El relleno de drenaje es el material que más se pasa por alto en obra. A simple vista la tarea es sencilla: se coloca la tubería, se vierte grava sobre ella y se cierra la zanja. Sin embargo, el material colocado allí cumple dos funciones a la vez, y estas funciones entran en conflicto. Debe dejar pasar el agua con rapidez y, al mismo tiempo, retener las partículas finas del suelo circundante para que no sean arrastradas hacia la tubería. Si se elige la granulometría solo en función de la permeabilidad, el sistema se colmata de material fino en el primer invierno; si se elige solo en función de la retención, el agua no pasa en absoluto. Esta guía expone los criterios que logran ese equilibrio y su aplicación en obra.
Las dos funciones del árido de drenaje: dejar pasar el agua y retener el suelo
La función de un sistema de drenaje es recoger el agua que daña la estructura y conducirla a una salida controlada. El agua acumulada detrás de un muro de contención ejerce una presión horizontal que no estaba prevista en el diseño del muro; el agua que penetra en el cuerpo de la vía reduce su capacidad portante; el agua que incide sobre un muro de sótano fuerza la impermeabilización. En todos estos casos, la solución consiste en captar el agua mediante un cuerpo permeable antes de que llegue a la estructura y dirigirla hacia una tubería. El material que forma ese cuerpo permeable es el árido de drenaje.
Sin embargo, el agua no se desplaza sola. Al percolar, arrastra consigo las partículas finas del suelo que atraviesa. Si esas partículas entran en los huecos del material de drenaje y permanecen allí, los huecos se van colmatando con el tiempo y la permeabilidad disminuye; esto se denomina colmatación. Si las partículas llegan hasta la tubería, se forman depósitos en su interior y el sistema pierde por completo su función. Peor aún, la eliminación continua de material fino genera huecos en el suelo; esta erosión interna provoca asentamientos en la superficie y, en una fase avanzada, el colapso.
De aquí se derivan las dos funciones del árido de drenaje: ser permeable y actuar como filtro. Ambas entran en conflicto a través de la distribución granulométrica. Si el material es grueso y de un solo tamaño, el agua pasa muy bien, pero no retiene en absoluto las partículas finas. Si el material es fino y de granulometría continua, retiene las partículas, pero no deja pasar el agua. La solución correcta se encuentra en un punto intermedio, y ese punto no se determina por estimación, sino mediante el criterio de filtro.
La permeabilidad viene determinada por la distribución granulométrica
La capacidad de un material granular para dejar pasar el agua depende menos del volumen de sus huecos que del tamaño de estos. Lo que ofrece resistencia al flujo del agua es la fricción que se genera al pasar por canales estrechos. El tamaño de los huecos lo determinan las partículas más pequeñas del material, ya que estas se alojan en los canales entre las partículas grandes y estrechan el paso. Por eso la permeabilidad está relacionada con el extremo fino de la curva, no con el tamaño medio de partícula.
La consecuencia práctica en obra es la siguiente: una pequeña cantidad de material fino mezclada en un material de drenaje reduce su permeabilidad de forma desproporcionada. Un contenido de finos de apenas unos pocos puntos porcentuales puede reducir varias veces la capacidad de paso de agua del material. Por ello, en los materiales de drenaje y filtro, la proporción por debajo de 0,063 mm es la propiedad que se controla con más rigor, y el material se produce lavado como norma general. Una grava machacada sin lavar parece, en apariencia, el mismo material; sin embargo, la película de polvo de su superficie es arrastrada por la primera lluvia y obstruye los huecos.
La amplitud de la distribución del tamaño de partícula también es determinante. En un material con un coeficiente de uniformidad alto, es decir, con una distribución amplia, las partículas pequeñas rellenan los huecos y la permeabilidad disminuye; a cambio, aumentan la densidad de compactación y la estabilidad. En un material de granulometría estrecha, cercana al tamaño único, los huecos son grandes y están interconectados, la permeabilidad es alta, pero las partículas pueden deslizarse entre sí bajo carga. En el cuerpo de drenaje se suele preferir una granulometría estrecha, y en las capas de transición, una más amplia. Explicamos cómo se leen estos indicadores en la curva en el artículo sobre el análisis granulométrico y la curva de granulometría.
El criterio de filtro: por qué el material fino obstruye la tubería
El criterio de filtro es un conjunto de reglas que relaciona la distribución granulométrica del material de drenaje con la del suelo circundante. Su lógica es la siguiente: los huecos del material filtrante deben ser lo bastante pequeños como para no dejar pasar los granos gruesos del suelo que se quiere proteger. Esos granos gruesos forman un puente en la boca del hueco, los granos más finos quedan retenidos detrás de ellos y el suelo forma así una capa natural autofiltrante. Si este efecto de puente no llega a formarse, el material fino es arrastrado de forma continua.
La regla clásica y ampliamente aceptada se basa en dos proporciones. La primera es el criterio de retención: el tamaño por debajo del cual queda el quince por ciento del material filtrante no debe superar de cuatro a cinco veces el tamaño por debajo del cual queda el ochenta y cinco por ciento del suelo que se desea proteger. Esta condición mantiene los vacíos del filtro lo bastante pequeños como para retener las partículas gruesas del suelo. La segunda es el criterio de permeabilidad: el tamaño por debajo del cual queda el quince por ciento del material filtrante debe ser al menos de cuatro a cinco veces el tamaño correspondiente al mismo porcentaje en el suelo. Esta condición hace que el filtro sea notablemente más permeable que el suelo, de modo que el agua no se acumule en su interior.
Los dos criterios definen juntos un intervalo. El límite inferior lo determina la permeabilidad y el límite superior la retención; la distribución granulométrica del material debe situarse dentro de ese intervalo. En algunas aplicaciones se añade la condición de que las curvas sean aproximadamente paralelas entre sí; cuando la curva del filtro tiene una pendiente similar a la del suelo, la transición resulta más estable. Además, el material filtrante no debe segregarse internamente, es decir, sus fracciones fina y gruesa no deben separarse durante el transporte y la extensión; por ello los filtros con una granulometría excesivamente amplia resultan problemáticos.
Si el suelo es de grano muy fino, por ejemplo un suelo limoso o arcilloso, puede no ser posible cumplir a la vez la condición de retención y la de permeabilidad con una sola capa de filtro. En ese caso se utiliza un filtro inverso: se colocan dos o más capas que se vuelven progresivamente más gruesas desde el suelo hacia la tubería. Cada capa protege a la anterior y la última capa está en contacto con la tubería. La transición gradual divide en varios pasos una diferencia de tamaño que no se puede resolver en un solo paso.
Perforación del tubo, ancho de ranura y relleno perimetral
El criterio de filtro también tiene una vertiente relativa a la tubería. Los orificios o ranuras de la tubería de drenaje deben tener un tamaño que no permita la entrada de los granos del árido circundante. La regla generalmente aceptada es que la fracción gruesa del material que rodea la tubería debe ser claramente mayor que la abertura del orificio o la ranura; el tamaño por debajo del cual queda el ochenta y cinco por ciento del material se mantiene algo por encima del diámetro de un orificio circular, o por encima de la anchura de la ranura en una tubería ranurada. Así, los granos forman un puente sobre la abertura en lugar de colarse hacia el interior.
Este criterio es el punto que más se descuida en obra. Cuando se usa un tubo corrugado perforado junto con un lecho de arena fina, la arena se cuela por las perforaciones y el tubo se obstruye en pocas temporadas. Con el mismo tubo y piedra triturada lavada del tamaño correcto, el sistema funciona durante años. Por eso, la elección del tubo y la elección del árido no son decisiones independientes; no se puede decidir el tamaño del relleno envolvente sin conocer la geometría de las perforaciones del tubo.
El espesor del relleno alrededor del tubo también es importante. El material debe extenderse con un espesor suficiente no solo por debajo y a los lados del tubo, sino también por encima; el agua suele llegar al tubo principalmente desde arriba, y si la cubierta superior queda delgada, el material fino del relleno superior se asienta directamente sobre el tubo. En los laterales, el material debe colocarse bajo el tubo, especialmente en la zona de apoyo (riñones) en tubos flexibles, de modo que no queden huecos; un hueco en la parte inferior carga el tubo en puntos aislados y lo deforma.
Uso junto con geotextil
El geotextil es un tejido permeable que se coloca entre el árido de drenaje y el suelo circundante, y asume parte de la función de filtrado. Tiene dos propiedades básicas: el tamaño de abertura y la capacidad de flujo de agua. El tamaño de abertura determina el mayor tamaño de partícula que deja pasar el tejido y, igual que en el filtro de árido, se elige en función de la distribución granulométrica del suelo que se va a proteger. La capacidad de flujo de agua garantiza que el tejido pueda evacuar el caudal procedente del suelo; si es insuficiente, el agua se acumula detrás del tejido y el drenaje pierde su función.
El geotextil no es un material que sustituye al filtro de árido, sino un componente que lo complementa. En los casos en que instalar capas de filtro inverso resulta caro o poco práctico, se envuelve un material de drenaje grueso de tamaño único en geotextil para lograr a la vez alta permeabilidad y retención. Las mantas de drenaje detrás de los muros de contención y los rellenos alrededor de tuberías en zanjas se forman mayoritariamente de esta manera.
El propio geotextil también puede colmatarse. En suelos de grano fino, especialmente los dominados por limo, las partículas pueden alojarse en los poros del tejido y obstruir el paso del agua. Para reducir este riesgo, el tamaño de abertura se elige cuidadosamente en función del suelo y, cuando es necesario, se coloca una fina capa de transición de arena entre el geotextil y el suelo. Los tipos no tejidos punzonados con aguja ofrecen mayor capacidad de flujo de agua gracias a su espesor, mientras que los tipos tejidos aportan mayor resistencia; la elección se hace según si prevalece la función de filtrado o la de separación y refuerzo.
En la práctica, tres detalles determinan el resultado. El primero es el solape: las bandas del geotextil deben solaparse entre sí con una anchura suficiente, de lo contrario el material fino pasa por las juntas. El segundo es evitar roturas durante la colocación: verter material grueso de cantos afilados directamente sobre el geotextil y maniobrar la maquinaria sobre él perfora agujeros. El tercero es el sentido del envoltorio: el geotextil debe cerrarse envolviendo por completo el cuerpo de drenaje, sin dejar la parte superior abierta.
Detrás de un muro de contención: ¿drenaje o relleno?
El relleno situado detrás de un muro de contención debe responder a dos exigencias distintas a la vez. Por un lado, debe drenar bien y no generar presión de agua, para reducir el empuje horizontal sobre el muro; por otro, al tratarse también de un relleno, se espera que compacte adecuadamente y tenga un ángulo de fricción interna suficiente. Cumplir ambas exigencias con un único material suele ser posible, pero el diseño debe hacerse de forma deliberada.
La solución habitual consiste en formar, justo detrás del muro, una manta drenante de una anchura determinada con piedra machacada lavada. Esta zona desciende hasta el tubo colector situado en el pie del muro y conduce el agua directamente hacia abajo. Detrás de la manta se utiliza el material de relleno ordinario. Entre ambas zonas se coloca un geotextil para impedir que el material fino del relleno posterior migre hacia la manta. En el cuerpo del muro se dejan mechinales para evacuar el agua recogida, y sus bocas también se protegen con material filtrante.
Como material de manta, suele emplearse piedra triturada lavada de un solo tamaño o de granulometría estrecha; las fracciones de gravilla media y gruesa son típicas para este uso. La compactación de este material difiere de la de un relleno de granulometría continua: se asienta más por la vibración del rodillo que por su peso estático, y el control de compactación no se realiza con los ensayos de densidad clásicos, sino mediante el espesor de tendido y el número de pasadas. Además, como en la zona estrecha no puede emplearse un rodillo pesado, en la franja cercana al muro se trabaja con equipo vibratorio pequeño y en capas finas.
El error más frecuente es dejar la manta drenante abierta hasta la coronación del muro. El agua de lluvia y la escorrentía superficial entran entonces directamente en la manta desde arriba y el sistema trabaja permanentemente sobrecargado. La práctica correcta consiste en sellar la parte superior de la manta con un tapón de arcilla impermeable o relleno compactado, y evacuar el agua superficial mediante un canal independiente. El segundo error habitual es olvidar la salida del tubo colector en el pie del muro, o darle una pendiente insuficiente; si el agua recogida no puede evacuarse, la manta se convierte en un depósito de agua y genera precisamente la presión que se pretendía evitar.
Relleno de zanja y cama de tubería: la decisión sobre la distribución granulométrica
En las zanjas de infraestructura, el árido se utiliza en tres zonas distintas, y cada una tiene una exigencia diferente. En la parte inferior se encuentra el lecho de la tubería: la capa sobre la que se apoya la tubería, que le proporciona un soporte uniforme y continuo. La función del lecho es sostener la tubería a lo largo de toda su longitud, no en puntos aislados; por eso el material debe ser fácil de colocar, sin piedras grandes y manejable a mano. En la piedra triturada, las fracciones de gravilla media y fina son adecuadas para esta función.
La segunda zona es el relleno lateral a ambos lados de la tubería, y es la zona más crítica en las tuberías flexibles. Una tubería flexible soporta la carga que recibe no mediante su propia rigidez, sino mediante la reacción del terreno situado a sus lados; cuando la tubería empieza a aplanarse, se expande hacia los lados y recibe apoyo del relleno lateral. Sin ese apoyo, la tubería se ovala y termina colapsando. El relleno lateral debe colocarse sin huecos hasta la zona de riñones bajo la tubería y compactarse en espesores iguales por ambos lados; una compactación asimétrica desalinea la tubería.
La tercera zona es la capa de protección sobre la tubería y el relleno principal situado encima de ella. La capa de protección protege la tubería de los impactos y del material grueso que llega desde arriba; por ello no debe contener piedras grandes de bordes afilados. En el relleno principal la exigencia cambia: aquí ya no se busca drenaje, sino capacidad portante y ausencia de asentamientos. En las zanjas bajo una carretera, esta zona debe compactarse hasta alcanzar la misma densidad que el cuerpo circundante; de lo contrario se producirán asentamientos a lo largo de la zanja y aparecerá una marca longitudinal en la superficie del asfalto. Para conocer la lógica del material de esta capa, puede consultar el artículo qué es la zahorra.
Un error frecuente en el relleno de zanjas es utilizar un único material en todas las zonas. Si se rellena toda la zanja con material de drenaje de un solo tamaño, la zanja se convierte en un largo canal de drenaje dentro del cuerpo de la carretera, recogiendo el agua del entorno y llevándola hasta la vía. Por el contrario, si se coloca alrededor de la tubería un relleno con material fino, se pierde la función de drenaje y las perforaciones de la tubería se obstruyen. La práctica correcta consiste en utilizar materiales distintos según la zona y separarlas con geotextil donde sea necesario.
Calidad del material y errores cometidos en obra
Las propiedades exigidas al material de drenaje y filtro difieren de las del árido para hormigón o asfalto, pero no son menos rigurosas. La primera es la limpieza: el material debe estar lavado y la proporción por debajo de 0,063 mm debe mantenerse al mínimo. La segunda es la durabilidad mecánica. Esta exigencia puede sorprender, ya que el material no soporta carga estructural; sin embargo, si las partículas se rompen durante la compactación y bajo el peso del relleno superior, se genera material fino nuevo y ese polvo obstruye desde dentro los propios huecos del sistema. Un drenaje construido con un árido de baja calidad puede funcionar perfectamente el primer año y perder su función en pocos más.
El tercero es la forma de la partícula. Las partículas cúbicas y angulares se entrelazan entre sí bajo carga y conservan la estructura de huecos; en cambio, las partículas planas se apilan unas sobre otras, cerrando los huecos y rompiéndose con facilidad. El cuarto es la durabilidad química a largo plazo. El árido calizo se utiliza de forma amplia y exitosa en aplicaciones de drenaje y filtro; sin embargo, en entornos particulares con presencia de agua subterránea ácida debe tenerse presente que el carbonato cálcico puede disolverse, y si es necesario debe recurrirse a un material silíceo. Para conocer el carácter general de la caliza, puede consultar el artículo qué es la caliza.
La mayor parte de los errores en obra no proceden del material, sino de la ejecución. El más habitual es el uso de material sin lavar o polvoriento; el segundo, extender el material de drenaje directamente sobre el terreno, sin capa filtrante ni geotextil de por medio. El tercero es que el material fino desprendido de los taludes de la zanja durante la excavación se mezcle con el cuerpo drenante; esta es la forma más silenciosa de contaminar un material limpio. El cuarto es un solape insuficiente del geotextil, o dejar su parte superior sin cubrir. El quinto es no comprobar la pendiente ni la salida del tubo colector.
Un sistema de drenaje correctamente instalado protege la estructura durante años sin hacerse notar en ningún momento; uno mal instalado, en cambio, suele permanecer invisible, y el problema solo se detecta cuando aparece como una grieta en un muro, un asentamiento en la vía o humedad en el sótano. Por eso, la selección del material es una de las decisiones que se toman el primer día y cuya corrección posterior resulta más costosa. En su cantera de caliza en Milas, İTS Maden produce fracciones de drenaje y filtro lavadas, material de cama para tuberías y rellenos permeables teniendo en cuenta estos requisitos. Para determinar la distribución granulométrica adecuada a las condiciones del terreno y al tipo de tubería de su proyecto, puede consultar nuestros productos y ponerse en contacto con nosotros.
