En una entrada anterior a este artículo se utilizó la Ley de Darcy y la línea de flujo más corta (de mayor gradiente crítico) para establecer una aproximación al caudal que habría que evacuar de una excavación en un solar. No obstante, para un estudio en detalle del flujo hidráulico en un medio poroso deberíamos acudir a la ecuación de Laplace y proceder a la integración de este tipo de ecuación en derivadas parciales atendiendo a las condiciones de contorno. En el siguiente vídeo que os he preparado tenéis una breve explicación. Este vídeo pertenece al curso de procedimientos de contención y control del agua subterránea en obras de ingeniería civil y edificación.
Con todo, lo mejor es presentar un problema resuelto que, espero, os sea de interés.
Figura. Determinación del máximo caudal aspirable desde el punto de vista de la cavitación
Cuando una bomba se instala en seco con una tubería de aspiración, se debe verificar que no se produzca cavitación. Se trata de un fenómeno termodinámico por el cual el agua se vaporiza al reducir la presión absoluta por debajo de la presión de vapor del líquido. Este fenómeno depende del líquido y puede presentarse en cualquier punto o situación de la instalación: bombas, válvulas, codos, etc.
Si la bomba trabaja con una aspiración excesiva, la presión a la entrada de la bomba puede alcanzar la presión parcial de vapor del agua. En ese momento se desprenden burbujas de vapor que, al recuperarse la presión, implosionan violentamente (la implosión puede producirse a presiones de 10000 bares) provocando graves daños en la bomba y sus instalaciones, pues deteriora las paredes y superficies. Si se produce cavitación, la eficiencia de la bomba desciende radicalmente; las vibraciones asociadas a la creación y destrucción de las burbujas destruyen las máquinas y las conducciones, y el oxígeno liberado las corroe. La cavitación produce un ruido característico, similar al de la arena deslizándose por una superficie metálica. Si la bomba funciona en estas condiciones durante cierto tiempo, puede dañarse.
DÍAZ DEL RÍO, M. (2007). Maquinaria de construcción. 2ª edición. McGraw-Hill/Interamericana de España, S.A., 944 pp.
IDEA (2012). Guía técnica de selección de equipos de transporte de fluidos. Asociación Técnica Española de Climatización y Refrigeración, Madrid, 108 pp.
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Resulta habitual en la edificación tener que realizar la excavación de un solar cuando tenemos un nivel freático somero. En este caso, es común el uso de pozos drenantes para realizar la excavación en seco. En la asignatura de Procedimientos de Construcción hay un tema dedicado al control del nivel freático.
En el problema que os paso a continuación, utilizo un solo pozo para mantener el nivel piezométrico controlado. Para eso he empleado la conocida fórmula de Dupuit-Thiem. Sin embargo, dicha expresión se ha deducido para acuíferos confinados, donde resulta más sencillo simplificar las condiciones de contorno. En el caso de acuíferos libres, especialmente cuando su espesor no es muy grande, se puede usar dicha ecuación aplicando la corrección de Jacob.
He querido irme al caso en el que desconozco la permeabilidad del terreno. Para eso debo medir los descensos en al menos un par de puntos para obtener la transmisividad, que es uno de los parámetros empleados en la fórmula de Dupuit-Thiessen. Espero que este problema os sea de interés.
CASHMAN, P.M.; PREENE, M. (2012). Groundwater Lowering in Construction: A Practical Guide to Dewatering, 2nd edition. CRC Press, Boca Raton, 645 pp.
INSTITUTO GEOLÓGICO Y MINERO DE ESPAÑA (1987). Manual de ingeniería de taludes. Serie: Guías y Manuales, nº 3, Ministerio de Educación y Ciencia, Madrid, 456 pp.
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TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
Figura 1. Inyección de lechada. Fuente: https://www.suelosingenieria.com/index.php/actividades/construccion/mejoramientos-de-suelos/inyecciones-lechada
La inyección de morteros o suspensiones inestables es el caso habitual de las lechadas de cemento (Figura 1). Se trata de una suspensión de cemento en agua cuya homogeneidad está condicionada a la agitación de la mezcla. Una vez cesa la agitación, se inicia la sedimentación del cemento. Esa sedimentación provoca el taponamiento de los poros y la inyección se obstaculiza. El cemento es un excelente material de inyección, pues no solo rellena los huecos, sino que, al fraguar, endurece el terreno o los macizos rocosos.
La aplicación habitual de la inyección de lechadas inestables es aumentar la resistencia de un macizo rocoso, aunque también se consigue impermeabilizar, especialmente si se emplean lechadas tratadas químicamente (estables). Lo habitual es que la inyección con lechadas de cemento sea por impregnación (2 a 5 MPa) o por fractura (9 a 10 MPa). También se podría realizar una inyección de compactación, pero requiere que el fluido sea muy denso, de forma que los bulbos de mortero fraguado desplacen y compacten la masa de suelo en sus alrededores.
La impermeabilización facilita tanto la ejecución de trabajos posteriores, como es el caso de la excavación de pozos o galerías bajo nivel freático que luego se revestirán, como para completar trabajos definitivos, como es la ejecución de pantallas estancas bajo presas, cuando se adivinan filtraciones de agua importantes (Figura 2). La inyección a alta presión no sería necesaria para garantizar la impermeabilización, sin embargo, es frecuente pues permite utilizar explosivos en la excavación posterior sin perjudicar la calidad del tratamiento.
Figura 2. Tratamiento de inyecciones en presa de hormigón. Adaptado de Houlsby (1990)
La consolidación mediante inyecciones de cemento en un macizo rocoso facilita la ejecución de trabajos posteriores, como es el caso de la perforación de galerías en terrenos difíciles y mejora la capacidad resistente de la cimentación de una obra, por ejemplo, bajo la pila de un puente, en los estribos de una presa bóveda, etc.
Figura 3. Formación de una bóveda a la entrada de un intersticio en un suelo granular
El prototipo de suspensión inestable es un mortero de un tipo análogo al de uso corriente, pero suficientemente diluido para que pueda ser inyectable. Es decir, un mortero muy fluido (lechada), inestable por el tamaño de los granos de cemento y por el proceso de fabricación. El grado de dilución en este tipo de suspensiones es variable, con relaciones máximas de 10 litros de agua/1 kg de cemento, y lo mismo que en los morteros estables pueden añadirse proporciones de arena. Las relaciones agua/cemento varían desde 0,5:1 hasta 10:1, aunque es habitual una proporción de 0,8:1 a 5:1 (Bell, 1993).
La penetrabilidad de las lechadas de cemento depende del tamaño de los granos de cemento, de la posibilidad de formación de un cúmulo de granos en bóveda al atravesar un intersticio (Figura 3) y de la velocidad del fluido con la que comienza la sedimentación del cemento. Es por ello una solución muy adecuada para materiales granulares gruesos como zahorras, gravas y arenas gruesas, o bien para la inyección de grietas en macizos rocosos. En cambio, resulta un procedimiento poco eficaz en arenas, excepto si lo que se pretende es la consolidación o compactación conseguida cuando se inyecta en cortos intervalos (Tomlinson, 1982). Se trata de una solución sencilla y de relativamente poco coste, pero que se encuentran limitadas por la permeabilidad del medio. El uso de cemento portland corriente y agua ya no es adecuado en suelos con una permeabilidad menor a 10-3 m/s.
Figura 4. Selección de inyección para consolidación y estabilización de suelos. Fuente: https://col.sika.com/dms/getdocument.get/8de57674-59ac-3af1-ada7-a6bddb323deb/CONSOLIDACION,%20ESTABILIZACION%20E%20IMP%20DE%20SUELOS%20Y%20ROCAS.pdf
Se pueden distinguir, entre las lechadas de cemento, las siguientes:
Suspensiones de cemento puro: con una relación cemento/agua que oscila entre 0,1 y 0,5 en peso.
Suspensiones de cemento rebajado: donde se reemplaza parte del cemento por un polvo inerte como una arena fina o cenizas volantes. Con el porcentaje de arena, la resistencia decrece rápidamente, pero no es problema si se pretende impermeabilidad. No obstante, las suspensiones de arena desgastan rápidamente las bombas de inyección.
El equipo empleado para la elaboración de las mezclas de cemento consta de un turbo mezclador de altas revoluciones (más de 1250 rpm); un mezclador de bajas revoluciones (de 60 a 80 rpm) que mantiene en agitación la mezcla durante la inyección; bombas de tornillo sinfín o de doble pistón con capacidad de inyección variable de 0 a 60 l/min y presión ajustable de 0 a 3 o 4 MPa; obturadores mecánicos, neumáticos o hidráulicos y manómetros registradores (Figura 5).
Figura 5. Esquema del equipo de inyección (Cambefort, 1968)
El tiempo de inyección está relacionado con la evolución de la viscosidad del material inyectado, con la presión de inyección admisible y con el radio efectivo (Bielza, 1999). En las suspensiones de cemento, el tiempo de inyección se limita a 2-4 horas. Cuando comienza la hidratación total, se inicia el fraguado del cemento. La lechada es bombeable desde la fase de agitación hasta que son inyectadas, también después del inicio de la hidratación. Sin embargo, tras ese comienzo la resistencia final del material se reduce. Por tanto, no se aconseja la inyección de suspensiones bajo condiciones de hidratación. Las resistencias normales a compresión simple oscilan entre 5 y 50 MPa a 28 días. El tiempo de fraguado aumenta con la relación agua/cemento. Así, las lechadas de cemento fraguan en unas 4-5 horas, pero si están muy diluidas, este periodo se puede alargar a las 10-15 horas. Incluso algunas lechadas con relaciones agua/cemento mayores a 10 nunca llegan a fraguar.
Como las lechadas de cemento son inestables, su velocidad de flujo baja rápidamente conforme crece la distancia desde la perforación hasta la zona de inyección, sedimentando las partículas en una proporción decreciente con la relación agua/cemento de la mezcla. Es decir, cuanta mayor dosificación tenga el mortero, más elevada será la velocidad crítica de sedimentación. Es por ello que se aconseja que la lechada inicial tenga poca dosificación, por ejemplo, una relación a/c de 10:1 a 15:1 para evitar los taponamientos prematuros. La dosificación ideal sería la más pequeña que permita alcanzar la contrapresión de rechazo establecida de antemano. En la práctica, la dosificación inicial se determina a partir del resultado del ensayo de agua (ensayo Lugeon).
Para aumentar la penetrabilidad se aconseja el empleo de cemento de alta finura de molido o micro cementos. Se evitan las bóvedas de granos al atravesar intersticios utilizando mezclas muy fluidas, denominadas mezclas medias. Sin embargo, el tratamiento de impregnación en masa no resulta aconsejable con este tipo de suspensiones inestables. Para que una inyección inestable sea factible, o no sea muy complicada, el tamaño mínimo de las partículas del terreno debería situarse entre 5 y 10 mm. Además, en terrenos con un 10% de finos ya no es factible inyectar cemento. En arenas y gravas se hincan tubos de punta perdida, un tubo de inyección cada 4 m2 aproximadamente, inyectándose por zonas de unos 50 cm de altura. Si las inyecciones son con lechadas de cemento de molido normal y tamaños muy diferentes (0 a 160 μ) no se pueden utilizar en fisuras de abertura inferior a 0,1 mm ni en suelos arenosos de tamaño inferior a 0,8 mm, pues se produce un filtrado de las partículas y la lechada no penetra en el terreno (Schulze y Simmer, 1978). Es decir, las arcillas no pueden ser inyectadas. Por el contrario, si son los huecos demasiado grandes, se deposita inmediatamente la lechada, dando a la inyección un radio de acción muy pequeño.
En cambio, la aplicabilidad de las lechadas de cemento se encuentra plenamente justificada en el caso de macizos rocosos fisurados (presencia de diaclasas, planos de debilidad, estratificación). La presión del fluido desciende con la distancia, y también la velocidad, con lo cual comienza la sedimentación. Son habituales taladros de 60 a 90 mm separados de 2 a 5 m, según la roca. La lechada de cemento se inyecta por capas de 3 a 5 m de espesor, según el porcentaje de finos a cerrar.
En rocas o materiales gruesos se puede realizar una excavación bajo nivel freático colocando una cortina de mortero inyectado. Tomlinson (1982) recomienda dos filas de perforaciones para una inyección primaria con sus centros separados de 3 a 6 m en ambas direcciones, con unos segundos taladros, incluso terceros, entre ellos (Figura 6). Una regla empírica habitual para inyectar pasta en las grietas de los estratos rocosos es el uso de 0,07 kg/cm2 por cada 30 cm de profundidad de la perforación. Se proporciona mayor presión en las inyecciones secundarias y terciarias en función de la eficacia de la inyección primaria.
Figura 6. Disposición de las perforaciones para formar una cortina impermeable con inyección de lechada de cemento alrededor de una excavación. Adaptado de Tomlinson (1982)
La presión de inyección de las lechadas inestables constituye uno de los parámetros de diseño más importantes, pues favorece la apertura de las fisuras en el caso de una roca fisurada. Esta presión puede alcanzar de 8 a 9 MPa. La presión facilita la expulsión del exceso de agua y permite corregir errores en la dosificación. Agranda tanto la longitud de penetración como las fisuras existentes, creando nuevas fisuras. Independientemente de la presión utilizada, la calidad del cemento depositado en las fisuras aumenta con la presión de inyección.
Por otra parte, la lechada discurre de forma casi paralela a los planos de estratificación o diaclasas del macizo rocoso. Las fisuras perpendiculares a la inclinación general del macizo son artificiales y ocurren en capas menos resistentes bajo la acción de presiones superiores a 10 MPa.
La mayor parte de los tratamientos de inyección en roca están relacionados con la construcción y mantenimiento de presas y túneles, y también en algunas aplicaciones en minería. Se trata de obras subterráneas donde las inyecciones tratan de reducir y controlar la filtración del agua. Suele ser habitual las lechadas de cemento, aunque en algunos casos se han realizado inyecciones químicas e inyecciones con resina.
Hay que apuntar, por último, que en la actualidad se utilizan las mezclas estables en la mayoría de los tratamientos de inyección y consolidación por sus mejores características reológicas. Sin embargo, si el terreno no presenta muchas dificultades, las inyecciones con lechadas inestables son un método económico y eficaz.
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.
HOULSBY, A.C. (1990). Construction and Design of Cement Grouting. John Wiley & Sons, Inc, New York.
SCHULZE, W.E.; SIMMER, K. (1978). Cimentaciones. Editorial Blume, Madrid, 365 pp.
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Os presento la segunda edición ampliada del libro que he publicado sobre procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. El libro trata de los aspectos relacionados con los procedimientos constructivos, maquinaria y equipos auxiliares empleados en la construcción de cimentaciones superficiales, cimentaciones profundas, pilotes, cajones, estructuras de contención de tierras, muros, pantallas de hormigón, anclajes, entibaciones y tablestacas. Pero se ha ampliado esta edición con tres capítulos nuevos dedicados a los procedimientos de contención y control de las aguas subterráneas. Además, de incluir la bibliografía para ampliar conocimientos, se incluyen cuestiones de autoevaluación con respuestas y un tesauro para el aprendizaje de los conceptos más importantes de estos temas. Este texto tiene como objetivo apoyar los contenidos lectivos de los programas de los estudios de grado relacionados con la ingeniería civil, la edificación y las obras públicas.
El libro tiene 480 páginas, 439 figuras y fotografías, así como 430 cuestiones de autoevaluación resueltas. Los contenidos de esta publicación han sido evaluados mediante el sistema doble ciego, siguiendo el procedimiento que se recoge en: http://www.upv.es/entidades/AEUPV/info/891747normalc.html
Sobre el autor: Víctor Yepes Piqueras. Doctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Catedrático de Universidad del Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería Civil de la Universitat Politècnica de València. Número 1 de su promoción, ha desarrollado su vida profesional en empresas constructoras, en el sector público y en el ámbito universitario. Es director académico del Máster Universitario en Ingeniería del Hormigón (acreditado con el sello EUR-ACE®), investigador del Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH) y profesor visitante en la Pontificia Universidad Católica de Chile. Imparte docencia en asignaturas de grado y posgrado relacionadas con procedimientos de construcción y gestión de obras, calidad e innovación, modelos predictivos y optimización en la ingeniería. Sus líneas de investigación actuales se centran en la optimización multiobjetivo, la sostenibilidad y el análisis de ciclo de vida de puentes y estructuras de hormigón.
En un artículo anterior, dentro de los conceptos básicos del agua en medio poroso, se definió la ley de Darcy como una ley experimental que define el movimiento de filtración en un medio poroso saturado. Dicha ley dice que la velocidad del fluido en medio poroso es proporcional al gradiente hidráulico a través del coeficiente de permeabilidad.
Dicho coeficiente no es una propiedad intrínseca del suelo y tiene unidades de velocidad. Aquí se ha supuesto un flujo laminar en medio poroso y una velocidad media a través de una sección “macroscópica” de suelo, es decir, la velocidad aparente a lo largo de las líneas de flujo. A esa velocidad se llama velocidad del flujo o velocidad de Darcy.
Sin embargo, ¿estamos seguros de que se cumplen siempre estas condiciones? ¿Cuáles son los límites de validez de la ley de Darcy?
Se ha supuesto que el movimiento del agua a través de los huecos del suelo es un flujo laminar, es decir, un movimiento ordenado, estratificado o suave. En estas condiciones, el fluido se mueve en láminas paralelas que no se entremezclan y cada partícula de fluido sigue una trayectoria suave, denominada línea de corriente. Esto es así al cumplirse las condiciones de pequeño diámetro de los huecos de la red intersticial y la pequeña velocidad del flujo, que conducen a un número de Reynolds notablemente inferior al crítico. Este número es adimensional, siendo pequeño para flujos laminares y alto para flujos turbulentos. Así, para gradientes hidráulicos elevados, la ley de Darcy no es aplicable, pues la pérdida de carga hidráulica aumenta más rápido que el caudal debido a que el flujo en los huecos pasa de laminar a turbulento.
A partir de numerosos ensayos y por analogía con la hidráulica (Iglesias, 1997), aquí podemos definir el número de Reynolds, R, de la siguiente forma:
donde v es la velocidad del flujo, d es el diámetro medio de los granos, η es el coeficiente de viscosidad del agua y ρ es la densidad del agua.
La linealidad de la ley de Darcy se cumple para R<10. No obstante, la validez de la ley de Darcy es muy habitual en los casos reales, salvo en suelos muy permeables y en las proximidades de algunas captaciones bombeando caudales elevados. Un ejemplo donde no se sigue la ley de Darcy son en las formaciones kársticas. No obstante, con velocidad de flujo muy pequeña, existe un efecto de inercia que limita el flujo laminar que modifican los resultados obtenidos por la ley de Darcy. Sería el caso de la absorción de moléculas de agua que no pueden ser arrastradas por la pequeña velocidad del flujo. Este efecto es más acusado en suelos cohesivos, debido a la presencia de la doble capa alrededor de las partículas del suelo.
Referencias:
IGLESIAS, C. (1997). Mecánica del suelo. Editorial Síntesis, Madrid, 590 pp.
Figura 1. Grupo de jóvenes sobre el acueducto de la Cartuja de Porta Coeli, sobre 1930. Imagen cedida por Juan M. Ferrando.
Hace unos días recibí un correo de Juan M. Ferrando, profesor ya jubilado, que es licenciado en Arqueología y que me pasó una fotografía del año 1930 aproximadamente. Me pedía muy amablemente que pudiera identificar el acueducto sobre el que un grupo de jóvenes, entre ellos su padre, aparecían posando. Al cabo de un rato, si apenas darme tiempo a buscar dicho acueducto, me contestó diciendo que había identificado la fotografía como la Cartuja de Porta-Coeli, situada en el término municipal de Serra, en la comarca del Campo de Turia, en la provincia de Valencia. Muy amablemente me dio su permiso para utilizar dicha fotografía en algún artículo que pudiese escribir sobre el acueducto en mi blog. Quedo muy agradecido y, de hecho, le dedico a este Bien de Interés Cultural del siglo XV unas líneas.
Figura 2. Acueducto de Portacoeli. https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Acueducto_de_Portacoeli_-_panoramio.jpg
Se trata de una estructura construida en 1412, de más de 200 m, de doce arcos apuntados de sillería, que se recrecen de tapial hasta su parte superior. Por el acueducto discurre una acequia de unos 1,50 m que conduce agua desde «La Fuente de la Mina» a una antigua balsa de la Cartuja, salvando un desnivel de 17 m. Se conserva como se construyó originalmente.
La Cartuja es un monasterio de la orden de San Bruno, de grandes dimensiones. El monasterio se levantó sobre los restos de un pequeño asentamiento musulmán. Se diseñó en estilo gótico a finales del siglo XIII, aunque actualmente la mayoría del complejo es de estilo neoclásico. Se trata del primer monasterio de los cartujos construido en territorio valenciano, fundado en 1272 por el obispo de Valencia Andrés de Albalat para albergar a unos cartujos procedentes del Priorato de Scala Dei (Tarragona).
En torno al acueducto existen historias y leyendas, como la del espíritu de una doncella que cruzaba el acueducto por la noche para ver a su amado, un monje de la cartuja. En esta leyenda se inspiraron poemas y novelas. Incluso se rodó una película muda «El monje de Portacoeli», dirigida por Ramón Orrico y producida por «Levante Films» en 1925.
Por Resolución de 5 de octubre de 2005, la Dirección General de Patrimonio Cultural Valenciano, acuerda continuar con los trámites para la declaración como bien de interés cultural, a favor de la Cartuja de Portaceli. Por Decreto 164/2006, de 27 de octubre, el Consell lo declara Bien de Interés Cultural, con la categoría de Monumento.
Figura 3. http://www.rutasjaumei.com/es/que-ver-en-serra/242/serra-cartuja-de-porta-coeli.php
Os dejo a continuación un vídeo sobre el monasterio cartujo. Espero que os guste.
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.
Figura 1. Construcción de la ataguía en la represa de Salto Grande, sobre el río Uruguay. http://saltograndelaobra.blogspot.com/
Las ataguías de tierra son diques que se usan en obras que tengan suficiente espacio y que dispongan de materiales adecuados (Figura 1). Son idóneas para pequeñas alturas de agua (sobre 3 m) que no estén en movimiento. El material no debe contener tierra vegetal y se debe compactar para lograr la mayor impermeabilidad y estabilidad.
Se suelen usar taludes de 3/2 en el paramento de aguas arriba y de 2/1 en el de aguas abajo, con un ancho de coronación de al menos 1,50 m (Figura 2). Se preverá también una altura mínima de 1 m sobre las crecidas normales. Si el talud de la ataguía se somete a un flujo hidráulico, se debe proteger mediante un pedraplén o cualquier otro procedimiento que impida la socavación; pero en este caso hay que sopesar el coste económico de este recubrimiento frente a otros procedimientos constructivos.
Figura 2. Ataguía de tierra para contención de agua
Un mismo material puede ser idóneo o no en función de cómo se construya la ataguía. Por ejemplo, si se utiliza una arcilla que ha de descargarse bajo el agua, el ablandamiento que va a experimentar impedirá conseguir pendientes estables. En cambio, este mismo material dispuesto en seco y correctamente compactado es muy adecuado por su baja permeabilidad. Se pueden disponer también núcleos de material impermeable y dejar los lados con otro material, incluso escollera si se quiere proteger de las corrientes de agua.
En el caso de no ser suficiente la impermeabilidad del material empleado, también es posible una ataguía mixta colocando una tablestaca en el centro de la ataguía de tierra (Figura 3). Las tablestacas se atornillan en cabeza a un perfil metálico que las enlaza.
Figura 3. Ataguía mixta de tierra y tablestacas
Puede reducirse el espacio ocupado por la ataguía si se respalda la ataguía con un macizo de tierras aguas abajo, siempre y cuando las tablestacas presenten resistencia suficiente a los empujes (Figura 4). En este caso, es conveniente evitar las socavaciones de las tablestacas disponiendo escollera a su pie, aguas arriba.
Figura 4. Cortina de tablestacas y macizo de tierras aguas abajo
Aún se podría minimizar el espacio ocupado si utilizamos dos cortinas de tablestacas y entre ellas construimos un macizo de tierras que de estabilidad al conjunto, y que mejore la estanqueidad de las cortinas si el material es arcilloso (Figura 5). En este caso, también se dispone escollera aguas arriba y una berma de tierras aguas abajo.
Figura 5. Ataguía con doble cortina de tablestacas, con berma incluida
Siempre que se utilicen tablestacas, se debe garantizar su estabilización mediante apuntalamiento, arriostradas por tirantes, anclajes o cualquier otro procedimiento. Además, el empotramiento deberá ser suficiente para soportar los empujes, contener el flujo hidráulico y evitar el fenómeno del sifonamiento, entre otros. Hay que tener presente que el nivel freático desciende más rápido en el interior de la tablestaca que en el exterior, lo cual implican gradientes hidráulicos que pueden desestabilizar el fondo. Se recomienda cubrir el fondo de la excavación con una capa de arena y de grava. El agua que queda contenida en el recinto debe ser evacuada, normalmente por bombeo.
Cuando no se tenga la necesidad de crear recintos estancos, sino zonas de aguas tranquilas, no hay necesidad de crear ataguías impermeables, pues su función es únicamente romper la corriente o el oleaje. En estos casos se pueden utilizar las ataguías de escollera y de gaviones. En este último caso, se pueden usar también como protección del espaldón las ataguías (Figura 6).
Figura 6. Gaviones usados como protección de una ataguía. https://www.gabion-cage.com/technology/galvanized-steel-gabion-cofferdam.html
En la Figura 7 se puede observar una ataguía formada por sacos de arena.
Figura 7. Ataguía formada por sacos de arena. http://www.shdarun.com/WebPage_set/Page-ShowText.asp?id=2540&Language=cn
Las ataguías de escollera (rock-fill cofferdam) se construyen de forma similar a las ataguías de tierra, pero con la posibilidad de pendientes más pronunciadas. La escollera se dispone de forma que los huecos se pueden rellenar parcialmente con tierra y material granular. Si se quiere conseguir impermeabilidad, tanto la coronación como la pendiente aguas arriba requieren de una membrana impemeabilizante protegida con un pedraplén para proteger la ataguía contra el oleaje. La altura puede ser de hasta 3 m, con una pendiente entre 1:1,5 y 1:1,25. En caso de rebase por oleaje, el daño no es tan importante como en el caso de ataguías de tierra. Esta tipología se utiliza si la escollera está disponible en las cercanías.
Figura 8. Sección de ataguía de escollera. https://theconstructor.org/water-resources/types-of-cofferdams-construction-details/13807/
REFERENCIAS:
GALABRÚ, P. (2004). Cimentaciones y túneles. Tratado de procedimientos generales de construcción. Editorial Reverte, Barcelona.
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.
Figura 1. Ejecución de muro pantalla. https://spezialtiefbau.implenia.com/
En muchas obras realizadas bajo el terreno puede ser necesario el empleo de procedimientos constructivos para impedir que el agua llegue al tajo (exclusion methods).
Estos procedimientos se pueden utilizar por sí solos o bien combinados con técnicas de agotamiento o rebajamiento del nivel freático.
Lo habitual es que estas barreras lleguen, en la medida de lo posible, tal y como se observa en la Figura 2, a las capas de muy baja permeabilidad (arcillas o rocas no fracturadas).
Figura 2. Pantalla impermeable en presa de materiales sueltos.
Estos métodos se pueden agrupar en tres categorías (Cashman y Preene, 2012):
Barreras o muros de muy baja permeabilidad que se hincan o construyen en el terreno, tales como tablestacas o muros pantalla.
Procedimientos que reducen la permeabilidad del terreno in situ (como la inyección y la congelación artificial del suelo)
Procedimientos que utilizan la presión de un fluido en cámaras confinadas para contrarrestar las presiones intersticiales (como las cámaras de presión de tierras en tuneladoras)
Las barreras hincadas, como las tablestacas, desplazan el terreno y, por tanto, afectan menos al terreno adyacente. En cambio, las barreras excavadas, como los muros pantalla, implican un vaciado que se debe sustituir por la propia barrera. Las barreras formadas por inyección bloquean el flujo del agua subterránea. Por otra parte, la congelación del suelo forma una barrera con el agua intersticial helada. De todas formas, la selección del método más adecuado dependerá de las condiciones de la obra, sin descartar la combinación de varios procedimientos. Además, algunas estructuras de contención pueden formar parte de la estructura definitiva, como es el caso de los sótanos de edificación.
La forma más habitual de utilizar estos procedimientos de contención del agua es la construcción de un muro impermeable alrededor del perímetro de excavación que penetre hasta la capa de baja permeabilidad, tal y como se observa en la Figura 3.
Figura 3. Contención de agua con muros pantalla que llegan a capa de baja permeabilidad. Adaptado de Cashman y Preene (2012)
Los costes y la aplicabilidad de una pantalla impermeable depende en gran medida de la profundidad y de la naturaleza de los estratos subyacentes. Si no existe una capa de baja permeabilidad o bien se encuentra a gran profundidad, las filtraciones pueden desestabilizar el fondo de la excavación. En estos casos se deben combinar las barreras con el bombeo (Figura 4a) o bien construir un tapón o barrera horizontal (jet-grouting, por ejemplo) para evitar las filtraciones (Figura 4b).
Figura 4. Combinación de pantallas con (a) bombeo convencional o (b) con barreras horizontales. Adaptado de Cashman y Preene (2012)
Uno de los aspectos más interesantes de las barreras de contención es que modifican en menor medida el nivel freático alrededor de la excavación frente a los bombeos convencionales. Ello implica menores incidencias en estructuras próximas, fundamentalmente por subsidencias.
No obstante, uno de los problemas a evitar son las fugas a través de las barreras. Estas filtraciones pueden interferir en los trabajos del tajo y, por tanto, son necesarios sumideros y drenajes; pero otra posibilidad más grave son los sifonamientos localizados (Figura 5) o asentamientos por encima de los previstos.
Figura 5. Sifonamiento localizado por defectos puntuales en un muro pantalla. Elaboración propia basado en Pérez Valcárcel (2004).
Las aplicaciones que hemos visto anteriormente (Figuras 1 a 5) son las más habituales, con barreras o muros verticales alrededor de una excavación. Sin embargo, algunos procedimientos como las inyecciones o la congelación del suelo, pueden utilizarse en geometrías no verticales (Figuras 6a y 6b), e incluso para sellar la base de las excavaciones (Figura 4b).
Figura 6. Barreras inclinadas y barreras horizontales en túnel. Adaptado de Cashman y Preene (2012)
A continuación os dejo un folleto de la empresa Implentia sobre barreras de contención que puede complementar la información sobre las barreras de contención al agua.
CASHMAN, P.M.; PREENE, M. (2012). Groundwater lowering in construction. A practical guide to dewatering, 2nd edition. CRC Press, Boca Raton, 645 pp.
PÉREZ VALCÁRCEL, J.B. (2004). Excavaciones urbanas y estructuras de contención. Ediciones Cat, Colegio Oficial de Arquitectos de Galicia, 419 pp.
POWERS, J.P.; CORWIN, A.B.; SCHMALL, P.C.; KAECK, W.E. (2007). Construction dewatering and groundwater control: New methods and aplications. Third Edition, John Wiley & Sons.
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.
En una entrada anterior a este artículo se utilizó la Ley de Darcy y la línea de flujo más corta (de mayor gradiente crítico) para establecer una aproximación al caudal que habría que evacuar de una excavación en un solar. No obstante, para un estudio en detalle del flujo hidráulico en un medio poroso deberíamos acudir a la ecuación de Laplace y proceder a la integración de este tipo de ecuación en derivadas parciales atendiendo a las condiciones de contorno. En el siguiente vídeo que os he preparado tenéis una breve explicación. Este vídeo pertenece al curso de procedimientos de contención y control del agua subterránea en obras de ingeniería civil y edificación.
