Esta Nota Técnica analiza las formas de medir el flujo de agua dentro de una capa de drenaje en un laboratorio. La propiedad más importante que se debe especificar para una capa de drenaje es el flujo de agua adecuado a lo largo de la capa de drenaje, que podría ser en forma de un geocompuesto de drenaje o grava de drenaje porosa. Esto podría ser una prueba de flujo directo de un geocompuesto de drenaje o una evaluación de la permeabilidad de la grava de drenaje porosa.
Hay tres términos que normalmente se utilizan para especificar el flujo de agua requerido dentro de una capa de drenaje: flujo en el plano, transmisividad y permeabilidad.
Flujo en el plano
El flujo en el plano se mide de acuerdo con EN ISO 12958 y es el método recomendado para medir el flujo de agua dentro de un geocompuesto de drenaje. La prueba implica medir el flujo de agua a través de una muestra del geosintético de drenaje en una cabeza hidráulica específica (ver Figura 1).
La muestra de prueba se coloca en el banco de pruebas bajo una tensión de compresión definida entre placas blandas o, en ocasiones, duras. Se utilizan placas blandas para simular el suelo que provoca la intrusión del geotextil en el núcleo del geocompuesto, lo que puede restringir el flujo, algo que puede ser muy significativo en algunas situaciones.
De forma predeterminada, se deben utilizar platos blandos para todos los datos de prueba, ya que los platos duros representan aplicaciones de práctica inusuales.
Figura 1: Configuración de prueba EN ISO 12958
El flujo en el plano se define como la tasa de flujo de salida (en litros por segundo) dividida por el ancho de la muestra analizada.
Cada prueba de flujo se informa con el gradiente hidráulico, la tensión de compresión y el tipo de platos utilizados durante las pruebas. Al realizar pruebas en varios gradientes hidráulicos diferentes para cada esfuerzo de compresión e interpolar los resultados, se puede armar un diagrama de flujo que permitirá estimar el caudal máximo en el geocompuesto para cualquier gradiente hidráulico determinado (consulte la Figura 2).
Figura 2: Flujo de agua típico en el plano en un geocompuesto
transmisividad
El método de prueba para medir la transmisividad (o transmisividad hidráulica, para darle su nombre completo) está definido por ASTM D4716 y el método de prueba es efectivamente el mismo que EN ISO 12958. La diferencia entre estos dos métodos está en el informe de los resultados. La transmisividad se define como la tasa de flujo de salida (en metros cúbicos por segundo) dividida por el ancho de la muestra analizada y el gradiente hidráulico.
La transmisividad se basa en la idea de que el flujo es directamente proporcional al gradiente hidráulico. Es decir, una gráfica de flujo versus gradiente hidráulico sería una línea recta como se esperaría en situaciones de flujo laminar. Sin embargo, en los geocompuestos de drenaje el flujo no es laminar y la relación entre el flujo y el gradiente hidráulico no es lineal (ver Figura 2).
Permeabilidad
Al considerar el flujo de agua a través de una capa de drenaje hecha de grava porosa, es una práctica estándar utilizar la permeabilidad para evaluar el caudal máximo dentro de la capa de drenaje. “La permeabilidad de un suelo es una medida de su capacidad para permitir el flujo de agua a través de los espacios porosos entre partículas sólidas” (BS 1377-5:1990).
Cuando se considera grava de drenaje, la permeabilidad se mide en el laboratorio utilizando los métodos descritos en BS 1377-5:1990 (ver Figura 3). El procedimiento de prueba es similar en principio al utilizado con geocompuestos de drenaje, en el sentido de que se aplica un gradiente hidráulico constante a una muestra de grava saturada y se mide la tasa de flujo de salida.
La permeabilidad de la grava (k) se evalúa de manera similar a la evaluación de la transmisividad en un geocompuesto de drenaje.
Figura 3: Diagrama de configuración de prueba BS 1377-5
Al igual que con la transmisividad, esto supone que el flujo es laminar y que el flujo es directamente proporcional al gradiente hidráulico. En suelos de grano más fino donde la permeabilidad es baja, esto es aproximadamente correcto. Sin embargo, en suelos de grano más grueso como la grava de drenaje los caudales son muy bajos, la relación entre el flujo y el gradiente hidráulico no es lineal (Mulqueen, 2005). Sin embargo, como la relación es casi lineal, es una práctica estándar asumir una permeabilidad constante en la grava de drenaje.
Comparación
Flujo en el plano frente a transmisividad
Las pruebas de flujo en el plano de acuerdo con EN ISO 12958 y las pruebas de transmisividad de acuerdo con ASTM D4716 son efectivamente la misma prueba. Sin embargo, al comparar valores de transmisividad y flujo en el plano, es importante comprender las condiciones de la prueba. Principalmente, el gradiente hidráulico, la tensión de compresión y el tipo de platos utilizados durante las pruebas. Si las pruebas para dos productos se realizaron en diferentes condiciones, es difícil comparar con precisión los resultados ya que la relación entre el flujo y el gradiente hidráulico en un geocompuesto no es lineal, y el comportamiento del flujo bajo diferentes placas y tensiones de compresión puede variar significativamente entre geocompuestos de drenaje. .
Resultados del flujo de geocompuestos frente al flujo de grava
El mejor método para comparar los resultados del flujo de geocompuestos con el flujo de agua en una capa de drenaje es comparar los resultados en las condiciones esperadas en el sitio. Por ejemplo, en una situación de drenaje vertical detrás de un muro de contención, los resultados del flujo del geocompuesto deben tener un gradiente hidráulico de 1.0, utilizando platos blandos, a una presión relacionada con la presión horizontal máxima del suelo en la base del muro. El caudal máximo de agua en grava se puede evaluar utilizando la Ley de Darcy (ver Figura 4) y compararse directamente con resultados de flujo de geocompuestos adecuados.
Figura 4: Flujo de agua en una capa de drenaje de grava usando la Ley de Darcy
Conclusión
El flujo de agua en un geocompuesto de drenaje debe medirse mediante pruebas de flujo en el plano de acuerdo con EN ISO 12958, o pruebas de transmisividad de acuerdo con ASTM D4716. Estos métodos son efectivamente la misma prueba, pero informan los resultados de manera diferente. Al comparar valores de transmisividad y flujo en el plano, es importante comprender las condiciones de prueba. Principalmente, el gradiente hidráulico, la tensión de compresión y el tipo de platos utilizados durante las pruebas.
El flujo de agua en una capa de drenaje de grava se evalúa midiendo la permeabilidad de acuerdo con BS 1377 5:1990. Estos resultados se pueden comparar directamente con los resultados del flujo de agua de geocompuestos utilizando la Ley de Darcy para las condiciones esperadas en el sitio.
Referencias
ASTM D4716/D4716M-20, Método de prueba estándar para determinar el caudal (en el plano) por unidad de ancho y la transmisividad hidráulica de un geosintético utilizando una cabeza constante, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2020, www.astm.org
British Standards Institution, BS 1377-5:1990 – Métodos de prueba de suelos con fines de ingeniería civil. Ensayos de compresibilidad, permeabilidad y durabilidad.
EN ISO 12958:2020 – Geotextiles y productos relacionados con geotextiles – Determinación de la capacidad de flujo de agua en su plano (ISO 12958:2020)
Mulqueen, J. (2005). El flujo de agua a través de gravas. Revista irlandesa de investigación agrícola y alimentaria, 44(1), 83-94.