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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL BUENOS AIRES
CÁTEDRA DE CIMENTACIONES
¨ INYECCIÓN DE SUELOS ¨
ELABORÓ : ELIANA C. C ARLUCCIO
ENERO 2005
CATEDRA CATEDRA DE CIMENTA CIMENTA CIONES IN YECCIÓ YECCI Ó N DE S UELO UEL O S AÑ ÑO 2 005
Ø
INTRODUCCIÓN
Ø
RESEÑA HISTÓRICA DEL NACIMIENTO DE LAS INYECCIONES COMO TRATAMIENTO
Ø
USOS DE LAS INYECCIONES
Ø
MEDIOS INYECTABLES
Ø
ENSAYOS QUE PERMITEN CARACTERIZAR EL MATERIAL A INYECTAR ♦ ♦
Ø
CLASIFICACIÓN DE LAS INYECCIONES ♦ ♦
Ø
Inyecciones de Consolidación Inyecciones de Impermeabilización Impermeabilización
MÉTODO DE EJECUCIÓN DE LAS INYECCIONES ♦
Ø
Ensayo Lugeon Ensayo Lefranc
Inyección por tramos
TÉCNICAS DE INYECCIÓN Inyecciones por Impregnación y Rotura Inyección por Compactación Inyección por Fracturación Hidráulica Inyección por Reemplazo ( Jet Grouting ) Diferentes sistemas § Características § Rangos de aplicación § Aplicaciones § Ejemplos de proyectos reales § ♦ Inyección de Productos Químicos ♦ ♦ ♦ ♦
Ø
METODOLOGÍA DE INYECCIÓN ♦
Ø
LÍMITE DE INYECTABILIDAD ♦ ♦ ♦ ♦
Ø
Tubo Manguitos Criterios Basados en la Granulometría del Terreno Criterios Basados en la Permeabilidad del Terreno Criterio de Mitchel Conclusiones obtenidas obtenidas en Terzaghi – Dam
MATERIALES INYECTABLES Morteros Inestables Morteros de Cemento § Morteros Rebajados § ♦ Morteros Estables Morteros de Cemento – Bentonita § Morteros de Cemento – Silicato § Morteros de Cemento – Bentonita – Silicato Silicato § Morteros de Cemento Activado § Morteros Inyectables § Morteros de Arcilla Arcilla Tratada § Morteros de Aceite – Bentonita § Geles de Arcilla § Morteros de Arcilla – Cemento § Dosificaciones de morteros estables § ♦
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CATEDRA CATEDRA DE CIMENTA CIMENTA CIONES IN YECCIÓ YECCI Ó N DE S UELO UEL O S AÑ ÑO 2 005
Ø
INTRODUCCIÓN
Ø
RESEÑA HISTÓRICA DEL NACIMIENTO DE LAS INYECCIONES COMO TRATAMIENTO
Ø
USOS DE LAS INYECCIONES
Ø
MEDIOS INYECTABLES
Ø
ENSAYOS QUE PERMITEN CARACTERIZAR EL MATERIAL A INYECTAR ♦ ♦
Ø
CLASIFICACIÓN DE LAS INYECCIONES ♦ ♦
Ø
Inyecciones de Consolidación Inyecciones de Impermeabilización Impermeabilización
MÉTODO DE EJECUCIÓN DE LAS INYECCIONES ♦
Ø
Ensayo Lugeon Ensayo Lefranc
Inyección por tramos
TÉCNICAS DE INYECCIÓN Inyecciones por Impregnación y Rotura Inyección por Compactación Inyección por Fracturación Hidráulica Inyección por Reemplazo ( Jet Grouting ) Diferentes sistemas § Características § Rangos de aplicación § Aplicaciones § Ejemplos de proyectos reales § ♦ Inyección de Productos Químicos ♦ ♦ ♦ ♦
Ø
METODOLOGÍA DE INYECCIÓN ♦
Ø
LÍMITE DE INYECTABILIDAD ♦ ♦ ♦ ♦
Ø
Tubo Manguitos Criterios Basados en la Granulometría del Terreno Criterios Basados en la Permeabilidad del Terreno Criterio de Mitchel Conclusiones obtenidas obtenidas en Terzaghi – Dam
MATERIALES INYECTABLES Morteros Inestables Morteros de Cemento § Morteros Rebajados § ♦ Morteros Estables Morteros de Cemento – Bentonita § Morteros de Cemento – Silicato § Morteros de Cemento – Bentonita – Silicato Silicato § Morteros de Cemento Activado § Morteros Inyectables § Morteros de Arcilla Arcilla Tratada § Morteros de Aceite – Bentonita § Geles de Arcilla § Morteros de Arcilla – Cemento § Dosificaciones de morteros estables § ♦
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CATEDRA CATEDRA DE CIMENTA CIMENTA CIONES IN YECCIÓ YECCI Ó N DE S UELO UEL O S AÑ ÑO 2 005 ♦
Ø
Morteros Líquidos a base de Productos Químicos Geles Duros de Silicato de Sodio y Resinas Orgánicas § § Geles Plásticos a base de Silicato de Sodio y Bentonita Defloculada.
MOR TERO PRESIÓN DE INYECCIÓN Y DE RECHAZO DE UN MORTERO
♦ Resurgencias ♦ Contrapresión Ø
CONTROL DE LAS INYECCIONES ♦ ♦
♦ Ø
Medios Locales de Control Control Global de la Calidad del Tratamiento Efectividad de los Tratamientos de Inyección en Aluviones
EJEMPLOS PRACTICOS DEL USO DE INYECCIONES
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CATEDRA CATEDRA DE CIMENTA CIMENTA CIONES IN YECCIÓ YECCI Ó N DE S UELO UEL O S AÑ ÑO 2 005
INTRODUCCIÓN Las inyecciones son procedimientos que que se aplican al subsuelo, mediante los cuales se introduce introduce 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. El objetivo básico de este tratamiento es el de impermeabilizar o fortificar los macizos porosos tales como suelos granulares (gravas y arena), rocas fisuradas o fundaciones defectuosas, incrementando de este modo las propiedades mecánicas de los mismos. Es importante saber identificar qué medios se pueden utilizar para remediar la naturaleza de los terrenos y también determinar cuales son los factores que intervienen para fijar las condiciones de empleo de las inyecciones. Una inyección no se hace simplemente bombeando un mortero, el comportamiento del terreno es a veces impredecible debido a sus heterogeneidades; por ello es necesario, casi siempre, ver ol que ocurre al comienzo de la inyección para adoptar el método correspondiente. RESEÑA HISTÓRICA DEL NACIMIENTO DE LAS INYECCIONES COMO TRATAMIENTO La inyección de suelos es en el presente un procedimiento de construcción reconocido por todos los ingenieros. Sin embargo no no data de muy antiguo, antiguo, ya que sus comienzos comienzos se fijan en Francia Francia a principios del siglo XIX. Su inventor fue Bérigny en 1802, quien inyectó con éxito morteros de cemento, eventualmente asociados con puzolanas. Sin embargo, en sus comienzos no se pretendía más que rellenar grandes oquedades inyectando casi únicamente morteros líquidos por gravedad. Poco a poco fueron perfeccionándose los métodos de inyección y los morteros utilizados, pero el mayor impulso de las inyecciones data de 1920 – 1930, época en que la construcción de ferrocarriles dio paso a la de grandes obras hidráulicas. USOS DE LAS INYECCIONES Algunos de los usos de las inyecciones son: • • • • • • • •
Impermeabilizar cierto volumen de suelo debajo o alrededor de una estructura. Densificar los suelos de fundación para aumentar la resistencia a rotura y reducir la compresibilidad. compresibilidad. Rellenar grietas para prevenir asentamientos excesivos. Controlar el movimiento del suelo durante el proceso de ejecución de un túnel. Estabilizar arenas y aluviones gruesos. Apoyo de fundaciones. Estabilización de laderas. Control del cambio de volumen de suelos expansivos.
MEDIOS INYECTABLES El estudio de los medios inyectables se aplica a: 3
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• •
Macizos rocosos fisurados (considera las fisuras como canales) Macizos granulares porosos (cuyos poros son muy distintos en tamaño)
En la inyección clásica de materiales granulares o rocas fisuradas se hace penetrar la lechada a presión a través de los huecos a tratar. En los macizos rocosos, las fisuras pueden considerarse de abertura prácticamente constante; mientras que en los suelos, los poros son muy desiguales. Evidentemente las lechadas de inyección y los métodos de rellenamiento serán particulares en cada caso. Las fisuras de los macizos rocosos se rellenan por colmatación hidráulica, con un mortero de cemento y agua, mientras que el relleno de los huecos o poros de un aluvión se produce por impregnación y rotura del macizo. ENSAYOS QUE PERMITEN CARACTERIZAR EL MATERIAL A INYECTAR Ensayo Lugeon (1936): Es un ensayo de absorción in situ, que se ejecuta en las rocas fisuradas y tiene por objeto proporcionar una idea aproximada de su permeabilidad. Consiste en inyectar agua a presión mediante una bomba y medir el caudal que escurre por las fisuras del macizo rocoso. El procedimiento de realización es el siguiente: Se lleva a cabo una perforación en el macizo a ensayar, en carreras de unos 5 metros aproximadamente. • Para aislar el tramo a ensayar se utiliza un obturador de goma o packer que por compresión se expande. El fondo del pozo actúa como segundo obturador. • Luego se inyecta agua a presión con una bomba. • Se dispone un manómetro en la boca del pozo, un caudalímetro (contador de agua) y una válvula de descarga, que permiten medir los caudales inyectados a una presión dada. •
Fig. 1 (según H. Cambefort 1968): Principio en que se basan los Ensayos Lugeon 4
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La gama de presiones a aplicar depende del estado de fisuración del macizo rocoso. Se comienza aplicando en escalones ascendentes en este orden: 2,5 – 5,0 – 7,5 – 10 kg/cm2. Cuando se alcanza la presión máxima de 10 kg/cm2 se procede a aplicar decrementos de presión. Cada escalón de presión constante se mantiene durante un lapso de cinco o diez minutos, durante los cuales se mide con el caudalímetro el caudal inyectado.
La comparación de los resultados obtenidos con presiones crecientes y decrecientes es muy útil para caracterizar el comportamiento del suelo. Se denomina unidad Lugeon cuando en el tramo ensayado (de 5 m de longitud) escurren 1 litro x metro perforado en un minuto para una presión de inyección de 10 kg/cm2. Por lo tanto, se calcula el valor de absorción, en unidades Lugeon, dividiendo el gasto correspondiente a una presión de 10 kg/cm2 (expresado en l/min), por la longitud del tramo ensayado (expresada en metros). En la práctica, se suelen trazar, para distintos tramos, curvas de caudales de absorción, en función de la presión de inyección. Es conveniente trazar éstos diagramas a medida que progresa la prueba para ir observando las particularidades de la curva obtenida. La forma de las curvas gasto-presión es muy variable y depende principalmente de las características de fisuración de la masa, es decir, distribución y espesor de las fisuras, y tipo de relleno de éstas. Al aumentar la presión de inyección, se puede observar que la variación del gasto no es lineal, salvo en contados casos. Es frecuente observar seudo discontinuidades en las curvas gasto-presión, las cuales pueden atribuise a la abertura y cierre reversible de las fisuras que provocan una variación no lineal del gasto con la presión de inyección. Un ejemplo de curvas gasto – presión se da en la figura 2. En a) la circulación se realiza en un medio considerado elástico; mientras que en b) se aprecia que las fisuras no vuelven a su espesor inicial, por lo tanto la deformación se considera plástica.
n ó i s e r P
n ó i s e r P
Caudal a)
Caudal b)
Fig. 2 : Formas típicas del diagrama gasto-presión del ensayo Lugeon
En macizos cuyas permeabilidades sean inferiores de 1 a 3 unidades Lugeon, es posible que sea innecesaria su inyección.
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Ensayo Lefranc (aplicable a suelos granulares) Este ensayo consiste en realizar una cavidad de forma más o menos determinada, en la base de un entubado estanco, tal como puede observarse en la figura 3. A continuación se procede a inyectar agua dentro del tubo, con lo cual se provoca un desnivel H respecto al nivel piezométrico. Es recomendable que la carga de la prueba se limite a valores del orden de los 5 a 10 metros como máximo. El caudal que ingresa a la cavidad en m3 /seg estará dada por: Q=CxKxH En donde C (en metros) es un coeficiente que depende de las dimensiones y forma de la cavidad filtrante, K (en m/seg) es el coeficiente de permeabilidad, y H (en metros) es el desnivel en la altura del agua. Caudalímetro Bomba
Depósito
H
Nivel piezométrico
Nivel piezométrico
Entubado
Trépano Cavidad
Fig. 3 : Principio en que se basan los Ensayos Lefranc.
Tal como puede apreciarse en la figura 4: • Para una cavidad considerada esférica:
•
C = 4 π r0
Si la cavidad es planar o discoidal tal como el fondo de un encamisado:
• Si la cavidad es un cilindro o filtro cilíndrico resulta:
C = 5.7 r0
C= 2πa ln (a/r0) 6
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ro ro
Filtro a
ro
Fig. 4 : Diferentes formas de cavidades en un Ensayo Lefranc
Este ensayo proporciona un valor puntual de la permeabilidad del suelo en las inmediaciones de la cavidad; y sus resultados pueden ser no confiables porque no es posible conocer con exactitud cual es la forma de la cavidad. A menudo la cavidad se recubre de una película de suelo y la permeabilidad calculada es menor que la real. CLASIFICACIÓN DE LAS INYECCIONES Las inyecciones pueden clasificarse según su aplicación en: • •
Inyecciones de consolidación Inyecciones de impermeabilización
Inyecciones de Consolidación La consolidación de rocas muy fracturadas o terrenos no cohesivos puede hacerse mediante la aplicación de inyecciones, mientras que no es posible su aplicación para mejorar la resistencia natural de una arcilla o de un limo, ya que la permeabilidad de éstos es demasiado pequeña para permitir la introducción de un mortero.
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Inyectando mezclas generalmente de cemento y agua en perforaciones realizadas a tal efecto, pueden llenarse los espacios existentes entre diaclasas u otras oquedades y homogeneizar el macizo rocoso. Cuando la permeabilidad es baja pueden utilizarse mezclas más penetrantes tales como geles de silicato y resinas. Las dosificaciones de las mezclas varían notablemente, por ejemplo desde una proporción agua/cemento de 20:1 a 1:1. Las presiones de inyección son variables dependiendo de las características de los macizos, pero en orden de magnitud podría establecerse para un macizo rocoso, una presión de 20 kg/cm2. Inyecciones de Impermeabilización Las inyecciones de impermeabilización tienen como finalidad disminuir las filtraciones a través de los suelos, aumentando de esta forma la seguridad del conjunto y disminuyendo la erosión interna. Son muy utilizadas en presas, para la formación de una pantalla o cortina estanca, que disminuye la filtración de agua a través de la misma. Esta disminución de flujo se logra a expensas del aumento de la pérdida de carga que se produce en la cortina. MÉTODOS DE EJECUCIÓN DE LAS INYECCIONES Inyección por Tramos: En éste método, la inyección del mortero se hace por tramos de unos 5 m de longitud aproximadamente. Cada tramo está limitado en su parte superior por un obturador y en su parte inferior por el fondo de la perforación. A su vez la inyección por tramos puede hacerse de dos maneras: • •
Descendente Ascendente
Descendente Ascendente Fig. 5 (según H. Cambefort 1968): Inyección de una perforación por tramos
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Como su nombre lo indica la inyección descendente se realiza después de ejecutada la perforación de cada tramo. Una vez terminada la inyección se vuelve a perforar el tramo inyectado y luego se taladra el tramo siguiente. La inyección progresa por lo tanto desde arriba hacia abajo tal como puede apreciarse en la figura 5a. Si después de haber efectuado la perforación en toda su altura se comienza por inyectar el tramo más profundo, y después sucesivamente los tramos superiores, la inyección es ascendente (figura 5b). TÉCNICAS DE INYECCIÓN Actualmente son utilizados los siguientes métodos de inyección: • • • • •
Soil Fracture Grouting (Inyección por Impregnación y Rotura) Compaction Grouting (Inyección por Compactación) Inyección por Encapsulado o por Fracturas Hidraúlicas Jet Grouting (Inyección por Reemplazo) Permeation Grouting (Inyección de Productos Químicos)
La inyección de productos químicos y por encapsulado son métodos de baja presión, mientras que el jet grouting, la inyección por impregnación y rotura; y la inyección por compactación son métodos de alta presión. Inyección por impregnación y rotura: Al comienzo de una inyección, la lechada impregna los materiales muy permeables, pero al cabo de cierto tiempo esta circulación origina una gran pérdida de carga, ya sea por excesiva longitud del recorrido o por el fraguado del mortero. Permaneciendo casi constante el caudal de la bomba de inyección, la presión aumenta en el taladro hasta alcanzar el valor necesario para la inyección de las capas menos permeables. Si esta nueva presión es demasiado fuerte, aparecen roturas. Es por lo tanto teóricamente posible realizar inyecciones sin roturas. Es suficiente con utilizar morteros muy fluidos y caudales de inyección muy pequeños para que la presión en la perforación no alcance jamás la presión de rotura. Pero este modo de operar es imposible cuando el terreno es heterogéneo, ya que no se conoce nunca suficientemente la heterogeneidad como para fijar la fluidez del mortero, su tiempo de fraguado y el caudal de inyección. No hay más remedio entonces que aceptar las roturas. La inyección por impregnación únicamente es una situación ideal que no se alcanza totalmente ni aún en aluviones, ya que es extremadamente difícil introducir una lechada sin que se produzcan roturas. Obviamente cuando el tamaño de los huecos no es compatible con el tamaño de los granos inyectados, la inyección a presión produce roturas o “lenguas” de material que actúan como un gato hidráulico. Es decir que el mecanismo real es indudablemente por impregnación y rotura. En la figura 6 puede observarse un aluvión de estructura abierta, donde se aprecia en la parte superior de la fotografía una capa delgada de estructura cerrada.
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Fig. 6 (según H. Cambefort 1968): Estructura interna de un aluvión
Bajo el efecto de la presión de inyección se producen en el suelo fisuras que dan lugar a la creación de venas fluidas de recorrido sinuoso, que transportan una suspensión de granos de diversos tamaños. Como puede verse en la figura 7a, si la mezcla tiene una viscosidad correcta y es estable, va incorporando en los vacíos del suelo circundante, partículas suspendidas en la lechada, produciéndose la colmatación, permaneciendo dicha situación hasta que las pérdidas de carga detienen la circulación. Bajo un nuevo impulso de presión, vuelve a repetirse el mismo mecanismo con otra orientación. El resultado es una serie de roturas mínimas e impregnaciones máximas que constituyen un frente de inyección. Si en cambio, la viscosidad y la estabilidad no son las adecuadas (figura 7b), se producirán grietas o rompimientos iniciales seguidos de la formación de venas, que requerirán una fuerte carga para poder desplazarse. Esto dará origen a que se vaya deteniendo el avance, produciéndose una deshidratación y un frente densificado en partículas, que no penetra en absoluto, formándose así una veta de inyección. Dicho de otra manera habrá impregnaciones mínimas, roturas máximas y fugas con el consiguiente desperdicio de material.
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Vena líquida (impregnación máxima)
Veta de inyección (impregnación nula)
Impregnación Deshidratación
Límite de impregnación
Veta de inyección
Vena líquida con impregnación máxima
a) VISCOSIDAD Y ESTABILIDAD ADECUADAS
b) VISCOS IDAD Y ESTABILIDAD INADECUADAS
Fig. 7 (según III Congreso Panamericano, Caracas 1967): Mecánica de la inyección
Inyección por Compactación: Es una inyección por desplazamiento del suelo, sin penetración en absoluto. Una mezcla muy firme expande una cavidad originada por un taladro y a su vez densifica el suelo circundante. Se aplica a la restauración de la capacidad de carga en suelos sueltos o compresibles. La inyección por compactación ha sido utilizada en numerosos proyectos para remediar la densificación de los suelos de la fundación antes de la construcción y para prevenir asentamientos en la ejecución de túneles a través de suelos blandos, mediante la inyección de un mortero de suelo-cemento muy firme para desplazar y compactar el suelo. El control de la consistencia de la lechada es esencial para el éxito de las operaciones.
Lechada de muy alta viscocidad
Suelo densificado
Fig. 8 : Inyección por compactación
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Una mezcla de inyecciones por compactación puede asimilarse en su viscosidad a una pasta dentífrica, lo que requiere de bombas de baja velocidad y alta presión de inyección. Inyección por Fracturación Hidráulica: La lechada entra en las fisuras naturales del suelo, o produce una serie de fracturas hidráulicas que se rellenan con mortero y rodean a los fragmentos (clastos); o simplemente se extienden como venas cementicias que al fraguar producen un conjunto suelo – fractura muy resistente.
Fig. 9 (Foundation Engineering, 1991): In ección or fracturación hidráulica
Inyección por Reemplazo (Jet Grouting) Es una técnica que mejora las características mecánicas y el comportamiento hidráulico del terreno. Consiste en la inyección de un material consolidante, a muy alta velocidad a través de una o más boquillas de diámetro muy pequeño, lo cual 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. El método es utilizable para tratar una gama de terrenos muy amplia desde gravas hasta arcillas. Su ejecución, tal como puede apreciarse en la figura 10, se realiza de la siguiente manera:
Fig. 10 : Procedimiento constructivo 12
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1) Fase de perforación por rotación: se perfora el terreno a tratar con un sistema a rotopercución o por simple rotación con elementos de corte adecuado (trépanos) 2) Fin de la perforación: llegando a la cota establecida como final de la perforación se comienza con el proceso de inyección. 3) Inicio del proceso: se inyecta la lechada a alta presión (mediante bombas) a través de las toberas, lo cual produce una elevada energía cinética que ocasiona el corte y amasado del terreno circundante (ver figura 11). Al producirse la mezcla de la lechada con el terreno, quedan modificadas la estructura y las propiedades mecánicas del primitivo terreno natural. Las presiones de inyección no son inferiores a 150 kg/cm2 4) Elevación y rotación a velocidad preestablecida: se va ascendiendo al mismo tiempo que el elemento va rotando y provocando la inyección. 5) Terminación y repetición del proceso: se llega hasta la superficie con la columna en cuestión y se comienza con la siguiente repitiendo nuevamente el proceso.
Fig. 11 : Fotografía de una tobera de Inyección
Diferentes Sistemas del Jet Grouting: Es posible inyectar lechada sola (Jet 1), lechada con aire comprimido (Jet 2) o lechada con aire comprimido y agua a presión (Jet 3). •
Jet 1: Fluido Simple
Es el sistema más simple, en el cual se inyecta lechada de cemento a través de una pequeña tobera a alta presión, produciéndose una mezcla con el suelo in situ. Éste sistema produce un verdadero y homogéneo suelo cemento, con la más alta resistencia y el menor desperdicio de lechada. 13
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•
Jet 2: Fluido Doble
El segundo fluido que se emplea en este sistema es el aire. La lechada se inyecta a una presión más baja y es ayudada por un cono de aire comprimido que cubre la lechada de inyección. El aire reduce la fricción, permitiendo a la lechada de cemento desplazarse a una mayor distancia desde el inyector, con lo cual se logran columnas de inyección más grandes que con el Jet 1. •
Jet 3: Fluido Triple
El tercer fluido empleado en éste sistema es el agua. La misma se inyecta a alta presión mediante la ayuda de un cono de aire comprimido que la rodea (ver figura 12) Éste proceso produce un efecto de levantamiento de aire, el cual empuja el suelo circundante, provocando su corrimiento y ocasionando de este modo un vacío en forma de columna alrededor del inyector. Mientras tanto, por otra tobera colocada por debajo de la anterior, se inyecta la lechada de cemento, con lo cual se llena el vacío creado por el efecto del proceso del levantamiento del aire. El Jet 3 a diferencia del Jet 1 y del Jet 2, no es un procedimiento de mezcla in situ del suelo, sino que es un sistema de reemplazo del mismo.
Aire comprimido (5 atm) Agua (400 atm) Aire Comprimido (5 atm) Mezcla ara in ección 50 atm
Fig. 12: Esquema Jet 3
Tipo de Suelo Jet 1 Jet 2 Jet 3
Arena y Grava Arcilla Arena y Grava Arcilla Arena y Grava Arcilla
Diámetro de la Columna Inyectada
Resistencia del Suelo Inyectado
2´a 3´(hasta 3.5´) 2´a 3´ 3´a 6´(hasta 10´) 3´a 5´ 5´a 8´ 3´a 6´
1000 a 3000 psi 250 a 1000 psi 500 a 2000 psi 150 a 1000 psi 500 a 1500 psi 150 a 750 psi
Fig. 13: Resultados del método según tipo de suelo 14
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Parámetros del Jet Grouting Presión de inyección del mortero (Kg/cm2) Presión de inyección del aire comprimido (kg/cm2) Presión de inyección de agua (kg/cm2) Diámetro de la tobera de inyección del mortero (mm) Diámetro de la tobera de inyección de agua (mm) Diámetro de la tobera de inyección de aire (mm) Velocidad de rotación (rpm) Velocidad de retirada (cm/min)
Jet 1
Jet 2
Jet 3
Min
Max
Min
Max
Min
Max
200
600
300
600
30
70
-
-
6
12
6
12
-
-
-
-
200
500
1.5
3
1.5
3
4
8
-
-
-
-
1.5
3
-
-
1
2
1
2
10
25
5
10
5
10
10
50
7
30
5
30
Fig. 14: Parámetros del Jet Grouting
Características del Jet Grouting: Las características principales de este método se mencionan a continuación (ver figuras 15 y 16): •
• • • • •
Permite formar columnas de suelo mejorado con inyección, mediante la introducción a alta velocidad de un material consolidante (normalmente, lechada de cemento) a través de unos pequeños orificios denominados toberas. Esa velocidad se consigue mediante una alta presión de bombeo. El diámetro y la resistencia de las columnas dependen del método de ejecución y de las características del terreno. En general, el Jet 1 produce columnas de menor diámetro y mayor resistencia. Muy adecuado para el recalce de estructuras, sin alterar significativamente el comportamiento de la cimentación original. Utilizable para la creación de muros de contención y estanqueidad. Permite mejorar la estanqueidad en pantallas discontinuas, de pilotes o micropilotes. Las columnas pueden armarse mediante barras de acero, mejorando su resistencia a flexión
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Fig. 15 : Conformación de Muro de estanqueidad
Fig. 16: Columnas de Inyección 16
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Rangos de aplicación del Jet Grouting Tal como puede apreciarse en la figura 17, la técnica del Jet Grouting es aplicable, en general, para todo tipo de tamaño de partículas:
GRAVA
ARENA
Lechada de cemento
LIMO
ARCILLA
Lechada Química
% que pasa
Inyección por compactación Jet Grouting
Tamaño de Partículas (mm) Fig 17: Rango de aplicación del Jet Grouting según tamaño de partículas del suelo a inyectar
Aplicaciones del Jet Grouting: (Ver figura 18) Dentro de sus aplicaciones es posible mencionar: • • • • •
Consolidaciones de terrenos para excavación de túneles, pozos, ejecución de taludes, etc. Recimentación de edificios y estructuras en general. Muros de sostenimiento. Pantallas impermeables. Tapones de fondo en recintos estancos.
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Estructura
Columna de
inyección
Columna de inyección
Disminución de asentamientos del suelo bajo la estructura Mejora de la capa de apoyo para pilotes existentes
Columna inyectada
Tablestaca
Columna inyectada
Mejora la capacidad de carga de pilotes Previene el levantamiento del fondo de excavaciones
Retensión flexible
Codal Columna inyectada
Mejora la estabilidad del suelo de las laderas
Mejora la estabilidad del fondo excavado
Fig. 18: Aplicaciones del Jet Grouting
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Ejemplos de Proyectos reales concretados empleando Jet Grouting •
Montaje de un ajón hidráulico en Cesena, Italia
Como puede apreciarse en la figura 19, el trabajo consiste en dar sustentación a un cajón y al mismo tiempo procurar la consolidación del suelo que lo rodea. El proyecto por lo tanto involucra dos tipos de tareas, por un lado lograr la consolidación del suelo circundante al cajón mediante el uso de columnas del tipo Jet 3 (ver página 12), hasta una profundidad de –13 m; y por el otro generar una plataforma base para apoyar el cajón, también empleando columnas del tipo Jet 3 hasta los –23,40 m de profundidad.
-1.00 m NIVEL DE AGUA
Fig. 19: Montaje cajón hidráulico
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•
Camino del colector cloacal primario en Ostia (Figura 20)
El proyecto se basó en lograr la consolidación de las formaciones de suelo sobre las cuales se apoyaría posteriormente el colector cloacal principal de la Ciudad de Ostia, el cual está constituido en hormigón y su diámetro es de 1,40 m. Las juntas entre los distintos segmentos del conducto se materializaron por encastre, de modo que requieren una base de apoyo lo suficientemente rígida. Es por ello que se procuró lograr la consolidación del estrato que se encuentra por debajo del conducto, cuyo espesor promedio es de 2,50 m y se encuentra constituido por limos arenosos con características mecánicas extremadamente bajas. Para lograr la consolidación se emplearon columnas de 0,80 m de diámetro del tipo Jet 1 (ver página 11)
Zona sin tratamiento
Área tratada
PLANTA
Fig. 20: Colector Principal en Ostia
Inyección con Productos Químicos Esta técnica es aplicable a los suelos de pequeño tamaño de huecos. Consiste en la incorporación de soluciones que comunmente están basadas en silicato de sodio y un reactivo que también es una sal de sodio (pirofosfato de sodio), constituyendo los denominados geles blandos. Pueden usarse reactivos orgánicos como el acetato de etilo, constituyendo un gel duro. 20
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METODOLOGÍA DE INYECCIÓN Tubo Manguitos El procedimiento de inyección mediante la utilización del tubo manguito (patentado por la Sociedad SOLÉTANCHE), se desarrolla del siguiente modo: Luego de haber ejecutado la perforación y de realizar el encamisado de la misma, se introduce en toda su profundidad un tubo de 50 a 60 mm de diámetro aproximado, perforado a distancias iguales, tal como puede apreciarse en la figura 21. Estos agujeros suelen estar hechos en grupos de tres por cada metro de longitud. Cada grupo está recubierto por un trozo de tubo de caucho que actúa como válvula y que se denomina manguito.
Fig. 21 (según H. Cambefort 1968) : Esquema del sistema de inyección con Tubo Manguito
De esta manera, el mortero de la inyección puede salir del tubo, pero no entrar en él. Mientras se procede al alzamiento de la camisa, se rellena un espacio anular comprendido entre ésta y el tubo manguito, con una mezcla de cemento-arcilla, comúnmente denominada vaina. Una vez fraguado este mortero, constituye un recubrimiento más o menos espeso que facilita la adherencia entre el tubo manguito y el terreno. Para que la inyección pueda realizarse, tiene que romperse la vaina (mezcla cemento – arcilla), en la parte que corresponde a los manguitos. Esta operación se hace con una inyección de agua o de mortero a presión, localizada en el tramo de tubo con manguitos determinado por dos obturadores opuestos. Las presiones de rotura pueden ser desde unos pocos kg/cm2 hasta más de 60 kg/cm2. Esas presiones de rotura dependen del estado en que se encuentren las paredes de la perforación; de la composición del mortero de recubrimiento o de la elasticidad del terreno. 21
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La inyección de los morteros se hace exactamente siguiendo el mismo proceso que el que ha servido para romper el recubrimiento, es decir, cuando está detenido el doble obturador a la altura de un manguito, se envía el mortero de inyección con el inyector. Los obturadores que se utilizan pueden verse en la figura 22.
Fig. 22 (según H. Cambefort 1968): Esquema del Doble obturador
Gracias a este dispositivo, la inyección puede comenzarse por el tramo que se desee. Suele tener interés comenzar por los medios más permeables, una vez obturados éstos, los morteros que se inyecten en las capas próximas de granulometría más fina no podrán aprovechar los niveles permeables para progresar hacia delante. Por el contrario, si el reconocimiento previo ha comprobado la existencia de capas de granulometría claramente diferente, con este procedimiento es fácil adaptar el mortero a la granulometría de la capa que se quiere inyectar. Por ejemplo, se podrá inyectar un mortero de arcilla-cemento en las formaciones más gruesas y gel de sílice en las arenas finas que no pueden inyectarse con arcilla-cemento. En resumen, este método permite realizar una inyección correcta y relativamente económica a gran profundidad, por ejemplo 100 m, y además volver sobre cualquier punto de la pantalla para finalizar una impermeabilización que fuera insuficiente o estuviera sin terminar.
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1 – Perforación y encamisado 2 – Colocación del tubo manguito 3 – Colocación de la vaina entre el tubo manguito y la camisa 4 – Inyección por tramos entre el doble obturador
Fig. 23 (según Foundation Engineering, 1991): Secuencia de ejecución de la inyección utilizando el sistema del Tubo Manguito
LÍMITE DE INYECTABILIDAD Es importante precisar la composición de lechada que se puede inyectar en cada tipo de aluvión. Tiene que existir determinada relación entre las dimensiones de los granos del mortero y el medio a inyectar para que sea posible la inyección, al menos por impregnación y roturas. Criterios basados en la Granulometría Debe aplicarse un criterio de inyectabilidad que permita relacionar los tamaños de las partículas del material a inyectar con el tamaño de las partículas que conforman el mortero de inyección. Numerosos investigadores han tratado de determinar esta relación haciendo penetrar los morteros en “esqueletos” de granulometría diferente, colocados en tubos rígidos, exactamente como para un ensayo de permeabilidad. Han elegido como criterio la granulometría del medio a inyectar respecto a la del mortero, pero un medio de granulometría determinada puede tener huecos de dimensiones más o menos grandes según el grado de compactación. Por lo tanto este criterio no resulta satisfactorio, y además, el ensayo de inyección no es representativo porque no tiene en cuenta la elasticidad natural del macizo inyectado. Sin embargo, da una idea de las posibilidades de cada clase de mortero de inyección.
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LIMO
2- arcilla-cemento 3- arcilla 5- gel de sílice 6- emulsión de betún-resina Fig. 24 (según H. Cambefort, 1968): Límites de permeabilidad de los morteros basados en la granulometría del terreno.
Criterios basados en la permeabilidad Si se quiere encontrar un criterio más lógico que el basado en la granulometría, es preciso determinar la dimensión de huecos del “esqueleto” y compararla con la dimensión de granos del mortero. Puede obtenerse de esta manera un criterio de inyectabilidad a partir de la permeabilidad de los medios inyectados, sin duda más moderno y eficiente que el criterio granulométrico. La ventaja que presenta la elección del coeficiente de permeabilidad para fijar el límite de penetrabilidad es evidente. Resulta muy difícil comparar curvas granulométricas incluso próximas, mientras que es muy sencillo comparar coeficientes de permeabilidad. Además ésta puede calcularse in situ, mientras que la granulometría hace abstracción absoluta del grado de compacidad del medio. A pesar de la imprecisión con que se obtienen los valores del coeficiente de permeabilidad, este método es sin duda mucho mejor que el anterior. Se expone el criterio en la figura 25, donde pueden verse las conclusiones obtenidas: 24
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1000 e d s o n a r s g a s r c o i l e m d n o e i a d d e a m h c e o l r t e m á i D
100 Cemento
10
Arcilla - cemento Gel duro de silicato de sodio. Bentonita desfloculada Gel semiduro de silicato de sodio. Lignocromos
1
Gel de silicato muy diluido. Emulsiones de betún. (Límite correspondiente a las condiciones normales de inyección) Resinas Orgánicas (Límite correspondiente a las condiciones normales de inyección)
0.1 10E-6
10E-5
10E-4
10E-3
10E-2
10E-1
1
Coeficiente de permeabilidad del estrato K (m/s) Fig. 25 : Límite de penetrabilidad de los morteros basados en la permeabilidad de los terrenos
Criterio de Mitchel Dentro de los criterios granulométricos expuestos por los diferentes autores, es importante destacar particularmente el Criterio de Mitchel, por ser éste el más moderno (1981): Para suelos granulares: N = D15 suelo D85 lechada
Nc = D10 suelo D95 lechada
Si N > 24 la inyección es perfectamente viable Si N < 11 la inyección no es posible
Si N > 11 la inyección es perfectamente viable Si N < 6 la inyección no es posible
Para Rocas: NR = Ancho de fisura D85 lechada
Si N > 5 la inyección es perfectamente viable Si N < 2 la inyección no es posible 25
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Conclusiones obtenidas en Terzaghi – Dam El conocimiento fundamental que se necesita para diseñar una cortina de inyecciones de impermeabilización, fue adquirido por Terzaghi a través del resultado de dos pruebas de inyección a gran escala. Una de ellas practicada en 1955 en la Presa Serre – Poncon, en el valle del Rio Durance en la parte sur de Francia; y la otra realizada en 1956 en el Rio Nilo, en la Presa High Aswan. Ámbas dejaron las mismas conclusiones generales: •
Si el coeficiente de permeabilidad inicial k del aluvión es k > 10 -2 cm/s, lechadas apropiadas de cemento – arcilla pueden llegar a reducir k hasta lograr una permeabilidad final kg = 10-4 cm/s.
•
Si k < 10-2 cm/s, entonces kg se incrementa cuando k decrece.
•
Si k < 10-3 cm/s, entonces el aluvión no puede ser inyectado con lechadas binarias o terciarias.
Éstas conclusiones indican que las inyecciones penetran únicamente en estratos formados por materiales con valores de k mayores que 10 -2 cm/s y que el efecto de la inyección depende en gran medida de patrón de estratificación que ha tenido el suelo. Terzaghi determinó que cuando el embalse se llena, el agua debería filtrar con un gradiente no mayor a 3 o 4. De esta manera queda fijado el ancho B de una cortina impermeable bajo una presa. MATERIALES INYECTABLES Diferentes clases Las mezclas empleadas en inyecciones, tanto para impermeabilización como para consolidación, pueden ser clasificadas en tres categorías principales: • • •
Líquidas: productos químicos o geles Suspensiones Inestables: cemento y agua Suspensiones Estables: suspensiones activadas
Las líquidas están constituidas por productos químicos, como por ejemplo silicato de sodio, más o menos diluido, mezclado con un reactivo; resinas sintéticas o también productos hidrocarbonatados puros. Las suspensiones inestables son simples suspensiones de cemento en el agua. Son las más comunes para la inyección de rocas. No son homogéneas más que en el caso de que se las agite. Cuando cesa la agitación comienza la sedimentación. Las suspensiones estables, que prácticamente no tienen decantación, son obtenidas por ejemplo diluyendo arcilla en el agua o una combinación cualquiera de arcilla-cemento y arena. Es muy común su uso para inyección de suelos. MORTEROS INESTABLES Para poder apreciar las cualidades y defectos de los morteros inestables supongamos que se quiere inyectar un aluvión con un mortero de cemento, esencialmente inestable. Las arenas y gravas están constituidas por un conjunto de granos de todas las dimensiones y el cemento por otro conjunto cuyos granos más gruesos tienen alrededor de una décima de milímetro de diámetro. Suponiendo incluso que todos los granos de cemento sean independientes, cosa que está lejos de suceder, 26
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es necesario, para que la inyección sea posible, que puedan introducirse en los poros existentes entre los granos de arena. La dimensión de huecos de un “esqueleto” aluvional es desconocida; además, esta dimensión no es constante: existen huecos grandes y pequeños. La suspensión de cemento está constituida por un conjunto de flóculos, más o menos grandes y más o menos deformables y no por granos aislados, por lo que la experiencia demuestra que si la arena permite el paso del cemento, éste no penetra mucho; solamente algunos centímetros. Se mejora un poco la penetración utilizando morteros de inyección muy diluidos; por ejemplo, en la relación 1:10. Con el agua es más fácil hacer circular los granos de cemento o los flóculos. Cuando se utilizan morteros inestables la posibilidad de formación de bóvedas que detienen la inyección a la entrada de pequeños intersticios, es muy frecuente. Cuando a la entrada de un intersticio se forma una bóveda que está constituida por granos de cemento y burbujas, su estabilidad es pequeña (figura 26), destruyéndose por efecto de la inyección y permitiendo el avance del mortero hacia delante. Cuando el mortero atraviesa un pequeño intersticio para llegar a uno grande, su velocidad disminuye. Si esta disminución es tal que permite al cemento depositarse, el intersticio grande, si no se obstruye, al menos se tapona parcialmente (figura 27). Esos depósitos son arrastrados hacia abajo por la presión del flujo de inyección y acaban por obstruir el pequeño intersticio siguiente, interrumpiendo el proceso de la misma.
Fig. 26 (según H. Cambefort, 1968): Formación de una bóveda a la entrada de un intersticio en un suelo granular
Fig. 27 (según H. Cambefort, 1968): Sedimentación de un mortero de inyección estable desde su entrada en un suelo granular
Dentro de los morteros o lechadas inestables encontramos los siguientes tipos: Morteros de Cemento Es el prototipo de lechada inestable. La suspensión de cemento está constituida por un conjunto de flóculos, más o menos grandes y más o menos deformables y no por granos aislados. El limite de dilución del cemento es imposible de precisar porque depende de la naturaleza del mismo. Si el cemento considerado tiene un molido fino y un fraguado rápido, éste detendrá la sedimentación. Solamente el fraguado del cemento puede interrumpir la sedimentación. Es sabido que el cemento se deposita en las fisuras en forma de sedimentación hidráulica. El cierre o estrechamiento de las fisuras comprime el terreno provocando la compactación de los sedimentos. Cuanto más elevada sea la presión de inyección más fuerte será la compresión del cemento. 27
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Morteros Rebajados Cuando son grandes las absorciones, puede reducirse el gasto correspondiente a los productos inyectados, reemplazando el cemento por un polvo inerte de arena fina, por ejemplo. Esta sustitución no modifica prácticamente la inyectabilidad del mortero si la granulometría del nuevo producto es comparable con la del cemento. Se inyectan tan fácilmente como los morteros de cemento puro. La resistencia decrece rápidamente cuando el porcentaje de arena aumenta, pero esto no es un grave problema para la estanqueidad pura, donde no es necesaria resistencia alguna. Estos morteros no se emplean habitualmente ya que provocan un desgate muy rápido de los elementos utilizados para realizar la inyección, particularmente las bombas. Además si se utilizan arenas de un tamaño de grano de 1mm., las mismas decantan con demasiada facilidad. MORTEROS ESTABLES Son suspensiones en el agua de granos suficientemente pequeños para que no pueda manifestarse sedimentación alguna durante la inyección. Una suspensión de arcilla coloidal, en tanto que no sedimente, pertenece a ese tipo de mortero, pero siempre que mantenga la fluidez necesaria para hacer posible la inyección y proporcione después la rigidez suficiente. Para lograr esto se aplican métodos que aseguren la defloculación de los coloides o por adición de éstos a productos más pobres. El mortero adquiere como consecuencia una cierta rigidez y de ella resulta una mejor suspensión del propio cemento y de la arena que eventualmente se le puede añadir. Morteros de Cemento – Bentonita La adición de bentonita aumenta la viscosidad de los morteros de cemento en los que la relación Agua/Cemento sea constante. Este aumento es más importante cuanto más densos son los morteros iniciales. La adición de una pequeña cantidad de bentonita al cemento permite realizar morteros inyectables que presentan una buena resistencia mecánica Morteros de Cemento – Silicato La rigidez de un mortero de cemento queda mejorada por la adición de silicato de sodio. Esta mejora es tanto más importante cuanto más fuerte es la dosificación del cemento. Además si un mortero de estas características permanece en reposo, su rigidez va creciendo con el tiempo. Este efecto, que se manifiesta claramente al cabo de una hora aproximadamente, corresponde a una aceleración del fraguado de cemento debida al silicato. Frecuentemente, los morteros así tratados no son homogéneos, tendiendo el silicato a la formación de grumos. Para suprimirlos es necesario un tiempo muy largo de agitación, incompatible con las necesidades del trabajo. Por eso, estos morteros en la práctica no suelen utilizarse. Morteros de Cemento – Bentonita – Silicato La adición de bentonita a un mortero de cemento retarda su fraguado y disminuye su resistencia mecánica, pero proporciona un mortero homogéneo. El silicato acelera el fraguado, pero produce un mortero grumoso. Es pues conveniente combinar estos productos. 28
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La experiencia demuestra que el mortero así obtenido es homogéneo y tiene una rigidez inicial más importante que únicamente con la bentonita, teniendo un comportamiento claramente tixotrópico. Morteros de Cemento Activados Cuanto más fuerte es la dosificación en cemento de un mortero, más débil es su decantación. Una dosificación muy fuerte, variable según la naturaleza del cemento permitirá la obtención de una decantación nula. Esa clase de morteros es generalmente ininyectable. Pero sometiéndolos a ciertos tratamientos se llega a obtener un producto que presenta las características deseadas, estos tratamientos provocan la defloculación de los coloides de la suspensión, obteniéndose de esta forma morteros activados. El objeto de la activación es permitir la obtención de morteros inyectables de elevada dosis en cemento, que tengan una ligera sedimentación o incluso ninguna. Además, esta activación hace el mortero menos deslavable y prácticamente no miscible en el agua, lo que constituye una propiedad extremadamente interesante. Pueden distinguirse principalmrnte dos clases de activaciones: por vía química y por vía mecánica. •
La dispersión por vía química permite obtener morteros de dosificación relativamente pequeña y sedimentación nula, mediante el empleo de productos que proporcionan plasticidad, fluidez y aumento de volumen. Algunos plastificantes, convenientemente elegidos, impiden la floculación del cemento. Para reducir la sedimentación se pueden llegar a utilizar productos que aumenten el volumen del mortero antes de su fraguado. Estos productos generalmente están constituidos por un polvo fino de aluminio que al reaccionar con la cal del cemento desprende burbujas de hidrogeno, muy pequeñas y numerosas. Indudablemente es la mejor solución mientras que los productos adicionados no modifiquen peligrosamente la resistencia final.
•
La dispersión mecánica es muy empleada, se obtiene haciendo pasar un mortero de cemento convenientemente dosificado por un mezclador especial. Estos mezcladores provocan una agitación o, mejor dicho, un laminado extremadamente violento. Este laminado provoca el desprendimiento de los granos de cemento adheridos a la superficie, por lo que la película de hidrato es eliminada precipitando al estado coloidal, de donde provienen las propiedades del mortero. La defloculación de suspensiones de arcilla La penetrabilidad de las suspensiones de arcilla de alta calidad es función directa de su proceso de defloculación. En suspensiones de arcilla, la floculación está regida por los coloides. Este concepto se aplica a las partículas cuyo comportamiento viene controlado por las fuerzas eléctricas de superficie. En las arcillas, los átomos existentes en superficie no están balanceados o neutralizados eléctricamente, por lo que se originan fuerzas de repulsión. Si en el sistema se produce un cambio, tal como una ionización, la neutralización de cargas disminuye dichas fuerzas produciéndose el agrupamiento de partículas en forma de flocs que posteriormente precipitan (suspensión floculada). Si en cambio se aportan al sistema grupos aniónicos estables que incrementan las cargas positivas, se tendrá un aumento en la repulsión, permitiendo que las partículas actúen como elementos individuales, resultando una suspensión defloculada. Esto se logra mediante el uso de un agente 29
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defloculante, que incorporado en pequeñas cantidades, produzca un cambio en el comportamiento del sistema tal como el descripto anteriormente. Dentro de las consecuencias de la floculación podemos mencionar: • • •
Las suspensiones se presentan con partículas de un tamaño extremadamente grande. Aumenta la viscosidad de la suspensión disminuyendo su penetrabilidad. Los flocs apresan las partículas más gruesas, precipitándose el conjunto, hasta que finalmente la masa fluida gelifica con expulsión de gran cantidad de agua.
Morteros Inyectables La adición de arena a un mortero de cemento estable da como resultado la obtención de un mortero inyectable. Según el resultado que se desee, la cantidad de arena será más o menos grande y su granulometría más o menos fina. De manera general, cuanto más fuerte es la dosificación de arena, más fácilmente pueden permanecer en suspensión los granos más gruesos. Por eso se pueden realizar morteros que contengan granos de 5 a 8 mm de diámetro, pero estos no pueden ser inyectados con cualquier bomba. Además se les debe reservar para la inyección de cavidades relativamente importantes. Morteros de Arcilla Tratada Estos morteros son suspensiones de arcilla en el agua, adicionadas de productos químicos convenientes para permitir una inyección satisfactoria. Se observo en experiencias que después de la inyección, la suspensión sedimenta e incluso en ciertos casos se orea, quedando en el terreno una masa pastosa relativamente consistente. Estos productos no tienen prácticamente ninguna resistencia mecánica, por lo que no se los puede utilizar para consolidación. Una arcilla que tenga prácticamente todos sus granos con un diámetro inferior a la centésima de milímetro debe poder utilizarse para obturar los intersticios más pequeños del suelo. Pero para ello es preciso deflocular al máximo la arcilla en el mortero. Esta exigencia es muy difícil de satisfacer y no siempre puede lograrse. Una simple agitación mecánica es insuficiente para poner en suspensión la arcilla en el agua cuando la dosificación es baja. Sin embargo, los ensayos de laboratorio indican que esto puede lograrse utilizando ultrasonido, pero lógicamente sería costosísimo utilizar generadores que permitieran tratar cantidades industriales de mortero y probablemente de empleo muy delicado en una obra. Otro método posible para minimizar la sedimentación es el agregado de productos químicos que permitan obtener un pH próximo a 12, pero este procedimiento no es sencillo de materializar en obra. Las suspensiones preparadas de este modo son suficientemente viscosas para que pueda añadirse arcilla de grano no muy fino e incluso limo. Dicho de otro modo, se proporcionan a los productos ordinarios los elementos que les faltan para obtener suspensiones estables. Se obtienen así arcillas tratadas. Con respecto a la elección del tipo de arcilla a emplear en la confección del mortero, una buena indicación en principio es proporcionada por los límites de Atterberg, particularmente por el límite líquido. Cuanto mayor es el límite liquido de un suelo, más plástico es el mismo y más cantidad de coloides posee; por lo tanto mejor es su comportamiento como material estabilizante de una suspensión.
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Morteros de Aceite – Bentonita La bentonita seca suspendida en aceite o gas-oil conserva sus facultades de dilatancia cuando el mortero está en presencia de agua. Se trata de un fenómeno extremadamente curioso utilizado por las compañías petrolíferas para realizar sellados en las perforaciones. En determinados casos pueden utilizarse estos morteros para la inyección, pero siempre que el terreno no esté sumergido para que la bentonita no se hinche en el curso de la inyección. Absorbiendo una parte del agua intersticial del suelo, se forma un gel de bentonita que impermeabiliza las fisuras. Geles de Arcilla Para que una suspensión de arcilla permita impermeabilizar correctamente un medio permeable cualquiera, es necesario que después de la inyección presente una rigidez suficiente para no ser impulsada por la presión de las aguas, es necesario que esta suspensión sea tixótropa. La tixotropía es una propiedad natural de las buenas bentonitas, pero es necesario someter a tratamiento la arcilla para darle esta propiedad. Esto no es fácil porque para que un mortero sea aceptable, tiene que ser relativamente elevada su rigidez al reposo. Por ello es que se ha pensado en confeccionar geles de arcilla, que no son morteros tixotrópicos en el propio sentido de la palabra. Morteros de Arcilla – Cemento Un mortero de arcilla pura que no presente una tixotropía bastante fuerte corre el riesgo de ser deslavado en el transcurso de la inyección, o bien, si no está suficientemente aireado, de no resistir la carga de agua a la que se verá posteriormente sometido. Es importante por lo tanto dar al producto final una cierta resistencia mecánica para bloquear los intersticios del suelo. Esta resistencia puede ser de apenas unos pocos kilos por centímetro cuadrado. Se llega a este resultado añadiendo cemento a la arcilla, pero al mismo tiempo se sacrifica la principal propiedad de la arcilla, ya que se añaden a granos muy pequeños, los granos de cemento, que son mucho más gruesos. En un principio, esos nuevos morteros no deberían ser aptos para la estanqueidad de intersticios tan finos como los obturados por morteros de arcilla pura; sin embargo la experiencia muestra varios casos en los que esto no sucede. Se comprende fácilmente porque es muy raro que en un mortero de arcilla pura todos los granos se desfloculen. La posibilidad del mortero queda entonces condicionada al diámetro de los flóculos y no al de los granos. Esto no impide que se elijan cementos de grano muy fino para mejorar esos morteros. Se ha observado igualmente que la adición de cemento permitía realizar suspensiones estables, dotadas de más o menos rigidez, con arcillas no muy finas y difíciles de poner en suspensión en estado puro. El cemento proporciona los coloides necesarios para alcanzar este resultado. Para tener una fluidez conveniente, los morteros arcilla – cemento están en general débilmente dosificados en cemento y fuertemente en arcilla, contrariamente a los morteros cemento- bentonita, ya que la bentonita es mucho más coloidal que la arcilla. La adición de cemento a una suspensión de arcilla permite aumentar el contenido de materia seca sin perjudicar la inyectabilidad del mortero.
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Dosificaciones de morteros estables Los morteros anteriormente descriptos pueden considerarse estables. Un ejemplo ilustrativo de una dosificación empleada para la impermeabilización de un aluvión mediante la utilización de una pantalla de tres filas, con una permeabilidad inicial de K = 10-4 m/s es la siguiente:
Dosificación empleada en la fila central Arcilla defloculada y decantada a partículas 89 % menores de 16 µ Cemento de molienda 11 % fina Relación 7a8 Agua /Material Dosificación empleada en las filas laterales Suelo 82.5 % Cemento 15 % Bentonita 1.5 % Silicato 1% Para las filas laterales, se detallan a continuación valores de resistencia mecánica en función del tiempo, obtenidos en probetas ensayadas en laboratorio a compresión simple, para diferentes relaciones Agua / Material: Resistencia mecánica en Resistencia mecánica en 2 Tiempo kg/cm para una relación kg/cm2 para una relación Agua/Material = 2 Agua/Material = 3 24 hs. 0.2 0.03 48 hs. 0.26 0.04 72 hs. 0.4 0.10 7 dias 0.7 0.13 14 dias 1.2 0.20 28 dias 2.5 0.32 60 dias 3 0.55 Este aluvión presentaba las siguientes cararterísticas granulométricas:
Tamiz 1 ½” 3/8” Nº 4 Nº 40 Nº 200
% que pasa 100 % 96 % 90 % 20 % 4%
Con la utilización de estas lechadas se obtuvieron valores de permeabilidad finales K = 10-6 m/s 32
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MORTEROS LÍQUIDOS A BASE DE PRODUCTOS QUÍMICOS Aunque de hecho todos los morteros son líquidos, se reserva este calificativo a las mezclas que no contienen ninguna partícula cuya dimensión, por pequeña que sea, pueda medirse fácilmente. Por eso la disolución en agua de una bentonita, cuya dimensión de granos es del orden de la milésima de milímetro, no constituye un mortero líquido. Por el contrario, el silicato de sodio se considera como un mortero líquido, aunque contiene micelas coloidales de dimensiones no despreciables pero de difícil medición. Estas dimensiones son, sin duda alguna, muy inferiores a las de las partículas de bentonita. En principio, los morteros en estado líquido pueden penetrar en todos los huecos por donde el agua discurra, pero para que esto pueda ocurrir en la práctica, la permeabilidad del medio inyectado no puede ser demasiado pequeña. Dicho de otro modo, si el mortero de inyección es tan fluido como el agua no es necesario que el terreno tenga poros demasiado grandes. Este es el caso de las arcillas y también de los limos que prácticamente no son inyectables. Inversamente, si el medio a inyectar tiene poros apreciables, pero el mortero tiene demasiada viscosidad, la inyección es igualmente imposible. Geles duros de silicato de sodio y resinas orgánicas La dimensión de los granos o flóculos de la fase sólida en suspensión en los morteros clásicos limita la penetrabilidad de los mismos. Es por lo tanto la química quien se ocupa de encontrar morteros perfectamente líquidos, capaces de alcanzar todos los huecos del suelo donde el agua pueda tener acceso. Los productos utilizados habitualmente son el silicato de sodio y las resinas orgánicas. •
Geles de silicato de sodio La adición a un silicato de sodio de una proporción conveniente de reactivos: electrólito, ácido u otra solución coloidal, constituye un sol, que al cabo de cierto tiempo se transforma en gel. Este producto puede ser duro o plástico y se puede emplear para impermeabilizar o consolidar los terrenos. En 1926 Joosten adoptó un procedimiento mediante el cual se inyectan separadamente en el terreno una solución de silicato de sodio y después una solución de cloruro de calcio. El silicato da un gel resistente que consolida el terreno impermeabilizándolo, pero su endurecimiento es casi instantáneo.
•
Resinas Orgánicas Las resinas orgánicas que se presentan en forma de líquidos se polimerizan al cabo de cierto tiempo para dar un sólido más o menos resistente, pudiendo utilizarse como mortero de inyección. Las resinas utilizadas pertenecen a dos grandes clases: las monómeras, acuosas que después de la polimerización se transforman en una masa homogénea, medianamente resistente; y las polímeras precondensadas, que proporcionan una masa extremadamente dura, más resistente que el hormigón.
•
Morteros a base de Polímeros Precondensados Comprenden polímeros de la clase de los epoxis, poliéster, poliestirenos, acrílicos o una mezcla copolimerizada de éstos. Son de un precio extremadamente elevado. Por ello se utilizan únicamente cuando las cantidades a inyectar son pequeñas. Se pueden aprovechar entonces sus excelentes características mecánicas para obtener conjuntos monolíticos muy resistentes, como por ejemplo la reparación de obras de hormigón fisuradas. 33
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Geles Plásticos a base de Silicato de Sodio y Bentonita Defloculada. Los geles plásticos de silicato de sodio se obtienen por coagulación retardada de un mortero único que conserva su estado líquido en el transcurso de la inyección. Para su fabricación se utilizan reactivos minerales, mientras que en las mismas condiciones de fraguado, son necesarios reactivos orgánicos para obtener geles duros. Su cohesión de varias decenas de g/cm2, no permite su utilización más que para impermeabilizaciones, pero como son bastante fluidos su penetrabilidad es buena y complementan muy ventajosamente los morteros de arcilla – cemento en todas las inyecciones de aluviones construidos por arenas finas. •
Geles a base de Silicato de Sodio En todos estos productos se realiza la congelación retardada de una solución de silicato de sodio, con una cantidad de cationes insuficiente para obtener un medio eléctricamente neutro. Si se utilizara gran cantidad de geles serían menos estables y sobre todo más costosos porque necesitarían una cantidad demasiado grande de reactivo.
•
Geles de Bentonita, Arcilla o Cemento Puede obtenerse un gel añadiendo bentonita, arcilla o cemento al silicato. El mortero cemento – silicato – agua, acusa una sedimentación rápida del cemento. Para evitarla basta con añadir 1 o 2 % de bentonita, que mantiene el cemento en suspensión. Aumentando en cantidades crecientes la bentonita, se reduce mucho el tiempo de fraguado, llegándose así a la obtención de un gel constituido por cemento – bentonita – silicato y agua, cuyo tiempo de fraguado puede regularse jugando con las diferentes proporciones de sus componentes. Una suspensión de arcilla o bentonita cobrará más rigidez con la adición de silicato y de reactivo. Esta nueva propiedad le permitirá permanecer en el terreno después de la inyección, aún en el caso de fuertes gradientes hidráulicos, pudiéndose regular fácilmente el tiempo de fraguado de estos geles.
PRESIÓN DE INYECCIÓN Y DE RECHAZO DE UN MORTERO Limitando las presiones de inyección a valores bajos, se corre el riesgo de que no se realicen tratamientos correctos en el terreno. Las altas presiones de inyección facilitan en el momento de la inyección, la expulsión del agua sobrante, quedando solamente el agua de cristalización, constituyendo un corrector de los posibles errores de dosificación. Además aumentan la adherencia de los sedimentos a los terrenos incluso poco propicios, ensanchan fisuras demasiado estrechas, hacen que penetre más adentro la lechada de cemento y crean en el terreno, siguiendo más o menos los planos de sus diaclasas, nuevas fracturas revestidas de una fina película impermeable, formando un haz a través del cual la circulación de agua estará limitada por fuertes pérdidas de carga. En general las fuertes presiones no hacen otra cosa que abrir las pequeñas fisuras preexistentes, lo que permite el paso de granos de cemento. Por lo tanto un macizo rocoso finamente fisurado no puede ser inyectado a baja presión más que con cemento de grano fino, es decir de gran superficie específica. A medida que se va aumentando la presión, todos los cementos son utilizables porque son las fisuras las que se van ensanchando y por lo tanto pueden pasar los granos de cemento, es decir que cuanto más fuerte sea la presión, más posibilidad existe de inyectar las fisuras finas. 34
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La presión de rechazo es aquella para la cual se ha decidido detener la inyección. No existe nunca una presión de rechazo absoluta, ya que un aumento de la misma abre todavía más las fisuras y facilita el paso del mortero. La presión de rechazo, como la de inyección, es una presión medida a la entrada del taladro, y ambas están sometidas a fuertes oscilaciones debidas a la bomba de inyección. Resurgencias Cuanto mayor es la presión de rechazo, mejor es la inyección, pero también es más grande el riesgo de resurgencias de la lechada. La determinación depende de varias consideraciones tales como deformación del terreno, resurgencias del mortero, trabajos de impermeabilización o consolidación, separación y diámetro de las perforaciones, etc. Cabe aclarar que no es aconsejable detener la inyección a la primera manifestación de resurgencias, sino que se debe intentar reducirlas, ya que no pueden detenerse. Para reducir las resurgencias del mortero se utilizan cuñas de madera que se insertan en el terreno provocando su obturación. Si éste procedimiento resulta ineficaz como consecuencia del excesivo número de resurgencias o de su inaccesibilidad, se podrá intentar la inyección de un mortero de fraguado acelerado, o detener la inyección durante varias horas para permitir el fraguado del mortero ya inyectado. Contrapresión Se dice que existe contrapresión cuando al detener la inyección el manómetro no se vuelve a cero. Basta entonces con abrir una válvula de descarga para que la perforación expulse el mortero, simplemente acumulado en una fisura ensanchada por la inyección. En cuanto ésta cesa, el mortero es rechazado al lado exterior por la elasticidad del terreno o por el peso del mismo. Si el mortero es de tal naturaleza que se solidifica durante la inyección, la contrapresión no tiene lugar. La fisura queda llena del mortero y conserva la abertura que le ha dado la inyección. CONTROL DE LAS INYECCIONES El único método seguro para control de inyecciones consiste en dar fin a los trabajos y esperar a ver como se desarrollan los acontecimientos. Pero esto constituye un control a posteriori, que con frecuencia impide cualquier refuerzo eventual. Para evitar este mayor inconveniente se ha intentado poner a punto numerosos métodos de control en el curso de los trabajos. Debe tenerse en claro que estos métodos están destinados a asegurar que las reglas de ejecución son respetadas. Medios Locales de Control Solo consideraremos aquí los medios de control que nos proporcionen indicaciones sobre la marcha de los trabajos. Se trata por lo tanto de medios de control no destructivos. Estos controles se realizan a partir de los taladros de inyección, del mortero inyectado, de una combinación de ambos o desde la superficie del medio a tratado. Por ello, están basados en: • •
La velocidad de perforación de los taladros Los ensayos de agua. 35
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• •
La resistividad eléctrica. La deformación del medio.
•
Velocidad de perforación de los taladros
Se trata de una observación únicamente cualitativa que no da ninguna indicación sobre la calidad del tratamiento. Nos informa simplemente que la inyección ya efectuada ha producido cierto efecto sobre el terreno. La disminución de la velocidad de la perforación es debida a la impregnación de ciertas capas por un mortero que ha fraguado o al aumento de compacidad del terreno como consecuencia de grietas inyectadas. La velocidad de avance disminuye también al atravesar niveles de arenas finas no impregnadas de mortero, sino simplemente comprimidas por la inyección inmediata. •
Ensayos de agua
El resultado de estos ensayos, que puede hacerse por inyección o por bombeo, según los casos, da una permeabilidad más cercana a la realidad que la medida de algunos ensayos puntuales. Pero no se trata más que de una permeabilidad local. Para tener una idea de la permeabilidad media de la pantalla es necesario realizar un gran número de estos ensayos. Pero el precio y la complejidad de los mismos no aconsejan su utilización más que para determinar la calidad de un tratamiento ya terminado. No pueden utilizarse sistemáticamente para controlar el avance de los trabajos que se están efectuando. •
Resistividad Eléctrica
Teniendo el mortero de inyección una resistividad natural diferente de la del agua de los poros del terreno, se comprende que las medidas eléctricas permitan detectar su presencia •
Deformación del medio
Es sabido que la inyección no puede hacerse de otro modo que deformando el medio inyectado. Por si mismas esas deformaciones no son peligrosas, pero es necesario que no sean demasiado grandes cuando afectan a construcciones próximas. Para limitarlas se utilizan aparatos llamados indicadores de movimiento, dispuestos en los lugares que se quiere observar. Mediante un contacto eléctrico, esos indicadores activan una alarma cuando la deformación límite es alcanzada. Control Global de la calidad del Tratamiento Solamente aplicando las cargas previstas en un macizo rocoso inyectado puede verse si el tratamiento ha sido satisfactorio. Existen sin embargo cierta clase de trabajos que sirve n para controlar la calidad del tratamiento. Se realiza antes de las inyecciones una serie de medidas que definen el estado inicial del suelo. Casi siempre se toma como término de comparación el módulo de elasticidad, a pesar de ser muy difícil de definir. Después del tratamiento se vuelven a hacer las mismas mediciones. Tanto los gatos como los sismógrafos y las cargas explosivas de la microsísmica deben estar en los mismos emplazamientos. Esto no es fácil de conseguir. 36
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Efectividad de los tratamientos de Inyección en Aluviones Teniendo en cuenta que los ensayos de permeabilidad no permiten definir el comportamiento de las pantallas impermeables colocadas debajo de las presas; una forma proceder al control de la efectividad del tratamiento en el aluvión consiste en la instalación de una red de piezómetros. Se procede entonces a efectuar un control piezométrico antes y después de efectuada la pantalla. La figura 28 presenta la variación de las pendientes piezométricas agua arriba y agua abajo del núcleo inyectado. Se aprecia allí el descenso del nivel freático agua abajo, a medida que disminuye la permeabilidad. P1
P3
Ω1
P4
Ω2
P2 AH
e Fig. 28 : Efectividad de una cortina de inyecciones
P1, P2, P3, P4 = perforaciones para ejecutar los controles piezométricos. ∆h = pérdida de carga después de la inyección medida por P3 y P4 e = espesor de la pantalla k1 = permeabilidad inicial k2 = permeabilidad después de la inyección. Ω1?y Ω2 = área transversal que atraviesa el agua (Ω1 = Ω2 ) Planteando la ecuación de continuidad: Q1 = Q2 Antes de la inyección: el caudal que atraviesa la futura pantalla Ω1 − Ω2 será: Q1 = Ω1* V1 = K1 * i1 * Ω1 Después de la inyección: el caudal que atraviesa la pantalla Ω1 − Ω2 será: Q1 = Ω1* V1 = K2 * i2 * Ω1 Hay una situación de continuidad en los caudales, es decir no se generan aumentos de caudales: 37
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k1 * i1 = k2 * i2 k2 * i2 k1 * i1
=
k2 * ∆ h / e = 1 k1 * i1
k2 = k1 * i1 ∆h / e Para calcular la permeabilidad después de la inyección es necesario tener un valor de permeabilidad inicial. EJEMPLOS PRÁCTICOS DEL USO DE INYECCIONES •
Cortinas de inyección bajo grandes Diques de Materiales Sueltos
En la figura 29 se pueden observar cortinas de inyección realizadas en diferentes diques de materiales sueltos.
+ 111
+ 110
+ 97
+ 97 + 70
Nivel terreno
- 70
- 115
Serre – Poncon (Francia) Superficie 4200 m2
- 100
Mattmark (Suiza) Superficie 70000 m2
Durlassboden (Austria) Su erficie 12000 m2
High Aswan Dam (Egipto) - 200
Superficie 62000 m2
Fig. 29 (según Foundation Engineering, 1991): Ejemplos de Cortinas de impermeabilización bajo presas
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