3METODOLOGÍAS DE DISEÑO

C A P Í T U L O

D E D I S E Ñ OMANUAL Y SOFTWARE

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Desde la aparición de los geosintéticos como nuevos materiales a emplear en la ingeniería geotécnica, se han

desarrollado distintas metodologías de diseño las cuales pueden clasifi carse en cuatro tipos:

3.1 DISEÑO POR COSTOS Y DISPONIBILIDAD

El diseño con geotextiles basados en el costo y disponibilidad es simplista. Se toman los fondos ó recursos disponibles,

se dividen por el área que necesita recubrirse y se calcula un máximo geotextil admisible según su precio unitario. El

geotextil con las mejores propiedades es seleccionado dentro de un precio límite.

Este método (utilizado en los años setenta) es obviamente débil técnicamente y no debe seguirse por su alto riesgo

en la operación de las obras y su desconocimiento a las normativas y requerimientos de cada Geotextil.

3.2 DISEÑO POR EXPERIENCIA O MÉTODO EMPÍRICO

Basado exclusivamente en la experiencia, requiere un gran número de datos experimentales representativos previos.

Este método no es recomendable y su uso es muy delicado ya que es poco preciso, y desconoce el desarrollo

tecnológico de los geosintéticos.

3.3 DISEÑO POR ESPECIFICACIONES

En la actualidad cada fabricante obtiene el valor de las propiedades de su producto, utilizando las normativas que

rigen el país donde este ubicado; esto obviamente puede generar un gran número de criterios que hacen imposible

el realizar comparación entre productos de uno u otro país. Por lo anterior, dos organismos la American Association

of State Highway and Transportation Offi cials (AASHTO) y el comité TASK FORCE # 25, el cual lo conforman la

AASHTO; la American Building Contractors (ABC) y la American Road Builders and Transportation Association

(ARBTA) están tratando de unifi car todas las propiedades de estos materiales.

Estos grupos han realizado esencialmente el mismo conjunto o recomendaciones para las propiedades mínimas de

los geotextiles en las siguientes áreas:

• Separación (Para subrasante de suelo fi rme)

• Separación y Estabilización (Para subrasante de suelos blandos)

• Filtración (Geotextiles para drenaje)

• Control de Erosión (Debajo de rocas)

• Control de sedimentos (Cerramiento temporal de sedimentos)

• Control de la refl exión de grietas (Estructura de pavimentos)

Cuando se utiliza el método de diseño por especifi cación a menudo se listan los requerimientos mínimos de las

propiedades del geotextil, mientras que comúnmente el fabricante lista los valores promedios por lote ó el valor

mínimo promedio de las propiedades de los rollos. Comparando este valor de especifi cación con los valores listados

por los organismos antes citados, no se esta haciendo una comparación bajo el mismo criterio; esto porque el valor

promedio es el resultado de los ensayos hechos por el fabricante de una propiedad en particular a su histórico de

producción. Lo anterior puede ser una recopilación de miles de ensayos realizados a lo largo de varios meses ó años

de producción para un tipo de geotextil. De esta forma el valor promedio del lote es considerablemente más alto

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que el valor mínimo como se ve en la Figura 3.1 en donde el valor intermedio entre estos dos extremos es el valor

mínimo promedio del rollo ó MARV. El valor mínimo promedio del rollo es el promedio de un respectivo número de

ensayos hechos con un número de rollos seleccionados del lote en cuestión, lo cual es un área limitada para evaluar

una situación en particular. Este valor es probablemente dos desviaciones estándar menores que el promedio del

lote. De esta forma se ve que el MARV es el mínimo de una serie de valores promedio limites de un rollo. Esto valores

son mostrados sistemáticamente en la Figura 3.1. En la gráfi ca se puede ver que estadísticamente más o menos el

16% de estos valores serán menores que X - S; 2.5% será menor que X - 2S, y 0.15% será menor que X - 3S,

Figura 3.1 Relaciones relativas de diferentes valores usados en la especifi cación de losGeotextiles y la literatura de los fabricantes.

Donde:

X = Valor medio

S = Desviación estándar

Además de esto, el MARV con 2.5% de los valores siendo menores que X - 2S es también el 95% del nivel de

confi abilidad (el otro 2.5% es mayor que X + 2S y esto obviamente no es una preocupación ya que los valores están

por encima de lo requerido). Otra consideración que se está tratando de evaluar son los valores máximos, como por

ejemplo el valor de la elongación máxima, para esto se está considerando el lado derecho de la curva de la Figura

3.1 y el valor comparable para MARV será lógicamente el máximo del ARV.

El valor medio se llega calculando Σ X/N, la desviación estándar se calcula como:

S = (X1- X )2+(X2- X )2+…+(XN – X )2 ½

(3.1)

N - 1

Donde:

X = Valor medio

Xi = Valor medido

N = El número de mediciones

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El coefi ciente de variación V, o simplemente variación se calcula por medio de (S/ X )(100). Esta variación debe ser lo

mas baja posible, para mantener un buen control de calidad. Tanto la AASHTO, como el comité de TASK FORCE #25,

recomendaron el uso del valor mínimo promedio por rollo para el diseño por especifi cación como para el listado de

propiedades de los fabricantes.

En resumen, el método de diseño de especifi cación debe ser comparado bajo un mismo criterio. En este intento,

si se lista los valores mínimos promedio de los rollos, entonces la lista de fabricante de valores promedio deben ser

reducidos con dos variaciones estándar (aproximadamente 5 a 20%) este promedio de valores de lote son tomados.

Solamente el valor promedio mínimo de los rollos (MARV) tomados por el fabricante pueden ser comparados con la

especifi cación de valores MARV uno a uno.

En Colombia existen las especifi caciones INVIAS para el diseño por especifi caciones las cuales se encuentran anexas

en el Capítulo 2 de este manual.

3.4 DISEÑO POR FUNCIÓN

Consiste en evaluar la función principal para la cual se especifi ca el geosintético (separación, refuerzo, drenaje,

fi ltración ó protección) y basándose en ello, calcular los valores numéricos de la propiedad requerida. De esta

forma se realiza una elección del geosintético atendiendo aspectos cualitativos y cuantitativos. En algunos casos se

requieren cumplir varias funciones alternativamente, por lo tanto, la selección del geosintético a emplear será más

segura si este puede desarrollar las funciones simultáneamente.

Para que los geosintéticos puedan proporcionar un grado de seguridad sufi ciente en el desarrollo de sus funciones,

su fabricación a partir de las materias primas debe ser estrictamente controlada mediante la evaluación de sus

propiedades durante el proceso de fabricación.

No obstante, la forma en que el geosintético desarrollará sus funciones no depende únicamente del proceso de

fabricación, sino que dependerá en gran parte de la correcta instalación en obra. De esto se deduce la necesidad

de realizar una supervisión cuidadosa en la instalación del geosintético si se desea conseguir un completo desarrollo

de sus funciones.

El factor de seguridad será el resultado de dividir el valor del ensayo típico de la propiedad relevante para la función

principal (valor admisible), entre el valor requerido para dicha propiedad obtenido según algún método ó norma de

diseño representativo de la realidad.

Según lo anterior:

FS = Valor Admisible

Valor Requerido

Si el factor de seguridad así obtenido es sufi cientemente mayor que la unidad, el geosintético seleccionado es el

adecuado.

En resumen se pueden establecer los siguientes pasos a seguir en el desarrollo del diseño por función:

1. Evaluar la aplicación del geosintético considerando los materiales que van a estar en contacto con él.

2. Dependiendo de las condiciones en la obra, escoger un factor de seguridad adecuado.

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3. Especifi car la función primaria del geosintético.

4. Calcular numéricamente el valor de la propiedad requerida del geosintético basándose en su función primaria.

5. Obtener el valor de la propiedad permisible por ensayo.

6. Calcular el factor de seguridad como cociente del valor de la propiedad permisible entre el valor de la propiedad

requerida.

7. Comparar el factor de seguridad obtenido con el deseado.

8. Si el factor de seguridad no es aceptable, reiniciar el proceso con un geosintético de características superiores.

9. Si el factor de seguridad es aceptable, comprobar si otras funciones del geosintético pueden ser críticas o

relevantes y escoger el más completo.

Este cuarto método de diseño, método por función, será utilizado en el desarrollo de todos los capítulos de este

Manual de Diseño, lo que conllevará a identifi car la función primaria del geosintético que se va a utilizar.

En el proceso de diseño por función, teniendo en cuenta los ensayos de caracterización en laboratorio en los que se

apoya este método no son del todo representativos de las condiciones de comportamiento “in situ” del geosintético,

el valor de la propiedad índice deberá dividirse según diversos factores de seguridad de la siguiente forma:

Valor Admisible = Valor del Ensayo

Factores de Reducción

Los factores de reducción varían considerablemente dependiendo básicamente de la función que vaya a desempeñar

el geosintético. A continuación se explican y especifi can los valores recomendados para aplicaciones de refuerzo,

separación, aplicaciones de drenaje y protección para diferentes geosintéticos.

Posteriormente se especifi caran los valores para cada una de las funciones a cumplir por los geosintéticos.

3.4.1 Factores de reducción para geosintéticos en separación y refuerzo

a. Daños por instalación: Este factor de reducción ha sido estudiado y cuantifi cado en un gran número de

proyectos, teniendo en cuenta la naturaleza del suelo de subrasante, la del suelo de recubrimiento y la posibilidad

de que exista tránsito de maquinaria pesada sobre el geosintético en el periodo de instalación. Todas estas

condiciones de campo hacen que el valor del factor de reducción por instalación no sea constante en todos los

proyectos, por lo para cada uno se debe estimar este factor. Existe también la opción de realizar pruebas de

campo en el sitio del proyecto para observar el comportamiento del geosintético y de esta forma establecer un

factor más acorde con el desempeño del material en el sitio del proyecto.

b. Fluencia o creep: Este factor se refi ere a la deformación del material en el tiempo, sometido a una carga

o esfuerzo constante. En general todos los tipos de geotextiles experimentan este efecto, con más o menor

intensidad según la carga a la que este es sometido. Los ensayos más conocidos en el mundo para el estudio

de este fenómeno son realizados en condición inconfi nada, donde se cuelga una pesa a una muestra de

geosintético y se mide la elongación del material con el paso del tiempo; sin embargo, el estudio de este

fenómeno ha encontrado que este efecto disminuye considerablemente bajo esfuerzos de confi namiento y

según el tipo de geosintético.

Así como los geotextiles, la resistencia de las geomallas también se ve afectada por este efecto, sin embargo,

para este tipo de geosintéticos el efecto es menor debido al espesor y rigidez del material.

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Actualmente, no existe unanimidad por las entidades gubernamentales y ofi ciales que expiden normas para

el diseño con este tipo de materiales, por lo que la experiencia y criterio del diseñador es fundamental en la

escogencia de un factor que este acorde a las condiciones de cada proyecto.

c. Degradación Química y Biológica: En las ediciones previas de este manual para funciones de refuerzo y

separación se tomaban por separado los factores de reducción químico y biológico. Según los trabajos realizados

por R. Koerner se pudo demostrar que los agentes biológicos que atacan a las materias primas de los geosintéticos

son casi nulos y no presentan ninguna afectación a las propiedades del material con el paso del tiempo. Según

lo anterior el factor por degradación biológica debería ser eliminado. Sin embargo se combinó con el factor de

degradación química para evitar la confusión de la gente, de haber desaparecido completamente. Con respecto

a la degradación química se deben determinar las condiciones ambientales específi cas del sitio y tener presente

para el diseño condiciones adversas como la presencia de solventes orgánicos, agua subterránea con pH muy

bajo o muy alto, o cualquier sustancia presente en el lugar que amenace con la integridad del geosintético. Los

valores mostrados para este factor se presentan en la Tabla 3.1 y 3.2 y son menores comparados con los factores

anteriormente mencionados; esto se debe a que este factor presenta menos impacto sobre la resistencia del

geosintético con el paso del tiempo.

d. Costuras: Para aplicaciones de refuerzo donde se vean involucradas las costuras del geotextil, se puede incluir

un factor de reducción adicional en la ecuación de diseño. El valor de este factor se determina usando el valor de

resistencia a la tensión del geosintético contra dicho valor pero con la inclusión de la costura. La relación entre

estas dos resistencias varían entre 1.0 a 3.0 y es independiente a la aplicación en la que se vaya a considerar. La

AASHTO en la norma M288 – 05 recomienda que la resistencia a la tensión de la unión, debe ser mínimo el 90%

de la resistencia a la tensión Grab del geotextil que se esta cosiendo. (Ver Capítulo 2, norma INV E -901).

Tabla 3.1 Factores de reducción para geotextiles en aplicaciones de separación y refuerzo

Tabla 3.2 Factores de reducción para geomallas en aplicaciones de refuerzo

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3.4.2 Factores de reducción para geotextiles en aplicaciones de drenaje

Los geotextiles son tal vez uno de los geosintéticos más versátiles debido a sus numerosas aplicaciones y funciones.

La más conocida es la de fi ltración. Sin embargo con un espesor sufi ciente puede servir como material drenante.

En fi ltración, el fl ujo va perpendicular a al plano del geotextil, mientras que para drenaje, el fl ujo va paralelo o por

dentro del mismo. A continuación se mencionan los factores a tener en cuenta para el diseño por función para

geotextiles en aplicaciones de fi ltración y drenaje.

Colmatación y taponamiento: Este factor de reducción compensa el bloqueo de los poros aguas arriba del

geotextil por partículas de suelo las cuales reducen el fl ujo a través de los poros del geotextil. El rango de valores de

éste factor se muestra en la Tabla 3.3, nótese que los valores para este factor son los más altos para aplicaciones de

drenaje esto se debe a la incertidumbre del comportamiento del tipo de suelo del sitio y el tipo de geotextil utilizado

para la aplicación. El estudio de este fenómeno se ha realizado por medio de la medición y comparación de tasas de

fl ujo para geotextiles vírgenes y exhumados, determinando la permitividad del material antes y después del contacto

con un determinado tipo de suelo. Por lo general los valores más bajos para este factor son utilizados cuando el

suelo del sitio del proyecto tiene un contenido mínimo de fi nos, mientras que los valores más altos generalmente

aplican para suelos de grano fi no. La recomendación que se puede dar para este factor es tener en cuenta el tipo

de geotextil a utilizar frente al tipo de material presente en el lugar del proyecto. En el Capítulo 8 se muestran los

resultados de un estudio con respecto a la colmatación de los geotextiles y sus recomendaciones posteriores.

Reducción de vacíos por creep o fl uencia: Debido a que los geotextiles son sometidos a cargas de compresión,

se debe incluir para la selección del geotextil un factor de reducción que tenga en cuenta la variación en el tiempo

del paso del fl ujo a través del geotextil. Este es un fenómeno que se desarrolla a largo plazo, y los ensayos para

cuantifi carlo los realiza el fabricante según el ensayo de permitividad del GRI “Geosynthetics Research Institute” GT1

el cual sirve para determinar el factor de reducción realizando ensayos a 1000 horas teniendo en cuenta el gradiente

y el esfuerzo a compresión al que es sometido el geotextil. Cuando se desea utilizar el geotextil como medio para la

transmisión de agua se realizan ensayos de transmisividad a largo plazo. Sin embargo para ambas situaciones tanto

para permitividad y para transmisividad, existe la opción de realizar pruebas de campo para productos específi cos y

condiciones del sitio específi cas.

Intrusión en los vacíos: Este factor compensa el comportamiento que tienen las partículas de suelo para entrar y

ser retenidas dentro del geotextil, reduciendo el fl ujo a través del mismo.

Colmatación Química: Este fenómeno se tiene en consideración cuando el líquido a fi ltrar o a drenar posee

químicos que puedan quedar atrapados dentro del geotextil colmatándolo o taponándolo. Aguas subterráneas

altamente alcalinas pueden colmatar el geotextil con Calcio o Magnesio. Líquidos con cantidades mayores a los

5000 mg/l de sólidos suspendidos totales requieren factores de reducción mayores.

Colmatación Biológica: Así como la colmatación química, la naturaleza del líquido a drenar también es tenido

en cuenta. Para aplicaciones de drenaje el factor de reducción por colmatación biológica puede ser relevante en

proyectos en los cuales se desee captar y drenar líquidos con alto contenido de microorganismos, como por ejemplo

en sistemas de captación y drenaje de lixiviados en rellenos sanitarios o en el manejo de biosólidos. En dichas

aplicaciones este factor de reducción ocasiona el uso de un alto factor de reducción en el diseño. Líquidos con

valores de DBO mayores a 5000 mg/l requieren factores de reducción mucho mayores.

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Tabla 3.3 Factores de reducción para geotextiles en aplicaciones de drenajes

3.4.3 Factores de reducción para geocompuestos en aplicaciones de drenaje

En los párrafos anteriores se habló sobre los factores de reducción para geotextiles como medios fi ltrantes, es decir

para aplicaciones de fl ujo a través del plano del geotextil. A continuación se referencian los factores de reducción

para geocompuestos, en los cuales su función primaria es la transmisión de fl ujo en el plano del mismo. Para los

geocompuestos el factor de reducción por colmatación y taponamiento no es tenido en cuenta, debido a que este

no es un factor que altere el drenaje de los fl uidos dentro del sistema.

Reducción de vacíos por creep: Este criterio depende de las condiciones específi cas del lugar donde se va instalar

el geodrén y de los esfuerzos aplicados sobre el mismo. El núcleo o geored del geodrén se verá afectado por el

fenómeno de creep a la compresión, por lo que a largo plazo puede existir una reducción de la transmisividad del

sistema debido a la disminución del espesor del mismo.

Intrusión en los vacíos: Considerando los espacios que existen en el núcleo del geocompuesto, en este caso del

geodrén, el fenómeno de intrusión representa un factor signifi cativo para el diseño. Las variables que afectan este

fenómeno son el espaciamiento entre los tendones de la red, la rigidez de la misma y del geotextil de recubrimiento

y el esfuerzo a la compresión que es aplicado sobre el sistema.

Los factores de reducción por creep y por intrusión en los vacíos, pueden ser minimizados, en caso de que el fabricante

suministre al diseñador las gráfi cas realizadas para el ensayo de transmisividad y tasa de fl ujo del geocompuesto, en

el cual se tienen en cuenta los efectos de los esfuerzos de compresión a los que es sometido el sistema y el gradiente

hidráulico según la dirección del fl ujo y la cabeza hidráulica.

Colmatación Química: Este fenómeno se tiene en consideración cuando el líquido a fi ltrar o a drenar posee

químicos que puedan quedar atrapados dentro del geocompuesto colmatándolo o taponándolo. Aguas subterráneas

altamente alcalinas pueden colmatar el geotextil o la geored con Calcio o Magnesio. Líquidos con cantidades

mayores a los 5000 mg/l de sólidos suspendidos totales requieren factores de reducción mayores.

Colmatación Biológica: Así como la colmatación química, la naturaleza del líquido a drenar también es tenido

en cuenta. Para aplicaciones de drenaje el factor de reducción por colmatación biológica puede ser relevante en

proyectos en los cuales se desee captar y drenar líquidos con alto contenido de microorganismos, como por ejemplo

en sistemas de captación y drenaje de lixiviados en rellenos sanitarios o en el manejo de biosólidos. En dichas

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aplicaciones este factor de reducción ocasiona el uso de un alto factor de reducción en el diseño. Líquidos con

valores de DBO mayores a 5000 mg/l requieren factores de reducción mucho mayores.

Tabla 3.4 Factores de reducción para geocompuestos en aplicaciones de drenaje

Las Tablas 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 fueron tomadas del libro “Designing With Geosynthetics”, 5 ED., 2005.

BIBLIOGRAFÍA

• KOERNER R.M., Designing With Geosynthetics, 5 ED. U.S.A., 2005.

• KOERNER R.M., GSI White Paper # 4: Reduction Factors Using In Geosynthetics Design., U.S.A., 2005.

• RIVERA L., Muros De Contención De Suelo Reforzado Con Cintas Metálicas Y Geosintéticos, Colombia, 2005.