INYECCIONES EN MACIZOS ROCOSOS

Segunda Parte.

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INYECCIONES EN MACIZOS ROCOSOS• Las Inyecciones, genéricamente,

consisten en un conjunto de operaciones necesarias para rellenar huecos o espacios no accesibles en el Macizo.

• Su objeto fundamental es mejorar las características mecánicas del suelo, (incremento de resistencia, disminución de la deformabilidad, etc.) así como la disminución de la permeabilidad.

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INYECCIONES EN MACIZOS ROCOSOS• Las finalidades de los Tratamientos

con Inyecciones pueden ser, entre otros, la mejoría de las características resistentes del Macizo, reducir su permeabilidad, colmatar los huecos y espacios del Macizo y el sellado con estructuras.

• El fluido de inyección es variable, pudiendo ser exclusivamente químico (resinas y mezclas). Las presiones en las inyecciones convencionales no suelen sobrepasar los 20 Bares. (1 Bar=1kg/cm2)

INYECCIONES EN MACIZOS ROCOSOSCuando se inyecta lechada, se pueden llenar las fisuras naturales del suelo, o producir una serie de fracturas hidráulicas que se rellenan con mortero.Estos productos rodean a los fragmentos (clastos), o simplemente se extienden como venas cementicias que al fraguar producen un conjunto suelo-fractura muy resistente.

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INYECCIONES EN MACIZOS ROCOSOS Según los objetivos del Tratamiento,

podemos establecer una clasificación:

> Inyecciones de Consolidación. > Inyecciones de Compactación.> Inyecciones de Impermeabilización.> Inyecciones de impregnación y Colmatación.> Inyecciones de Compensación de Asentamientos.> Inyecciones de Contacto.

INYECCIONES EN MACIZOS ROCOSOS

Debido a la Heterogeneidad y Comportamiento del Macizo, podemos diferenciar los métodos de inyección:

Inyección por consolidación (Compaction Grouting).Inyección por reemplazo (Jet Grouting).Inyección por impregnación y fractura (Fracture Grouting).Inyección de lechadas de cemento-bentonita y/o aditivos plastificantes y aceleradores de fraguado. (Chemical / Cement Grouting).

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

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INYECCIONES EN MACIZOS ROCOSOS• Dentro de estos usos de la

Inyección, se pueden emplear varios procedimientos de trabajo, como el uso de tubos con manguito, en retirada o ascendente, por tramos, etc.).

• Las mezclas a inyectar pueden ser desde morteros densos a resinas, en función de la penetrabilidad buscada.

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• Inyecciones de consolidación.

Las inyecciones de consolidación son las que se realizan con el objetivo de mejorar las características portantes del terreno y reducir su deformabilidad.

• Se emplean como recalce, en túneles, como mejoramiento previo o para subsanar inestabilidades, como consolidación de terraplenes, en cimentaciones, etc.

• La técnica de inyección que se emplea generalmente es mediante tubos-manguito, que consiste en la perforación y colocación en el terreno de unos tubos provistos de válvulas u obturadores.

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• Inyecciones de consolidación. •

La inyección se realiza posteriormente a través de estas válvulas, mediante la introducción de un obturador neumático.

• La inyección se realiza por fases, introduciendo volúmenes limitados en cada episodio. El sistema por el cual se consigue la consolidación del terreno, es por relleno de los huecos inyectables, la fracturación de este y la formación de "lajas" de inyección que comprimen el terreno.

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• Inyecciones de consolidación. • La actuación en un número de fases

permite la consolidación del terreno hasta el grado deseado. La ventaja de este Sistema es el control que ofrece sobre la Inyección y el grado de mejoramiento del Macizo.

• Una variante de esta técnica son las inyecciones armadas, en las cuales el tubo-manguito (de acero, de sección suficiente) sirve como armadura para el micropilote, además del terreno reforzado con inyección. (Anclajes).

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Inyecciones de compactación• La Inyección de Compactación se

realiza con la intención de mejorar el grado de consolidación del terreno. Consiste en la inyección a presión de una mezcla de cemento de alta consistencia, para formar un bulbo de inyección que comprime y compacta el terreno.

• Esta técnica se emplea para recalces y mejoramiento de terrenos.

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Inyecciones de compactación• El procedimiento de trabajo general

consiste en la Inyección en retirada a través de un varillaje especifico, preparado para facilitar la auto obturación de la mezcla.

• Las bombas y útiles a emplear son muy importantes, dada la poca trabajabilidad de la mezcla empleada. Los equipos empleados cuentan con registro de parámetros de inyección.

• Esta técnica se emplea con frecuencia como una fase previa a la Inyección de compensación de asentamientos.

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Inyecciones de Impermeabilización• Tienen por objetivo reducir la

permeabilidad del terreno.• Se emplea en excavaciones en

general, cuando estos se realizan bajo el Nivel Freático.

• El proceso depende del terreno y de los requerimientos del Tratamiento. Se emplean técnicas de Inyección en retirada, por tramos y mediante Tubo Manguito.

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Inyecciones de Impermeabilización• Suelen emplearse lechadas y

productos químicos como los geles de silicato.

• Existen procedimientos de Inyección de colmatación de huecos, mediante arenas, (sin cemento). Se trata de disminuir la permeabilidad, permitiendo el drenaje.

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INYECCIONES• Mejoran las propiedades mecánicas del

macizo.• Reducen la permeabilidad de los

macizos.• Rellenan fisuras y cavidades del macizo.• Refuerzo para excavaciones y

construcción de túneles.• Cimentaciones de Edificios o

Estructuras.• Recalces de Edificios con patologías.• Compensaciones de subpresiones en

Cimentaciones.

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PROCESOS DE INYECCION• La Inyección Única Global (IU), se

realiza en una sola fase, de abajo a arriba, a presión.

• La Inyección repetitiva (IR), se realiza en dos fases a través de válvulas anti-retorno a media presión. (Obturadores).

• La Inyección repetitiva y selectiva (IRS), se realiza un mayor número de reinyecciones a través de Tubos Manguitos y a alta presión.

TUBOS MANGUITO• Los Tubos-manguito instalados

utilizando la técnica de perforación direccional minimiza el impacto ambiental, asegurando una protección máxima del conducto, reduciendo los costes económicos a largo plazo y los costes en seguridad.

INYECCIÓN CON FRACTURAMIENTO PREVIO

1. Instalación del tubo manguito e Inyección de la vaina. El tubo manguito se coloca en la perforación efectuada,

rellenando con una mezcla de bentonita-cemento, el espacio anular entre la pared del sondeo y el tubo manguito.

2. Fracturación del suelo. Para permitir la Inyección de la suspensión, se inserta

un obturador doble, que independiza cada uno de los manguitos durante su Inyección.

3. Inyección múltiple. Los manguitos pueden inyectarse una o varias veces,

de acuerdo con los requisitos técnicos. El volumen de lechada, la presión máxima de Inyección y, en el caso de una Inyección repetitiva, la velocidad de Inyección, se mantiene de acuerdo con las instrucciones. Los tubos manguitos pueden reutilizarse.

JET GROUTING

INYECCIÓN POR REEMPLAZO - JETGROUTING

• El Jet-grouting es un proceso que consiste en la desagregación del suelo (o roca poco compacta), mezclándolo, y parcialmente sustituyéndolo, por un agente cementante. (Normalmente cemento).

• La desagregación se consigue mediante un fluido con alta energía, que puede incluir el propio agente cementante.

INYECCIÓN POR REEMPLAZO - JETGROUTING

• Su ejecución se desarrolla en dos fases, la primera la perforación hasta la cota final y la segunda la inyección del fluido y la recuperación de la tubería simultáneamente. Las presiones de inyección son elevadas, entre 350 y 600 bar.

• Las variables en la ejecución son presión, velocidad de rotación, velocidad de avance y consumo de cemento, fundamentalmente. El radio final de la inyección dependerá de dichas variables y de las características geotécnicas del terreno.

Inyección por Reemplazo (Jet Grouting)Descripción.

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

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

Inyección por Reemplazo (Jet Grouting)

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.

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

Inyección por Reemplazo (Jet Grouting)

Procedimiento constructivo.

1. Fase de perforación por rotación: se perfora el terreno a través de un sistema de rotopercusión o por simple rotación.

2. Fin de la perforación: una vez que se llega a la cota establecida se comienza con el proceso de inyección.

Inyección por Reemplazo (Jet Grouting)

Procedimiento constructivo.

3. Inicio del proceso: se inyecta la lechada a alta presión (mediante bombas) a través de las toberas.

4. Elevación y rotación: 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.

Inyección por Reemplazo (Jet Grouting)

Sistemas de Jet Grouting.

Jet 1: Fluido Simple. Se inyecta lechada de cemento sola, a alta presión. Se produce un verdadero y homogéneo suelo cemento, con la más alta resistencia y el menor desperdicio de lechada.

Jet 2: Fluido Doble. Se inyecta lechada con aire comprimido, a una presión más baja que en el Jet 1. El aire reduce la fricción, por lo que la lechada de cemento se desplaza más. Se logran columnas de inyección más grandes que con el Jet 1.

Jet 3: Fluido Triple. Se inyecta lechada con aire comprimido y agua a presión. El aire empuja el suelo circundante, generando un vacío en forma de columna alrededor del inyector. Por otra tobera (colocada debajo de la anterior) se inyecta la lechada de cemento, con lo cual se llena el vació creado previamente.

Inyección por Reemplazo (Jet Grouting)Sistemas de

Jet Grouting.

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.

Esquema Jet 3

Inyección por Reemplazo (Jet Grouting)

• En la actualidad existen varios métodos a la hora de la perforación, pero el más común es el de combinación agua y aire comprimido, permitiendo así la evacuación del detritus que se va generando, al tiempo que refrigeran las cabezas de corte.

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EFECTOS DE LOS DISTINTOS PROCESOS

Efectos de la fracturaciónCuando se utilizan tubos manguitos de acero (inyección armada) el terreno queda mejorado a través de 3 procesos simultáneos, pero diferenciados.

Vertebración, por inclusión coalescentes, fraguadas y endurecidas, de lechada de cemento estable.Bulonado o claveteado del dominio de terreno tratado, por medio de los propios tubos de acero dotados de manguitos, que quedan solidarizados al terreno.Consolidación de los subdominios de terreno incluidos entre lenguas de lechada inicialmente fluida y sometida a presiones variables.

Mejoramiento en la resistenciaLa inyección por fracturación hidráulica produce un efecto de sobreconsolidación sobre un punto del terreno. Este inicialmente tiene un índice de poros e1 y una presión efectiva vertical s‘v. La inyección por fracturación reduce el índice de poros hasta un valor e2 y en el manguito se alcanza una presión de cierre pe (presión estática con el manguito abierto y caudal de inyección casi nulo ). La presión p en la boca del taladro correspondiente a dicho valor de cierre en el manguito será p = pe + gw hw, siendo gw el peso específico del agua y hw la diferencia de cotas entre el nivel freático y el punto de ubicación del manguito.

INYECCIONES QUÍMICAS

Chemical / Cement Grouting

Corresponde a la inyección de lechadas con diferentes tipos de aditivos y/o geles.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.Water Control Chemical Grouting: busca impermeabilizar suelos arenosos mediante el relleno de los vacíos y así controlar el flujo de agua.

Zona contaminada aislada con Inyecciones Químicas

• Con criterio de protección del Medio Ambiente, existen técnicas que permiten aislar zonas altamente contaminadas, evitando que las infiltraciones emanadas de productos tóxicos, pasen a terrenos circundantes y contaminen las aguas subterráneas.

Ejemplo de aislamiento con Inyecciones Químicas de una zona contaminada.

En un Complejo Petroquímico, había una zona de disposición de desechos, la cual se caracterizaba por un alto nivel de contaminación de mercurio. Requería de una técnica de contención muy específica, para confinar el área con un Muro de Concreto Plástico.

La contención hidráulica para el sitio, fue lograda mediante la construcción de una pantalla impermeable, la cual cercaba (envolvía) la zona contaminada, y la cual penetraba dentro de una zona impermeable profunda.

La pantalla debía ser resistente a los afluentes productos del complejo petroquímico, los cuales contenían ácidos sulfúricos y fosfóricos con un PH inferior a 2.

Ejemplo de aislamiento con Inyecciones Químicas de una zona contaminada.

Para satisfacer este estricto criterio, el material utilizado para realizar la pantalla fue realizado de concreto “plástico” sin cemento, y en una gradación diseñada cuidadosamente abarcando arena silicia, bentonita y silicato.

Este concreto, en una densidad de 1.95 da una permeabilidad inicial de 2 a 7 x 10-10 m/s antes de hacer contacto con el ácido. El escape del ácido disminuye la permeabilidad a un valor inferior a 10-10 m/s.

La pantalla tiene una duración aproximadamente de 20 años.

CRITERIOS DE INYECTABILIDAD

Criterios de InyectabilidadPara precisar el tipo de lechada a inyectar, es necesario determinar la relación existente entre las dimensiones de los granos del mortero de inyección y del esqueleto del suelo. Esto queda definido por parámetros geotécnicos del suelo tales como:

Permeabilidad.Estratigrafía del suelo.Existencia de napa freática.Porosidad del suelo.Granulometría.

Tipos de Mezcla para InyecciónMezclas Líquidas: mezclas en las cuales el tamaño de las partículas no puede medirse fácilmente. Estos morteros pueden penetrar en todos los huecos donde el agua tiene acceso. Entre estas mezclas se caracterizan:

Geles de silicato de sodio: soluciones que al cabo de un tiempo se transforman en un gel duro. Se utiliza para impermeabilizar.Resinas orgánicas: líquidos que se polimerizan y adquieren una resistencia mayor que el hormigón.

Tipos de Mezcla para InyecciónSuspensiones inestables: corresponden a lechadas de cemento que forman flóculos que sedimentan en los intersticios del esqueleto de suelo. Entre ellos se caracterizan:

Morteros de cemento: el cemento se deposita y sedimenta en los intersticios del suelo granular.Morteros rebajados: se reemplaza el cemento por un polvo inerte de arena fina.

Tipos de Mezcla para Inyecciones

Suspensiones estables: combinaciones de arcilla-cemento y arena que proporcionan impermeabilidad una vez endurecidas. Entre ellas tenemos:

Morteros de cemento-bentonita: permite aumentar la viscosidad del mortero a una relación agua/cemento constante.

Morteros de cemento-silicato: permite aumentar la rigidez del mortero una vez endurecido y acelera su fraguado.

Resistencia al CorteTodos los tipos de grouts mostrados anteriormente presentan baja resistencia al corte por sí solos. Sin embargo, al combinarlos con los granos de suelo es posible incrementar la resistencia al corte de un suelo estabilizado.Esto se debe a que una vez que el grout comienza a solidificarse se generan fuerzas capilares a nivel de los granos, densificando el suelo y disminuyendo la cantidad de vacíos.Es por este motivo que suelos bien graduados tienen mayor resistencia al corte que los suelos pobremente graduados.

Resistencia al CorteRecordemos que la Resistencia al Corte de un suelo está dada por dos parámetros:

Cohesión.Ángulo de Fricción entre partículas.

De esta manera se tiene que las arcillas puras virtualmente no tienen resistencia a la Fricción (f = 0º) pero tienen alta Cohesión.Los suelos granulares desarrollan una alta resistencia a la Fricción (f = 35º en promedio) y una Cohesión casi nula. Suelos cohesivos presentan alta impermeabilidad.

Referencias

Hayward Baker – Grouting, Ground Improvement:

http://www.haywardbaker.com/services/compaction_grouting.htm

Chemical Grouting and Soil Stabilization, Third Edition - Reuben H. Karol

PRUEBA DE PLACA EN ELEMENTOS INYECTADOS

PRUEBA DE PLACA• Esta prueba consiste en aplicar

una carga directamente al suelo por medio de una superficie determinada, para así obtener: Deformación Temporal, Deformación Permanente, Modulo de elasticidad del suelo (Coeficiente de Balastro K) y estimar capacidad de carga del suelo y asentamientos permisibles.

PRUEBA DE CARGA EN ANCLAJE INYECTADO

• La Prueba de Carga en Anclajes, es útil para determinar la capacidad del elemento y los índices de adherencia.

SOIL NAILING (BULONES O CLAVETEADO)

SOIL NAILING El Soil Nailing consiste en el refuerzo del

terreno, a medida que avanza la excavación, mediante la introducción de barras pasivas, generalmente, que trabajan fundamentalmente a tracción.Las barras se colocan en sondeos perforados previamente, rellenos posteriormente con una lechada o mortero de inyección.

El Talud se refuerza con la ejecución de un paramento vertical mediante la ejecución de una capa de hormigón proyectado (gunita), que suele reforzarse mediante una mallazo.

MICROPILOTES INYECTADOS

MICROPILOTES INYECTADOS• Los Micropilotes Inyectados constituyen una

solución alternativa de fundación profunda en casos especiales, debido a que la maquinaria necesaria para su ejecución es de reducidas dimensiones, permitiendo su uso en zonas con accesos difíciles, espacio de trabajo reducido y gálibo limitado, (trabajos a realizar bajo una estructura existente, etc.).

• La perforación se realiza a rotación o roto-percusión, lo que permite su utilización incluso en suelos de material irregular y bolones, así como también en todo tipo de rocas.

MICROPILOTES INYECTADOS• Los Micropilotes Inyectados, como su propia

palabra indica, son pilotes de reducidas dimensiones, que van desde los 80mm hasta los 250mm. Armados con una estructura metálica formada por tubos, barras o perfiles, que se introducen dentro de un taladro de pequeño diámetro.

• Los micropilotes son elementos con una capacidad portante inferior a la de los pilotes, pero necesarios en aquellas obras en las que no es posible actuar con pilotes convencionales.

• Este tipo de pilotaje se utilizaba y se utiliza para el recalce de estructuras, pero debido a las nuevas características de las obras, se ha impuesto también como un nuevo tipo de Cimentación.

Fases de ejecución de un Micropilote con Bulbo inyectado a presión

• a) Perforación.• b) Colocación de la armadura

tubular.• c) Inyección de relleno para

formación de la vaina.• d) Inyección a presión para

formación del bulbo.• e) Relleno del interior del tubo.

ANCLAJES INYECTADOS

Anclajes de cable

Los Anclajes al terreno son dispositivos capaces de transmitir cargas de tracción aplicadas en la superficie de un terreno a zonas interiores delmismo.

Estos podrán ser de cable o de barra. La tipología de los Anclajes al terreno a emplear en cada proyecto dependerá de las características geotécnicas del terreno y de la fuerzamáxima a la que los anclajes puedan estar sometidos.

POST INYECCIÓN DE ANCLAJES La postinyeccion busca optimizar los efectos

esenciales ya puntualizados anteriormente, ampliando el diámetro nominal de la perforación mediante la conformación de bulbos de lechada cementicia.

Por tal motivo dichos bulbos deben obtenerse a las distintas profundidades requeridas por las características de las distintas capas del suelo que así lo demandan. Para ello es fundamental efectuar un pormenorizado análisis a fin de determinar con precisión, en el diseño previo del micropilote a emplear, la distancia y la cantidad de bulbos a efectuar.

POST INYECCIÓN DE ANCLAJES La actividad de Postinyección

debe efectuarse transcurridas las primeras veinticuatro horas de la Inyección inicial.

Para el método de Postinyección se utiliza el llamado tubo o Válvula Manchette.

TENSADO DE ANCLAJES• Finalmente se realiza la puesta en

carga o tensado, transcurrido el tiempo necesario de fraguado, previa colocación de la cabeza del anclaje, constituida por la placa y las cuñas. El tensado se realiza con gato multifilar (poniendo en tensión todos los cables a la vez).

• Una vez mantenida la tensión por medio del gato, se procede al bloqueo mediante cuñas o tuercas especiales. En el caso de anclajes de barra, el tesado se realiza mediante gato de émbolo perforado.

INYECCIONES DE BARRO• En la Pontificia Universidad Católica

de Perú se ha desarrollado un método para reparar muros agrietados tanto de edificios históricos como de humildes construcciones de adobe, mediante la inyección de pastas de barro líquido.

• Este descubrimiento podría evitar la destrucción de las viviendas de millones de personas, así como la desaparición de auténticas obras de arte de la arquitectura. Los experimentos han demostrado que se restituye al 100% la resistencia original de los muros.