Principales técnicas de tratamientos de mejora del terreno
Un terreno se considera que es malo o inadecuado, si no cumple con determinadas condiciones o propiedades que lo hagan apto para los requerimientos de un proyecto.
Cuando un terreno es inadecuado se pueden tomar distintas decisiones al respecto:
• Abandonar el proyecto. Esta solución se considera adecuada cuando es posible encontrar otra ubicación a nuestro proyecto, o bien, cuando es inviable desde el punto de vista económico, social o medioambiental.
• Extraer y reemplazar el terreno inadecuado. Es una práctica habitual que puede ser inapropiada cuando el coste de la retirada del terreno y la aportación de los materiales seleccionados no es competitivo, o no se encuentran disponibles, o existen restricciones medioambientales.
• Redimensionar o cambiar el proyecto para que sea compatible con las características del terreno. Es el caso del uso de pilotes para trasladar las cargas a un estrato competente.
• Modificar el suelo o la roca para mejorar sus propiedades o comportamiento a través de lo que conocemos como técnicas de mejora de terrenos.
Los terrenos granulares deformables o licuables y los terrenos cohesivos blandos o deformables son los que habitualmente son objeto de mejora. Con todo, también hay terrenos difíciles que pueden requerir tratamiento, como los expansivos, los colapsables, los residuales, los altamente compresibles, los duros degradables, los kársticos, los suelos dispersivos, o las arcillas susceptibles, entre otros muchos.
La profundidad de la mejora puede variar desde menos de 1 m, en el caso de la compactación superficial con rodillo vibrante, hasta más de 100 m en tratamientos con inyecciones.
Las técnicas de mejora del terreno que contempla la Guía de Cimentaciones en Obras de Carreteras del Ministerio de Fomento son las siguientes:
• Sustitución
• Compactación con rodillo
• Precarga
• Mechas drenantes
• Vibración profunda
• Compactación dinámica
• Inyecciones
• Inyecciones de alta presión (Jet grouting)
• Columnas de grava
• Columnas de suelocemento
• Claveteado o cosido del terreno
• Geosintéticos
• Explosivos
• Tratamientos térmicos
• Congelación
• Electroósmosis
Además, en la Guía de Cimentaciones en Obras de Carreteras del Ministerio de Fomento, se dan unas recomendaciones respecto a la aplicabilidad de las principales técnicas de mejora del terreno:
Por otra parte, Mitchell (1981), realizó una clasificación de los principales tratamientos del terreno atendiendo a su granulometría. En la siguiente figura aparece de forma aproximada el campo de aplicación de diferentes técnicas:
A su vez, el Comité técnico TC17 de la Sociedad Internacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica clasifica los métodos de mejora en 5 grandes grupos:
• Mejora del terreno sin adiciones en suelos no cohesivos o materiales de relleno: compactación dinámica, la vibrocompactación, compactación por explosivos, compactación por impulso eléctrico y la compactación superficial, incluyendo también la compactación dinámica rápida.
• Mejora del terreno sin adiciones en suelos cohesivos: sustitución o desplazamiento, la precarga mediante relleno, la precarga mediante vacío, la electroósmosis, la estabilización térmica, la congelación o la compactación por hidrovoladura.
• Mejora del terreno con adiciones o inclusiones: vibrosustitución, la sustitución dinámica, pilotes de arena compactada, columna reforzada con geosintéticos, inclusiones rígidas, etc.
• Mejora del terreno con adiciones tipo inyección: inyecciones de partículas, inyecciones químicas, métodos de mezclado, jet grouting, inyecciones de compactación, inyecciones de compensación, etc.
• Refuerzo del terreno: técnica reforzada con acero geosintético, anclajes al terreno, claveteado del terreno, o métodos biológicos mediante vegetación.
A continuación, vamos a tratar de describir algunos de los sistemas de tratamiento de mejora del terreno más utilizados en construcción:
I.-PRECARGA (“Suelos cohesivos blandos”)
Es una técnica clásica para la mejora de terrenos blandos.
El ámbito de aplicación de la precarga es el siguiente:
La primera vez que un suelo es sometido a cargas importantes (mayores que las que sufrió en el pasado) experimenta deformaciones mucho mayores (entre dos y veinte veces más, y normalmente del orden de unas cinco o diez veces más) que cuando se carga posteriormente, después de haber sido precargado y descargado. Ello puede comprobarse mediante la realización de ciclos de carga y descarga en ensayos edométricos.
La precarga se basa en este concepto. Antes de construir la obra, el suelo puede precargarse con tierras u otras sobrecargas colocadas en superficie.
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. Esto se traduce en un aumento de la resistencia del terreno y una disminución de los asientos post-constructivos.
Este tratamiento es un método de mejora destinado, en principio, a suelos cohesivos blandos. Estos suelos sufren asientos importantes bajo sobrecargas pequeñas, con una evolución lenta de los asientos.
Por otra parte, hay que apuntar a que la profundidad eficaz de la precarga puede llegar a varias decenas de metros, lo cual hace que la técnica sea realmente interesante.
La finalidad de la precarga es preconsolidar un suelo compresible, para que cuando se vuelva a volver a cargar sufra menores asientos, además de aumentar la resistencia.
Casi todos los suelos, tanto secos como saturados, pueden mejorarse con buenos resultados mediante la precarga. Se ha utilizado en suelos naturales como arenas sueltas y limos, arcillas limosas blandas, limos orgánicos, turbas, y depósitos aluviales erráticos. Y también en suelos artificiales, por ejemplo, aquellos formados por materiales dragados sin compactar, residuos industriales, o depósitos de residuos urbanos.
Ventajas de la precarga:
• Bajo coste, entre 10-20% respecto a otros métodos. Se puede llegar a 20-40% si la precarga se realiza con drenes.
• Los equipos utilizados son sencillos y baratos. Se trata de equipos de movimiento de tierras.
• Se pueden evaluar los efectos de forma directa, ya que es un ensayo a escala natural.
• En zonas sensibles a la sismicidad se reduce el riesgo a la licuación del suelo, sobre todo en suelos arenosos y finos.
Inconvenientes de la precarga:
• Uno de los factores más limitantes de esta técnica es el tiempo necesario para la consolidación.
• Otros factores limitantes son el límite de la capacidad de soporte del suelo, el efecto sobre estructuras próximas como asientos, empujes laterales del terreno, rozamiento negativo, y posibles costes elevados de auscultación y control.
Para acelerar la consolidación, y reducir así 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, por ejemplo, inclusiones verticales con columnas de grava, es una técnica que además de acelerar el proceso de consolidación, supone un refuerzo del terreno. O la instalación de drenes verticales en el terreno.
Cuando el suelo blando esté saturado, es necesario mantener aplicada la precarga durante el tiempo preciso para que la compresión efectiva sea la deseada. El tiempo de espera puede ser en ocasiones incompatible con el plan de construcción deseado. Este grave inconveniente puede paliarse acelerando artificialmente la consolidación mediante el uso de “mechas drenantes”.
Recomendaciones de la Guía de Cimentaciones en Obras de Carreteras del Ministerio de Fomento, respecto a los posibles parámetros para fijar los objetivos de los tratamientos de mejora del terreno:
Recomendaciones de la Guía de Cimentaciones en Obras de Carreteras del Ministerio de Fomento, en relación con algunos aspectos que deben controlarse durante la ejecución de los tratamientos de mejora del terreno:
II.-DRENES VERTICALES O MECHAS DRENANTES (“Suelos cohesivos blandos saturados”)
Los suelos blandos saturados, sometidos a cargas o precargas, han de expulsar el agua para ganar la consistencia suficiente para construir la obra en cuestión. El agua circularía naturalmente hacia los extremos permeables, normalmente el superior, inferior y los laterales del área precargada, y ello puede implicar caminos o recorridos del agua demasiado largos, que podrían requerir tiempos superiores a los compatibles con la realización de la obra.
En aquellos casos en los que los plazos de espera de las precargas sean, según las estimaciones realizadas, demasiado largos, se estudiará la conveniencia de reducirlos mediante la disposición de drenes verticales o mechas drenantes, hincadas a través del terreno blando a consolidar.
Los drenes verticales son columnas de material permeable, instalados en suelos arcillosos compresibles para drenarlos, recogiendo y expulsando el agua evacuada durante la consolidación.
Estos drenes acortan el recorrido de agua, pues al drenaje vertical existente, se le suma el drenaje horizontal o radial que crea este drenaje vertical.
Los drenes de mecha o simplemente mechas drenantes son los más utilizados. Las mechas drenantes son drenes prefabricados que se hincan en el terreno y que permiten recoger el agua y conducirla, sin apenas pérdida de carga, hacia el exterior. Normalmente el agua se recoge en una capa o tongada libremente drenante, colocada a estos efectos en la superficie del terreno (base de la precarga en su caso).
Entre las ventajas de los drenes prefabricados se encuentra su bajo coste, la mayor capacidad de drenaje, una instalación rápida, el uso de equipos ligeros y sencillos, el proceso mecanizado, la continuidad del dren, la calidad constante y garantizada, la limpieza del emplazamiento, la alteración mínima del terreno, y un transporte y acopio poco significativo.
La profundidad eficaz del tratamiento puede llegar incluso hasta varias decenas de metros.
La finalidad de este método es alcanzar un grado de consolidación suficiente dentro de un plazo aceptable en el proyecto, modificando las variables de consolidación y tiempo. Con ello se aceleran los asientos por el drenaje, con asientos insignificantes tras la construcción.
Las etapas del procedimiento constructivo son las siguientes: 1) Situamos la máquina en el emplazamiento. 2) Se introduce el vástago junto con la mecha hasta la profundidad requerida. 3) Se extrae el vástago dejando la mecha en el terreno. 4) Una vez extraído el vástago, se corta la mecha unos 30 cm por encima de la superficie del terreno.
Las mechas drenantes suelen atravesar completamente el terreno blando a consolidar, y quedar dispuestas en filas al tresbolillo (vértices de triángulos equiláteros), con separaciones entre ellas del orden de magnitud que se indica en la tabla 7.2.
Recomendaciones de la Guía de Cimentaciones en Obras de Carreteras del Ministerio de Fomento, respecto a los posibles parámetros para fijar los objetivos de los tratamientos de mejora del terreno:
Recomendaciones de la Guía de Cimentaciones en Obras de Carreteras del Ministerio de Fomento, en relación con algunos aspectos que deben controlarse durante la ejecución de los tratamientos de mejora del terreno:
III.-CONSOLIDACIÓN POR VACÍO DE SUELOS (“Suelos cohesivos”)
La consolidación por vacío o atmosférica es un sistema patentado por Menard, que permite la consolidación y precarga de suelos saturados impermeables blandos y muy blandos como arcillas, limos, turbas, etc.
El sistema consiste en la instalación de una red de drenes horizontales y verticales bajo una membrana impermeable que permite, mediante bombeo al vacío del agua intersticial y el aire del terreno, crear un vacío en el terreno que equivale a una carga de 60 a 80 kPa, que sería aproximadamente lo mismo que una capa de 3 a 4 m de arena.
El agua se evacua por medio de zanjas perimetrales de confinamiento, a las que se ancla la membrana.
Este método consta principalmente de un sistema de drenaje vertical instalado dentro de la zona que se desea mejorar, para posteriormente instalar una membrana hermética sobre la zona a la que se aplicará el vacío.
En este caso la precarga consistirá principalmente en el vacío aplicado a la membrana, evitando así la construcción de terraplenes de gran altura para igualar los esfuerzos que generaría la estructura a construir. Además, con esta precarga se espera generar un tipo de succión a lo largo del terreno que colabore con la salida del agua del terreno.
Para acelerar la salida de agua del suelo también es necesaria la instalación de drenes verticales que generan una menor distancia de drenaje en el suelo. También se espera que el vacío genere succión a lo largo de éstos.
Esta técnica busca realizar la consolidación del suelo por medio de una reducción en la presión de poros manteniendo los esfuerzos totales del suelo constantes. De esta manera se logra aumentar los esfuerzos efectivos a medida que disminuye la presión de agua dentro del suelo. Con esto, se consigue tener una alternativa a la precarga convencional, evitando así la gestión, manejo y obtención de grandes volúmenes de tierras.
La profundidad del tratamiento se limita al espesor del depósito blando y la capacidad de la maquinaria; aunque los rangos habituales suelen ser de 10 a 35 m de profundidad, llegándose incluso en algún caso a los 45 m.
Resulta interesante resaltar que los asientos residuales con este procedimiento son poco significativos tras el tratamiento.
El tratamiento por vacío suele aplicarse durante 4 a 6 meses, que es un tiempo significativamente inferior al de la precarga. Durante ese tiempo no se permiten actividades sobre el terreno, para evitar que se perfore la membrana impermeable.
Hay que resaltar que este método utiliza también drenes verticales para acelerar la consolidación del suelo de la misma forma que en una precarga convencional.
Por medio de este método se logra que el vacío se propague a lo largo de los drenes, de tal manera que se disipa la presión de poros en todo el estrato arcilloso. Conviene destacar que los resultados del método dependen en gran medida del sellamiento de vacío dentro de la zona donde se colocará la membrana y los drenes verticales.
Hay dos formas de aplicar el vacío: por medio de bombas y una membrana hermética; y por medio de un sistema dren a dren.
El sistema dren a dren consiste principalmente en conectar los drenes prefabricados directamente con las bombas de vacío por medio de tuberías horizontales. En este sistema no se hace necesaria la instalación de una membrana hermética sobre el terreno.
En el sistema de aplicación por membrana se deben instalar los drenes con anterioridad y luego poner una capa de arena que permitirá realizar un drenaje horizontal y distribuir el vacío en todo el terreno de análisis. Posteriormente se coloca la membrana hermética sobre el terreno y se asegura ésta en unas trincheras, que luego serán rellenadas con lodos bentoníticos o con agua para asegurar el sellamiento de la membrana al terreno.
Los sistemas de precarga con vacío o consolidación por vacío para la mejora de suelos han sido ampliamente utilizados en diferentes proyectos. La aplicación del vacío se ha hecho por medio de ambos métodos, por lo cual actualmente no existe un consenso sobre cuál de los sistemas de vacío es más efectivo.
Las ventajas y los inconvenientes de la consolidación por vacío son las siguientes:
Ventajas:
• El vacío crea una consolidación tixotrópica en poco tiempo, con la ventaja de eliminar la precarga sobre suelos potencialmente inestables. La consolidación se consigue al aumentar la presión efectiva, sin modificar la presión total en el suelo.
• No se rebaja el nivel freático, pues se mantiene la saturación del terreno por medio de las zanjas perimetrales.
• Frente a la precarga, es un procedimiento más rápido e incluso económico.
• La consolidación ocurre estrictamente en la superficie donde se aplica. En algunos casos, el suelo se retrae horizontalmente, pero no se produce un desplazamiento horizontal del manto cuando se carga, cosa que ocurre con la precarga y drenes verticales.
Inconvenientes:
• El procedimiento no es efectivo si existen capas de arena profundas en el depósito blando. Si estas capas son más superficiales, se pueden aislar mediante, por ejemplo, muros pantalla.
• Tampoco funciona bien el sistema en áreas extensas, por lo que normalmente se subdivide la extensión en zonas más pequeñas, pero que deben aislarse con pantallas impermeables.
• El procedimiento requiere un control cuidadoso para detectar pérdidas de vacío por escapes.
IV.-COLUMNAS DE GRAVA MEDIANTE VIBROSUSTITUCIÓN (“Suelos cohesivos”)
La vibrosustitución es una técnica de mejora del terreno de vibración profunda, empleada para ejecutar columnas de grava en terrenos cohesivos.
Cuando el contenido en finos es superior al 15%, el vibrador puede crear un hueco cilíndrico temporalmente estable que podría rellenarse con un material adecuado al caso (gravas, por ejemplo) mejorando así de manera aún más notable la calidad del terreno.
Se trata de una técnica de mejora de terrenos que incrementa la capacidad portante global, mejora la resistencia del terreno ya que las columnas de grava suponen, a coro y largo plazo, un refuerzo del terreno, disminuye los asientos que experimenta a largo plazo el terreno blando, y elimina o reduce el potencial de licuación por sismo.
A diferencia del vibrodesplazamiento, la alimentación de la grava se realiza por arriba, lo que en inglés se denomina top feed, y se utiliza el agua a presión para facilitar la introducción del vibrador en el terreno. Por tanto, a este procedimiento también se le denomina columna de gravas por vía húmeda.
La vía seca (vibrodesplazamiento) es en este momento la que más se utiliza, debido a las dificultades que acarrea el uso del agua. Sin embargo, cuando las paredes laterales del hueco realizado por el vibrador no son autoestables, o nos encontramos bajo el nivel freático, entonces no hay más opción que acudir a esta tecnología (vibrosustitución).
Este procedimeinto es útil para resistencias al corte sin drenaje entre 20 – 50 KPa, aunque ocasionalmente se puede bajar a 15 KPa.
El diámetro de las columnas de grava suele variar entre los 80 y 120 cm, dependiendo del suelo, tamaño de la grava, tipo de vibrador y procedimiento constructivo seguido. Se prefieren gravas de granulometría uniforme, con tamaños entre 25 – 50 mm, aunque se debería estudiar el huso granulomético para cada caso.
Las lanzas de agua provocan un flujo que ayuda a la estabilidad del hueco, y también permite el arrastre y la evacuación del detritus generado.
Las fases de ejecución de la vibrosustitución son las siguientes:
• Introducción del vibrador en el terreno por su propio peso y ayudado por la inyección de agua a presión en su punta.
• Licuación total y local del terreno por vibración, hasta llegar a la profundidad necesaria. Una vez se llega, se reduce la inyección de agua en punta y se aporta la grava.
• El vibrador asciende y desciende vibrando e inyectando agua. Al subir, la grava cae por el espacio anular, y cuando baja, compacta la grava contra el terreno contiguo. Suele subirse y bajarse 2 ó 3 veces en cada tramo, y estos tramos suelen tener entre 30 – 120 cm.
• Se extrae el vibrador lenta y escalonadamente, creando una columna densificada con un diámetro que depende del terreno y la potencia empleada.
Las columnas de grava se disponen en una malla triangular equilátera, con unos espaciamientos entre 1,5 – 3 m.
En la parte superior se coloca una plataforma de trabajo, con una capa granular de 60 a 100 cm para facilitar las operaciones y el tráfico, reforzando esta capa la parte superior de las columnas y sirviendo también de drenaje.
Es importante indicar los grandes volúmenes de agua necesarios en la vibrosustitución. Este caudal, junto con el material en suspensión, se deben tratar en función de las restricciones medioambientales vigentes en cada caso. Ello supone disponer de un sistema de canales y balsas de decantación, recirculación de agua, y tratamiento de lodos antes de su vertido.
Recomendaciones de la Guía de Cimentaciones en Obras de Carreteras del Ministerio de Fomento, respecto a los posibles parámetros para fijar los objetivos de los tratamientos de mejora del terreno:
Recomendaciones de la Guía de Cimentaciones en Obras de Carreteras del Ministerio de Fomento, en relación con algunos aspectos que deben controlarse durante la ejecución de los tratamientos de mejora del terreno:
V.-COLUMNAS DE GRAVA MEDIANTE VIBRODESPLAZAMIENTO (“Suelos cohesivos”)
El vibrodesplazamiento, junto con la vibrosustitución, son técnicas de mejora del terreno de vibración profunda, empleadas para ejecutar columnas de grava en terrenos cohesivos. La técnica deriva de la vibroflotación clásica, aplicable a los terrenos granulares.
El vibrodesplazamiento se diferencia de la vibrosustitución tanto por el sistema de aporte de la grava, que se realiza por el fondo (bottom feed), como por el uso del aire comprimido en lugar del agua a presión para la ejecución. Por tanto, a este procedimiento también se le denomina columna de gravas por la vía seca.
Se utiliza para ello un vibrador cilíndrico, que puede ser de accionamiento eléctrico o hidráulico. Una vez se compacta el suelo, lateralmente se rellena la perforación con grava compactada por el propio vibrador. El material granular se introduce de manera continua por la parte inferior del vibrador en la vía seca.
El vibrodesplazamiento se utiliza para formar columnas de grava en suelos cohesivos estables, no sensitivos, cuando el nivel freático es profundo. Para que el hueco abierto por el vibrador no se desmorone es necesario que la resistencia al corte sin drenaje del suelo sea suficiente, entre 30 y 60 KPa.
El aire comprimido, más que ayudar a la penetración del vibrador, sirve para compensar la succión del mismo cuando se eleva. Es un procedimiento adecuado en zonas urbanas, donde el uso de grandes cantidades de agua y su evacuación puede ser complicada. También sirve en terrenos semisaturados.
El material de relleno suele ser grava bien graduada, angular, con tamaños entre 25 – 80 mm. Puede ser grava natural o de machaqueo, o cualquier material duro y limpio como la escoria. Con gravas de tamaño inferior a 10 mm se dificulta la penetración de las arcillas con las gravas.
El diámetro habitual de las columnas de grava así ejecutadas es de 60 – 75 cm, que es más pequeño que el conseguido por la vía húmeda para un mismo vibrador.
Es una técnica alternativa a las cimentaciones profundas tradicionales, cuya ejecución no se basa en transmitir las tensiones hasta un sustrato competente, sino que se trata de sustituir el terreno existente por otro mejorado, mediante una mejora de todos los parámetros intrínsecos del terreno (ángulo de rozamiento, cohesión, módulo de deformación, densidad, etc.) hasta obtener un suelo equivalente mejorado, de parámetros suficientes para el apoyo de esa estructura mediante una cimentación directa.
Las fases constructivas del vibrodesplazamiento son las siguientes:
• Una vez posicionado el vibrador se introduce en el terreno por peso propio, por sus vibraciones y por el aire comprimido. Se hinca hasta la profundidad requerida, o antes si hay rechazo. Una cargadora lleva la grava a un balde sujeto por una grúa.
• El balde descarga la grava sobre una tolva superior que la conduce a un tubo alimentador hasta la parte inferior del vibrador. Una vez alcanzado el sustrato competente el vibrador se eleva ligeramente y aporta la grava a través del orificio de salida inferior. Cada elevación suele ser de 0,5 m de relleno, una vez compactado.
• El vibrador realiza un movimiento ascendente y descendente, permitiendo que la grava caiga por el tubo, compactándola al descender contra el terreno adyacente.
Recomendaciones de la Guía de Cimentaciones en Obras de Carreteras del Ministerio de Fomento, respecto a los posibles parámetros para fijar los objetivos de los tratamientos de mejora del terreno:
Recomendaciones de la Guía de Cimentaciones en Obras de Carreteras del Ministerio de Fomento, en relación con algunos aspectos que deben controlarse durante la ejecución de los tratamientos de mejora del terreno:
VI.-VIBRACIÓN PROFUNDA, VIBROCOMPACTACIÓN O VIBROFLOTACIÓN (“Arenas sueltas de grano medio a grueso”)
Una forma de mejorar los terrenos consiste en introducir un vibrador en el terreno para conseguir su densificación, lo que se conoce como vibración profunda. Si el terreno es poco cohesivo, con un contenido de finos inferior al 10-15% dicha técnica se denomina vibrocompactación o vibroflotación, más adecuada para arenas sueltas de grano medio a grueso.
El ámbito de aplicación de la vibrocompactación es el siguiente:
Para ello se utilizan unas sondas vibrantes o vibroflots que compactan en profundidad al introducirse en el terreno. Estos vibradores suelen presentar longitudes entre 3 y 5 m, así como diámetros de 0,5 m, y potencias entre 40 y 230 kW. Permiten trabajar eficazmente en el terreno hasta una profundidad de unos 15 a 20 m.
El radio de acción de la vibración depende de la potencia del equipo y del tipo de terreno. En la práctica, se suele efectuar el tratamiento con una columna de vibrado por cada 3 a 5 m2. Con ese espaciamiento se pueden obtener mejoras medias de densidad muy apreciables.
En cualquier caso, estos tratamientos dejan la parte superior del terreno poco compactada. Por ello suele ser necesario un tratamiento superficial de compactación, por lo general con rodillos vibrantes en superficie.
Las áreas tratadas no sólo son homogeneizadas, sino que además se compactan hasta un grado en el que el módulo de compresibilidad es de 80 – 150 MN/m2, en condiciones de suelo favorable el módulo puede llegar a 150 e incluso 200 MN/m2.
Con la vibración profunda se pueden alcanzar densidades relativas altas (Dr ≥ 75%), y resistencias a la penetración dinámica en el ensayo SPT del orden de N = 25 o superiores, o resistencias a la penetración estática (cono holandés) del orden de qc ≥ 10 MPa.
Se aplica con éxito la vibrocompactación en la prevención de la licuación de los suelos, en el tratamiento de terraplenes hidráulicos y de plataformas ganadas al mar por dragado, pozos de cimentación, y muelles fluviales e interior de cajones.
El terreno no se sustituye en la vibrocompactación, si bien hay que añadir material para compensar el cono de hundimiento alrededor del vibrador. En algunas ocasiones se utiliza un aporte granular de mayor calidad, por ejemplo, árido de machaqueo de 20-40 mm, o bien, arena o grava limpia sin finos.
Se utilizan vibradores específicos de baja frecuencia, colgados de grúas. El vibrador se introduce en el terreno por acción de su propio peso, aunque es habitual el uso del agua a presión para facilitar su hincado. Se genera de este modo una licuación localizada que permite una rápida reordenación y un asiento casi inmediato. Este flujo de agua estabiliza las paredes del agujero, y refrigera el motor del vibrador.
La vibrocompactación se aplica en puntos de una malla regular cuadrada o triangular, si bien lo habitual son mallas de triángulos equiláteros, con una separación entre puntos de tratamiento que varía de 1,80 a 3,50 m.
Recomendaciones de la Guía de Cimentaciones en Obras de Carreteras del Ministerio de Fomento, respecto a los posibles parámetros para fijar los objetivos de los tratamientos de mejora del terreno:
Recomendaciones de la Guía de Cimentaciones en Obras de Carreteras del Ministerio de Fomento, en relación con algunos aspectos que deben controlarse durante la ejecución de los tratamientos de mejora del terreno:
VII.-COMPACTACIÓN DINÁMICA (“Suelos granulares principalmente”)
La caída de pesas desde gran altura crea, en la superficie de los suelos blandos, huellas o cráteres de dimensiones incluso comparables a las de la propia pesa. El terreno queda densificado a su alrededor hasta una cierta profundidad.
La compactación dinámica se emplea para densificar suelos flojos, saturados y sin cohesión. En este sentido, es un proceso similar a la vibrocompactación. Es, sin duda, una de las mejores alternativas para densificar rellenos heterogéneos y escombros que pueden causar problemas a otras técnicas, como las columnas de grava o las inclusiones rígidas.
También se podría emplear en suelos finos cohesivos, sin embargo, el éxito en este caso es más dudoso, requiriendo atención la generación y disipación de las presiones intersticiales.
La compactación dinámica se consigue mediante sucesivas caídas de pesas en puntos de una malla preestablecida, proceso que se repite varias veces (pasadas). El tratamiento se completa con una regularización superficial, normalmente una compactación convencional, con rodillos lisos vibrantes.
Es un proceso de densificación del terreno que llega a profundidades de 10 a 12 m. La densificación en profundidad se produce como resultado de la energía de las ondas dinámicas que se transmiten a través del suelo. El tratamiento se aplica en edificios industriales, plataformas portuarias y aeroportuarias, terraplenes viarios y ferroviarios, etc. Además, es idóneo para obras extensas, con rendimientos de más de 10.000 m2 por mes.
Es habitual el uso de pesos que oscilan entre 1 y 30 Tn, con alturas de caída entre 10 y 30 m y a veces más. Los pesos son de acero para soportar las fuerzas dinámicas repetitivas. Normalmente se utiliza una grúa para dejar caer el peso, aunque también existen equipos especiales.
Ese tipo de tratamiento depende de las características del suelo y la energía empleada. En principio, se puede utilizar en suelos granulares, saturados o no. Asimismo, ofrece buenos resultados en rellenos artificiales heterogéneos, que difícilmente se mejorarían con otros procedimientos.
La mejora se traduce en un aumento de la capacidad portante y una reducción de los asientos, incluidos los diferenciales. Es un método bien adaptado y empleado para reducir la licuación de los suelos. La compactación dinámica permite, incluso, cimentar con zapatas convencionales, pues proporciona una capacidad portante al suelo de hasta 100 – 150 KPa.
Los patrones de caída suelen consistir en cuadrículas primarias y secundarias, y ocasionalmente terciarias.
Es habitual un espaciamiento entre puntos de impacto de 2 a 3 m, en las mazas pequeñas, y más de 10 m en el caso de mazas pesadas. Una vez que la profundidad del cráter alcanza aproximadamente 1 m, la apertura se rellena con un material granular, antes de proceder a nuevas caídas en ese lugar.
El tratamiento se lleva a cabo en varias pasadas, y la profundidad alcanzada por la densificación se puede relacionar con la energía del golpe mediante la fórmula empírica siguiente:
Durante la compactación existe un efecto instantáneo al reducirse el índice de huecos tras el impacto, y un efecto diferido en el caso de suelos saturados, al disiparse la sobrepresión intersticial y reestructurarse el material a un estado más denso.
A modo de ejemplo, un tratamiento normal para aumentar al menos el 5% la densidad seca de un suelo arenoso de 10 m de espesor, puede definirse mediante una malla de 3 x 3 m (A = 9 m2), con cuatro golpes por pasada y con tres pasadas cada una con una malla similar. La maza sería de 150 kN, cayendo desde 30 m de altura. En ese caso se obtendría una energía específica de 600 kN/m2.
La compactación dinámica presenta algunos inconvenientes, ya que se necesita una superficie mínima, digamos de unos 15.000 m2, para garantizar cierta rentabilidad económica. Además, se debe dejar una distancia mínima de entre 20 y 30 m a estructuras próximas para evitar daños sobre ellas.
Recomendaciones de la Guía de Cimentaciones en Obras de Carreteras del Ministerio de Fomento, respecto a los posibles parámetros para fijar los objetivos de los tratamientos de mejora del terreno:
Recomendaciones de la Guía de Cimentaciones en Obras de Carreteras del Ministerio de Fomento, en relación con algunos aspectos que deben controlarse durante la ejecución de los tratamientos de mejora del terreno:
VIII.-TÉCNICAS DE INYECCIÓN DEL TERRENO (“Suelos granulares principalmente”)
La presencia de suelos con permeabilidad muy alta, o macizos rocosos muy fracturados, pueden hacer que los bombeos sean excesivamente costosos, y se precisen otro tipo de técnicas para controlar el nivel freático. Una forma de cambiar la permeabilidad de un terreno y, por tanto, contener mediante una barrera el agua subterránea es mediante la inyección del terreno.
La técnica, muy utilizada también como mejora del terreno, consiste en introducir en el medio una mezcla fluida que reacciona con las partículas del suelo mediante una reacción hidráulica o química.
De esta forma, se conforma una masa de mayor resistencia mecánica y menor permeabilidad, así como una menor deformabilidad, pues se consigue aumentar su compacidad disminuyendo el índice de huecos.
Las aplicaciones más frecuentes de la inyección del terreno son los tratamientos de las cimentaciones de presas, el refuerzo de cimentaciones o recalce de edificios, así como la construcción de túneles.
En el caso de las inyecciones de impermeabilización, el objetivo fundamental es reducir la permeabilidad del terreno. Son tratamientos muy habituales en presas, en túneles y en excavaciones en general, cuando se realizan bajo el nivel freático.
Sin embargo, hay que ser prudentes con estos procedimientos, pues la inyección de grandes volúmenes de material en el terreno, puede causar desplazamientos. Además, el material inyectado tiende a moverse a través de las capas más permeables, o a través de grietas débiles, surgiendo a menudo a distancias considerables del punto de inyección.
Su aplicación se lleva a cabo principalmente en suelos granulares.
Las inyecciones más frecuentes son las de lechada de cemento (con bentonita, arcilla u otros aditivos), aunque en ocasiones se utilizan también inyecciones de productos químicos.
La introducción de lechadas en el terreno puede realizarse mediante las siguientes técnicas:
• Relleno de huecos y fisuras: se inyecta una lechada en las fracturas, diaclasas o discontinuidades de las rocas, o se rellenan los huecos con una lechada con un alto contenido de partículas. En este caso, el producto se introduce básicamente por gravedad hasta colmatar los huecos.
• Inyecciones de Impregnación: se trata de inyecciones de lechada a muy baja presión con objeto de disminuir la porosidad del terreno. La inyección discurre por los poros del suelo o por las fisuras de las rocas. Así son tratables suelos o macizos rocosos bastante permeables. En este caso no existe rotura del terreno. Se emplean mezclas muy penetrantes, cuyo objetivo principal es disminuir la permeabilidad del terreno, rellenando poros y fisuras.
• Inyecciones de fracturación o fracturación hidráulica: se trata de una inyección de lechada de cemento a media/alta presión que rompe el terreno, produciendo la densificación y rigidización del mismo, creando una red estructuradora del terreno. Se fractura el terreno mediante la inyección de la lechada a una presión que supere su resistencia a tracción y su presión de confinamiento. La lechada no penetra en los poros, sino que se introduce en las fisuras creadas por la presión utilizada, formándose lentejones que recomprimen el terreno. Esta técnica también se llama hidrofraturación, hidrofisuración, hidrojacking o clacuage.
• Inyecciones de compactación: es una técnica de mejora del suelo que tiene como fin aumentar la capacidad portante del terreno y conseguir un aumento de la densidad relativa del mismo. Este efecto se consigue inyectando un mortero de baja movilidad que produce el desplazamiento lateral del terreno. Son muy apropiadas para rellenos de escombros o suelos mal compactados, suelos sueltos o colapsables y suelos licuables.
• Inyección de alta presión (jet grouting): se excava y mezcla el terreno con un chorro de lechada a alta velocidad. Esta técnica consiste en columnas de suelo-cemento formadas por erosión mediante fluidos a presión (aire y/o agua) y mezcla del terreno existente con lechada de cemento. Se emplea como técnica de mejora de suelos o como impermeabilización.
Los parámetros más importantes de la inyección son la velocidad de la inyección, el volumen de inyección, y la presión de inyección. La presión está muy relacionada con el tipo de terreno y con la viscosidad del producto, aconsejándose un valor límite.
A medida que la permeabilidad del medio disminuye, se deben de emplear fluidos de menor viscosidad para conseguir la suficiente penetración en el terreno.
Al fluido inyectado se le conoce como mortero de inyección, los cuales pueden ser conglomerados hidráulicos, materiales arcillosos, arenas y filleres, agua y productos químicos.
El componente más habitual en las inyecciones es el cemento, el cual puede ir acompañado por distintos productos.
Los materiales más utilizados en la inyección son los siguientes:
• Conglomerantes hidráulicos. Aquí se incluyen los cementos y productos similares, empleados en suspensión cuando se preparan las lechadas.
• Materiales arcillosos. Las arcillas naturales de tipo bentonítico, activadas o modificadas, se utilizan en las lechadas elaboradas con cemento. Reducen la sedimentación y varían la viscosidad y la cohesión de la lechada, mejorando la bombeabilidad.
• Arenas y filleres. Se adicionan a las lechadas de cemento y a las suspensiones de arcilla para variar su consistencia, mejorando de esta forma su comportamiento frente a la acción del agua, su resistencia mecánica y su deformabilidad. Generalmente se utilizan arenas naturales o gravas, filleres calcáreos o silíceos, puzolanas y cenizas volantes, exentos de elementos perjudiciales.
• Otro material, no menos importante, es el agua.
• Productos químicos. Se utilizan silicatos y sus reactivos, resinas acrílicas y de epoxi, materiales procedentes de lignina y poliuretanos, siempre que cumplan la legislación ambiental vigente.
• Aditivos. Los aditivos son productos orgánicos e inorgánicos que se añaden, en general, en cantidades reducidas a la lechada para modificar sus propiedades y controlar la viscosidad, el tiempo de fraguado, y la estabilidad durante la inyección. Además de la resistencia, cohesión y permeabilidad, una vez colocada la lechada. Como aditivos se utilizan, entre otros, los superplastificantes, productos para retener el agua, y productos para arrastrar aire.
Recomendaciones de la Guía de Cimentaciones en Obras de Carreteras del Ministerio de Fomento, respecto a los posibles parámetros para fijar los objetivos de los tratamientos de mejora del terreno:
Recomendaciones de la Guía de Cimentaciones en Obras de Carreteras del Ministerio de Fomento, en relación con algunos aspectos que deben controlarse durante la ejecución de los tratamientos de mejora del terreno:
IX.-CLAVETEADO DEL TERRENO O “SOIL NAILING” (“Suelos cohesivos rígidos y rocas alteradas principalmente”)
El soil nailing o claveteado del terreno es una técnica de refuerzo de taludes en excavación que consiste en la instalación de anclajes de refuerzo muy próximos entre sí, los cuales, combinados con la instalación de una malla electrosoldada de acero y la proyección de gunita, garantizan la estabilidad de un talud durante el proceso de excavación.
El soil nailing es especialmente apropiado en taludes de desmonte o excavaciones en los que, debido a las condiciones del terreno, pueden producirse sobrepresiones que movilicen el terreno en cotas superiores de la excavación y provoquen su deslizamiento. Es una técnica que no sólo garantiza la estabilidad del talud sino que, en consecuencia, permite el desarrollo de unas condiciones de trabajo seguras para los operarios en obra a pie de talud.
Durante el proceso de excavación por bataches se realizan un conjunto de perforaciones para alojar los anclajes, los cuales, una vez inyectados y finalizados, se fijarán a la armadura de refuerzo previamente instalada, sobre la que finalmente se realizará el gunitado. Las características de los bulones, de la armadura y del hormigón proyectado siempre dependerán de las necesidades de refuerzo del terreno.
En principio, el cosido o claveteado del terreno se puede utilizar para resolver los problemas que se recogen en la figura siguiente:
Recomendaciones de la Guía de Cimentaciones en Obras de Carreteras del Ministerio de Fomento, respecto a los posibles parámetros para fijar los objetivos de los tratamientos de mejora del terreno:
Obras de Carreteras del Ministerio de Fomento, en relación con algunos aspectos que deben controlarse durante la ejecución de los tratamientos de mejora del terreno:
Concepto y clasificación de los anclajes
Los anclajes son dispositivos constituidos por tirantes o por barras rígidas que, integradas en un talud de roca o en ciertas partes de una obra como, por ejemplo, un muro, una zapata, etc., pueden, trabajando a tracción, aumentar su resistencia y estabilidad.
Lo habitual es que estén constituidos por armaduras metálicas, alojadas en perforaciones realizadas en el terreno, en cuyo fondo se anclan por medio de inyecciones o dispositivos mecánicos expansivos, fijándose luego al exterior de la estructura o a placas que se apoyan directamente sobre la superficie del terreno.
Los anclajes se utilizan en el arriostramiento de estructuras de contención, en la estabilización del terreno, en refuerzo de estructuras, o en la absorción de esfuerzos en la cimentación de estructuras.
Los anclajes permiten la movilidad en la obra, siendo más económico su uso en grandes vaciados y superficies, que los arriostramientos. Por otra parte, ofrecen seguridad por el hecho de estar tesados y, por consiguiente, haberse realizado una prueba de carga in situ.
Sin embargo, una deficiente instalación de los anclajes puede ocasionar fallos estructurales. Además, pueden existir problemas jurídicos si al realizar los anclajes nos salimos de los límites de la propiedad.
Por su forma de trabajar, los anclajes pueden clasificarse en activos, pasivos y mixtos:
• Anclajes activos. Un anclaje activo es aquél que una vez instalado se pretensa hasta llegar a su carga admisible. De esta forma el terreno se comprime entre la zona de anclaje y la estructura o la placa de apoyo. Se utilizan cables tensados.
• Anclajes pasivos. Estos entran en tracción por sí solos, al presentarse una fuerza exterior y oponerse la cabeza al movimiento del terreno o de la estructura. En consecuencia, puede ser susceptible de sufrir grandes desplazamientos. Se utilizan barras de acero denominadas bulones o pernos. Normalmente no pasan de los 10 m de longitud.
• Anclajes mixtos. Se pretensa la armadura por debajo de la carga admisible, reservando una parte de su capacidad resistente a otras eventuales situaciones. Se utilizan cables tensados.
Por su tiempo de actuación, los anclajes se pueden clasificar en temporales o permanentes:
• Un anclaje temporal es un medio auxiliar en la construcción que permite estabilizar la estructura durante el tiempo necesario, estamos hablando desde 9 meses a 2 años dependiendo de las Normas de cada país. Y se disponen para resistir, hasta que otros elementos resistentes los sustituyan.
• Por otra parte, el anclaje permanente se dimensiona con mayores coeficientes de seguridad.
Uno de los mayores peligros es la corrosión, tanto para las zonas de bulbo y alargamiento libre, como para la cabeza de anclaje.
Ejecución de un anclaje
Para ejecutar un anclaje, se introduce la armadura en una perforación previamente realizada en el terreno, al que queda unida con la lechada de cemento que se inyecta a continuación. Las operaciones, por tanto, son las siguientes:
• Perforación
• Lavado del taladro
• Instalación del cable o bulón y la ejecución del bulbo de anclaje
• Montaje de cabeza de reparto de cargas
• Tensado del cable, en su caso
• Inyección de la lechada y cierre de la cabeza del anclaje
La perforación, normalmente a rotación o rotopercusión, va desde 68 mm de diámetro para barras de 25 mm, hasta más de 200 mm para anclajes más complejos. En cuanto al resto de sus componentes, los anclajes pueden ser diferentes en función de la resistencia del propio anclaje y del terreno.
En los anclajes activos es primordial que el cable quede sujeto en el fondo de la perforación antes de tensarlo. Para ello se emplean diversos sistemas según el tipo de anclaje, con dispositivos que aíslan el bulbo de anclaje del resto de la perforación. De esta forma se impide que la lechada inyectada en la zona de empotramiento se extienda al resto del cable antes del tesado. El dispositivo más frecuente es un obturador o casquillo expansivo.
La inyección en esta zona se realiza a través de una tubería de PVC situada en el interior de la vaina que cubre el cable. A una presión que puede llegar a unos 2,5 a 3 MPa. Estas tuberías van provistas de válvulas anti-retorno que pueden taponarla a diferentes profundidades para obtener una mayor penetración al inyectar.
No obstante, en el caso de bulones de roca, suele recurrirse a resinas para formar el bulbo de anclaje, porque si se usa en un ambiente seco, la adherencia resina-roca es de 2 a 3 veces mayor que la de una lechada de cemento.
Una vez asegurado el empotramiento, se tesa el cable con gatos hidráulicos, bloqueando el extremo en la placa de anclaje con tuercas o conos de anclaje, controlando además el diagrama de tensiones y alargamientos, que debe de coincidir con el teórico para asegurar que la fijación en el fondo es efectiva.
Con el cable en tensión, se inyecta la lechada en el resto de la perforación a una presión del orden de 3 MPa. No deben pasar más de 8 a 12 horas tras la perforación, para que las paredes del terreno se alteren y descompriman lo menos posible. En roca sana, los esfuerzos del cable pueden transmitirse al terreno directamente a través de la lechada. En caso contrario, que es lo más común, independizando la armadura del terreno por medio de una vaina en la que se inyecta la lechada y los productos anti-corrosión.
La lechada, por su parte, se dosifica con abundante cemento, con una relación agua/cemento (a/c) entre 0,4 y 0,6 (0,4 para el sellado entre la armadura y las vainas anti-corrosión). Con una resistencia mínima a compresión simple de 25 MPa. Además, es necesario el uso de aditivos. El fraguado, más o menos, tarda entre 3 a 7 días.
En los anclajes pasivos, el diámetro de las armaduras está comprendido entre 16 a 40 mm. Se emplean aceros dúctiles, con alargamientos en rotura superiores al 4%, para reducir la probabilidad de la rotura frágil del perno. En estos anclajes la transferencia de esfuerzos entre la armadura y el terreno es directa a través de la lechada.
Su ejecución es más sencilla que en los activos. La armadura se introduce en la perforación, y una vez fijada, se rellena inyectando una lechada con una dosificación similar a la de otros anclajes. En algunos casos, los pernos van provistos de un casquillo expansivo situado en su extremo, lo que lo fija al fondo de la perforación.
La longitud del bulón, por razones constructivas, debe estar entre 1,5 y 10 m. Se colocan en el interior del terreno desde la superficie libre, a través del taladro. Sin embargo, la fuerza que puede soportar cada bulón es relativamente reducida, lo cual implica una densidad de aplicación elevada.
Es habitual el uso de barras de acero de 20 a 40 mm de sección, admitiendo cargas del orden de 10 a 25t.
En el caso de cables, la lechada los protege y transmite las tensiones entre la armadura y el terreno. Se colocan centradores que garanticen la correcta colocación del tirante, con un recubrimiento mínimo de 10 mm entre el terreno y el elemento metálico.
Lo habitual es que las tensiones de trabajo de los aceros de anclaje sean, en los anclajes permanentes, del 60% de su límite elástico; y del 75% en los anclajes provisionales. En la tabla superior, se indican las características de las barras de anclaje más habituales.
X.-OTROS MÉTODOS:
X.I.-CONGELACIÓN ARTIFICIAL DEL TERRENO (“Suelos granulares saturados”)
La congelación artificial del terreno se basa en el principio de convertir el agua intersticial en hielo, el cual actúa como elemento de unión de las partículas del suelo, aumentando su resistencia y haciéndolo impermeable. Su aplicación se materializa en la creación de estructuras de suelo congelado adaptadas a las necesidades de cada caso particular.
La congelación artificial del terreno consigue su impermeabilización y consolidación provisional para soportar la excavación de túneles, pozos y galerías en terrenos bajo el agua. El agua presente en el suelo es congelada mediante agentes refrigerantes que nunca entran en contacto directo con el suelo o las aguas subterráneas. Una vez completado el proceso, la descongelación se produce de forma natural.
La estabilización temporal del terreno por congelación es una técnica empleada en minería desde mediados del siglo pasado. Se basa en la transformación del agua intersticial en hielo, que en este 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, se deben estudiar de forma cuidadosa.
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 la técnica no mejora las características del terreno. Así, se podría congelar un terreno con un grado de saturación del 20%, pero en terrenos cohesivos la congelación no llega a ser del 100% por lo que el tratamiento deja de ser eficiente.
Para poder efectuar la congelación es preciso establecer en el terreno, y según el perímetro de la estructura que se desea crear, una red de sondas de congelación, o tubos de pared doble por los que se hace circular un fluido refrigerante, en estado líquido o gaseoso, encargado de extraer las calorías del terreno.
El estudio de un tratamiento de congelación artificial del suelo requiere en primer lugar conocer los métodos de congelación existentes, así como las propiedades térmicas y geotécnicas del terreno.
El enfriamiento del suelo se consigue haciendo circular líquido a baja temperatura por el interior del volumen de suelo que se quiere consolidar. Una vez congelado, el suelo es estanco al agua.
Como sustancias refrigerantes pueden emplearse salmueras, con frecuencia cloruro cálcico, aunque también se han utilizado cloruros de sodio, magnesio o litio. También se puede utilizar anhídrido carbónico, lo que se llama nieve carbónica; o nitrógeno líquido. Todas ellas presentan el mismo fundamento físico: la capacidad de absorción de calor de estas sustancias al pasar de líquido a gas.
Se emplean dos métodos de instalación principalmente, en función de si se recupera el elemento refrigerante (circuito cerrado), o no se recupera (circuito abierto):
• Congelación por salmuera: El refrigerante (salmuera de cloruro sódico) se bombea a través de los conductos de congelación a temperatura de -30/ -35 ºC y vuelve al sistema de refrigeración para ser enfriada y puesta otra vez en circulación.
En este primer caso (circuito cerrado), 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 se conduce a un depósito en el que se almacena en forma líquida o a alta presión. Desde este tanque el caudal se bombea a las sondas refrigerantes para ser reutilizado en un nuevo recorrido a través del circuito cerrado de congelación.
• Congelación por nitrógeno líquido: El refrigerante (gas comprimido en estado líquido a -196 ºC) circula en un circuito abierto y tras recorrer los conductos de congelación se libera a la atmósfera.
En este caso, la congelación se aplica sin recuperar la sustancia refrigerante (circuito abierto), esta, que es a menudo nitrógeno líquido, se transporta a pie de obra en camiones cisterna, y desde ellos se bombea a baja temperatura, más o menos a -196ºC, hacia las sondas o tubos congeladores de la instalación.
El fluido después de pasar a través de las sondas, ya evaporado, se dirige hacia el final del circuito y sale a la atmosfera en forma de gas a unos -60ºC 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. Consiste en combinar la capacidad frigorífica del nitrógeno líquido para efectuar la congelación del terreno de forma rápida, y la economía de la salmuera para mantenimiento durante los trabajos de excavación en función de la estructura. Para ello, los circuitos de sonda deben estar separados, de forma que se puedan utilizar ambos procedimientos.
Es conveniente conocer el volumen y las condiciones del agua que entre en contacto con el material congelado, debido al calor proporcionado y a los efectos de la velocidad de circulación. A partir de velocidades de 1,5 a 2 m/día, la congelación no es posible con nitrógeno líquido. Con estas velocidades altas, se puede inyectar el terreno para mejorar la eficiencia del tratamiento.
La congelación del terreno presenta como ventaja que permite acortar plazos, cuando es importante la cantidad de agua en una excavación, siendo un método aplicable a una gran variedad de suelos.
Sin embargo, presenta inconvenientes como que su ejecución precisa de empresas especializadas que, junto a su coste, han limitado su uso en España. Además, en el caso de gravas con un flujo importante de agua, se requiere una inyección previa. Por último, el asiento producido tras la descongelación del terreno puede ser significativo.
X.II.-ELECTROÓSMOSIS COMO TÉCNICA DE DRENAJE DEL TERRENO (“Suelos finos saturados”)
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, térmico, etc.
Una forma de estabilizar los suelos finos saturados o parcialmente saturados es la electroósmosis. Que no sólo permite mejorarlos, sino que también se utiliza como técnica de drenaje.
La electroósmosis es un fenómeno basado en la precipitación eléctrica de sustancias coloidales en suspensión, observado ya en 1808 por el físico Reuss, 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 del agua subía en uno de los tubos, mientras que 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, en 1952, Casagrande llevó a la práctica el sistema aplicándolo para la consolidación de 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 torno 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, es decir, en los cátodos, de los cuales se pudo extraer el agua fácilmente por bombeo.
Analicemos a continuación, la aplicabilidad de la electroósmosis. La electroósmosis es un método de drenaje eléctrico empleado para estabilizar arcillas blandas y limos, al incrementar su resistencia por la reducción de humedad. Téngase en cuenta, que son terrenos que presentan problemas para aplicar las técnicas de pozos con sistema de vacío convencional. El sistema deja de ser efectivo en arenas finas con permeabilidades superiores a 3×10-5 m/s.
La diferencia con otros procedimientos es que el movimiento del agua no se produce por gravedad, sino por efecto de un campo eléctrico. Con la electroósmosis se desatura el suelo, aumenta su resistencia y se consolida, como un efecto principal, y en consecuencia se mejoran las condiciones del terreno y su estabilidad.
El agua fluye de los ánodos (+) a los cátodos (-) en un medio poroso saturado. 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.
Dan buenos resultados cátodos de unos 120 mm de diámetro, colocados cada 3-5 m, y barras de acero o aluminio como ánodos intercalados de un diámetro de 100 mm. En el cátodo se sitúa un wellpoint o pozo drenante, que es un tubo abierto por el fondo; los ánodos y los cátodos son también abiertos por el fondo.
Los gradientes de potencial varían entre 30 y 180 voltios, a mayor voltaje más volumen de agua drenada, aunque pueden producirse fenómenos de hidrólisis, por lo que deben de hacerse ensayos para establecer los parámetros energéticos más convenientes. Se necesitan de 0,5 a 1,4 kW/m3 de suelo drenado en excavaciones grandes, y hasta un máximo de unos 14 kW/m3 en excavaciones pequeñas. Este movimiento de agua genera consolidación, con aumento temporal de las tensiones efectivas.
Las desventajas del drenaje eléctrico radican en el alto coste de la energía necesaria, y en los problemas relacionados con la seguridad de los operarios al trabajar con un circuito de corriente continua. Los elevados costes de ejecución y la poca práctica de su uso limita la aplicación de este método a casos muy especiales, en los que el caudal a evacuar sea muy escaso.
Su uso más frecuente es la mejora permanente de las propiedades de los cimientos o en la estabilidad de los taludes.
Juan Pablo Guzmán Franco
Tfno.: 034 630 92 76 50
Email: gfjuanpablo@gmail.com
www.linkedin.com/in/juanpabloguzmanfranco