Perforación con hélice corta

Hélice cortaCuando se trata de perforaciones de diámetros elevados y la extracción del material se realiza de forma discontinua, se utiliza la perforación con hélice corta (intermittent augering).

Con este procedimiento se pueden abrir perforaciones de hasta unos 2,5 m de diámetro y profundidades de hasta unos 50 m. El terreno debe ser lo suficientemente seco y cohesivo para evitar derrumbes en las paredes. En caso contrario, se debería recurrir a la perforación con lodos y extracción con cazo.

 

 

 

Referencias:

YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia.

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Soil nailing o suelo claveteado

Soil nailing
Figura 1. Gunitado sobre ladera claveteada

La técnica del soil nailing, o claveteado de suelos,  consiste en reforzar un talud, a medida que desciende la excavación, mediante la introducción de anclajes de refuerzo pasivos o activos, generalmente subhorizontales, que trabajan principalmente a tracción, pero también pueden tomar cargas de flexión y corte. Estos refuerzos se complementan a medida que baja la excavación con un paramento superficial que puede ser rígido o flexible que impide el deslizamiento del suelo entre los puntos que se encuentran las barras instaladas. Este refuerzo del terreno permite mejorar su resistencia al corte a lo largo de superficies potenciales de falla.

Las barras se colocan en unos sondeos perforados previamente y que luego se rellenan con una lechada o mortero de inyección. Posteriormente se ejecuta un paramento vertical que impida la caída de tierra entre los puntos donde se sitúan las inclusiones. Esto suele realizarse mediante hormigón proyectado (gunita), que suele reforzarse mediante una malla de acero.

Este procedimiento no se puede aplicar bajo nivel freático, ni tampoco cuando el suelo es blando o muy blando, pues entonces no es rentable su uso.

Figura 2. Procedimiento constructivo del suelo claveteado. https://civilengineeringbible.com/article.php?i=107

Os paso unos cuantos vídeos informativos al respecto. Espero que os sean de utilidad.

 

Referencias:

MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcción. Mejora de terrenos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. Ref. 2004.844. Valencia.

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Ensanchadoras de la base de pilotes: el balde de quijadas

Figura 1. Balde de quijadas con articulación en la base y con articulación superior

En suelos suficientemente coherentes se puede ensanchar la base de la perforación, a fin de aumentar la capacidad de transmitir resistencia por punta, mediante una herramienta especial denominada balde de campana o de quijadas. Este útil puede ser de dos tipos: con articulación en la base o con articulación superior.

El ensanche del fondo excavación (acampanamiento o underreaming) tiene forma troncocónica. Como criterio general, la altura del ensanchamiento debe ser mayor que el diámetro del pilote y la anchura menor que tres veces el diámetro.

Figura 2. Herramienta para ensanchamiento de la punta del pilote

 

Referencias:

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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STARSOL: Pilotes con hélice continua mejorada

Figura 1. Pilotes Starsol. http://www.soletanche-bachy.com.ar

Dentro de los pilotes de extracción de barrena continua podemos distinguir un procedimiento mejorado denominado STARSOL. Se trata de un sistema desarrollado por el grupo francés SOTELANCHE-BACHY, al cual pertenece la empresa española RODIO, por lo que también se llama este procedimiento Rodiostar/Starsol. Con este sistema se resuelven dos problemas que tenían procedimientos anteriores: la perforación de capas duras y la ejecución y control de la calidad del hormigonado. La perforación en capas duras se realiza mediante un motor de gran potencia, con un par de 90000 N·m, incorporando un útil de corte bajo el eje de la hélice, con lo que puede atravesar o empotrase en terrenos de 35 a 50 N/mm2 de resistencia a rotura. Ello hace innecesario el uso de trépano. Tampoco se necesitan lodos ni camisa porque el hormigonado se realiza a través del tubo interno, que funciona a modo de Tremie. El mayor problema es que las armaduras deben introducirse después del hormigonado, aunque este problema se podría resolver definitivamente con hormigones armados con fibras de acero. Los diámetros habituales de este tipo de pilotes se encuentran entre 0,40 y 1,00 m, con una profundidad máxima normal de 30 m. La potencia total instalada ronda los 250 KVA.

Los elementos principales del equipo son los siguientes:

  • Grúa dotada de grupo hidráulico
  • Mástil guía
  • Cabeza de rotación hidráulica
  • Manguera de introducción del hormigón al tubo interior
  • Barrena continua alrededor del tubo exterior
  • Tubo central con desplazamiento por el interior del tubo exterior
  • Sistema de gatos que permite el desplazamiento vertical del tubo central hasta 1,50 m
  • Útil de limpieza

En la Figura 2 se muestran las fases constructivas del método. El procedimiento comienza con la perforación mediante rotación de la barrena. Una vez llega a la profundidad requerida, se para la rotación, se levanta el conjunto y se comienza a bombear hormigón a presión. La distancia entre las bases de la barrena y del tubo sumergido es de 1,50 m. Por último, una vez hormigonado el pilote, se coloca la armadura, incluso con vibradores si fuera necesario. La armadura se puede introducir con este método fácilmente hasta 15 m, aunque el mejor registro de 17 m se consiguió en 1988.

La diferencia entre el procedimiento STARSOL y los pilotes de barrena continua convencionales es que en los primeros el hormigón se bombea a presión (de al menos 0,1 MPa, lo que asegura un excelente contacto en cualquier terreno), de forma que dicha presión y el volumen de hormigón se encuentran controlados. Esto garantiza que el primer hormigón vertido es el único que ha estado en contacto con el terreno y el único que puede estar contaminado. En el caso de los pilotes de barrena continua clásica, el hormigón se vierte a través del tubo central de la barrena y directamente sobre el anterior, mientras que en el sistema STARSOL, se realiza mediante un tubo telescópico introducido por dicha barrena hueca, el cual puede quedar introducido hasta 1,0 m por debajo de la lámina libre de hormigón, de ahí la mayor presión de bombeo y la gran ventaja con respecto al CPI-8 convencional; pues se evita la posibilidad de cortes en el hormigón.

Figura 2. Esquema del proceso de ejecución del pilote STARSOL

A continuación os dejo algunos vídeos explicativos que creo de interés.

Referencias:

GARCÍA-VALCARCE, A.; SACRISTÁN, J.A.; GONZÁLEZ, P.; HERNÁNDEZ, R.J.; PASCUAL, R.; SÁNCHEZ-OSTIZ, A.; IRIGOYEN, D. (2003). Manual de edificación. Mecánica de los terrenos y cimentaciones. Editorial CIE Dossat 2000, 710 pp.

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Problemas con la perforación o la hinca de pilotes ante información confusa del terreno

Reconocimiento geotécnico. https://www.arqhys.com/construccion/reconocimiento-geotecnico.html

En algunos artículos anteriores hemos descrito algunos procedimientos constructivos de los distintos tipos de pilotes. También se han comentado en artículos anteriores algunas técnicas relacionadas con los informes geotécnicos.

Podéis consultar el siguiente documento realizado por Juan Herrera y Jorge Castilla, de la UPM: “Utilización de técnicas de sondeos en estudios geotécnicos“:  http://oa.upm.es/10517/1/20120316_Utilizacion-tecnicas-sondeos-geotecnicos.pdf

 

Sin embargo, aquí quiero resaltar algunos casos concretos donde los informes geotécnicos pueden confundir al constructor y llevarlo a errores durante la perforación o hinca de los pilotes (Rodríguez Ortiz, 1982):

  1. Capas delgadas de arenisca floja o vetas de arena cementadas. Las coronas de sondeo las traspasan y disgregan, confundiéndose con arenas. Las barrenas que perforan los pilotes son de diámetro mayor y no tienen potencia suficiente para romper estas capas, con lo que se hace necesario un trépano. En el caso de hinca, se suele dar rechazo al llegar a estas capas, deteniéndose la hinca, lo que supone un riesgo de punzonamiento bajo las cargas de trabajo.
  2. Las vetas carbonatadas y costras, de naturaleza evaporítica y de espesores variables, con elevadas resistencias. Los sondeos a rotación disgregan las gravas presentes, otras veces se sacan testigos rocosos que se confunden con gravas o bolos calcáreos. Son errores de apreciación que, unido a la difícil correlación entre los cortes geotécnicos, provocan que pasen desapercibidas estas vetas y causen problemas en la hinca y en la perforación.
  3. Las vetas silicatadas se confunden con los cantos de sílex. Son capas de extraordinaria dureza que hace difícil la penetración de los pilotes, incluso con espesores de pocos centímetros.
  4. Bloques erráticos u obstáculos de tamaño similar al diámetro del pilote. Pueden dificultar enormemente el hincado o la perforación.
  5. Confusión entre roca sana y alterada en el apoyo del pilote, que puede magnificar o infravalorar la capacidad portante prevista.
  6. Evaluación de la resistencia de una capa rocosa para predecir si la excavación debe realizarse con trépano, tricono o elementos de corte rotativo.
  7. La estructura del substrato rocoso debe caracterizarse geológicamente y con reconocimientos puntuales para determinar si las fracturas impiden la perforación rotativa para un determinado diámetro.
  8. Los sondeos pueden interpretar una estabilidad de las paredes diferente a la perforación del pilote, pues los diámetros son diferentes. Si el terreno lo permite, se prefieren los sondeos helicoidales, pues se aproximan mejor a las condiciones de perforación del pilote.
  9. La permeabilidad del terreno y la presencia de capas granulares abiertas pueden impedir la perforación con lodos, debiéndose recurrir a la entubación. Un sondeo convencional puede pasar por alto este aspecto, salvo que se hagan pruebas de bombeo o permeabilidad.

Veamos este vídeo de geotecnia.ONLINE sobre las cinco cosas que debemos hacer antes de empezar con los sondeos o perforaciones de un estudio del terreno. El contenido se relaciona con lo que hemos contado anteriormente.

 

Referencias:

RODRÍGUEZ ORTIZ, J.M. (1982). Reconocimientos del terreno para pilotajes, en ROMANA, M. (Ed.): Apuntes sobre pilotes. Universidad Politécnica de Valencia.

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Zonas de un anclaje

Figura 1. Componentes de un anclaje activo

Un anclaje es el elemento capaz de transmitir esfuerzos de tracción desde la superficie del terreno hasta una zona interior del mismo. En artículos anteriores vimos el concepto y la clasificación de los anclajes, la forma de ejecutar un anclaje y aspectos relacionados con la seguridad en su ejecución. En este artículo vamos a describir brevemente las diferentes zonas de un anclaje.

En los anclajes se distinguen las siguientes zonas (Figura 1):

  • Zona o bulbo de anclaje: es la parte solidaria al terreno en profundidad, encargada de transferirle los esfuerzos. Tiene características muy distintas dependiendo del procedimiento constructivo empleado. Teóricamente se trataría de una parte fija, es decir, que no se movería ni durante el tesado ni durante la movilización del empuje activo. En la práctica se puede mover algo, pero no debe despegarse del terreno, pues entonces desaparecería la capacidad del anclaje.
  • Zona libre: es la parte en la que la armadura es independiente del terreno que la rodea, de forma que está libre su deformación al tensionarse. En efecto, la capacidad de deformación de esta zona libre es la que provoca la progresiva puesta en carga del anclaje. Conviene una longitud mínima de unos 5 m para que el esfuerzo aplicado se vea poco afectado por los posibles desplazamientos de la cabeza respecto a la zona de anclaje al terreno. Puede garantizarse la independencia del anclaje respecto al terreno en esta zona mediante camisas de PVC o metálicas. Sin embargo, debe garantizarse su protección contra la corrosión.
  • Cabeza: es la unión de la armadura a la placa de apoyo, sobre la que se ejerce la fuerza estabilizadora sobre la estructura. Dependen de cada fabricante y son similares a las utilizadas en hormigón pretensado.

En la Figura 2 se puede observar la cabeza para un anclaje de 8 torones.

Figura 2. Cabeza para un anclaje de 8 torones. https://publicworkstoolscad.blogspot.com/

Os dejo una animación de Keller Cimentaciones respecto a la ejecución de una inyección.

Referencias:

AETESS (2006). Guía Técnica de Seguridad AETESS. Micropilotes y anclajes.

DIRECCIÓN GENERAL DE CARRETERAS (2001). Guía para el diseño y la ejecución de anclajes al terreno en obras de carretera. Madrid.

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Perforación rotativa por corte

Figura 1. Secuencia de corte

La perforación rotativa por corte tuvo su máximo desarrollo en la década de los 40 en las minas de carbón americanas. Hoy día su uso se limita a las rocas blandas y de pequeños diámetros, aunque en los trabajos a cielo abierto este sistema entra en competencia con el arranque directo y en los trabajos subterráneos con la perforación rotopercusiva.

Con este sistema, la fuerza de avance trata de mantener en contacto el útil de corte con la roca, de forma que el filo sea el encargado de realizar los sucesivos cortes.

El corte se realiza con bocas que presentan elementos de carburo de tungsteno u otros materiales como los diamantes sintéticos, pudiéndose distinguir varios tipos:

  • Bocas bilabiales o de tenedor, en diámetros de 36 a 50 mm
  • Bocas trialetas o multialetas, en diámetros de 50 a 115 mm
  • Bocas de labios reemplazables, con elementos escariadores y perfil de corte escalonado, en diámetros de 150 a 400 mm
Figura 2. Tipos de bocas para perforación por corte

El ángulo de ataque α del útil de corte varía entre 110º y 140º, siendo más obtuso cuanto más dura sea la roca. El ángulo del labio de corte β varía entre 75º y 80º. El ángulo de corte γ oscila entre -6º y 4º, siendo positivo en rocas blandas y negativo en las duras.

Figura 3. Ángulos característicos de un útil de corte

 

Figura 4. Trayectoria de un punto de la boca

Existe una relación empírica entre el diámetro de perforación, la velocidad de penetración y el tipo de roca:

donde

Vp = Velocidad de penetración

μ = Coeficiente de fricción de la roca

E = Empuje sobre la boca

Vr = Velocidad de rotación

re = Radio efectivo de la roca

Ev = Energía específica de la roca

Ar = Área de la sección transversal del barreno

 

Sin embargo, en la práctica existe una desviación importante de los datos, pues el coeficiente de fricción depende del empuje y la velocidad de rotación se limita por el desgaste continuo que se produce en las bocas al aumentar el número de revoluciones.

Figura 5. Relación entre el empuje y la velocidad de penetración

En la práctica, se pueden definir dos campos claros de operatividad de este sistema de perforación rotativa:

  • Aquellas rocas de resistencia a compresión menor a 80 MPa
  • Rocas con contenido en sílice menor al 8%, para evitar un desgaste excesivo

La eliminación del detrito de perforación suele realizarse con un fluido de barrido que puede ser aire, en los trabajos a cielo abierto o agua o aire húmedo en los trabajos de interior. Emplear aire con inyección de agua no sólo facilita la evacuación del detritus y favorece la velocidad de avance, sino que también refrigera las bocas de perforación y disminuye su desgaste. Además, evita el colmatado de la perforación y elimina el polvo. Se necesita aproximadamente de 1000 a 1500 l/min de aire y por cada perforadora unos 250 cm3/min de agua.

En rocas muy blandas (30 a 40 MPa) puede emplearse varillaje helicoidal, de paso mayor cuanto más grande sea la velocidad de penetración, para evacuar el residuo de la perforación.

Figura 6. Varilla helicoidal y bocas de perforación

Os dejo a continuación un vídeo donde explico, en general, la perforación rotativa de rocas. Espero que os complemente la información anterior.

Referencias:

INSTITUTO TECNOLÓGICO Y MINERO DE ESPAÑA (1994). Manual de perforación y voladura de rocas. Ed. IGME. Madrid, 500 pp.

YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209.

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Hinca de pilotes y tablestacas por prebarrenado

Figura. Pilote hincado perforado previamente. https://www.junttan.com/piling-specialist/piling-applications/

En situaciones difíciles, como estratos de arcilla compacta o roca blanda, cuando la técnica de la inyección del agua es inapropiada, se puede optar por una perforación vertical previa mediante una barrena helicoidal de un diámetro bastante inferior al pilote. Al utilizar una perforación previa, se protege el pilote de un hincado demasiado difícil y, además, se reduce el ruido y las vibraciones. El diámetro del prebarrenado dependerá del tamaño y forma del pilote, así como de las características del terreno. Suele ser 100 mm inferior que la diagonal de la sección de pilotes cuadrados o en H, y 25 mm inferior en caso de sección circular. Sin embargo, si el terreno es muy resistente, a veces el diámetro del prebarrenado es igual a la mayor dimensión exterior del pilote.

Esta técnica es aplicable a la hinca de pilotes muy próximos a otra infraestructura, de forma que el desplazamiento radial del terreno puede afectarla. También sería de interés en el caso de que la hinca del pilote transmita fuertes presiones hidráulicas a distancias considerables. Otro caso sería en terrenos de gran susceptibilidad tixotrópica, donde se pueden levantar los pilotes varios metros por la recuperación de las propiedades del suelo.

En otras ocasiones se recurre a la técnica del punzonado cuando los pilotes son pequeños. Consiste en la hinca de un perfil pesado de acero laminado para romper estratos duros, este punzón se tiene que sacar antes de hincar el pilote.

A continuación os dejo un vídeo donde se realiza un prebarrenado antes de la hinca de un pilote metálico de sección en H.

Referencias:

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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¿Qué son los micropilotes?

Figura 1. Micropilotes

Los micropilotes son pilotes de pequeño diámetro de perforación, normalmente de 80 a 300 mm, compuestos por una barra, tubo de acero o de armadura de acero que constituye el núcleo portante, el cual se recubre normalmente de lechada inyectada de cemento que forma el bulbo. Esta inyección favorece el trabajo por rozamiento lateral del fuste. Aparecieron en los años 50 los “pali-radicci” o pilotes-raíz, para solucionar los problemas de recalces de edificios o estructuras, que eran perforaciones con un diámetro pequeño (de 3” o menos), donde se introducía un redondo de acero y se inyectaban con una lechada de cemento.

Los micropilotes estructurales actuales son de mayor diámetro, entre 100 y 150 mm, introduciendo en ellos una armadura. Las características técnicas de los materiales y modo de ejecución de estos micropilotes permiten lograr altas capacidades de carga, normalmente entre 100 y 150 kN, tanto a la tracción como a la compresión con deformaciones mínimas. Se consigue así, un elemento resistente en el que predomina la longitud y resistencia por rozamiento o fuste. El uso de micropilotes es especialmente interesante cuando existen cargas dispersas de poca importancia, terrenos y cimientos heterogéneos, condiciones difíciles de ejecución en espacios reducidos, con restricciones en altura, o zonas congestionadas, y donde se alternan las cargas en tracción y compresión.

Hoy también existen micropilotes de gran capacidad, con diámetros de 300 mm o excepcionalmente de más, donde se introduce como elemento resistente un perfil metálico, generalmente tubular, capaz de resistir 2000 kN o más. Posteriormente se inyecta mortero de cemento para rellenar la sección interior del perfil y sellar la corona exterior entre el perfil metálico y el terreno. Con perforación a rotopercusión, se alcanzan rendimientos de 50 a 100 m por turno. Sin embargo, los costes de este sistema son superiores a otros pilotes, y sólo se justifica cuando hay que atravesar zonas rocosas.

La maquinaria empleada para ejecutar los micropilotes presenta ventajas respecto a la de los pilotes, pues es más accesible y maniobrable en espacios pequeños, reducen los movimientos durante la ejecución y por tanto las deformaciones respecto a estructuras vecinas, son adaptables a suelos duros, heterogéneos y con obstáculos y mantienen bien la verticalidad. Sin embargo, no son tan aptos en terrenos saturados o con nivel freático superior a la cota inferior de la cimentación. En la Figura 2 se muestran algunas máquinas empleadas en la ejecución de micropilotes.

Figura 2. Maquinaria empleada en la ejecución de micropilotes. Fuente: http://www.civogal.com/

La inyección del micropilote se realiza por circulación inversa, bombeándose desde la central de fabricación de lechada y mediante el empleo de batidoras de alta turbulencia. La inyección se realiza por el interior de la armadura hasta el fondo del taladro ascendiendo por el espacio anular existente entre la armadura y el varillaje de perforación, desplazando al exterior el posible detritus de perforación. Según su forma de ejecución los micropilotes pueden estar inyectados a baja o a alta presión. En los primeros se reproduce la técnica del pilote de gran diámetro, se inyecta mortero o mezcla cementicia de forma que se recubre el elemento de acero que constituye la armadura. Los micropilotes inyectados a alta presión se realiza ésta en una o varias etapas a través de válvulas antirretorno, colocado en la parte más profunda del micropilote, de forma que se conforme un bulbo que transmita las cargas en profundidad. Esta última técnica es parecida a la inyección de terreno no cohesivo, formando una serie de bulbos que, en su conjunto, conforman el elemento de transmisión de la carga del micropilote al terreno.

Existen distintos tipos de inyección empleados con los micropilotes:

  • (IU) “Inyección única global”: desde la base inferior del tubo de armado asciende el material de relleno entre las paredes de éste y la del encamisado si lo hay, o del terreno si no lo hay. Sería adecuado para rocas más o menos sanas, suelos cohesivos muy duros y suelos granulares.
  • (IRS) “Inyección repetitiva y selectiva”: a través de las válvulas anti retorno dispuestas a lo largo de la tubería de armado. Sería adecuada para suelos cohesivos no muy duros, suelos de consistencia baja o media y suelos granulares donde se intenta crear un bulbo
  • (IR) “Inyección única repetitiva”: a través de rejillas practicadas a lo largo del tubo. Para rocas blandas y fisuradas y materiales granulares gruesos de compacidad media.

Los micropilotes también se pueden realizan hincando una única tubería y sin inyección de lechada. Es el caso de una cimentación provisional o cuando posteriormente se vaya a excavar dejando los micropilotes a la vista. Como son de acero, esto permite soldar una estructura de arriostramiento. Incluso se pueden formar “muros pantalla” de micropilotes (Figura 3) que contengan tierras en un vaciado, en cuyo caso se descubre la lechada para soldar vigas metálicas a los tubos como estructura auxiliar para el arriostramiento y apuntalamiento provisional del muro. En un artículo anterior podéis ver qué medidas de seguridad se deben adoptar en la ejecución de este tipo de cimentación profunda.

Figura 3. Pantalla de micropilotes con anclajes. Fuente: http://www.geotec262.com/micropilotes-anclajes

A continuación os dejo un vídeo explicativo sobre micropilotes de goetecnia.ONLINE

Os dejo un par de animaciones de Keller sobre la ejecución de micropilotes.

Referencias:

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Principios de las perforaciones a rotación

Figura 1. Principio de la perforación rotativa

En un artículo anterior explicamos los fundamentos de la perforación por extracción de material. De entre los procedimientos existentes, la perforación mecánica por rotación constituye uno de los procedimientos más habituales. Aquí vamos a explicar los principios básicos en los que se basa.

El principio utilizado por las perforadoras rotativas consiste en aplicar energía al terreno haciendo rotar un útil de corte o destroza conjuntamente con la acción de una fuerza de empuje. Este tipo de perforación se empezó a utilizar en minería sobre rocas blandas; sin embargo, la rapidez de desplazamiento y montaje de estos equipos, la variedad de útiles de corte han favorecido su uso en otros campos.

El giro del útil lo realiza el motor de la perforadora en superficie, que acciona una mesa o cabeza de rotación que, a su vez, mueve el tren de varillaje y éste finalmente transmite el giro al útil. Los útiles de corte que se emplean en rotación son las barrenas helicoidales, las coronas circulares y las cabezas tricono, según el tipo de terreno, del diámetro del talador y de la finalidad de la perforación (extracción de testigos o avance a destroza).

La perforación a rotación presenta características diferentes si se realiza en roca o en suelos. En roca el avance se produce por corte y compresión: el giro se realiza mediante sonda o rotor y la presión por barra de carga, varillaje y empuje hidráulico. En el caso de los suelos, si éstos son granulares no demasiado cohesivos, la perforación se realiza con una barrena helicoidal; en el caso de granulares muy sueltos es necesario el uso de cucharas.

En otros artículos anteriores ya hablamos de la perforación rotativa de rocas, de la perforación rotativa con triconos, de la perforación rotativa con cazo, del sondeo a rotación con barrena helicoidal, entre otros. También podéis leer algunas entrada que escribimos en su momento sobre técnicas de reconocimiento en el estudio geotécnico,  la ejecución de pilotes o de procedimientos de perforación horizontal dirigida con sistemas de perforación a rotación.

Sistemas de avance

El avance de la perforación rotativa en rocas se produce por la influencia simultánea de la presión que el útil de corte ejerce sobre el terreno y el efecto producido por el giro de dicho útil sobre la roca. Estas dos acciones se pueden provocar con diversos medios y potencia según las fuentes de energía y los sistemas de empuje y rotación empleados.

Las formas de energía motriz de uso más frecuente son la térmica y la eléctrica. La primera se suele utilizar en perforadoras pequeñas y medianas, generalmente montadas sobre camión en equipos accionados por el propio motor del camión o más frecuentemente por dos motores, el del camión más otro independiente. Para perforadoras montadas en equipos de mayor tamaño (diámetros de perforación superior a 250 mm, lo más normal es emplear energía eléctrica a media tensión, alimentando la perforadora con corriente alterna. En algunas instalaciones mineras también se emplean equipos diésel-eléctricos cuyo coste de mantenimiento es aproximadamente un 15% inferior al de los equipos diésel.

La aplicación de la potencia se realiza mediante mecanismos de transmisión mecánicos e hidráulicos. La energía se transmite a través de las barras de perforación, que giran al mismo tiempo que penetra la boca, debido a la intensidad de la fuerza de avance. Prácticamente, casi sin excepciones, esta fuerza de empuje se obtiene a partir de un motor hidráulico. En este tipo de perforación, las pérdidas de energía en las barras y la boca son despreciables, por este motivo, la velocidad de penetración no varía apenas con la longitud del barreno. Para girar las barras y conseguir el par necesario, estas máquinas tienen un sistema de rotación montado habitualmente sobre un bastidor que se desliza a lo largo del mástil de la perforadora. El barrido del detritus de la perforación se realiza con aire comprimido, para lo cual el equipo está dotado de uno o dos compresores ubicados en la sala de máquinas.

Figura 2. Perforación a rotación para estudios de terrenos

Empuje y elevación

El empuje a aplicar dependerá de la resistencia del terreno y del diámetro de la perforación (Figura 3). El mecanismo de empuje está diseñado para aplicar una fuerza del orden del 50% del peso de la máquina, alcanzando los equipos de mayor tamaño un peso de unas 120 t. Los sistemas de empuje, además de proporcionar la presión suficiente sobre el fondo de la perforación, sirven para elevar y manipular el conjunto de varillas o barras que hay que añadir o quitar durante la ejecución de la perforación. Se pueden emplear sistemas mecánicos (por cadena o cremallera) o hidráulicos. Los sistemas hidráulicos están formados por dos cilindros combinados, son más potentes y fácilmente controlables.

Figura 3. Mecanismos de empuje y elevación

El empuje transmitido al fondo del taladro debe ser suficiente para que el efecto conjunto sobre la roca genere una tensión superior a su resistencia a compresión. Pero tampoco conviene un empuje excesivo que aumente el desgaste del equipo. La velocidad de penetración aumenta proporcionalmente al empuje hasta un límite a partir del cual el útil se agarrota y los insertos se incrustan en la roca. En estas condiciones, el desgaste aumenta considerablemente junto con un mayor consumo de energía y, si la roca es dura, puede producirse la rotura de los dientes del útil (Figura 4).

Figura 4. Relación velocidad de avance-empuje

Como suele ser habitual, os dejo unos vídeos al respecto.

Referencias:

  • DIRECCIÓN GENERAL DE CARRETERAS (1998). Manual para el control y diseño de voladuras en obras de carreteras. Ministerio de Fomento, Madrid, 390 pp.
  • INSTITUTO TECNOLÓGICO GEOMINERO DE ESPAÑA (1994). Manual de perforación y voladura de rocas. Serie Tecnológica y Seguridad Minera, 2ª Edición, Madrid, 541 pp.
  • MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F.; ALCALÁ, J. (2012). Técnicas de voladuras y excavación en túneles. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 530, 165 pp.
  • UNIÓN ESPAÑOLA DE EXPLOSIVOS (1990). Manual de perforación. Rio Blast, S.A., Madrid, 206 pp.

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