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COMPORTAMIENTO DE SUELOS GRANULARES

TAMAÑO DE LAS PARTÍCULAS DE SUELO

Independientemente del origen del suelo, los tamaños de las partículas, en general, que conforman un suelo, varían en un amplio rango. Los suelos en general son llamados grava, arena, limo o arcilla,

dependiendo

del

tamaño

predominante

de

las

partículas,

ocasionalmente puede tener materia orgánica.

La textura y propiedades físicas del suelo dependerán del tamaño de ellas. Mayores tamaños de partículas significará mayor espacio entre ellas, resultando un suelo más poroso; menor tamaño de partículas

tendrán menor espacio entre ellas dificultando el paso del aire y el agua, por lo tanto este suelo será menos poroso.

Los tamaños de grano se

han clasificado con base en las dimensiones dada en determinados

estándares

Cuando se realiza un análisis físico de una muestra de suelo se definen

dentro de ella variados tamaños de grano que se enmarcan dentro de rangos específicos definidos por diversas entidades o agrupaciones.

Para clasificar a los constituyentes del suelo según su tamaño de partícula se han establecido muchas clasificaciones granulométricas. Básicamente todas aceptan los términos de grava, arena, limo y arcilla,

pero difieren en los valores de los límites establecidos para definir cada clase.

Nombre de la Organización

Tamaño de grano (mm)

Grava

Arena

Limo

Arcillla

Instituto tecnológico de Massachusset (MIT)

>2

2 a 0.006

0.006 a 0.002

< 0.002

Departamento de agricultura de E.U (USDA)

>2

2 a 0.05

0.05 a 0.002

< 0.002

2 a 0.075

0.075 a 0.002

4 y 1< Cc < 3, el suelo es bien gradado

Para arenas Si Cu > 6, y 1< Cc < 3, el suelo es bien graduado

D60: tamaño de las partículas correspondientes al 60 % de material menor o igual a dicho tamaño D30: tamaño de las partículas correspondientes al 30 % de material menor o igual a dicho tamaño. D10: tamaño de las partículas correspondientes al 10 % de material menor o igual a dicho tamaño. CURVA GRANULOMÉTRICA PORCENTAJE QUE PASA (%)

100

80

60

40

20

0 0,01

0,10

1,00

D30

DIÁMETRO DE PARTÍCULAS (mm)

10,00

100,00

Análisis granulométrico. Proceso para determinar la proporción en que participan los granos del

suelo, en función de sus tamaños (grava, arena, limo, arcilla). Esa proporción se llama gradación del suelo.

Métodos de análisis granulométrico. Comprende dos clases de ensayos: El de tamizado para las partículas granulares (gravas, arenas) y el de sedimentación para la fracción fina del

suelo (limos, arcillas), pues no son discriminables por tamizado.

Curva granulométrica. Los resultados de los ensayos de tamizado y sedimentación se llevan

a un gráfico llamado curva granulométrica. Las fracciones tendrán denominaciones, según el sistema:

BRITÁNICO

AASHTO

ASTM

SUCS

Φ (mm)

Φ (mm)

Φ (mm)

Φ (mm)

Grava

60 – 2

75 – 2

>2

75 – 4,75

Arena

2 – 0,06

2 – 0,05

2 – 0,075

4,75 – 0,075

Limo

0,06 – 0,002

Arcilla

< 0,002

0,05 – 0,002 0,075 – 0,005 < 0,075 finos < 0,002

< 0,005

AASHTO: American Association of State Highway and Transportation Official ASTM : American Society for Testing and Materials SUCS: Sistema Unificado de Clasificación de Suelos

CURVA GRANULOMÉTRICA 100

100

PORCENTAJE QUE PASA (%)

PORCENTAJE QUE PAS (%)

CURVA GRANULOMÉTRICA

80 60 40 20 0 0,01

0,10 1,00 10,00 DIÁMETRO DE PARTÍCULAS

100,00

80 60 40 20 0 0,01

0,10

1,00

10,00

DIÁMETRO DE PARTÍCULAS (mm)

100,00

Análisis mecánico Consiste en la separación de un suelo en diferentes fracciones, según sus

tamaños. Existen. dos métodos el cribado por mallas y un análisis de una suspensión del suelo. El Cribado por mallas se usa para obtener las fracciones correspondientes a

los tamaños mayores del suelo, generalmente se llega hasta el tamaño de 0.074 mm. (malla N° 200).

Dentro de este método existen dos

procedimientos: el tamizado en seco y el tamizado por lavado. En general

sólo algunas mallas son suficientes para definir convenientemente una curva granulométrica. El análisis de una suspensión del suelo se basa en el hecho de que la

velocidad de sedimentación de las partículas en un líquido es función de su tamaño. Dentro de este método existen dos procedimientos: análisis granulométrico por sifoneado y análisis granulométrico por sedimentación

con el densímetro.

Método del tamizado. Después que el suelo está seco y se pulveriza, se hace pasar por una serie organizada de tamices, de orificios con tamaños decrecientes y conocidos, desde arriba hacia abajo. El primer tamiz, es el de mayor tamaño y es donde inicia el tamizado. Se tapa con el fin de evitar pérdidas de finos; el último tamiz está abajo y descansa sobre un recipiente (cazoleta) de forma igual a uno de los tamices, y recibe el material más fino no retenido por ningún tamiz.

Con sacudidas horizontales y golpes verticales, mecánicos o manuales, se hace pasar el suelo por la serie de tamices, de arriba abajo, para luego pesar por separado el suelo retenido en cada malla.

Métodos de sedimentación Método del hidrómetro. Se toma una probeta con agua, se agrega el suelo que pasa la malla N°200, se agita hasta que sea uniforme la suspensión; luego se deja en reposo para ir midiendo, con hidrómetro (para distintos tiempos transcurridos) la densidad de la suspensión, la que disminuye a medida que las partículas se asientan

Método de sifonaje Se toma una probeta con agua, se agrega el suelo que pasa la malla N°10, se agita hasta que sea uniforme la suspensión; luego se deja en reposo y posteriormente se extrae el agua con el material en suspensión.

Para los suelos granulares, el diámetro equivalente está referido al orificio cuadrado de la malla. Para los finos, al diámetro de una esfera.

Esta clasificación es necesaria en geotecnia, pero no suficiente. Se complementa siempre la granulometría con el ensayo de Límites de

Atterberg, que caracterizan la plasticidad y consistencia de los finos en función del contenido de humedad.

Ensayo: análisis granulométrico mediante tamizado por lavado Se utiliza cuando el material es fino (arcillo arenoso, limo arenoso) o cuando un material granular contiene finos. Material Muestra seca aproximadamente 200 gr. si es material arcillo arenoso o limo arenoso y 500 gr. si es material granular que contiene finos. Equipo Juego de mallas Balanza con aproximación de 0.1 gr.| Estufa Taras

Procedimiento

- Secar la muestra al aire - Pesar la muestra seca Wms - Colocar la muestra en un recipiente, cubrir con agua y dejar durante

algunas horas dependiendo del tipo de material - Colocar la muestra en la malla N° 200 y tamizar mediante chorro de agua - La muestra retenida en la malla N° 200 se retira en un recipiente y se deja

secar al aire - Pasar la muestra seca por el juego de tamices, agitando en forma manual o mediante equipo vibrador.

- Determinar los porcentajes de los pesos retenidos en cada tamiz (% R.P.) mediante la siguiente expresión % R.P. = P.R.P. * 100 Wms

- Determinar los porcentajes retenidos acumulados en cada tamiz P.RA, para

lo cual se sumarán en forma progresiva los P.R.P., es decir % R.A.1 = % R. P.1 % R.A.2 = % R. P.1 + % R.P.2

% R.A.3 = % R. P.1 + % R.P.2 + % R.P.3, etc. - Determinar los porcentajes acumulados que pasan en cada tamiz % que pasa = 100 % - % R. A.

- Dibujar la curva granulométrica en papel semilogarítmico, en le eje de abscisas se registrará la abertura de las mallas en milímetros en escala logarítmica, y en el eje de ordenadas se registrará los porcentajes

acumulados que pasan en las mallas que se utilizan en escala natural.

MUESTRA : TAMIZ

7737.00 PRP

%RP

N°

ABER.(mm)

3"

75.00

2 1/2"

63.00

2"

50.00

340.0

1 1/2"

38.10

222.0

1"

25.00

1057.0

3/4"

19.00

560.0

1/2

12.50

926.0

3/8"

9.50

495.0

N°4

4.75

1044.0

N 10

2.00

783.8

N 20

0.85

447.2

N 40

0.43

360.7

N 60

0.25

433.6

N 100

0.15

92.2

N 200

0.075

125.6

CAZOLETA

-.-

849.9

TOTAL

gr.

(gr)

%RA

% QUE PASA

7737.00

PORCENTAJE QUE PASA (%)

CURVA GRANULOMÉTRICA 100

80

60

40

20

0 0,01

0,10

1,00 10,00 DIÁMETRO DE PARTÍCULAS (mm)

100,00

D10

D30

D60

Cu

Cc

0.07

2.00

13.00

185.71

4.40

MUESTRA : TAMIZ

2961.00 PRP

N°

ABER.(mm)

3"

75.00

2 1/2"

63.00

2"

50.00

1 1/2"

38.10

1"

25.00

164.10

3/4"

19.00

117.90

1/2

12.50

156.00

3/8"

9.50

82.20

N°4

4.75

154.20

N 10

2.00

359.70

N 20

0.85

425.40

N 40

0.43

412.50

N 60

0.25

330.00

N 100

0.15

43.20

N 200

0.08

108.90

CAZOLETA

-.-

606.90

TOTAL

(gr)

2961.00

gr. %RP

%RA

% QUE PASA

CURVA GRANULOMÉTRICA 100

PORCENTAJE QUE PASA (%)

80

60

40

20

0 0,01

0,10

1,00 10,00 DIÁMETRO DE PARTÍCULAS (mm)

100,00

MUESTRA : TAMIZ

1201.60 PRP

N°

ABER.(mm)

3"

75.00

2 1/2"

63.00

2"

50.00

1 1/2"

38.10

1"

25.00

3/4"

19.00

1/2

12.50

20.00

3/8"

9.50

4.40

N°4

4.75

6.60

N 10

2.00

18.20

N 20

0.85

58.40

N 40

0.43

76.20

N 60

0.25

87.40

N 100

0.15

12.20

N 200

0.075

42.60

CAZOLETA

-.-

875.60

TOTAL

(gr)

1201.60

gr. %RP

%RA

% QUE PASA

CURVA GRANULOMÉTRICA

100

PORCENTAJE QUE PAS (%)

80

60

40

20

0 0,01

0,10

1,00 DIÁMETRO DE PARTÍCULAS

10,00

100,00

Ensayo: análisis granulométrico por sifonaje Se utiliza cuando el material es fino (arcillo limoso)

Material Muestra seca aproximadamente 50 gr a 100 gr. Equipo - Dispersor eléctrico - Probeta de 5 ml. - Probeta de 100 ml - Disco metálico o de madera - Manguera para sifonear - Estufa - Tamices N° 10, N° 40, N° 200 - Cápsula de porcelana

Procedimiento - Secar la muestra

- Pesar la muestra seca (Ws) - Separar el material mediante la malla N° 10, el material retenido es grava, el material que pasa es arena, limo y arcilla.

- Pesar el material retenido en la malla N° 10 (Wg) - Pesar el material que pasa la malla N° 10 (Wi), colocar en el dispersador eléctrico agregar agua y 5 ml. de silicato de sodio, luego mezclar

durante 15 minutos. - Vaciar la mezcla del dispersador a una probeta de 1000 ml. luego agregar agua hasta una altura de 20 cm., agitar durante 1 minuto.

- Dejar reposar la probeta con la muestra durante 30 minutos si se considera que el tamaño de las partículas del limo están comprendidas entre 0.075 mm y 0.002 mm. (AASHTO)

- Colocar el disco metálico en la probeta hasta donde se encuentra el material sedimentado, luego sifonear con la manguera el agua con el material que ha quedado en suspensión. - Sacar la muestra sedimentada, secar en la estufa durante 24 horas a 105° C - Pesar la muestra seca (Wf) - Determinar la cantidad de arcilla por diferencia de pesos Warcilla = Wi – Wf - La muestra sedimentada seca se tamiza en las mallas N° 40 y N° 200. - El material retenido en la malla N° 40 es arena gruesa - El material que pasa la malla N° 40 y se retiene en la malla N° 200 es arena fina - El material que pasa la malla N° 200 es limo.

Ws:

Malla

Malla(mm)

P.R.P

N ° 10

2.000

0.40

N° 40

0.420

1.10

N° 200

0.074

35.00

Limo

0.002

22.60

Arcilla

0.0002

40.90

100 Gr

% R.P.

% R.A

% PASA

Ensayo: análisis granulométrico utilizando densímetro Se utiliza en material fino (arcillo limoso). Este ensayo se realiza por

sedimentación, consta de tres partes: calibración del densímetro, corrección de las lecturas del densímetro por menisco y defloculante y ejecución del ensayo.  Calibración del densímetro Equipo - Densímetro - Probeta de vidrio de 1000 ml. Procedimiento • Determinar el área de la probeta de 1000 ml. (Ap) - Medir el volumen entre 2 graduaciones (Vp) - Medir la distancia comprendida entre las 2 graduaciones (L) - Determinar el área Ap = Vp L

• Determinar el volumen del bulbo del densímetro (Vb) - Colocar un volumen determinado de agua en la probeta (Vi) - Sumergir el densímetro en la probeta y determinar el nuevo volumen (Vf) - Determinar el volumen del bulbo Vb = Vf – Vi

- Medir la longitud del bulbo (h) - Medir la distancia entre el extremo superior del bulbo y las distintas graduaciones del vástago, las cuales pertenecen a las diferentes lecturas del peso especifico relativo (H1)

- Calcular las alturas H que corresponden

a las alturas del peso específico relativo de la suspensión. H = H1 + 1 / 2 * ( h – Vb/Ap)

- Estos valores H se anotan en el lado derecho del monograma lo cual viene hacer la escala para el densímetro en

uso (por lo que se precisa un monograma para cada densímetro)

 Corrección de las lecturas del densímetro por defloculante y menisco • Corrección de las lecturas del densímetro por defloculante Material - 5 ml. de defloculante (silicato de sodio) - Agua Equipo

- Probeta de 1000 ml. (debe ser la misma que se utilizó para calibrar el densímetro. Procedimiento

- Colocar agua en la probeta de 1000 ml, añadir 5 ml de defloculante, agregar agua hasta la marca de 1000 ml. y determinar la densidad de la suspensión

con el densímetro (c’d) - Determinar la corrección por defloculante. Cd = (C’d – 1)*1000

• Corrección de las lecturas del densímetro por menisco Equipo - Probeta de 1000 ml. - Densímetro Procedimiento - Colocar agua en la probeta hasta la marca de 1000 ml. luego colocar el densímetro - Realizar una lectura en la parte superior del menisco (Ls) - Realizar una lectura en la parte inferior del menisco (Li) - Determinar la corrección por menisco mediante la siguiente expresión Cm = ( Ls – Li) *1000

 Ensayo de sedimentación

Material - 5 ml. de defloculante (silicato de sodio) - muestra seca cuyas partículas sean menores de 0.20 mm. (malla N° 80), generalmente se trabaja con material que pasa la malla N° 200 (0.074 mm.)

Equipo - Probeta de 1000 ml. (debe ser la misma que se utilizó para calibrar el densímetro) - Densímetro - Dispersador eléctrico - Estufa con control de temperatura - Cápsula de porcelana

Procedimiento - Secar la muestra en la estufa a 50 ° C. - Pesar la muestra seca (Ws) aproximadamente 40 a 60 gr. - Colocar en la probeta aproximadamente 300 ml. de agua, agregar 5 ml de defloculante - En el dispersador eléctrico colocar la muestra con una parte de la suspensión, y mezclar durante 15 minutos.

- Vaciar la mezcla del dispersador a la

probeta, agregar agua hasta la marca de 1000 ml, luego agitar durante 1 minuto. - Colocar la probeta en reposo y empezar a

tomar las lecturas con el densímetro (g), de acuerdo a los siguientes tiempos (t) 15”, 30”, 1’, 2’, 4’, 8’, 15’, 30’, 1h, 2h, 4h, 8h,16h, 24h,

48h, etc. así mismo se registra la temperatura (T) en cada lectura realizada con el densímetro.

NOTA: Después de cada lectura se sacará el densímetro para lavarlo y secarlo, excepto hasta lecturas de los 2 primeros minutos

- Determinar el coeficiente de corrección por temperatura (Ct) según ábacos o tablas (existen ábacos o tablas para densímetros calibrados a

15° C y a 20° C.) Temperatura (° C) 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

Densímetro calibrado a 15° C 20° C - 0.5 - 1.25 - 0.4 - 1.18 - 0.3 - 1.10 - 0.2 - 1.0 - 0.1 - 0.88 0.0 - 0.77 + 0.1 - 0.64 + 0.2 - 0.5 + 0.4 - 0.39 + 0.5 - 0.19 + 0.7 0.0 + 0.9 + 0.19 + 1.1 + 0.37 + 1.3 + 0.58 + 1.5 + 0.80 + 1.8 + 1.02 + 2.0 + 1.28 + 2.2 + 1.51

- Determinar el diámetro de las partículas según ábaco. - Determinar los porcentajes correspondientes a cada diámetro de las partículas:

% =

100 * s

* (R + Ct – Cd – Cm)

Ws (s – 1 )

R = (g- 1)*1000 Ws: peso de la muestra seca s : peso específico de la muestra (se determina mediante la fiola) Cd : corrección de la lectura del densímetro por defloculante Ct : coeficiente de corrección por temperatura Cm: corrección de la lectura del densímetro por menisco

- Si es un análisis granulométrico combinado (método de cribado y método de suspensión) se debe determinar el porcentaje del total de la muestra, mediante la siguiente expresión:

% del total = X * Y 100

X: % material pasa malla N° 200 Y: % averiguado en el ensayo de sedimentación.

A. Calibración del densímetro

a.1 Area de la probeta Vp (cm3) L (cm) Ap (cm2)

300 10.7 28.04

a.2 Volumen del bulbo del densímetro Vi (cm3) Vf (cm3) Vb (cm3)

800.00 828.00 28.00

a.3 Longitud del bulbo del densímetro h (cm)

12.00

a.4 Valores de H1 y H Graduaciones

H1

Densímetro 1.00 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.10

13.00 11.80 10.60 9.40 8.20 7.00 5.80 4.60 3.40 2.20 1.00

H

B. Corrección de las lecturas del densímetro por defloculante y menisco b.1 Corrección de las lecturas por defloculante

C'd Cd

1.0030 3.0

b2. Corrección de las lecturas del densímetro por menisco Ls Li Cm

0.999 0.998 1.000

C. Ensayo de sedimentación Ws = 50

% pasa N° 200 = 39.62

Cd = 3

Tiempo Densidad Temp. (° (t) (g) C) 15 " 1.0345 16.0 30 " 1.03 16.0 01 ' 1.026 16.0 02 ' 1.023 16.0 05 ' 1.018 16.0 15 ' 1.0165 16.0 30 ' 1.015 16.0 01 h 1.0145 16.0 02 h 1.0135 17.0 04 h 1.0115 17.0 08 h 1.0105 17.0 16 h 1.010 17.0 24 h 1.009 16.0 48 h 1.008 16.0 % =

100 * s Ws (s – 1 )

Cm = 1.0

Ct

R

* (R + Ct – Cd – Cm)

s = 2.53

R + Ct -Cd Díametro -Cm

%

% del total

ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO CON DENSIMETRO Grava

Arena

Arcilla y limo Fina

Porc entaje que pasa (%)

N° 200

Media N° 40

Grue N° 10

Fina N° 4

Gruesa 3/4 "

3"

100 80 60 40 20 0 0.001

0.010

0.100

1.000

Diámetro de partículas (mm)

10.000

100.000

ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO COMBINADO Grava

Arena Limo y arcilla

Porc entaje que pasa (%)

Gruesa

100 80 60 40 20 0 0.001

0.010

0.100

1.000

10.000

Diámetro de partículas (mm) por lavado

por sedimentación

100.000

Aplicaciones del análisis granulométrico El análisis granulométrico se utiliza en los siguientes casos:

- Para clasificar un suelo. -Para realizar estabilización mecánica. - Para determinar el método por el que se debe compactar un

suelo. - Para determinar material de filtro. - Para huso granulométrico.

- Para determinar material de subdrenaje.

Estabilización mecánica Cuando la distribución granulométrica del suelo utilizado como

material

de

construcción

no

cumple

con

los

requisitos

de

granulometría debe realizarse la corrección granulométrica llamada estabilización mecánica.

Procedimiento 1. Se realiza el análisis granulométrico de ambos materiales y se

determina sus respectivas curvas granulométricas para verificar el huso granulométrico de cada una de ellas. Si no cumplen se procede con la corrección granulométrica.

Huso granulométrico

PORCENTAJE QUE PASA (%)

100

80

60

40

20

0 0,01

0,10

1,00

10,00

DIÁMETRO DE PARTÍCULAS (mm) Curva granulométrica

Límite inferior

Límite superior

100,00

2. Se determina los valores X e Y con las siguientes expresiones

% pasa mat. I * X 100

+ % pasa mat. II * Y = % pasa mat. Requerido …(1) 100 X + Y = 100

………………………. (2)

% pasa Mat. I y % pasa Mat. II deben pertenecer a la misma malla.

3. Se multiplica todos los porcentajes que pasa en cada malla del material I por el valor de X 4. Se multiplica todos los porcentajes que pasa en cada malla del material II por el valore de Y 5. Sumar los % que pasan de ambos materiales 6. Dibujar la curva granulométrica

Realizar la estabilización granulométrica de los siguientes materiales de tal manera que por la malla N° 4 pase el 50 % de material estabilizado TAMIZ ABER.( N° mm)

%RP

%RA

% QUE

%RP

PASA

TAMIZ ABER.(m N° m)

%RA

% QUE PASA

2"

50.00

0.00

0.00

100.00

2"

50.00

40.00

40.00

60.00

3/4 "

19.00

0.00

0.00

100.00

3/4"

19.00

30.00

70.00

30.00

3/8"

9.50

0.00

0.00

100.00

3/8"

9.50

20.00

90.00

10.00

N°4

4.75

2.00

2.00

98.00

N°4

4.75

5.00

95.00

5.00

N 10

2.00

2.00

4.00

96.00

N 10

2.00

2.00

97.00

3.00

N 20

0.85

6.00

10.00

90.00

N 20

0.85

3.00

100.00

0.00

N 40

0.43

40.00

50.00

50.00

N 40

0.43

0.00

100.00

0.00

N 60

0.25

34.00

84.00

16.00

N 60

0.25

0.00

100.00

0.00

N 100

0.15

10.00

94.00

6.00

N 100

0.15

0.00

100.00

0.00

N 200

0.075

6.00

100.00

0.00

N 200

0.075

0.00

100.00

0.00

98 * X + 5 * Y = 50 100 100 X + Y

Y = 52 % X = 48 %

= 100

TAMIZ

%pasa Mat. I

%pasa Mat . I * 0.48 (a)

%pasa Mat. II

N°

ABER.(mm)

2"

50.00

100.00

60.00

3/4"

19.00

100.00

30.00

3/8"

9.50

100.00

10.00

N°4

4.75

98.00

5.00

N 10

2.00

96.00

3.00

N 20

0.85

90.00

0.00

N 40

0.43

50.00

0.00

N 60

0.25

16.00

0.00

N 100

0.15

6.00

0.00

N 200

0.075

0.00

0.00

%pasa Mat . II * 0.52 (b)

PORCENTAJE QUE PASA (%)

CURVA GRANULOMÉTRICA 100 80 60 40 20 0 0,01

0,10 1,00 10,00 DIÁMETRO DE PARTÍCULAS (mm)

100,00

% pasa (a) + (b)

Diseño de filtros para sistemas de subdrenaje El sub drenaje es una metodología muy eficiente de remediación o

prevención

de deslizamientos, su utilización es muy frecuente y

existen métodos de análisis y diseño que se basan en el flujo de agua subterránea.

Los métodos de estabilización de deslizamientos que contemplan el control del agua subterránea, son muy efectivos y son generalmente

más económicos que la construcción de grandes obras de contención, en cuanto tienden a desactivar la presión de poros, considerada como el principal elemento desestabilizante de los taludes. El sub drenaje

reduce el peso de la masa y al mismo tiempo, aumenta la resistencia del talud, al disminuir la presión de poros.

Subdrenaje Las técnicas de drenaje subterráneo o subdrenaje son uno de los métodos más efectivos para la estabilización de los deslizamientos. El drenaje subterráneo tiene por objeto disminuir las presiones de poros o impedir que éstas aumenten. A menor presión de poros la resistencia del suelo es mayor y se eliminan las fuerzas hidrostáticas desestabilizantes y se mejora el factor de seguridad de las superficies de falla por debajo del nivel de agua.

El diseño de los sistemas de subdrenaje es complejo debido a que la mayoría de los taludes no son homogéneos desde el punto de vista del drenaje subterráneo y es muy difícil aplicar principios sencillos en el diseño de obras de subdrenaje. El movimiento de las aguas en los taludes por lo general, es irregular y complejo

Materiales de filtro o filtros Son los materiales encargados de la doble misión de permitir el paso franco del agua hacia el exterior y de impedir el arrastre de las partículas del suelo protegido.

Muchos son los materiales que se utilizan , pero por razones de economía

sobre todo en las vías terrestres

es predominante la

utilización de agregados naturales del tamaño de la arena y de la grava. Su utilización suele estar combinada con tubos manufacturados perforados o no los que normalmente proporcionan la canalización y eliminación de las aguas. Muchos de los requerimientos que se imponen a los materiales de filtro son de naturaleza granulométrica y se refieren a su gradación

Los filtros deben cumplir dos requerimientos contradictorios: 1. Los espacios entre las partículas del filtro en contacto con el suelo

por proteger deben ser suficientemente pequeños como para que los finos de aquel no ingresen en él.

2. Los

espacios

entre

las

partículas

del

filtro

deben

ser

lo

suficientemente grandes como para que el conjunto tenga la permeabilidad necesaria para que el agua puede moverse libremente

y fluir rápidamente hacia el exterior, sin generar presiones de poro indeseables. La confrontación de estos dos criterios conducen a que el filtro conste

de más de una capa, y que cada una va teniendo mayor permeabilidad, según va quedando más lejos del suelo por proteger. Estos son los filtros compuestos o gradados que pueden llegar a exigir tres a cuatro

capas.

Requerimientos para los filtros a) Prevención de la erosión interna y de la tubicación Investigaciones dirigidas por Terzaghi y Casagrande han establecido la siguiente regla para relacionar al material de filtro con el material por proteger:

D15 del filtro D85 del suelo

< 4 ó 5 < D15 del filtro D15 del suelo

Con la primera desigualdad se evita la migración de las partículas finas del material por proteger hacia los poros del material filtrante. La segunda desigualdad garantiza la suficiente permeabilidad del filtro como para que no se desarrollen en él fuerzas de filtración de importante o presiones de poro indeseables

El U.S Army corps of Engineers

estableció además la siguiente

norma adicional: D50 del filtro

≤ 25

D50 del suelo

b) Prevención de la obstrucción de perforaciones en tuberías o de fugas de partículas finas del filtro a través de ellas. En los sistemas de subdrenaje es muy frecuente que en el interior de los filtros haya tubería perforada con huecos circulares o ranurada con el objeto de recolectar o eliminar rápidamente el agua. Se plantea la necesidad de que el material de filtro sea lo suficientemente grueso como para que no ingrese a través de las perforaciones y para que no las obstruya.

Según el U.S. Corps of Engineers: Para ranuras.

D85 del filtro

> 1.2

Ancho de la ranura

Para perforaciones circulares D85 del filtro

> 1.0

Diámetro del agujero

El U.S. Bureau of Reclamation proporciona la siguiente regla: D85 del filtro (en la vecindad del tubo ≥ 2.0

Máxima perforación del tubo

c) Requerimientos de permeabilidad en el material del filtro El material debe garantizar suficiente capacidad de descarga como para eliminar rápida y eficazmente las aguas que se colecten sin que generen fuerzas de filtración o presiones perjudiciales D15 del filtro

> 4ó 5

D15 del suelo En general deben buscarse que los filtros sean por lo menos 20 a 25 veces más permeables que el suelo por proteger.

d) Requerimientos de segregación Para evitar este peligro se requiere D60 del filtro

≤ 20

D10 del filtro Adicionalmente se exige que la curva granulométrica del material filtrante sea suave, sin discontinuidades.

e) Disposiciones de las perforaciones en tubería No se debe perforar la parte superior del tubo pues ello favorecería el ingreso de partículas finas del material de filtro, tampoco conviene colocar perforaciones en la parte más baja del tubo pues se propicia la salida del agua captada cuando s velocidad disminuya o cuando su gasto baje.

La mayor parte de las instalaciones de subdrenaje utiliza tubería de 10 a 20 cm, de diámetro. Las perforaciones suelen tener diámetros de 5 a 10 mm.

f) Materiales de filtro estándar

En ocasiones, es difícil encontrar un material natural que cumpla las condiciones del material de filtro para un determinado suelo y se requiere fabricarlo mediante tamizado y/o mezcla de materiales.

La

antigua

Secretaría

de

Obras

Públicas

de

México

(SOP),

recomendaba un filtro general básico en todo tipo de suelos para

subdrenes de carreteras, que cumpla con la siguiente granulometría.

Granulometría de material para filtro Malla (ASTM)

% que pasa

1 ½”

100

1”

80 - 100

3/4”

85 - 100

3/8”

40 - 80

No. 4

20 - 55

No. 10

0 - 35

No. 20

0 - 20

No. 40

0 - 12

No. 100

0-7

No. 200

0-5

Además se tiene la siguiente granulometría Malla

% que pasa

1”

100

3/4”

90 - 100

3/8”

40 - 100

N° 4

25 - 40

N° 8

18 - 33

N° 30

5 -15

N° 50

0-7

N°200

0-3

Filtros de geotextil Los geotextiles son telas permeables, filtrantes, construidas con fibras sintéticas, especialmente polipropileno, poliester, nylon y polietileno.

Agregados para subdrenes con geotextil Generalmente, los subdrenes de zanja con geotextil emplean agregados gruesos y uniformes.

Los tamaños que se utilizan comúnmente son los siguientes: • Bloques de roca de 2” a 4” de diámetro. • Gravas de 1” a 2” de diámetro. • Gravas de 3 /4” a 1 ½ “ de diámetro.

Algunas entidades aducen que existe un riesgo de que al aumentar el tamaño del material, aumente la posibilidad de rotura del geotextil durante su colocación. De acuerdo con nuestro criterio, este riesgo es muy pequeño y son muy pocos los casos en que el geotextil se rompe por utilizar bloques de 2” a 4”. Entre más grueso sea el material, el comportamiento del subdrén generalmente es más eficiente.

El porcentaje de finos debe limitarse a menos del 3% en peso de pasantes del tamiz número ASTM 200 y los finos no deben ser plásticos. Los subdrenes construidos con material que contenga más del 5% de finos generalmente son ineficientes.

• Diseño del material de filtro Adicionalmente a los criterios anteriores, se deben tener en cuenta los siguientes: - Los suelos residuales son muy variables granulométricamente y debe realizarse un buen número de ensayos de granulometría, previamente al diseño del filtro. Debe tenerse en cuenta que las partículas de mayor tamaño tienen muy poco efecto en el proceso de filtración (Geotechnical Engineering Office, 1993).

- El parámetro D85 empleado en el criterio de retención, debe tomarse en forma conservadora teniendo en cuenta la variabilidad del suelo.

- El chequeo de las condiciones de filtración debe realizarse en relación con el material que conduce el flujo y no necesariamente, con todos los materiales en contacto con el dren

- Los ensayos de permeabilidad deben ser realizados en el campo, teniendo en cuenta que la permeabilidad obtenida en el laboratorio es muy

afectada por el manejo de la muestra.

- En los sitios donde existe flujo concentrado de agua, puede que el uso

de geotextiles no sea adecuado y se puede necesitar un sistema mucho más resistente al flujo del agua y que tenga gran permeabilidad.

- Las raíces de las plantas afectan gravemente los filtros; por lo tanto, se debe evitar sembrar árboles cerca de los subdrenes.

- Debe tenerse especial cuidado de no romper el geotextil al colocar los materiales granulares y evitar la exposición al sol, de la tela geotextil, por largos períodos de tiempo.

• Diseño de subdrenes de zanja El diseño de subdrenes de zanja tiene por objeto determinar los siguientes elementos: - Profundidad y ancho de la zanja - Espaciamiento entre zanjas - Localización en planta de los subdrenes - Material filtrante y especificaciones - Caudales recolectados - Sistemas de recolección y entrega

o Selección de los Materiales para los Subdrenes Los subdrenes de zanja pueden ser construidos con los siguientes

materiales - Material de filtro y tubo colector - Material grueso permeable sin tubo (subdrén francés)

- Geotextil como filtro, material grueso y tubo colector - Geotextil, material grueso y sin tubo - Tubo colector con capa gruesa de geotextil alrededor

- Subdrén 100% sintético con geomalla, geotextil y tubo colector

o Profundidad y Ancho de los Subdrenes Un dren de zanja típico es de 1 metro de ancho y de 1 a 3 metros de profundidad. El sistema más utilizado actualmente, es el de material grueso envuelto en geotextil no tejido, el cual actúa como elemento filtrante.

En el procedimiento de construcción se excava la zanja, se coloca el geotextil, se introduce una manguera o tubo de filtro con perforaciones (dentro de la zanja) y se rellena la zanja con material granular grueso.

Finalmente, se cierra el conjunto doblando y traslapando el geotextil. Se recomienda la utilización de material uniforme y lo más grueso posible para garantizar una buena conductividad.

o Número de Subdrenes

El número de subdrenes requerido depende de las características de hidrogeología y geomorfología del sitio. Si el talud es una depresión natural de poca extensión de área, es posible que un solo

subdrén en el centro de la zona inestable, pueda ser suficiente.

Subdrenes para Pavimentos Generalmente tienen la función de drenar y evacuar el agua que afecta a las

capas de base y subbase drenantes de pavimentos así diseñados, por lo que se ubican inmediatamente por debajo de la capa drenante más baja de la estructura del pavimento en contacto con la subrasante. Este tipo de dren no

es adecuado para drenar flujos de corrientes de agua subterránea que se puedan hallar por debajo del nivel en que son colocados. Este subdren debe llevar tubería perforada de 100 milímetros (100 mm) de diámetro, filtro

granular y/o geotextil de acuerdo al diseño.

Subdrenes profundos

Tienen la finalidad de drenar y evacuar el agua proveniente de flujos subterráneos. Este subdren puede o no llevar tubería, en cuyo caso el proyecto debe indicar el dimensionamiento de los elementos que componen

el subdren.

Los materiales para los subdrenes consistirán de lo siguiente: • Material filtrante Podrá ser natural, provenir de la trituración de piedra o roca, o ser una mezcla de ambos y estará constituido por fragmentos duros y resistentes. Deberá, además, cumplir los siguientes requisitos: o Granulometría Para casos en que no se utilice geotextil en el recubrimiento del subdren el material filtrante deberá estar constituido por partículas con tamaños comprendidos entre el tamiz de 100 mm (4") y el de 0.149 mm (N° 100). Se requiere en éste caso una gradación especial, para impedir el movimiento del suelo hacia el material filtrante debiendo cumplirse las siguientes condiciones:

En caso que el terreno natural tenga granulometría uniforme se sustituirá la primera relación por:

Y para asegurar la capacidad del filtro:

Si el subdren va cubierto por un geotextil se permitirá granulometría con fragmentos de un solo tamaño. En caso que el subdren lleve tubería con perforaciones circulares se deberá cumplir:

SUBDRENES CON GEOTEXTIL Y MATERIAL GRANULAR

Material Drenante Podrá provenir de la trituración de piedra o roca, o ser una mezcla de ambos y estará constituido por fragmentos duros y resistentes a la acción de los

agentes de intemperismo por lo que deberán tener una alta composición de materiales silíceos.

Deberá, además, cumplir los siguientes requisitos: Granulometría El material drenante deberá estar constituido por partículas que contemplen

el huso granulométrico de la Tabla. Las partículas pueden ser angulares o redondeadas. El material deberá estar limpio, sin material fino, sin material orgánico y deberá ser durable. La densificación del material se debe realizar por medio de equipos mecánicos apropiados, buscando el acomodamiento de las partículas.

Granulometría del material drenante TAMAÑO TAMIZ

PORCENTAJE PASA

3”

100

2 ½”

70 – 100

2

60 – 100

1 ½”

50 – 100

1”

35 – 80

¾”

30 – 65

½”

25 – 50

3/8”

20 – 45

¼”

15 – 35

No 4

12 – 30

No 8

6 – 20

No 16

0 – 10

No 30

0–2

Es el material graduado que se coloca en un subdrén y se utiliza para captar el agua y permitir su paso franco a través de él, impidiendo al mismo tiempo el arrastre de las partículas finas del suelo por proteger,

previniendo su erosión, que puede provocar inestabilidad estructural.  REQUISITOS DE CALIDAD DEL MATERIAL PARA FILTROS Los materiales que se empleen como filtro en los sistemas de subdrenaje cumplirán con los requisitos de calidad que se indican a continuación:  El material tendrá las características granulométricas que se establecen en la Tabla, Se recomienda evitar el uso de roca caliza, debido a la alta solubilidad que presenta.

Requisitos de granulometría de los materiales para filtros

Malla

Abertura

% que pasa

1½

37,5

100

1

25

80 - 100

¾.

19

65 - 100

⅜.

9,5

40 - 80

N°4

4,75

20 - 55

N°10

2

0 - 35

N°20

0,85

0 - 20

N°40

0,425

0 - 12

N°60

0,25

0-9

N°100

0,15

0-7

N°200

0,075

0-5

 Es recomendable que las curvas granulométricas del suelo por proteger

y

las

del

material

para

filtro

seleccionado

sean

sensiblemente paralelas. El material de filtro no contendrá más del

cinco (5) por ciento de partículas finas en masa y que el tamaño máximo de las partículas no será mayor de treinta y ocho coma un (38,1) milímetros (1½.) de diámetro.  Si la granulometría del material obtenido en un banco no cumple con los requisitos establecidos, se podrá mezclar con materiales de otros

bancos, en la proporción adecuada para que cumpla con dichos requisitos.

 El material para filtro será permeable, facilitará el drenaje del agua subterránea e impedirá que las partículas del suelo por proteger sean arrastradas por el agua hacia el interior del material para filtro, por lo que cumplirá con las siguientes condiciones:

- Permeabilidad Para que el material permita el flujo de agua, cumplirá la siguiente relación: Df15 Ds15

≥ 5

Donde: D f15 =Tamaño de las partículas del material de filtro, para el cual el quince (15) por ciento en masa del material es menor que ese tamaño, determinado gráficamente de la curva granulométrica, (mm)

Ds15 =Tamaño de las partículas del material de suelo que circunda al subdrén, para el cual el quince (15) por ciento en masa del material es menor que ese tamaño, determinado gráficamente de la curva granulométrica, (mm)

 Migración de partículas finas

Para evitar la migración de partículas finas del suelo circundante, hacia el interior del material de filtro, se cumplirán las desigualdades siguientes:

Df15 Ds85

≤5

Df 50 ≤ 25 Ds 50

Donde: D f15 , Df50 =Tamaños de las partículas del material de filtro, para los

cuales el quince (15) y el cincuenta (50) por ciento en masa del material, respectivamente, son menores que esos tamaños, determinados gráficamente de la curva granulométrica, (mm)

 Uniformidad Para evitar la segregación del material para filtro al momento de colocarlo en la zanja, el coeficiente de uniformidad será:

Df60

≤ 20

Df10 Donde: Df60 = Tamaño de las partículas del material de filtro, para el cual el sesenta (60) por ciento en masa del material es menor que ese tamaño, determinado gráficamente de la curva granulométrica, (mm)

Df10 = Tamaño de las partículas de material del filtro que corresponde al diez (10) por ciento en masa del material es menor que ese tamaño, determinado gráficamente de la curva granulométrica, (mm)

Ds85 , Ds50 =Tamaños de las partículas del material de suelo que circunda al subdrén, para los cuales el quince (15) y el cincuenta (50) por ciento en masa del material, respectivamente, son menores que esos tamaños, determinados gráficamente de la curva granulométrica, (mm) Obstrucción Para evitar la obstrucción de las perforaciones del tubo colector o la fuga de finos del material para filtro se cumplirá con la siguiente relación:

Para perforaciones circulares: Df85 ≥ 1.5 f

Donde: Df85 =Tamaño de las partículas del material para filtro, para el cual el ochenta y cinco (85) por ciento en masa del material es menor que ese tamaño, determinado gráficamente de la curva granulométrica, (mm) d =Diámetro de las perforaciones del tubo, (mm) Para ranuras: Df85 > 1.2 a

Donde: Df85 =Tamaño de las partículas del material para filtro, para el cual el ochenta y cinco (85) por ciento en masa del material es menor que

ese tamaño, determinado gráficamente de la curva granulométrica, (mm) a =Ancho de la ranura, (mm)

 Cuando no sea posible encontrar un material para filtro que cumpla con los requisitos de calidad establecidos anteriormente, podrá recurrirse al empleo de filtros compuestos por varias capas,

de las cuales, la del material más grueso, se colocará junto al sistema colector y cumplirá las condiciones de filtro respecto de la siguiente capa, la que se considerará como material de suelo; ésta,

a su vez, las cumplirá respecto de la siguiente; y así, sucesivamente, hasta llegar al material del suelo por proteger.