Capas y bases tratadas: Gravaemulsión

La gravaemulsión es un tipo de mezcla bituminosa en frío que consiste en la mezcla íntima de áridos, emulsión asfáltica y agua, que convenientemente compactada, se utiliza para la construcción de capas de firmes de carreteras. La gravaemulsión se concibe como una técnica de estabilización de áridos marginales. Sin embargo, en España se identifica más con una mezcla de áridos de granulometría continua, relativamente duros y, en general, procedentes del machaqueo.

La mezcla se realiza con áridos húmedos y con una emulsión de rotura lenta. La emulsión puede ser catiónica o aniónica, pero siempre de betún puro. La emulsión aniónica se emplea con áridos calizos, mientras las catiónicas tienen mayor aplicabilidad, aunque de rotura más rápida. El artículo 213 del PG3 indica que se pueden emplear emulsiones de los tipos ECL-2 y EAL-2. Se puede adicionar agua y cemento, importantes para la fabricación, compactación y apertura al tráfico. Los porcentajes de ligante residual oscilan entre el 2 y 5 % sobre el peso seco de los áridos.

Figura 1. Extensión de una capa de  gravaemulsión. https://www.ateb.es/index.php/blog/item/212-grava-emul-que

Los áridos utilizados serán de características similares a los empleados en la gravacemento. Los husos granulométricos deben ser estrictos (GEA-1 y GEA-2). El equivalente de arena debe ser superior a 45. El artículo 514 del PG3 que regulaba el uso de la gravaemulsión fue derogado de la normativa actual del Ministerio de Fomento, que solo considera la utilización del suelocemento y de la gravacemento. La normativa autonómica sí que recoge su empleo. En general, se restringe al aprovechamiento de capas granulares procedentes de antiguos firmes para su uso en firmes provisionales o deformables, o bien capas de base para tráficos medios y ligeros, T2 a T4.

El proceso de ejecución será el que se indica a continuación:

  • Preparación de la superficie
  • Fabricación de la mezcla
  • Transporte de la mezcla
  • Extensión y compactación
  • Juntas de trabajo
  • Curado

Lo habitual es fabricar la gravaemulsión en centrales continuas, de forma similar a la fabricación de mezclas bituminosas en frío o de otras gravas tratadas. Estas centrales tendrán dispositivos adecuados para dosificar por separado la emulsión, el agua y los áridos. La mezcla se debe transportar en camiones de caja basculante, lisa y completamente limpia. Antes de extender la gravaemulsión, se debe comprobar que la capa subyacente tiene la densidad y geometría correctas. La extensión con calidad la realiza una extendedora, pero una motoniveladora tiene la ventaja de poder reperfilar (Figura 2). El espesor de la capa es de 6 a 15 cm, que se compacta con rodillos vibratorios o compactadores de neumáticos con alta carga por rueda. La compactación puede esperar sin problemas varias horas después del extendido. En caso de abrir al tráfico antes de extender la capa de rodadura, debe aplicarse un riego de sellado, con una dotación de betún residual de 200 a 500 g/m2 y arena.

Figura 2. Extensión de gravaemulsión con motoniveladora. https://www.eadic.com/mezclas-en-frio-con-emulsion-bituminosa-para-mantenimiento-de-carreteras/

La gravaemulsión se pondrá en obra si la temperatura ambiente, a la sombra, es superior a 2ºC en emulsiones catiónicas y 10ºC en las aniónicas. Pero si la temperatura ambiente tiende a aumentar, podrá fijarse en 5ºC la temperatura límite inferior para fabricar y extender la gravaemulsión en el caso de emulsiones aniónicas.

Tras la compactación y el curado, la capa de gravaemulsión presenta una elevada resistencia a compresión y a deformación bajo cargas lentas. Ello se debe a su granulometría continua, de elevado rozamiento interno. La presencia del mortero bituminoso le confiere una buena resistencia a tracción y flexión, así como una buena impermeabilidad. El módulo de elasticidad varía entre 2500 y 4000 MPa. Entre sus ventajas destaca su flexibilidad, buena compatibilidad con las capas granulares o bituminosas y su sencillez de fabricación y puesta en obra.

Dejo a continuación una publicación de la Asociación Técnica de Emulsiones Bituminosas (ATEB) sobre la gravaemulsión.

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Si bien está derogado el artículo 514 del PG3, os lo dejo a continuación por su interés.

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Referencias:

KRAEMER, C.; MORILLA, I.; DEL VAL, M.A. (1999). Carreteras II. Explanaciones, firmes, drenaje, pavimentos. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Madrid.

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. (2014). Maquinaria para la fabricación y puesta en obra de mezclas bituminosas. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 749.

YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

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Compactación por hidrovoladura

La compactación por hidrovoladura (“hydroblasting“) es una técnica de mejora que es diferente de la compactación clásica por explosivos, aunque de diseño similar. En primer lugar, el agua se introduce en el terreno y luego se detonan explosivos en profundidad. Es una técnica que se ha demostrado eficaz en el tratamiento de suelos colapsables tipo loess en Bulgaria.

El procedimiento constructivo se desarrolla en tres fases (Bielza, 1999):

  • En primer lugar, se inunda el suelo hasta que sobrepasa su Límite Líquido. Para ello se excavan zanjas de 20 a 40 cm de anchura y 4 a 5 m de profundidad alrededor del área a tratar (Figura 1). Con este drenaje se evita inundar las capas superiores del terreno adyacente. Esta inundación se realiza en varios días y se ayuda por drenes separados unos metros de las barrenas de los explosivos. Los cartuchos superiores quedan a solo 500-700 mm por debajo de la parte superior de cada perforación.
  • A continuación se colocan las cargas en barrenos separados entre 3 y 6 m, procediéndose a continuación a la voladura. Las cargas se detonan por separado en cada barreno, con intervalos entre las explosiones de al menos un minuto.
  • Por último, se consolida el suelo tras la salida inmediata y drenaje posterior del agua intersticial.
Figura 1. Compactación de suelos colapsables no saturados por hidrovoladura (Bell, 1993)

Inmediatamente después de la voladura, la superficie del suelo se levanta y se fractura. El aire y el agua escapan por las aberturas que aparecen en la superficie. Este efecto puede durar desde minutos a horas. Ocurre primero un asentamiento inicial y luego otro continuo durante algún tiempo. Como la compactación del metro superior es escasa, hay que compactarla con un compactador vibratorio pesado.

La diferencia fundamental entre la compactación por explosivos y la hidrovoladura se encuentra en el momento en que tiene lugar el asiento. Con los explosivos, la totalidad de la compactación ocurre durante la explosión. Sin embargo, en la hidrovoladura, los asientos ocurren durante todo el proceso: tanto en la inundación como en la explosión y posteriormente durante la consolidación.

Bell (1993) informa que la velocidad de compactación conseguida mediante hidrovoladura es unas 12 veces más rápida que una simple inundación de un loess, siendo su grado de compactación 3 o 4 veces superior. Asimismo, el suelo consigue una compactación uniforme, con una disminución de la porosidad entre un 33% y un 50%.

REFERENCIAS:

  • BIELZA, A. (1999). Manual de técnicas de tratamiento del terreno. Ed. Carlos López Jimeno. Madrid, 432 pp.
  • BELL, F.G. (1993). Engineering Treatment of Soils. Ed. E & FN Spon, Londres.
  • LÓPEZ JIMENO, C. et al. (1995). Manual de perforación y voladuras de rocas. Instituto Tecnológico Geominero de España.
  • YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

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Columnas de grava ejecutadas por medios convencionales

Una columna de grava no solo se puede construir con técnicas como la vibrosustitución o el vibrodesplazamiento, sino que también es posible ejecutarlas con medios convencionales propios de los pilotes. En las Figuras 1 y 2 se observan tres procedimientos para ejecutar pilotes de grava mediante la sustitución del terreno.

Si el terreno es estable, la ejecución es similar a la de los pilotes de extracción con barrera sin entubación (pilotes CPI-7, según la nomenclatura de NTE). En este caso, tras la excavación con una barrena, se rellena la perforación con gravas, apisonando cada una de las tongadas.

Si el terreno no es estable, es necesario utilizar una camisa recuperable que sostenga la excavación (similar a la ejecución del pilote CPI-4). En este caso, se va excavando el material a la vez que se introduce la camisa. Tras llegar a la profundidad requerida, se va retirando la entubación conforme se va rellenando y apisonando las gravas por tongadas.

Figura 1. Ejecución de una columna de grava mediante sustitución en terreno estable o con entibación (Uriel, 1985)

En la Figura 2 se muestra un tercer procedimiento similar al anterior. Se trata de introducir la camisa mediante un vibrohincador. Una vez se llega a la profundidad prevista, se rellena la entubación de grava y, una vez llena, se extrae la tubería mediante vibración, que a su vez, compacta las gravas. No obstante, también es posible introducir la entubación mediante empuje, apoyándose en el par de la perforadora.

Figura 2. Ejecución de una columna de grava mediante sustitución con vibrohincador (Uriel, 1985)

En la Figura 3 se describen dos sistemas constructivos de la columna de gravas en el caso de desplazar el terreno. En el primer caso se hinca la entubación con un tapón perdido en el fondo, al igual que los pilotes de desplazamiento con azuche y tubería recuperable (CPI-2). Tras alcanzar la profundidad necesaria, se rellena la entubación por tongadas y se apisona simultáneamente a la extracción de la tubería. Una variante es hincar el tubo con un vibrohincador. Este tubo presenta una válvula en la punta para permitir la hinca y el desplazamiento del terreno. Posteriormente se rellena con grava y se extrae la tubería mediante vibración, que también compacta las gravas.

Figura 3. Ejecución de una columna de grava mediante desplazamiento (Uriel, 1985)

En Japón se ha desarrollado y utilizado enormemente la técnica de ejecución de columnas de gravas mediante un vibrohincador pesado en cabeza. Pero en este caso, el relleno suele ser de arena en vez de grava, que se compacta e imbrica con el terreno natural mediante sucesivos descensos y elevaciones de la camisa en vibración (Ortuño, 2003).

Referencias:

ORTUÑO, L. (2003). Vibroflotación. Columnas de grava. Jornada sobre mejora del terreno de cimentación. Madrid, 16 de diciembre.

URIEL, A. (1985). Mejora del terreno por medios dinámicos. Curso sobre pavimentos y rellenos portuarios. Puerto Autónomo de Valencia.

YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

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Pilotes de hormigón in situ huecos de gran diámetro

Figura 1. Máquina para instalar pilotes PCC. Fuente: https://www.youtube.com/watch?v=AtOu0L2sXkw

Los pilotes de hormigón “in situ” huecos y de gran diámetro (“cast-in-place concrete large-diameter pipe“, PCC) constituyen una técnica de mejora de suelos basados en inclusiones rígidas desarrollados recientemente en China debido a su bajo coste y a su alta capacidad de carga. La función de este sistema es minimizar los asentamientos totales y diferenciales tras la construcción de un terraplén en un suelo blando.

Se trata de un pilote tubular de hormigón vertido “in situ” que se construye con una carcasa formada por dos tubos de acero de distinto diámetro colocados uno dentro del otro, auxiliados por una pilotadora dotada de un vibrador (Figura 1).

El espacio entre los dos tubos se cierra en la parte inferior y el pilote se hace vibrar en el suelo. Una vez se alcanza la profundidad requerida, se vierte hormigón en la zona hueca creada entre los dos tubos del pilote, se comprime mediante vibración y se retrae este armazón. Este proceso abre el cierre entre las dos carcasas permitiendo que el tubo de hormigón permanezca en el suelo mientras se retraen las tuberías concéntricas.

El pilote final tiene un diámetro de 1,0 a 1,5 m, un grosor de pared de 100 a 150 mm, una longitud de hasta 25 m y una distancia entre centros de unos 2,5 a 4,0 m (Figura 2).

Figura 2. Dimensiones de un pilote PCC. Fuente: https://www.youtube.com/watch?v=AtOu0L2sXkw

Sobre el campo de pilotes se coloca un colchón formado por tres capas de geotextil con grava entre ellas para redistribuir la carga del relleno a los pilotes. Se comprueba que la velocidad de instalación es bastante lenta, pero que racionalizando el hormigonado se puede ganar tiempo. Se realizan pruebas posteriores para verificar la calidad del pilote individual y de toda la mejora del suelo.

El pilote PCC ofrece mejor rendimiento económico que otros métodos convencionales. Presenta un mejor control de calidad, pues tanto la integridad como el grosor de la pared se puede verificar más fácilmente. Combina las ventajas del pilote de hormigón pretensado, del pilote perforado y del pilote de acero. Así, el PPC puede alcanzar profundidades de 25 m con diámetros de hasta 1,50 m, mientras que las columnas de grava y las columnas de suelo-cemento presentan diámetros que rondan los 0,50 m y profundidades normalmente limitadas a 15 m. Por otra parte, pilotes de estas dimensiones no se podrían prefabricar y colocar sin que estuvieran fuertemente armados, cosa que no ocurre con un PPC.

La capacidad portante del PCC es elevada, pues el rozamiento es alto por su diámetro y porque se desarrolla tanto por el interior como por el exterior del pilote tubular. Ello permite separar los pilotes entre sí, disminuyendo el número total necesario. Además, la forma anular del elemento rebaja la cantidad de hormigón empleado.

En la Figura 3 se muestra la secuencia de la instalación del PCC. Primero se monta la carcasa anular en la pilotadora (a), se empuja al principio y luego se vibra para introducirla en el terreno (b). Una vez se alcanza la profundidad, se vierte hormigón en el espacio anular (c). Después se extrae la doble tubería de acero mediante vibración (d) hasta terminar el pilote (e).

Figura 3. Fases de la ejecución de un pilote PPC (Liu et al., 2009)

Os dejo a continuación un vídeo explicativo que creo os puede servir para entender el procedimiento constructivo de este tipo de pilotes.

 

Referencias:

LIU, H.L.; FEI, K.; MA, X.H.; GAO, Y.F. (2003). Cast-in-situ concrete thin-wall pipe pile with vibrated and steel tube mould technology and its application (I): Development and design. Rock Soil Mechanics, 24:164–168.

LIU, H.L.; CHU, J.; DENG, A. (2009). Use of large-diameter, cast-in situ concrete pipe piles for embankment over soft clay. Canadian Geotechnical Journal, 46(8): 915–927.

YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

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Compactación por impulso eléctrico

Figura 1. Operación de la compactación por impulso eléctrico (Chu et al., 2009)

La compactación por impulso eléctrico (electric spark compaction) es una técnica de mejora del terreno que se empezó a aplicar en Rusia para la mejora de arena y suelos tipo loess. Se introduce una sonda en una perforación rellena de hormigón con áridos finos y se aplican descargas eléctricas de unos 10 a 20 kJ con intervalos de 5 a 10 segundos, en escalones de 0,5 a 1,0 m. No obstante, los resultados de este método no son concluyentes, pues se ve afectado por las condiciones del terreno. Además, el uso de voltajes tan altos a veces supone una complicación añadida. No obstante, es un método que puede resultar útil en arenas saturadas.

La chispa eléctrica generada produce una onda de choque de vapor y gas. Estas ondas provocan una presión hidrodinámica en las paredes de la perforación. El equipo genera trenes de pulsos con varios segundos de intervalo entre ellos, lo que provoca una acción dinámica.

Figura 2. Compactación por impulso eléctrico. Adaptado de Lomize et al. (1973)

En la Figura 3 se pueden ver las fases de ejecución del método. En primer lugar (I) se realiza la perforación, posteriormente se rellena el hueco con una lechada de hormigón (II), se realiza el proceso de descargas eléctricas (III), y se introduce la armadura (IV-V). El aspecto final que queda en el pilote generado es similar al de los pilotes Franki.

Figura 3. Fases de ejecución de la mejora de suelos por impulso eléctrico (Dzhantimirov et al.,2010)

References:

CHU, J.; VARAKSIN, S.; KLOTZ, U.; MENGÉ, P. (2009). Construction Processes. Proceedings of the 17th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, pp. 3006-3135. IOS Press, doi:10.3233/978-1-60750-031-5-3006

DZHANTIMIROV, Kh. A.; RYTOV, S. A.; KRYCHKOV, S. A. (2010). Application of High-Power Electrical Sparks for Dynamic Compaction of Soil.  International Conferences on Recent Advances in Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics. 1.

LOMIZE, G.M., KIRILLOV, A.A., SEMUSHKINA, L.A., KIRILLOV, Y.A., ABRAMKIN, A.V. (1973). Tests of application of the electric spark method for compaction of the subsiding loess soils. Gidrotekhnicheskoe Stroitel’stvo (6): 22-25.

YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

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Procedimientos para la contención del agua

Figura 1. Ejecución de muro pantalla. https://spezialtiefbau.implenia.com/

En muchas obras realizadas bajo el terreno puede ser necesario el empleo de procedimientos constructivos para impedir que el agua llegue al tajo (exclusion methods).

Estos procedimientos se pueden utilizar por sí solos o bien combinados con técnicas de agotamiento o rebajamiento del nivel freático.

Se trata de métodos basados en barreras o pantallas (ground water cutoff structures) tales como ataguías, tablestacas, muros pantalla (Figura 1), pantallas de pilotes secantes, pantallas de lodo, jet-grouting, barreras de inyección, pantallas pláticas, pantallas de suelo estabilizado in situ, o congelación del terreno.

Lo habitual es que estas barreras lleguen, en la medida de lo posible, tal y como se observa en la Figura 2, a las capas de muy baja permeabilidad (arcillas o rocas no fracturadas).

Figura 2. Pantalla impermeable en presa de materiales sueltos.

Estos métodos se pueden agrupar en tres categorías (Cashman y Preene, 2012):

  • Barreras o muros de muy baja permeabilidad que se hincan o construyen en el terreno, tales como tablestacas o muros pantalla.
  • Procedimientos que reducen la permeabilidad del terreno in situ (como la inyección y la congelación artificial del suelo)
  • Procedimientos que utilizan la presión de un fluido en cámaras confinadas para contrarrestar las presiones intersticiales (como las cámaras de presión de tierras en tuneladoras)

Las barreras hincadas, como las tablestacas, desplazan el terreno y, por tanto, afectan menos al terreno adyacente. En cambio, las barreras excavadas, como los muros pantalla, implican un vaciado que se debe sustituir por la propia barrera. Las barreras formadas por inyección bloquean el flujo del agua subterránea. Por otra parte, la congelación del suelo forma una barrera con el agua intersticial helada. De todas formas, la selección del método más adecuado dependerá de las condiciones de la obra, sin descartar la combinación de varios procedimientos. Además, algunas estructuras de contención pueden formar parte de la estructura definitiva, como es el caso de los sótanos de edificación.

La forma más habitual de utilizar estos procedimientos de contención del agua es la construcción de un muro impermeable alrededor del perímetro de excavación que penetre hasta la capa de baja permeabilidad, tal y como se observa en la Figura 3.

Figura 3. Contención de agua con muros pantalla que llegan a capa de baja permeabilidad. Adaptado de Cashman y Preene (2012)

Los costes y la aplicabilidad de una pantalla impermeable depende en gran medida de la profundidad y de la naturaleza de los estratos subyacentes. Si no existe una capa de baja permeabilidad o bien se encuentra a gran profundidad, las filtraciones pueden desestabilizar el fondo de la excavación. En estos casos se deben combinar las barreras con el bombeo (Figura 4a) o bien construir un tapón o barrera horizontal (jet-grouting, por ejemplo) para evitar las filtraciones (Figura 4b).

Figura 4. Combinación de pantallas con (a) bombeo convencional o (b) con barreras horizontales. Adaptado de Cashman y Preene (2012)

Uno de los aspectos más interesantes de las barreras de contención es que modifican en menor medida el nivel freático alrededor de la excavación frente a los bombeos convencionales. Ello implica menores incidencias en estructuras próximas, fundamentalmente por subsidencias.

No obstante, uno de los problemas a evitar son las fugas a través de las barreras. Estas filtraciones pueden interferir en los trabajos del tajo y, por tanto, son necesarios sumideros y drenajes; pero otra posibilidad más grave son los sifonamientos localizados (Figura 5) o asentamientos por encima de los previstos.

Figura 5. Sifonamiento localizado por defectos puntuales en un muro pantalla. Elaboración propia basado en Pérez Valcárcel (2004).

Las aplicaciones que hemos visto anteriormente (Figuras 1 a 5) son las más habituales, con barreras o muros verticales alrededor de una excavación. Sin embargo, algunos procedimientos como las inyecciones o la congelación del suelo, pueden utilizarse en geometrías no verticales (Figuras 6a y 6b), e incluso para sellar la base de las excavaciones (Figura 4b).

Figura 6. Barreras inclinadas y barreras horizontales en túnel. Adaptado de Cashman y Preene (2012)

A continuación os dejo un folleto de la empresa Implentia sobre barreras de contención que puede complementar la información sobre las barreras de contención al agua.

Descargar (PDF, 4.34MB)

REFERENCIAS:

  • CASHMAN, P.M.; PREENE, M. (2012). Groundwater lowering in construction. A practical guide to dewatering, 2nd edition. CRC Press, Boca Raton, 645 pp.
  • PÉREZ VALCÁRCEL, J.B. (2004). Excavaciones urbanas y estructuras de contención. Ediciones Cat, Colegio Oficial de Arquitectos de Galicia, 419 pp.
  • POWERS, J.P.; CORWIN, A.B.; SCHMALL, P.C.; KAECK, W.E. (2007). Construction dewatering and groundwater control: New methods and aplications. Third Edition, John Wiley & Sons.
  • PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W. (2016). Groundwater control: design and practice, 2nd Edition. Construction Industry Research and Information Association, CIRIA Report C750, London.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

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Drenaje de excavaciones mediante bombeo desde pozos eyectores

Figura 1. Bombeo desde pozos eyectores. https://wjgroup.org/our-services/ejector-dewatering/

El sistema de pozos eyectores combina las ventajas de los pozos profundos y de las lanzas de drenaje (wellpoints), pero con algunas desventajas. Los pozos profundos precisan un diámetro suficiente para alojar en su interior una bomba sumergible, con el coste correspondiente, además, presentan una relativa fragilidad que puede solucionarse con el sistema de pozos profundos con eyectores. En este caso, la elevación del agua se realiza inyectando agua a alta presión hasta el fondo del sondeo, donde el efecto venturi succiona el agua y la eleva al exterior. Trabaja por succión, pero a diferencia de los wellpoints, ésta se produce en el fondo del pozo. La ventaja respecto a los pozos profundos es que los eyectores presentan un diámetro pequeño. Las bombas de presión se sitúan en superficie y son del tipo normal, lo cual resulta de interés por su fácil vigilancia y facilidad de mantenimiento y sustitución. Además, a diferencia de las electrobombas sumergibles, que pueden quemarse rápidamente si funcionan en seco, los eyectores pueden bombear mezclas de aire y agua sin problemas. Por tanto, el coste unitario de los eyectores es significativamente menor que el de los pozos profundos, por lo que pueden utilizarse en espaciamientos más pequeños cuando las condiciones son adecuadas.

La desventaja es su rendimiento energético bajo y su aplicabilidad se centra en caudales bajos. En efecto, en suelos con cierta cantidad de finos, con más del 5%, los métodos de drenaje gravitacionales son muy lentos y los conos de depresión tardan en formarse. Por tanto, el sistema es adecuado cuando se quiere rebajar el nivel freático en terrenos de baja permeabilidad (limo o arena fina) a más de 5 m, que sería el límite de un wellpoint de una sola etapa. En estos terrenos con conductividad tan baja, el uso de vacío garantiza un mejor drenaje del suelo. Además, si la columna del filtro en el pozo se sella con bentonita, el vacío se transmite por entero al terreno, acelerando el drenaje en los suelos finos que se encuentren atravesados por capas más permeables, aumentando la resistencia al corte del terreno.

Sin embargo, a profundidades mayores a 45-50 m, este sistema llega a ser ineficiente, optándose por un pozo profundo con bomba en el fondo. Además, los sistemas eyectores son sensibles a distintos componentes del agua subterránea como el hierro o el manganeso, que si precipitan pueden atascar el sistema, perdiendo rendimiento, al igual que por bioincrustaciones o por el desgaste de la boquilla, lo cual implica un mantenimiento regular del equipo.

La instalación consta de una serie de pozos, con una sola instalación de bombeo, cuya disposición depende de las condiciones del suelo. Los pozos están equipados por conductos o tuberías de alimentación, un expulsor (venturi), y un conducto de retorno. En la cabeza del pozo, la tubería de alimentación es conectada a una línea de alimentación de alta presión, y la tubería de retorno es conectada a una tubería de evacuación de baja presión. Las líneas de retorno están conectadas a una planta especial de bombeo la cual abastece a la línea de alimentación con agua a gran presión, y recoge el agua de la línea de evacuación. La elevada presión de agua que pasa a través del venturi, succionará el agua del suelo y la enviará a la superficie a través de la tubería de retorno. Pueden ser de dos tipos: de tubería única (dos concéntricas) o de dos tuberías. Este sistema se usa en suelos con baja permeabilidad (Figura 2).

Figura 2. Esquemas de eyector de dos tuberías o de tubería única (Powers, 1992)

A pesar del alto costo de la instalación de estos pozos, pueden resultar en algunos casos más económicos y fáciles de operar que los wellpoints. Los pozos pueden ser instalados en la superficie de la tierra fuera del área de construcción bajando el nivel de agua en una sola etapa. La distancia entre eyectores es similar a la utilizada en el sistema de wellpoints. En un principio, las profundidades de operación no están limitadas por la altura de succión, habiendo eyectores capaces de trabajar hasta 150 m de profundidad, aunque lo normal es estar entre los 30 y los 50 m en una sola etapa. Cuando se utilizan eyectores de una sola conducción, el diámetro interno de la perforación puede llegar a ser tan pequeño como 50 mm, lo que hace que este sistema sea  muy factible económicamente.

Una estación de bombeo suele constar de un tanque y una o más bombas, con válvulas y tuberías de conexión. La bomba toma agua del tanque y la impulsa a presión a la línea de abastecimiento, a las que están conectadas las tuberías de inyección de cada eyector. El agua inyectada y extraída del terreno vuelve al tanque a través de la línea general de retorno, a la que se conectan las tuberías de descarga de los eyectores. Una sola estación puede abastecer hasta 75 pozos eyectores.

Os paso una animación para que veáis cómo funciona un eyector. Espero que os sea útil.

REFERENCIAS:

  • POWERS, J.P. (1992). Construction dewatering: New methods and applications. Ed. Wiley et al., New York.
  • PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W., DYER, M.R. (2004). Groundwater control: design and practice. CIRIA C515, London.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

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Selección del sistema de control del nivel freático

Figura 1. Control del nivel freático. https://www.flickr.com/photos/wsdot/4997287082/

Los trabajos a cielo abierto, donde la cota de excavación se encuentra por debajo del nivel freático requieren emplear procedimientos constructivos diferentes para evitar que dicha excavación se inunde. El agua modifica el estado del terreno, pudiendo provocar desprendimientos, socavaciones, etc., complicando el trabajo de la maquinaria y del personal. Construir en estas condiciones requiere acertar con el procedimiento adecuado.

La elección del sistema de control del nivel freático depende fundamentalmente de la estabilidad y permeabilidad del terreno, del caudal a evacuar y de la geometría (profundidad y extensión del control).

La empresa constructora seleccionará aquel método más rentable que minimice el impacto ambiental y los riesgos asociados, especialmente aquellos relacionados con la seguridad del personal y de terceros. Sin embargo, hay que tener presente que las técnicas no son directamente intercambiables y solo son eficaces bajo determinadas condiciones.

La Figura 2 proporciona una orientación inicial que recoge el rango de aplicación de los sistemas de control del nivel freático en función de la permeabilidad del terreno y de la reducción requerida del nivel de agua. En dicha figura, las áreas sombreadas indican zonas donde los métodos pueden solaparse.

Figura 2.  Rango de aplicación de los sistemas de control del nivel freático (Cashman y Preene, 2012)

En la Figura 3 se muestra cómo el porcentaje de finos frente al tamaño de partícula puede utilizarse como una primera aproximación para decidir el tipo de drenaje a utilizar. La figura también muestra que el flujo por gravedad del agua se reduce cuando el tamaño de las partículas es inferior al de arena muy fina.

Figura 3. Sistemas de drenaje aplicables a diferentes tipos de terrenos (Powers et al., 2007)

En la Tabla 1 se recoge, de forma simplificada respecto a la Figura 2, los rangos de permeabilidad para los cuales es aplicable un sistema de control del nivel freático u otro.

Tabla 1. Aplicabilidad del sistema de control del nivel freático en función de la permeabilidad del terreno (Justo Alpañes y Bauzá, 2010). http://contactoetsa.us.es/descarga/Postgrado—-Doctorado/Curso-Codigo-T%C3%A9cnico/TEMA-10-DB-SE-C—Excavaciones-y-drenajes-[Modo-de-compatibilidad].pdf/
En la Figura 4 tenemos otro procedimiento para seleccionar el sistema de control teniendo en cuenta el diámetro eficaz y la profundidad. El diámetro eficaz, que es el correspondiente al 10% en la curva granulométrica, permite caracterizar la permeabilidad del suelo. En este caso, incorporamos el criterio de profundidad, a diferencia de la Figura 3.

Figura 4. Gráfico de Herth y Arnodits (1973) para seleccionar el sistema de control del nivel freático en función del diámetro eficaz (permeabilidad) y de la profundidad del rebajamiento.

La Tabla 2 resulta de gran interés para valorar qué métodos sería el más adecuado en función de la granulometría del suelo, la hidrogeología, los requerimientos técnicos y la capacidad (Powers, 1992). Según esta tabla, resulta ilustrativo comprobar cómo los drenes horizontales suele ser el método más eficaz ante cualquier naturaleza y condición.

Tabla 2. Aptitud del sistema de control del nivel freático (Powers, 1992). https://www.interempresas.net/Rehabilitacion/Articulos/133892-Innovacion-sistemas-drenaje-elevada-siniestralidad-incidencia-agua-subterranea.html

Se pueden agrupar los suelos en cuatro grupos a efectos del posible rebajamiento del nivel freático (Schulze y Simmer, 1978; Muzas, 2007):

  • Bolos y gravas gruesas: k > 1 cm/s y tamaño del árido mayor de 5 mm. Con grandes caudales es muy costoso el bombeo, por lo que se hace el trabajo sumergido o con aire comprimido. También se puede impermeabilizar el recinto antes de los trabajos con inyecciones o con una pantalla plástica realizada con una mezcla de bentonita-cemento.
  • Arenas gruesas y finas: 1 > k > 10-2 cm/s y tamaño del árido entre 0,1 a 5 mm. Se usan pozos filtrantes y bombeo, al circular el agua por gravedad, con una velocidad de 1 a 0,01 cm/s.
  • Arenas finas y limos: 10-3 > k > 10-5 cm/s y tamaño entre 0,2 y 0,008 mm. El agua no puede circular libremente entre los poros, por lo que se pueden producir sifonamiento si aumenta la presión intersticial que se pueden evitar si se recurre al método de vacío (wellpoints).
  • Limos y arcillas:  10-4 > k > 10-6 cm/s y tamaño entre 0,02 y 0,002 mm. El agua no se puede desplazar por descenso del nivel freático. Con terrenos estables se puede usar el agotamiento ordinario, permitiendo construir taludes sin entibación, excepto en el caso de suelos muy susceptibles, en cuyo caso solo se pueden drenar por electroósmosis.

En el caso de bombeos, para seleccionar el diseño adecuado, siempre es recomendable realizar una prueba de bombeo que determine, entre otras, las siguientes características:

  • Permeabilidad media o transmisividad y radio de influencia
  • Gradiente horizontal probable, cuyo efecto es importante en estructuras vecinas o pozos cercanos
  • Dificultades de instalación de los pozos, para el diseño y selección del procedimiento constructivo
  • El caudal que se puede extraer del pozo
  • Cualquier condición imprevista que pueda afectar al bombeo

Os dejo a continuación un Polimedia explicativo. Espero que os sea de interés.

REFERENCIAS:

  • CASHMAN, P.M.; and PREENE, M. (2012). Groundwater Lowering in Construction: A Practical Guide to Dewatering, 2nd edition. CRC Press, Boca Raton, 645 pp.
  • HERTZ, W.; ARNDTS, E. (1973). Theorie und praxis der grundwasserabsenkung. Ernst & Sohn, Berlin.
  • JUSTO ALPAÑES, J.L.; BAUZÁ, J.D. (2010). Tema 10: Excavaciones y drenajes. Curso de doctorado: El requisito básico de seguridad estructural en la ley orgánica de la edificación. Código Técnico de la Edificación. ETS. de Arquitectura, Universidad de Sevilla.
  • MUZAS, F. (2007). Mecánica del suelo y cimentaciones, Vol. II. Universidad Nacional de Educación a Distancia, Madrid.
  • POWERS, J.P. (1992). Construction dewatering: New methods and applications. Ed. Wiley et al., New York.
  • PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W. (2016). Groundwater Control – Design and Practice, 2nd Edition. Construction Industry Research and Information Association, CIRIA Report C750, London.
  • SCHULZE, W.E.; SIMMER, K. (1978). Cimentaciones. Editorial Blume, Madrid, 365 pp.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 326 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Drenaje de excavaciones mediante bombeos superficiales y sumideros

Figura 1. Sumidero para bombeo superficial. https://www.ferrersl.com/noticias/proyectos-servicios/sistema-de-bombeo-tipo-sumidero/

Un sumidero o pozo abierto (sump pit) es un foso en el que el agua se acumula antes de ser evacuada mediante un bombeo superficial (sump pumping). El sumidero se encuentra a un nivel más bajo que el terreno circundante para que el agua fluya a él por gravedad. Con estos bombeos no se provoca un descenso de la capa freática tal que permita la excavación en seco, sino que provoca la escorrentía del agua hasta alcanzar los sumideros. El agua bombeada se evacua hacia un canal de desagüe o a una conducción de drenaje. Debe eliminarse en la medida de lo posible la arena en suspensión, pues no solo ensucia las conducciones, sino que dificulta la circulación del agua.

El bombeo superficial recibe también el nombre de agotamiento ordinario. Se trata del sistema más sencillo de drenaje, económico y muy efectivo para abatimientos pequeños del nivel freático. El diseño y montaje de los bombeos superficiales se limita a preparar puntos o zanjas drenantes que concentren y faciliten el flujo del agua. Sin embargo, es su menor impacto económico el que hace que se extrapole su uso a situaciones inapropiadas, con resultados desfavorables, demoras de plazo, accidentes y posibles daños.

En efecto, la ejecución del sumidero no es aplicable en suelos granulares, puesto que su estabilidad es prácticamente nula y de riesgo alto una vez se atraviesa la capa freática, por lo que con los medios básicos y usuales a pie de obra, no es posible su implantación. Por eso solo se plantea el sistema con descensos muy pequeños del nivel freático, en el entorno de 2 m en suelos de moderada estabilidad.

Con excavaciones de alturas algo mayores, se requiere cierta cohesión del terreno para ejecutar taludes estables dentro de la parcela a vaciar. Por tanto, el bombeo abierto desde el fondo de la excavación no podrá ser utilizado en arenas, limos, arcillas limosas, o en cualquier situación en la que el agua pueda producir sifonamiento, levantamiento del fondo o inestabilidad de los taludes de la excavación.

Además, también pueden provocar problemas de desestabilización debido a la pérdida de finos del terreno circundante, así como a la elevación de las presiones efectivas y los consiguientes movimientos y asientos del terreno contiguo. Asimismo, el agua evacuada puede presentar una elevada carga de sedimentos que pueden provocar problemas medioambientales en el punto de vertido. Se pueden reducir los arrastres de finos minimizando la velocidad del flujo y colocando filtros y depósitos de decantación (areneros) a lo largo de la red de drenaje, en su caso. El arrastre de finos provocado por los agotamientos, puede también reducirse por medio de drenes de material filtrante colocados al pie de los taludes de la excavación.

Figura 2. Esquema de sumidero y bomba de achique para pequeñas excavaciones, basado en Powers (1992).

Los sumideros se plantean distribuidos a lo largo del perímetro de la excavación. Son excavaciones puntuales, de profundidades inferiores a unos 4 m, donde se dispone un árido que actúe de filtro y de una tubería metálica ranurada, de unos 450 mm, que permite alojar equipos de bombeo sumergibles de achique, de potencias de hasta 15 CV, capaces de elevar en torno a 40 l/s. Los áridos del prefiltro tienen un tamaño próximo a 15 mm y el ranurado del tubo, en el entorno de paso de 8 mm. El sumidero se debe profundizar a medida que progresa la excavación. Una vez alcanzada la profundidad definitiva debe recubrirse la solera con grava si el terreno es de grano fino y se prevé una larga utilización para evitar la posible succión de arenas.

Las bombas más utilizadas son las de membrana y las centrífugas. Estas bombas, que trabajan con rendimientos del 60-80 %, deben tener potencia suficiente para aspirar e impulsar con cierto margen, el caudal de agua mezclada de arenas y limos. Si la profundidad de la excavación supera la altura práctica de aspiración de la bomba (unos 5 m), la bomba debe quedar por debajo de la superficie del terreno y lo más próxima al nivel freático. En este caso es mejor utilizar bombas sumergibles, con lo cual ya no tiene importancia la altura de aspiración, mientras que la impulsión solo depende de la potencia del motor.

Figura 3. Aspecto del sumidero una vez colocado el material filtrante alrededor del tubo ranurado. https://www.ferrersl.com/noticias/proyectos-servicios/sistema-de-bombeo-tipo-sumidero/

La limpieza y el mantenimiento de los sumideros son tareas continuas. El sedimento se acumula en la parte superior de la grava y debe ser removido periódicamente, especialmente después de las lluvias. Si el sedimento se introduce en la grava que sirve de filtro, obstruyéndola, se debe reemplazar con grava limpia.

Os dejo un Polimedia explicativo sobre este tema. Espero que os sea de interés.

En este vídeo, cortesía de FERRER, S.L., se puede observar este sistema de bombeo superficial.

REFERENCIAS:

  • POWERS, J.P. (1992). Construction dewatering: New methods and applications. Ed. Wiley et al., New York.
  • PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W., DYER, M.R. (2004). Groundwater control: design and practice. CIRIA C515, London.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

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Clasificación de las técnicas de control del agua en excavaciones

Figura 1. Bajo nivel freático. https://www.keller.com.es/experiencia/soluciones/bajo-nivel-freatico

Cuando se realiza una excavación, la presencia de agua subterránea siempre provoca problemas. No solo dificulta el desarrollo de los trabajos, sino que también debilita los taludes o el fondo, comprometiendo su estabilidad.

Las aguas interfieren el desarrollo de los trabajos, por lo que hay que evitar que lleguen a los tajos mediante captaciones locales, ataguía, canaletas, drenajes, etc., evacuándolas por gravedad, y reduciendo el bombeo a lo estrictamente necesario.

El impacto del agua es de tal relevancia que condiciona el diseño de la estructura y del procedimiento constructivo, afectando consecuentemente al coste. Por tanto, no hay más remedio que impedir en lo posible la entrada de agua en la excavación (barreras físicas permanentes o provisionales) y expulsar fuera la que pudiese entrar (bombeos), o bien modificando las propiedades en el terreno y el agua (inyecciones en el terreno, congelación).

Todas las técnicas que permiten excavar en presencia de agua, tanto sea creando barreras impermeables al abrigo de las cuales es posible drenar la excavación, o bien extrayendo el agua con un caudal mayor al que el terreno puede proporcionar, se van a denominar técnicas de control del nivel freático. No obstante, y en términos estrictos, el “control del nivel freático” (dewatering) solo se debería aplicar a acuíferos libres formados por suelos de grano grueso. En acuíferos libres de grano fino o en acuíferos confinados deberíamos hablar de “control de la presión intersticial” (pore water pressure).

Figura 2. Posibilidades de control del nivel freático mediante extracción del agua o por barreras impermeables

Pérez Valcárcel (2004) clasifica las técnicas en (a) sistemas de contención de agua: tablestacas, ataguías, muros pantalla, congelación o inyección del terreno; y (b) sistemas de drenaje de excavaciones: bombeo desde zanjas perimetrales, bombeo desde pozos filtrantes, bombeo con agujas filtrantes (wellpoint) y electroósmosis. Por su parte, García Valcarce et al. (1995), además de los sistemas de contención de agua mencionados, subdivide los sistemas de drenaje en sistemas de drenaje propiamente dichos y sistemas de agotamiento, donde entrarían los drenajes profundos.

No obstante, existen más clasificaciones. Por ejemplo, Powers (1992) clasifica dichas técnicas en cuatro grupos:

  • Sistemas de bombeo abierto (sump pumping): el flujo del agua de una excavación se recoge en zanjas y sumideros y posteriormente se bombea al exterior.
  • Sistemas de predrenaje o drenaje previo del terreno (predrainage): antes de excavar se drena el suelo mediante pozos de bombeo, wellpoints, eyectores o drenes. Se pretende una excavación en seco.
  • Sistemas de diafragmas o de contención del agua (cut off): mediante tablestacas, muros pantalla, pantallas de lodos, congelación del terreno o inyecciones. Suelen usarse en combinación con los sistemas de bombeo.
  • Sistema de exclusión del agua (excluded): mediante aire comprimido, una entibación de lechada o con una entibación de presión de tierras, muy utilizados en la construcción de túneles mediante escudos presurizados.

Se podrían resumir las clasificaciones anteriores en la propuesta de la Figura 3. En esta clasificación, la contención del agua se realiza mediante barreras físicas como ataguías o pantallas, o bien mediante métodos de exclusión; mientras que el drenaje se puede realizar antes o durante la excavación, diferenciando de esta forma el agotamiento del rebajamiento del nivel freático.

Figura 3. Clasificación de las técnicas de control del agua. Elaboración propia.

En el caso de la extracción del agua, tenemos dos posibilidades en función del momento en que realiza en relación con la excavación:

  1. Agotamiento del nivel freático, cuando se evacua el agua que se filtra al recinto de la excavación conduciéndola a una zanja o un sumidero, donde se bombea. Las filtraciones se controlan y evacúan durante la excavación, sin depresión previa del freático.
  2. Rebajamiento del nivel freático, cuando se hace descender el nivel freático por debajo de los taludes y el fondo del recinto de la excavación. Se controla y evacua el agua antes de la excavación.

El procedimiento a utilizar depende de los caudales a bombear, que a su vez dependen de la importancia de los acuíferos y del coeficiente de permeabilidad del terreno. Normalmente el rebajamiento es preferible al agotamiento directo, entre otras, por las siguientes razones:

  • En el caso del agotamiento, el recinto excavado está más o menos blando y encharcado, lo cual dificulta el paso de operarios y maquinaria. Con un rebajamiento previo, la excavación puede realizarse prácticamente en seco e incluso con un terreno ligeramente cohesionado debido a las fuerzas capilares. Además, es más sencillo excavar y transportar un terreno más bien seco que empapado.
  • El agotamiento puede provocar sifonamiento y tubificación, puede descomprimir el terreno o degradarlo por arrastre de finos, convirtiéndolo en colapsable.
  • El rebajamiento contribuye a aumentar la estabilidad de los taludes y disminuye los empujes sobre las estructuras de contención (entibación, pantallas o tablestacas). El rebajamiento puede utilizarse, incluso, para aumentar la presión efectiva y provocar su consolidación.

Pero también existen algunos inconvenientes con el rebajamiento del nivel freático:

  • Si falla el dispositivo que mantiene el rebajamiento, puede entrar en poco tiempo agua en la excavación, desmoronándose taludes o levantando el fondo.
  • Como el rebajamiento no se realiza en un área muy concreta, en los alrededores se producirá un aumento de las tensiones efectivas, y por tanto, asientos que pueden producir daños en estructuras próximas.

Los métodos apropiados de control del nivel freático dependerán de la naturaleza del suelo y de la profundidad de la excavación. Así, en función de la permeabilidad del terreno, la remoción del agua puede hacerse por gravedad, por aplicación de vacío o por electroósmosis. Así, el agotamiento se utilizará en gravas, pues presentan una elevada permeabilidad, con caudales importantes y terrenos poco erosionables. Una permeabilidad entre 10-1 < k < 10 (m/s) permite el agotamiento desde la misma excavación, si ésta penetra menos de 3 m en el nivel freático. Para mayores permeabilidades o mayores profundidades de excavación, habría que recurrir a otros procedimientos constructivos. En cambio, el rebajamiento será útil en arenas o arenas limosas, con una permeabilidad entre 10-6 < k < 10-1 (m/s). En el caso de arcillas y limos, con permeabilidades entre  10-7 < k < 10-6 (m/s), el rebajamiento suele realizarse por vacío o electroósmosis, pues el caudal es bajo y el cono formado por la depresión del nivel freático se realiza lentamente. Para permeabilidades menores, comprendidas entre 10-9 < k < 10-7 (m/s)  basta con hacer algún agotamiento periódico de la excavación. Para permeabilidades menores a 10-9 (m/s), se puede excavar en seco.

Os dejo un Polimedia explicativo sobre este tema. Espero que os sea de interés.

Como complemento, os dejo también, por su interés, un artículo de Ferrer, Davila y Sahuquillo donde se analiza el proceso de drenaje en obra civil ubicada en zona urbana. Espero que os sea útil.

Descargar (PDF, 2.01MB)

REFERENCIAS:

  • GARCÍA VALCARCE, A. et al. (1995). Manual de Edificación. Derribos y demoliciones. Actuaciones sobre el terreno. Ediciones Universidad de Navarra, Pamplona, 472 pp.
  • PÉREZ VALCÁRCEL, J.B. (2004). Excavaciones urbanas y estructuras de contención. Ediciones Cat, Colegio Oficial de Arquitectos de Galicia, 419 pp.
  • POWERS, J.P. (1992). Construction dewatering: New methods and applications. Ed. Wiley et al., New York.
  • YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

 

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