Electroósmosis como técnica de drenaje del terreno

Muchos problemas de ingeniería están relacionados con la estabilidad del terreno. Para solucionarlos, se utilizan distintos métodos que permiten aumentar su resistencia mediante tratamientos granulares, químicos o térmicos. Una forma de estabilizar los suelos finos saturados o parcialmente saturados es la electroósmosis, que no solo permite mejorarlos, sino que también se emplea como técnica de drenaje. Otro de los usos habituales de esta técnica es para combatir la humedad por capilaridad, con lo que se combaten las eflorescencias. Sin embargo, en este artículo nos centraremos en el empleo de la electroósmosis como técnica de mejora del terreno y como técnica de drenaje del nivel freático.

La electroósmosis es un fenómeno basado en la precipitación eléctrica de sustancias coloidales en suspensión, observado por primera vez por el físico Reuss (1808) quien introdujo dos tubos verticales abiertos en sus extremos dentro de un bloque de arcilla húmeda y los llenó de agua hasta la mitad de su altura. Después de colocar un par de electrodos en su interior, hizo pasar una corriente eléctrica por ellos y comprobó que el nivel del agua subía en uno de los tubos mientras descendía en el otro. Esto demostraba la existencia de un flujo de agua del tubo al otro a través de la arcilla.

Más tarde, Casagrande (1952) aplicó el sistema para consolidar un suelo arcilloso en la excavación de un talud. Para ello, colocó dos series de tubos porosos de 10 cm de diámetro y 7 m de profundidad como cátodos, y alrededor de estos situó un relleno de gravilla para facilitar la entrada del agua. Entre cada dos cátodos separados 9 m se intercalaron como ánodos tubos de 12 mm de diámetro. El paso de una corriente de 90 voltios y una potencia de 1,5 kW provocó la acumulación de agua en los tubos porosos (cátodos), que se pudo extraer fácilmente por bombeo.

La electroósmosis es un método de drenaje eléctrico empleado para estabilizar arcillas blandas y limos al incrementar su resistencia por la reducción de humedad. Téngase en cuenta que son terrenos que presentan problemas para aplicar las técnicas de pozos con sistema de vacío convencional. El sistema deja de ser efectivo en arenas finas con permeabilidades inferiores a 3·10^-5 m/s. La diferencia con otros procedimientos es que el movimiento del agua no se produce por gravedad, sino por un campo eléctrico. Con la electroósmosis se desatura el suelo, aumenta su resistencia y se consolida, por lo que se mejoran las condiciones del terreno al estabilizarlo.

El agua fluye de los ánodos (+) a los cátodos (-) en un medio poroso saturado (Figuras 2 y 3). Dan buenos resultados cátodos de un diámetro de 120 mm colocados cada 3-5 m y barras de acero o aluminio como ánodos intercalados de 100 mm de diámetro. En el cátodo se sitúa un wellpoint o un pozo drenante, que es un tubo abierto por el fondo. Los ánodos y cátodos son tubos abiertos por el fondo. Los gradientes de potencial varían entre 30 y 180 V. A mayor voltaje, más volumen de agua drenada, aunque pueden producirse fenómenos de hidrólisis, por lo que deben hacerse ensayos para establecer los parámetros energéticos más convenientes. Se necesitan de 0,5 a 1,4 kW/m³ de suelo drenado en excavaciones grandes, y hasta un máximo de unos 14 kW/m³ en las pequeñas. Este movimiento del agua genera consolidación, con un aumento temporal de las tensiones efectivas.

La conductividad eléctrica del agua depende de su salinidad, lo que influye en la eficiencia de la corriente y el voltaje aplicado. En un suelo con mayor salinidad, el volumen de agua drenada mediante electroósmosis es mayor y la consolidación es más eficiente y rápida.

Las desventajas de este método son el alto coste de la energía necesaria y los problemas relacionados con la seguridad de los operarios al trabajar con un circuito de corriente continua. Los elevados costes de ejecución y la falta de práctica en su uso limitan su aplicación a casos especiales en los que el caudal a evacuar sea escaso. Su empleo más frecuente es la mejora permanente de las propiedades de los cimientos o la estabilización de los taludes. En la Figura 4 se muestra el principio de la electroósmosis empleado en el drenaje previo a la excavación de un túnel.

A continuación os dejo un vídeo que os he grabado para explicar este procedimiento de tratamiento de suelos. Espero que os guste.

Referencias:

• BELL, F.G. (1993). Engineering treatment of soils. E & F Spon, Londres.
• BIELZA, A. (1999). Manual de técnicas de tratamiento del terreno. Carlos López Jimeno, Madrid, 432 pp.
• POWERS, J.P. (1992). Construction dewatering: New methods and applications. Ed. Wiley et al., New York.
• PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W. (2016). Groundwater Control – Design and Practice, 2nd Edition. Construction Industry Research and Information Association, CIRIA Report C750, London.
• TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp. POWERS, J.P. (1992). Construction dewatering: New methods and applications. Ed. Wiley et al., New York.
• 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. Valencia
• YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

CURSO:

• Curso de procedimientos de contención y control del agua subterránea en obras de Ingeniería Civil y Edificación.

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