es factible, la cantidad de filtracin que ingresa a la capa de drenaje debera estimarse.

INFILTRACIN SUPERFICIAL

La cantidad de agua que penetra a la estructura de un pavimento queda determinada por varios factores, a saber: cantidad y tipo de precipitacin, ritmo de precipitacin, declive superficial, porosidad, permeabilidad, etc.

Cuando el nivel del agua est a una distancia considerable debajo de la superficie del pavimento, como en el caso de un relleno, la infiltracin en la superficie es probablemente la nica que tiene que ser considerada para el diseo del subdrenaje.

Cedergren y otros (1973) recomendaron que la tasa de infiltracin de diseo sea encontrada multiplicando la tasa de lluvia de 1 hora duracin/1ao de frecuencia por un coeficiente que vara de 0.33 a 0.50 para pavimentos de asfalto y de 0.50 a 0.67 para pavimentos de concreto. Como se puede ver Cedergren basa su anlisis principalmente en las intensidades de lluvia.

Valores de tasas de precipitacin para la ciudad de Piura se estudiarn ms adelante.

Basados en los resultados de ensayos de infiltracin llevados a cabo en Connecticut, Ridgeway (1976) indic que la duracin de la lluvia es un factor ms crtico que la intensidad. El encontr que la cantidad de infiltracin puede estar relacionada directamente al agrietamientoy sugiri que una tasa de infiltracin Icde 2.4 pie3/das /pie de grieta (0.22 m3/da/m) sea usada para el diseo. La tasa de infiltracin por unidad de rea qipuede ser expresada con la siguiente frmula:

q = qiWp = 0.1 ( N + 1 + Wp/ Cs )

Dnde:

N = nmero de carriles.

Wp = Ancho del pavimento sujeto a infiltracin.

qi = Tasa de infiltracin por unidad de rea

q= tasa de flujo interno en pie3/ h / pie lineal del pavimento

Cs = espaciamiento de juntas para pavimentos de concreto y es 40 pies ( 12.2 mm.) para pavimentos de asfalto.

FILTRACIN DE AGUA SUBTERRNEA

Si la capa de drenaje se usa para disminuir el nivel de agua, adicionalmente para proveer drenaje para la infiltracin superficial, la grfica mostrada en la figura 2.2. puede aplicarse para determinar el flujo interno de agua subterrnea.La grfica es aplicable al caso general donde un borde impermeable cae a una cierta distancia debajo de la capa de drenaje.El flujo interno se divide en dos partes: q1y q2.El flujo interno ubicado por encima del fondo de la capa de drenaje es q1y puede determinarse con la siguiente ecuacin

K (H H0)2

q1=------------------ 2Li

Dnde:

K = permeabilidad del suelo en cara del talud o en la subrasante.

H = altura inicial del nivel de agua subterrnea por encima de la capa impermeable.

H0= distancia vertical entre el fondo de la capa de drenaje y la capa impermeable.

Li = distancia de influencia, lo cual puede ser determinada con la ecuacin:

Li = 3.8 ( H - H0)

El flujo interno ubicado debajo de la capa de drenaje es q2 y puede ser determinado de la figura adjunta.

Note que q1y q2son los son los volmenes de flujo por unidad de tiempo, por unidad de longitud del dren longitudinal. El flujo lateral qLes:

qL= q1+ q2

El flujo interno de agua subterrnea qgpara la capa de drenaje por unidad de rea es:

2 q2

qg = -----------

W

Dnde: W = ancho del camino.

FLUJO INTERNO DE DISEO

El flujo interno de diseo ser la suma de todos los flujos internos provenientes de todas las fuentes menos el flujo que sale a travs del suelo de la subrasante

DETERMINACIN DE LA CAPACIDAD DE DRENAJE:

La capacidad tanto de la capa de drenaje y de la tubera colectora debe ser diseada de tal manera que la tasa de flujo de salida sea mayor que la tasa del flujo de entrada y el agua puede ser llevada con seguridad desde la fuente hacia la llegada de salida.

CAPA DE DRENAJE:

Hay 2 requerimientos de diseo para la capa de drenaje. Primero la capacidad del estado permanente debe ser mayor que la tasa de flujo interior. Segundo la capacidad del estado no permanente debe ser tal que el agua pueda ser drenada rpidamente despus de cada evento de precipitacin

1. FLUJO DE ESTADO PERMANENTE:

Lasdimensiones de la capa de drenaje puede ser calculada por :

H

q = K. H (S + --------)

2L

Dnde:

q = capacidad de descarga de la capa de drenaje

K permeabilidad de la capa de drenaje

S = pendiente de la capa de drenaje

H = espesor de la capa de drenaje

L = longitud de la capa de drenaje

La capacidad de drenaje q debe ser mayor que qdl. Si la subrasante es permeable con flujo de salida significante, entonces la capacidad de la capa de drenaje debe ser mayor que el flujo interno de diseo menos el flujo de salida de la subrasante.

2. FLUJO DE ESTADO NO PERMANENTE:

La capacidad del flujo de estado no permanente est definido por el grado de drenaje, el cual es una relacin entre el volumen de agua drenada despus de terminada la lluvia y la capacidad total de almacenaje de la capa de drenaje.

Casagrande y Shannon mostraron que el tiempo para el 50 % del grado de drenaje puede ser calculado por la siguiente ecuacin:

neL2

t50= -------------

2K (H + SL)

Dnde:

t50= tiempo para el 50 % de drenaje

n = porosidad efectiva, la cual es la porosidad ocupada por el agua drenable.

K= permeabilidad de la capa de drenaje

S= pendiente de la capa de drenaje

H =espesor de la capa de drenaje

L = longitud de la capa de drenaje

Para un drenaje excelente, la AASHTO exige que el agua sea removida dentro de 2horas. Para el diseo de la capa de drenaje, el requerimiento de que el tiempo para completar o drenar el 95% sea menor que 1 hora, segn sugiri Ridgway (1982), parece ser ms apropiado.

Barber present una simple grfica para determinar el tiempo requerido para cualquier grado de drenaje. El grado de drenaje u depende de un factor tiempo Tfy un factor de inclinacin Sf

KH t

Tf = ------------

neL2

Ls

Sf=-----------------

H

Dnde:

k = permeabilidad de la capa de drenaje

H = espesor de la capa de drenaje

T = tiempo desde que la lluvia para y el drenaje comienza

ne= porosidad efectiva, la cual es la porosidad ocupada por la capa de drenaje.

L = longitud de la capa de drenaje

S = pendiente de la capa de drenaje

CASO PRCTICO:

PAVIMENTO CON SUBBASE PARA ESTABILIDAD Y FILTRO PARA DRENAJE

Con este criterio se procedi a realizar los anlisis utilizando diversos materiales de la zona de Piura, luego de lo cual se concluye que el agregado fino de Cerro Mocho y el afirmado de la Ransa cumplen con las condiciones de filtro y estabilidad necesarios respectivamente. As la estructura de pavimento es la siguiente:

CRITERIO DE FILTRO:

a)Cuando el nivel fretico sube

D15filtro 0.625

1. Criterio de erosin ------------------- = ---------- = 2.541 < 5 ok

D85subbase 0.246

D15filtro 0.621

2. Criterio de permeabilidad --------------- = ----------- = 15.244 > 5 ok

D15subbase 0.041

D15filtro 1. 390

3. Criterio adicional ------------------- = ---------------- = 11.488 < 25 ok

D50subbase 0. 121

Se puede ver que los criterios de filtro, para este primer anlisis, cuando el agua asciende, son satisfechos.

b) Cuando el agua desciende

D15filtro 0.625

1. Criterio de erosin ------------------ = ---------------- = 0.035 5 ok

D15subbase 0.114

D15filtro 1.39

3. Criterio adicional -------------- = ------------- = 0.271