Figura 1. Inyección de suelos. https://www.keller.com.es/experiencia/tecnicas/inyeccion-de-macizos-rocosos-suelos
En artículos anteriores se habló de los materiales empleados en la inyección de terrenos y de las técnicas de inyección del terreno. Como decíamos, esta técnica consiste en introducir en el medio una mezcla fluida que reacciona con las partículas de suelo mediante una reacción hidráulica o química. De esta forma se conforma una masa de mayor resistencia mecánica y permeabilidad, así como menor deformabilidad, pues se consigue aumentar la compacidad, disminuyendo el índice de huecos. En este artículo nos centraremos en los tipos de lechadas y la aplicabilidad de los materiales empleados en la inyección del terreno.
Se pueden distinguir tres tipos de lechadas:
Suspensiones inestables: Normalmente son mezclas de cemento diluido con agua en exceso en proporciones variables, no homogéneas, que sedimentan cuando cesa la agitación. Se emplean en rocas o materiales granulares gruesos.
Suspensiones estables: Se obtienen por disolución de arcilla y cemento en agua. Con la dosificación adecuada, con una fuerte agitación y con aditivos estabilizadores, se consigue que no se produzca la sedimentación durante la inyección.
Líquidos o disoluciones: No contienen partículas sólidas en suspensión, encontrándose en solución o en emulsión los componentes químicos en el agua. Están constituidos por productos químicos como silicatos, resinas orgánicas y productos hidrocarbonados puros. Mantienen constante su viscosidad, hasta el momento de la solidificación.
El sistema de inyección utilizado en cada caso depende de numerosos parámetros como la granulometría, la porosidad, la porosidad, la permeabilidad y las condiciones del agua subterránea, especialmente su composición química y velocidad de circulación. Además, existen numerosos productos en el mercado que se pueden adecuar en mayor o menor medida a las características específicas del terreno, por lo que suele ser habitual consultar a empresas especializadas.
En la Figura 2 se puede ver la aplicabilidad de distintos tipos de inyecciones atendiendo al tamaño de las partículas del suelo a inyectar. Se aprecia que el jet grouting se aplica, en general, a todo tipo de tamaño de partículas, excluyendo los bolos.
Figura 2. Aplicabilidad de distintos materiales de inyección según el tamaño de partículas del suelo (Kutzner, 1996)
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.
KUTZNER, C. (1996). Grouting of rock and soil. A.A. Balkema, Rotterdam.
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.
Figura 1. Tipos principales de inyección del terreno
En un artículo anterior se habló de los materiales empleados en la inyección de terrenos. Como decíamos, esta técnica consiste en introducir en el medio una mezcla fluida que reacciona con las partículas de suelo mediante una reacción hidráulica o química. De esta forma se conforma una masa de mayor resistencia mecánica y permeabilidad, así como menor deformabilidad, pues se consigue aumentar la compacidad, disminuyendo el índice de huecos. En este artículo nos centraremos en las técnicas de inyección del terreno.
Todo proceso de inyección presenta dos facetas características (Sanz, 1981):
Introducción y distribución en el medio de la mezcla de inyección. Para que ello sea posible debe adecuarse, de acuerdo con la morfología de los huecos del terreno, de una red de perforación auxiliar y de unas presiones de inyección adecuadas.
Transformación de la mezcla, que endurece según un proceso químico que puede ser desde el fraguado en el caso del cemento, a la transformación sol-gel, en el caso de inyecciones químicas.
Las técnicas de inyección se pueden dividir en los siguientes grupos (Figura 1):
Rellenos de huecos y fisuras: Se inyecta lechada en las fracturas, diaclasas o discontinuidades de las rocas; o se rellenan los huecos con una lechada con un alto contenido de partículas. En este caso, el producto se introduce básicamente por gravedad hasta colmatar los huecos. Con grandes huecos, conviene introducir en las lechadas áridos o productos de alto rendimiento volumétrico.
Inyecciones de impregnación: No existe rotura del terreno. Se emplean mezclas muy penetrantes, cuyo objetivo principal es disminuir la permeabilidad del terreno rellenando poros y fisuras. Se sustituye el agua o el gas intersticial con una lechada inyectada a baja presión para no producir desplazamientos de terreno.
Inyecciones de compactación o de desplazamiento: Se introducen morteros de alta fricción interna que comprimen el terreno flojo y lo desplaza lateralmente de forma controlada, sin que el material inyectado se mezcle con él.
Inyecciones de fracturación hidráulica o por tubos manquito: Se fractura el terreno mediante la inyección de la lechada a una presión que supere su resistencia a tracción y su presión de confinamiento. La lechada no penetra en los poros, sino que se introduce en las fisuras creadas por la presión utilizada, formándose lentejones que recomprimen el terreno. Esta técnica también se llama hidrofracturación, hidrofisuración, “hidrojacking” o “claquage”. Son útiles en inyecciones de consolidación, de compensación de asientos, e inyecciones armadas. Para ello se suelen realizar con tubos manguito.
Inyección de alta presión: Se excava y mezcla el terreno con un chorro de lechada a alta velocidad (jet-grouting).
Las propiedades más importantes de las mezclas de inyección son las siguientes (Muzas, 2007):
Estabilidad y posibilidad de segregación: una velocidad pequeña del fluido puede sedimentar la mezcla y paralizar la inyección.
Viscosidad del producto: determina la presión y la velocidad de inyección.
Propiedades reológicas: comportamiento de la lechada a lo largo del tiempo.
Tiempo de fraguado: limita el plazo de utilización del producto en la inyección.
Volumen del producto fraguado: en las mezclas con agua, puede haber decantación o pérdida de agua al terreno contiguo, con disminución del volumen final.
Resistencia del producto fraguado.
Durabilidad: permanencia del producto fraguado a largo plazo.
En cuanto a los parámetros de la inyección, los más importantes son la velocidad de la inyección, el volumen de inyección, y la presión de inyección. La presión está muy relacionada con el tipo de terreno y con la viscosidad del producto, aconsejándose un valor límite.
Figura 2. Esquemas de algunas técnicas de inyecciones (ROM 5.05)
He preparado un pequeño vídeo donde os explico brevemente estas técnicas de inyección de terrenos.
Os dejo un vídeo donde vemos la instalación de tubos-manguito para trabajos de inyección de compensación.
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.
KUTZNER, C. (1996). Grouting of rock and soil. A.A. Balkema, Rotterdam.
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.
Figura 1. Proceso de colmatación de los huecos mediante inyección del terreno
La presencia de suelos con permeabilidad muy alta o macizos rocosos muy fracturados pueden hacer que los bombeos sean excesivamente costosos y se precisen otro tipo de técnicas para controlar el nivel freático. Una forma de cambiar la permeabilidad de un terreno, y por tanto, contener mediante barrera el agua subterránea, es mediante la inyección del terreno. La técnica, muy utilizada también como mejora del terreno, consiste en introducir en el medio una mezcla fluida que reacciona con las partículas de suelo mediante una reacción hidráulica o química. De esta forma se conforma una masa de mayor resistencia mecánica y permeabilidad, así como menor deformabilidad, pues se consigue aumentar la compacidad, disminuyendo el índice de huecos (Figura 1).
El tratamiento del terreno con inyecciones depende tanto de las peculiaridades del medio a tratar como de las características del producto de inyección, así como de la forma en la que este producto se introduce en el medio.
Este procedimiento constructivo se inició en Francia, siendo su inventor Charles Bérigny en 1802, quien inyectó morteros de cemento, alguna vez asociados con puzolanas. Si bien al principio solo se pretendían rellenar huecos colocando el mortero líquido por gravedad, poco a poco se perfeccionaron las inyecciones, a partir de 1920-1930, donde la construcción de ferrocarriles abrió paso a las grandes obras hidráulicas.
Las aplicaciones más frecuentes de la inyección del terreno son los tratamientos de las cimentaciones de presas, el refuerzo de cimentaciones o recalce de edificios, así como la construcción de túneles. Sin embargo, hay que ser prudentes con estos procedimientos, pues la inyección de grandes volúmenes de material en el terreno puede causar desplazamientos. Además, el material inyectado tiende a moverse a través de las capas más permeables o a través de grietas débiles, surgiendo a menudo a distancias considerables del punto de inyección.
En el caso de las inyecciones de impermeabilización, el objetivo fundamental es reducir la permeabilidad del terreno. Son tratamientos muy habituales en presas, en túneles y en excavaciones en general, cuando se realizan trabajos bajo nivel freático. Se emplean como mezclas de inyección lechadas y productos químicos como los geles de silicato, aunque también es posible realizar inyecciones de colmatación de huecos mediante arenas sin cemento con objeto de disminuir la permeabilidad, permitiendo el drenaje. A medida que la permeabilidad del medio disminuye, se deben emplear fluidos de menor viscosidad para conseguir la suficiente penetración en el terreno.
Al fluido inyectado se le conoce como mortero de inyección, los cuales pueden ser conglomerados hidráulicos, materiales arcillosos, arenas y filleres, agua y productos químicos. El componente más habitual en las inyecciones es el cemento, el cual puede ir acompañado por distintos productos. Los materiales utilizados en la inyección son los siguientes:
Conglomerantes hidráulicos: Incluyen los cementos y productos similares empleados en suspensión cuando se preparan las lechadas. La granulometría del conglomerante hidráulico de la lechada es un factor importante, pues guarda relación con las dimensiones de los huecos o fisuras o huecos existentes.
Materiales arcillosos: Las arcillas naturales, de tipo bentonítico, activadas o modificadas, se utilizan en las lechadas elaboradas con cemento, pues reducen la sedimentación y varían la viscosidad y la cohesión de la lechada, mejorando la bombeabilidad.
Arena y filleres: Se adicionan a las lechadas de cemento y a las suspensiones de arcilla para variar su consistencia, mejorando de esta forma su comportamiento frente a la acción del agua, su resistencia mecánica y su deformabilidad. Generalmente se utilizan arenas naturales o gravas, filleres calcáreos o silíceos, puzolanas y cenizas volantes, exentos de elementos perjudiciales.
Agua
Productos químicos: Se utilizan silicatos y sus reactivos, resinas acrílicas y epoxi, materiales procedentes de lignina y poliuretanos, siempre que cumplan la legislación ambiental vigente. Los aditivos son productos orgánicos e inorgánicos que se añaden, en general en cantidades reducidas, a la lechada para modificar sus propiedades y controlar la viscosidad, el tiempo de fraguado y la estabilidad, durante la inyección, además de la resistencia, cohesión y permeabilidad una vez colocada la lechada. Como aditivos se utilizan, entre otros, superplastificantes, productos para retener agua y productos para arrastrar aire.
En la Tabla 1 se relacionan los distintos tipos de productos:
Os paso a continuación un vídeo explicativo de los materiales empleados en la inyección de terrenos.
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.
KUTZNER, C. (1996). Grouting of rock and soil. A.A. Balkema, Rotterdam.
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.
SANZ, J.M. (1981). Procedimientos generales de construcción. Sondeos y perforaciones, inyecciones, pilotes, pantallas continuas. E.T.S. Ingenieros de Caminos, Madrid.
Figura 1. Inyección en presa Los Caracoles, San Juan (Argentina). www.fundacionesespeciales.com
La inyección de morteros líquidos se les conoce también por inyecciones químicas. Las lechadas químicas, también llamadas mezclas químicas, son soluciones puras sin partículas en suspensión, salvo que se añadan con alguna finalidad específica. Se caracterizan por su baja viscosidad, cercana al agua, por lo que penetran en los huecos por donde el agua puede filtrarse. Normalmente penetran en arenas finas, limos arenosos y fisuras de hasta 0,01 mm de apertura. La mezcla gelifica al cabo de cierto tiempo al cambiar bruscamente la viscosidad. Su mayor inconveniente es su alto precio, por lo que suelen utilizarse en casos específicos o combinados con otras técnicas, donde antes se ha inyectado con cemento.
Las mezclas líquidas se caracterizan por su viscosidad, que determina su penetrabilidad, por el tiempo que transcurre desde la fabricación de la mezcla hasta el comienzo de su gelificación y por las características del gel final como aglomerante del medio que recibe la inyección (Figura 2). Estas características se ven afectadas por las proporciones de la mezcla, incluida el agua y también de la temperatura, que modifica el tiempo de gelificación.
Figura 2. Cambio de viscosidad de algunas mezclas químicas (Sanz, 2000)
Las inyecciones químicas se componen de una base de inyección, un reactivo y un catalizador. Así, en el método de Joosten, una solución de silicato de sodio reacciona con una solución alcalina de cloruro cálcico para formar un concentrado de sílice, el llamado gel de sílice. Sin embargo, aparte de los geles de sílice, se pueden clasificar las mezclas químicas en otros tipos de genes y en resinas y espumas.
Se utilizan dos procesos de aplicación de las lechadas químicas. Las de doble acción (two-shot) consiste en inyectar el silicato sódico concentrado y luego una solución de cloruro cálcico que se inyecta a presión elevada que actúa como gelificante. Este procedimiento supone el coste de dos inyecciones y de los sondeos correspondientes. Para evitar esto, se utiliza el proceso de acción simple (one-shot) supone una única inyección de todos los productos, que se mezclan antes de inyectarse, pero diseñando la reacción de forma que la lechada solidifique o se convierta en gel en los huecos del suelo. Este segundo caso corresponde al caso de la reacción del silicato con acetato de etilo, formalmida, etc., o bien utilizando subproductos del tratamiento de las maderas, tales como las lejías lignosulfáticas coaguladas por adición de bicromatos alcalinos.
Los tipos más comunes de lechadas químicas son las siguientes (García Valcarce et al., 2003):
Geles duros (reactivos orgánicos):
A base de silicato de sodio
Mezcla de un lignosulfito y bentonita
Geles plásticos (reactivos inorgánicos):
A base de silicato de sodio y bentonita desfloculada
Geles de bentonita, arcilla o cemento
Resinas orgánicas
Monómeros acuosos, polímeros precondensados
Estas inyecciones no se aplican a terrenos con poros muy pequeños, como las arcillas y limos, que prácticamente no se pueden inyectar. Se podrían aplicar a arenas finas o loess, pero con costes muy elevados. Tampoco servirían con terrenos con huecos demasiado grandes ni cuando la mezcla presente una viscosidad elevada.
A continuación se describen los tres grandes grupos de lechadas químicas:
Geles de sílice: La base habitual es el silicato de sodio disuelto en agua. Esta base se mezcla con un reactivo endurecedor orgánico (geles duros) o mineral (gel o espuma), que, en función de la dosificación, regula la duración del fraguado. Las lechadas químicas de este tipo son las de mayor viscosidad, y su aplicación es adecuada en arenas finas o muy finas (k ϵ [10-3, 10-6] m/s). En roca se emplea cuando las fisuras son finas. Como reactivo inorgánico (fabricación de gel plástico), se usa principalmente el bicarbonato sódico, lo cual forma un gel blando de gelificación retardada, suficiente para la impermeabilización. Entre los reactivos orgánicos se puede mencionar el acetato de etilo, aunque hoy día se ha desplazado por otros productos, muchos bajo marcas comerciales.
Otros geles: Para aplicaciones particulares, se pueden utilizar otros tipos de lechadas químicas:
Geles mixtos: Mezcla de gel de sílice y resina acrílica, empleado para el tratamiento de fisuras activas.
Geles de arcilla: Mezcla de bentonita, silicato y un reactivo, muy utilizado en la impermeabilización de depósitos aluviales, para el remate de pantallas impermeables, así como proceso posterior a la inyección de lechadas de bentonita-cemento. También se utiliza cuando es difícil impermeabilizar con lechadas de cemento y cuando no se justifica el uso de gel.
Geles lignocromos: Mezclas de lignosulfatos que contienen un exhalante de cromo, altamente tóxico. Es habitual el lignosulfato de calcio y dicromato de sodio. Se usan también en la impermeabilización de depósitos aluviales complementando a las inyecciones de bentonita-cemento.
Resinas: Suelen ser soluciones de productos orgánicos en agua o en disolventes no acuosos, que polimerizan a temperatura ambiente en lugares cerrados. Se utiliza cuando no se puede inyectar otro producto por su viscosidad demasiado elevada. Se emplea en la impermeabilización de terrenos granulares finos o en el cierre de grietas de obras, especialmente presas y túneles. En estos últimos casos, o en la inyección en fisuras den estructuras de hormigón, aunque son muy caras, se pueden usar colas inyectadas, que son resinas de alta viscosidad como pueden ser las resinas epoxi especiales, poliéster, o productos acrílicos, que una vez polimerizan proporcionan mecánicas superiores a las del hormigón. Habría que hacer mención a los productos espumantes que incrementan su volumen con la formación de burbujas de gas (resinas de poliuretano). Un caso especial son los productos “sensibles al agua”, que permanecen líquidos hasta ser inyectados. Están formados por coloides orgánicos (poliol-isocianato) que pasan a espuma de poluiretano, en contacto con el agua, incrementando su volumen en más de 20 veces. Son las resinas de poluiretano acuarreactivas (resinas P.A.).
En la Figura 3 se representa el campo de aplicación de distintas inyecciones químicas en función de la permeabilidad del terreno. Puede verse que las mezclas químicas, especialmente las resinas acrílicas y fenólicas, presentan un mayor rango de aplicabilidad que las inyecciones de lechada de cemento o de arcilla-cemento. Los polímeros dan buen resultado cuando se requiere inyectar fracturas abiertas con agua en circulación, taponándose temporalmente las grietas para inyectar entonces las suspensiones de cemento, morteros y lechadas, que son más resistentes y de mayor durabilidad.
Figura 3. Tipos de inyecciones según la permeabilidad (Pérez Valcárcel, 2004)
En la Figura 4 se observa, con carácter orientativo, el límite de inyectabilidad en función de la permeabilidad del suelo y los diámetros de los granos de lechada (Cambefort, 1968).
Figura 4. Penetrabilidad de los morteros en función de la permeabilidad del medio (Cambefort, 1968)
En la Figura 5 se han representado los materiales que se emplearían en la inyección de acuerdo con el tamaño de los granos del terreno.
Figura 5. Materiales de inyección de acuerdo con el tamaño de las partículas (Bell, 1978)
A parte del coste de este tipo de tratamientos, hay que señalar que el agua marina puede modificar sustancialmente el tiempo de gelificación de varias soluciones de este tipo. Además, normalmente este tipo de tratamientos son provisionales, útiles durante la fase constructiva, pues la durabilidad de este tipo de productos puede ser muy variable.
Referencias:
BELL, F.G. (1978). Foundation engineering in difficult ground. Butterworths, London.
BIELZA, A. (1999). Manual de técnicas de tratamiento del terreno. Carlos López Jimeno, Madrid, 432 pp.
CAMBEFORT, H. (1968). Inyección de suelos. Omega, Barcelona.
GARCÍA VALCARCE, A. et al. (1995). Manual de Edificación. Derribos y demoliciones. Actuaciones sobre el terreno. Ediciones Universidad de Navarra, Pamplona, 472 pp.
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.
SANZ, J.M. (1981). Procedimientos generales de construcción. Sondeos y perforaciones, inyecciones, pilotes, pantallas continuas. E.T.S. Ingenieros de Caminos, Madrid.
TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
Figura 1. Suelo claveteado con mallazo de acero en las proximidades del embalse de Loriguilla (Valencia). Fotografía: V. Yepes (2021)
La técnica del soil nailing, o claveteado de suelos, consiste en una técnica de refuerzo del terreno que se ha utilizado frecuentemente para estabilizar taludes, terrraplenes, cortes del terreno, túneles y estructuras de contención (Figura 1). El soil nailing tiene su origen en la década de los 60 del siglo XX, cuando se introdujo el Nuevo Método Austríaco para la construcción de túneles. La introducción de barras de acero, la inyección de mortero fluido en las perforaciones y el revestimiento con hormigón proyectado permitieron soportar las excavaciones de rocas en túnel.
A medida que desciende la excavación, se introducen anclajes de refuerzo pasivos, generalmente subhorizontales, que trabajan principalmente a tracción, pero también pueden tomar cargas de flexión y corte. Estas barras pasivas son de acero y se conocen como pernos de roca o bulones en el ámbito de los túneles. Los refuerzos se complementan a medida que baja la excavación con un paramento superficial que puede ser rígido o flexible que impide el deslizamiento del suelo entre los puntos que se encuentran las barras instaladas. Este refuerzo del terreno permite mejorar su resistencia al corte a lo largo de superficies potenciales de falla (Figura 2).
Figura 2. Aplicaciones típicas del suelo claveteado: (a) en talud existente; (b) en excavación
Las barras se colocan en unos sondeos perforados previamente y que luego se rellenan con una lechada o mortero de inyección (“grout“). El diámetro de la perforación oscila entre 50 y 150 mm. Posteriormente, se ejecuta un revestimiento o pantalla (“facing“) que impida la caída de tierra entre los puntos donde se sitúan las inclusiones. Esto suele realizarse mediante hormigón proyectado (gunita), que suele reforzarse mediante una malla de acero (Figura 3). El espesor del revestimiento varía entre 50 y 150 mm, siendo más delgado en pendientes inclinadas y más gruesos en excavaciones verticales permanentes (Figura 4). La relación agua-cemento del mortero fluido generalmente varía entre 0,40 y 0,45.
Figura 3. Gunitado sobre ladera claveteada. https://slatonbros.com/advantages-of-soil-nailing/
Figura 4. La técnica de Soil nailing con apuntalamiento metálico en cabeza para el edificio Millenium de Mónaco. https://twitter.com/desdeelmurete/status/1357477174396260352/photo/1
La separación de los anclajes suele ser de entre 1,00 y 1,50 m, con inclinaciones entre 10º y 20º respecto a la horizontal. Las barras de acero suelen tener un diámetro entre 25 y 40 mm, con una longitud usual entre 4 y 20 m. Las condiciones del terreno indicarán la longitud del anclaje, aunque normalmente oscila entre 1,0 y 1,5 veces la altura del talud.
Este procedimiento no se puede aplicar bajo nivel freático, ni tampoco cuando el suelo es blando o muy blando, donde sea un control estricto de las deformaciones. Tampoco se utiliza en arenas y suelos sin cohesión, pues la perforación puede colapsar incluso durante la construcción. Resulta poco eficaz en taludes o deslizamientos muy altos, pues los anclajes serían de mucha longitud. Por último, la corrosión del acero implica medidas preventivas que pueden suponer costes adicionales.
Figura 2. Procedimiento constructivo del suelo claveteado. https://civilengineeringbible.com/article.php?i=107
Os paso unos cuantos vídeos informativos al respecto. Espero que os sean de utilidad.
Referencias:
MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcción. Mejora de terrenos.Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. Ref. 2004.844. Valencia.
Figura 1. Inyección de fracturación para mejorar terreno bajo cimentación de aerogenerador
Las inyecciones de fracturación (también llamadas hidrofisuración, hidro-fracturación, hidrojacking o claquage), son inyecciones de lechada de cemento a media/alta presión que rompen el terreno, produciendo su densificación y rigidización, creando una red estructuradora. Se introduce un material de baja viscosidad que rompe el terreno para introducir luego una lechada de fraguado rápido para reestructurarlo. Las presiones empleadas son de varias decenas de bares para romper el suelo y luego del orden de 10 bares o inferiores para mantener el caudal de inyección. El tipo de lechada o mortero a utilizar, así como los aditivos y dosificaciones, dependerán tanto del tipo de inyección que vayamos a realizar como del resultado que estemos buscando con la intervención.
La técnica se ejecuta mediante la inyección con un tubo-manguito, inyectándose pequeños volúmenes en cada fase. El producto de inyección no es capaz de penetrar en los poros del terreno, sino que se introduce por las fisuras que se van produciendo por efecto de la presión. Se originan lentejones del material inyectado, que recomprimen transversalmente el terreno. Al crear una nueva estructura de terreno reforzado se consigue un doble efecto de densificación y rigidización. Esto se debe a que el suelo queda cosido por la red de fracturas cementadas inducidas en el mismo.
Figura 2. Esquema de inyección por fracturación
Las inyecciones de fracturación se han concretado en dos tipos de inyección basados en la fracturación hidráulica: las inyecciones de compensación (“compensation grouting”) y las inyecciones armadas. Las inyecciones de compensación controlan los movimientos que puedan generar las obras subterráneas sobre edificios en superficie. Las inyecciones armadas aumentan la resistencia al corte del terreno y disminuyen su deformabilidad, utilizándose en recalces de edificios, disminución de asientos de cimentaciones directas, estabilización de vaciados, etc. Estas inyecciones armadas emplean tubos-manguito que proporcionan un efecto de bulonado al terreno tratado.
Las fases características de este tipo de inyección son las siguientes:
Instalación del tubo manguito e inyección de la vaina: El tubo manguito se sitúa en la perforación, rellenando el espacio anular entre la pared del sondeo y el tubo manguito con una mezcla de bentonita-cemento.
Fracturación del suelo: Para permitir la inyección de la suspensión se inserta en un obturador doble, que independiza cada uno de los manguitos durante su inyección.
Inyección múltiple: Los manguitos se inyectan una o varias veces, según se requiera. El volumen de lechada, la presión máxima de inyección y, en el caso de una inyección repetitiva, la velocidad de inyección, se mantiene de acuerdo con las instrucciones. Se pueden reutilizar los tubos manguitos.
Figura 2. Fases de la inyección de fracturación. https://maquinariacimentaciones.wordpress.com/2013/08/02/inyeccion-fracturacion/
En esta animación de Keller podemos ver cómo se realiza una inyección de compensación.
KellerTerra muestra en un vídeo de 5 minutos cómo se ejecuta una columna de grava (vibrosustitución) en la obra de la Central de Ciclo Combinado de la Bahía de Escombreras, Murcia. Después de visualizarlo, contesta a las siguientes preguntas:
¿Qué es una central de ciclo combinado?
¿Qué circunstancias del terreno hicieron recomendable la mejora del suelo mediante columnas de gravas?
¿Qué características se querían conseguir del terreno mejorado?
¿De qué partes consta un tubo vibrador?
¿Pará qué sirve el tamiz que se encuentra en la tolva donde la cargadora descarga grava?
¿Qué hace el aire comprimido en la cámara de descarga?
Figura 1. Esquema básico del funcionamiento de la inyección a alta presión o jet-grouting. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Jetgrouten.png
La inyección de alta presión, conocida como Jet-Grouting es un proceso que implica romper el suelo (o roca suelta), mezclarlo y reemplazarlo parcialmente por un agente cementante (en general, cemento). La desagregación se logra mediante un fluido con alta energía, que puede incluir el propio agente cementante (Figura 1).
El jet-grouting, por tanto, se considera como una técnica de tratamiento del terreno que mejora sus propiedades resistentes y su compresibilidad, y reduciendo la permeabilidad.
La primera patente se aplicó en el Reino Unido en los años 50, aunque su desarrollo real se llevó a cabo en Japón a principios de los 70, y a mediados de los 70 se introdujo en Europa. Hoy en día se ha desarrollado extraordinariamente la técnica.
En general se usa una mezcla de agua y cemento. Se pueden utilizar otro tipo de conglomerantes hidráulicos, como bentonita, filler y cenizas volantes. Si se emplea bentonita en la mezcla, se debe preparar e hidratar la suspensión de agua y bentonita antes de agregar el cemento.
Esta técnica de alta presión consigue desagregar el suelo o la roca poco compacta, mezclándolo y sustituyéndolo por cemento, así se van llenando huecos y discontinuidades. Básicamente, se expulsan chorros de lechada de cemento (grout) a través de unas toberas a velocidades muy altas, logrando así la rotura del terreno y su íntima mezcla con el mismo. La distancia que alcanza la erosión por chorro (energía de corte) varía en función del fluido empleado, tipo de suelo, velocidad de ascenso, etc., pudiendo alcanzar hasta 5 m de diámetro. La técnica del jet-grouting tiene múltiples aplicaciones (mejora del terreno, impermeabilización, túneles, etc.), siendo el fluido de perforación también variable (cemento, bentonita, mezclas químicas, etc.).
Las presiones de trabajo varían, llegando en algunos casos puntuales hasta los 90 MPa. Los sistemas jet-grouting permiten inyectar lechadas de cemento en suelos de grano muy fino, en los que con otros sistemas solo serían inyectables productos químicos o ni siquiera estos. El jet-grouting puede aplicarse en arenas, limos e incluso en suelos arcillosos de cierta consistencia.
La perforación del terreno previa a la inyección, puede hacerse con cualquier equipo (a rotación o a rotopercusión, con las condiciones que requiera el terreno) con tal que el varillaje se adapte a las altas presiones a las que se efectúa la inyección.
Casi todos los equipos de perforación empleados en la ejecución de anclajes son utilizables. Si la perforación se hace con jet en suelos blandos, para inyectar después de perforar, el cambio de salida del agua por el de la lechada en algunos equipos puede hacerse por medio de una válvula situada en la boquilla de inyección.
En gravas, la inyección a alta presión introduce el mortero a través de los huecos, lo mismo que con un equipo convencional, pero en este caso forma un bloque mucho más compacto, sin dificultades que originan los rellenos de arcilla en el procedimiento tradicional.
Dependiendo del sistema de desplazamiento y fracturación del terreno y su mezcla con la lechada inyectada, la normativa europea (EN 12716) distingue los siguientes sistemas de jet-grouting (ver Figura 2):
Sistema de fluido único: La disgregación y cementación del suelo se obtiene con un chorro único de un fluido a alta presión, que suele ser lechada de cemento.
Sistema de doble fluido (aire): La presencia de aire desagrega y cementa el suelo, y también facilita la evacuación de los detritus generados. En comparación con un sistema de fluido único, produce un jet mayor y realiza una mayor sustitución del terreno.
Sistema de doble fluido (agua): El suelo se rompe mediante un chorro de agua a alta presión que fluye a través de la boquilla superior, mientras que por la inferior se inyecta una lechada para cementar el suelo.
Sistema de triple fluido: Mediante un chorro de agua a alta presión, un chorro de aire a presión y lechada de cemento se consigue romper el suelo. Es el más complejo de los sistemas, pero puede sustituir todo el suelo y producir una columna de mayor diámetro.
Figura 2. Sistemas de jet-grouting. Fuente: http://www.interempresas.net/Mineria/Articulos/146294-Diametro-columnas-jet-grouting-funcion-energias-especificas-perforacion-inyeccion.html
El sistema de fluido único es apropiado en arenas medias a densas y suelos cohesivos muy blandos. El doble fluido suele usarse en arenas medias a densas y suelos cohesivos de blandos a medios. En cambio, el triple fluido se puede utilizar prácticamente para cualquier suelo.
En la Tabla 1 se recogen los parámetros de trabajo más habituales para la maquinaria empleada en el jet-grouting.
Tabla 1. Parámetros de trabajo estándares para la maquinaria de jet-grouting
Parámetros de trabajo
Fluido sencillo
Doble fluido (aire)
Doble fluido (agua)
Triple fluido
Presión de la lechada (MPa)
30 – 50
30 – 50
> 2
> 2
Caudal de la lechada (l/min)
50 – 450
50 – 450
50 – 200
50 – 200
Presión de agua (MPa)
–
–
30 – 60
30 – 60
Caudal de agua (l/min)
–
–
30 – 150
50 – 150
Presión de aire (MPa)
–
0,2 – 1,7
–
0,2 – 1,7
Caudal de aire (m3/min)
–
3 – 12
–
3 – 12
El rango de aplicación del jet-grouting está limitado principalmente por la resistencia del terreno que va a ser erosionado. Esta es una de las principales diferencias con las inyecciones comunes, donde lo importante es el tamaño de las fracturas y de los poros, que en el jet-grouting es irrelevante.
El jet-grouting puede emplearse en la mayoría de terrenos, desde rocas débiles a arcillas, puesto que solo requiere su fracturación, al igual que ocurre con las inyecciones con fracturación. A diferencia de las inyecciones convencionales, destaca la aplicabilidad del jet-grouting en los suelos cohesivos. No obstante, cada tipo de sistema de jet-grouting posee un campo de validez característico.
El límite superior de aplicabilidad del jet-grouting está en las gravas de 60 mm de diámetro. Obviamente, es imposible mover y cortar elementos gruesos en el entorno del jet, como bolos o bloques, ya que su energía no es suficiente.
La aplicación principal del jet-grouting son los suelos, pero también puede emplearse en el caso de emboquilles con roca alterada, rocas con cementación escasa, roca afectada por una excavación, etc. En roca sana, su resistencia a compresión se opone a la erosión provocada por los jets.
Las aplicaciones principales del jet-grouting son:
La principal ventaja de este método radica en su versatilidad y flexibilidad. Como ya se ha indicado, es utilizable en todo tipo de terrenos y puede realizarse en espacios reducidos, alcanzando profundidades importantes sin tener que descubrir el terreno hasta la superficie.
En la Figura 3 se puede observar el aspecto de las columnas de refuerzo que se pueden conseguir con la inyección a elevada presión.
Figura 3. Sistemas de jet-grouting. Fuente: http://www.interempresas.net/Mineria/Articulos/146294-
Sin embargo, una aplicación de interés es el uso del jet-grouting para ejecutar cortinas de impermeabilización. El caso más habitual es la construcción de columnas secantes, solapadas en una o varias filas (Figura 4).
Figura 4. Ejecución de una pantalla con jet-grouting mediante columnas secantes. Fuente: https://www.terratest.cl/soluciones-cortinas-de-impermeabilizacion-pantallas.html
Otro empleo muy común es la creación de pantallas de estanqueidad en el caso del fondo de un recinto apantallado sometido a subpresiones (Figura 5), o bien en barreras de impermeabilización en núcleos de presas (Figura 6).
Figura 5. Croquis de un tapón ejecutado con jet-grouting en el fondo de un recinto apantallado. Fuente: https://2bd7e8ad-9629-4fd0-a14e-4054a92f2fc8.filesusr.com/ugd/c939f2_2befc25a84ae4fc1b8741456e0fd9584.pdfFigura 6. Croquis de barreras de impermeabilización con jet-grouting en una presa de materiales sueltos. Fuente: https://aetess.com/wp-content/uploads/Aplicaciones-del-jet-grouting-2019.pdf
También se puede utilizar el jet-grouting como elemento de impermeabilización en juntas de pantallas in situ o como elemento de cierre en pantallas de pilotes o micropilotes, cuando estos se construyen separados. En este caso, las columnas se realizan cada dos pilotes. Los pilotes serían el elemento estructuras y el jet-grouting garantizaría la impermeabilización.
Os dejo, por su interés, el artículo 677 del PG-3, donde se describen las características técnicas exigibles al jet-grouting.
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Os paso varios vídeos al respecto, empezando por una animación sobre del Jet grouting de triple fluido:
Figura 1. Tratamiento del terreno con columnas de grava en función de la altura del terraplén. Fuente: Carlos Oteo
Las columnas de grava constituyen un método de mejora de terrenos cohesivos blandos mediante la rigidización que produce la introducción de columnas de grava en los orificios creados por el vibrador o equipo de pilotaje convencional, según sea el método de ejecución escogido. Aumenta la capacidad portante del terreno, la estabilidad al deslizamiento en terraplenes, acelera el proceso de consolidación del terreno (constituyen drenes verticales) y provoca una reducción de los asientos en servicio. Se aplica sobre arenas limosas, limos, limos arcillosos, arcillas y rellenos heterogéneos.
En casos en los que además de una preconsolidación es necesario un refuerzo del terreno, como en el caso de terraplenes elevados, que precisan de terrenos portantes de mayor resistencia, la inclusión de columnas de grava permite solucionar el problema.
Las columnas de grava aparecieron como una extensión de las técnicas de vibrocompactación profunda de suelos finos. Puede realizarse mediante un pilotaje convencional o mediante el uso de vibradores especiales (Figura 2). La técnica mediante pilotaje convencional puede ser por sustitución o por desplazamiento. La vibrosustitución o vibrodesplazamiento, se aplica en terrenos cohesivos (contenido de finos > 12%), y supone la sustitución del terreno por un material granular de aportación.
Figura 2. Ejecución de columnas de grava
No obstante, también se puede aplicar la vibración profunda en suelos granulares (contenidos de finos < 12%), normalmente con vibradores específicos de baja frecuencia y usando agua a presión para facilitar el hincado, lo que produce una licuación parcial del terreno y su densificación. Este procedimiento se denomina vibroflotación o vibrocompactación. El terreno no se sustituye, rellenándose el cono de hundimiento alrededor del vibrador con el terreno, no siendo propiamente una columna de grava. Sin embargo, a veces se aporta material granular de mayor calidad transportado a la obra, por ejemplo, árido de machaqueo de 20-40 mm, por lo que se podría hablar en este caso de una columna de grava.
En la Figura 3 se puede observar el ámbito de aplicación de las columnas de grava frente a la vibrocompactación en función del tipo de terreno. En las arenas se comprueba que existe una zona de transición entre ambas técnicas de mejora de terrenos mediante vibración profunda.
Figura 3. Ámbito de aplicación de las técnicas
Como limitación de esta técnica, en suelos blandos originales que tengan baja capacidad portante para soportar la resistencia lateral que le pueden exigir las columnas cargadas, con resistencias a corte sin drenaje cu ≤ 0.015 MPa.
Figura 4. Relaciones asiento-tiempo en terraplenes con diferentes tratamientos. Fuente: Carlos Oteo
Las recomendaciones más importantes para ejecutar una columna de grava serían las siguientes:
Tamaño entre 5 y 40 mm para la grava, con un ángulo de rozamiento interno entre 38º y 40º, sin ser friable (valores menores al 30-35% en el ensayo de los ángeles)
Separación entre columnas de 2 a 10 m, en malla regular
Diámetros entre 40 y 120 cm, dependiendo del terreno
Profundidad que puede llegar a 37 m, aunque lo normal es no pasar de 20 m
El cálculo de las columnas de grava suele hacerse con el método de Priebe (1995), que obtiene los parámetros del suelo equivalentes mejorados. Con este método deben utilizarse valores conservadores, por ejemplo, un grado de rozamiento de 40º, y garantizar una correcta ejecución de las columnas para que, por ejemplo, el ángulo de rozamiento de la columna sea superior al supuesto.
A continuación os dejo un catálogo de Terratest sobre columnas de grava que creo os puede ampliar la información al respecto.
Os paso varios vídeos de esta técnica de mejora de terrenos. Espero que os sean útiles.
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.
Un aspecto de gran interés práctico en la compactación es conocer cómo se distribuyen las presiones bajo la superficie por la que pasa el compactador. Si en vez de considerar las tensiones y deformaciones uniformemente distribuidas por todo el material, tal y como hemos visto en los ensayos descritos en entradas anteriores, nos centramos en lo que ocurre bajo la superficie donde se aplica la carga, comprobaremos que los efectos de la carga únicamente se soportan por una porción del suelo bajo ella.
Boussinesq desarrolló, para un suelo homogéneo, isótropo y elástico, la distribución de las tensiones bajo placas cargadas (en 1885 obtuvo una solución para los esfuerzos debidos a una carga aplicada en dirección normal a la superficie de un semiespacio elástico semi-infinito). Se forma un bulbo de presiones bajo la placa, de forma que la presión a determinada profundidad es proporcional a la presión de contacto (Figura 2).
Figura 2. Distribuciones de presiones según Boussinesq
Asimismo, la forma y el tamaño de la placa influyen en el bulbo de presiones. A igualdad de carga y superficie, una placa cuadrada produce mayores presiones a medida que aumenta la profundidad. También se observa que, para una presión de contacto dada, cuanto más ancha es la placa de carga, mayor es la profundidad alcanzada para la misma compresión. Ello explica que un compactador de neumáticos (Figura 1) -cuya huella se aproxima a un círculo- es más eficaz en cuanto a penetración que un compactador de cilindro liso (Figura 3), estando cargados por igual, y a igual superficie total de contacto.
Figura 3. Compactador de rodillo liso
Tanto las tensiones como las deformaciones disminuyen rápidamente con la profundidad de la tongada a compactar. Así en un neumático de una anchura D, con una presión de contacto con la superficie de PC, transmite a 0,5 D solo 0,6 PC, a una distancia D transmite 0,3 PC y al llegar a 2D únicamente nos llega 0,09 PC. El tamaño del bulbo nos indica qué partes de la masa del suelo serán afectadas por la carga aplicada de forma significativa, tanto en profundidad como en extensión lateral. La Tabla 1 proporciona los valores aproximados de la profundidad y ancho de los bulbos de presión de 0,2q y 0,1q.
Tabla 1. Bulbos de presión bajo el terreno
Como existe una presión por debajo de la cual las deformaciones dejan de ser permanentes (se puede tomar como idea unos 0,2 MPa), por ser de tipo elástico, es fácil comprender que la presión en superficie, al ir disminuyendo, encontrará una línea divisoria por debajo de la cual no es posible compactar el terreno.
Debido a que para cada carga, existe una deformación remanente límite, independiente del número de ciclos, se obtendrá una profundidad límite de capa para cada compactador y para cada peso unitario especificado. Se puede calcular dicho espesor límite interpolando entre varios valores de deformación límite y grosor de capa, para un compactador prefijado. Las relaciones entre los pesos unitarios iniciales, especificada y las deformaciones son las descritas mediante la siguiente ecuación, basada en que el peso unitario de cada capa crece en la misma relación que disminuye la altura:donde:
