Etiqueta: control del nivel freático

Contención de agua mediante pantallas de suelo-bentonita

Figura 1. Construcción de una pantalla de suelo-bentonita.  https://www.geo-solutions.com/services/slurry-walls/soil-cement-bentonite/

Las pantallas de suelo-bentonita son barreras muy utilizadas para impedir el paso del agua o para aislar un residuo o zona contaminada del agua subterránea. La construcción de estas trincheras o zanjas de lodo, que usan el suelo-bentonita como material de relleno, se empezaron a utilizar en Estados Unidos en 1945, siendo una técnica mucho más utilizada que en Europa, donde predomina la bentonita-cemento.

Durante la excavación se utiliza bentonita para contener las paredes de la excavación, aunque a veces también se utilizan aditivos. La bentonita se agrega para mantener un nivel constate de lechada cerca de la parte superior de la zanja y asegurar su estabilidad. La zanja presenta una anchura que oscila entre 0,6 y 1,5 m, anchura que se calcula para que el gradiente hidráulico no sea excesivo, normalmente entre 10 y 30. Una vez se alcanza la profundidad deseada, se introduce la mezcla final de suelo y bentonita. El peso específico de la mezcla, entre 12,6 y 13,1 kN/m3, debe ser mayor que el del lodo de la zanja, para poder desplazarla. La experiencia indica que el desplazamiento ocurrirá si el lodo tiene un peso específico 2,4 kN/m3 menor que el del material de relleno.

Si se quiere una mezcla suelo-bentonita de calidad, ésta se debe elaborar en unos tanques de homogeneización, en un estado semifluido, de forma que se tenga la suficiente fluidez para desplazar al lodo de la zanja. Las pendientes de la zanja por las que fluye la mezcla varían entre 1:5 a 1:10 (Figura 2). Estos tanques requieren de un espacio suficiente para su instalación. No obstante, también es posible realizar la mezcla de una forma más grosera con un buldócer en superficie. En este último caso, el material de relleno se prepara regando el suelo con lodo y mezclando y batiendo hasta que la mezcla sea homogénea y alcance la consistencia adecuada. Este material se empuja en la zanja donde el relleno ya colocado aparece en la superficie de la zanja; de esta forma se evita la segregación causada por la caída libre a través del lodo. Se deben tomar medidas cuidadosas en la parte superior del relleno y en la parte inferior de la zanja para asegurar que el frente del relleno no invada la excavación o para que el material excavado no se mezcle con el relleno y como consecuencia queden bolsas sin mezclar.

Figura 2. Construcción de zanja de lodo con suelo-bentonita como material de relleno. Adaptado de Cashman y Preene (2012)

Este procedimiento requiere que el terreno sea relativamente estable para evitar cortes de la pantalla. La ventaja es que se puede trabajar incluso con un nivel freático alto, si bien la bentonita debe permanecer entre 1 y 2 m por encima de dicho nivel para garantizar la estabilidad de la excavación. En casos de que el freático se encuentre más superficial, deberá realizarse una plataforma de trabajo.

Con retroexcavadoras convencionales, se podría llegar a una profundidad de 10 m, pero con brazos largos pueden llegar fácilmente a 25 m, aunque para profundidades mayores se utilizan cucharas bivalvas, hasta profundidades económicas de unos 30 m. En ocasiones también se han utilizado las dragalinas hasta los 25 m. Algo menos habitual es el uso de zanjadoras de brazo inclinado, útiles hasta unos 8 m de profundidad (Figura 3).

Figura 3. Zanjadora en la ejecución de una pantalla de suelo-bentonita. http://www.dewindonepasstrenching.com/slurry-walls-and-cement-bentonite-walls

El método de excavación no tiene tanta importancia como tener la seguridad de que la pantalla se extienda por todo el estrato permeable de forma continua. Por tanto, es importante succionar el sedimento del fondo de la zanja, especialmente si los sedimentos son arena y gravas limpias. Es una buena práctica tratar que la colocación del relleno y la excavación estén lo más cercanas posibles.

Entre las ventajas de las pantallas de suelo-bentonita cabe destacar que es la tipología de barrera más económica, pues en la mayoría de los casos se permite el uso de todo o gran parte del material excavado de la zanja; además, se trata de un procedimiento constructivo bien conocido y utilizado, con altos rendimientos. La permeabilidad de la pantalla suele ser del orden de 10-7 cm/s, pero puede bajar incluso a 5 x 10-9 cm/s. Sin embargo, hay que tener presente que el procedimiento necesita un área para la mezcla y puede generar material que debe llevarse a vertedero; además, la pantalla puede deteriorarse frente a ciclos prolongados de humedad/sequedad o de congelación/descongelación. Son barreras que solo se pueden utilizar en su configuración vertical y a veces resulta complicado conseguir la absoluta impermeabilidad. Por otra parte, la mezcla de suelo-bentonita se puede degradar por contaminantes o por la presencia de ácidos orgánicos e inorgánicos, aumentando la porosidad de la barrera. Además, las sales inorgánicas y algunos compuestos orgánicos pueden provocar la contracción de las partículas de la bentonita.

Os paso un par de vídeos para que podáis ver cómo se realiza este tipo de pantalla impermeable.

Os paso también un artículo donde se explica la construcción de una pantalla de suelo-bentonita de gran profundidad.

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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.
  • INSTITUTO GEOLÓGICO Y MINERO DE ESPAÑA (1987). Manual de ingeniería de taludes. Serie: Guías y Manuales nº 3, Ministerio de Educación y Ciencia, Madrid, 456 pp.
  • 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., 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.
  • 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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Drenaje de excavaciones mediante bombeo desde pozos filtrantes profundos

Figura 1. https://www.griffindewatering.com/construction-dewatering/deep-well-system/

Una excavación bajo nivel freático se puede realizar mediante un sistema de bombeo desde pozos filtrantes. Se trata de pozos profundos (deep wells), separados en función de su radio de acción, cada uno de los cuales tiene su propia bomba sumergible en el fondo de la perforación con salida a la superficie mediante una tubería.

La potencia y el reducido tamaño de algunas electrobombas sumergidas permite su colocación en el fondo de pozos y extraer con ellas el agua por encima de la cota de excavación, con una limitación de altura de bombeo que dependerá de la potencia del motor. Si se utilizan bombas centrífugas, hay que tener presente que la aspiración práctica suele ser de unos 5 m, por lo que si se busca una mayor depresión con estas bombas, se deberían escalonar. Sin embargo, también se pueden utilizar bombas eyectoras. De esta forma se consigue un descenso temporal del nivel freático con la consiguiente desecación del terreno. El nivel freático deprimido debe situarse entre 60 cm o, preferentemente, a 150 cm por debajo del fondo de la excavación. Se disponen pozos en el perímetro de la zona a excavar.

Figura 2. Pozos filtrantes en sótano en construcción de viviendas en Valencia. Imagen: V. Yepes (2020).

Se llaman pozos filtrantes pues disponen de una capa de material filtrante de granulometría adecuada para evitar el lavado de finos. Actualmente existen tubos comerciales de plástico ranurado que llevan incorporado en el exterior un filtro prefabricado de arena pegada con resina. Dentro del tubo dren se mete una tubería de aspiración con una válvula de cierre en su parte inferior. Cada uno de estos tubos dren se reúnen en la superficie con una tubería colectora que llega hasta la bomba de aspiración (Figura 1). De este modo, el nivel freático queda deprimido alrededor del pozo, hasta alcanzar un equilibrio entre el caudal de agua achicado por las bombas y la que se introduce en cada pozo debido a la permeabilidad del terreno (Figura 3). Normalmente se dispone de una llave de cierre en cada pozo para desconectar de la red los pozos que se consideren oportunos.

Figura 3. Agotamiento profundo del nivel freático mediante un pozo filtrante. Elaboración propia basado en Pérez Valcárcel (2004).

Por otra parte, un pozo profundo permite controlar las líneas de flujo, especialmente en terrenos arenosos y limosos susceptibles de tubificación, tal y como se observa en la Figura 4.

Figura 4. Efecto en las líneas de flujo por efecto de un pozo profundo. www.soletanche-bachy.com

La profundidad del pozo no está limitada teóricamente, pues basta dar al agua la presión necesaria para elevarla hasta la superficie. Se suele dejar un margen de perforación en material permeable por debajo del freático mínimo. Es un sistema de drenaje especialmente útil cuando se necesita un gran descenso del nivel de agua y particularmente adecuado en terrenos que aumentan su permeabilidad con la profundidad, llegando a terrenos granulares. Sirven para terrenos con alta permeabilidad y grandes rebajamientos (k > 10-5 m/s). También son útiles cuando hay que rebajar el nivel freático en terrenos con intercalaciones de gravas limpias u otros estratos muy permeables, que aportan caudales importantes.

La acción de estas bombas sumergidas a profundidades variables, entre 10 y 30 m, pudiéndose llegar a los 80 m en casos excepcionales. Con acuíferos de gran potencia bajo la cota de máxima excavación, y sin barreras impermeables al flujo horizontal, las perforaciones deberían alcanzar entre 1,5 y 2 veces la profundidad de la excavación. Hasta 25-30 m, facilita el bombeo de caudales de unos 300 l/min, en radios de acción de unos 20 m.

Existe una tendencia actual a reducir el diámetro del pozo, pues reduce su coste de ejecución. Ello nos lleva a pozos de baja capacidad (low capacity wells) que son más eficaces. En efecto, como el caudal de un pozo es proporcional al logaritmo neperiano de su radio, duplicar el diámetro del pozo solo nos lleva a incrementar un 10% el caudal.

Figura 5. Sección transversal de un pozo filtrante. Elaboración propia basado en García Valcarce et al. (1995).

La ejecución de este drenaje profundo pasa por la instalación, durante la perforación del pozo, de un tubo recubierto por una camisa provisional de acero que se retira posteriormente. Al mismo tiempo que se retira la camisa, se rellena el hueco por un filtro formado con arena y grava con la granulometría adecuada. Este tubo está ranurado a partir de una determinada profundidad y se encuentra recubierto por varios tamices (Figura 5). Por último, se bombea el agua sucia y se instala la bomba sumergible.

En definitiva, el procedimiento constructivo del sistema de pozos drenantes sería el siguiente:

 

  1. Se introduce a presión, hinca o vibración, una tubería de unos 400-600 mm de diámetro. Los tramos se unen mediante roscado a medida que avanza la perforación hasta llegar a la cota prevista.
  2. Se extrae el terreno y se vacía el interior del tubo provisional.
  3. Se introduce por el hueco un tubo filtrante de 150-300 mm de diámetro. Cerrado en su base y perforado con orificios de 1 a 2 cm hasta cierta altura; en esa altura, el tubo va envuelto en un filtro formado por una o varias mallas de latón, cobre o estaño, que impiden la colmatación de los orificios durante el bombeo.
  4. La bomba se deposita en el fondo.
  5. Se rellena el espacio entre el tubo filtrante y el tubo provisional con un material granular que facilita la entrada del agua.
  6. Se retira el tubo provisional con el mismo gato o martinete de hinca.

En la Figura 4 se presenta una sección transversal típica de un pozo filtrante, aunque pueden existir múltiples variantes. Suelen emplearse tuberías de PVC, que al menos ofrezcan una resistencia a la presión de 8 a 10 atmósferas, para evitar que la tubería colapse durante la colocación del empaque, desarrollo o bombeo del pozo. Las tuberías metálicas no suelen utilizarse por su mayor coste. Los pozos filtrantes presentan un diámetro entre 250 y 450 mm, incluso de 600 mm, dependiendo del tamaño de las bombas sumergibles, con filtros de una longitud entre 5 y 25 m.

Por razones económicas, se recomienda estandarizar las dimensiones de perforación a 250 mm (para tuberías de 140 mm) o a 300 mm (para tuberías de 225 mm), pues diámetros mayores requieren perforadoras de mayor tonelaje. Se debe comprobar que el espesor de la capa material permeable, bajo el que debe rebajarse el nivel freático, sea suficiente para garantizar la inmersión eficaz del filtro y de la bomba.

Los pozos se disponen en batería, a una distancia entre ellos que garantice que el rebajamiento del nivel freático sea suficiente para mantener la excavación seca (Figura 6). La separación típica entre ellos se sitúa entre 5 y 70 m, dependiendo del rebaje deseado, de la permeabilidad del terreno, de las fuentes de filtración y de la altura de inmersión disponible para las bombas.

Figura 6. Efecto de la separación entre pozos en la depresión del nivel freático. Elaboración propia basado en Tomlinson (1982).

En un terreno muy permeable, como son unas gravas, la depresión formada es muy plana, pudiéndose colocar los pozos más distanciados. En cambio, con arenas limosas, menos permeables, las depresiones formadas presentan curvas más pronunciadas, por lo que la separación será menor. Evidentemente, a mayor separación entre pozos, se necesitarán bombas de mayor capacidad.

Por otra parte, los pozos podrán separarse si la capa impermeable se encuentra alejada al fondo de la excavación. En caso de estar este estrato cercano al fondo de la excavación, se tendrán que acercar los pozos para que el rebajamiento funcione adecuadamente.

En cuanto a las ventajas del sistema de pozos filtrantes destacan las siguientes:

  • Es adecuado para reducir las presiones intersticiales en acuíferos confinados.
  • Se puede combinar con el uso de wellpoints.
  • Pueden quedar fuera del recinto de excavación, sin interferir en el resto de procedimientos constructivos.

Como inconveniente cabe destacar su coste elevado. Además, es importante señalar que la propia excavación del pozo y la depresión del nivel freático suelen aumentar los asientos en superficie, por lo que se debe prestar un especial cuidado ante estructuras próximas.

A continuación os dejo un vídeo explicativo sobre el drenaje con pozos profundos. Espero que os sea de interés.

Os paso un vídeo de la empresa Perforaciones Ferrer S.L. en la que se describe el sistema de control del nivel freático para la construcción del Centro Comercial Arena (Valencia).

Os dejo algún vídeo sobre la ejecución de este sistema de drenaje.

https://www.youtube.com/watch?v=EXOQgRaNFdE

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.
  • SCHULZE, W.E.; SIMMER, K. (1978). Cimentaciones. Editorial Blume, Madrid, 365 pp.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. 89 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

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Contención de aguas mediante ataguías

Figura 1. Ataguía, Montgomery Point Lock and Dam (Estados Unidos). https://en.wikipedia.org/wiki/File:Dam_Coffer.jpg

Una ataguía (cofferdam) es una estructura, generalmente provisional, destinada contener el terreno e impedir, reducir o desviar la entrada de agua en una excavación. Se trata de construir un recinto estanco y seco temporal muy empleado, por ejemplo, en la ejecución de pilas de puentes, muelles, presas, y en cualquier otro lugar donde se quiera trabajar en seco.

Son obras que reciben el empuje de las tierras, el hidrostático y las fuerzas dinámicas debidas a corrientes u oleaje, en su caso, y que deben satisfacer los requisitos de estabilidad, impermeabilidad y estanqueidad. Por tanto, resulta inútil emplear ataguías sobre terrenos muy permeables, pues de nada serviría la impermeabilidad de las paredes si por el fondo se filtran caudales imposibles de agotar. En estos casos, sería necesario un dragado previo hasta alcanzar el sustrato impermeable.

Además, si la ataguía se utiliza en obras fluviales, hay que considerar los problemas hidráulicos como la erosión del lecho de la corriente y el desbordamiento. No en balde, si la ataguía empieza a tener dimensiones importantes debe diseñarse y construirse con todas las garantías exigibles a una presa, aunque sea provisional.

El trazado de la ataguía con frecuencia termina formando un recinto cerrado, caso muy habitual en el caso de la construcción de cimientos de puentes en los ríos. Sin embargo, pueden ser construcciones no cerradas, como es el caso de derivación de un río para construir una presa. En este caso de ataguías abiertas, no tiene sentido que su altura supere un nivel superior al de las orillas, aunque sí quedar por encima de la crecida ordinaria del río. La altura debe quedar por encima de las pleamares en obras marítimas.

La construcción de estos recintos estancos es compleja, pues se debe colocar en medio del cauce de un río o en el mar, en condiciones ambientales a veces muy duras. Es por ello difícil mantener las tolerancias constructivas, desviándose las dimensiones previstas en proyecto. Además, hay que tener presente que, en caso de desmontaje, se deben considerar los esfuerzos sobre la obra construida. Es por ello que muchas veces los recintos se quedan de forma permanente, por ejemplo en el caso de la construcción del cimiento de un puente.

Figura 2. Ataguía de tablestacas para la construcción de la cimentación de un puente. https://www.flickr.com/photos/vtrans/19114472205

Una ataguía de interés es la construida para el desvío y cierre del cauce de un río para la construcción de una presa. Realmente son presas cuya vida útil es muy reducida (de 1 a 4 años, según los casos), con fugas de agua o filtraciones admitidas mayores que las presas definitivas y con materiales empleados que, dada la cortedad de su vida útil, pueden ser de menor calidad. Es frecuente también colocar una contraataguía aguas abajo de la presa para contener la lámina de agua que pudiera llegarse a formar agua abajo, a la salida del túnel de desvío; aunque podría no ser necesaria cuando la pendiente del cauce es suficiente para que el agua siga con una cota máxima de lámina inferior al nivel del cauce en el lugar de trabajo.

Sea cual sea el tipo de ataguía a utilizar, resulta muy importante realizar un cálculo del gradiente hidráulico que se forma por la líneas de filtración del agua por el material permeable. Si el gradiente hidráulico, es decir, el caudal de agua dividido por la longitud de la línea de filtración excede a la unidad, se puede producir inestabilidad y el efecto de “arenas movedizas” del sifonamiento. Estas filtraciones se deben recoger en un sumidero para ser bombeadas al exterior del recinto excavado. El bombeo previsto para agotar el agua del recinto debe ser muy superiores a los previstos, pues son frecuentes las averías de las bombas, así como entradas de agua imprevistas.

La correcta elección del tipo adecuado de ataguía depende de aspectos tales como de la profundidad del agua, profundidad y tamaño de la excavación, tipo de terreno, velocidad de la corriente de agua, existencia de mareas o de elementos flotantes, condiciones locales y los medios que puedan utilizarse en función de la importancia de la obra a proteger. Galabrú (2004) clasifica las ataguías en los siguientes tipos: ataguías de tierra, ataguías mixtas de tierra y tablestacas, ataguías de escollera y gaviones, ataguías de tablestacas metálicas (cortinas simples, recintos y células autoestables), ataguías de hormigón (gravedad o bóveda, paredes moldeadas en el suelo e inyecciones, pantallas de pilotes y cajones hincados con aire comprimido o sin él), ataguías por congelación de suelos y casos especiales (sobres suelo rocoso o en cursos de aguas con corriente intensa).

Es más, los procedimientos de construcción de cimentaciones mediante cajones indios o mediante cajones de aire comprimido podrían considerarse, en cierto modo, como ataguías, puesto que serían sistemas que permiten trabajar en seco; aunque en estos casos el medio auxiliar no es provisional, sino que queda formando parte de la cimentación, tal y como pasa en el caso de los puentes cimentados bajo el agua.

Los romanos ya empleaban las ataguías para la construcción de la cimentación de los puentes, tal y como podemos ver en este pequeño vídeo de Structuralia:

Aquí tenéis una animación de cómo se construyó el Puente de Carlos, en Praga, puente que se terminó en 1402. Fijarse bien en cómo se ejecutaba la ataguía con una doble pared de tablestacas de madera rellenas de tierra.

Os dejo algún vídeo explicativo sobre ataguías y recintos cerrados (cofferdams).

Recientemente se han utilizado ataguías que se llenan, se despliegan y se estabilizan de forma rápida, tal y como se puede observar en los siguientes vídeos:

REFERENCIAS:

  • GALABRÚ, P. (2004). Cimentaciones y túneles. Tratado de procedimientos generales de construcción. Editorial Reverte, Barcelona.
  • POWERS, J.P. (1992). Construction dewatering: New methods and applications. Ed. Wiley et al., New York.
  • PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W. (2016). Groundwater Control – Design and Practice, 2nd Edition. Construction Industry Research and Information Association, CIRIA Report C750, London.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • 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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Drenajes horizontales instalados mediante zanjadoras

Figura 1. Zanjadora instalando dren horizontal. https://www.jedipumps.com/dewatering.htm

Si se quiere rebajar el nivel freático en la excavación de un cimiento, sótano de edificio, en obras lineales de poca profundidad como líneas ferroviarias o carreteras, o en zanjas longitudinales para abastecimiento de agua potable, alcantarillado, líneas eléctricas, gaseoductos, oleoductos, etc., se puede realizar mediante la colocación de un dren horizontal (horizontal well dewatering) instalado mediante una zanjadora (dewatering trenchers) (Figura 1).

A diferencia del drenaje desde pozos filtrantes, el drenaje se instala en posición horizontal, justo debajo de la zona a drenar (Figura 2). Los drenes horizontales suelen ser muy efectivos en terrenos granulares.

Figura 2. Esquema del drenaje horizontal y del bombeo. https://www.groundwatereng.com/dewatering-techniques/horizontal-wells

La instalación de este sistema es relativamente sencilla. La zanjadora abre una zanja de unos 30 cm de ancho e instala en primer lugar un tubo sin perforar seguido de un tubo perforado, normalmente de material plástico (Figura 3). El dren se recubre de un geotextil para evitar la entrada de limos y arenas y posteriormente se rellena la zanja. En el caso de que el terreno sea de baja permeabilidad, la zanja se puede rellenar con grava filtrante en lugar del terreno original.

La longitud del dren la determina su diámetro, la naturaleza del terreno y el nivel freático. Normalmente las longitudes de drenaje son de unos 50 m, aunque pueden llegar a 100 m, y los diámetros entre 80 y 100 mm. El dren horizontal se suele instalar a unos 6-7 m de profundidad, pues a mayores distancias el coste se incremente significativamente. Tras instalar la tubería, se conecta la parte del tubo sin perforar a una bomba. Mientras se bombea agua, se puede trabajar en seco.

Figura 3. Esquema de la apertura de zanja para la instalación del dren horizontal. https://www.inter-drain.com/index.php/en/applications/horizontal-dewatering

Además de la facilidad en la instalación del drenaje, una ventaja del sistema es que la maquinaria de la obra puede circular por encima sin restricciones, al tratarse de un drenaje subterráneo. Además, se reduce hasta en un 30% el volumen necesario de agua a extraer, con la consiguiente reducción en el consumo de combustible o electricidad.

Os paso unos vídeos al respecto. Espero que os sean útiles.

REFERENCIAS:

  • 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. (2014). Maquinaria de movimiento de tierras. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 204. Valencia,  158 pp.
  • YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 326 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

 

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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 emplea como técnica de drenaje. Otro de los usos habituales de esta técnica es para combatir la humedad por capilaridad, con lo que se combaten las eflorescencias. Sin embargo, en este artículo nos centraremos en el empleo 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 torno 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 es un método de drenaje eléctrico empleado para estabilizar arcillas blandas y limos al incrementar su resistencia por la reducción de humedad. Téngase en cuenta que son terrenos que presentan problemas para aplicar las técnicas de pozos con sistema de vacío convencional. El sistema deja de ser efectivo en arenas finas con permeabilidades inferiores a 3·10-5 m/s. La diferencia con otros procedimientos es que el movimiento del agua no se produce por gravedad sino por efecto de un campo eléctrico. Con la electroósmosis se desatura el suelo, aumenta su resistencia y se consolida, 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 cátodos de un diámetro de 120 mm colocados cada 3-5 m y barras de acero o aluminio como ánodos intercalados de 100 mm de diámetro. En el cátodo se sitúa un wellpoint o un pozo drenante, que es un tubo abierto por el fondo. Los ánodos y cátodos son tubos abiertos por el fondo. Los gradientes de potencial varían entre 30 y 180 V. A mayor voltaje, más volumen de agua drenada, aunque pueden producirse fenómenos de hidrólisis, por lo que deben hacerse ensayos para establecer los parámetros energéticos más convenientes. Se necesitan de 0,5 a 1,4 kW/m3 de suelo drenado en excavaciones grandes, y hasta un máximo de unos 14 kW/m3 en las pequeñas. Este 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 (Bell, 1993)

Las desventajas de este método radican en el alto costo de la energía necesaria y en los problemas relacionados con la seguridad de los operarios al trabajar con un circuito de corriente continua. Los elevados costes de ejecución y a la poca práctica en su uso, limitan la aplicación de la electroósmosis a casos especial en los que el caudal a evacuar sea escaso. Su empleo más frecuente es la mejora permanente de las propiedades de los cimientos o en la estabilidad de los taludes. 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 (Bielza, 1999)

A continuación os dejo un vídeo que os he grabado para explicar este procedimiento de tratamiento de suelos. Espero que os guste.

Referencias:

  • BELL, F.G. (1993). Engineering treatment of soils. E & F Spon, Londres.
  • BIELZA, A. (1999). Manual de técnicas de tratamiento del terreno. Carlos López Jimeno, Madrid, 432 pp.
  • POWERS, J.P. (1992). Construction dewatering: New methods and applications. Ed. Wiley et al., New York.
  • PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W. (2016). Groundwater Control – Design and Practice, 2nd Edition. Construction Industry Research and Information Association, CIRIA Report C750, London.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp. POWERS, J.P. (1992). Construction dewatering: New methods and applications. Ed. Wiley et al., New York.
  • MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcción. Mejora de terrenos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. Ref. 2004.844. Valencia
  • 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.

CURSO:

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Descenso del nivel freático por bombeo: fórmula de Dupuit-Thiem

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

El proceso de bombeo es un fenómeno de régimen variable, que evoluciona con el tiempo, hasta llegar a estabilizarse en un régimen permanente. A efectos prácticos, las fórmulas referentes al régimen estable son útiles para estudiar el rebajamiento provisional del nivel freático. El estudio del pozo aislado se realiza planteando el problema con simetría radial. Se supone que a suficiente distancia, las líneas de corriente son horizontales y las equipotenciales son verticales, supuesto que se conoce como hipótesis de Dupuit. Según la fórmula empírica de Sichardt, se puede calcular la distancia R a la cual se supone que termina la influencia del pozo con la siguiente expresión dimensional, donde R se expresa en m, k en m/s y sw es el descenso del nivel freático en el pozo, en m :

Un análisis simplificado del fenómeno implica, tal y como indica Dupuit (Harr, 1962) 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 el régimen es permanente en un acuífero libre, siendo toda la capa de terreno 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 (fórmula de Dupuit-Thiem):

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.

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Congelación de suelos

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

Al excavar y estabilizar el suelo, aunque sea de forma provisional, una posibilidad consiste en congelar artificialmente el suelo, en especial, cuando estos 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. Este procedimiento constructivo precisa la participación de empresas especializadas. Aquí podéis descargar un documento donde se explica una aplicación práctica de la técnica.

Fundamento teórico

La estabilización temporal del terreno por congelación es una técnica empleada 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 la técnica no mejora las características del terreno. Así, se podría congelar un terreno con un grado de saturación del 20%, pero en terrenos cohesivos la congelación no llega a ser del 100%, por lo que el tratamiento deja de ser eficiente.

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

Sistemas de congelación

El procedimiento pasa por instalar 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 (con frecuencia, cloruro cálcico, aunque también se han utilizado cloruros de sodio, magnesio o litio), anhídrido carbónico (nieve carbónica), o nitrógeno líquido. Todas ellas presentan el mismo fundamento físico: la capacidad de absorción de calor de estas sustancias, al pasar de líquido a gas.

El método de instalación varía en función de si se recupera el elemento refrigerante (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 tanque el caudal se bombea a las sondas refrigerantes para ser reutilizado en un nuevo recorrido a través del circuito cerrado de congelación. La salmuera suele estar al menos a 5 °C por debajo de la mínima temperatura que debe alcanzarse, con puntos de congelación habituales entre -20 °C y -40 °C.

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

Existe la opción de utilizar un procedimiento mixto. Consiste 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 emplear 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 estudio de viabilidad decide la factibilidad de la congelación y definir qué tipo de acciones se deben adoptar si se necesitan medidas correctoras del terreno. Obviamente, se debe comenzar con el conocimiento hidrogeológico del terreno y del entorno afectado por la congelación. En este estudio, los parámetros térmicos y geotécnicos del suelo durante todo el proceso son los que presentan un mayor interés.

Es conveniente conocer el volumen y las condiciones del agua que entre en contacto con el material congelado debido al calor proporcionado y a los efectos de la velocidad de circulación. A partir de velocidades de 1,5 – 2 m/día, la congelación no es posible con nitrógeno líquido. Con esas velocidades altas se puede inyectar el terreno para mejorar la eficiencia del tratamiento. La congelación suele ser factible en suelos saturados, aunque también se podría emplear en suelos con grados muy bajos de saturación (10%).

El estudio de viabilidad decide el sistema de congelación y la mejor disposición de los tubos para adaptarse a las condiciones del terreno. Se recurre a superficies cilíndricas, de sección circular o elíptica, para que los esfuerzos generados en el material congelado sean de compresión. El análisis térmico permite seleccionar la disposición más favorable de las sondas, la potencia del equipo de congelación y el tiempo de trabajo necesario para lograr la congelación.

Las sondas termométricas permiten el control de la temperatura en el interior del suelo congelado. De esta forma se controla la evolución de la congelación durante la excavación y determinar la potencia frigorífica necesaria. Por tanto, la congelación se realiza en dos etapas, la etapa activa, que congela el terreno para formar la pantalla, y la etapa pasiva, donde se mantiene estable el espesor congelado.

La resistencia de un suelo congelado la determina la cohesión y el ángulo de rozamiento. Pero estos parámetros varían según la temperatura y el tiempo, con leyes diferentes en función de la composición del suelo y de la duración de la carga aplicada.

Ventajas y limitaciones

La congelación del terreno permite acortar plazos cuando es importante la cantidad de agua en una excavación, siendo un método aplicable a una gran variedad de suelos. Sin embargo, su ejecución precisa empresas especializadas que, junto a su coste, han limitado su uso en España. Asimismo, en el caso de gravas con un flujo de agua considerable, se requiere una inyección previa. Por último, el asiento producido tras la descongelación del terreno puede ser significativo.

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

Descargar (PDF, 2.15MB)

Os dejo a continuación un vídeo que os he preparado para explicar este procedimiento constructivo. Espero que os guste.

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. (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.

Cursos:

Curso de Procedimientos de Construcción de cimentaciones y estructuras de contención en obra civil y edificación.

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