Inyecciones de alta presión: Jet grouting

Figura 1. Esquema básico del funcionamiento de la inyección a alta presión o jet-grouting. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Jetgrouten.png

La inyección de alta presión, conocida como Jet-Grouting es un proceso que implica romper el suelo (o roca suelta), mezclarlo y reemplazarlo parcialmente por un agente cementante (en general, cemento). La desagregación se logra mediante un fluido con alta energía, que puede incluir el propio agente cementante (Figura 1).

El jet-grouting, por tanto, se considera como una técnica de tratamiento del terreno que mejora sus propiedades resistentes y su compresibilidad, y reduciendo la permeabilidad.

La primera patente se aplicó en el Reino Unido en los años 50, aunque su desarrollo real se llevó a cabo en Japón a principios de los 70, y a mediados de los 70 se introdujo en Europa. Hoy en día se ha desarrollado extraordinariamente la técnica.

En general se usa una mezcla de agua y cemento. Se pueden utilizar otro tipo de conglomerantes hidráulicos, como bentonita, filler y cenizas volantes. Si se usa bentonita en la mezcla, se debe preparar e hidratar la suspensión de agua y bentonita antes de agregar el cemento.

Esta técnica de alta presión consigue desagregar el suelo o la roca poco compacta, mezclándolo y sustituyéndolo por cemento, así se van llenando huecos y discontinuidades. Básicamente se expulsan chorros de lechada de cemento (grout) a través de unas toberas a velocidades muy altas, logrando así la rotura del terreno y su íntima mezcla con el mismo. La distancia que alcanza la erosión por chorro (energía de corte) varía en función del fluido empleado, tipo de suelo, velocidad de ascenso, etc., pudiendo alcanzar hasta 5 m de diámetro. La técnica del jet-grouting tiene múltiples aplicaciones (mejora del terreno, impermeabilización, túneles, etc.), siendo el fluido de perforación también variable (cemento, bentonita, mezclas químicas, etc.).

Las presiones de trabajo varían, llegando en algunos casos puntuales hasta los 90 MPa. Los sistemas jet-grouting permiten inyectar lechadas de cemento en suelos de grano muy fino, en los que con otros sistemas sólo serían inyectables productos químicos o ni siquiera éstos. El jet-grouting puede aplicarse en arenas, limos e incluso en suelos arcillosos de cierta consistencia.

La perforación del terreno previa a la inyección, puede hacerse con cualquier equipo (a rotación o a rotopercusión, con las condiciones que requiera el terreno) con tal que el varillaje se adapte a las altas presiones a las que se efectúa la inyección.

Casi todos los equipos de perforación empleados en la ejecución de anclajes son utilizables. Si la perforación se hace con jet en suelos blandos, para inyectar después de perforar, el cambio de salida del agua por el de la lechada en algunos equipos puede hacerse por medio de una válvula situada en la boquilla de inyección.

En gravas, la inyección a alta presión introduce el mortero a través de los huecos, lo mismo que con un equipo convencional, pero en este caso forma un bloque mucho más compacto, sin dificultades que originan los rellenos de arcilla en el procedimiento tradicional.

Dependiendo del sistema de desplazamiento y fracturación del terreno y su mezcla con la lechada inyectada, la normativa europea (EN 12716) distingue los siguientes sistemas de jet-grouting (ver Figura 2):

  • Sistema de fluido único: La disgregación y cementación del suelo se obtiene con un chorro único de un fluido a alta presión, que suele ser lechada de cemento.
  • Sistema de doble fluido (aire): La presencia de aire desagrega y cementa el suelo, y también facilita la evacuación de los detritus generados. En comparación con un sistema de fluido único, produce un jet mayor y realiza una mayor sustitución del terreno.
  • Sistema de doble fluido (agua): El suelo se rompe mediante un chorro de agua a alta presión que fluye a través de la boquilla superior, mientras que por la inferior se inyecta una lechada para cementar el suelo.
  • Sistema de triple fluido: Mediante un chorro de agua a alta presión, un chorro de aire a presión y lechada de cemento se consigue romper el suelo. Es el más complejo de los sistemas, pero puede sustituir todo el suelo y producir una columna de mayor diámetro.
Figura 2. Sistemas de jet-grouting. Fuente: http://www.interempresas.net/Mineria/Articulos/146294-Diametro-columnas-jet-grouting-funcion-energias-especificas-perforacion-inyeccion.html

El sistema de fluido único es apropiado en arenas medias a densas y suelos cohesivos muy blandos. El doble fluido suele usarse en arenas medias a densas y suelos cohesivos de blandos a medios. En cambio, el triple fluido se puede utilizar prácticamente para cualquier suelo.

En la Tabla 1 se recogen los parámetros de trabajo más habituales para la maquinaria empleada en el jet-grouting.

Tabla 1. Parámetros de trabajo estándares para la maquinaria de jet-grouting

Parámetros de trabajo

Fluido sencillo

Doble fluido (aire) Doble fluido (agua)

Triple fluido

Presión de la lechada (MPa)

30 – 50

30 – 50 > 2

> 2

Caudal de la lechada (l/min)

50 – 450

50 – 450 50 – 200

50 – 200

Presión de agua (MPa)

30 – 60

30 – 60

Caudal de agua (l/min)

30 – 150

50 – 150

Presión de aire (MPa)

0,2 – 1,7

0,2 – 1,7

Caudal de aire (m3/min)

3 – 12

3 – 12

El rango de aplicación del jet-grouting está limitado principalmente por la resistencia del terreno que va a ser erosionado. Esta es una de las principales diferencias con las inyecciones comunes, donde lo importante es el tamaño de las fracturas y de los poros, que en el jet-grouting es irrelevante.

El jet-grouting puede utilizarse en la mayoría de terrenos, desde rocas débiles a arcillas, puesto que solo requiere su fracturación, al igual que ocurre con las inyecciones con fracturación. A diferencia de las inyecciones convencionales, destaca la aplicabilidad del jet-grouting en los suelos cohesivos. No obstante, cada tipo de sistema de jet-grouting posee un campo de validez característico.

El límite superior de aplicabilidad del jet-grouting está en las gravas de 60 mm de diámetro. Obviamente, es imposible mover y cortar elementos gruesos en el entorno del jet, como bolos o bloques, ya que su energía no es suficiente.

La aplicación principal del jet-grouting son los suelos, pero también puede emplearse en el caso de emboquilles con roca alterada, rocas con cementación escasa, roca afectada por una excavación, etc. En roca sana, su resistencia a compresión se opone a la erosión provocada por los jets.

Las aplicaciones principales del jet-grouting son:

  • Mejora del terreno
  • Control de agua (permeabilidad)
  • Recalces
  • Túneles

La principal ventaja de este método radica en su versatilidad y flexibilidad. Como ya se ha indicado, es utilizable en todo tipo de terrenos y puede realizarse en espacios reducidos, alcanzando profundidades importantes sin tener que descubrir el terreno hasta la superficie.

En la Figura 3 se puede observar el aspecto de las columnas de refuerzo que se pueden conseguir con la inyección a elevada presión.

Figura 3. Sistemas de jet-grouting. Fuente: http://www.interempresas.net/Mineria/Articulos/146294-

Sin embargo, una aplicación de interés es el uso del jet-grouting para ejecutar cortinas de impermeabilización. El caso más habitual es la construcción de columnas secantes, solapadas en una o varias filas (Figura 4).

Figura 4. Ejecución de una pantalla con jet-grouting mediante columnas secantes. Fuente: https://www.terratest.cl/soluciones-cortinas-de-impermeabilizacion-pantallas.html

Otro uso muy habitual es la creación de pantallas de estanqueidad en el caso del fondo de un recinto apantallado sometido a subpresiones (Figura 5), o bien en barreras de impermeabilización en núcleos de presas (Figura 6).

Figura 5. Croquis de un tapón ejecutado con jet-grouting en el fondo de un recinto apantallado. Fuente: https://2bd7e8ad-9629-4fd0-a14e-4054a92f2fc8.filesusr.com/ugd/c939f2_2befc25a84ae4fc1b8741456e0fd9584.pdf
Figura 6. Croquis de barreras de impermeabilización con jet-grouting en una presa de materiales sueltos. Fuente: https://aetess.com/wp-content/uploads/Aplicaciones-del-jet-grouting-2019.pdf

También se puede utilizar el jet-grouting como elemento de impermeabilización en juntas de pantallas in situ o como elemento de cierre en pantallas de pilotes o micropilotes, cuando éstos se construyen separados. En este caso, las columnas se realizan cada dos pilotes. Los pilotes serían el elemento estructuras y el jet-grouting garantizaría la impermeabilización.

Os dejo, por su interés, el artículo 677 del PG-3, donde se describen las características técnicas exigibles al jet-grouting.

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Os paso varios vídeos al respecto, empezando por una animación sobre del Jet grouting de triple fluido:

Referencias:

ARMIJO, G.; HONTORIA, E. (2015). Diámetro de las columnas de jet grouting en función de las energías específicas de perforación e inyección. Ingeopres, 246:36-41.

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.

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.

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