Procedimientos empleados en la inyección de terrenos

Figura 1. Inyección de una perforación por tramos (Cambefort, 1968)

En artículos anteriores se habló de los materiales empleados en la inyección de terrenos, de las técnicas de inyección del terreno y de los tipos de lechadas y aplicabilidad de los materiales de inyección de terrenos. Como decíamos, esta técnica consiste en introducir en el medio una mezcla fluida que reacciona con las partículas de suelo mediante una reacción hidráulica o química. De esta forma se conforma una masa de mayor resistencia mecánica y permeabilidad, así como menor deformabilidad, pues se consigue aumentar la compacidad, disminuyendo el índice de huecos. En este artículo nos centraremos en los procedimientos empleados en la inyección del terreno.

Un tubo facilita la inyección y evita que la lechada escape al exterior del taladro por el camino más fácil, que suele ser el contacto entre el terreno y el tubo de revestimiento o bien entre el obturador y el exterior del tubo de inyección. La inyección se puede realizar mediante los siguientes procedimientos:

  • Inyección desde la boca de la perforación: se vierte la lechada por gravedad desde la boca del sondeo, obturando en la parte superior. Se utiliza la técnica en rocas con grandes huecos.
  • Inyección ascendente: primero se hinca un tubo y se inyecta a medida que se extrae por tramos de 30 cm. La inyección se realiza por tramos sucesivos, empezando desde la parte inferior del terreno a inyectar hasta la zona superior. Se obtura a distintas profundidades y se aplican presiones de inyección decrecientes. Es una técnica más rápida y barata que la inyección por fases decrecientes, permitiendo independizar la perforación de la inyección.
  • Inyección al avance o por fases descendentes: se perfora un tramo, se retira el varillaje y se inyecta. Tras el fraguado ligero de la lechada, se perfora el tramo inyectado y un tramo nuevo, continuando el proceso. La idea es ir creando techos sucesivos que permitan ir aumentando la presión de inyección. Es una técnica cara, que debe evaluarse bien antes de su uso.
  • Inyección por fases repetitivas mediante tubos-manguito: se perfora y se introduce un tubo ranurado de 50-60 mm de diámetro, sin reperforación, cuyos orificios exteriores se cierran con manguitos de goma que actúan como válvulas anti-retorno, por los que sale la lechada. Se puede inyectar a cualquier nivel y orden o reinyectar mediante un doble obturador. Si se conoce la granulometría de cada capa, se puede ajustar la mezcla de inyección. La lechada de sellado debe ser de baja resistencia (0,3-0,5 MPa) y frágil. Para disminuir la resistencia se puede añadir un 3-4% de bentonita.

A continuación se describe el uso de cada una de estas técnicas en función si la inyección se realiza en terrenos rocosos o bien en terrenos sueltos.

  • Inyección en terrenos rocosos: Lo más habitual es utilizar la inyección por etapas descendentes y la inyección por etapas ascendentes. En macizos de calidad baja se emplea la inyección por etapas descendentes; aquí no tenemos la seguridad de que las paredes de la perforación se sostengan, no van a poder aguantar la presión de inyección, o la estructura geológica puentee la lechada, cementándose los obturadores, con la consiguiente pérdida de obturadores y taladro. En rocas de calidad media o alta se usa la inyección per etapas ascendentes.
  • Inyección en terrenos sueltos: Se utilizan las inyecciones descendentes, las inyecciones armadas, la inyección con puntaza perdida y el jet grouting. En las inyecciones descendentes se procede como en roca, pero la perforación se realiza a rotación con corona del mismo diámetro que la varilla y la inyección se realiza a través del varillaje de perforación. En las inyecciones armadas se introduce un tubo de paredes lisas dentro del taladro, perforando cada cierta distancia de modo que estas perforaciones se cubren con un manguito de caucho que sirve como válvula anti retorno; el espacio anular entre el tubo y las paredes de la perforación se rellena con una mezcla bentonita-cemento, de poca resistencia, que hace de obturador longitudinal y evita que la lechada fluya por la corona anular del taladro pero que se rompe al inyectar; la inyección se hace situando un obturador doble a nivel del manquito que se quiera inyectar. En la inyección con puntaza perdida se perfora con una puntaza de diámetro mayor que la varilla, inyectándose conforme se retira el varillaje; es un método barato con ciertas limitaciones. Con el jet grouting se realizan inyecciones a muy altas presiones, siendo procedimiento que se verá en detalle en una lección posterior.

El procedimiento más habitual es la inyección ascendente, con unas presiones normales de 1 a 3 MPa, aunque este rango se puede ampliar desde los 0,5 a los 8 MPa. Los taladros se separan entre 1 y 4 m. La relación entre el volumen inyectado y el de huecos del terreno es muy variable, entre el 40% en el caso de gravas abiertas o rellenos flojos mal compactados, al 10-20% para terrenos arenosos relativamente compactos. En la inyección de suelos, la técnica más común es la de tubo-manguito.

La longitud máxima de cada tramo de tratamiento varía entre 5 y 10 m. En suelos, la longitud tratada no suele superar el metro de longitud. Los taladros se separan según el tipo de terreno y las presiones que puedan aplicarse. En la Tabla 1 se indica la separación recomendada entre taladros de inyección, para algunas de las aplicaciones habituales:

De todas formas, es importante controlar la presión de la inyección, pues una presión nula puede indicar una pérdida de inyección, una presión excesiva puede dar lugar a levantamientos o giros en el caso de estructuras próximas. Siempre que sea posible se debe realizar un control informatizado de la perforación, así como medir y controlar la presión, el caudal y el volumen de las inyecciones en cada punto.

Por último, hay que tener presente que la inyección del terreno es una operación “ciega”, en el sentido que no se conoce realmente por dónde fluye la mezcla, por ejemplo, por desconocer la red de fracturación. Por tanto, se suelen extraer testigos después de las inyecciones para comprobar los resultados.

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.
  • CAMBEFORT, H. (1968). Inyección de suelos. Omega, Barcelona.
  • KUTZNER, C. (1996). Grouting of rock and soil. A.A. Balkema, Rotterdam.
  • MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcción. Mejora de terrenos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. 2004.844. Valencia.
  • MINISTERIO DE FOMENTO (2005). Recomendaciones Geotécnicas para Obras Marítimas y Portuarias. ROM 0.5-05. Puertos del Estado, Madrid.
  • SANZ, J.M. (1981). Procedimientos generales de construcción. Sondeos y perforaciones, inyecciones, pilotes, pantallas continuas. E.T.S. Ingenieros de Caminos, Madrid.
  • YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 338 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

 

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Tipos de lechadas y aplicabilidad de los materiales de inyección de terrenos

Figura 1. Inyección de suelos. https://www.keller.com.es/experiencia/tecnicas/inyeccion-de-macizos-rocosos-suelos

En artículos anteriores se habló de los materiales empleados en la inyección de terrenos y de las técnicas de inyección del terreno. Como decíamos, esta técnica consiste en introducir en el medio una mezcla fluida que reacciona con las partículas de suelo mediante una reacción hidráulica o química. De esta forma se conforma una masa de mayor resistencia mecánica y permeabilidad, así como menor deformabilidad, pues se consigue aumentar la compacidad, disminuyendo el índice de huecos. En este artículo nos centraremos en los tipos de lechadas y la aplicabilidad de los materiales empleados en la inyección del terreno.

Se pueden distinguir tres tipos de lechadas:

  • Suspensiones inestables: Normalmente son mezclas de cemento diluido con agua en exceso en proporciones variables, no homogéneas, que sedimentan cuando cesa la agitación. Se emplean en rocas o materiales granulares gruesos.
  • Suspensiones estables: Se obtienen por disolución de arcilla y cemento en agua. Con la dosificación adecuada, con una fuerte agitación y con aditivos estabilizadores, se consigue que no se produzca la sedimentación durante la inyección.
  • Líquidos o disoluciones: No contienen partículas sólidas en suspensión, encontrándose en solución o en emulsión los componentes químicos en el agua. Están constituidos por productos químicos como silicatos, resinas orgánicas y productos hidrocarbonados puros. Mantienen constante su viscosidad, hasta el momento de la solidificación.

El sistema de inyección utilizado en cada caso depende de numerosos parámetros como la granulometría, la porosidad, la porosidad, la permeabilidad y las condiciones del agua subterránea, especialmente su composición química y velocidad de circulación. Además, existen numerosos productos en el mercado que se pueden adecuar en mayor o menor medida a las características específicas del terreno, por lo que suele ser habitual consultar a empresas especializadas.

En la Figura 2 se puede ver la aplicabilidad de distintos tipos de inyecciones atendiendo al tamaño de las partículas del suelo a inyectar. Se aprecia que el jet grouting se aplica, en general, a todo tipo de tamaño de partículas, excluyendo los bolos.

Figura 2. Aplicabilidad de distintos materiales de inyección según el tamaño de partículas del suelo (Kutzner, 1996)

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.
  • CAMBEFORT, H. (1968). Inyección de suelos. Omega, Barcelona.
  • KUTZNER, C. (1996). Grouting of rock and soil. A.A. Balkema, Rotterdam.
  • MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcción. Mejora de terrenos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. 2004.844. Valencia.
  • MINISTERIO DE FOMENTO (2005). Recomendaciones Geotécnicas para Obras Marítimas y Portuarias. ROM 0.5-05. Puertos del Estado, Madrid.
  • SANZ, J.M. (1981). Procedimientos generales de construcción. Sondeos y perforaciones, inyecciones, pilotes, pantallas continuas. E.T.S. Ingenieros de Caminos, Madrid.
  • YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 338 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

 

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Técnicas de inyección del terreno

Figura 1. Tipos principales de inyección del terreno

En un artículo anterior se habló de los materiales empleados en la inyección de terrenos. Como decíamos, esta técnica consiste en introducir en el medio una mezcla fluida que reacciona con las partículas de suelo mediante una reacción hidráulica o química. De esta forma se conforma una masa de mayor resistencia mecánica y permeabilidad, así como menor deformabilidad, pues se consigue aumentar la compacidad, disminuyendo el índice de huecos. En este artículo nos centraremos en las técnicas de inyección del terreno.

Todo proceso de inyección presenta dos facetas características (Sanz, 1981):

  1. Introducción y distribución en el medio de la mezcla de inyección. Para que ello sea posible debe adecuarse, de acuerdo con la morfología de los huecos del terreno, de una red de perforación auxiliar y de unas presiones de inyección adecuadas.
  2. Transformación de la mezcla, que endurece según un proceso químico que puede ser desde el fraguado en el caso del cemento, a la transformación sol-gel, en el caso de inyecciones químicas.

Las técnicas de inyección se pueden dividir en los siguientes grupos (Figura 1):

  • Rellenos de huecos y fisuras: Se inyecta lechada en las fracturas, diaclasas o discontinuidades de las rocas; o se rellenan los huecos con una lechada con un alto contenido de partículas. En este caso, el producto se introduce básicamente por gravedad hasta colmatar los huecos. Con grandes huecos, conviene introducir en las lechadas áridos o productos de alto rendimiento volumétrico.
  • Inyecciones de impregnación: No existe rotura del terreno. Se emplean mezclas muy penetrantes, cuyo objetivo principal es disminuir la permeabilidad del terreno rellenando poros y fisuras. Se sustituye el agua o el gas intersticial con una lechada inyectada a baja presión para no producir desplazamientos de terreno.
  • Inyecciones de compactación o de desplazamiento: Se introducen morteros de alta fricción interna que comprimen el terreno flojo y lo desplaza lateralmente de forma controlada, sin que el material inyectado se mezcle con él.
  • Inyecciones de fracturación hidráulica o por tubos manquito: Se fractura el terreno mediante la inyección de la lechada a una presión que supere su resistencia a tracción y su presión de confinamiento. La lechada no penetra en los poros, sino que se introduce en las fisuras creadas por la presión utilizada, formándose lentejones que recomprimen el terreno. Esta técnica también se llama hidrofracturación, hidrofisuración, “hidrojacking” o “claquage”. Son útiles en inyecciones de consolidación, de compensación de asientos, e inyecciones armadas. Para ello se suelen realizar con tubos manguito.
  • Inyección de alta presión: Se excava y mezcla el terreno con un chorro de lechada a alta velocidad (jet-grouting).

Las propiedades más importantes de las mezclas de inyección son las siguientes (Muzas, 2007):

  • Estabilidad y posibilidad de segregación: una velocidad pequeña del fluido puede sedimentar la mezcla y paralizar la inyección.
  • Viscosidad del producto: determina la presión y la velocidad de inyección.
  • Propiedades reológicas: comportamiento de la lechada a lo largo del tiempo.
  • Tiempo de fraguado: limita el plazo de utilización del producto en la inyección.
  • Volumen del producto fraguado: en las mezclas con agua, puede haber decantación o pérdida de agua al terreno contiguo, con disminución del volumen final.
  • Resistencia del producto fraguado.
  • Durabilidad: permanencia del producto fraguado a largo plazo.

En cuanto a los parámetros de la inyección, los más importantes son la velocidad de la inyección, el volumen de inyección, y la presión de inyección. La presión está muy relacionada con el tipo de terreno y con la viscosidad del producto, aconsejándose un valor límite.

Figura 2. Esquemas de algunas técnicas de inyecciones (ROM 5.05)

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.
  • CAMBEFORT, H. (1968). Inyección de suelos. Omega, Barcelona.
  • KUTZNER, C. (1996). Grouting of rock and soil. A.A. Balkema, Rotterdam.
  • MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcción. Mejora de terrenos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. 2004.844. Valencia.
  • MINISTERIO DE FOMENTO (2005). Recomendaciones Geotécnicas para Obras Marítimas y Portuarias. ROM 0.5-05. Puertos del Estado, Madrid.
  • SANZ, J.M. (1981). Procedimientos generales de construcción. Sondeos y perforaciones, inyecciones, pilotes, pantallas continuas. E.T.S. Ingenieros de Caminos, Madrid.
  • YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 338 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

 

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Materiales empleados en la inyección de terrenos

Figura 1. Proceso de colmatación de los huecos mediante inyección del terreno

La presencia de suelos con permeabilidad muy alta o macizos rocosos muy fracturados pueden hacer que los bombeos sean excesivamente costosos y se precisen otro tipo de técnicas para controlar el nivel freático. Una forma de cambiar la permeabilidad de un terreno, y por tanto, contener mediante barrera el agua subterránea, es mediante la inyección del terreno. La técnica, muy utilizada también como mejora del terreno, consiste en introducir en el medio una mezcla fluida que reacciona con las partículas de suelo mediante una reacción hidráulica o química. De esta forma se conforma una masa de mayor resistencia mecánica y permeabilidad, así como menor deformabilidad, pues se consigue aumentar la compacidad, disminuyendo el índice de huecos (Figura 1).

El tratamiento del terreno con inyecciones depende tanto de las peculiaridades del medio a tratar como de las características del producto de inyección, así como de la forma en la que este producto se introduce en el medio.

Este procedimiento constructivo se inició en Francia, siendo su inventor Charles Bérigny en 1802, quien inyectó morteros de cemento, alguna vez asociados con puzolanas. Si bien al principio solo se pretendían rellenar huecos colocando el mortero líquido por gravedad, poco a poco se perfeccionaron las inyecciones, a partir de 1920-1930, donde la construcción de ferrocarriles abrió paso a las grandes obras hidráulicas.

Las aplicaciones más frecuentes de la inyección del terreno son los tratamientos de las cimentaciones de presas, el refuerzo de cimentaciones o recalce de edificios, así como la construcción de túneles. Sin embargo, hay que ser prudentes con estos procedimientos, pues la inyección de grandes volúmenes de material en el terreno puede causar desplazamientos. Además, el material inyectado tiende a moverse a través de las capas más permeables o a través de grietas débiles, surgiendo a menudo a distancias considerables del punto de inyección.

En el caso de las inyecciones de impermeabilización, el objetivo fundamental es reducir la permeabilidad del terreno. Son tratamientos muy habituales en presas, en túneles y en excavaciones en general, cuando se realizan trabajos bajo nivel freático. Se emplean como mezclas de inyección lechadas y productos químicos como los geles de silicato, aunque también es posible realizar inyecciones de colmatación de huecos mediante arenas sin cemento con objeto de disminuir la permeabilidad, permitiendo el drenaje. A medida que la permeabilidad del medio disminuye, se deben emplear fluidos de menor viscosidad para conseguir la suficiente penetración en el terreno.

Al fluido inyectado se le conoce como mortero de inyección, los cuales pueden ser conglomerados hidráulicos, materiales arcillosos, arenas y filleres, agua y productos químicos. El componente más habitual en las inyecciones es el cemento, el cual puede ir acompañado por distintos productos. Los materiales utilizados en la inyección son los siguientes:

  • Conglomerantes hidráulicos: Incluyen los cementos y productos similares empleados en suspensión cuando se preparan las lechadas. La granulometría del conglomerante hidráulico de la lechada es un factor importante, pues guarda relación con las dimensiones de los huecos o fisuras o huecos existentes.
  • Materiales arcillosos: Las arcillas naturales, de tipo bentonítico, activadas o modificadas, se utilizan en las lechadas elaboradas con cemento, pues reducen la sedimentación y varían la viscosidad y la cohesión de la lechada, mejorando la bombeabilidad.
  • Arena y filleres: Se adicionan a las lechadas de cemento y a las suspensiones de arcilla para variar su consistencia, mejorando de esta forma su comportamiento frente a la acción del agua, su resistencia mecánica y su deformabilidad. Generalmente se utilizan arenas naturales o gravas, filleres calcáreos o silíceos, puzolanas y cenizas volantes, exentos de elementos perjudiciales.
  • Agua
  • Productos químicos: Se utilizan silicatos y sus reactivos, resinas acrílicas y epoxi, materiales procedentes de lignina y poliuretanos, siempre que cumplan la legislación ambiental vigente. Los aditivos son productos orgánicos e inorgánicos que se añaden, en general en cantidades reducidas, a la lechada para modificar sus propiedades y controlar la viscosidad, el tiempo de fraguado y la estabilidad, durante la inyección, además de la resistencia, cohesión y permeabilidad una vez colocada la lechada. Como aditivos se utilizan, entre otros, superplastificantes, productos para retener agua y productos para arrastrar aire.

En la Tabla 1 se relacionan los distintos tipos de productos:

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.
  • CAMBEFORT, H. (1968). Inyección de suelos. Omega, Barcelona.
  • KUTZNER, C. (1996). Grouting of rock and soil. A.A. Balkema, Rotterdam.
  • MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcción. Mejora de terrenos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. 2004.844. Valencia.
  • SANZ, J.M. (1981). Procedimientos generales de construcción. Sondeos y perforaciones, inyecciones, pilotes, pantallas continuas. E.T.S. Ingenieros de Caminos, Madrid.
  • YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 338 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

 

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Optimización de muros de contrafuertes mediante algoritmo híbrido de enjambre de partículas y clustering

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Mathematics,  revista indexada en el primer cuartil del JCR. En este artículo se presenta un algoritmo híbrido de enjambre de partículas y clustering para optimizar el coste y las emisiones de CO2 de un muro de contrafuertes. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación DIMALIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

El diseño de los muros de contrafuertes es un problema de optimización combinatoria de interés debido a las aplicaciones prácticas relativas al ahorro de costos que implica el diseño y la optimización en la cantidad de emisiones de CO2 generadas en su construcción. Por otro lado, este problema presenta importantes retos en cuanto a complejidad computacional, pues involucra 32 variables de diseño, por lo que tenemos en el orden de 10^20 combinaciones posibles. En este artículo proponemos un algoritmo híbrido en el que se integra el método de optimización del enjambre de partículas que resuelve los problemas de optimización en espacios continuos con la técnica de clustering db-scan. Este algoritmo optimiza dos funciones objetivo: las emisiones de carbono y el costo económico de los muros de hormigón armado. Para evaluar la contribución del operador del db-scan en el proceso de optimización, se diseñó un operador aleatorio. Se comparan las mejores soluciones, los promedios y los rangos intercuartílicos de las distribuciones obtenidas. A continuación se comparó el algoritmo db-scan con una versión híbrida que utiliza k-means como método de discretización y con una implementación discreta del algoritmo de búsqueda de armonía. Los resultados indican que el operador db-scan mejora significativamente la calidad de las soluciones y que la metaheurística propuesta muestra resultados competitivos con respecto al algoritmo de búsqueda de armonía.

Abstract:

The design of reinforced earth retaining walls is a combinatorial optimization problem of interest due to practical applications regarding the cost savings involved in the design and the optimization in the amount of CO2 emissions generated in its construction. On the other hand, this problem presents important challenges in computational complexity since it involves 32 design variables; therefore we have in the order of 10^20 possible combinations. In this article, we propose a hybrid algorithm in which the particle swarm optimization method is integrated that solves optimization problems in continuous spaces with the db-scan clustering technique, with the aim of addressing the combinatorial problem of the design of reinforced earth retaining walls. This algorithm optimizes two objective functions: the carbon emissions embedded and the economic cost of reinforced concrete walls. To assess the contribution of the db-scan operator in the optimization process, a random operator was designed. The best solutions, the averages, and the interquartile ranges of the obtained distributions are compared. The db-scan algorithm was then compared with a hybrid version that uses k-means as the discretization method and with a discrete implementation of the harmony search algorithm. The results indicate that the db-scan operator significantly improves the quality of the solutions and that the proposed metaheuristic shows competitive results with respect to the harmony search algorithm.

Keywords:

CO2 emission; earth-retaining walls; optimization; db-scan; particle swarm optimization

Reference:

GARCÍA, J.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2020). The buttressed  walls problem: An application of a hybrid clustering particle swarm optimization algorithm. Mathematics, 8(6):862. https://doi.org/10.3390/math8060862

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Contención del agua mediante escudos de aire comprimido

Figura 1. Distribución de presiones en el frente del escudo

La necesidad de equilibrar suelos inestables que además se encuentran bajo el nivel freático, ha desarrollado un conjunto de escudos con diversas tecnologías que estabilizan el frente empleando aire comprimido, lodos o las propias tierras extraídas en la excavación.

El aire comprimido es el sistema más antiguo empleado como medio de estabilización en la excavación de túneles. En 1874, James H. Greathead plantea el primer escudo que utiliza aire comprimido, aunque no se llegó a emplear. En 1879, De Witts Haskins maneja por primera vez la presurización a 0,24 MPa en la construcción del túnel en Nueva York, bajo el río Hudson, y del túnel Antwerp Docks recurriendo a dovelas de fundición.

En sus primeras aplicaciones se utilizaron escudos abiertos con una presurización integral del túnel, para construir túneles bajo niveles freáticos poco importantes (0,1 a 0,2 MPa), entre el frente y la esclusa inicial de entrada. En el frente bastaban simples escudos de entibación u otros con rueda abierta, pues el único condicionante era disponer un frente con un coeficiente de permeabilidad al aire bajo, compuesto en su mayoría por arenas finas, arcillas y limos. Estos escudos tenían acceso al frente de excavación por medio de dos sistemas de esclusas de cierre hermético: una para la entrada y salida del personal, y otra para la evacuación del escombro.

Sin embargo, es a partir de los años 1950-60 cuando se reconocen los problemas que plantea el trabajo prolongado en condiciones hiperbáricas. En efecto, cualquier pérdida de aire podría implicar un desastre de enormes proporciones.

En terrenos con frentes con suelos granulares no cohesivos, el riesgo es alto de accidentes debido a la inestabilidad del frente por su rotura. Además, los rendimientos son muy bajos, pues la entrada al túnel del personal y la maquinaria se hace a través de esclusas para mantener la presión. Incluso trabajando por debajo de los 0,3 MPa, se exigen tiempos de descompresión cercanos a las 4 horas, por lo que solo son útiles de 2 a 3 horas por turno, lo cual dispara los costes.

Los inconvenientes de esta forma de trabajo, especialmente por razones de seguridad y salud para los operarios, han eliminado por completo la presurización integral del túnel. Sin embargo en escudos cerrados, el aire comprimido cuando el terreno reúne las condiciones necesarias, puede ser un medio de estabilización eficaz, aplicable en combinación con otros medios de sustentación. Por tanto, se presuriza exclusivamente el terreno del frente, es decir, el espacio comprendido entre la rueda de corte y un mamparo, que es lo que se denomina “cámara de tierras”. De esta forma, se aísla la presión del resto de la máquina, pudiendo los operarios trabajar a presión atmosférica. Hoy día solo se entra en la cámara presurizada para la revisión de la rueda de corte y la reposición de herramientas, siempre con la máquina parada. De todas formas, los escudos de aire comprimido apenas se utilizan hoy en día, pues el aire comprimido complica mucho la organización de la obra. Solo se emplean en labores complementarias o túneles muy cortos y siempre con presiones inferiores a unos 0,3 MPa.

El reparto desigual de presiones sobre el frente de excavación, puede ser un inconveniente tanto más importante cuanto mayor sea la altura del escudo según se aprecia en el esquema siguiente: en escudos de grandes dimensiones la diferencia de cota entre la solera y la clave del túnel, puede llegar a establecer importantes diferencias de presión. Para una diferencia h2 – h1 » 10 m la sobrepresión en clave sería del orden de una atmósfera.

Por otra parte, para que el aire comprimido sea un medio efectivo de sostenimiento arenas o gravas, es necesario que el suelo contenga una proporción mínima (>10 %) de finos, es decir, son necesarios terrenos muy homogéneos. En el caso de materiales no cohesivos con riesgo de roturas del frente, se prefieren otro tipo de escudos, tal y como se describirá en lecciones posteriores.

Los principales componentes de un escudo de aire comprimido son los siguientes:

  • Cabeza de corte, formada por cuchillas y dientes
  • El escudo cilíndrico de protección. Su parte frontal está cerrada por un mamparo que separa la cámara presurizada donde está la cabeza de corte, del resto
  • Gatos hidráulicos de empuje horizontal

En estos escudos la extracción del escombro se realiza hasta la zona despresurizada a través de un tornillo sinfín, que puede descargar en una válvula esférica rotativa. Cuando existen dificultades, se pueden adicionar espumas o polímeros para conformar un gel viscoso manejable.

Existe un tipo especial de tuneladora denominada escudo abierto de aire comprimido, donde la excavación se realiza con un minador puntual o rozadora, mientras que el frente se sostenien con aire comprimido.

La realidad, la presurización neumática actual de la cámara frontal del escudo queda reducida a situaciones de emergencia en escudos de presión de lodos o de tierras para, mediante una esclusa situada en la cabeza de la máquina, permitir el acceso para la sustitución de picas, reparar o solucionar alguna situación inesperada.

Referencias:

  • GALLO, J.; PÉREZ, H.; GARCÍA, D. (2016). Excavación, sostenimiento y técnicas de corrección de túneles, obras subterráneas y labores mineras. Universidad del País Vasco, Bilbao, 277 pp.
  • MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F.; ALCALÁ, J. (2012). Técnicas de voladuras y excavación en túneles. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 530, 165 pp.
  • MENDAÑA, F.; FERNÁNDEZ, R. (2011). Hidroescudos y tuneladoras E.P.B. Campos de utilización. Revista de Obras Públicas, 3525:67-86
  • YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 338 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Contención del agua mediante inyección de lechadas estables

Figura 1. Inyección de impregnación. https://www.bacsol.co.uk/solution/permeation-grouting/

Los morteros estables son suspensiones en agua que no producen sedimentación durante un periodo dilatado de tiempo cuando se inyectan en el terreno (mínima exudación) y que tampoco producen el efecto bóveda al llegar a los intersticios. Esta propiedad permite que no se vayan cerrando las fisuras y se pueda aumentar a la vez la presión. Por eso se puede inyectar a baja presión, reduciendo el caudal lo necesario. Las lechadas estables son económicas en el caso de gravas y arenas finas, pues si los granos son demasiado finos (inferiores a 1 o 2 mm), el cemento no podrá penetrar en los huecos. También resultan convenientes para el taponamiento de grandes fisuras en macizos rocosos.

La estabilidad de una mezcla de inyección, que se refiere a la propiedad de mantener los granos de cemento en suspensión, es relativa, pues la estabilidad es suficiente si mantiene estas características durante la inyección. Normalmente se determina en el laboratorio la estabilidad mediante una prueba de sedimentación o de decantación. El artículo 676 del Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para Obras de Carreteras considera que una suspensión es estable si cuando se coloca un litro en un cilindro graduado, al cabo de cuatro horas, el volumen superior de agua clara que sobre nada es inferior al 4% del volumen total.

Una mezcla con una fuerte dosificación de cemento consigue una sedimentación nula, pero es un fluido muy viscoso y no se puede inyectar (Cambefort, 1968), por lo que es necesario un estudio de laboratorio que permita conocer las proporciones adecuadas de cemento con otros componentes como la bentonita, que presenta propiedades coloidales, y aditivos, con propiedades estabilizadoras en función del peso del cemento.

Una mezcla estable se puede conseguir con una lechada de cemento activada. Se consigue de esta forma una dispersión óptima del cemento, bien por vía química con la utilización de aditivos, o bien por vía física con calentamiento y sobreagitación. Sin embargo, también se puede conseguir una suspensión estable con una mezcla de arcilla, fundamentalmente bentonita y silicato con cemento. Estas últimas lechadas, además de no sedimentar, presentan un fraguado muy lento, superior a las 24 horas.

Las suspensiones estables son, por lo general, una combinación de arcilla, cemento y arena que proporciona impermeabilidad una vez han endurecido. Tanto si la suspensión es estable o inestable, estas lechadas presentan una baja resistencia al corte por sí solas, por lo que al combinarla con las partículas del suelo se incrementa la resistencia al corte de la masa. Ello se debe a que una vez el fluido comienza a solidificarse, se generan fuerzas capilares en los granos, densificando el terreno y disminuyendo el volumen de huecos.

Es importante inyectar a baja presión en zonas a 5-10 m para evitar resurgencias y levantamientos. No obstante, como esta baja presión y la débil sedimentación no abren las fisuras, por ejemplo, en un macizo rocoso, resulta de interés inyectar un mortero inestable a alta presión después del fraguado del mortero estable. También es muy común, tras inyectar una lechada estable en gravas o arenas, inyectar una lechada inestable para rellenar los pequeños huecos que quedan de la casi despreciable sedimentación de la primera suspensión, así como un lavado a presión del macizo rocoso.

Las mezclas funcionan prácticamente a viscosidad constante, como verdaderos fluidos que se podrían bombear indefinidamente, por lo que se debe controlar la admisión de material, más que la presión. Ello se debe a que este tipo de inyecciones presentan un fraguado muy lento, no hay sedimentación de mortero ni taponamiento de huecos, por lo que el volumen de mortero estable inyectado no está limitado por los aumentos de presión tal y como ocurre con los morteros inestables. Por tanto, el sistema requiere cerrar el recinto a inyectar mediante taladros previos de contorno, avanzando el tajo de forma centrípeta.

Dentro de los morteros estables, se pueden distinguir los siguientes tipos, García Valcarce et al. (2003) distingue los siguientes tipos: bentonita-cemento, cemento-silicato, cemento-bentonita-silicato, cemento activado, suspensiones de arcilla, arcilla-cemento y arcilla-cemento-arena.

Si atendemos a los grupos más destacados de suspensiones estables, distinguimos los siguientes (Bielza, 1999):

  • Mezclas de cemento-bentonita: La bentonita constituye el principal aditivo para mejorar la estabilidad y penetración de la lechada de cemento. La bentonita es capaz de reducir la sedimentación de las partículas de mayor tamaño que componen la mezcla, y además reduce su coste aumentando el volumen de la lechada. Las lechadas de cemento y bentonita son útiles en la inyección de depósitos de gravas y arenas gruesas. Para estabilizar totalmente un cemento de inyección se precisa entre un 2 y un 5% de bentonita sódica; no debe superarse estas proporciones para no obtener productos esponjosos con baja resistencia a compresión y fraguado lento. La relación cemento/agua, en peso, varía de 1 a 2 para un 2% de bentonita, en cuyo caso la sedimentación es nula si c/a ≤ 1,4. Este rango varía de 1 a 1,7 para un 4% de bentonita, en cuyo caso la decantación es nula. La bentonita actúa como lubricante debido a su finura, lo que permite bombear suspensiones con una baja relación a/c, quedando rellenos los huecos o poros en una sola operación. Hay que tener presente que la adición de bentonita baja la resistencia e incrementa la plasticidad de la mezcla. Por otra parte, a veces se puede separar la bentonita del cemento, lo que puede ocasionar algunas fracturas rellenas solo de bentonita. Si es terreno es muy permeable, se puede añadir a la lechada silicato de sodio en 1 a 2% en relación al peso del cemento para acelerar el fraguado. Sin embargo, la dosificación debe determinarse en laboratorio.
  • Mezclas de cemento-silicato: Si se añade silicato de sodio a un mortero de cemento, se aumenta la rigidez, siendo esta mejora tanto más importante cuanto más fuerte es la dosificación del cemento. Además, si este tipo de mezcla permanece en reposo, la rigidez crece con el tiempo. Esto es muy evidente al cabo de una hora, donde existe una aceleración del fraguado del cemento debida al silicato. Estos morteros no son homogéneos, pues el silicato forma grumos. Para evitar estos grupos, sería necesario un periodo muy largo de agitación, por lo que son morteros que se utilizan poco.
  • Mezcla de cemento-bentonita-silicato: La adición de bentonita a una lecha de cemento retarda el fraguado y disminuye la resistencia mecánica, pero proporciona, como se ha visto anteriormente, un mortero homogéneo. El silicato acelera el fraguado pero produce un mortero grumoso. Por tanto, resulta interesante combinar ambos productos. La combinación da un mortero homogéneo que tiene una rigidez inicial más importante que solo con la bentonita, teniendo un comportamiento claramente tixotrópico.
  • Mortero de cemento activado: Una dosificación fuerte de cemento hace más débil la decantación, llegando incluso a una decantación nula. El problema es que este mortero no podría inyectarse. Sin embargo, con ciertos tratamientos, se obtiene la defloculación de los coloides de la suspensión y se obtienen morteros activados. Esta activación permite inyectar morteros de elevada dosis en cemento, que tengan una ligera o nula sedimentación. Además, esta activación hace el mortero menos deslavable y prácticamente no miscible en el agua.
  • Suspensiones de arcilla-cemento o inyecciones en suspensión: Es una mezcla compuesta de cemento portland, con una relación a/c entre 10 y 2,5 y lodo de arcilla. La arcilla aumenta el contenido de finos y mejora la penetrabilidad de la suspensión en el terreno, economizando cemento y mejorando la estabilidad y viscosidad de la suspensión como consecuencia de la capacidad de la arcilla para formar geles. La arcilla disminuye la sedimentación y la pérdida de agua de la suspensión. La estabilidad mejora con la calidad de la arcilla y con su proporción en la mezcla. El límite líquido y el índice de plasticidad de la arcilla deben ser inferiores a la de la bentonita (es decir, la arcilla no debe ser montmorillonita). Esta arcilla no afecta tanto a la viscosidad como la bentonita, por lo que se puede añadir a la mezcla en una mayor proporción. Además de la arcilla, se puede agregar arena, serrín, polivinilo, celofán o poliéster para mejorar sus propiedades. Las lechadas de arcilla-cemento son las más adecuadas para la impermeabilización, además de utilizarse en rocas fisuradas, incluso siendo muy porosas o presentando grandes cavidades. También se usan en suelos de una permeabilidad superior a 10-3 m/s, como es el caso de terrenos aluviales gruesos, siendo adecuados como pretratamiento. En estos casos la merma de fluidez que aporta las gruesas partículas de cemento no es tan trascendente, pues se utilizan en terrenos suficientemente permeables.
  • Mezclas de cemento especial (microcemento): Se utiliza el polvo de cemento microfino con una finura alrededor de 1,7 veces menor que la del cemento portland ordinario. Ello provoca una mayor superficie específica que mejora las propiedades físicas y reológicas, como la viscosidad y su evolución con el tiempo, el rendimiento, la resistencia a corte y la capacidad de penetración al emplear el microcemento con un agente dispersante. Es necesario en este tipo de mezclas un agente dispersante para que las partículas y los flóculos se mantengan entre 1 y 20 μm. Son mezclas muy útiles en la inyección de todo tipo de cimentaciones, especialmente en túneles y presas, pero son de muy elevado coste, comparable con el de las mezclas químicas. Las lechadas de microcemento pueden penetrar en arenas medias, pudiendo resistir umbrales de gradiente hidráulico superiores a 260. A diferencia de las mezclas químicas, con una capacidad de penetración similar, proporciona al medio una mayor resistencia adherente.
  • Suspensiones de arcilla: La penetrabilidad de las suspensiones de arcilla es función de su proceso de defloculación, que está regida por los coloides. Las consecuencias de la floculación es que las suspensiones presentan un tamaño demasiado grande, aumenta la viscosidad y por tanto disminuye la penetrabilidad. La arcilla que se inyecta debe presentar un límite líquido superior a 60. En caso contrario, se deben añadir coloides.
  • Suspensiones de arcilla-cemento-arena: La adición de arena a un mortero de cemento estable da un mortero inyectable. A más dosificación de arena, más fácil es que permanezcan en suspensión los granos más gruesos.

En la actualidad, las inyecciones de cemento con bentonita en cimiento de presas se está reemplazando por un sistema, ideado por Lombardi y Deere en 1993, denominado método GIN (Ground Intensity Number). Las características básicas de este sistema es que las lechadas de inyección no pueden llevar bentonita que evita la decantación, sino superfluidificantes que bajen la viscosidad, bajen la cohesión y asimilen la lecha a un fluido de Bingham. De esta forma se tiene una única mezcla de lechada para todo el proceso de inyección. Por otra parte, para reducir el riesgo de hidrofracturación, además de limitar la presión y el volumen inyectado, el intervalo de inyección se restringe por la hipérbola P·V=cte. La idea es que la finalización de la inyección basada en alcanzar una presión de cierre o un volumen de cierre estaba muy del lado de la seguridad. Este método se puede aplicar tanto a la inyección por tramos descendente, como ascendente, así como mediante el uso del tubo-manguito. El método GIN no solo es una forma de definir y seleccionar el valor de la intensidad de las inyecciones, sino que se considera como una práctica referida a la inyección de masas rocosas fisuradas para mejorar su resistencia y reducir su deformabilidad y permeabilidad.

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.
  • CAMBEFORT, H. (1968). Inyección de suelos. Omega, Barcelona.
  • 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. 2004.844. Valencia.
  • YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 338 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

 

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Tuneladoras de frente en presión de lodos: los hidroescudos

Vista frontal de un hidroescudo. https://www.eurohinca.com/escudo-cerrado-hidroescudo.html

Los escudos de frente en presión de lodos, o hidroescudos (hydroshield, en inglés) son tuneladoras que emplea lodos tixotrópicos para garantizar la estabilidad del frente, con un sistema de conducción del escombro por vía húmeda mediante bombeo. Estas máquinas surgieron en los años sesenta para resolver el problema de la presurización de los frentes de excavación en materiales no cohesivos.

Actualmente, los hidroescudos son aptos para trabajar para excavar bajo nivel freático en terrenos complicados, formados por arenas y gravas u otros materiales blandos y fragmentados. El límite del tamaño máximo transportable hidráulicamente es de 80 a 100 mm. No obstante, si se incorpora una trituradora en la cabeza de la máquina, se puede abordar el desalojo de tamaños mayores. Cuando el porcentaje de finos (tamiz 200) supera el 20%, la solución no es económica por la dificultad de separar el escombro de la bentonita. Además, se trata de una máquina especialmente indicada para la perforación de pequeños diámetros. No obstante, siempre con los inconvenientes propios de este medio de estabilización: vertido de los lodos y sobrecoste de la instalación para su preparación, bombeo y recuperación.

Estos escudos son las más apropiados para excavar túneles en terrenos inestables sometidos a una elevada presión de aguas subterráneas o a filtraciones que deben contenerse proporcionando sostenimiento al frente de excavación con un fluido a presión. Este fluido de excavación normalmente es una suspensión de bentonita o bien una mezcla de arcilla y agua.

El fluido de perforación se bombea hacia el interior de la cámara de excavación, donde llega al frente de excavación y penetra en el suelo formando la torta de filtro o el mamparo impermeable en suelos finos, o la zona impregnada en suelos gruesos, que garantiza la presión en el frente. La función de los lodos, además de estabilizar el terreno, es facilitar la evacuación del escombro que, mezclado con ellos, se bombea y dirige hacia el exterior.

En estos escudos, la parte de la máquina que realiza la excavación, está separada del resto por una mampara completamente estanca. Los lodos ocupan una cámara con dos compartimentos: uno anterior lleno de lodos con el escudo en funcionamiento y otro posterior en el que se regula la presión por medio de un colchón de aire que está separado de la cámara por un diafragma. El volumen de lodos, se controla automáticamente con un regulador de nivel superior e inferior que actúa sobre los sistemas de alimentación y de extracción del detritus, de forma que cuando los lodos alcanzan uno de estos niveles, las bombas de impulsión o extracción se paran automáticamente.

En la Figura 2 se representan las distintas partes de la que consta un hidroescudo.

Figura 2. Esquema básico de un hidroescudo

La numeración de las partes del hidroescudo de la Figura 2 es la siguiente:

  1. Rueda de corte
  2. Accionamiento
  3. Suspensión de bentonita
  4. Sensor de presión
  5. Esclusa de aire comprimido
  6. Erector de dovelas
  7. Dovelas
  8. Cilindros de propulsión
  9. Burbuja de aire comprimido
  10. Mamparo sumergible
  11. Machacadora
  12. Tubería de extracción

Como en cualquier aplicación con lodos bentoníticos, la permeabilidad del terreno tiene un límite (k > 10-2 cm/s.) a partir del cual la capa de gel ya no se forma sobre el terreno y en consecuencia ha de recurriese a otro medio auxiliar de excavación.

La mezcla con los residuos se bombea desde la cámara de excavación hasta una planta de separación situada en la superficie, compuesta generalmente por cribas y ciclones, lo cual permite reciclar la suspensión de bentonita y arcilla.

Por último, resulta relevante comentar que los hidroescudos son la única forma de excavar un túnel bajo nivel freático cuando las presiones del agua son muy elevadas, por encima de los 5 Bar.

Os dejo a continuación la Figura 3, tomada de Mendaña y Fernández (2011), donde se pueden ver, de una forma aproximada, los rangos de utilización de los hidroescudos frente a los escudos EPB. A la izquierda de la figura tenemos en azul los terrenos cohesivos, donde lo ideal son los escudos EPB, mientras que a la derecha son terrenos no cohesivos con escasez de finos, donde lo más adecuado son los hidroescudos. Existe, como siempre, un campo intermedio donde se debe estudiar con mayor detenimiento la aplicación. En cualquier caso, es muy importante elegir bien los aditivos adecuados.

Figura 3. Campo de aplicación de los escudos presurizados (Mendaña y Fernández, 2011)

Os dejo a continuación un artículo de Mendaña y Fernández publicado en la Revista de Obras Públicas: http://ropdigital.ciccp.es/pdf/publico/2011/2011_octubre_3525_04.pdf

Descargar (PDF, 1.27MB)

Referencias:

  • MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F.; ALCALÁ, J. (2012). Técnicas de voladuras y excavación en túneles. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 530, 165 pp.
  • MENDAÑA, F.; FERNÁNDEZ, R. (2011). Hidroescudos y tuneladoras E.P.B. Campos de utilización. Revista de Obras Públicas, 3525:67-86.
  • YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 338 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

 

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Inyección de lechadas químicas

Figura 1. Inyección en presa Los Caracoles, San Juan (Argentina). www.fundacionesespeciales.com

La inyección de morteros líquidos se les conoce también por inyecciones químicas. Las lechadas químicas, también llamadas mezclas químicas, son soluciones puras sin partículas en suspensión, salvo que se añadan con alguna finalidad específica. Se caracterizan por su baja viscosidad, cercana al agua, por lo que penetran en los huecos por donde el agua puede filtrarse. Normalmente penetran en arenas finas, limos arenosos y fisuras de hasta 0,01 mm de apertura. La mezcla gelifica al cabo de cierto tiempo al cambiar bruscamente la viscosidad. Su mayor inconveniente es su alto precio, por lo que suelen utilizarse en casos específicos o combinados con otras técnicas, donde antes se ha inyectado con cemento.

Las mezclas líquidas se caracterizan por su viscosidad, que determina su penetrabilidad, por el tiempo que transcurre desde la fabricación de la mezcla hasta el comienzo de su gelificación y por las características del gel final como aglomerante del medio que recibe la inyección (Figura 2). Estas características se ven afectadas por las proporciones de la mezcla, incluida el agua y también de la temperatura, que modifica el tiempo de gelificación.

Figura 2. Cambio de viscosidad de algunas mezclas químicas (Sanz, 2000)

Las inyecciones químicas se componen de una base de inyección, un reactivo y un catalizador. Así, en el método de Joosten, una solución de silicato de sodio reacciona con una solución alcalina de cloruro cálcico para formar un concentrado de sílice, el llamado gel de sílice. Sin embargo, aparte de los geles de sílice, se pueden clasificar las mezclas químicas en otros tipos de genes y en resinas y espumas.

Se utilizan dos procesos de aplicación de las lechadas químicas. Las de doble acción (two-shot) consiste en inyectar el silicato sódico concentrado y luego una solución de cloruro cálcico que se inyecta a presión elevada que actúa como gelificante. Este procedimiento supone el coste de dos inyecciones y de los sondeos correspondientes. Para evitar esto, se utiliza el proceso de acción simple (one-shot) supone una única inyección de todos los productos, que se mezclan antes de inyectarse, pero diseñando la reacción de forma que la lechada solidifique o se convierta en gel en los huecos del suelo. Este segundo caso corresponde al caso de la reacción del silicato con acetato de etilo, formalmida, etc., o bien utilizando subproductos del tratamiento de las maderas, tales como las lejías lignosulfáticas coaguladas por adición de bicromatos alcalinos.

Los tipos más comunes de lechadas químicas son las siguientes (García Valcarce et al., 2003):

  • Geles duros (reactivos orgánicos):
    • A base de silicato de sodio
    • Mezcla de un lignosulfito y bentonita
  • Geles plásticos (reactivos inorgánicos):
    • A base de silicato de sodio y bentonita desfloculada
    • Geles de bentonita, arcilla o cemento
    • Resinas orgánicas
    • Monómeros acuosos, polímeros precondensados

Estas inyecciones no se aplican a terrenos con poros muy pequeños, como las arcillas y limos, que prácticamente no se pueden inyectar. Se podrían aplicar a arenas finas o loess, pero con costes muy elevados. Tampoco servirían con terrenos con huecos demasiado grandes ni cuando la mezcla presente una viscosidad elevada.

A continuación se describen los tres grandes grupos de lechadas químicas:

  • Geles de sílice: La base habitual es el silicato de sodio disuelto en agua. Esta base se mezcla con un reactivo endurecedor orgánico (geles duros) o mineral (gel o espuma), que, en función de la dosificación, regula la duración del fraguado. Las lechadas químicas de este tipo son las de mayor viscosidad, y su aplicación es adecuada en arenas finas o muy finas (k ϵ [10-3, 10-6] m/s). En roca se emplea cuando las fisuras son finas. Como reactivo inorgánico (fabricación de gel plástico), se usa principalmente el bicarbonato sódico, lo cual forma un gel blando de gelificación retardada, suficiente para la impermeabilización. Entre los reactivos orgánicos se puede mencionar el acetato de etilo, aunque hoy día se ha desplazado por otros productos, muchos bajo marcas comerciales.
  • Otros geles: Para aplicaciones particulares, se pueden utilizar otros tipos de lechadas químicas:
    • Geles mixtos: Mezcla de gel de sílice y resina acrílica, empleado para el tratamiento de fisuras activas.
    • Geles de arcilla: Mezcla de bentonita, silicato y un reactivo, muy utilizado en la impermeabilización de depósitos aluviales, para el remate de pantallas impermeables, así como proceso posterior a la inyección de lechadas de bentonita-cemento. También se utiliza cuando es difícil impermeabilizar con lechadas de cemento y cuando no se justifica el uso de gel.
    • Geles lignocromos: Mezclas de lignosulfatos que contienen un exhalante de cromo, altamente tóxico. Es habitual el lignosulfato de calcio y dicromato de sodio. Se usan también en la impermeabilización de depósitos aluviales complementando a las inyecciones de bentonita-cemento.
  • Resinas: Suelen ser soluciones de productos orgánicos en agua o en disolventes no acuosos, que polimerizan a temperatura ambiente en lugares cerrados. Se utiliza cuando no se puede inyectar otro producto por su viscosidad demasiado elevada. Se emplea en la impermeabilización de terrenos granulares finos o en el cierre de grietas de obras, especialmente presas y túneles. En estos últimos casos, o en la inyección en fisuras den estructuras de hormigón, aunque son muy caras, se pueden usar colas inyectadas, que son resinas de alta viscosidad como pueden ser las resinas epoxi especiales, poliéster, o productos acrílicos, que una vez polimerizan proporcionan mecánicas superiores a las del hormigón. Habría que hacer mención a los productos espumantes que incrementan su volumen con la formación de burbujas de gas (resinas de poliuretano). Un caso especial son los productos “sensibles al agua”, que permanecen líquidos hasta ser inyectados. Están formados por coloides orgánicos (poliol-isocianato) que pasan a espuma de poluiretano, en contacto con el agua, incrementando su volumen en más de 20 veces. Son las resinas de poluiretano acuarreactivas (resinas P.A.).

En la Figura 3 se representa el campo de aplicación de distintas inyecciones químicas en función de la permeabilidad del terreno. Puede verse que las mezclas químicas, especialmente las resinas acrílicas y fenólicas, presentan un mayor rango de aplicabilidad que las inyecciones de lechada de cemento o de arcilla-cemento. Los polímeros dan buen resultado cuando se requiere inyectar fracturas abiertas con agua en circulación, taponándose temporalmente las grietas para inyectar entonces las suspensiones de cemento, morteros y lechadas, que son más resistentes y de mayor durabilidad.

Figura 3. Tipos de inyecciones según la permeabilidad (Pérez Valcárcel, 2004)

En la Figura 4 se observa, con carácter orientativo, el límite de inyectabilidad en función de la permeabilidad del suelo y los diámetros de los granos de lechada (Cambefort, 1968).

Figura 4. Penetrabilidad de los morteros en función de la permeabilidad del medio (Cambefort, 1968)

En la Figura 5 se han representado los materiales que se emplearían en la inyección de acuerdo con el tamaño de los granos del terreno.

Figura 5. Materiales de inyección de acuerdo con el tamaño de las partículas (Bell, 1978)

A parte del coste de este tipo de tratamientos, hay que señalar que el agua marina puede modificar sustancialmente el tiempo de gelificación de varias soluciones de este tipo. Además, normalmente este tipo de tratamientos son provisionales, útiles durante la fase constructiva, pues la durabilidad de este tipo de productos puede ser muy variable.

Referencias:

  • BELL, F.G. (1978). Foundation engineering in difficult ground. Butterworths, London.
  • BIELZA, A. (1999). Manual de técnicas de tratamiento del terreno. Carlos López Jimeno, Madrid, 432 pp.
  • CAMBEFORT, H. (1968). Inyección de suelos. Omega, Barcelona.
  • GARCÍA VALCARCE, A. et al. (1995). Manual de Edificación. Derribos y demoliciones. Actuaciones sobre el terreno. Ediciones Universidad de Navarra, Pamplona, 472 pp.
  • MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcción. Mejora de terrenos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. 2004.844. Valencia.
  • SANZ, J.M. (1981). Procedimientos generales de construcción. Sondeos y perforaciones, inyecciones, pilotes, pantallas continuas. E.T.S. Ingenieros de Caminos, Madrid.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 338 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

 

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Diseño de experimentos factorial completo aplicado al proyecto de muros de contención

En el congreso CMMoST 2019 (5th International Conference on Mechanical Models in Structural Engineering), celebrado en Alicante del 23 al 25 de octubre de 2019, tuvimos la ocasión de presentar varias comunicaciones. A continuación os paso una denominada “Diseño de experimentos factorial completo aplicado al proyecto de muros de contención“.

En este caso, se trataba aplicar una técnica estadística procedente del diseño de experimentos, el diseño factorial completo, para determinar las variables significativas y las interacciones entre las variables cuando se trata de calcular una estructura. En este caso, se trata de analizar las emisiones de CO2 en la construcción de un muro de contención de tierras. Esta metodología es muy interesante para los estudiantes de máster. Ya hemos publicado algún artículo sobre el mismo tema aplicado a puentes pretensados. Os dejo el artículo en abierto.

Referencia:

MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2019). Diseño de experimentos factorial completo aplicado al proyecto de muros de contención. 5th International Conference on Mechanical Models in Structural Engineering, CMMoST 2019, 23-25 oct 2019, Alicante, Spain, pp. 201-213. ISBN: 978–84–17924–58–4

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