Diseño de SubdrenesDiseño de Subdrenes

Fuentes de humedad a drenarFuentes de humedad a drenar

InfiltraciónInfiltración

Agua SubterráneaAgua Subterránea

Los sistemas actuales principalmente Los sistemas actuales principalmente

direccionan el agua que se infiltra en la direccionan el agua que se infiltra en la

estructura del pavimento.estructura del pavimento.

ClasificaciónClasificación

Drenaje longitudinalDrenaje longitudinal

– Drenajes de bordeDrenajes de borde

– SubdrenesSubdrenes

Drenes transversales y horizontalesDrenes transversales y horizontales

Bases PermeablesBases Permeables

Sistemas de pozosSistemas de pozos

Cunetas Longitudinales, Diseño Típico (USA) Cunetas Longitudinales, Diseño Típico (USA)

Base Granular

Losa Ho.

18.5 m

0.02 m/m 0.04 m/m

1 : 41 : 6

Sub-rasante

Base Tratada

cuneta

1.9 m3.7 m

Otras posibilidades para redudir el daño Otras posibilidades para redudir el daño por humedad en pavimentos de Asfaltopor humedad en pavimentos de Asfalto

– Pavimentación en ancho completo (protección de Pavimentación en ancho completo (protección de

bermas)bermas)

– Mayor espesor de asfalto en superficie y el uso de Mayor espesor de asfalto en superficie y el uso de

base asfáltica.base asfáltica.

– Terraplenes granulares de mayor espesor.Terraplenes granulares de mayor espesor.

– Uso de Barras pasajuntas (Dovelas)Uso de Barras pasajuntas (Dovelas)

– Bermas de hormigón atadasBermas de hormigón atadas

– Sobreancho en los carrilesSobreancho en los carriles

– Terraplenes granulares de mayor espesorTerraplenes granulares de mayor espesor

Otras posibilidades para redudir el daño Otras posibilidades para redudir el daño por humedad en pavimentos de Hormigónpor humedad en pavimentos de Hormigón

Terraplén Granular

Base PermeableBase Permeable

Capa drenante de Capa drenante de granulometría abierta.granulometría abierta.

Puede ser tratada o no Puede ser tratada o no tratada.tratada.

Puede ser drenada por Puede ser drenada por los bordeslos bordes

Base Permeable tratada con cemento

Capa SeparadoraCapa Separadora

Una capa de granulometría cerrada o una Una capa de granulometría cerrada o una capa de geotextil con baja permeabilidad.capa de geotextil con baja permeabilidad.

Se usa en conjunto con una base permeable.Se usa en conjunto con una base permeable. Mantiene una separación entre la subrasante Mantiene una separación entre la subrasante

y la base permeable.y la base permeable. Dirige la infiltración superficial hacia los Dirige la infiltración superficial hacia los

drenajes longitudinales.drenajes longitudinales.

Drenajes Longitudinales por TuberíaDrenajes Longitudinales por Tubería Tubería circular metálica, Tubería circular metálica,

plástica o de hormigón plástica o de hormigón perforada.perforada.

Corre a lo largo de la longitud Corre a lo largo de la longitud del pavimentodel pavimento

Intercepta el agua que sale de Intercepta el agua que sale de la estructura del pavimentola estructura del pavimento

Ubicado en una cuneta al Ubicado en una cuneta al lado del pavimentolado del pavimento

Tubería longitudinal

Drenajes de Borde Prefabricados Drenajes de Borde Prefabricados Geocompuestos (PGED)Geocompuestos (PGED)

También llamado drenaje También llamado drenaje “panel” o “fin” “panel” o “fin”

Corazón rígido de plástico Corazón rígido de plástico recubierto con un geotextilrecubierto con un geotextil

Menor capacidad Menor capacidad hidráulica que una tuberíahidráulica que una tubería

Usado en aplicaciones Usado en aplicaciones limitadas (ya construídas)limitadas (ya construídas)

Sección PGED

Tuberías Transversales de SalidaTuberías Transversales de Salida

Tuberías cortas, circulares, conectadas a Tuberías cortas, circulares, conectadas a los drenajes longitudinales.los drenajes longitudinales.

Perpendicular a la carreteraPerpendicular a la carretera Espaciada a intervalos regularesEspaciada a intervalos regulares Transporta el agua desde los drenajes Transporta el agua desde los drenajes

longitudinales a las cunetas o a las longitudinales a las cunetas o a las quebradasquebradas

Cunetas Laterales, Alcantarillado PluvialCunetas Laterales, Alcantarillado Pluvial

Transportan agua desde las tuberías de Transportan agua desde las tuberías de

salida alejándolas de la estructura del salida alejándolas de la estructura del

pavimento. pavimento.

Deben tener profundidad adecuadaDeben tener profundidad adecuada

En zonas urbanas, se usa tuberías de En zonas urbanas, se usa tuberías de

alcantarillado pluvial en lugar de cunetas.alcantarillado pluvial en lugar de cunetas.

Tipos de SubdrenesTipos de Subdrenes

Sistemas de Drenaje TípicosSistemas de Drenaje Típicos

Sistema de Base PermeableSistema de Base Permeable– Base PermeableBase Permeable– Capa de SeparaciónCapa de Separación– Drenajes Longitudinales / base permeableDrenajes Longitudinales / base permeable– Tuberías de salida y cunetas / alcantarillasTuberías de salida y cunetas / alcantarillas

Sistema de Base Permeable con Sistema de Base Permeable con Drenaje LongitudinalDrenaje Longitudinal

CL

Tubería Rigida de salida

Tubería Longitudinal

Flujo10-años

Cuneta

PavimentoPavimentoBase PermeableBase PermeableCapa de Separación

Berma

Base Permeable, Salida Directa Base Permeable, Salida Directa

Berma

Base Permeable

Capa de Separación

PavimentoPavimento

Subrasante

Cuneta

Separador de Textil

Terraplén

Otros Sistemas de SubdrenajeOtros Sistemas de Subdrenaje

Sistemas de drenaje longitudinal conSistemas de drenaje longitudinal con– Bases no erosionables o erosionablesBases no erosionables o erosionables– Tuberías de drenaje o drenes geocompuestosTuberías de drenaje o drenes geocompuestos– Tuberías de salida y cunetas / alcantarillasTuberías de salida y cunetas / alcantarillas

Bases no erosionables con bermas de Bases no erosionables con bermas de hormigón poroso (pav. Rígidos)hormigón poroso (pav. Rígidos)

Bases permeables con salida directaBases permeables con salida directa

Sección con Drenaje Sección con Drenaje Longitudinal GeocompuestoLongitudinal Geocompuesto

Relleno de arena

DrenajeGeocompuesto

Base Granular

Subbase/Subrasante

25 mm

100 mm

BermaBermaPavimentoPavimento

Bases no erosionables con hombrera de Bases no erosionables con hombrera de hormigón porosohormigón poroso

GeotextilGeotextil

Berma de AsfaltoBerma de Asfalto

Tubería perforada Ho, Metálica corrugadaTubería perforada Ho, Metálica corrugada

Hormigón porosoHormigón poroso

Base no erosionableBase no erosionable

Pavimento dePavimento dehormigónhormigón

Capa de separaciónCapa de separación

Materiales EnvolventesMateriales Envolventes

> 1.2 D85 = Diámetro equivalente

a “pasa 85%”

D85 (filtro)

Ancho de abertura

> 1.0D85 (filtro)

Diámetro del Hueco

De este modo no se colmata la tubería de drenajeDe este modo no se colmata la tubería de drenaje

> 2D85 (filtro)

Abertura Máxima

Capa de SeparaciónCapa de Separación

< = 5D15 (capa de separación)

D85 (subrasante)

Usar el mismo criterio para base y capa de separaciónUsar el mismo criterio para base y capa de separaciónEvitar que los finos de la subrasante colmatenEvitar que los finos de la subrasante colmatenla base permeablela base permeableSi es difícil conseguir materiales adecuados, usar GeotextilSi es difícil conseguir materiales adecuados, usar Geotextil

< = 25D50 (capa de separación)

D50 (subrasante)

Los datos para el diseño son el tiempo en el que la Los datos para el diseño son el tiempo en el que la estructura del pavimento está sometida a niveles estructura del pavimento está sometida a niveles cercanos a la saturación y la Calidad del Drenajecercanos a la saturación y la Calidad del Drenaje

Métodos de Diseño de DrenajeMétodos de Diseño de Drenaje

Estado de Flujo Constante

Tiempo de Drenaje(Recomendado)

Consideraciones para el DiseñoConsideraciones para el Diseño

Durante una lluvia, el agua se infiltra en Durante una lluvia, el agua se infiltra en la base permeable hasta que la misma la base permeable hasta que la misma se satura. se satura.

El agua en exceso corre por una cuneta El agua en exceso corre por una cuneta lateral. lateral.

Criterio clave para el diseño: Tiempo Criterio clave para el diseño: Tiempo requerido para drenar una cierta requerido para drenar una cierta cantidad de agua de la capa drenante cantidad de agua de la capa drenante una vez que la lluvia ha parado. una vez que la lluvia ha parado.

Conceptos BásicosConceptos Básicos

Q

qi

qd

Drenaje de borde

SuperficieBase Permeable

Subbase

Excelente 2 horas 2 horas

Bueno 1 día 2-5 horas

Regular 7 días 5-10 horas

Pobre 1 mes > 10 horas

Muy Pobre No Drena >> 10 horas

AASHTO: Tiempo requerido para alcanzar: 50 % de 85% de

saturación saturación

Normas de DiseñoNormas de Diseño

t = T x m x 24

Donde:

t = Tiempo de drenaje, horas

T = Factor de Tiempo

m = factor “m”, días

Ecuación del Tiempo de DrenajeEcuación del Tiempo de Drenaje

Procedimiento para obtener tProcedimiento para obtener t

1: Determinar la geometría de la carretera, 1: Determinar la geometría de la carretera, S S Pendiente LongitudinalPendiente Longitudinal

SSx, x, Pendiente TransversalPendiente Transversal 2: Determinar datos de la base permeable: 2: Determinar datos de la base permeable: W W

Ancho de la baseAncho de la base

H Espesor de la base H Espesor de la base

k Permeabilidad ábaco, fig. 7-10 k Permeabilidad ábaco, fig. 7-10

GGss Gravedad específica de los sólidos Gravedad específica de los sólidos

Procedimiento para obtener tProcedimiento para obtener t

3: Calcular: S3: Calcular: SRR, Pendiente Resultante, Pendiente Resultante

LLRR, Longitud Resultante , Longitud Resultante

SS1, 1, Factor de PendienteFactor de Pendiente

(Slope factor) S(Slope factor) S11 = (L = (LRR x S x SRR)/H)/H 4: Calcular el volumen de vacíos y seleccionar 4: Calcular el volumen de vacíos y seleccionar

la pérdida de agua “c”la pérdida de agua “c”

5: Calcular porosidad y porosidad efectiva 5: Calcular porosidad y porosidad efectiva (N y N (N y Nee))• N = [1- {N = [1- {d d / (9.81 x G/ (9.81 x Gsbsb)}])}]

• NNee = N x WL = N x WL

6: Calcular el factor “m” 6: Calcular el factor “m” • m = (Nm = (Nee x L x LRR

22)/(k x H))/(k x H)

7: Estimar el Factor T para un grado de 7: Estimar el Factor T para un grado de drenaje drenaje dado, U. Fig. 7.11dado, U. Fig. 7.11

8: Estimar tiempo de drenaje, t8: Estimar tiempo de drenaje, t• t = T x m x 24t = T x m x 24

Procedimiento para obtener tProcedimiento para obtener t

Grado de Drenaje - U

.01 .05 .2 1 5 201

.7

.3

0

Factor de Tiempo - T

10 8 6 4 2 1 .6.8S1 = .4 0

Fig. 7-11 para la obtención de “T”Fig. 7-11 para la obtención de “T”

1

2

3

5

7

0.01 .03 .10 .30 .60

Factor de pendiente (S1)

Factor de tiempo (T50)

Factor de tiempo T, para U = 0.5 (50 % drenado)

Dados:Dados:Pendiente Longitudinal S Pendiente Longitudinal S = 0.02 m/m= 0.02 m/mPendiente Transversal, SPendiente Transversal, SXX = 0.02 m/m= 0.02 m/m

Ancho de Base, WAncho de Base, W = 7.315 m= 7.315 mEspesor de Base, HEspesor de Base, H = 0.1 m= 0.1 mCoef. de permeabilidad, kCoef. de permeabilidad, k = 1000 m/day= 1000 m/dayPorosidad Efectiva, NPorosidad Efectiva, Nee = 0.26= 0.26

Determinar:Determinar:Tiempo para drenar 50 % de aguaTiempo para drenar 50 % de agua

Ejemplo ver Apuntes 7.6.5.Ejemplo ver Apuntes 7.6.5.

Respuesta (resumen)Respuesta (resumen)

Pdte resultante, SPdte resultante, SR R = 0.02828= 0.02828

Longitud Resultante, LLongitud Resultante, LR R = 10.345 m= 10.345 m

Factor de pendiente, SFactor de pendiente, S11 = 2.92= 2.92 Factor de tiempo, T Factor de tiempo, T = 0.12= 0.12 Factor “m” Factor “m” = 0.268 days= 0.268 days Tiempo para drenaje, t Tiempo para drenaje, t = 0.77 hours= 0.77 hours

(1)Assigned

(2)from Chart

(3)T x m x 24

(4)Ne x U

Degree ofDrainage

U

Time Factor,

T

Time toDrain, hrs.

t

Waterdrained

0.1

0.5

0.9

Formulario para cálculo de drenajeFormulario para cálculo de drenaje

(1)(1)AssignedAssigned

(5)(5)N – Column 4N – Column 4

(6)(6)Column 5/N * 100Column 5/N * 100

UU

WaterWaterRetainedRetained

PercentPercentSaturationSaturation

0.10.1

0.50.5

0.90.9

Degree ofDegree ofDrainageDrainage

Formulario para cálculo de drenajeFormulario para cálculo de drenaje

Ejemplo de Gráfico deEjemplo de Gráfico de Porcentaje Drenado Porcentaje Drenado

Tiempo de drenaje horas

Porcentaje Drenado

0 1 3 5 7100

20

0

k = 305 m/día

k = 610 m/díak = 915 m/día

40

60

80

k = 153 m/día H = 0.15 mNe = 0.25LR = 7.6 mSR = 0.02 m/m

0 1 3 5 7

20

60

100

Tiempo para drenar, horas

Porcentaje Saturación

k = 305 m/dayk = 305 m/day

Ejemplo de Gráfico de Ejemplo de Gráfico de Porcentaje SaturaciónPorcentaje Saturación

2 4 6

H = 0.15 mH = 0.15 mN = 0.3N = 0.3NNee = 0.25 = 0.25LLRR = 7.6 m = 7.6 mSSRR = 0.02 m/m = 0.02 m/m

Sensibilidad del tiempo de DrenajeSensibilidad del tiempo de Drenaje

Factores a considerarFactores a considerar

– Porosidad efectivaPorosidad efectiva

– Coeficiente de permeabilidadCoeficiente de permeabilidad

– Pendiente ResultantePendiente Resultante

– Longitud ResultanteLongitud Resultante

– Espesor de la base permeableEspesor de la base permeable

Excelente 2 horas 2 horas

Bueno 1 día 2-5 horas

Regular 7 días 5-10 horas

Pobre 1 mes > 10 horas

Muy Pobre No Drena >> 10 horas

AASHTO: Tiempo requerido para alcanzar: 50 % de 85% de

saturación saturación

Normas de DiseñoNormas de Diseño

Porcentaje de SaturaciónPorcentaje de Saturación Eliminar los días de congelamiento y lluvias eventuales Eliminar los días de congelamiento y lluvias eventuales

en época seca.en época seca.

P = P = S + R S + R * 100 * 100 365365

P = Porcentaje del tiempo en que el pavimento está P = Porcentaje del tiempo en que el pavimento está próximo a la saturaciónpróximo a la saturación

S = Días de deshielo en primaveraS = Días de deshielo en primavera

R = Días con lluvia si el pavimento puede drenar hasta el 85% R = Días con lluvia si el pavimento puede drenar hasta el 85% de saturación en 24hrs o menos. Si el tiempo excede 24hrs de saturación en 24hrs o menos. Si el tiempo excede 24hrs debe multiplicarse por el tiempo de drenaje.debe multiplicarse por el tiempo de drenaje.

Valores mValores mii Recomendados Recomendados

Calidad del Calidad del DrenajeDrenaje

ExcelenteExcelenteBuenaBuenaRegularRegularPobrePobreMuy PobreMuy Pobre

< 1%< 1%

1.40-1.351.40-1.351.35-1.251.35-1.251.25-1.151.25-1.151.15-1.051.15-1.051.05-0.951.05-0.95

1-5%1-5%

1.35-1.301.35-1.301.25-1.151.25-1.151.15-1.051.15-1.051.05-0.801.05-0.800.95-0.750.95-0.75

5-25%5-25%

1.30-1.201.30-1.201.15-1.001.15-1.001.00-0.801.00-0.800.80-0.600.80-0.600.75-0.400.75-0.40

> 25%> 25%

1.201.201.001.000.800.800.600.600.400.40

% del tiempo en que la estructura del pavimento está % del tiempo en que la estructura del pavimento está expuesta a niveles de humedad próximos a la saturaciónexpuesta a niveles de humedad próximos a la saturación

< 1%< 1%

1.25-1.201.25-1.201.20-1.151.20-1.151.15-1.101.15-1.101.10-1.001.10-1.001.00-0.901.00-0.90

1-5%1-5%

1.20-1.151.20-1.151.15-1.101.15-1.101.10-1.001.10-1.001.00-0.901.00-0.900.90-0.800.90-0.80

5-25%5-25%

1.15-1.101.15-1.101.10-1.001.10-1.001.00-0.901.00-0.900.90-0.800.90-0.800.80-0.700.80-0.70

> 25%> 25%

1.101.101.001.000.900.900.800.800.700.70

Calidad del Calidad del DrenajeDrenaje

ExcelenteExcelenteBuenaBuenaRegularRegularPobrePobreMuy PobreMuy Pobre

% del tiempo en que la estructura del pavimento está % del tiempo en que la estructura del pavimento está expuesta a niveles de humedad próximos a la saturaciónexpuesta a niveles de humedad próximos a la saturación

Valores CValores Cdd Recomendados Recomendados

Efectos del Coeficiente de Drenaje Efectos del Coeficiente de Drenaje en el Diseñoen el Diseño

Los coeficientes de Drenaje mayores que 1.0 Los coeficientes de Drenaje mayores que 1.0

reducen la estructura del pavimentoreducen la estructura del pavimento

Coeficientes menores que 1.0 incrementan la Coeficientes menores que 1.0 incrementan la

estructura del pavimentoestructura del pavimento

Incrementar la estructura del pavimento no es Incrementar la estructura del pavimento no es

una solución para drenajes pobres.una solución para drenajes pobres.

Efectos de Hinchamiento y Efectos de Hinchamiento y CongelamientoCongelamiento

AASHTO recomienda la provisión de AASHTO recomienda la provisión de

soluciones especiales para las zonas soluciones especiales para las zonas

afectadas, alternativamente se provee un afectadas, alternativamente se provee un

método para determinar la pérdida de método para determinar la pérdida de

serviciabilidad por hinchamiento o serviciabilidad por hinchamiento o

congelamiento.congelamiento.

ResumenResumen La infiltración superficial representa una de las mayores La infiltración superficial representa una de las mayores

causas de humedad en el pavimento.causas de humedad en el pavimento. La humedad es perjudicial para el desempeño de los La humedad es perjudicial para el desempeño de los

pavimentospavimentos Los sistemas de drenaje deben diseñarse para remover Los sistemas de drenaje deben diseñarse para remover

la humedad de los pavimentos antes de que se dañen. la humedad de los pavimentos antes de que se dañen. Las diferentes alternativas de subdrenes pueden proveer Las diferentes alternativas de subdrenes pueden proveer

una solución efectiva. Es importante un análisis una solución efectiva. Es importante un análisis económico.económico.