Categoría: mejora del terreno

Clasificación de las técnicas de control del agua en excavaciones

Figura 1. Bajo nivel freático. https://www.keller.com.es/experiencia/soluciones/bajo-nivel-freatico

Cuando se realiza una excavación, la presencia de agua subterránea siempre provoca problemas. No solo dificulta el desarrollo de los trabajos, sino que también debilita los taludes o el fondo, comprometiendo su estabilidad.

Las aguas interfieren el desarrollo de los trabajos, por lo que hay que evitar que lleguen a los tajos mediante captaciones locales, ataguía, canaletas, drenajes, etc., evacuándolas por gravedad, y reduciendo el bombeo a lo estrictamente necesario.

El impacto del agua es de tal relevancia que condiciona el diseño de la estructura y del procedimiento constructivo, afectando consecuentemente al coste. Por tanto, no hay más remedio que impedir en lo posible la entrada de agua en la excavación (barreras físicas permanentes o provisionales) y expulsar fuera la que pudiese entrar (bombeos), o bien modificando las propiedades en el terreno y el agua (inyecciones en el terreno, congelación).

Todas las técnicas que permiten excavar en presencia de agua, tanto sea creando barreras impermeables al abrigo de las cuales es posible drenar la excavación, o bien extrayendo el agua con un caudal mayor al que el terreno puede proporcionar, se van a denominar técnicas de control del nivel freático. No obstante, y en términos estrictos, el “control del nivel freático” (dewatering) solo se debería aplicar a acuíferos libres formados por suelos de grano grueso. En acuíferos libres de grano fino o en acuíferos confinados deberíamos hablar de “control de la presión intersticial” (pore water pressure).

Figura 2. Posibilidades de control del nivel freático mediante extracción del agua o por barreras impermeables

Pérez Valcárcel (2004) clasifica las técnicas en (a) sistemas de contención de agua: tablestacas, ataguías, muros pantalla, congelación o inyección del terreno; y (b) sistemas de drenaje de excavaciones: bombeo desde zanjas perimetrales, bombeo desde pozos filtrantes, bombeo con agujas filtrantes (wellpoint) y electroósmosis. Por su parte, García Valcarce et al. (1995), además de los sistemas de contención de agua mencionados, subdivide los sistemas de drenaje en sistemas de drenaje propiamente dichos y sistemas de agotamiento, donde entrarían los drenajes profundos.

No obstante, existen más clasificaciones. Por ejemplo, Powers (1992) clasifica dichas técnicas en cuatro grupos:

  • Sistemas de bombeo abierto (sump pumping): el flujo del agua de una excavación se recoge en zanjas y sumideros y posteriormente se bombea al exterior.
  • Sistemas de predrenaje o drenaje previo del terreno (predrainage): antes de excavar se drena el suelo mediante pozos de bombeo, wellpoints, eyectores o drenes. Se pretende una excavación en seco.
  • Sistemas de diafragmas o de contención del agua (cut off): mediante tablestacas, muros pantalla, pantallas de lodos, congelación del terreno o inyecciones. Suelen usarse en combinación con los sistemas de bombeo.
  • Sistema de exclusión del agua (excluded): mediante aire comprimido, una entibación de lechada o con una entibación de presión de tierras, muy utilizados en la construcción de túneles mediante escudos presurizados.

Se podrían resumir las clasificaciones anteriores en la propuesta de la Figura 3. En esta clasificación, la contención del agua se realiza mediante barreras físicas como ataguías o pantallas, o bien mediante métodos de exclusión; mientras que el drenaje se puede realizar antes o durante la excavación, diferenciando de esta forma el agotamiento del rebajamiento del nivel freático.

Figura 3. Clasificación de las técnicas de control del agua. Elaboración propia.

En el caso de la extracción del agua, tenemos dos posibilidades en función del momento en que realiza en relación con la excavación:

  1. Agotamiento del nivel freático, cuando se evacua el agua que se filtra al recinto de la excavación conduciéndola a una zanja o un sumidero, donde se bombea. Las filtraciones se controlan y evacúan durante la excavación, sin depresión previa del freático.
  2. Rebajamiento del nivel freático, cuando se hace descender el nivel freático por debajo de los taludes y el fondo del recinto de la excavación. Se controla y evacua el agua antes de la excavación.

El procedimiento a utilizar depende de los caudales a bombear, que a su vez dependen de la importancia de los acuíferos y del coeficiente de permeabilidad del terreno. Normalmente el rebajamiento es preferible al agotamiento directo, entre otras, por las siguientes razones:

  • En el caso del agotamiento, el recinto excavado está más o menos blando y encharcado, lo cual dificulta el paso de operarios y maquinaria. Con un rebajamiento previo, la excavación puede realizarse prácticamente en seco e incluso con un terreno ligeramente cohesionado debido a las fuerzas capilares. Además, es más sencillo excavar y transportar un terreno más bien seco que empapado.
  • El agotamiento puede provocar sifonamiento y tubificación, puede descomprimir el terreno o degradarlo por arrastre de finos, convirtiéndolo en colapsable.
  • El rebajamiento contribuye a aumentar la estabilidad de los taludes y disminuye los empujes sobre las estructuras de contención (entibación, pantallas o tablestacas). El rebajamiento puede utilizarse, incluso, para aumentar la presión efectiva y provocar su consolidación.

Pero también existen algunos inconvenientes con el rebajamiento del nivel freático:

  • Si falla el dispositivo que mantiene el rebajamiento, puede entrar en poco tiempo agua en la excavación, desmoronándose taludes o levantando el fondo.
  • Como el rebajamiento no se realiza en un área muy concreta, en los alrededores se producirá un aumento de las tensiones efectivas, y por tanto, asientos que pueden producir daños en estructuras próximas.

Los métodos apropiados de control del nivel freático dependerán de la naturaleza del suelo y de la profundidad de la excavación. Así, en función de la permeabilidad del terreno, la remoción del agua puede hacerse por gravedad, por aplicación de vacío o por electroósmosis. Así, el agotamiento se utilizará en gravas, pues presentan una elevada permeabilidad, con caudales importantes y terrenos poco erosionables. Una permeabilidad entre 10-1 < k < 10 (m/s) permite el agotamiento desde la misma excavación, si ésta penetra menos de 3 m en el nivel freático. Para mayores permeabilidades o mayores profundidades de excavación, habría que recurrir a otros procedimientos constructivos. En cambio, el rebajamiento será útil en arenas o arenas limosas, con una permeabilidad entre 10-6 < k < 10-1 (m/s). En el caso de arcillas y limos, con permeabilidades entre  10-7 < k < 10-6 (m/s), el rebajamiento suele realizarse por vacío o electroósmosis, pues el caudal es bajo y el cono formado por la depresión del nivel freático se realiza lentamente. Para permeabilidades menores, comprendidas entre 10-9 < k < 10-7 (m/s)  basta con hacer algún agotamiento periódico de la excavación. Para permeabilidades menores a 10-9 (m/s), se puede excavar en seco.

Os dejo un Polimedia explicativo sobre este tema. Espero que os sea de interés.

Como complemento, os dejo también, por su interés, un artículo de Ferrer, Davila y Sahuquillo donde se analiza el proceso de drenaje en obra civil ubicada en zona urbana. Espero que os sea útil.

Descargar (PDF, 2.01MB)

REFERENCIAS:

  • GARCÍA VALCARCE, A. et al. (1995). Manual de Edificación. Derribos y demoliciones. Actuaciones sobre el terreno. Ediciones Universidad de Navarra, Pamplona, 472 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. (1992). Construction dewatering: New methods and applications. Ed. Wiley et al., New York.
  • YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

 

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Bombas empleadas en el control del nivel freático de una excavación

Figura 1. Bomba de achique. https://www.sulzer.com/es-es/spain/shared/applications/dewatering-in-construction

Las bombas hidráulicas empleadas para controlar el nivel freático se diseñan para agotar aguas que están en contacto con el suelo, lo cual implica el arrastre de partículas. Este tipo de bombas se emplean con aguas sucias, que pueden presentar material granular de 10 mm de tamaño máximo, siendo muy importante conocer su proporción de arenas. La calidad del agua determina si la bomba puede ser estándar EN 1.4301/AISI 304 o si tiene que ser de acero inoxidable de un grado superior.

El bombeo debe reservarse a los casos imprescindibles, donde el drenaje por gravedad sea insuficiente o bien donde la disposición de medidas de contención (ataguías, muros pantalla, tablestacas, inyecciones de impermeabilización, etc.) no sean rentables. Se deben mantener los equipos e instalaciones de agotamiento con la capacidad y características necesarias desde el principio de la obra, con sus correspondientes bombas de reserva y piezas de repuesto. Además, la alimentación de energía eléctrica debe garantizarse, incluso con la previsión de grupos electrógenos de emergencia.

Pérez Valcárcel (2004) clasifica las bombas utilizadas en la excavación en las siguientes:

  • Bombas de achique: Útiles para evacuar pequeños caudales en excavaciones con entrada esporádica de agua o sótanos inundados.
  • Bombas de drenaje: De mayor tamaño, evacuan mayor caudal y son idóneas para drenar excavaciones con fuerte entrada de agua.
  • Bombas sumergibles: Se emplean cuando el descenso de agua es muy alto, trabajando sumergidas.

En todos los casos, el problema será averiguar el caudal a bombear para reducir el agua por debajo del nivel de la excavación. Para ello se suele utilizar, para el régimen permanente en un acuífero libre, la fórmula de Dupuit-Thiem, la cual ya fue descrita en un artículo anterior.

En excavaciones verticales son habituales las bombas de diafragma, las bombas centrífugas, tanto de aspiración como autoaspirantes, y las bombas sumergibles. Aunque no se trata propiamente de una bomba, también describimos brevemente el eyector hidráulico.

  • Bombas de diafragma o membrana: Es una bomba de desplazamiento positivo cuyo funcionamiento alternativo se produce por medio de una membrana elástica accionada por medios mecánicos o hidráulicos y válvulas esféricas que permiten el paso del agua (Figura 2). El cambio de presión genera que la válvula de succión se abra y permita el paso del fluido, la diferencia de presión abre la válvula de impulsión y la membrana se contrae, con lo cual el agua sale de la bomba. Algunos modelos presentan diafragmas de diversas formas (diafragma tubular, de doble disco, etc.). Habitualmente son bombas de poca potencia y pequeños caudales que se emplean en aguas cenagosas o cargadas de limo y arenas. Se eliminan las fugas posibles de líquido por su sistema de funcionamiento y sellado, por lo que son adecuadas para bombear materiales corrosivos y otros donde no se admitan fugas, en aplicaciones industriales. Presentan una succión muy elevada y un rendimiento muy bajo, una altura de impulsión máxima de 15 m. Aunque existen bombas de mando manual o hidráulico, en construcción se usan las de mando manual, y dentro de éstas, las electromagnéticas (caudal de 0,1 a 100 l/h) y las accionadas por motor (caudal de 100 a 1000 l/h). Algunos modelos pueden manejar partículas sólidas de hasta 40 mm.
Figura 2. Bomba de diafragma. https://es.wikipedia.org/wiki/Bomba_de_membrana
  • Bombas centrífugas de aspiración: Son bombas dinámicas aptas para todo tipo de líquidos, incluso con sólidos en suspensión, excepto si la carga a vencer es demasiado elevada. En excavaciones puede entrar arena o barro que obligan al diseño de paletas sujetas al desgaste. El líquido, al entrar en la cámara por la parte central y en la dirección del eje del rotor, es impulsada por éste y al girar lanzada hacia el exterior por la fuerza centrífuga. El líquido adquiere energía cinética que en el difusor se convierte en un aumento de presión. Transforman, por tanto, un trabajo mecánico en otro de tipo hidráulico, siendo su funcionamiento análogo, pero inverso, a las turbinas hidráulicas. Las bombas centrífugas pueden tener varias etapas (normalmente hasta ocho), de modo que el difusor de cada cámara envía el agua a la siguiente, aumentando la presión. Así, las bombas de varias etapas se adaptan a las condiciones de caudal y presión del sistema, siempre que no se planteen problemas de uso con aguas muy sucias. Las ventajas principales de las bombas centrífugas son el suministro de un caudal constante, presión uniforme, sencillez de construcción, tamaño reducido, bajo mantenimiento y flexibilidad de regulación. Uno de los escasos inconvenientes de la bomba centrífuga convencional es la necesidad de cebado previo al funcionamiento pues, al contrario que las de desplazamiento positivo, no son autoaspirantes. En teoría, sería posible aspirar agua desde una profundidad de 10,33 m, sin embargo, esto exigiría un vacío absoluto; por tanto, a partir de los 5-7 m de excavación (altura de aspiración práctica), la bomba debería quedar por debajo de la superficie del terreno y lo más próxima al nivel freático original, facilitando así la impulsión hacia la superficie (Figura 3). En este caso son mejores las bombas sumergibles, donde ya no tiene importancia la altura de aspiración, mientras que la de impulsión solo depende de la potencia del motor.
Figura 3. Esquema de altura de impulsión. http://www.benoit.cl/LIBRO-HIDRAULICA-BOMBAS%20IDEAL.pdf
  • Bombas centrífugas autoaspirantes: Actualmente existen bombas centrífugas autocebantes, que permiten trabajar sin el peligro de deterioro por trabajar en vacío (Figura 4). En el principio de autocebado, el aire se introducen en la bomba por la presión negativa generada por el impulsor y se emulsiona con el líquido contenido en el cuerpo de la bomba. Esta emulsión entra forzada en la cámara de cebado, donde el aire más ligero escapa por la tubería de impulsión y el líquido recircula en el interior de dicha cámara. Una vez se expulsa todo el aire de la tubería, la bomba se ceba automáticamente hasta una altura de 5-7 m y trabaja como una bomba centrífuga convencional. Estas bombas también pueden trabajar con una mezcla líquido-aire. Algunos modelos pueden manejar sólidos de hasta 50 mm de tamaño.
Figura 4. Bomba centrífuga autoaspirante. https://www.tecnicafluidos.es/bombas-centrifugas-autoaspirantes-t-8-es
  • Bombas sumergibles de agua sucia: Estas bombas se utilizan en procedimientos de bombeo de achique cuando existen pequeñas infiltraciones o agua de lluvia en la excavación. Son relativamente pequeñas, normalmente portátiles, con una agarradera para moverlas fácilmente (Figuras 5 y 6). Tales bombas son de baja eficiencia (usualmente 50 a 60 %); las unidades son robustas y por lo tanto, requieren pozos de gran diámetro. Existen en el mercado unidades con potencias mayores que 100 HP para corriente directa o trifásica. Constan de un rodete multicanal, con una configuración y álabes preparados para estos fluidos. No poseen tubo de aspiración, por lo que el motor eléctrico se sitúa en el interior de la bomba. Las bombas empleadas en la construcción cuentan con una protección especial contra la abrasión para bombear aguas sucias con contenidos de lodos, arenas o cementos. Las bombas para agotamientos utilizadas en los sumideros se diseñan especialmente para trabajos duros en elevación de aguas sucias y fangosas. Funcionan en seco o sumergidas, ya que bomba y motor forman una unidad compacta y estanca; no dependen de la presión del aire que la rodea, así pueden impulsar los líquidos a alturas considerables; necesitan únicamente dos conexiones, una al tubo de descarga y otra al motor; no requieren tuberías, pues basta una manguera; no tienen válvulas, y por tanto, no se obstruye; no necesita cebarse; puede trabajar en seco en cortos periodos; trabajan en cualquier posición, aunque el mayor rendimiento se da en vertical y presentan un bajo coste de instalación, funcionamiento y mantenimiento.
Figura 5. Esquema de bomba sumergible de achique
Figura 6. Bomba de achique sumergible. https://www.bombasideal.com/producto/serie-d/
Figura 7. Principio de bomba sumergible. https://www.ingenieros.es/files/catalogos/Grundfos_-_Manual_de_Ingenieria_SP_ES.pdf

 

  • Electrobombas sumergibles para pozos profundos: Son bombas con rodetes radiales o semiaxiales de múltiples etapas superpuestas diseñadas para pozos profundos (hasta 350 m) y de pequeña sección (4” a 14”). Existen dos tipos, la bomba con motor sumergible y la de motor seco conectado a la bomba por medio de un eje largo.

Se pueden impulsar caudales desde 3 l/s (dentro de tubos de 152 mm de diámetro interno) a 40-80 l/s (en tubos de 250 a 300 mm de diámetro interno). Constan de un motor eléctrico del tipo “jaula de ardilla” de 2 a 250 kW, provisto de estator con bobinado de conducciones especialmente aislado con PVC y compensador de dilataciones y contracciones por cambios de temperatura. Son bombas con un alto rendimiento, entre el 70 y el 80%.

El factor más desfavorable es la presencia de arena (daños a partir de más de 25 g de arena por m3). También hay que determinar la composición del agua, su pH o el contenido de CO2, pues influyen en la elección de la bomba adecuada, por la presencia de estos componentes corrosivos o abrasivos. No son imprescindibles los cuidados de mantenimiento, no se producen averías por heladas, ni ocurren problemas de aspiración ni de ruido; estas circunstancias justifican la economía de su uso, siempre que los grupos utilizados estén bien proyectados y sean resistentes y equilibrados. Sin embargo, en caso de avería del motor se debe extraer toda la columna.

Según se observa en la Figura 7, la bomba consta de una entrada (1), un número de etapas de bomba (2) y una salida de la bomba (3). Según la presión requerida, se incluye un mayor número de etapas. Cada etapa incluye un impulsor (4), los álabes del impulsor transfieren energía al agua. Cada impulsor está fijo al eje de la bomba (5) mediante una conexión acanalada o una conexión de cono dividido.

 

 

 

 

  • Bombas de turbina de eje vertical: Son adecuadas para grandes caudales con pequeñas alturas en posición vertical y sumergida. La bomba se coloca en el fondo del pozo, sin embargo, a diferencia de la electrobomba sumergible, la unidad motriz se ubica encima o junto al grupo de bombas, en la cabeza del pozo (Figura 8). Existen dos tipos de bombas de turbina de eje vertical, las lubricadas por aceite y las lubricadas por agua (autolubricadas). La construcción de estas bombas permite montar el número de etapas necesario, que puede llegar a 20 o más. Se pueden alcanzar unos 200 m.c.a., pero los problemas que ocasiona cualquier imperfección en la rectitud del eje influyen en la vida de los cojinetes y en la vibración de funcionamiento. Frente a las electrobombas sumergidas, su mayor ventaja es la facilidad de desmontar el eje y el impulsor desde arriba, sin necesidad de retirar la columna, lo que facilita la accesibilidad y el mantenimiento.
Figura 8. Esquema de bomba de turbina de eje vertical (Cashman y Preene, 2012)
  • Bombas de vacío para lanzas de drenaje (wellpoints): Constan de una unidad centrífuga para bombear el agua, de una unidad de vacío para impulsar el aire y de una cámara de aire flotante para separar el aire del agua. Su potencia disponible comercial varía entre 20 a 250 CV. Debido a que operan continuamente con vacíos importantes, se pueden dañar por cavitación. El equipo, montado sobre un chasis con un eje con neumáticos y barra de tiro para facilitar su colocación en la obra (Figura 9), consta de los siguientes elementos principales:
    • Cámara o tanque de separación de aire: recipiente cilíndrico con gran capacidad (de 1,5 m³), para reducir al mínimo los paros y arrancadas.
    • En su interior se alojan dos bombas sumergibles eléctricas o bombas para la impulsión del agua, así como los electrodos de barra para el control del nivel eléctrico.
    • Consta además de dos bombas de vacío eléctrico adosadas en el exterior del tanque. Se trata de dos depresores del tipo multicelular enfriados por aire y lubricados por aceite.
    • Cuadro de control eléctrico. Todos los equipos están provistos de control de marcha automática, con lo que se reducen al mínimo los costos de funcionamiento. Los elementos de mando eléctrico se hallan en una caja hermética al agua.
Figura 9. Equipo de bombeo para wellpoints. http://www.ischebeck.es/assets/files/agotamiento_agua/Cat%C3%A1logo%20Wellpoint%2016022012.pdf
  • Eyector hidráulico: Son bombas fluido-dinámicas que utilizan la energía de un fluido primario) para mantener un caudal de otro fluido (secundario) mediante un salto de presión. Son dispositivos que tienen la ventaja de no tener elementos móviles, no precisan mantenimiento, trabajan con todo tipo de fluidos, son confiables en su funcionamiento y pueden instalarse en cualquier posición. El eyector hidráulico, tal y como se aprecia en la Figura 10, está formado por un tubo vertical sumergido, paralelo al de aspiración, y al que se impulsa agua desde la parte superior. Ello forma una subpresión en la tobera inferior, cuando la altura de aspiración sobrepasa los 7 m, que es capaz de aspirar en condiciones económicas hasta los 20 m. Los sistemas eyectores son efectivos en suelos finos donde se requiere un bombeo de pequeños volúmenes de agua y para los cuales la baja eficiencia de los eyectores no es una desventaja. Este dispositivo, con algunas modificaciones, se emplea para el transporte de aguas sucias, lodos y arcillas en suspensión, en una proporción que llega a la cuarta parte del volumen total del fluido. Son las llamadas “bombas mamut”, que pueden elevar hasta 10 m mezclas fangosas, incluso con arenas, aunque sus rendimientos son pequeños (inferiores al 25%). En ocasiones se emplean lanzas hidráulicas de alta presión para romper la cohesión del material a bombear.
Figura 10. Eyector hidráulico. http://puyga.es/como-elegir-una-bomba-de-agua-para-pozos-componentes-tipos-y-recomendaciones-practicas/

Os dejo un vídeo de una bomba vertical tipo turbina.

Referencias:

  • CASHMAN, P.M.; PREENE, M. (2012). Groundwater Lowering in Construction: A Practical Guide to Dewatering, 2nd edition. CRC Press, Boca Raton, 645 pp.
  • GARCÍA VALCARCE, A. et al. (1995). Manual de Edificación. Derribos y demoliciones. Actuaciones sobre el terreno. Ediciones Universidad de Navarra, Pamplona, 472 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. (1992). Construction dewatering: New methods and applications. Ed. Wiley et al., New York.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.
  • YEPES, V. (2021). Procedimientos de construcción para la compactación y mejora del terreno. Colección Manual de Referencia, 1ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 426 pp. Ref. 428. ISBN: 978-84-9048-603-0.
  • YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3
  • YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2017). Máquinas, cables y grúas empleados en la construcción. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 814. Valencia, 210 pp.

Cursos:

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

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Drenes de penetración transversal: drenes californianos

Figura 1. Drenes californianos. http://civogal.com/drenes-californianos

Cuando se quiere reducir las presiones intersticiales en taludes y zonas de difícil acceso, son muy útiles los drenes de penetración transversal. Son perforaciones ascendentes comúnmente llamadas drenes californianos (horizontal drains), debido a que el Departamento de Carretas de California empezó a utilizarlo a partir de los últimos años de la década de 1930.

Son perforaciones de pequeño diámetro y gran longitud realizadas frecuentemente con los mismos carros perforadores empleados en la instalación de bulones o ejecución de sondeos. En su interior se dispone un tubo de policloruro de vinilo (PVC) ranurado, de un diámetro mínimo de 50 mm capaces de soportar cierta carga por si la perforación colapsara, tubo en ocasiones rodeado de un geotextil que actúe de filtrante para evitar el taponamiento o la erosión interna del terreno al escapar los finos. No obstante, si las deformaciones esperadas superan al radio del tubo, entonces se utilizan drenes metálicos. Asimismo, se pueden disponer drenes sin tubo interior, especialmente en roca sana, donde no se esperen movimientos que obstruyan la perforación, ni materiales que puedan obstruirla.

Figura 2. Drenes de penetración transversal en las proximidades del embalse de Loriguilla (Valencia). Fotografía: V. Yepes (2021)

Los drenes se disponen con una pequeña inclinación, de al menos el 3% sobre la horizontal, normalmente entre 5-10º, para evacuar el agua por gravedad, debiéndose introducir, al menos, en 2-3 m en la zona de acumulación de agua. Es por ello que a veces también se llaman drenes subhorizontales. Se debe dejar también, entre 2 y 3 m del tubo más próximo a la boca del taladro sin orificios ni ranuras. En otras ocasiones se pueden disponer más inclinados, incluso en vertical en galerías de drenaje.

Los drenes de penetración transversal tienen como objeto reducir las presiones intersticiales, agotar un embalsamiento de agua o rebajar el nivel freático. En el caso de taludes, los drenes se utilizan para estabilizar deslizamientos profundos, tal y como se puede apreciar en la Figura 3. Son especialmente eficaces en terrenos permeables, rocas fisuradas o cuando interceptan capas permeables saturadas, perdiendo eficacia en suelos arcillosos homogéneos.

Figura 3. Localización del nivel freático antes y después de la instalación de un dren horizontal

Si bien la disposición de los drenes depende de las condiciones hidrogeológicas y morfológicas del talud o ladera, normalmente se disponen 1-2 filas de tubos distanciados entre 7 y 30 m, siendo lo más frecuente entre 10 y 15 m. En el caso de taludes de más de 60 m de altura, se disponen bermas y una línea de drenes al pie de cada berma, recogiendo el agua a una cuneta impermeable. Con alturas superiores a 100 m, la longitud de perforación necesaria es tan alta que su coste se dispara. Si en nivel freático se encuentra entre 30 y 60 m por encima del pie del talud, se prolongan los drenes desde el pie hasta una profundidad igual a la altura del talud, con un máximo de 90-100 m.

La perforación simultánea de los drenes con desmontes de alturas superiores al de la maquinaria ordinaria facilita su ejecución y mejora las condiciones de drenaje durante la excavación. No se emplean lodos tixotrópicos durante la perforación, sino entubaciones provisionales al atravesar terrenos inestables o tramos de falla, hasta instalar el tubo definitivo. El agua drenada por los tubos debe canalizarse adecuadamente a cunetas u otros elementos del drenaje superficial. Además, estos drenes deben someterse a revisiones periódicas, con un mantenimiento que incluya su limpieza con aire a presión.

Los drenes de penetración transversal presentan como ventajas su rápida y sencilla instalación en comparación con otros sistemas de drenaje profundo, permite alcanzar toda la superficie del talud, puede ejecutarse una vez iniciadas las inestabilidades y el desagüe se realiza por gravedad, sin el uso de bombas o sistemas auxiliares. Sin embargo, su área de influencia es limitada en comparación con otros sistemas de drenaje profundo y se ejecutan una vez hecho el talud, por lo que su estabilidad puede complicarse.

Os dejo a continuación un vídeo explicativo de este tipo de drenes. Espero que os sea de interés.

Como información complementaria, os dejo la ficha técnica realizada por GEOCISA sobre al ejecución de anclajes y drenes californianos en el castillo de Jadraque (Guadalajara).

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REFERENCIAS:

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Drenaje mediante pozos horizontales ejecutados mediante perforación horizontal dirigida

Figura 1. Maquinaria para la perforación horizontal dirigida PHD.  https://trenchlesstechnology.com/hdd-pipe-ramming-used-install-water-wastewater-lines-wood-buffalo/

La técnica de la Perforación Horizontal Dirigida PHD (Horizontal Directional Drilling, HDD) es un método empleado para la instalación de tuberías que evita la apertura de zanjas a cielo abierto (trenchless) minimizando el movimiento de tierras (Figura 1). Se utiliza fundamentalmente para la instalación de líneas de comunicación (fibra óptica, cables de datos), líneas eléctricas, gaseoductos, oleoductos y conducciones de agua a presión. A mediados de 1990, esta técnica se adaptó para instalar pozos de drenaje de aguas contaminadas en zonas industriales, estaciones de servicio o similares. Sin embargo, también es útil para realizar drenajes horizontales (Horizontal Directional Drilling Wells, HDDW)  en áreas inaccesibles o donde realizar perforaciones en superficie no es factible, pudiéndose llegar a distancias de 3000 m de longitud. Con todo, PHD es una técnica que requiere una fuerte planificación, pues requiere de operaciones especializadas.

Un pozo horizontal puede sustituir a 10-30 pozos verticales, dependiendo de las circunstancias de cada caso (Figura 2). En efecto, un solo pozo horizontal intersecta el nivel freático en la mayor parte de su longitud, extendiendo el cono de depresión del freático a lo largo de su recorrido. Por ejemplo, un pozo poco profundo de unos 15 m precisa de unos 60 m de perforación horizontal para alcanzar la cota prevista. En cambio, una red de pozos verticales para interceptar el mismo nivel freático requiere de múltiples pozos y decenas de tubería vertical no productiva (sin rejilla). Además, el pozo horizontal requiere solo de una bomba y una tubería de evacuación al punto de vertido o tratamiento, al contrario que los pozos verticales, donde cada uno de ellos precisa de una bomba. La Figura 2b muestra cómo un pozo horizontal con cierta pendiente puede drenar un terreno en talud simplemente por gravedad.

Figura 2. (a) Drenaje mediante pozos verticales frente a (b) drenaje mediante pozo horizontal.

La mayor diferencia entre los usos habituales del PHD en relación a su uso como drenajes horizontales es que el fluido de perforación usado aquí son polímeros biodegradables, en vez de bentonita. La razón es evitar la reducción de la permeabilidad del terreno asociada a la perforación.

Según el procedimiento de instalación, los drenes horizontales ejecutados mediante PHD se pueden clasificar en doble o simple entrada (Figura 3):

  • Instalación con doble entrada (Figura 3a): Se taladra la perforación piloto desde una fosa de lanzamiento. La perforación desciende en la entrada para luego emerger en la fosa de recepción. Este procedimiento es el más comúnmente utilizado por permitir un mejor control de la estabilidad de la perforación en comparación con los métodos de simple entrada.
  • Instalación de simple entrada (Figura 3b): Este método, también llamado de perforación ciega (blind-ended hole) se utiliza cuando no hay fosa de recepción y el pozo se instala desde un solo extremo. Aquí el escariado para ampliar la perforación se realiza empujando, en vez de tirando, como es el caso de la doble entrada, existiendo el riesgo de que la perforación ampliada no siga la perforación piloto. Las longitudes alcanzadas con este sistema son significativamente menores que las de doble entrada.
Figura 3. Pozos horizontales realizados mediante Perforación Horizontal Dirigida. (a) Con doble entrada, (b) con una sola entrada.

La instalación de la rejilla es una operación más complicada en los pozos HDD que en los pozos verticales convencionales, tanto por la longitud como por la desviación en la dirección. Las rejillas se instalan arrastrando a través de la perforación en el caso de doble entrada, y empujando en el caso de simple entrada. Estas rejillas normalmente son de polietileno de alta densidad (PEAD), de acero al carbono o acero inoxidable. El porcentaje de ranuras de la rejilla es menor que en los pozos verticales para asegurar su resistencia a tracción o compresión. Como es difícil instalar un filtro granular alrededor de la rejilla, normalmente se usan filtros de grava preenvasados, mallas o geotextiles convenientemente protegidos para resistir su instalación.

Os dejo unos polimedias para explicar brevemente el procedimiento de la perforación horizontal dirigida. Espero que os sea de interés.

A continuación os dejo un par de vídeos explicativos.

REFERENCIAS:

  • POWERS, J.P. (1992). Construction dewatering: New methods and applications. Ed. Wiley et al., New York.
  • PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W., DYER, M.R. (2004). Groundwater control: design and practice. CIRIA C515, London.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

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Clasificaciones de las técnicas de mejora y refuerzo del terreno

Figura 1. Vibrosustitución. https://www.trevispa.com/

Un terreno se considera que es malo o inadecuado si no cumple con determinadas condiciones o propiedades que lo hagan apto para los requerimientos de un proyecto. Por ejemplo, para el caso de un terraplén, el Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para Obras de Carreteras y Puentes (PG3), clasifica los materiales que se pueden utilizar como suelos inadecuados, marginales, tolerables o seleccionados. Pero estos requerimientos varían en función del tipo de proyecto del que estemos hablando (edificación, puentes, presas, carreteras, etc.).

Cuando un terreno es inadecuado, se pueden tomar distintas decisiones al respecto (Nicholson, 2015):

  1. Abandonar el proyecto. Esta solución se considera adecuada cuando es posible encontrar otra ubicación a nuestro proyecto o bien cuando es inviable desde el punto de vista económico, social o ambiental.
  2. Extraer y reemplazar el terreno inadecuado. Es una práctica habitual que puede ser inapropiada cuando el coste de la retirada del terreno y la aportación de los materiales seleccionados no es competitivo, no se encuentran disponibles o existen restricciones medioambientales.
  3. Redimensionar o cambiar el proyecto para que sea compatible con las características del terreno. Es el caso del uso de pilotes para trasladar las cargas a un estrato competente.
  4. Modificar el suelo o la roca para mejorar sus propiedades o su comportamiento a través de técnicas de mejora de terrenos.

Un terreno, por bueno que sea, puede tratarse para mejorar sus características o reforzarlo. Se trata de incrementar la capacidad portante, reducir la deformabilidad, disminuir la permeabilidad o acelerar la consolidación. Para ello se emplean un conjunto de técnicas que aplicables a multitud de situaciones, desde el cimiento de una presa hasta los casos más comunes como pueden ser los terrenos blandos. Los primeros métodos se emplearon para aumentar la capacidad portante o estabilizar suelos granulares. Pero pronto se amplió el campo de aplicación a terrenos cohesivos. Sin embargo, no hay que olvidar que siempre existe la posibilidad de retirar el suelo y sustituirlo por otro mejor, siendo, por tanto, la primera de las soluciones que deben tenerse en cuenta. Los terrenos granulares deformables o licuables y los terrenos cohesivos blandos o deformables son los que habitualmente son objeto de mejora. Con todo, también hay terrenos difíciles que pueden requerir tratamiento como los expansivos, los colapsables, los residuales, los altamente compresibles, los duros degradables, los kársticos, los suelos dispersivos o las arcillas susceptibles, entre otros. La profundidad de la mejora puede variar desde menos de un metro en el caso de la compactación superficial con rodillo vibrante hasta más de 100 m en los tratamientos con inyecciones (Ministerio de Fomento, 2002).

Antes de describir las distintas clasificaciones que se han utilizado para las técnicas de mejora del terreno, podemos enunciar las que contempla la Guía de Cimentaciones en Obras de Carretera (Ministerio de Fomento, 2002). Son las siguientes: sustitución, compactación con rodillo, precarga, mechas drenantes, vibración profunda, compactación dinámica, inyecciones, inyecciones de alta presión (jet-grouting), columnas de grava, columnas de suelo-cemento, claveteado o cosido del terreno (bulones), geosintéticos, explosivos, tratamientos térmicos, congelación y electro-ósmosis.

Mitchell (1981) realizó una clasificación de los tratamientos del terreno atendiendo a su granulometría. En la Figura 2 se puede ver, de forma aproximada, el campo de aplicación de las técnicas.

Figura 2. Aplicabilidad de las técnicas de mejora del terreno atendiendo a su granulometría (Mitchell, 1981)

También se pueden organizar las técnicas de mejora del terreno en función de su temporalidad (Van Impe, 1989). En la Figura 3 se clasifican los métodos en temporales, que se limitan al periodo de ejecución de la obra, y en permanentes, atendiendo o no a la adición de materiales en el terreno.

Figura 3. Clasificación de las técnicas de mejora de terreno. Adaptado de Van Impe (1989)

En cambio, Schaefer (1997) distinguió las técnicas en tres grupos, las de mejora de terreno (ground improvement), las de refuerzo del terreno (ground reinforcement) y las de tratamiento del terreno (ground treatment). En la Tabla 1 se ha recogido esta distinción. Sin embargo, a veces no está clara la diferencia entre el tratamiento, la mejora o el refuerzo. El Ministerio de Fomento (2002) incluye en un mismo grupo el refuerzo y la mejora, llamando a ambos métodos de mejora. El caso de las columnas de gravas sería, por ejemplo, tanto un refuerzo como una mejora.

Tabla 1. Clasificación de los métodos de mejora, refuerzo y tratamiento de terrenos (Schaefer, 1997)

El Comité Técnico TC17 de la Sociedad Internacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica, ISSMG clasificó los métodos de mejora en cinco grupos:

  1. Mejora del terreno sin adiciones en suelos no cohesivos o materiales de relleno: Compactación dinámica, vibrocompactación, compactación por explosivos, compactación por impulso eléctrico y compactación superficial (incluyendo la compactación dinámica rápida).
  2. Mejora del terreno sin adiciones en suelos cohesivos: Sustitución/desplazamiento (incluyendo la reducción de carga mediante materiales ligeros), precarga mediante relleno (incluyendo el empleo de drenes verticales), precarga mediante vacío (incluyendo la combinación de relleno y vacío, consolidación dinámica con drenaje mejorado (incluyendo el empleo de vacío), electro-ósmosis o consolidación electro-cinética, estabilización térmica usando calentamiento o congelación y compactación por hidrovoladura.
  3. Mejora del terreno con adiciones o inclusiones: vibrosustitución o columnas de grava, sustitución dinámica, pilotes de arena compactada, columnas encapsuladas con geotextiles, inclusiones rígidas, columnas reforzadas con geosintéticos o rellenos pilotados, métodos microbianos y otros métodos no convencionales (formación de pilotes de arena mediante explosivos y el uso de bambú, madera y otros productos naturales).
  4. Mejora del terreno con adiciones tipo inyección: Inyección de partículas, inyección química, métodos de mezclado (incluyendo la mezcla previa y la estabilización profunda), jet grouting, inyecciones de compactación y inyecciones de compensación.
  5. Refuerzo del terreno: tierra reforzada con acero o geosintéticos, anclajes al terreno o claveteado del terreno y métodos biológicos mediante vegetación.

Como puede observarse, el número de clasificaciones posibles es muy alto. Dejo a continuación las recomendaciones de la Guía de Cimentaciones (Ministerio de Fomento, 2002) respecto a la aplicabilidad de las principales técnicas de mejora del terreno.

Tabla 2. Campo de aplicación de las principales técnicas de mejora del terreno (Ministerio de Fomento, 2002)

También es posible clasificar las técnicas de mejora del terreno atendiendo a la fase en la que se encuentra un proyecto (Nicholson, 2015):

a) Mejoras previas a la construcción. Se trata de métodos eficientes en cuanto a coste, y por tanto, deseables si son posibles. Se trata de mejorar el emplazamiento de la obra como parte de la planificación de las tareas definidas en el proyecto. Como ejemplos tenemos la compactación, la preconsolidación, el rebajamiento del nivel freático o las inyecciones.

b) Mejoras durante la construcción. Estas técnicas se realizan a la vez que el proyecto y pueden quedar como parte permanente del mismo. Sería el caso de las columnas de grava, tratamientos superficiales del terreno (compactación superficial, estabilización con cal o cemento, etc.), congelación de suelos, geosintéticos, anclajes, claveteado del terreno, etc.

c) Mejora tras la construcción. Se trata normalmente de técnicas de reparación, normalmente caras y que suponen la última alternativa para resolver un problema como pudiera ser la estabilización de una ladera o problemas de filtración de agua. Entre estas técnicas se encontrarían el rebajamiento del nivel freático, micropilotes de refuerzo, etc.

Os dejo a continuación un vídeo explicativo de las clasificaciones de las técnicas de mejora del terreno.

Por último, os dejo un artículo de Carlos Oteo y Javier Oteo sobre las innovaciones recientes en el campo de la mejora y refuerzo del terreno, publicado en la Revista de Obras Públicas en el año 2012.

Descargar (PDF, 2.54MB)

REFERENCIAS:

  • BIELZA, A. (1999). Manual de técnicas de tratamiento del terreno. Ed. Carlos López Jimeno. Madrid, 432 pp.
  • GARCÍA VALCARCE, A. (dir.) (2003). Manual de edificación: mecánica de los terrenos y cimientos. CIE Inversiones Editoriales Dossat-2000 S.L. Madrid, 716 pp.
  • MINISTERIO DE FOMENTO (2002). Guía de Cimentaciones. Dirección General de Carreteras.
  • MITCHELL, J.K. (1981). Soil improvement: state-of-the-art report. 10th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. Stockholm, 509-565.
  • NICHOLSON, P.G. (2015). Soil improvement and ground modification methods. Elsevier, Butterworth-Heinemann, 472 pp.
  • OTEO, C.; OTEO, J. (2012). Innovaciones recientes en el campo de la mejora y refuerzo del terreno. Revista de Obras Públicas, 3534, 19-32.
  • VAN IMPE, W.F. (1989). Soil improvement techniques and their evolution. A.A. Balkema, Rotterdam, 77-88.
  • YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

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Compactación con explosivos

La compactación de un suelo mediante explosivos se considera una técnica de mejora del terreno de carácter permanente y que no precisa de adición de materiales. Se trata de colocar cargas explosivas en profundidad que, en suelos granulares poco densos -con menos del 20% de limos o del 5% de arcillas-, provocan su licuación y posterior consolidación. Con ello se consiguen asientos generalizados en su superficie y, por tanto, un aumento de su peso específico. Fue en Rusia, en 1936, donde tuvieron lugar las primeras compactaciones mediante explosivos, incluso bajo el agua. En España se han utilizado en el puerto de Valencia para consolidar rellenos hidráulicos, resolviendo el tratamiento del terreno en solo dos meses (Romana y Ronda, 1997). Como es lógico, este procedimiento no es utilizable en zonas urbanas.

Figura 1. Compactación con explosivos con cargas confinadas. http://62.129.205.139/en/microblasting/

Este procedimiento es más eficiente que la vibrocompactación, por el empleo de mayor energía, pero siempre que se domine la técnica. También es muy aplicable en suelos con grandes bolos, suelos finos o con niveles superiores más rígidos, donde otras técnicas no son útiles. Los resultados son muy buenos, pudiéndose incrementar la densidad relativa de una arena floja en un 15-30%. Son típicos cambios de volumen entre el 3 y el 8%. Se trata de un procedimiento rápido y económico, no siendo necesario el empleo de una maquinaria especial. Suele terminarse el tratamiento con una compactación final de tipo superficial mediante rodillos vibrantes.

Como inconvenientes a este método cabría destacar el efecto de las explosiones sobre estructuras próximas al radio de acción, la falta de uniformidad en el terreno tratado, el factor psicológico negativo asociado al uso de explosivos y el cumplimiento de la normativa relacionada con los explosivos, especialmente en áreas pobladas. A veces se pueden utilizar productos expansivos no explosivos para evitar algunos de estos problemas. Por otra parte, el control de resultados requiere una exploración geotécnica posterior para evaluar el efecto del tratamiento.

En función de la situación donde se aloje la carga del explosivo, las voladuras pueden ser confinadas (la carga se coloca dentro de la capa del suelo, Figura 1), superficiales (en la superficie del terreno, Figura 2) o subacúaticas (pero por encima del nivel del terreno a compactar, Figura 3). Lo más normal es usar voladuras confinadas.

Figura 2. Voladuras superficiales.  http://62.129.205.139/en/microblasting/

 

Figura 3. Voladuras subacuáticas. http://62.129.205.139/en/microblasting/

Se puede definir el radio de influencia del tratamiento como la superficie cuyo asiento es mayor a 1 cm. La fórmula empírica que define dicha zona (López Jimeno et al., 1995) es

Rmin = K · Q1/3

donde Q es la carga del explosivo en kg y K un coeficiente adimensional que depende del tipo de suelo, según la Tabla siguiente:

Tabla 1. Coeficiente K para definir el radio de influencia de la compactación con explosivos (López Jimeno et al., 1995)

De forma aproximada, las cargas se suelen colocar a una profundidad en torno al 75% de la profundidad del estrato a compactar, con una separación entre cargas entre 5 y 15 m. Suelen utilizarse cargas del orden de 10 a 30 g de dinamita (o TNT, o amonita) por m3 de suelo. Para mayor detalle en el cálculo y diseño de la cantidad de explosivo, el radio de acción de la carga efectiva, el espesor de la carga efectiva, el espesor de la capa compactada, la profundidad a la que debe situarse la carga y el radio del dren de arena creado, pueden consultarse textos especializados. Hemos dejado un artículo al respecto al final del artículo.

Os dejo algunos vídeos al respecto. Observad cómo tras la explosión de las cargas, existe una salida importante de agua a presión.

Descargar (PDF, 1.43MB)

REFERENCIAS:

  • BIELZA, A. (1999). Manual de técnicas de tratamiento del terreno. Ed. Carlos López Jimeno. Madrid, 432 pp.
  • GARCÍA VALCARCE, A. (dir.) (2003). Manual de edificación: mecánica de los terrenos y cimientos. CIE Inversiones Editoriales Dossat-2000 S.L. Madrid, 716 pp.
  • LÓPEZ JIMENO, C. et al. (1995). Manual de perforación y voladuras de rocas. Instituto Tecnológico Geominero de España.
  • ROMANA, M.; RONDA, J. (1997). Consolidación por voladuras de un relleno hidráulico en el puerto de Valencia. Boletín de la Sociedad Española de Mecánica del Suelo y Cimentaciones, 126.
  • YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.
  • YEPES, V. (2021). Procedimientos de construcción para la compactación y mejora del terreno. Colección Manual de Referencia, 1ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 426 pp. Ref. 428. ISBN: 978-84-9048-603-0.

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