Cuando se trata de perforaciones de diámetros elevados y la extracción del material se realiza de forma discontinua, se utiliza la perforación con hélice corta (intermittent augering).
Con este procedimiento se pueden realizar perforaciones de hasta 2,5 m de diámetro y de hasta 50 m de profundidad. El terreno debe estar lo suficientemente seco y cohesivo para evitar derrumbes en las paredes. En caso contrario, habría que recurrir a la perforación con lodos y extracción con cazo.
Referencias:
YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia.
Figura 1. Suelo claveteado con mallazo de acero en las proximidades del embalse de Loriguilla (Valencia). Fotografía: V. Yepes (2021)
La técnica del soil nailing, también conocida como claveteado de suelos, consiste en un método de refuerzo del terreno que se ha utilizado frecuentemente para estabilizar taludes, terraplenes, cortes del terreno, túneles y estructuras de contención (Figura 1). El soil nailing tiene su origen en la década de los 60 del siglo XX, cuando se introdujo el Nuevo Método Austríaco para la construcción de túneles. La introducción de barras de acero, la inyección de mortero fluido en las perforaciones y el revestimiento con hormigón proyectado permitieron excavar túneles en roca.
A medida que se desciende en la excavación, se introducen anclajes de refuerzo pasivos, generalmente subhorizontales, que trabajan principalmente a tracción, aunque también pueden resistir cargas de flexión y corte. Estas barras pasivas son de acero y se conocen como pernos de roca o bulones en el ámbito de los túneles. Los refuerzos se complementan con un paramento superficial que puede ser rígido o flexible y que impide el deslizamiento del suelo entre los puntos en los que se encuentran las barras instaladas. Este refuerzo del terreno aumenta su resistencia al corte a lo largo de superficies potenciales de falla (Figura 2).
Figura 2. Aplicaciones típicas del suelo claveteado: (a) en talud existente; (b) en excavación
Las barras se colocan en sondeos perforados previamente y que luego se rellenan con una lechada o mortero de inyección («grout»). El diámetro de la perforación oscila entre 50 y 150 mm. Posteriormente, se ejecuta un revestimiento o pantalla («facing») que impida la caída de tierra entre los puntos donde se encuentran las inclusiones. Esto suele hacerse con hormigón proyectado (gunita), que se refuerza con una malla de acero (figura 3). El espesor del revestimiento varía entre 50 y 150 mm, siendo más delgado en pendientes inclinadas y más grueso en excavaciones verticales permanentes (Figura 4). La relación agua-cemento del mortero fluido suele oscilar entre 0,40 y 0,45.
Figura 3. Gunitado sobre ladera claveteada. https://slatonbros.com/advantages-of-soil-nailing/
Figura 4. La técnica de Soil nailing con apuntalamiento metálico en cabeza para el edificio Millenium de Mónaco. https://twitter.com/desdeelmurete/status/1357477174396260352/photo/1
La separación entre los anclajes suele ser de entre 1,00 y 1,50 m, con inclinaciones de entre 10° y 20° respecto a la horizontal. Las barras de acero suelen tener un diámetro de entre 25 y 40 mm y una longitud habitual de entre 4 y 20 m. La longitud del anclaje dependerá de las condiciones del terreno, aunque normalmente oscila entre 1,0 y 1,5 veces la altura del talud.
Este procedimiento no se puede aplicar cuando el nivel freático está bajo ni cuando el suelo es blando o muy blando, ya que es necesario controlar estrictamente las deformaciones. Tampoco se utiliza en arenas y suelos sin cohesión, pues la perforación puede colapsar incluso durante la construcción. Resulta poco eficaz en taludes o deslizamientos muy altos, puesto que los anclajes tendrían que ser muy largos. Por último, la corrosión del acero implica la adopción de medidas preventivas que pueden suponer costes adicionales.
Figura 2. Procedimiento constructivo del suelo claveteado. https://civilengineeringbible.com/article.php?i=107
Os paso unos cuantos vídeos informativos al respecto. Espero que os sean de utilidad.
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. Valencia.
Figura 1. Inyección de fracturación para mejorar terreno bajo cimentación de aerogenerador
Las inyecciones de fracturación (también llamadas hidrofisuración, hidro-fracturación, hidrojacking o claquage) son inyecciones de lechada de cemento a media/alta presión que rompen el terreno, produciendo su densificación y rigidización, y creando una red estructuradora. Se introduce un material de baja viscosidad que rompe el terreno y luego se inyecta una lechada de fraguado rápido para reestructurarlo. Las presiones empleadas son de varias decenas de bares para romper el suelo y de 10 bares o inferiores para mantener el caudal de inyección. El tipo de lechada o mortero que se utilice, así como los aditivos y dosificaciones, dependerán tanto del tipo de inyección que se vaya a realizar como del resultado que se desee obtener con la intervención.
Esta técnica se lleva a cabo inyectando pequeños volúmenes en cada fase mediante un tubo-manguito. El producto de la inyección no puede penetrar en los poros del terreno, sino que se introduce por las fisuras que se van produciendo por efecto de la presión. Así se originan lentejones del material inyectado que recomprimen transversalmente el terreno. Al crear una nueva estructura de terreno reforzado, se consigue un doble efecto de densificación y rigidización. Esto se debe a que el suelo queda cosido por la red de fracturas inducidas en él y cementadas.
Figura 2. Esquema de inyección por fracturación
Las inyecciones de fracturación se han concretado en dos tipos de inyección basados en la fracturación hidráulica: las inyecciones de compensación (“compensation grouting”) y las inyecciones armadas. Las inyecciones de compensación controlan los movimientos que puedan generar las obras subterráneas sobre edificios en superficie. Las inyecciones armadas aumentan la resistencia al corte del terreno y disminuyen su deformabilidad, utilizándose en recalces de edificios, disminución de asientos de cimentaciones directas, estabilización de vaciados, etc. Estas inyecciones armadas emplean tubos-manguito que proporcionan un efecto de bulonado al terreno tratado.
Las fases características de este tipo de inyección son las siguientes:
Instalación del tubo manguito e inyección de la vaina: El tubo manguito se sitúa en la perforación, rellenando el espacio anular entre la pared del sondeo y el tubo manguito con una mezcla de bentonita-cemento.
Fracturación del suelo: Para permitir la inyección de la suspensión se inserta en un obturador doble, que independiza cada uno de los manguitos durante su inyección.
Inyección múltiple: Los manguitos se inyectan una o varias veces, según se requiera. El volumen de lechada, la presión máxima de inyección y, en el caso de una inyección repetitiva, la velocidad de inyección, se mantiene de acuerdo con las instrucciones. Se pueden reutilizar los tubos manguitos.
Figura 2. Fases de la inyección de fracturación. https://maquinariacimentaciones.wordpress.com/2013/08/02/inyeccion-fracturacion/
En esta animación de Keller podemos ver cómo se realiza una inyección de compensación.
KellerTerra muestra en un vídeo de 5 minutos cómo se ejecuta una columna de grava (vibrosustitución) en la obra de la Central de Ciclo Combinado de la Bahía de Escombreras, Murcia. Después de visualizarlo, contesta a las siguientes preguntas:
¿Qué es una central de ciclo combinado?
¿Qué circunstancias del terreno hicieron recomendable la mejora del suelo mediante columnas de gravas?
¿Qué características se querían conseguir del terreno mejorado?
¿De qué partes consta un tubo vibrador?
¿Pará qué sirve el tamiz que se encuentra en la tolva donde la cargadora descarga grava?
¿Qué hace el aire comprimido en la cámara de descarga?
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 con un agente cementante (generalmente, cemento). La desagregación se logra mediante un fluido con alta energía, que puede incluir el propio agente cementante (Figura 1).
Por tanto, el jet-grouting se considera una técnica de tratamiento del terreno que mejora sus propiedades resistentes y compresibles y reduce la permeabilidad.
La primera patente se aplicó en el Reino Unido en la década de los 50, aunque su desarrollo real se llevó a cabo en Japón a principios de los 70 y se introdujo en Europa a mediados de esa misma década. Hoy en día, la técnica se ha desarrollado extraordinariamente.
En general, se utiliza una mezcla de agua y cemento. También se pueden utilizar otros tipos de conglomerantes hidráulicos, como la bentonita, el filler y las cenizas volantes. Si se emplea bentonita en la mezcla, antes de agregar el cemento hay que preparar e hidratar la suspensión de agua y bentonita.
Esta técnica de alta presión consigue desagregar el suelo o la roca poco compacta, mezclándola y sustituyéndola por cemento, lo que permite rellenar 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, del tipo de suelo, de la velocidad de ascenso, etc., y puede alcanzar hasta 5 m de diámetro. La técnica del jet-grouting tiene múltiples aplicaciones (mejora del terreno, impermeabilización, túneles, etc.), y el fluido de perforación también es variable (cemento, bentonita, mezclas químicas, etc.).
Las presiones de trabajo varían, llegando en algunos casos puntuales hasta los 90 MPa. Los sistemas de jet-grouting permiten inyectar lechadas de cemento en suelos de grano muy fino, en los que con otros sistemas solo se podrían inyectar productos químicos o ni siquiera estos. El jet-grouting puede aplicarse en arenas, limos e incluso suelos arcillosos de cierta consistencia.
La perforación del terreno antes de la inyección puede realizarse con cualquier equipo (a rotación o a rotopercusión, según las condiciones que requiera el terreno), con tal de 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 aptos. Si la perforación se realiza con jet en suelos blandos y se inyecta después de perforar, el cambio de salida del agua por el de la lechada en algunos equipos se puede realizar mediante una válvula situada en la boquilla de inyección.
En gravas, la inyección a alta presión introduce el mortero a través de los huecos, igual que con un equipo convencional, pero en este caso forma un bloque mucho más compacto, sin las 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 para 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 en 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 se va a erosionar. Esta es una de las principales diferencias con las inyecciones comunes, en las que lo importante es el tamaño de las fracturas y de los poros, que en el jet-grouting es irrelevante.
El jet-grouting puede emplearse en la mayoría de terrenos, desde rocas débiles hasta arcillas, puesto que solo requiere su fracturación, como ocurre con las inyecciones con fracturación. A diferencia de las inyecciones convencionales, el jet-grouting destaca por su aplicabilidad en suelos cohesivos. No obstante, cada tipo de sistema de jet-grouting tiene 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:
La principal ventaja de este método es su versatilidad y flexibilidad. Como ya se ha indicado, se puede utilizar en todo tipo de terrenos y se puede realizar 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 empleo muy común 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.pdfFigura 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 estos 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.
Figura 1. Disposición de lanzas de drenaje en dos fases. https://www.empresadesatascossevilla.es/2015/08/achiques-de-agua-del-nivel-freatico-en-sevilla.html
El descenso de la capa freática mediante el método de vacío, también llamado lanzas de drenaje, agujas filtrantes, tubos filtrantes, tubos de achique o pozos-punta, se conoce comúnmente por su nombre en inglés, «wellpoint». Se trata de un equipo autoaspirante para el bombeo por vacío del agua. Es un método de control del descenso del agua subterránea aplicable en terrenos granulares de diversa densidad y graduación. Se trata de un sistema simple, versátil y de bajo coste, especialmente cuando el lugar de construcción es accesible y el estrato saturado que se pretende drenar no es muy profundo.
Este sistema de agotamiento de agua puede resultar muy eficiente y útil en excavaciones cuya cota se encuentra por debajo del nivel freático. Por ejemplo, en la construcción de sótanos o zanjas para colectores.
Tiene aplicación en un amplio rango de terrenos, con permeabilidades comprendidas entre 10-3 y 10-5 m/s, aunque su funcionamiento óptimo se produce cuando se instala en arenas de grano medio sin presencia de finos. En otros terrenos, pueden ser necesarias operaciones adicionales de montaje (como, por ejemplo, la perforación previa y la ejecución de un filtro granular). Es especialmente útil en terrenos de baja permeabilidad (arenas finas y limos), donde el agua no puede drenar por gravedad a un sumidero. Además, el efecto de succión hace que la arena fina se mantenga con taludes empinados en excavaciones de altura inferior a dos metros. En terrenos poco permeables, la depresión del nivel freático sería muy lenta, con caudales muy pequeños y un tiempo para alcanzar el nivel definitivo que podría durar meses. Por este motivo, el sistema no es viable en estos terrenos, no solo por su bajo rendimiento, sino también porque los finos taponarían el filtro de la lanza e impedirían el paso del agua.
La aspiración del agua se produce por vacío a través de numerosos puntos de captación, tantos como lanzas hay, y pasa por los filtros situados en los extremos de estas. Consiste básicamente en unas lanzas de entre 2,5 y 6 m de longitud y con un diámetro de entre 1,75 y 2,00 pulgadas, que se hincan separadas entre 1 y 1,5 m de forma paralela a la zanja que se quiere excavar. Estas lanzas se conectan a una bomba de succión. Las lanzas están equipadas con una boquilla de inyección en su extremo inferior, de forma que, al hincarlas, se impulsa agua a presión para introducirla con facilidad. Una vez instaladas, se succiona el agua para abatir el nivel freático. La limitación se encuentra en la altura de aspiración, de entre 5 y 6 m, por lo que, si se quiere profundizar más, deberán realizarse escalonamientos (figura 2).
Figura 2. Drenaje mediante wellpoint en etapas (Justo Alpañes y Bauzá, 2010)
El montaje del equipo no es complicado. La inserción de las lanzas se realiza mediante inyección de agua a presión a través de las mismas (self-jetting). Una vez colocadas, las lanzas se recogen en su parte superior por una tubería colectora que, a su vez, irá conectada a la bomba de vacío. Desde allí, el agua extraída se conducirá al punto de vertido con la ayuda de dos bombas incorporadas. La bomba de vacío, de gran cilindrada, es la que produce la depresión base del sistema. El accionamiento y control del funcionamiento del equipo es muy sencillo. Para conseguir la aspiración del agua, es necesario garantizar la estanqueidad de toda la conducción.
Debido a que el agotamiento se produce en numerosos puntos, el efecto de arrastre de finos, típico de las bombas de fondo, disminuye.
El sistema funciona como un equipo compacto que puede ser móvil o estar situado en un punto fijo de la obra, pues no precisa moverse para realizar su trabajo. De hecho, el bombeo se lleva a cabo a través de los conductos de aspiración a los que concurren las diversas lanzas de drenaje.
Los componentes del sistema son:
Bomba de hinca: bombas de agua a presión conectadas a las cabezas de las lanzas, de modo que el agua sale por la punta de la lanza desplazando y arrastrando el terreno allí situado. Este vaciado hace que descienda la lanza.
Bomba de vacío: junto con un tanque separador de la mezcla aire-agua y bomba de agua, junto con una unidad de control eléctrico, la bomba de vacío provoca una subpresión que aspire el agua.
Manguitos de unión: tubos flexibles que conectan las lanzas con la conducción de aspiración.
Lanzas o agujas de drenaje: tubos de acero galvanizado y 50 mm de diámetro, con un filtro de 1 m de longitud en el extremo más profundo. Se hincan en el terreno y aspiran el agua una vez ensambladas a la bomba de vacío.
Figura 3. Componentes del sistema. Cortesía de ISCHEBECK. http://www.ischebeck.es/assets/wp-content/uploads/agotamiento_agua/Cat%C3%A1logo%20Wellpoint%2016022012.pdf
Una página interesante es la de la empresa ISCHEBECK, os dejo su catálogo a continuación.
Os dejo un vídeo explicativo de las lanzas de drenaje.
Os paso algunos vídeos sobre la ejecución de esta técnica.
REFERENCIAS:
HERTZ, W.; ARNDTS, E. (1973). Theorie und praxis der grundwasserabsenkung. Ernst & Sohn, Berlin.
JUSTO ALPAÑES, J.L.; BAUZÁ, J.D. (2010). Tema 10: Excavaciones y drenajes. Curso de doctorado: El requisito básico de seguridad estructural en la ley orgánica de la edificación. Código Técnico de la Edificación. ETS. de Arquitectura, Universidad de Sevilla.
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
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.
Cuando se trata de perforaciones de diámetros elevados y la extracción del material se realiza de forma discontinua, se utiliza la perforación con hélice corta (intermittent augering).
