Procedimientos para la contención del agua

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.

Se trata de métodos basados en barreras o pantallas (ground water cutoff structures) tales como ataguías, tablestacas, muros pantalla (Figura 1), pantallas de pilotes secantes, pantallas de lodo, jet-grouting, barreras de inyección, pantallas pláticas, pantallas de suelo estabilizado in situ, o congelación del terreno.

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.

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REFERENCIAS:

  • 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.
  • 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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Congelación de suelos

Figura 1. http://www.tectonica-online.com/productos/2683/artificial_congelacion/#

A la hora de realizar una excavación y conseguir estabilizar el suelo, aunque sea de forma provisional, una posibilidad consiste en congelar el suelo, especialmente cuando éstos son blandos y están saturados. Ello permite disponer de una pared provisional que impide el desmoronamiento del terreno.

El estudio de la congelación artificial del suelo precisa conocimientos en relación con las técnicas de congelación existentes, así como de las propiedades térmicas y geotécnicas del terreno. Como es fácil de entender, este procedimiento constructivo requiere la presencia de empresas altamente especializadas. Aquí podéis descargar un documento donde se explica una aplicación práctica de la técnica.

Fundamento teórico

La congelación del terreno con el fin de conseguir su estabilización temporal es una técnica antigua empleada ya en minería desde mediados del siglo pasado. Se basa en la transformación del agua intersticial en hielo, que en ese estado actúa como elemento aglutinante de las partículas que componen el suelo.

Se consiguen así dos efectos, por una parte un aumento de la resistencia del terreno y por otra una completa impermeabilidad que facilita durante un tiempo las condiciones de excavación. Pero al mismo tiempo, también se alteran otras condiciones geotécnicas que pueden afectar a estructuras contiguas a la obra, que en el proyecto previo han de ser estudiadas cuidadosamente.

Figura 2. Sistema de congelación de terrenos

Aplicabilidad

La congelación es adecuada en una gran variedad de suelos, incluso en casos donde las inyecciones y otros métodos no pueden ser utilizados. El requisito que plantea es la necesidad de que los suelos estén saturados de agua, ya que de lo contrario el método no mejora las características del terreno.

Figura 3. http://teoriadeconstruccion.files.wordpress.com

Sistemas de congelación

El procedimiento general se aplica instalando en torno al bloque de suelo que se quiera estabilizar, un conjunto de tubos o sondas de congelación por las que habrá de circular la sustancia refrigerante, con la disposición y separación entre sondas que aconsejen las condiciones de obra (profundidad de excavación, planta, etc.) y el terreno.

Figura 4. Esquema de congelación del terreno

Como sustancias refrigerantes pueden emplearse salmueras (frecuentemente de cloruro cálcico), anhídrido carbónico (nieve carbónica), o nitrógeno líquido, todas ellas con el mismo fundamento físico: la capacidad de absorción de calor de estas sustancias, al pasar de líquido a gas.

La instalación es diferente, según el elemento refrigerante sea recuperado (circuito cerrado) o no (circuito abierto). En el primer caso, ha de establecerse un circuito cerrado como el que se muestra en la figura. El fluido en forma líquida, pasa por los tubos refrigerantes y al evaporarse a través de ellos absorbe calorías del terreno. Conseguido este efecto, la sustancia en forma de gas se hace pasar por un compresor que en combinación con un sistema refrigerador lo licua a baja temperatura, y después es conducida a un depósito, en el que es almacenada en forma líquida a alta presión. Desde este depósito el caudal será bombeado de nuevo a las sondas refrigerantes para ser reutilizado en un nuevo recorrido a través del circuito cerrado de congelación.

Cuando la congelación se aplica sin recuperar la sustancia refrigerante, ésta (normalmente nitrógeno líquido), es transportada a pie de obra en camiones cisterna y desde ellos es bombeada a baja temperatura (» -196 ºC), directamente hacia las sondas o tubos congeladores de la instalación: el fluido, después de pasar a través de las sondas, ya evaporado es dirigido hasta el final del circuito, en este caso abierto, del cual sale a la atmósfera en forma de gas a unos -60 ºC de temperatura.

Figura 5. Congelación artificial del suelo usando nitrógeno líquido. Adaptado de Cashman y Preene (2012)

Este sistema resulta más caro que el anterior por no recuperarse la sustancia refrigerante, pero los efectos de congelación que se consiguen en la práctica son más rápidos.

Figura 6. Esquema de congelación del suelo con nitrógeno líquido. http://www.gasesforlife.de/

Existe la opción de utilizar un procedimiento mixto, consistente en combinar la capacidad frigorífica del nitrógeno líquido, para efectuar la congelación del terreno de forma rápida, y la economía de la salmuera, para el mantenimiento durante los trabajos de excavación y ejecución de la estructura. Para ello, los circuitos de sondas deben estar separados de forma que se puedan utilizar ambos procedimientos.

Condiciones de ejecución

La elección del procedimiento y medios de congelación más efectivos, requiere el estudio del terreno y de la obra en tres etapas:

  • Estudio de viabilidad
  • Elección del sistema
  • Ejecución y control

El objeto del estudio de viabilidad es decidir en primer término si la congelación es factible, con o sin medidas correctoras del terreno y en el primer caso definir qué tipo de medidas deben adaptarse.

Como es lógico, es esencial partir de un buen conocimiento hidrogeológico del terreno y de todo el entorno al que pueda afectar el proceso de congelación. En este estudio tienen especial interés los parámetros térmicos del suelo, y los geotécnicos antes y después de la congelación, y en las situaciones intermedias.

Es importante conocer el volumen y las condiciones del agua que pueda estar en contacto con la masa congelada, por la aportación de calor que puede proporcionar y por los efectos producidos por la velocidad de circulación: a partir de velocidades de 1,5 – 2 m/día si no es con nitrógeno líquido la congelación no es factible; con velocidades mayores los tratamientos previos de inyección por su eficacia y por su escasa incidencia económica, pueden ser un buen medio corrector. En general los procesos de congelación son más viables en suelos saturados pero también son aplicables en suelos con grados muy bajos (10 %) de saturación.

Con las conclusiones del estudio de viabilidad debe decidirse el sistema de congelación y la forma y disposición de los tubos que mejor se adapten a las condiciones del terreno y del espacio disponible. Si la obra lo permite, se suele recurrir a superficies cilíndricas (circulares o elípticas) para que los esfuerzos que se produzcan sobre el bloque congelado sean principalmente de compresión.

El análisis térmico previo del bloque a congelar es esencial para decidir:

  • la disposición más favorable de las sondas
  • la potencia del equipo de congelación y
  • el tiempo de funcionamiento que es necesario para conseguir la temperatura de congelación prevista.

En este tratamiento es muy importante el control de temperaturas en el interior del suelo congelado mediante la disposición de sondas termométricas. Así, puede controlarse cómo progresa la formación del muro, además de vigilar su evolución durante la fase de excavación, establecer los periodos de mantenimiento y fijar la potencia frigorífica necesaria en función de la respuesta térmica del suelo y la transmisión de calor a través del paramento excavado.

La resistencia de un suelo congelado está definida como en cualquier otro, por la cohesión y el ángulo de rozamiento. Pero estos parámetros en este caso, varían en función de la temperatura y del tiempo con leyes diferentes no sólo en función de la composición del suelo sino también de la duración de la carga aplicada.

Ventajas y limitaciones

Las ventajas del tratamiento de congelación del terreno radica en la posibilidad de ahorro de tiempo y de coste frente a problemas de presencia importante de agua en excavaciones bajo el nivel freático, además de en la amplia variedad de suelos donde puede aplicarse. Como limitaciones destacan la alta especialización que precisa su aplicación y su elevado coste, por lo que no es muy utilizado en España.

También hay que apuntar como inconvenientes que, en el caso de gravas, con cierta velocidad del agua subálvea, la congelación se hace complicada y necesitaría alguna inyección complementaria. Tampoco es despreciable el asiento producido tras la descongelación del suelo.

Os dejo aquí un caso real en Varsovia de aplicación de la congelación del terreno.

Descargar (PDF, 2.15MB)

En el siguiente vídeo se muestra un proyecto de congelación, para la posterior construcción de un túnel.

Referencias:

  • CASHMAN, P.M.; PREENE, M. (2012). Groundwater Lowering in Construction: A Practical Guide to Dewatering, 2nd edition. CRC Press, Boca Raton, 645 pp.
  • 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.
  • MUZÁS, F. (1980). El frío, la helada, congelación de terrenos. Capítulo 16 de Geotecnia y Cimientos III, de J.A. Jiménez Salas, Ed. Rueda.
  • MUZÁS, F. (1980).  Congelación artificial del terreno. IV Curso sobre Técnicas de Mejora del Terreno. Valencia, 16 de octubre. (link)
  • 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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Técnicas constructivas: Estructuras de contención y mejora de suelos

Hemos considerado interesante presentar un curso sobre “Técnicas Constructivas de la Ingeniería Civil para Profesionales de la Edificación: Estructuras de contención y procedimientos de construcción en mejora de suelos” porque pensamos que la transferencia de conocimiento y experiencia del campo de la ingeniería civil a otros profesionales centrados en la edificación puede mejorar sus competencias en la construcción de obras en general.

El link al curso de la Universidad Politécnica de Valencia es el siguiente enlace.

Os paso el contenido del curso, por si os pudiera servir de interés:

Descargar (PDF, 8KB)