Los geotextiles se pueden definir como un material textil plano, permeable y polimérico, que se emplea en contacto con suelos y otros materiales para aplicaciones geotécnicas en ingeniería civil. Los polímeros utilizados en la fabricación de geotextiles suelen ser de origen sintético debido a su mayor durabilidad frente a los naturales. Los principales son las poliamidas, poliésteres y las poliolefinas (polietileno y polipropileno).
Las primeras referencias de la utilización moderna de geotextiles datan de los años 60 y se refieren a la construcción de obras marítimas en Holanda. Comenzaron a emplearse en funciones de drenaje y filtración. A partir de ese momento, la tecnología de diseño y aplicación se va desarrollando tanto en Europa como en Estados Unidos y se consiguen nuevas funciones para otros campos de la obra civil, como son el refuerzo y separación del terreno.
Un momento clave en la historia de estos materiales fue la aparición de la palabra “geotextil” en el año 1977. En un Simposio Internacional sobre el empleo de textiles en la Geotecnia celebrado en París, J.P. Giroud bautizó a estos productos con ese nombre. A partir de entonces, se organizan conferencias y congresos para avanzar en el desarrollo tecnológico y la normativa a aplicar sobre estos materiales.
¿Cuales son las funciones de un geotextil?
Los geotextiles se caracterizan por desarrollar varias funciones simultáneas una vez colocados en el terreno. Esta propiedad les garantiza una posición ventajosa frente a otros sistemas o productos que existen en el mercado:
- Filtración: El geotextil retiene las partículas de grano fino al fluir el agua de la capa de grano fino a la capa de grano grueso.
- Separación: Separa dos capas de suelo de diferentes propiedades físicas (granulometría, plasticidad, consistencia) y así evita la mezcla de materiales.
- Drenaje: El geotextil conduce y evacua líquidos (agua) e incluso gases en su mismo plano.
- Refuerzo: Aumenta la capacidad portante (resistencia al corte) del suelo y la estabilidad en la construcción.
- Protección: El geotextil protege a membranas y otros productos relacionados contra ataques físicos (perforaciones y desgaste).
Además de estas funciones, los geotextiles presentan una serie de ventajas que son la causa del espectacular aumento del empleo de estos productos en todo el mundo a lo largo de los últimos 15 años; entre las más importantes destacan:
- Facilidad de puesta en obra.
- Son económicos.
- Permiten ahorros de tiempos de ejecución.
- Posibilitan soluciones medioambientales correctas.
- Ofrecen muchas variantes y posibilidades de uso.
1 – Clasificación de los geotextiles
Existen varias formas de clasificar los geotextiles y productos relacionados con geotextiles, pero la que más define su tipo de aplicación es el método de fabrican utilizado.
Existen principalmente dos tipos de geotextiles dependiendo de los métodos más comunes de fabricación que son:
1.1 – Geotextiles Tejidos
Son aquellos formados por cintas de alta resistencia. Están conformados mediante cintas de polipropileno en sentido de urdimbre (sentido longitudinal) y de trama (sentido transversal). Es el tejido más simple y eficiente, conocido también como uno arriba y uno abajo, dando como resultado una estructura plana.
Su resistencia a la tracción es de tipo biaxial (en los dos sentidos de su fabricación). Gracias a su estructura y las características de las cintas empleadas, son reconocidos por tener altas resistencias y bajas deformaciones; su aplicación está orientada al refuerzo de vías, muros, terraplenes y
cimentaciones.
Funciones:
- Separación.
- Refuerzo.
- Estabilización.
1.2 – Geotextiles no tejidos
Se forman a partir de un entrelazado de fibras o filamentos de polipropileno mezclados aleatoriamente, conformando una capa con altas propiedades de filtración y drenaje.
Los Geotextiles fabricados por este proceso tienen buenas características mecánicas e hidráulicas, gracias a su estructura tridimensional, gran elongación (pueden estirarse desde un 40% hasta un 120% o más, antes de entrar en carga de rotura) lo que les proporciona muy buena adaptabilidad a las desuniformidades de los terrenos, unas excelentes propiedades para protección, (suele denominarse efecto colchón) así como buenas funciones de filtración y separación.
Funciones:
- Filtración.
- Drenaje.
- Protección.
- Separación.
- Estabilización.
- Repavimentación.
2 – Principales funciones de los geotextiles
2.2 – Separación
El término “separación” se define de la siguiente forma: “Impedir que suelos de diferentes tipos y/o materiales de terraplenado se mezclen gracias a la interposición de un geotextil o un producto de naturaleza similar”.
Los principales campos de aplicación de un geotextil utilizado como separador se concentran en los proyectos de construcción de carreteras y de vías férreas. La utilización de un geotextil preserva y mejora la integridad y el aspecto funcional de los distintos materiales utilizados. De hecho, cuando se coloca una cimentación de áridos sobre un suelo blando y se aplica una carga vertical, intervienen dos mecanismos.
En primer lugar, el geotextil impide la pérdida de áridos en el suelo blando de la plataforma (Figura 4). Un refrán característico de los ingenieros describe muy bien este riesgo: “10 kilos de piedras colocados sobre 10 kilos de barro, al final terminan siendo 20 kilos de barro”. El geotextil permite encerrar la cimentación de áridos y obtener de este modo un mayor grado de compactación, que se traduce en una mayor capacidad de carga.
Por otra parte, impide que la cimentación de áridos resulte contaminada por el suelo de la plataforma, evitando que se reduzca la capacidad de carga. La migración de partículas finas del suelo hacia los áridos limpios se produce especialmente por el efecto de fuerzas dinámicas. Este fenómeno se denomina “efecto de bombeo”. Las partículas finas actúan como un lubricante entre los áridos de mayor tamaño y podrían reducir notablemente la resistencia a la cizalladura de los áridos.
Del mismo modo, los áridos no contaminados seguirán ejerciendo con eficacia su función de drenaje y mantendrán una mayor resistencia a los efectos de la expansión como consecuencia de las heladas.
En su función de separador, un geotextil puede:
- Impedir la reducción de la capacidad de carga, causada por la mezcla de granos finos de la infraestructura con el basamento de áridos.
- Aumentar la capacidad de carga impidiendo la pérdida de áridos en el interior de la infraestructura mullida y aumentando el grado de compactibilidad.
- Reducir los efectos de la expansión como consecuencia de las heladas, que deteriora las carreteras.
- Evitar tener que excavar en suelos mullidos.
- Permitir conservar la capacidad de drenaje del basamento de áridos.
- Impedir la migración de partículas finas, especialmente por el efecto de las cargas dinámicas.
2.3 – Estabilización y refuerzo
Son muchas las aplicaciones en las que los geotextiles desempeñan una función de estabilización o de refuerzo. Los geotextiles, que ejercen una función de estabilización, aportan al suelo cualidades de resistencia a la tracción. De esta forma, solucionan la ausencia de resistencia a la tracción en el suelo cuando éste se ve sometido a cargas verticales.
Existen tres mecanismos distintos que permiten a un geotextil estabilizar el basamento de áridos y mejorar su resistencia a la deformación permanente por el efecto de cargas repetitivas (como se muestra en la figura 5 siguiente):
Cuanto más alto sea el módulo inicial del geotextil, más eficaces resultarán estos mecanismos. Los geotextiles con un módulo inicial bajo presentan importantes deformaciones y se caracterizan por una retención, un efecto de membrana o un refuerzo local escaso. Factores muy a tener en cuenta, como un módulo inicial alto y una elongación notable les permiten resistir a deformaciones locales, así como a la perforación.
2.3.1 – Retención y contención
Como se muestra en la ilustración de la Figura 5, existen dos tipos de capacidad de retención. La primera se refiere a la curvatura inversa del geotextil en cada lado de paso de las ruedas, que ejercen una presión hacia abajo. El paso de las ruedas provoca una sobrecarga que aplana las deformaciones y aplica una fuerza de compresión sobre el subsuelo.
La segunda forma de retención es la que ofrece el geotextil cuando las partículas de áridos se dispersan por los efectos de la carga. El geotextil proporciona un armazón de tracción a la capa de áridos. Esta contención de los áridos aumenta la resistencia y el módulo, lo que a su vez hace que se reduzca la fuerza de compresión sobre la infraestructura, distribuyendo mejor la carga bajo la presión de las ruedas.
2.3.2 – Efecto de membrana
El efecto de membrana actúa de manera eficaz cuando se coloca un geotextil sobre un suelo deformable y se aplican cargas verticales. El esfuerzo de tracción en el suelo se transmite al geotextil, aliviando las cargas sobre el subsuelo, que es incapaz de absorber dicho esfuerzo. Esta fuerza sobre el plano se equilibra con la componente horizontal de la carga proveniente de la difusión de las cargas verticales aplicadas.
Por consiguiente, este efecto tiene una importancia fundamental en la construcción de carreteras provisionales, ya que permite reducir la formación de roderas de forma considerable. Cuanto más alto sea el módulo inicial del geotextil, mayor será la posibilidad de reducir la formación de roderas.
2.3.3 – Refuerzo local
Las cargas que se ejercen sobre las piedras consideradas por separado pueden ser las causantes de los fallos localizados en la infraestructura. Todo geotextil caracterizado por un módulo inicial elevado permite distribuir la carga, reducir la tensión y ejercer una fuerza de resistencia al desplazamiento.
Una capacidad de alargamiento considerable evita la perforación del geotextil a nivel local, puesto que le permite extenderse alrededor de una piedra susceptible de poder penetrarlo.
2.4 – Filtración
El término “filtración” se define de la siguiente forma: soporte del suelo o de otras partículas sujeto/as a fuerzas hidráulicas al tiempo que permite el paso de líquidos a través o en un geotextil o un producto asemejado a los geotextiles.
Por lo general, el tamaño de las aberturas y la permeabilidad permiten describir las propiedades de filtración del geotextil. Por este motivo, el tamaño de los poros de un geotextil eficaz ha de ser suficientemente pequeño como para retener las partículas de suelo más grandes, a fin de impedir el fenómeno de erosión. Las partículas de suelo pequeñas son las primeras que deben atravesar el geotextil. Tras la evacuación de éstas últimas, las partículas más grandes se acumulan contra el geotextil, formando de este modo un filtro natural graduado que reduce progresivamente la erosión interna hasta la desaparición de la misma. Si el tamaño de los poros de un geotextil es demasiado pequeño, las partículas pequeñas no se pueden expulsar, ocasionando así la formación de una barrera de suelo natural caracterizada por una escasa permeabilidad (Figura 6).
Un filtro geotextil eficaz debe tener poros con formas y tamaños diferentes, caracterizados por un reparto similar a la distribución granulométrica del suelo.
A menudo se pasa por alto que en un sistema de cimentación sobre terreno granular (Figura 7), la permeabilidad de la capa menos permeable determina la permeabilidad de todo el sistema. Normalmente, el suelo presenta una permeabilidad significativamente menor que la del geotextil.
En la permeabilidad de un geotextil también influye su capacidad de compresión. Por lo general, los geotextiles espesos están sometidos a una compresión que ha de tenerse en cuenta a la hora de especificar la permeabilidad que se exige de ellos. El espesor constituye más una propiedad descriptiva que de diseño II.
La función de filtración está asociada a la construcción de presas, a la lucha contra la erosión, al drenaje de carreteras y del subsuelo. En este tipo de construcciones, el geotextil sustituye a un filtro convencional de lechos granulares.
En un sistema de lucha contra la erosión en una ribera o en una pendiente de tierra, se utilizan habitualmente materiales de gran volumen (gaviones / escolleras) o losas de hormigón a modo de protección contra el flujo de agua o la acción de las olas. La erosión de las partículas pequeñas se impide gracias a la utilización de un geotextil como filtro.
2.5 – Drenaje
Antiguamente, el flujo de aguas se controlaba de forma tradicional y éstas se evacuaban por medio de materiales naturales calibrados. En los últimos 30 años, se ha extendido el uso de los filtros geotextiles para aumentar la capacidad de drenaje natural de los suelos impermeables.
Un geotextil no se debe utilizar como capa de drenaje directo, ya que aunque su capacidad de drenaje se pueda medir en laboratorio con agua limpia, en condiciones reales, en un lugar determinado, (retención de suelo en el interior de la estructura), la capacidad de drenaje resulta imprevisible. También es importante que los sistemas de drenaje puedan mantener una capacidad drenante adecuada para que resulten eficaces a largo plazo, incluso cuando se encuentren sometidos a una intensa presión por parte del terreno. Para evitar la colmatación y la contaminación de la capa drenante, se debe incorporar siempre un filtro en el sistema de drenaje. Los sistemas de drenaje artificiales que incluyen un filtro geotextil han demostrado su eficacia como solución alternativa más económica que los sistemas de drenaje de arena, los pozos filtrantes y otros sistemas tradicionales.
Habitualmente, las capas de drenaje o drenajes geosintéticos se elaboran a partir de un núcleo revestido con filtros geotextiles. Es imprescindible que el material filtrante presente una calidad y unas propiedades físicas constantes, una resistencia y una durabilidad excepcionales, una resistencia satisfactoria a las tensiones ejercidas durante la instalación y un rendimiento de filtración óptimo a largo plazo. El funcionamiento incorrecto o los fallos prematuros de un sistema de drenaje pueden ocasionar en la estructura en cuestión problemas funcionales y de seguridad. En el mejor de los casos, un fallo de drenaje originará reparaciones costosas y molestias derivadas. Por ello, es esencial utilizar un material de filtración que pueda funcionar con eficacia a largo plazo, incluso en las condiciones de terreno más difíciles.
2.6 – Protección
El término “protección” se define de la siguiente forma: “Función consistente en impedir o limitar los daños localizados que afectan a un elemento o a un material determinado empleando un geotextil o un producto que se asemeje a los geotextiles” 10.
Por lo general, los geotextiles se emplean para la protección de las geomembranas en las descargas, para la colocación de tejados, en depósitos y en los proyectos hidráulicos.
Las propiedades más importantes de un geotextil con respecto a su función de protección son la resistencia a la perforación y la uniformidad del producto (es decir, la ausencia de puntos débiles). Además, las pruebas 11 de resistencia a la perforación mediante clavos han demostrado que propiedades como el espesor y el peso específico del producto no pueden garantizar por sí solas una eficacia de protección óptima.
2.7 – Resistencia al deterioro durante la instalación
El geotextil no podrá seguir cumpliendo sus funciones si se destruye durante o inmediatamente después de la instalación. Los análisis efectuados demuestran que el periodo crítico en el ciclo de vida de un geotextil tiene lugar principalmente durante el proceso de colocación, antes que en etapas posteriores. El 95% de los daños se producen habitualmente en la fase de instalación. Con frecuencia, son sencillamente el resultado de daños ocasionados por impactos recibidos durante la descarga y por la compactación de los áridos. Por lo general, si el geotextil sobrevive a estos daños sufridos en el transcurso de la instalación, también podrá resistir las tensiones a las que se verá sometido durante su uso normal.
Se ha realizado un trabajo considerable para tratar de comprender la relación existente entre las propiedades físicas de un geotextil de separación y su rendimiento real sobre el terreno. Estos estudios han confirmado la existencia de una correlación estrecha entre la capacidad de un geotextil de absorber la energía del impacto y su susceptibilidad al deterioro durante la instalación III.
Las siguientes figuras muestran las distintas formas de fallos de un geotextil y la importancia de una capacidad elevada de absorción de la energía:
Absorción de energía
El potencial de absorción de energía (W) de un geotextil se puede describir como la combinación de su elongación y de la resistencia que aplica. El siguiente gráfico (Figura 13) ilustra este concepto: en él se muestran las diferentes formas de potencial de absorción de energía real y teórica, definido anteriormente por la superficie que se encuentra bajo la curva.
Son varias las especificaciones a nivel nacional que están incorporando el concepto de absorción de energía. En cualquier caso, algunas especificaciones se basan más en los valores teóricos que en el cálculo de la superficie bajo la curva W = ∫ T * ε. Este cálculo se simplifica mediante la fórmula Wt = 1/2 T * ε. El resultado se traduce en una absorción teórica de energía (Wt) para determinados productos, sensiblemente más elevada, mientras que para otros, la absorción teórica de energía es menor que el potencial real de absorción de energía, medido durante la prueba de resistencia a la tracción (EN 10319).
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Fuentes:
– Definición, función y clasificación de los geotextiles. Francisco Ballesteros Muñoz, Daniel, Castro Fresno y Miguel Gil Oceja. Departamento de Transporte y Tecnología de Proyectos y Procesos de la Universidad de Cantabria. Revista Arte y Cemento 30/10/00
– Dupont Typar SF, Manual Técnico.
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