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Conceptos Básicos de Estructuras de Pavimento con Geosintéticos Pág. 1
Conceptos Básicos sobre el refuerzo de Pavimentos con
Geosintéticos
Aplicación de Geotextiles de Alto Módulo FORTEX®,
Geomallas FORTGRID® y FORTGRID® ASPHALT
1. Introducción
La ingeniería enfrenta permanentemente el reto de
mantener y desarrollar estructuras de pavimento
con recursos económicos limitados. Las
especificaciones tradicionales de diseño y
construcción establecen la necesidad de grandes
cantidades de materiales de alta calidad para
garantizar la durabilidad y desempeño de tales
estructuras, sin embargo, en muchos lugares del
mundo, no hay disponibilidad suficiente de tales
materiales o éstos no se encuentran a distanciasrazonables del proyecto. Ante este panorama, la
ingeniería ha recurrido a alternativas de diseño
que consideren materiales térreos de calidad
secundaria, materiales elaborados que suplan las
deficiencias de los materiales de construcción,
disponibles y prácticas de diseño innovadoras.
Dentro de estas posibilidades se encuentran los
geotextiles de alto módulo FORTEX®,
las
geomallas FORTGRID® y FORTGRID
® ASPHALT,
materiales geosintéticos fabricados a base de
polímeros, desarrollados para cumplir
fundamentalmente funciones de refuerzo,
separación, filtración, drenaje y confinamiento,
entre otras. Estos materiales gozan de amplia
aceptación en proyectos viales, reconociéndose
las funciones que desempeñan y las ventajas de
uso, las cuales se describen en este documento.
De acuerdo con Koerner (1998), una geomalla se
define como un material geosintético consistente
de dos grupos de elementos paralelos, resistentes
a la tensión, ordenados en forma de malla, con
aberturas de tamaño adecuado para permitir el
paso total o parcial de partículas del suelo
adyacente, material granular y otros materiales
geotécnicos; las geomallas FORTGRID® hacen
parte de este grupo. Berg et al (2000), han definido
las geomallas flexibles como geomallas fabricadas
con hilos de poliéster mediante técnicas de tejido,
las cuales son impregnadas con polímeros que
incrementan su estabilidad mecánica y resistencia
a la abrasión.
Los geotextiles de alto módulo, son mantos textiles
permeables capaces de desarrollar alta resistencia
a la tensión a bajos valores de deformación.
Generalmente se fabrican con hilos de poliéster de
alta tenacidad, caracterizándose por presentar
muy baja fluencia ante carga sostenida y
estabilidad en la respuesta mecánica y
comportamiento hidráulico en cualquier ambiente
de carga y/o deformación.
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2. Geomallas y Geotextiles de Alto
Módulo en Carreteras yAeropuertos
En un sistema de pavimentos, las geomallas
FORTGRID® y los geotextiles de alto módulo
FORTEX® tienen aplicación como parte de la
subestructura granular. Para el refuerzo de capas
asfálticas se aplican las geomallas FORTGRID®
ASPHALT. En cada caso se tienen funciones y
mecanismos de refuerzo diferentes que se detallan
a continuación.
2.1. Subestructura Granular
La colocación de geomallas FORTGRID® y
geotextiles de alto módulo FORTEX® en la
subestructura granular se hace buscando uno o
varios de los siguientes objetivos:
• Evitar la contaminación de los materiales
granulares con los suelos de subrasante
(geotextil).
• Permitir la construcción de pavimentos sobre
subrasantes blandas compresibles.
• Mejorar el desempeño de la estructura y
extender el período de servicio.
• Reducir la estructura requerida para un
período de servicio dado.
Estos materiales han sido utilizados exitosamente
para la conformación de plataformas de trabajo
sobre suelos blandos (mejoramientos de
subrasantes), tal como ha sido reportado por
numerosos autores como Cancelli et al. (1996),
Douglas (1997), Hass et al. (1988), Halliday y
Potter (1984), Santoni et al. (2001), entre otros.
Las geomallas y los geotextiles de alto módulo
permiten lograr eficientemente la compactación de
las capas de granulares, al tiempo que se reduce
la cantidad de material de la subrasante que
debería ser removido y reemplazado.
Numerosos trabajos de investigación han
reportado y documentado el aumento en la vida de
servicio al comparar una estructura de pavimento
reforzada con una no reforzada (Al-Qadi et al.
1997, Barksdale et al. 1989, Cancelli et al, 1996,
Collin et al 1996, Haas et al. 1988, Miura et al.
1990, Perkins et al. 1997 a/b y Webster 1993). La
investigación ha demostrado que el espesor de
base granular requerido para un diseño dado
puede reducirse cuando se incluyen estos
materiales en el diseño (ver las mismas
referencias).
2.2. Refuerzo de Capas Asfálticas
Las geomallas FORTGRID® ASPHALT se utilizan
como parte integral del concreto asfáltico
buscando cualquiera de los siguientes beneficios:
• Refuerzo de capas asfálticas nuevas
• Bloqueo del reflejo de agrietamientos en
trabajos de rehabilitación de pavimentos mediante
sobrecapas asfálticas
El uso de geomallas en trabajos de pavimentación
o repavimentación comenzó en la década de los
80 en Europa, evidenciándose aumento en la vida
útil y resistencia al agrietamiento de los
pavimentos tal como ha sido ilustrado por autores
como Koerner, (1992); Dondi, (1998), Austin y
Gilchrist, (1996); Huhnholz (1996); Bayex (1998).
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Finalmente, hay acuerdo en que la inclusión de
geomallas y geotextiles de alto módulo en un
sistema de pavimento generan grandes beneficios,
sin embargo, la magnitud del mejoramiento es
particular para cada caso y depende del
geosintético que se esté utilizando.
3. Mecanismos de Refuerzo
3.1. Subestructura GranularSe han identificado tres tipos de mecanismos de
refuerzo fundamentales que suceden al colocar
una geomalla o un geotextil de alto módulo para
refuerzo de la subestructura granular de un
pavimento:
• Restricción al desplazamiento lateral
• Mejoramiento de la capacidad de soporte
• Efecto de membrana tensionada (Perkins e
Ishmeik 1997 a)
3.1.1. Restricción al DesplazamientoLateral
La restricción al desplazamiento lateral hace
referencia al confinamiento que restringe el
desplazamiento del material granular ante la
aplicación de la carga. Dado que la mayoría de los
materiales utilizados para la construcción de
pavimentos son esfuerzo-dependientes, la
restricción al desplazamiento lateral hace que
queden trabajando permanentemente a
compresión, obteniéndose como resultado un
aumento en el módulo mecánico de la capa. Un
mayor módulo mecánico significa una mayor
capacidad de distribución de esfuerzos y, por lo
tanto, menores deformaciones sobre la
subrasante. La Figura 1 ilustra este efecto.
Flujo cortante lateral
Restricción lateral por fricción
Flujo cortante lateral
Restricción lateral por fricción
Figura 1. Efecto de restri cción al desplazamientolateral
3.1.2. Mejoramiento de la Capacidad deSoporte
El segundo mecanismo, mejora de la capacidad de
soporte, es consecuencia del desplazamiento
hacia arriba de la envolvente de falla del sistema
de pavimento. El geosintético actúa como una
barrera que controla la superficie inferior de la
envolvente de falla, confinándola completamente a
la capa de granulares, que ofrece mayor
resistencia que la subrasante, con lo cual se logra
este efecto que se ilustra en la Figura 2.
Superficie de fallaMaterial reforzado
Superficie de fallamateriales no reforzados
Superficie de fallaMaterial reforzado
Superficie de fallamateriales no reforzados
Figura 2. Efecto de mejora de la capacidad desoporte
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3.1.3. Efecto de Membrana Tensionada
Este efecto se basa en el mejoramiento de la
capacidad de distribución vertical de esfuerzos
resultante del esfuerzo de tensión en una
membrana deformada, tal como se ilustra en la
Figura 3.
En principio, la investigación sobre el efecto de
refuerzo de pavimentos consideró que el efecto de
membrana tensionada era el principal mecanismo
de refuerzo, sin embargo, investigaciones
posteriores han demostrado que los beneficios del
refuerzo se logran sin que la estructura
experimente mayores deformaciones. De esta
manera, la restricción al desplazamiento lateral
constituye el mecanismo de refuerzo fundamental,
seguido por la mejora de la capacidad de soporte y
el efecto de membrana tensionada. La contribución
de cada uno de estos mecanismos en el refuerzo
total que provee una geomalla o un geotextil de
alto módulo es aún objeto de investigación y es
particular para cada material.
Membranatensionada
Soporte verticalde la membrana
Membranatensionada
Soporte verticalde la membrana
Figura 3. Efecto de membrana tensionada
3.2. Refuerzo de Capas Asfálticas
En las geomallas FORTGRID® ASPHALT, el
mecanismo de refuerzo de capas asfálticas se da
por la capacidad de distribuir los esfuerzos de
corte y tensión que suceden en las paredes de una
discontinuidad. En una fisura o grieta, se
concentran altos niveles de esfuerzos cortantes
sobre su plano por desplazamientos relativos de
las paredes. Adicionalmente, el comportamiento a
flexión de la capa agrietada induce tensiones que
tienden a ampliar la separación de las paredes de
la grieta (Ver Figura 4). La colocación de la
geomalla sobre la discontinuidad, distribuye este
pico de esfuerzos hacia la capa superior, haciendo
que el volumen de material involucrado sea mayor
que en la condición no reforzada, con lo cual se
logra controlar el progreso vertical y longitudinal de
los agrietamientos existentes hacia la sobrecapa,
tal como se ilustra en la Figura 5.
Concreto asfáltico existente, agrietado
Alta concentración de esfuerzos de corte y tensiónProgreso acelerado de las grietas
Sobrecapa de concreto asfáltico
Concreto asfáltico existente, agrietado
Alta concentración de esfuerzos de corte y tensiónProgreso acelerado de las grietas
Sobrecapa de concreto asfáltico
Alta concentración de esfuerzos de corte y tensiónProgreso acelerado de las grietas
Sobrecapa de concreto asfáltico
Figura 4. Reflejo de discontinuidades. Condición
sin refuerzo
Distribución de esfuerzos a unMayor volumen de material
Concreto asfáltico existente, agrietado
Sobrecapade concreto asfáltico
Geomalla
Distribución de esfuerzos a unMayor volumen de material
Concreto asfáltico existente, agrietado
Sobrecapade concreto asfáltico
Geomalla Figura 5. Aumento de la capacidad de distribución
de esfuerzo cortante.
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4. Interacción Suelo-Geosintético
Al colocar capas de geosintéticos en la masa de
suelo se establece una relación enmarcada por las
siguientes características:
• La transferencia de esfuerzo ente el suelo y el
refuerzo se desarrolla en forma continua a lo largo
de todo el refuerzo.
• Los refuerzos se distribuyen sobre toda la
masa de suelo y no localmente.
Los esfuerzos son transmitidos entre el
geosintético y la masa de suelo por fricción (Figura
6) o por resistencia pasiva (Figura 8), dependiendo
de la geometría del elemento geosintético.
4.1. Fricción
Este mecanismo de interacción se desarrolla
cuando hay un desplazamiento cortante relativo y
es proporcional al esfuerzo cortante entre el suelo
y la superficie del refuerzo. Los elementos de
refuerzo donde la fricción es importante deben
estar alineados con la dirección de desplazamiento
relativo del suelo.
Los geotextiles de alto módulo FORTEX® derivan
su aporte de refuerzo debido a esta interacción.
Geosintético de
refuerzo
Fuerza dearrancamiento
Fuerzafriccionante
Presión normal
Partículas desuelo
Figura 6. Transferencia de esfuerzos por fricción
entre el suelo y el geosintético
4.2. Resistencia Pasiva
Ocurre mediante el desarrollo de esfuerzos de
soporte sobre las superficies de refuerzo
transversal, normales a la dirección del
desplazamiento relativo del suelo de refuerzo, que
se dan por el entrabamiento entre el material
térreo y el geosintético. Este mecanismo se ilustra
en las Figuras 7 y 8.
Partículasde suelo
Geosintético deRefuerzo (geomalla)
Fuerza de
arrancamiento
Sentido deldesplazamiento
Figura 7. Entrabamiento de la geomalla con laspartículas de suelo.
Resistenciafriccionante
Geosintético de
Refuerzo (geomalla)
Fuerza dearrancamiento
Superficie normalal desplazamiento
Sentido deldesplazamiento
Resistenciapasiva
Figura 8. Transferencia de esfuerzos por
resistencia pasiva
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La resistencia pasiva y la fricción constituyen el
principal mecanismo de interacción en las
geomallas FORTGRID®.
5. Aplicaciones
5.1. Aplicación De Las Geomallas
FORTGRID
Las geomallas FORTGRID® se han utilizado
tradicionalmente en cuatro aplicaciones que son:
• Estabilización mecánica de subrasantes
• Refuerzo de la capa de base granular
• Bloqueo del reflejo de agrietamientos
En la medida en que la resistencia del suelo de
subrasante se incrementa, la aplicación de la
geomalla va de estabilización mecánica de la
subrasante a refuerzo de base granular. En
general, el uso de geomallas se recomienda para
subrasantes en el rango de CBR entre 0% y 8%,
para:
• CBR entre 0% y 2%: para permitir la
construcción de una plataforma de trabajo
(mejoramiento de la subrasante) y proteger la
subrasante ante fallas por capacidad portante.
• CBR entre 2% y 4%: para garantizar la
estabilidad de las capas de granulares y reducir el
espesor de granulares.
• CBR mayor a 4%: reducir el espesor de
granulares y aumentar la vida útil de la estructura.
Se requiere hacer un análisis de costos a lo largo
del período de servicio.
Tal como ha sido presentado por Montestruque y
Martins (2002), el uso de geomallas permite
ampliar los períodos de servicio de pavimentos
flexibles nuevos. La colocación de un manto de
geomalla directamente sobre la base granular y en
contacto con la carpeta asfáltica, otorga un
refuerzo a la tensión en el fondo de la capa
asfáltica, lográndose un incremento sustancial en
el número de ciclos de carga requeridos para la
falla por fatiga. Adicionalmente se obtiene una
reducción en la magnitud de las deformaciones
plásticas del concreto asfáltico, con lo cual se logra
mantener la condición de servicio por más tiempo
y por ende aumentar los períodos de tiempo entre
labores de mantenimiento periódico.
5.2. Aplicación De Los Geotextiles De Alto
Módulo FORTEX
Los geotextiles de alto módulo FORTEX® se han
utilizado tradicionalmente en cuatro aplicaciones
que son:
• Separación de suelos de subrasante y capas
granulares
• Filtros longitudinales
• Estabilización mecánica de subrasantes
• Refuerzo de la capa de base granular
Los geotextiles de alto módulo se recomiendan
para el mismo rango de aplicaciones que las
geomallas, teniendo en cuenta que éste por
tratarse de un manto continuo, cumple la función
de separar los materiales granulares y los suelos
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de subrasante, complementando eficientemente la
relación entre los materiales de la estructura.
5.3. Aplicación De Las Geomallas
FORTGRID® ASPHALT
En trabajos de mantenimiento de pavimentos
flexibles mediante sobrecapas asfálticas o,
recapados de pavimentos rígidos con capas
asfálticas, la colocación de geomallas FORTGRID®
ASPHALT permite aumentar los períodos de
servicio, dado que retarda la aparición de las
grietas en superficie y controla la continuidad de
las mismas. Los agrietamientos no tendrán la
continuidad del patrón existente, sino que se
distribuirán en pequeñas grietas cortas de abertura
escasa, las cuales demandarán menores trabajos
de mantenimiento.
6. Características de los
Geosintéticos Geomatrix
6.1. Propiedades del Poliéster y Técnica deTejido
Los geotextiles de alto módulo FORTEX®, las
geomallas FORTGRID® y FORTGRID
® ASPHALT
son geosintéticos producidos con multifilamentos
orientados de Poliéster (Tereftalato de Polietileno)
de alto peso molecular (mayor a 25.000 g/mol y
grupo carboxilo final menor a 30). Este material secaracteriza por poseer una alta relación resistencia
a la tensión – deformación, con tenacidades
superiores a 8 gpd, (superiores a los de cualquier
otro polímero utilizado para la fabricación de
geosintéticos, tal como se ilustra en la Gráfica 1),
alta estabilidad mecánica a través del tiempo (bajo
creep) y alta estabilidad ante la temperatura, con
punto de ablandamiento por encima de 240º C.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 10 20 30 40 50
Resistencia a la Tensión
Fibras de Geosintéticos
PET
PP
HDPE
Deformación Unitaria (%)
E s f u e r z o
( K g / c m ² )
Figura 9. Curva Esfuerzo – Deformación.
Geosintéticos de Poliéster. (Typical properties offibers. Bastón, Designing with Geosynthetics )
Los geosintéticos GEOMATRIX son fabricados
utilizando la técnica de tejido por inserción, en la
cual se disponen las fibras horizontales y
transversales independientemente,
entrelazándolas con un tercer grupo de fibras que
se insertan ajustando los nodos para formar un
tejido altamente resistente. Ver Figura 9. De esta
forma las fibras principales permanecen rectas,
confiriéndoles así la propiedad de dar refuerzo
desde muy bajas deformaciones y mantener el
desempeño hidráulico en cualquier condición de
confinamiento o tensionamiento.
Figura 10. Tejido de inserción
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Dado lo anterior, los geotextiles de alto módulo
FORTEX®
, las geomallas FORTGRID®
y
FORTGRID® ASPHALT brindan un rápido
desarrollo de resistencia a la tensión y alta
resistencia a la rotura, por lo cual, son preferidos
para aplicaciones de refuerzo de fundaciones de
terraplenes sobre suelos blandos, estabilización de
subrasantes y refuerzo de estructuras de
pavimentos y carpetas asfálticas y otras en las que
la integridad física y estabilidad mecánica de los
geosintéticos es garantía de estabilidad de la obra
o estructura.
6.2. Producción
Los geotextiles de alto módulo FORTEX®,
geomallas FORTGRID® y FORTGRID
® ASPHALT
son fabricados a través de un sistema de
producción verticalmente integrado. La producción
inicia con el proceso de hilatura y termina con el
proceso de impregnación, donde un grupo de
control de calidad, apoyado en pruebas de
laboratorio, monitorea permanentemente desde la
tenacidad del hilo hasta las propiedades
mecánicas finales del geosintético.
Las principales características, tales como la
resistencia a la tensión y la elongación son
corroboradas adicionalmente en un laboratorio
GAI-LAP (Laboratorio acreditado por el Instituto de
Geosintéticos para la ejecución de ensayos e
investigación sobre geosintéticos), garantizando
así las características y desempeño de los
productos.
GEOMATRIX S.A., cuenta con un grupo de
investigación, desarrollo y control de calidad,
quienes tienen a su cargo el mejoramiento
permanente de los productos que están en el
mercado y la creación de nuevos productos
buscando la excelencia en la satisfacción de los
consumidores de geosintéticos de alto módulo.
7. Diseño
Para el diseño de estructuras de pavimento
considerando el uso de geotextiles de alto módulo
FORTEX®, geomallas FORTGRID
® y FORTGRID®
ASPHALT se siguen métodos que consideran el
aporte del geosintético a través del efecto de
membrana y de la restricción al desplazamiento
lateral. GEOMATRIX S.A., con base en los
resultados de caracterización mecánica de sus
materiales en laboratorio, ha adelantado trabajos
de investigación y documentación técnica para
determinar el desempeño de sus materiales de
cara al diseño de aplicaciones prácticas, tales
como el mejoramiento de subrasantes blandas
compresibles y el refuerzo de estructuras de
pavimento.
8. oporte Técnico
El equipo técnico de Geosintéticos GEOMATRIX
S.A. está en capacidad de asesorar y trabajar en
conjunto con ingenieros consultores,
constructores, y promotores de proyectos para
lograr soluciones óptimas desde el punto de vista
de confiabilidad, durabilidad, desempeño y estricto
criterio de costo-beneficio
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Para mayor información sobre nuestros materiales
geosintéticos, y esta u otras soluciones de
ingeniería, por favor visite el sitio web
www.geomatrix.com.co ; comuníquese a través de
correo electrónico a geomatrix@geomatrix.com.co
o al PBX (+57-1) 4249999 en Bogotá.
9. Referencias
[1] Al Quadi, I.L., Brandon, T.L., Valentine, R.J.,Lancina, B.A. and Smith T.E. (1994). “Laboratory
Evaluation of Geosynthetic Reinforced Pavement
Sections”. Transportation Research Record 1439,
pp 25 – 31.
[2] Al Quadi, I.L., Brandon, T.L., and Bhutta, A.
“Geosynthetic Stabilized Flexible Pavements”.
Proceedings of Geosynthetics ´97. IFAI, Vol 2,
Long Beach, California, pp 647 – 662.
[3] Anderson, P., and Killeavy, M. (1989)
“Geotextiles and Geogrids: Cost Effective Alternate
Materials for Pavement Design and Construction”
Proceedings of Geosynthetics ´89, IFAI, Vol 2, San
Diego, California, pp 353 – 360.
[4] Barenberg, E,J., Hales, J., and Downland, J.
(1975) “Evaluation of Soil - Aggregate Systems
with Mirafi Fabric”, University of Illinois Report No
UILU-ENG-75-2020, prepared for Celanese Fibers
Marketing Company.
[5] Barksdale, R.D. Brown, S.F., and Chan, F.
(1989) “Potential Benefits of Geosynthetics in
Flexible Pavement Systems”. National Cooperative
Highway Research Program Report No 315.
Transportation Research Board, National Research
Council, Washington , D.C.
[6] Department of The Army. US Army Corps of
Engineers. Use of Geogrids in Pavement
Construction. February 2003.
[7] Giroud J.P., and Noiray, L. (1981) “Geotextile
Reinforced Unpaved Roads Design,” Journal of the
Geotechnical Engineering Division, ASCE, Vol 107,
No GT9, pp 1233 – 1254