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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Normas de seguridad durante la excavación de una pantalla

http://www.estructurasmaqueda.com

La excavación de un muro pantallas suele realizarse con una cuchara bivalva acoplada a una retroexcavadora. La profundidad de la excavación es variable y los taludes se estabilizan con bentonita, que se va añadiendo según va avanzando la excavación., por lo que hay que tener relacionado el caudal de aportación de bentonita con la velocidad de avance de la excavadora.

La tubería desde la instalación de la bentonita hasta la excavación es de acoplamiento rápido y están en contacto mediante un código de señales acústicas. La profundidad de la excavación se controla por medio de una cadena media, una vez que la excavación está a cota. Hay que esperar 20 o 30 minutos para la sedimentación, pasado este tiempo se procede a la limpieza del fondo quedando lista la excavación para recibir la ferralla. Los productos de la excavación se retiran a vertedero con camiones.

Normas de seguridad:

  • Antes de posicionar la máquina se habrá vallado el entorno quedando aislada la zona de trabajo, de forma que impida el paso de personas ajenas.
  • El itinerario de los camiones debe estar indicado de forma clara y concreta.
  • Se estudiará el emplazamiento de las máquinas observando detenidamente el radio de acción en todas las posiciones, muy especialmente algura de pluma, contrapesos y movimientos de la cuchara. esta operación la hará el encargado del tajo y el maquinista.
  • Los servicios habrán sido desviados y perfectamente señalizados los próximos a la excavación.
  • El maquinista revisará diariamente los cables, ganchos, perrillos, contrapesos, los principales elementos de la cuchara (bielas, cuñero, dientes, patín guía, etc.), poniendo en conocimiento de su jefe los defectos que haya encontrado o parando los trabajos ante el menor obstáculo imprevisto.
  • Se hará el mantenimiento a las máquinas que indique los respectivos manuales de entretenimiento.
  • La cuchara no se guiará con las manos para emboquillarla entre los muretes guías, esta ocupación (si hay que hacerla) se hará por medio de alargaderas que impida la aproximación del ayudante al borde de la excavación.
  • La conducción de la bentonita de tubos será de acoplamiento rápido y buena estanqueidad.
  • El operador de la instalación de bentonita estará protegido contra el polvo que desprende el abastecimiento de la tolva.
  • La bomba de extracción de lodos, estará sujeta a puntos fijos o móviles del exterior de forma que pueda ser fácilmente recuperada del fondo de la zanja.
  • La toma de corriente de la bomba de lodos y demás herramientas eléctricas estará protegida por disyuntor diferencial de alta sensibilidad y puesta a tierra de los cuadros.
  • La línea de alimentación desde el cuadro general, que estará normalmente en la instalación de bentonita, hasta los cuadro de obra será aérea y sustentada por poste de madera.
  • En la instalación de esta línea se prestará la máxima atención a los gálibos en los puntos de cruce y posicionamiento de las máquinas excavadoras, si no está enterrada.
  • Se estudiará con los vecinos las salidas y entradas a sus inmuebles y negocios durante la ejecución de la excavación.
  • El personal que trabaje en la excavación y en las proximidades usará además de la ropa de trabajo, botas de goma y guantes.
  • No se dejará, bajo ningún concepto, excavación o hueco alguno sin tapar con mallazo o proteger con barandillas rígidas colocadas a 0,90 m de altura.
  • Los conductores de los camiones usarán el casco cuando abandonen la cabina de su vehículo.
  • Las cajas de los camiones irán provistas de sus correspondientes trampillas para evitar pérdidas de carga durante el transporte.
  • El vertedero estará acondicionado y los conductores advertidos del peligro que supone levantar el volteo en terreno mal nivelado o que pueda ceder por exceso de humedad.
  • Está prohibido circular con el volteo levantado.

A continuación os dejo algunos vídeos ilustrativos de esta fase del procedimiento constructivo de un muro pantalla.

Referencias:

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

 

Barrettes inyectadas (shaft-grouted barrettes)

Barrette, según la norma EN 1536:1999
Barrette, según la norma UNE-EN 1536:2011

Los “barrettes”, atendiendo a la norma UNE-EN 1536:2011, son pilotes que en planta son rectangulares, en T o en L o cualquier otra configuración similar, empre que se hormigonen en una sola operación. Se emplean para sustentar cargas verticales y/o laterales.

A este tipo de pilotes de hormigón con extracción del terreno se les ha denominado también como pilotes rectangulares, minipantallas, módulos portantes o pilas oblongas (este último término usado en México). Este pilote se excava por métodos continuos o discontinuos (hélice, cuchara, trépano, etc), usando sistemas de contención para estabilizar las paredes de la excavación, normalmente con lodos bentoníticos o polímeros.

La construcción de este tipo de pilotes es muy parecida a la de un muro pantalla. Se realiza una excavación hasta la profundidad requerida y se rellena con un lodo tixotrópico para proporcionar soporte a las paredes. Posteriormente se coloca la armadura y se hormigona con tubos Tremie.

Este tipo de pilote perforado ofrece mayor superficie específica respecto al pilote de sección circular, lo cual permite resistir mejor las cargas verticales debido al aumento de la resistencia en fuste. Desde el punto de vista estructural, se orientan de forma que ofrezca la sección la mayor inercia en la dirección requerida, favoreciendo su comportamiento ante solicitaciones sísmicas.

Colocación de armadura en barrette. Fuente: www.bachy-soletanche.com.hk
Colocación de armadura en barrette. Fuente: www.bachy-soletanche.com.hk

 

Sin embargo, en este post nos vamos a centrar en un caso especial, de gran interés. Se trata de las barrettes inyectadas o de fricción (shaft-grouted barrettes, friction barrettes). Se trata de una cimentación no tan profunda como un pilote normal, que permite reducir el consumo de acero y de hormigón y que acorta la duración de las obras. Se trata de introducir, junto con la armadura, unas tuberías embebidas por donde se inyectará una lechada de cemento y arena a alta presión una vez el pilote ha adquirido la resistencia necesaria. Una vez endurecida esta mezcla, la formación de salientes de las paredes de los pilotes aumenta de forma significativa la fricción, y por tanto la resistencia del fuste. Este tipo de cimentación profunda se ha utilizado en edificios altos, como las Torres Petronas de Malasia, o el International Commerce Centre de Hong Kong.

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Cimentación de 241 barrettes inyectadas en el International Commerce Centre (ICC), en Hong Kong. Fuente: www.arup.com

A continuación os dejo un vídeo sobre cómo se realiza la ejecución de las barrettes de fricción. Se trata de una obra en Vietnam, y desgraciadamente el vídeo no está ni en español ni en inglés. Pero creo que es interesante.

References:

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. ISBN: 978-84-9048-457-9.

 

Pantallas plásticas (Cutter Soil Mixing)

http://www.malcolmdrilling.com/cutter_soil_mixing/
Hidrofresa. http://www.malcolmdrilling.com/cutter_soil_mixing/

Esta técnica de mejora de suelos se emplea para generar pantallas impermeabilizantes verticales mediante el uso de hidrofresas. Consiste en excavar el terreno en paneles verticales mediante una cabeza cortadora (hidrofresa) suspendida de un brazo grúa articulado. Esta cabeza presenta dos elementos cortantes giratorios provistos de dientes de corte que giran en direcciones opuestas para expulsar el material excavado.

La cabeza también posee un inyector, en la parte central de las dos ruedas cortantes, por el cual se inyecta una mezcla de bentonita-cemento. Esta mezcla, gracias al movimiento giratorio de los dientes y de unas paletas giratorias, se amalgama con los detritos formando un nuevo material. Tras el fraguado del cemento se obtiene una pantalla impermeable. La ventaja del método es que se usa el propio material del terreno, no generando apenas residuos.

http://www.apgeotecnia.pt/en/papers/13cngmontaigne.html
http://www.apgeotecnia.pt/en/papers/13cngmontaigne.html

En pantallas poco profundas, de menos de 20 m, se ejecuta en una fase, que consiste en inyectar la bentonita-cemento según se tritura el terreno. Se usa con tiempos cortos de perforación para que no fragüe el cemento. En mayores profundidades se usan dos fases; en la primera se excava hasta la cota deseada y luego durante el ascenso se inyecta la mezcla.

Para ejecutar muros continuos, se divide la construcción en paneles primarios y secundarios, que se solapan con los anteriores con juntas frescas si los paneles primarios no han fraguado, o bien con solapes duros si ya han endurecido.

Os dejo algunos vídeos y animaciones al respecto.

Referencias:

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.

 

Mezcla profunda de suelos (Deep Soil Mixing)

http://www.model-co.com/es/aplicaciones/aplicaciones-lechadas/wet_soil_mixing.asp
http://www.model-co.com/es/aplicaciones/aplicaciones-lechadas/wet_soil_mixing.asp

Esta técnica de mejora y refuerzo de suelos blandos o flojos consiste en el mezclado mecánico y profundo de los materiales disgregados del terreno con un aglomerante, líquido o sólido, generando un nuevo material tipo suelo-cemento. El aglomerante suele ser cemento, cal y bentonita. El terreno así estabilizado es más resistente, menos permeable y de menor compresibilidad que el terreno original.

La incorporación de los aglomerantes al terreno puede llevarse a cabo en forma de lechada (Método húmedo) o mediante aire comprimido (Método seco)Para  cada caso es necesaria la utilización de una herramienta especial que permita la ejecución de la mezcla en profundidad.

La mezcla profunda de suelos se puede clasificar en dos grupos: mezclado vertical, generando columnas o en masa horizontal, produciendo fajas o extensiones importantes en plantas.

En el caso de mezclado vertical, el diámetro de la columna es constante en profundidad y depende de la capacidad de la herramienta y el método que se utilice (húmedo o seco). Se ejecuta con una mezcladora giratoria que perfora el terreno hasta la profundidad requerida. En ese momento empieza la inyección del aglomerante mientras se extrae el varillaje.

http://jafecusa.com/?page_id=2796
http://jafecusa.com/?page_id=2796

La técnica de mezclado en masa consiste en una retroexcavadora en la que el brazo de la pala sustituye por un brazo excavador con un cabezal rotatorio que posee un inyector por el que se impulsa la mezcla aglomerante. Este método utiliza equipos no complejos: una retroexcavadora y una bomba de inyección. Es rápido en la ejecución, pero su uso se limita a la longitud del brazo, que no suele ser superior a 5 m.

A continuación os dejo varios vídeos y animaciones al respecto.

Referencias:

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.

Pilote de extracción con fluidos estabilizadores

CPI-6Los pilotes perforados sin entubación con fluidos estabilizadores, denominados CPI-6 en la nomenclatura de las NTE-1977, permiten excavar en terrenos inestables o con nivel freático alto, debido a las propiedades expansivas y tixotrópicas de los fluidos empleados, que ayudan a contener las paredes. Estos fluidos presentan propiedades tixotrópicas en la bentonita y propiedades iónicas en los polímeros.

Los fluidos estabilizadores pueden ser utilizados para estabilizar la excavación en toda su altura o bien una parte. Durante la construcción del pilote el nivel de lodos debe mantenerse en un nivel apropiado, siempre por encima del nivel freático al menos de 1,0 a 1,5 m. Este procedimiento es aplicable de preferencia en terrenos finos sin estratos granulares gruesos libres de matriz fina o grandes bloques.

Una vez acabada la perforación, se introduce la armadura y se hormigona utilizando la tubería tremie hasta el fondo de la perforación. La tubería se va subiendo a medida que se hormigona, procurando que su boca inferior esté embebida un mínimo de 4 m dentro de la columna ya hormigonada para evitar posibles cortes durante el hormigonado. La consistencia del hormigón debe ser fluida. Durante el hormigonado deben controlarse nuevamente las características de los lodos de bentonita para evitar contaminaciones en el hormigón. Los diámetros utilizados en este tipo son, según la NTE, de 45 a 125 cm, aunque la maquinaria actual permite pilotes de diámetros mayores.

Se pueden alcanzar profundidades superiores a 50 m, en función de las características del Kelly telescópico que sostiene la herramienta de perforación. Sin embargo hay que tener en cuenta la complicación que supone el uso de lodos bentoníticos a medida que aumenta la profundidad.

Su uso es habitual como pilotaje trabajando por punta, apoyado en roca o capas duras de terreno. Cuando se atreviesen capas blandas que se mantengan sin desprendimientos por efecto de los lodos.

Fases de ejecución:

  1. Excavación con cuchara y vertido de lodo en la excavación para extracción de la tierra.
  2. Cambio de lodo contaminado y limpieza del fondo del pilote
  3. Introducción de las armaduras.
  4. Hormigonado desde el fondo mediante tubo Tremie y recuperación del lodo.
  5. Pilote terminado.

 

Fases CPI-6

Para garantizar la estabilidad de la perforación, el nivel del lodo debe estar siempre próximo al nivel de coronación del murete-guía, debiéndose mantener constante, por lo que es preciso aportar lodos a medida que se excava el terreno. Además, se precisa una central de tratamiento de lodos que permita el control de la calidad de los lodos (mediante su viscosidad y contenido en finos) y la regeneración de los lodos contaminados.

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Para la perforación y extracción de tierras se utilizan cucharas, barrenas cortas o buckets. Los restos de la excavación se van depositando en el fondo de la misma, por lo que es fundamental la limpieza de la punta del pilote. Para su limpieza se utilizan bombas de fondo que permiten la extracción del lodo contaminado y la incorporación de lodo regenerado. Pueden emplearse para ello sistemas de circulación directa que introducen lodos frescos por la punta que desplazan al lodo contaminado, que sale por la cabeza, o sistemas de circulación inversa que lo hacen aspirando el fango contaminado del fondo y alimentan con fango fresco por la cabeza.

A continuación os dejo un vídeo explicativo de la construcción de este tipo de pilotes.

 

Hidrofresas

hidrofresa-57786-4480003La ejecución de muros pantalla con hidrofresa está especialmente indicada en terrenos de dureza elevada, que sean excavaciones profundas o que requiera un método de seguro y preciso de excavación. En este sentido, las obras urbanas pueden ser un buen ámbito de aplicación de esta tecnología de excavación. La hidrofresa consta de una estructura pesada de acero provista en su parte inferior de dos ruedas dentadas que giran en sentido contrario, arrancando el terreno. El accionamiento hidráulico de dichas ruedas, en combinación con el empuje vertical vinculado al peso del bastidor, produce el corte del terreno. La elevada fricción que se produce en las ruedas dentadas, hace necesaria su refrigeración, así como de la roca. Para ello se suele emplear lodo bentonítico, que se inyecta mediante un dispositivo de la propia máquina. Los propios lodos se mezclan con los detritus de la excavación, gracias a lo cual se extrean del fondo de la zanja. Dado que los lodos bentoníticos se recirculan para permitir esta extracción, han de ser “reciclados”, mediante la eliminación de los restos de terreno extraídos del fondo de la zanja. La hidrofresa, a pesar de ser el mejor sistema —pues apenas produce vibraciones y es el más rápido—, presenta el inconveniente de ser una máquina cara, por lo que suele elevar el coste de la construcción de la pantalla. Continue reading “Hidrofresas”

Muros pantalla

Cuchara bivalva para construir pantallas.

Un muro pantalla o pantalla de hormigón in situ es un tipo de pantalla, o estructura de contención flexible, empleado habitualmente en ingeniería civil. Según el Código Técnico de Edificación (CTE-DB-SE C), son elementos de contención de tierras que se  emplean para realizar excavaciones verticales en aquellos casos en los que el terreno, los edificios u otras estructuras cimentadas en las inmediaciones de la excavación, no serían estables sin sujeción, o bien, se trata de eliminar posibles filtraciones de agua a través de los taludes de la excavación y eliminar o  reducir a límites admisibles las posibles filtraciones a través del fondo de la misma, o de asegurar la estabilidad de éste frente a fenómenos de sifonamiento.

Las pantallas de hormigón armado moldeadas en el suelo nacen en los años 50 como solución para resolver los problemas que plantean las excavaciones profundas próximas a edificios y estructuras subterráneas o por debajo del nivel freático. Esta técnica de la ingeniería civil surge como una aplicación de la larga experiencia en la utilización de lodos tixotrópicos existente en el campo petrolero.

Es la tipología de cimentaciones más difundida en áreas urbanas para Continue reading “Muros pantalla”