EL SUBDRENAJE EN LAS VÍAS TERRESTRES

Todas las obras conectadas con la construcción de vías terrestres se realizan usualmente sobre suelos que contienen agua. Las formaciones rocosas sanas suelen poder drenarse simplemente permitiendo que el agua salga libremente a zonas abiertas, tales como pozos de drenaje o túneles; estos materiales tienen la suficiente permeabilidad para permitir el paso del agua sin que se produzcan erosiones nocivas. Pero los suelos o las rocas muy intemperizadas pueden ser fácilmente erosionados por las fuerzas que produce el agua al fluir a través de ellos; si estos procesos se permiten sin restricción, terminaran por desembocar en verdaderos problemas de erosión interna y tubificación. Así, todas las superficies a través de las que el agua salga al exterior deberán protegerse en los suelos, de manera que el agua pueda aflorar con facilidad, pero buscando también que las partículas del suelo queden en su lugar.

Los materiales encargados de la doble misión de permitir el paso del agua hacia el exterior y de impedir el arrastre de las partículas del suelo protegido se llaman filtros. Los filtros deben satisfacer dos requerimientos (Rico y Del Castillo, 1981):

1. Los espacios entre las partículas de filtro deben ser lo suficientemente grandes como para que el conjunto tenga la permeabilidad necesaria para que el agua pueda moverse libremente y fluir hacia el exterior sin generar grandes presiones de poro.

2. Los espacios entre las partículas del filtro en contacto con el suelo deben ser suficientemente pequeños como para que los finos de aquel no penetren en él.

Para evitar la tubificación y la erosión interna las partículas del suelo no deben quedar expuestas a espacios abiertos cuyo tamaño sea mayor que ellas mismas. Además, se debe sellar cualquier grieta, junta de construcción, contacto entre materiales diversos, etc. Que pueda haber en los elementos estructurales.

De acuerdo con Rico y Del Castillo (1981), si los vacíos en los filtros son suficientemente pequeños para impedir el movimiento a través de una partícula cuyo tamaño sea el D85 del suelo por proteger, se acepta con base en la experiencia que todo el suelo será debidamente retenido en su posición. En otras palabras, se considera tolerable que un 15% en peso del suelo por proteger tenga tamaño menor que los vacíos que dejen entre si las partículas del filtro.

Terzaghi y Casagrande establecieron la siguiente regla para relacionar el material de filtro con el material por proteger:

El U.S. Army Corps of Enginners verificó esta propuesta y selecciono el 5 en la parte intermedia de la fórmula como valor a utilizar, además estableció la siguiente regla adicional:

En los sistemas de subdrenaje, es común encontrar tuberías perforadas con agujeros circulares o ranuras en el interior de los filtros. Estas tuberías tienen la función de recolectar y evacuar rápidamente el agua. Es crucial que el material del filtro sea lo bastante grueso como para evitar fugas a través de estas perforaciones. El Cuerpo de Ingenieros del Ejército de Estados Unidos recomienda lo siguiente:

Para ranuras:

Para perforaciones circulares:

Además, se debe cumplir lo siguiente:

En términos generales, es fundamental que los filtros sean al menos 20 o 25 veces más permeables que el suelo que protegen. Sin embargo, este requisito de coeficiente de permeabilidad debe complementarse asegurando que el filtro permita una descarga hidráulica adecuada. Esto es esencial porque es común que las instalaciones de filtros altamente efectivas y costosas se vean parcialmente comprometidas por salidas deficientes. La permeabilidad del filtro se puede calcular utilizando la ley de Darcy.

Generalmente, habrá de hacer varios tanteos con varios valores de A, hasta obtener una combinación de la permeabilidad y el espesor del filtro que sea satisfactoria. También puede manejarse partiendo de valores de permeabilidad que corresponden a los materiales de filtro y viendo que espesores (A) de filtro han de disponerse.

La estimación de los gradientes hidráulicos existentes en el filtro i=h/L, donde L es la longitud de toda la trayectoria de descarga del agua en el dren y h es desconocida. Este problema puede ser resuelto mediante una red de flujo a través de suelos estratificados. Si se denomina kf al coeficiente de permeabilidad del filtro y ks al coeficiente de permeabilidad del suelo:

En donde b es el ancho y c el largo de los rectángulos que constituyen la red de flujo en el material de filtro. Si la red puede trazarse, la ecuación anterior sirve para calcular la permeabilidad necesaria en el material de filtro, bien sea dando unas ciertas dimensiones al filtro y trazando diversos tanteos de red, con diferentes relaciones b/c hasta llegar a un caso que proporcione una permeabilidad adecuada para el filtro, o bien, comenzando con una relación ks/kf conveniente de acuerdo con los materiales disponibles y viendo que espesor resulta para la capa drenante.

Durante la construcción de filtros, existe constantemente el riesgo de que las características granulométricas de la mezcla se vean alteradas debido a la segregación durante su colocación. Para prevenir este riesgo, Juárez y Rico (1969) establecen la siguiente regla:

Adicionalmente se exige que la curva granulométrica del material filtrante sea suave, sin discontinuidades que delaten escasez de algún tamaño intermedio. Se recomienda que el material filtrante se coloque con cierta humedad para lograr una buena compactación.

No es recomendable perforar la parte superior del tubo, ya que esto facilita la entrada de partículas finas del material de filtro. Del mismo modo, no es aconsejable colocar perforaciones en la parte más baja del tubo, ya que esto podría provocar la salida del agua captada cuando su velocidad disminuya o haya poco flujo. En algunas ocasiones, se ha dejado uniones abiertas entre secciones de tubería sin perforar, pero esta práctica debe considerarse inadecuada, ya que aumenta los problemas mencionados anteriormente. En la mayoría de las instalaciones de subdrenaje se utiliza tubería de 10 a 20 cm de diámetro, generalmente de concreto, aunque también se pueden emplear otros materiales y tamaños de tubería.