Electroósmosis como técnica de drenaje del terreno

Figura 1. Proceso de electroósmosis (Terrancorp.com, 2014)

Muchos problemas de ingeniería tienen que ver con la estabilidad de los terrenos. Para solucionar estos problemas se utilizan distintos métodos que permiten aumentar la resistencia del mismo mediante tratamientos de tipo granular, químico o térmico. Una forma de estabilizar los suelos finos saturados o parcialmente saturados es la electroósmosis, que no solo permite mejorarlos, sino también se utiliza con técnica de drenaje. Otro de los usos habituales de este técnica es para combatir la humedad por capilaridad, con lo que se combaten las eflorescencias. Sin embargo, en este artículo nos centraremos en el uso de la electroósmosis como técnica de mejora del terreno y como técnica de drenaje del nivel freático.

La electroósmosis es un fenómeno basado en la precipitación eléctrica de sustancias coloidales en suspensión, observado por el físico Reuss (1808) quien introdujo dos tubos verticales abiertos en sus extremos dentro de un bloque de arcilla húmeda llenándolos de agua hasta la mitad de su altura. Después de situar un par de electrodos en su interior, hizo pasar por ellos una corriente eléctrica comprobando que el nivel de agua subía en uno de los tubos mientras descendía en el otro. Esto demostraba la existencia de un flujo de agua de un tubo al otro a través de la arcilla.

Más tarde Casagrande (1.952) llevó a la práctica el sistema aplicándolo para consolidar un suelo arcilloso en la excavación de un talud. Para ello colocó como cátodos, dos series de tubos porosos de 10 cm de diámetro y 7 m de profundidad en tomo a los cuales situó un relleno de gravilla para facilitar la entrada del agua. Entre cada dos cátodos separados 9 m se intercalaron como ánodos, tubos de 12 mm de diámetro. El paso de una corriente de 90 voltios y una potencia de 1,5 kw provocó la acumulación del agua en los tubos porosos (cátodos) de los cuales se pudo extraer fácilmente por bombeo.

La electroósmosis constituye una técnica de drenaje del terreno que se emplea específicamente para la estabilización de arcillas blandas y limos, incrementando de este modo su resistencia por la reducción de su contenido de humedad, al ser terrenos que presentan problemas para aplicar las técnicas de pozos con sistema de vacío convencional. Este sistema de drenaje difiere de otros procedimientos en que el movimiento del agua no se produce por efecto de la gravedad sino por el efecto de un campo eléctrico. Con el proceso de electroósmosis se genera desaturación en el suelo, se aumenta la resistencia y se consolida el suelo, como un efecto principal, y en consecuencia, se mejoran las condiciones del terreno con su estabilización.

El agua fluye de los ánodos (+) a los cátodos (-) en un medio poroso saturado (Figuras 2 y 3). Dan buenos resultados colocando cátodos de f 12 cm cada 3.5-5 m y ánodos intercalados de f 10 cm. En el cátodo se coloca: well-point o pozo eyector. Los ánodos y cátodos son tubos abiertos por el fondo. Los gradientes de potencial varían entre 30 y 180 V. A mayor voltaje, mayor el volumen de agua drenada. Este proceso de movimiento del agua genera consolidación, con un aumento temporal de las tensiones efectivas.

La conductividad eléctrica del agua depende de su salinidad y ello influye en la eficiencia de la corriente y el voltaje aplicado. En un suelo con mayor salinidad, el volumen de agua drenada con la electroósmosis es mayor y la consolidación es más eficiente y rápida.

Figura 2. Disposición del equipo para el drenaje

 

Figura 3. Disposición del equipo para el drenaje

 

Las desventajas de este método radican en el alto costo de la energía necesaria y en los problemas que pueden derivarse en relación a la seguridad y salud por el hecho de trabajar con un circuito de corriente continua. Este tipo de tratamiento, debido a los elevados costes de ejecución y a la poca práctica en su uso, puede presentarse como alternativa en casos especiales siempre que el caudal a evacuar sea escaso. En la Figura 4 se muestra el principio de la electroósmosis empleado en el drenaje previo a la excavación de un túnel.

Figura 4. Tratamiento por electroósmosis previo a la excavación de un túnel

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.

Abatimiento del nivel freático en excavaciones

Figura 1. Agua en excavación. http://www.saboredo.com/el-agua-en-la-obra-civil/

Cuando se quiere construir bajo el nivel freático, es necesario desecar el subsuelo antes de realizar la excavación para permitir que los trabajos se efectúan en condiciones relativamente secas (Figura 1). La ausencia de agua (sin llegar a un estado completamente seco) en la excavación estabiliza el fondo y los taludes, reduce las cargas laterales en los taludes, hace que el material de excavación sea más ligero y fácil de manejar y evita un fondo movedizo y lodoso, muy inconveniente para las actividades posteriores.

Para conservar una excavación libre de agua, en casi todos los tipos de suelos, el nivel freático se debe mantener a una profundidad, por lo menos de 60 cm o, preferentemente, a 150 cm por debajo del fondo de la excavación.

Aunque son los contratistas especializados en este tipo de trabajos los que determinan con mayor detalle las necesidades y los posibles rendimientos de la operación, siempre es necesario un análisis simplificado que definir “a priori” qué equipos serían necesarios y la viabilidad de la operación.

En la Figura 2 se muestra un esquema simplificado de la operación del abatimiento del nivel freático. En él se puede ver cómo varía la depresión en el nivel freático con la distancia al punto de bombeo. Se pueden utilizar pozos de observación o piezómetros a ciertas distancias (como r1 y r2) para controlar la depresión realizada.

Figura 2. Esquema del abatimiento del nivel freático mediante un pozo

Un análisis simplificado del fenómeno implica, tal y como indica Dupuit (Harr, 1062) asumir que (a) para una pequeña inclinación de la línea de filtración, las líneas de flujo son horizontales y (b), que el gradiente hidráulico es igual a la inclinación de la superficie libre y es independiente de la profundidad.

La ecuación que rige el caudal en este caso es la siguiente:

En este caso, se asume que toda la capa de terreno es homogénea con un coeficiente de permeabilidad hidráulica “k”.

Si se cumple que “q” es constante a lo largo del flujo, la ecuación anterior se puede integrar entre las distancias r1 y r2, obteniéndose la siguiente expresión:

Por tanto, una vez se ha determinado la extensión de la excavación, usando los parámetros r1, r2, h1 y h2, se puede utilizar la expresión anterior para determinar la capacidad requerida por la bomba. Asimismo, se podría utilizar la expresión anterior para determinar el coeficiente medio de permeabilidad del terreno sabiendo el caudal bombeado.

Es evidente que, en un caso real, existen muchas capas de terreno, con diferentes propiedades, por lo que la ecuación anterior debe particularizarse. Remitimos al lector al trabajo de Cedergreen (1989) para situaciones diferentes a las descritas. También podéis ver algunos problemas resueltos que pusimos en su momento en una entrada anterior.

Referencias

Cedergreen, H.R., 1989, Seepage, Drainage and Flow Nets, John Wiley, New York.

Harr, M., 1962, Groundwater and Seepage, McGraw-Hill, New York.

Licencia de Creative Commons
Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Congelación de suelos

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.

 

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.

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.

Como sustancias refrigerantes pueden emplearse salmueras (frecuentemente de cloruro cálcico), anhídrido carbónico, 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 pié 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.

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.

 

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)

Os dejo un vídeo de este procedimiento constructivo.

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

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.

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.

Licencia de Creative Commons
Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.