Contención del agua mediante inyección de lechadas estables

Figura 1. Inyección de impregnación. https://www.bacsol.co.uk/solution/permeation-grouting/

Los morteros estables son suspensiones en agua que no producen sedimentación durante un periodo dilatado de tiempo cuando se inyectan en el terreno (mínima exudación) y que tampoco producen el efecto bóveda al llegar a los intersticios. Esta propiedad permite que no se vayan cerrando las fisuras y se pueda aumentar a la vez la presión. Por eso se puede inyectar a baja presión, reduciendo el caudal lo necesario. Las lechadas estables son económicas en el caso de gravas y arenas finas, pues si los granos son demasiado finos (inferiores a 1 o 2 mm), el cemento no podrá penetrar en los huecos. También resultan convenientes para el taponamiento de grandes fisuras en macizos rocosos.

La estabilidad de una mezcla de inyección, que se refiere a la propiedad de mantener los granos de cemento en suspensión, es relativa, pues la estabilidad es suficiente si mantiene estas características durante la inyección. Normalmente se determina en el laboratorio la estabilidad mediante una prueba de sedimentación o de decantación. El artículo 676 del Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para Obras de Carreteras considera que una suspensión es estable si cuando se coloca un litro en un cilindro graduado, al cabo de cuatro horas, el volumen superior de agua clara que sobre nada es inferior al 4% del volumen total.

Una mezcla con una fuerte dosificación de cemento consigue una sedimentación nula, pero es un fluido muy viscoso y no se puede inyectar (Cambefort, 1968), por lo que es necesario un estudio de laboratorio que permita conocer las proporciones adecuadas de cemento con otros componentes como la bentonita, que presenta propiedades coloidales, y aditivos, con propiedades estabilizadoras en función del peso del cemento.

Una mezcla estable se puede conseguir con una lechada de cemento activada. Se consigue de esta forma una dispersión óptima del cemento, bien por vía química con la utilización de aditivos, o bien por vía física con calentamiento y sobreagitación. Sin embargo, también se puede conseguir una suspensión estable con una mezcla de arcilla, fundamentalmente bentonita y silicato con cemento. Estas últimas lechadas, además de no sedimentar, presentan un fraguado muy lento, superior a las 24 horas.

Las suspensiones estables son, por lo general, una combinación de arcilla, cemento y arena que proporciona impermeabilidad una vez han endurecido. Tanto si la suspensión es estable o inestable, estas lechadas presentan una baja resistencia al corte por sí solas, por lo que al combinarla con las partículas del suelo se incrementa la resistencia al corte de la masa. Ello se debe a que una vez el fluido comienza a solidificarse, se generan fuerzas capilares en los granos, densificando el terreno y disminuyendo el volumen de huecos.

Es importante inyectar a baja presión en zonas a 5-10 m para evitar resurgencias y levantamientos. No obstante, como esta baja presión y la débil sedimentación no abren las fisuras, por ejemplo, en un macizo rocoso, resulta de interés inyectar un mortero inestable a alta presión después del fraguado del mortero estable. También es muy común, tras inyectar una lechada estable en gravas o arenas, inyectar una lechada inestable para rellenar los pequeños huecos que quedan de la casi despreciable sedimentación de la primera suspensión, así como un lavado a presión del macizo rocoso.

Las mezclas funcionan prácticamente a viscosidad constante, como verdaderos fluidos que se podrían bombear indefinidamente, por lo que se debe controlar la admisión de material, más que la presión. Ello se debe a que este tipo de inyecciones presentan un fraguado muy lento, no hay sedimentación de mortero ni taponamiento de huecos, por lo que el volumen de mortero estable inyectado no está limitado por los aumentos de presión tal y como ocurre con los morteros inestables. Por tanto, el sistema requiere cerrar el recinto a inyectar mediante taladros previos de contorno, avanzando el tajo de forma centrípeta.

Dentro de los morteros estables, se pueden distinguir los siguientes tipos, García Valcarce et al. (2003) distingue los siguientes tipos: bentonita-cemento, cemento-silicato, cemento-bentonita-silicato, cemento activado, suspensiones de arcilla, arcilla-cemento y arcilla-cemento-arena.

Si atendemos a los grupos más destacados de suspensiones estables, distinguimos los siguientes (Bielza, 1999):

  • Mezclas de cemento-bentonita: La bentonita constituye el principal aditivo para mejorar la estabilidad y penetración de la lechada de cemento. La bentonita es capaz de reducir la sedimentación de las partículas de mayor tamaño que componen la mezcla, y además reduce su coste aumentando el volumen de la lechada. Las lechadas de cemento y bentonita son útiles en la inyección de depósitos de gravas y arenas gruesas. Para estabilizar totalmente un cemento de inyección se precisa entre un 2 y un 5% de bentonita sódica; no debe superarse estas proporciones para no obtener productos esponjosos con baja resistencia a compresión y fraguado lento. La relación cemento/agua, en peso, varía de 1 a 2 para un 2% de bentonita, en cuyo caso la sedimentación es nula si c/a ≤ 1,4. Este rango varía de 1 a 1,7 para un 4% de bentonita, en cuyo caso la decantación es nula. La bentonita actúa como lubricante debido a su finura, lo que permite bombear suspensiones con una baja relación a/c, quedando rellenos los huecos o poros en una sola operación. Hay que tener presente que la adición de bentonita baja la resistencia e incrementa la plasticidad de la mezcla. Por otra parte, a veces se puede separar la bentonita del cemento, lo que puede ocasionar algunas fracturas rellenas solo de bentonita. Si es terreno es muy permeable, se puede añadir a la lechada silicato de sodio en 1 a 2% en relación al peso del cemento para acelerar el fraguado. Sin embargo, la dosificación debe determinarse en laboratorio.
  • Mezclas de cemento-silicato: Si se añade silicato de sodio a un mortero de cemento, se aumenta la rigidez, siendo esta mejora tanto más importante cuanto más fuerte es la dosificación del cemento. Además, si este tipo de mezcla permanece en reposo, la rigidez crece con el tiempo. Esto es muy evidente al cabo de una hora, donde existe una aceleración del fraguado del cemento debida al silicato. Estos morteros no son homogéneos, pues el silicato forma grumos. Para evitar estos grupos, sería necesario un periodo muy largo de agitación, por lo que son morteros que se utilizan poco.
  • Mezcla de cemento-bentonita-silicato: La adición de bentonita a una lecha de cemento retarda el fraguado y disminuye la resistencia mecánica, pero proporciona, como se ha visto anteriormente, un mortero homogéneo. El silicato acelera el fraguado pero produce un mortero grumoso. Por tanto, resulta interesante combinar ambos productos. La combinación da un mortero homogéneo que tiene una rigidez inicial más importante que solo con la bentonita, teniendo un comportamiento claramente tixotrópico.
  • Mortero de cemento activado: Una dosificación fuerte de cemento hace más débil la decantación, llegando incluso a una decantación nula. El problema es que este mortero no podría inyectarse. Sin embargo, con ciertos tratamientos, se obtiene la defloculación de los coloides de la suspensión y se obtienen morteros activados. Esta activación permite inyectar morteros de elevada dosis en cemento, que tengan una ligera o nula sedimentación. Además, esta activación hace el mortero menos deslavable y prácticamente no miscible en el agua.
  • Suspensiones de arcilla-cemento o inyecciones en suspensión: Es una mezcla compuesta de cemento portland, con una relación a/c entre 10 y 2,5 y lodo de arcilla. La arcilla aumenta el contenido de finos y mejora la penetrabilidad de la suspensión en el terreno, economizando cemento y mejorando la estabilidad y viscosidad de la suspensión como consecuencia de la capacidad de la arcilla para formar geles. La arcilla disminuye la sedimentación y la pérdida de agua de la suspensión. La estabilidad mejora con la calidad de la arcilla y con su proporción en la mezcla. El límite líquido y el índice de plasticidad de la arcilla deben ser inferiores a la de la bentonita (es decir, la arcilla no debe ser montmorillonita). Esta arcilla no afecta tanto a la viscosidad como la bentonita, por lo que se puede añadir a la mezcla en una mayor proporción. Además de la arcilla, se puede agregar arena, serrín, polivinilo, celofán o poliéster para mejorar sus propiedades. Las lechadas de arcilla-cemento son las más adecuadas para la impermeabilización, además de utilizarse en rocas fisuradas, incluso siendo muy porosas o presentando grandes cavidades. También se usan en suelos de una permeabilidad superior a 10-3 m/s, como es el caso de terrenos aluviales gruesos, siendo adecuados como pretratamiento. En estos casos la merma de fluidez que aporta las gruesas partículas de cemento no es tan trascendente, pues se utilizan en terrenos suficientemente permeables.
  • Mezclas de cemento especial (microcemento): Se utiliza el polvo de cemento microfino con una finura alrededor de 1,7 veces menor que la del cemento portland ordinario. Ello provoca una mayor superficie específica que mejora las propiedades físicas y reológicas, como la viscosidad y su evolución con el tiempo, el rendimiento, la resistencia a corte y la capacidad de penetración al emplear el microcemento con un agente dispersante. Es necesario en este tipo de mezclas un agente dispersante para que las partículas y los flóculos se mantengan entre 1 y 20 μm. Son mezclas muy útiles en la inyección de todo tipo de cimentaciones, especialmente en túneles y presas, pero son de muy elevado coste, comparable con el de las mezclas químicas. Las lechadas de microcemento pueden penetrar en arenas medias, pudiendo resistir umbrales de gradiente hidráulico superiores a 260. A diferencia de las mezclas químicas, con una capacidad de penetración similar, proporciona al medio una mayor resistencia adherente.
  • Suspensiones de arcilla: La penetrabilidad de las suspensiones de arcilla es función de su proceso de defloculación, que está regida por los coloides. Las consecuencias de la floculación es que las suspensiones presentan un tamaño demasiado grande, aumenta la viscosidad y por tanto disminuye la penetrabilidad. La arcilla que se inyecta debe presentar un límite líquido superior a 60. En caso contrario, se deben añadir coloides.
  • Suspensiones de arcilla-cemento-arena: La adición de arena a un mortero de cemento estable da un mortero inyectable. A más dosificación de arena, más fácil es que permanezcan en suspensión los granos más gruesos.

En la actualidad, las inyecciones de cemento con bentonita en cimiento de presas se está reemplazando por un sistema, ideado por Lombardi y Deere en 1993, denominado método GIN (Ground Intensity Number). Las características básicas de este sistema es que las lechadas de inyección no pueden llevar bentonita que evita la decantación, sino superfluidificantes que bajen la viscosidad, bajen la cohesión y asimilen la lecha a un fluido de Bingham. De esta forma se tiene una única mezcla de lechada para todo el proceso de inyección. Por otra parte, para reducir el riesgo de hidrofracturación, además de limitar la presión y el volumen inyectado, el intervalo de inyección se restringe por la hipérbola P·V=cte. La idea es que la finalización de la inyección basada en alcanzar una presión de cierre o un volumen de cierre estaba muy del lado de la seguridad. Este método se puede aplicar tanto a la inyección por tramos descendente, como ascendente, así como mediante el uso del tubo-manguito. El método GIN no solo es una forma de definir y seleccionar el valor de la intensidad de las inyecciones, sino que se considera como una práctica referida a la inyección de masas rocosas fisuradas para mejorar su resistencia y reducir su deformabilidad y permeabilidad.

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.
  • CAMBEFORT, H. (1968). Inyección de suelos. Omega, Barcelona.
  • 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. 2004.844. Valencia.
  • YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 338 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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Pilotes inyectados

Ejemplo de pilote con fuste inyectado. Fuente: UNE-EN 1536

Existe una variedad de pilotes en los que se inyecta mortero o microhormigón sobre pilotes hincados o perforados. Normalmente la lechada contiene aditivos, con una relación agua/cemento entre 0,4 y 0,55. Entre pilotes, podemos distinguir los siguientes:

  • Pilotes “prepacked”: Se rellena la perforación con un árido de tamaño máximo de 25 mm y una granulometría que permita la entrada de una inyección de lechada. La inyección con tubos que suelen llegar al fondo del pilote. Conforme avanza la inyección, se retiran los tubos, pero permaneciendo sumergidos en la lechada para asegurar su distribución uniforme.
  • Inyección de base o de fuste: En los pilotes ejecutados en obra se pueden dejar alojados tubos permanentes, fijados a las armaduras, para inyectar la lechada con el hormigón endurecido. Se puede inyectar tanto en el fuste (Figura 134) como en la base.
  • Inyección de pilotes de desplazamiento: Se dispone de un azuche de diámetro suficiente para dejar un espacio alrededor del pilote que permita la inyección.

Referencias:

AENOR (2016). UNE-EN 156:2011+A1. Ejecución de trabajos geotécnicos especiales. Pilotes perforados.

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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