Soil nailing o suelo claveteado

Soil nailing
Figura 1. Gunitado sobre ladera claveteada

La técnica del soil nailing, o claveteado de suelos,  consiste en reforzar un talud, a medida que desciende la excavación, mediante la introducción de anclajes de refuerzo pasivos o activos, generalmente subhorizontales, que trabajan principalmente a tracción, pero también pueden tomar cargas de flexión y corte. Estos 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.

Las barras se colocan en unos sondeos perforados previamente y que luego se rellenan con una lechada o mortero de inyección. Posteriormente se ejecuta un paramento vertical 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.

Este procedimiento no se puede aplicar bajo nivel freático, ni tampoco cuando el suelo es blando o muy blando, pues entonces no es rentable su uso.

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.

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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Inyecciones de fracturación

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 busca la rotura del terreno para la posterior introducción de la lechada de pronto fraguado para reestructurarle. El tipo de lechada o mortero a emplear, 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 realiza 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 creando por efecto de la presión. Se crean 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.

Esta técnica suele utilizase en las inyecciones de compensación, utilizadas éstas para controlar los movimientos que puedan generar las obras subterráneas sobre edificios en superficie. Asimismo, se suele utilizar para conseguir  una mejora de las características resistentes del terreno ya que se densifica éste y se generan unas ramificaciones de material resistente a modo de “armado” del terreno.

 

Las fases características de este tipo de inyección son las siguientes:

  1. Instalación del tubo manguito e inyección de la vaina: El tubo manguito se coloca en la perforación efectuada, rellenando con una mezcla de bentonita-cemento, el espacio anular entre la pared del sondeo y el tubo manguito.
  2. 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.
  3. Inyección múltiple: Los manguitos pueden inyectarse una o varias veces, de acuerdo con los requisitos técnicos. 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. Los tubos manguitos pueden reutilizarse.

 

Figura 2. Esquema de inyección por fracturación
Figura 3. Fases de la inyección por fracturación
Os paso una animación de la empresa HAYWARD BAKER que espero os guste.

Referencias:

AENOR (2001). UNE-EN 12715. Ejecución de trabajos geotécnicos especiales. Inyecciones. Madrid.

Dirección General de Carreteras (2002). Guía de cimentaciones en obras de carretera.  Ministerio de Fomento, Madrid.

Puertos del Estado (2005). ROM 0.5-05. Recomendaciones geotécnicas para obras marítimas y portuarias.  Ministerio de Fomento, Madrid.

Muzas, F. (2003). Inyecciones de fracturación y compactación. Jornada sobre mejora del terreno de cimentación. Intevía. (link)

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.

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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Columna de grava mediante vibrosustitución

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:

  1. ¿Qué es una central de ciclo combinado?
  2. ¿Qué circunstancias del terreno hicieron recomendable la mejora del suelo mediante columnas de gravas?
  3. ¿Qué características se querían conseguir del terreno mejorado?
  4. ¿De qué partes consta un tubo vibrador?
  5. ¿Pará qué sirve el tamiz que se encuentra en la tolva donde la cargadora descarga grava?
  6. ¿Qué hace el aire comprimido en la cámara de descarga?
  7. ¿Qué diámetros de columna de grava se ejecutaron?

Otro vídeo de interés sobre la vibrosustitución es el siguiente:

Jet grouting

http://www.interempresas.net/Mineria/Articulos/146294-Diametro-columnas-jet-grouting-funcion-energias-especificas-perforacion-inyeccion.html

El Jet-Grouting es un proceso que consiste en la desagregación del suelo (o roca poco compacta), mezclándolo, y parcialmente sustituyéndolo, por un agente cementante (normalmente cemento). La desagregación se consigue mediante un fluido con alta energía, que puede incluir el propio agente cementante. 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 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.)

Os paso varios vídeos al respecto, empezando por una animación sobre del Jet grouting de triple fluido:

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.

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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Electroósmosis como técnica de drenaje del terreno

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

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

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

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

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

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

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

Figura 2. Disposición del equipo para el drenaje

 

Figura 3. Disposición del equipo para el drenaje

 

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

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

Referencias:

MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcción. Mejora de terrenos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. Ref. 2004.844. Valencia

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

Springsol: mejora de terrenos mediante columnas de suelo-cemento

Figura 1. http://www.tectonica-online.com/

Springsol es una técnica especialmente útil en el tratamiento del terreno en trabajos de rehabilitación o refuerzo de estructuras, terrenos bajo losas de naves industriales, terraplenes en infraestructuras de comunicación, etc. Se encuentra a medio camino entre el pilote de mortero, las columnas de suelo-cemento realizadas mediante jet grouting y las columnas de mortero inyectado a presión controlada ejecutadas mediante intrusiones rígidas o compaction grouting.

Se trata de un procedimiento donde se crea una columna de suelo-cemento por medios mecánicos, con unas aspas o alas que giran y amasan el suelo. Utiliza equipos de tamaño reducido realizando perforaciones de pequeños diámetros (de 100 a 150 mm). Esta característica permite minimizar el efecto sobre losas, soleras o zapatas, siendo posible perforar estratos intermedios no perforables con barrenas, dejando los primeros metros sin tratamiento. Además, evita la inyección a altas presiones, susceptibles de afectar a las estructuras. Además, permite ejecutar la columna a partir de una profundidad concreta (con, por ejemplo tapones, de fondo).

Una aplicación especialmente interesante es el tratamiento de taludes ferroviarios atravesando el balasto, evitando su contaminación, con una mínima afección al servicio.

Figura 2. Aspecto de la columna formada. http://www.rodiokronsa.es/
Figura 3. A- Perforación con ligante. B- Mezcla suelo-ligante (rechazo). C- Apertura de alas bajo tubería. D- Perforación, mezcla suelo-ligante. Diámetro de columna 400 mm. http://www.tectonica-online.com/
Figura 4. http://actions-incitatives.ifsttar.fr/

Os paso a continuación una animación donde se puede ver con mayor claridad cómo funciona este tratamiento.

Referencias:

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp.

La precarga como técnica para la mejora de terrenos

Precarga en dársena del puerto de Escombreras. http://opweb.carm.es/premiosingenieriacivil/faces/vervistaprevia.xhtml?codigo=E201646
Precarga en dársena del puerto de Escombreras. http://opweb.carm.es/premiosingenieriacivil/faces/vervistaprevia.xhtml?codigo=E201646

La precarga consiste en aplicar al terreno una carga igual o superior a la que producirá en servicio la estructura que se proyecta apoyar en él, provocando su consolidación, lo que se traduce en un aumento de la resistencia del terreno y una disminución de los asientos postconstructivos. En algunas ocasiones es necesario realizar la precarga cuando la obra está acabada o semiacabada, como en tanques de almacenamiento de líquidos.

Este tratamiento es un método de mejora destinado, en principio, a suelos cohesivos blandos. Estos suelos son susceptibles de sufrir asientos importantes bajo sobrecargas pequeñas, con una evolución lenta de estos asientos, y, dada su baja resistencia al corte, procesos de rotura (deslizamiento de terraplenes, hundimiento de cimentaciones superficiales, etc.).

En un suelo blando los asientos son irreversibles casi en su totalidad, aunque las cargas aplicadas sean retiradas el terreno no vuelve a su posición original. Si se vuelve a cargar hasta el mismo valor de la carga previa, o no hay asientos o son mucho menores.

La Figura 1 representa la curva de asientos de un suelo precargado bajo un terraplén. Durante la precarga el suelo asienta según la curva descrita hasta llegar al punto 1, correspondiente al instante del inicio de la retirada del terraplén. Así, la curva describe esta descarga hasta llegar al punto 2 donde el suelo ya no tiene carga, pero los asientos remanentes, son casi iguales a los producidos por la carga del terraplén.

precarga-1
Figura 1. Curva carga-asiento de un suelo precargado bajo un terraplén

Al recargar el suelo con una carga igual a la del terraplén (punto 3 de la Figura 2) el suelo describe una curva similar a la de descarga, pero de sentido contrario. Se observa como los asientos inducidos por la recarga son pequeños, debido a la memoria de carga del suelo.

Figura 2. Curva carga-asiento tras la retirada del terraplén
Figura 2. Curva carga-asiento tras la retirada del terraplén

Lo que se ha descrito es la finalidad de la precarga, preconsolidar un suelo compresible para que cuando vuelva a ser cargado por la estructura definitiva sufra los menores asientos, además de aumentar su resistencia.

Casi todos los tipos de suelos, tanto secos como saturados, pueden ser mejorados con buenos resultados por medio de la precarga. Ésta ha sido aplicada en suelos naturales, como arenas sueltas y limos, arcillas limosas blandas, limos orgánicos, turbas y depósitos aluviales erráticos, al igual que en suelos artificiales formados de materiales dragados sin compactar, residuos industriales (cenizas) y depósitos de residuos urbanos. Los suelos sobreconsolidados (sometidos a una carga mayor que la actual) no responden tan bien a la precarga, puesto que su comportamiento es más elástico que los normalmente consolidados.

El método más común de aplicar la precarga es apilar el material de relleno sobre el terreno original, usando camiones y extendedoras, y dejando la carga un cierto tiempo. Una vez alcanzada la consolidación, el material se retira con medios auxiliares similares, procediendo a continuación a la construcción de la nueva obra, considerando que las deformaciones con que responderá el terreno ya sean admisibles para su funcionamiento. El material retirado puede utilizarse para otra precarga de la obra o para la construcción de terraplenes. Existen otros métodos de precarga que consisten en bajar el nivel freático mediante pozos filtrantes, zanjas, bombeo al vacío en pozos, y el fenómeno de electroósmosis.

Como ventajas de la aplicación de este método pueden destacar:

  • Bajo coste. Entre un 10-20% respecto a otros métodos. Entre un 20-40% si la precarga se realiza con drenes.
  • Los equipos utilizados son sencillos y baratos (equipos de movimiento de tierras)
  • Se evalúan los efectos de un modo directo e inmediato. Equivale a un ensayo a escala natural.
  • En zonas sensibles a la sismicidad, se reduce el riesgo de licuefacción en suelos arenosos finos.

 

 

Figura 3. Precompresión del terreno
Figura 3. Precompresión del terreno

Uno de los factores más limitantes de esta técnica es el tiempo necesario para que se produzca la consolidación, por lo que a veces no se dispone siquiera de unos pocos meses para que funcione la precarga. Esto puede evitarse con una buena previsión del trabajo, anticipándose la ejecución de la precarga a la finalización del proyecto o comienzo de las obras. Como factores limitantes de la precarga, además del tiempo, puede considerarse: el límite de la capacidad de soporte del suelo, el efecto sobre estructuras próximas (asientos, empujes laterales del terreno, rozamiento negativo) y posibles costes elevados de auscultación y control.

Para acelerar la consolidación y así reducir el tiempo de precarga, puede ser económico realizar tratamientos adicionales que mejoren el drenaje del terreno, reduciendo el camino del agua a zonas más permeables y modificando las direcciones de flujo. Estos métodos son:

  1. Inclusiones verticales por columnas de grava. Esta técnica, además de acelerar el proceso de consolidación, supone un refuerzo del terreno.
  2. Instalación de drenes verticales en el terreno. Los fines buscados con este método son alcanzar un grado de consolidación suficiente dentro de un plazo aceptable en el proyecto, modificando las variables de consolidación y tiempo. Con ello se provocan asientos de forma anticipada, con asientos postconstructivos insignificantes.

Referencia:

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.

 

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Pantallas plásticas (Cutter Soil Mixing)

http://www.malcolmdrilling.com/cutter_soil_mixing/
Hidrofresa. http://www.malcolmdrilling.com/cutter_soil_mixing/

Esta técnica de mejora de suelos se emplea para generar pantallas impermeabilizantes verticales mediante el uso de hidrofresas. Consiste en excavar el terreno en paneles verticales mediante una cabeza cortadora (hidrofresa) suspendida de un brazo grúa articulado. Esta cabeza presenta dos elementos cortantes giratorios provistos de dientes de corte que giran en direcciones opuestas para expulsar el material excavado.

La cabeza también posee un inyector, en la parte central de las dos ruedas cortantes, por el cual se inyecta una mezcla de bentonita-cemento. Esta mezcla, gracias al movimiento giratorio de los dientes y de unas paletas giratorias, se amalgama con los detritos formando un nuevo material. Tras el fraguado del cemento se obtiene una pantalla impermeable. La ventaja del método es que se usa el propio material del terreno, no generando apenas residuos.

http://www.apgeotecnia.pt/en/papers/13cngmontaigne.html
http://www.apgeotecnia.pt/en/papers/13cngmontaigne.html

En pantallas poco profundas, de menos de 20 m, se ejecuta en una fase, que consiste en inyectar la bentonita-cemento según se tritura el terreno. Se usa con tiempos cortos de perforación para que no fragüe el cemento. En mayores profundidades se usan dos fases; en la primera se excava hasta la cota deseada y luego durante el ascenso se inyecta la mezcla.

Para ejecutar muros continuos, se divide la construcción en paneles primarios y secundarios, que se solapan con los anteriores con juntas frescas si los paneles primarios no han fraguado, o bien con solapes duros si ya han endurecido.

Os dejo algunos vídeos y animaciones al respecto.

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.

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

Mezcla profunda de suelos (Deep Soil Mixing)

http://www.model-co.com/es/aplicaciones/aplicaciones-lechadas/wet_soil_mixing.asp
http://www.model-co.com/es/aplicaciones/aplicaciones-lechadas/wet_soil_mixing.asp

Esta técnica de mejora y refuerzo de suelos blandos o flojos consiste en el mezclado mecánico y profundo de los materiales disgregados del terreno con un aglomerante, líquido o sólido, generando un nuevo material tipo suelo-cemento. El aglomerante suele ser cemento, cal y bentonita. El terreno así estabilizado es más resistente, menos permeable y de menor compresibilidad que el terreno original.

La incorporación de los aglomerantes al terreno puede llevarse a cabo en forma de lechada (Método húmedo) o mediante aire comprimido (Método seco)Para  cada caso es necesaria la utilización de una herramienta especial que permita la ejecución de la mezcla en profundidad.

La mezcla profunda de suelos se puede clasificar en dos grupos: mezclado vertical, generando columnas o en masa horizontal, produciendo fajas o extensiones importantes en plantas.

En el caso de mezclado vertical, el diámetro de la columna es constante en profundidad y depende de la capacidad de la herramienta y el método que se utilice (húmedo o seco). Se ejecuta con una mezcladora giratoria que perfora el terreno hasta la profundidad requerida. En ese momento empieza la inyección del aglomerante mientras se extrae el varillaje.

http://jafecusa.com/?page_id=2796
http://jafecusa.com/?page_id=2796

La técnica de mezclado en masa consiste en una retroexcavadora en la que el brazo de la pala sustituye por un brazo excavador con un cabezal rotatorio que posee un inyector por el que se impulsa la mezcla aglomerante. Este método utiliza equipos no complejos: una retroexcavadora y una bomba de inyección. Es rápido en la ejecución, pero su uso se limita a la longitud del brazo, que no suele ser superior a 5 m.

A continuación os dejo varios vídeos y animaciones al respecto.

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.

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Congelación de suelos

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

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

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

Fundamento teórico

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

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

 

Aplicabilidad

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

http://teoriadeconstruccion.files.wordpress.com

Sistemas de congelación

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

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

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

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

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

 

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

Condiciones de ejecución

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Ventajas y limitaciones

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

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

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

Descargar (PDF, 2.15MB)

Os dejo un vídeo de este procedimiento constructivo.

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

Referencias:

MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcción. Mejora de terrenos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. Ref. 2004.844. Valencia.

MUZÁS, F. (1980). El frío, la helada, congelación de terrenos. Capítulo 16 de Geotecnia y Cimientos III, de J.A. Jiménez Salas, Ed. Rueda.

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