Clasificación de las técnicas de control del nivel freático en excavaciones

Figura. 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.

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.

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.

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 del recinto de la excavación conforme se produce su filtración. Las filtraciones se controlan y evacúan durante la excavación.
  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.

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.

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.

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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. (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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El efecto Renard, o por qué un suelo parece que entra en ebullición: Sifonamiento

Figura 1. Arenas movedizas. https://churbuck.com/category/clamming/page/2/

Cuando existe un flujo ascendente de agua en un terreno, la corriente circula en sentido contrario al peso del terreno. Este empuje puede ser tan algo que supere al peso del terreno, con lo cual tenemos la impresión que el terreno se ha licuado y se comporta como un líquido en ebullición. Este efecto, muy estudiado en cualquier libro de geotecnia, tiene lugar cuando las tensiones efectivas se anulan. Se produce el fenómeno del sifonamiento o licuefacción, también llamado “efecto Renard”. En este caso, una arena, por ejemplo, pierde su consistencia y parece que entre en ebullición. Esto se debe a que un suelo sin cohesión pierte completamente su resistencia al corte y pasa a comportarse como un fluido.

Resulta sencillo demostrar que este fenómeno ocurre cuando se alcanza un gradiente crítico, cuyo valor es el cociente entre el peso específico sumergido del suelo y el peso específico del agua. Este valor se aproxima en muchos casos a la unidad. Cualquier objeto que se sitúe sobre un terreno con licuefacción que tenga un peso específico superior al del la mezcla fluida de terreno y agua, se hundirá; esto es especialmente importante si tenemos maquinaria dentro de la excavación o existen cimentación que se apoye en esa zona. Se trata del conocido fenómeno de las arenas movedizas.

Este problema es importante cuando tenemos que excavar bajo nivel freático una profundidad “h” (ver Figura 2). Una forma de solucionar evitar el sifonamiento consiste en utilizar tablestacas o ataguías que tengan una longitud de empotramiento “x” suficiente. En este caso, la línea de filtración más corta del agua tiene una longitud igual a h+2x.

Figura 2. Longitud de empotramiento para evitar el sifonamiento

Supongamos que nos dan como datos el peso específico de las partículas sólidas de un suelo “γs ” y su porosidad “n”. El peso específico del agua es  “γw“. Vamos a considerar un coeficiente de seguridad  “η”. Como el gradiente es h/(h+2H), se puede comparar con el gradiente crítico dividido por su coeficiente de seguridad. De este modo, es fácil demostrar que la longitud de empotramiento es:

En la Figura 3 se representa la evolución del empotramiento en función de la profundidad de la excavación bajo nivel freático y de la porosidad del suelo. Se ha supuesto γs = 2,65 t/m3   y un coeficiente de seguridad η = 3. Es fácil comprobar la relación lineal entre el empotramiento y la altura del nivel freático sobre la excavación. Además, cuanto más poros presenta el terreno, más empotramiento es necesario.

Figura 3. Profundidad de empotramiento de una tablestaca para evitar el sifonamiento

Respecto al coeficiente de seguridad frente al sifonamiento, el Código Técnico de la Edificación (CTE), en su Documento Básico SE-C Cimientos, se indica que, en el caso de las pantallas, el coeficiente de seguridad será η = 2.

Nota muy importante: una cosa es la profundidad mínima de empotramiento para evitar el sifonamiento y otra bien diferente es calcular el empotramiento necesario de una tablestaca para soportar los esfuerzos de empuje a los que está sometido. Por tanto, el empotramiento real será el mayor de los dos valores. Se recomienda siempre efectuar con detalle los cálculos geotécnicos y estructurales necesarios. Y sobre todo, utilizar el sentido común.

Referencias:

  • DAS, B. (2005). Fundamental of Geotechnical Engineering2nd ed, Technomic Publishing Co.
  • GONZÁLEZ DE VALLEJO, L.I. et al. (2004). Ingeniería Geológica. Pearson, Prentice Hall, Madrid.
  • 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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