Inyección de Suelos

INYECCIÓN DE SUELOS INTRODUCCIÓN 

Es importante ser capaz de identificar los distintos procesos que se pueden utilizar para mejorar la naturaleza de los terrenos, así como también los factores involucrados para fijar las condiciones de empleo de las inyecciones, dado el comportamiento impredecible que pueden tener los terrenos.

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Las inyecciones son un procedimiento de construcción relativamente nuevo, aunque muy reconocido hoy en día.

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Se originaron en Francia a fines del siglo XIX, cuando Bérigny inyectó con éxito morteros de cemento en el año 1802.

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Las inyecciones son procedimientos que se realizan con el fin de mejorar la resistencia del suelo.

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Son procedimientos que se aplican al subsuelo, introduciendo en los poros o fisuras del medio a tratar un producto liquido (conocido como mortero o lechada de inyección), que se solidifica adquiriendo resistencias determinadas a través del tiempo.

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Su objetivo básico es el de impermeabilizar o fortificar el terreno, ya sean estos suelos granulares (gravas y arena), rocas fisuradas o fundaciones defectuosas, incrementando de este modo las propiedades mecánicas de los mismos.

USOS DE LAS INYECCIONES Los principales usos de las inyecciones son: 

Impermeabilizar cierto volumen de suelo debajo o alrededor de una estructura.

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Densificar los suelos de fundación para aumentar la resistencia a rotura y reducir la compresibilidad.

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Rellenar grietas para prevenir asentamientos excesivos.

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Controlar el movimiento del suelo durante el proceso de construcción de un túnel.

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Apoyo de fundaciones.

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Control del cambio de volumen de suelos expansivos.

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Debido a la heterogeneidad y comportamiento del terreno, existen diferentes métodos de inyección: 

Inyección por consolidación (Compaction Grouting).

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Inyección por reemplazo (Jet Grouting).

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Inyección por impregnación y fractura (Fracture Grouting).

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Inyección de lechadas de cemento-bentonita y/o aditivos plastificantes y aceleradores de fraguado. (Chemical / Cement Grouting).

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Cada método se diferencia principalmente en la presión con la que se inyecta el material (métodos de alta o baja presión).

1.- Inyección por Compactación 

Adición de materiales que mejoran la capacidad portante y reducen la permeabilidad del terreno.

En General: 

Desplazamiento de suelo.

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Restauración de la capacidad de carga.

En Obras: 

Remediar densificaciones de suelo.

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Prevenir asentamientos.

2.- Inyección por Reemplazo (Jet Grouting) Descripción. 

Técnica que mejora las características mecánicas y el comportamiento del terreno.

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Consiste en la inyección de un material consolidante, a muy alta velocidad, a través de una o más boquillas de diámetro pequeño.

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Permite obtener un tratamiento homogéneo y continuo del terreno, destruyendo su estructura primitiva y creando un verdadero elemento estructural con características determinadas en función del terreno de origen.

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Se puede utilizar en una amplia gama de terrenos, desde gravas a arcillas.

Aplicaciones del Jet Grouting. 

Consolidaciones de terrenos para excavación de túneles, pozos, e jecución de taludes, etc.

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Recimentación de edificios y estructuras en general.

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Muros de sostenimiento.

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Pantallas impermeables.

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Tapones de fondo en recintos estancos.

3.- Inyección por Fracturación Hidráulica 

Consiste en la inyección del terr eno mediante su fracturación por lechada, con una presión por encima de su resistencia a tracción y de su presión de confinamiento.

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Esta técnica puede aplicarse a cualquier tipo de suelo y roca blanda (desde suelos granulares gruesos a arcillas de alta plasticidad y desde rocas ígneas descompuestas hasta margas arcillosas).

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Asegura movimientos no superiores a 2 o 3 [mm] en construcciones o servicios existentes en el entorno de la inyección

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Puede aplicarse esta técnica para eliminar los empujes de muros cuya estabilidad esté comprometida.

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En el caso de edificios cimentados en la coronación de laderas inestables, el tratamiento permite el recalce localizado de la zona de apoyo del edificio, así como el de las zonas de laderas que más pueden afectar su deslizamiento.

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Obras portuarias

4.- Chemical / Cement Grouting 

Corresponde a la inyección de lechadas con diferentes t ipos de aditivos y/o geles.

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Este tipo de inyección puede clasificarse de acuerdo al tipo de mejora que desee obtenerse: 

Structural Chemical Grouting: busca impermeabilizar suelos arenosos mediante lechadas que permiten crear grandes “masas” capaces de soportar cargas.

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Water Control Chemical Grouting: busca impermeabilizar suelos arenosos mediante el relleno de los vacíos y así controlar el flujo de agua.

Aplicaciones: 

Revestimientos.

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Apoyos en fundaciones.

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Soporte en túneles.

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Piques de excavación bajo agua.

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Tranques de relave.

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Estabilización de rocas.

INYECCIONES DE LECHADA CON ALTA PRESION JET GROUTING Los métodos de inyección de lechadas con alta presión, se basan en la destrucción

de la

estructura del suelo mediante un chorro de lechada inyectada con alta velocidad y presión. El chorro con alta energía cinética impactan con el suelo provocando la desintegración del mismo, permitiendo que el chorro de lechada avance hacia el interior de macizo hasta que la energía cinética sea totalmente disipada. La penetración del chorro en el interior del macizo, depende del método de inyección y de las características geométricas del suelo. Es decir, para un determinado método de inyección la penetración del chorro aumenta con la disminución de la compacidad y consistencia del suelo (cohesivo o no cohesivo). Como consecuencia de la mezcla del suelo con la lechada de cemento se produce el proceso de fragua, aumentado la resistencia del suelo y disminuyendo la permeabilidad de la zona inyectada. El chorro de alta energía cinética es logrado mediante la inyección de lechadas, a través de un hidromonitor instalado en la parte inferior de la tubería de perforación. Cuando la inyección se hace con el giro de la tubería de perforación, el chorro avanza en forma radial formando una circunferencia, en ese caso, se obtiene una masa inyectada circular con diámetro que varía en función del método de inyección y de las características geométricas del suelo. Si se procede al giro de la tubería y también a la subida gradual de la misma, se obtiene una masa tratada en forma cilíndrica del tramo inyectado. Esas columnas cilíndricas formadas por la inyección, tiene una gran importancia en la solución de varios problemas de la ingeniería, tales como: 

Consolidación e impermeabilización de suelos.

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Cimentaciones.

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Refuerzo de cimentaciones.

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Consolidación de bóvedas de túneles en suelo.

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Contención de taludes.

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Construcción de diagramas de impermeabilización en cimentaciones de presas.

La técnica tuvo inicio en la década de los 70’, aprovechando los conocimientos de la práctica usada

en la ingeniería de explotación de petróleo, que usa los hidromonitores para destruir la estructura

de las rocas con el objetivo de aumentar la permeabilidad de los horizontes productivos alrededor de los pozos petroleros. Esa técnica fue adoptada por Sr. Wataru Nakanishi, en Japón, para inyecciones de lechadas en suelos, con el objeto de consolidar, impermeabilizar o aumentar la resistencia de los mismos.

METODO DE INYECCION CON ALTA PRESION: Los métodos actualmente conocidos tienen un mismo origen y sufrieron constantes modificaciones usando nuevas tecnologías con el objetivo de disminuir las pérdidas de energía del chorro durante la ejecución. Los métodos de inyección con alta presión son los siguientes. 

CPP – Chemical Churning Pile.

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JSP – Jumbo Special Pile.

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JSG – Jumbo Special Grouting.

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CJ – Columb Jet.

El uso de uno u otro método depende del objetivo del proyecto, tipo de problema y búsqueda de la solución técnica más adecuada y económicamente más atractiva.

METODO CPP – Chemical Churning Pile. El método está basado en la inyección de lechadas a través de la columna de perforación que posee un hidromotor instalado en la parte inferior de la misma inmediatamente arriba de la broca de perforación. El hidromotor posee orificios de pequeño diámetro de 1.6mm a 3.0mm, en el cuerpo del mismo, construido en material de alta resistencia a la abrasión. Para la ejecución según lo que e stipula el proyecto, son usadas las siguientes operaciones básicas: a) Perforación del suelo hasta la profundidad deseada. b) Preparación de la lechada. c)

Taponamiento de la parte inferior del hidromotor.

d) Inyección de la lechada con bomba de alta presión. e) Giro de la tubería de perforación y subida de la misma, con rotación y velocidad de ascenso controlados.

Los equipos usados son los siguientes: a) Equipo de perforación especial de baja rotación y ascenso co ntrolado. b) Mezcladora de la lechada. c)

Bomba de inyección de alta presión.

d) Utensilios de perforación, incluyendo el hidromonitor. La bomba usada podrá ser acoplada con motor eléctrico, de combustión interna o motor accionado con aire comprimido que tengan las siguientes car acterísticas mínimas: o

Caudal

30 – 60 l/min.

o

Presión

200 -600 kg/cm

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El equipo de perforación deberá tener la capacidad suficiente para la perforación hasta la profundidad de proyecto, con velocidad de rotación de 6-15 rotaciones por minuto y velocidad de subida de la tubería de perforación en forma continua y velocidad de 10 a 50 min/metro. El chorro de la lechada sale del orificio del hidromonitor perpendicularmente al cuerpo del mismo, lo que garantiza el impacto frontal con la pared de la perforación. La energía cinética en la salida del orificio del hidromonitor ese va disipando, a medida que el chorro avanza hacia el interior del suelo. Para ilustrar el asunto, analizamos un chorro de agua en la atmósfera. La configuración del chorro indica que la presión dinámica del agua se disipa a lo largo del eje del flujo en tres zonas, conforme se indica. En la primera zona, zona 1, la presión dinámica del agua se mantiene constante hasta el punto A. En la zona 2, que comprende el tramo entre los puntos A y B, hay un proceso de pérdida continua de presión.

METODO DE JSP – Jumbo Special Pile. Para aumentar la eficiencia del chorro que se logra con la optimización del uso de la energía cinética, se adopta una presión superior a la atmosférica involucrando el flujo del chorro. Eso es alcanzado con la inyección del flujo de aire, que es inyectado a través de una tubería especial doble y concéntrica. A través de una de las tuberías se inyecta el líquido y por el espacio anular se inyecta el aire. El hidromonitor es ac oplado a la columna doble y tiene también doble salida siendo una de ellas para la salida del líquido y otra para la salida del aire.

El método JSP, en relación al CSP , presenta las presentes ventajas. a) Disminución de las pérdidas de energía en el t rabajo de desintegración del suelo. b) Aumento de la penetración del chorro, con la obtención de columnas de diámetro mas grande. c)

La presión de aire impide la caída de las paredes del suelo excavadas por el flujo de agua.

El método permite la formación de columnas con diámetros de hasta dos metros. El uso de productos químicos adicionados a la mezcla de la lechada reduce el tiempo de fragua y permite alcanzar resistencias iniciales más elevadas en relación al uso de la lechada de agua y cemento. El tipo de cemento utilizado depende de la naturaleza del suelo. Los suelos orgánicos, contienen materiales orgánicos tales como, turba, carbonatos, que alteran la lechada de cemento, con riesgo que la fragua no sea adecuada. Por ese motivo, para el tratamiento de esos tipos de suelos se debe proceder con pruebas de laboratorio para identificar el tipo de elemento más adecuado al tratamiento. El cemento usado es del tipo portland, con características para cada tipo de suelo y de la necesidad del proyecto. Se puede usar de altas y baja resistencia inicial, cemente de fragua rápida, cementos especiales para suelos sulfurosos, orgánicos, etc. La definición de los aditivos, se obtiene con ensayos de laboratorio.

METODO JSG – Jumbo Special Grouting. El principio de ejecución es idéntico al método SJP, solo que se usa tuberías dobles de inyección de diámetro mayor y equipos de perforación más sofisticados de avance continuo y con torres alargadas que permiten la ejecución de la inyección prácticamente sin paralización. Esto significa que la calidad de la columna obtenida por el método SJG, es mejor en comparación al método SJP. El uso de equipos de alta tecnología significa aumento de la productividad, lo que significa reducción del costo de los trabajos de inyección. La tubería de inyeccion es doble, siendo la exterior de diámetro NW y la interna de 1pulgada.

Con el aumento de la energía del chorro se obtiene una columna de hasta 3.0metros de diámetro, en suelos de compacidad y consistencia media a blanda.

METODO CJ – Columb Jet. El método utiliza tubería triple para inyección de lechadas, aire y aditivos que se mezclan en la salida del hidromonitor. De este modo es posible usar mezclas de tiempo de fragua rápida, ya que la mezcla se efectúa en el interior del macizo. Tal procedimiento permite la obtención de columnas consolidadas inmediatamente después de producida la mezcla, sin poner en riesgo la operación de los equipos de bombeo y de la t ubería de inyección.

UTILIZACION DE LOS MÉTODOS DE INYECCION CON ALTA PRESIÓN A continuación se verá el campo de utilización de los métodos de inyección con alta presión, conocidos también como Jet Grouting. La elección de uno u otro método depende de las necesidades del proyecto, teniendo como objetivo definir la solución técnica más adecuada y económicamente más factible. Las inyecciones de alta presión, son usadas para la solución de varios problemas de la ingeniería: 

Tratamiento de suelos expansivos.

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Cimentaciones de bases de tanques petroleros y otros.

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Refuerzo de cimentaciones de edificaciones.

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Consolidación de suelos para implantación de obras subterráneas, como cámaras, estaciones de metro, túneles y galerías.

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Estabilidad de taludes.

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Pantallas de impermeabilización en presas.

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Estabilización de paredes de trincheras excavadas en suelos.

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Consolidación de materiales blandos para aumentar su capacidad de soporte o capacidad portante.

MEDIDAS DE SEGURIDAD EN OBRA 

Los sistemas de seguridad durante la inyección en túneles son responsabilidad del Contratista de Obra, por lo que antes de iniciar los trabajos debe implementarlos, por su cuenta y costo, de forma que garanticen la integridad del personal. En ningún caso se permitirá la inyección mientras no se cumpla con lo establecido en este Inciso. Los atrasos en el programa de ejecución detallado por concepto y ubicación, que por este motivo se ocasionen, serán imputables al Contratista de Obra.

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El Contratista de Obra proporcionará al personal el equipo adecuado para su protección, como cascos, anteojos inastillables, mascarillas contra el polvo, dispositivos para la protección contra el ruido, botas de seguridad, ropa protectora, guantes, lámparas portátiles, arneses y cinturones de seguridad, entre otros.

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En la obra se contará como mínimo con un instructivo visible en que se consignen los detalles sobre la forma de actuar en casos de emergencia, instalaciones de rescate y de primeros auxilios, extintores de incendio

adecuados, luces de emergencia y filtros

para monóxido de carbono en túneles de más de quinientos (500) metros.

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Se contará con medios de comunicación efectivos para uso habitual y para casos de emergencia, entre el sitio de inyección y el exterior del túnel. En el caso que se interrumpa dicha comunicación, la Secretaría suspenderá de inmediato los trabajos hasta que la comunicación sea restablecida. La Secretaría decidirá si la interrupción se debió a causas atribuibles al

Contratista de Obra, en cuyo caso, los atrasos en el programa de

ejecución detallado por concepto y ubicación, que se ocasionen, serán imputables al Contratista de Obra.