Fluidos bentoníticos como estabilizador de excavaciones

Central de tratamiento de lodos. Imagen de Catalana de Perforacions

La bentonita es el nombre con el que se denominan a ciertos tipos de arcillas que poseen propiedades tixotrópicas cuando se mezclan con el agua. Debe su nombre a su descubrimiento cerca de Fort Benton, en los Estados Unidos en el siglo XIX. Las bentonitas comerciales son silicatos de aluminio hidratados y contienen fundamentalmente el mineral montmorillonita. El nombre de este tipo de arcilla se debe a su descubrimiento en cerca de Montmorillon, en Francia. Hoy día se utilizan distintas clases de bentonita tanto en ingeniería civil como en edificación, pudiendo variar sensiblemente sus propiedades en función de su origen.

Uno de los usos más frecuentes de la bentonita es como fluido estabilizador de excavaciones, donde compite con los fluidos a base de polímeros, fundamentalmente en la ejecución de pilotes. Dentro de este uso, la estabilización de excavaciones de muros pantalla esta ampliamente difundida en España. Los fluidos bentoníticos se utilizan también habitualmente para estabilizar las paredes de la excavación de pilotes excavados de cierto diámetro e incluso en los de pequeño diámetro en competencia con las entibaciones recuperables. En esta aplicación el fluido bentonítico debe se capaz de formar una barrera o bizcocho (cake) en las paredes de la excavación a fin de impedir la pérdida de fluido en el terreno, creando una capa contra la que puede actuar la presión del fluido para contrarrestar las presiones externas del terreno o las aguas freáticas. Otro uso habitual, del cual ya hemos hablado en una entrada anterior, es como fluido de perforación en la Perforación Horizontal Dirigida. También se usa la bentonita en la creación de barreras húmedas en el terreno para contener el agua de zonas contaminadas. Son las pantallas plásticas (Cutter Soil Mixing). En esta aplicación se suele mezclar con cemento u otros materiales a fin de crear un slurry que permanece en estado fluido durante varias horas antes de adquirir mayor consistencia y funcionar como barrera. En ciertas ocasiones se suele introducir una membrana flexible en la barrera. Por último, los fluidos bentoníticos también se utilizan para la contención del frente de excavación en túneles, delate de las tuneladoras y para el transporte de los restos excavados hacia las unidades desarenadoras situadas en la parte posterior del convoy.

Sin embargo, las propiedades de las bentonitas varían y, por tanto, no todas sirven para todos los usos. Por ejemplo, la propiedad de resistencia del estado de gel es importante si el fluido bentonítico esta en reposo y debe ser capaz de contener sólidos en suspensión, y no es por el contrario importante si el fluido es agitado continuamente en un sistema con recirculación. Las propiedades de las bentonitas deben considerarse antes de usar un tipo determinado para una aplicación específica. Independientemente de estas variaciones en cuanto a sus característica, las bentonitas deben cumplir los siguientes requisitos y funciones:

    1. Mantener los frentes de la excavación aportando presión hidrostática a las paredes de la misma.
    2. Mantenerse dentro de la excavación sin fluir hacia el suelo colindante.
    3. Mantener en suspensión los detritus procedentes de la excavación.
    4. Permitir ser desplazados con facilidad y limpiamente por el hormigón, sin una afección significativa a la adherencia armadura-hormigón.
    5. Debe ser posible su limpieza de sólidos en suspensión mediante el bombeo y paso por desarenadoras para su reutilización posterior.
    6. Ser bombeables con facilidad.

En general, las tres primeras propiedades requieren un producto denso y las tres últimas un producto muy fluido. Hay por tanto un conflicto que debe ser resuelto en cada caso antes de la puesta en obra del fluido estabilizador.

En el vídeo que sigue se puede observar la elaboración de bentonita para su uso en un muro pantalla.

En este otro, podéis ver su uso en un pilote.

En el vídeo que os dejo a continuación se profundiza en el uso de los lodos como fluido de perforación. Espero que os sea de utilidad.

Referencias:

 

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Springsol: mejora de terrenos mediante columnas de suelo-cemento

http://www.tectonica-online.com/

Springsol es una técnica especialmente útil en el tratamiento del terreno en trabajos de rehabilitación o refuerzo de estructuras, terrenos bajo losas de naves industriales, terraplenes en infraestructuras de comunicación, etc. Se encuentra a medio camino entre el pilote de mortero, las columnas de suelo-cemento realizadas mediante jet grouting y las columnas de mortero inyectado a presión controlada ejecutadas mediante intrusiones rígidas o compaction grouting.

Se trata de un procedimiento donde se crea una columna de suelo-cemento por medios mecánicos, con unas aspas o alas que giran y amasan el suelo. Utiliza equipos de tamaño reducido realizando perforaciones de pequeños diámetros (de 100 a 150 mm). Esta característica permite minimizar el efecto sobre losas, soleras o zapatas, siendo posible perforar estratos intermedios no perforables con barrenas, dejando los primeros metros sin tratamiento. Además, evita la inyección a altas presiones, susceptibles de afectar a las estructuras. Además, permite ejecutar la columna a partir de una profundidad concreta (con, por ejemplo tapones, de fondo).

Una aplicación especialmente interesante es el tratamiento de taludes ferroviarios atravesando el balasto, evitando su contaminación, con una mínima afección al servicio.

Aspecto de la columna formada. http://www.rodiokronsa.es/
A- Perforación con ligante. B- Mezcla suelo-ligante (rechazo). C- Apertura de alas bajo tubería. D- Perforación, mezcla suelo-ligante. Diámetro de columna 400 mm. http://www.tectonica-online.com/
http://actions-incitatives.ifsttar.fr/

Os paso a continuación una animación donde se puede ver con mayor claridad cómo funciona este tratamiento.

Referencias:

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp.

Decálogo en la rehabilitación y refuerzo de cimentaciones

Juan José Rosas Alaguero

Por su interés, os recomiendo el decálogo que Juan José Rosas, ingeniero de caminos consultor en geotecnia aplicada, nos ofrece en relación con la rehabilitación y refuerzo de cimentaciones. Este decálogo lo hizo público en un curso sobre reparación y refuerzo de cimentaciones en rehabilitación de edificios, del cual os dejo el vídeo.

DECÁLOGO:

  1. Antes de actuar, se ha de estabilizar.
  2. No confundas la enfermedad con los síntomas.
  3. Un minuto o un euro en fase de diagnóstico (establecer el o los escenarios que explican los hechos así como los riesgos e incertidumbres soportadas) son horas y cientos de euros en fase de proyecto (determinación de protocolos de actuación y dimensionado de elementos) así como días y miles de euros en fase de construcción.
  4. Enfoca tus prospecciones a descartar escenarios no a buscarlos. Contempla como posibles todos los escenarios que no hayas descartado.
  5. Establece protocolos de actuación que analicen y gestionen los riesgos en todas las fases constructivas siendo éstos suficientemente flexibles para adaptarse a cambios de escenarios.
  6. Si no has acertado en el diagnóstico, al menos, que tu actuación no empeore la situación (anclaje pasivo y activo).
  7. Lo que ha funcionado suele tener tendencia a seguir funcionando, por ende, lo que no ha funcionado difícilmente pasará a funcionar.
  8. La conexión de los elementos nuevos y los antiguos es el punto más crítico de la actuación, trátalo como tal.
  9. Todo lo que puedas medir, mídelo. De las pocas cosas que puedes fiarte es de los datos de pruebas de carga y de la auscultación, luego ausculta.
  10. A veces únicamente puedes optar por soluciones paliativas.

 

Referencias:

ROSAS, J.J. GEOJUANJO: Una visión pragmática y personal de la geotecnia aplicada. http://geojuanjo.blogspot.com.es/

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp.

La precarga como técnica para la mejora de terrenos

Precarga en dársena del puerto de Escombreras. http://opweb.carm.es/premiosingenieriacivil/faces/vervistaprevia.xhtml?codigo=E201646
Precarga en dársena del puerto de Escombreras. http://opweb.carm.es/premiosingenieriacivil/faces/vervistaprevia.xhtml?codigo=E201646

La precarga consiste en aplicar al terreno una carga igual o superior a la que producirá en servicio la estructura que se proyecta apoyar en él, provocando su consolidación, lo que se traduce en un aumento de la resistencia del terreno y una disminución de los asientos postconstructivos. En algunas ocasiones es necesario realizar la precarga cuando la obra está acabada o semiacabada, como en tanques de almacenamiento de líquidos.

Este tratamiento es un método de mejora destinado, en principio, a suelos cohesivos blandos. Estos suelos son susceptibles de sufrir asientos importantes bajo sobrecargas pequeñas, con una evolución lenta de estos asientos, y, dada su baja resistencia al corte, procesos de rotura (deslizamiento de terraplenes, hundimiento de cimentaciones superficiales, etc.).

En un suelo blando los asientos son irreversibles casi en su totalidad, aunque las cargas aplicadas sean retiradas el terreno no vuelve a su posición original. Si se vuelve a cargar hasta el mismo valor de la carga previa, o no hay asientos o son mucho menores.

La Figura 1 representa la curva de asientos de un suelo precargado bajo un terraplén. Durante la precarga el suelo asienta según la curva descrita hasta llegar al punto 1, correspondiente al instante del inicio de la retirada del terraplén. Así, la curva describe esta descarga hasta llegar al punto 2 donde el suelo ya no tiene carga, pero los asientos remanentes, son casi iguales a los producidos por la carga del terraplén.

precarga-1
Figura 1. Curva carga-asiento de un suelo precargado bajo un terraplén

Al recargar el suelo con una carga igual a la del terraplén (punto 3 de la Figura 2) el suelo describe una curva similar a la de descarga, pero de sentido contrario. Se observa como los asientos inducidos por la recarga son pequeños, debido a la memoria de carga del suelo.

Figura 2. Curva carga-asiento tras la retirada del terraplén
Figura 2. Curva carga-asiento tras la retirada del terraplén

Lo que se ha descrito es la finalidad de la precarga, preconsolidar un suelo compresible para que cuando vuelva a ser cargado por la estructura definitiva sufra los menores asientos, además de aumentar su resistencia.

Casi todos los tipos de suelos, tanto secos como saturados, pueden ser mejorados con buenos resultados por medio de la precarga. Ésta ha sido aplicada en suelos naturales, como arenas sueltas y limos, arcillas limosas blandas, limos orgánicos, turbas y depósitos aluviales erráticos, al igual que en suelos artificiales formados de materiales dragados sin compactar, residuos industriales (cenizas) y depósitos de residuos urbanos. Los suelos sobreconsolidados (sometidos a una carga mayor que la actual) no responden tan bien a la precarga, puesto que su comportamiento es más elástico que los normalmente consolidados.

El método más común de aplicar la precarga es apilar el material de relleno sobre el terreno original, usando camiones y extendedoras, y dejando la carga un cierto tiempo. Una vez alcanzada la consolidación, el material se retira con medios auxiliares similares, procediendo a continuación a la construcción de la nueva obra, considerando que las deformaciones con que responderá el terreno ya sean admisibles para su funcionamiento. El material retirado puede utilizarse para otra precarga de la obra o para la construcción de terraplenes. Existen otros métodos de precarga que consisten en bajar el nivel freático mediante pozos filtrantes, zanjas, bombeo al vacío en pozos, y el fenómeno de electroósmosis.

Como ventajas de la aplicación de este método pueden destacar:

  • Bajo coste. Entre un 10-20% respecto a otros métodos. Entre un 20-40% si la precarga se realiza con drenes.
  • Los equipos utilizados son sencillos y baratos (equipos de movimiento de tierras)
  • Se evalúan los efectos de un modo directo e inmediato. Equivale a un ensayo a escala natural.
  • En zonas sensibles a la sismicidad, se reduce el riesgo de licuefacción en suelos arenosos finos.

 

 

Figura 3. Precompresión del terreno
Figura 3. Precompresión del terreno

Uno de los factores más limitantes de esta técnica es el tiempo necesario para que se produzca la consolidación, por lo que a veces no se dispone siquiera de unos pocos meses para que funcione la precarga. Esto puede evitarse con una buena previsión del trabajo, anticipándose la ejecución de la precarga a la finalización del proyecto o comienzo de las obras. Como factores limitantes de la precarga, además del tiempo, puede considerarse: el límite de la capacidad de soporte del suelo, el efecto sobre estructuras próximas (asientos, empujes laterales del terreno, rozamiento negativo) y posibles costes elevados de auscultación y control.

Para acelerar la consolidación y así reducir el tiempo de precarga, puede ser económico realizar tratamientos adicionales que mejoren el drenaje del terreno, reduciendo el camino del agua a zonas más permeables y modificando las direcciones de flujo. Estos métodos son:

  1. Inclusiones verticales por columnas de grava. Esta técnica, además de acelerar el proceso de consolidación, supone un refuerzo del terreno.
  2. Instalación de drenes verticales en el terreno. Los fines buscados con este método son alcanzar un grado de consolidación suficiente dentro de un plazo aceptable en el proyecto, modificando las variables de consolidación y tiempo. Con ello se provocan asientos de forma anticipada, con asientos postconstructivos insignificantes.

Referencia:

MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcción. Mejora de terrenos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. Ref. 2004.844.

 

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