En esta nota técnica se analizan los métodos para medir el caudal de agua en el interior de una capa de drenaje en condiciones de laboratorio. La propiedad más importante que debe especificarse para una capa de drenaje es un caudal de agua adecuado a lo largo de toda su extensión, ya sea en forma de geocompuesto de drenaje o de grava de drenaje porosa. Esto puede consistir en un ensayo de caudal directo de un geocompuesto de drenaje o en la evaluación de la permeabilidad de la grava de drenaje porosa.
Existen tres términos que se utilizan habitualmente para especificar el caudal de agua requerido en una capa de drenaje: caudal en el plano, transmisividad y permeabilidad.
Caudal en el plano
El caudal en el plano se mide de acuerdo con la norma EN ISO 12958 y es el método recomendado para medir el caudal de agua en un geocompuesto de drenaje. El ensayo consiste en medir el caudal de agua a través de una muestra del geosintético de drenaje a una altura hidráulica específica (véase la figura 1).
La muestra de ensayo se coloca en el banco de pruebas bajo una tensión de compresión definida entre placas blandas o, en ocasiones, duras. Las placas blandas se utilizan para simular el suelo, lo 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—.
Por defecto, deben utilizarse placas blandas para todos los datos de ensayo, ya que las placas duras representan aplicaciones poco habituales en la práctica.
Figura 1: Montaje de ensayo según la norma EN ISO 12958
El caudal en el plano se define como el caudal de salida (en litros por segundo) dividido por la anchura de la muestra sometida a ensayo.
En cada ensayo de flujo se indican el gradiente hidráulico, la tensión de compresión y el tipo de placas utilizadas durante los ensayos. Al realizar ensayos con varios gradientes hidráulicos diferentes para cada tensión de compresión e interpolar los resultados, se puede elaborar un diagrama de flujo que permita estimar el caudal máximo en el geocompuesto para cualquier gradiente hidráulico dado (véase la figura 2).
Figura 2: Flujo de agua típico en el plano de un geocompuesto
Transmisividad
El método de ensayo para medir la transmisividad (o transmisividad hidráulica, por su nombre completo) está definido en la norma ASTM D4716 y, en la práctica, es idéntico al de la norma EN ISO 12958. La diferencia entre ambos métodos radica en la forma de presentar los resultados. La transmisividad se define como el caudal de salida (en metros cúbicos por segundo) dividido entre la anchura de la muestra sometida a ensayo y el gradiente hidráulico.
La transmisividad se basa en la idea de que el caudal es directamente proporcional al gradiente hidráulico. Es decir, una gráfica que represente el caudal en función del gradiente hidráulico sería una línea recta, tal y como cabría esperar en situaciones de flujo laminar. Sin embargo, en los geocompuestos de drenaje el flujo no es laminar y la relación entre el caudal y el gradiente hidráulico no es lineal (véase la figura 2).
Permeabilidad
Al analizar el flujo de agua a través de una capa de drenaje formada por grava porosa, es habitual utilizar la permeabilidad para evaluar el caudal máximo dentro de dicha capa. «La permeabilidad de un suelo es una medida de su capacidad para permitir el flujo de agua a través de los espacios porosos entre las partículas sólidas» (BS 1377-5:1990).
En el caso de la grava de drenaje, la permeabilidad se mide en el laboratorio utilizando los métodos descritos en la norma BS 1377-5:1990 (véase la figura 3). El procedimiento de ensayo es similar, en principio, al utilizado con los geocompuestos de drenaje, en el sentido de que se aplica un gradiente hidráulico constante a una muestra de grava saturada y se mide el caudal de salida.
La permeabilidad de la grava (k) se evalúa de manera similar a como se evalúa la transmisividad en un geocompuesto de drenaje.
Figura 3: Diagrama de montaje del ensayo según la norma BS 1377-5
Al igual que en el caso de la transmisividad, esto supone que el flujo es laminar y que 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 y la relación entre el flujo y el gradiente hidráulico no es lineal (Mulqueen, 2005) . No obstante, dado que la relación es casi lineal, es práctica habitual suponer una permeabilidad constante en la grava de drenaje.
Comparación
Caudal en el plano frente a transmisividad
Los ensayos de caudal en el plano según la norma EN ISO 12958 y los de transmisividad según la norma ASTM D4716 son, en la práctica, el mismo ensayo. Sin embargo, al comparar los valores de transmisividad y de caudal en el plano, es importante comprender las condiciones del ensayo. Principalmente, el gradiente hidráulico, la tensión de compresión y el tipo de placas utilizadas durante el ensayo. Si los ensayos de dos productos se han realizado en condiciones diferentes, resulta difícil comparar con precisión los resultados, ya que la relación entre el caudal y el gradiente hidráulico en un geocompuesto no es lineal, y el comportamiento del caudal bajo diferentes placas y tensiones de compresión puede variar significativamente entre los distintos geocompuestos de drenaje.
Resultados del flujo en geocompuestos frente al flujo en grava
El mejor método para comparar los resultados del flujo en geocompuestos con el flujo de agua en una capa de drenaje es comparar los resultados en las condiciones que se esperan en la obra. Por ejemplo, en una situación de drenaje vertical detrás de un muro de contención, los resultados del flujo en el geocompuesto deberían obtenerse con un gradiente hidráulico de 1,0, utilizando placas blandas, a una presión relacionada con la presión horizontal máxima del terreno en la base del muro. El caudal máximo de agua en la grava puede evaluarse utilizando la ley de Darcy (véase la figura 4) y compararse directamente con los resultados adecuados del flujo en el geocompuesto.
Figura 4: Flujo de agua en una capa de drenaje de grava según la ley de Darcy
Conclusión
El flujo de agua en un geocompuesto de drenaje debe medirse mediante ensayos de flujo en el plano, de conformidad con la norma EN ISO 12958, o mediante ensayos de transmisividad, de conformidad con la norma ASTM D4716. Estos métodos son, en la práctica, el mismo ensayo, pero presentan los resultados de forma diferente. Al comparar los valores de transmisividad y de flujo en el plano, es importante comprender las condiciones del ensayo. Principalmente, el gradiente hidráulico, la tensión de compresión y el tipo de placas utilizadas durante el ensayo.
El caudal de agua en una capa de drenaje de grava se evalúa midiendo la permeabilidad de acuerdo con la norma BS 1377 5:1990. Estos resultados pueden compararse directamente con los resultados del caudal de agua en geocompuestos utilizando la ley de Darcy para las condiciones previstas en la obra.
Referencias
ASTM D4716 / D4716M-20, Método de ensayo estándar para determinar el caudal (en el plano) por unidad de anchura y la transmisividad hidráulica de un geosintético utilizando una carga hidráulica constante, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2020, www.astm.org
British Standards Institution, BS 1377-5:1990 – Métodos de ensayo de suelos para fines de ingeniería civil. Ensayos de compresibilidad, permeabilidad y durabilidad
EN ISO 12958:2020 – Geotextiles y productos relacionados con los 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 la grava. Irish Journal of Agricultural and Food Research, 44(1), 83-94.