7. MEJORA DEL TERRENO
7.1 GENERALIDADES Las técnicas de mejora de terrenos comenzaron a utilizarse para aumentar la capacidad portante o estabilizar terrenos de tipo granular. Posteriormente, algunos de estos métodos ampliaron su campo de aplicación a terrenos cohesivos, de tal modo que variaban los metodos de ejecución, pero se continuaba utilizando la misma maquinaria. En el campo de los cimientos, existen algunos casos en los que la solución más adecuada técnica y económicamente consiste en la actuación previa sobre el terreno, mejorando su capacidad portante, reduciendo su deformabilidad, o consiguiendo simultáneamente ambas cosas. Pueden citarse como ejemplos los siguientes: • Cimientos profundos con pilotes de longitud superior a 25 m; esta solución puede resultar aún más costosa si las cargas a soportar son pequeñas, debido a que se origina un aprovechamiento deficiente de la capacidad portante del pilote, con el consiguiente incremento del coste de la tonelada soportada. • Cargas de gran entidad en soleras de grandes almacenes o naves industriales, que exigirían cimentar la solera sobre pilotes,
o construir una losa armada en sustitución de aquella, con un aumento considerable del coste. • Construcciones ligeras en las que un cimiento profundo puede alcanzar, en ocasiones, un coste superior al del resto de la construcción. En estos casos conviene tener en cuenta las técnicas de mejora de terrenos, analizando los distintos métodos disponibles y utilizables, que principalmente son los siguientes: • • • • • • • •
Sustitución y vibrocompactación Precarga Compactación dinámica Sustitución dinámica (”puits ballastes”) Vibroflotación y vibrosustitución Inyecciones “Jet grouting” Otros tratamientos
Otros términos que también se emplean cuando se habla de mejora de terrenos son los de “compactación” y “consolidación”. Por compactación se entiende el aumento de la densidad de un terreno en un tiempo reducido (velocidad rápida), mientras que la consolidación es el aumento de la densidad de un terreno de manera lenta.
550 MANUAL DE EDIFICACIÓN: MECÁNICA DE LOS TERRENOS Y CIMIENTOS 7.2 SISTEMAS DE MEJORA DEL TERRENO 7.2.1 Sustitución Los procedimientos de sustitución consisten en la excavación y retirada del terreno original con nula o baja capacidad portante (rellenos, tierra vegetal, arcillas y limos blandos, etc.) y su sustitución por nuevos materiales de aportación que son compactados. El proceso de compactación deberá ser distinto según se trate de zonas poco cargadas (aparcamientos, viales) o de zonas que vayan a soportar cargas provenientes de elementos estructurales. En el caso de los terraplenes, los materiales que se empleen serán preferentemente de tipo granular, y pertenecientes a las clases que se definen como “terrenos adecuados” o “seleccionados” en el P.G.3. Pueden utilizarse también materiales pétreos en “pedraplenes”, cumpliendo las especificaciones del artículo 331 del P.G.3. El grado de compactación no debe ser inferior al 95% del Proctor modificado. En general, se trata de rellenos controlados que se ejecutan por tongadas, utilizando los equipos de compactación adecuados.
Sobrecarga Pf Carga permanente TIEMPO
Asiento bajo Pf Asiento bajo Pf + Ps Asiento y tiempo bajo carga Ps + Pf para eliminar Δ 1
t sr
Si la sustitución se realiza bajo el agua el procedimiento se lleva a cabo eliminando con una dragalina el material deficiente y vertiendo posteriormente bloques de piedra para formar una escollera o encachado que, aunque no se pueda compactar, con el propio vertido alcanza un grado aceptable de compacidad 7.2.2 Precarga El método de precarga consiste en someter al terreno a una presión aplicada en la superficie antes de colocar la carga estructural, con la finalidad de aumentar la densidad del mismo, disminuir los asientos que pueden originar posteriormente las construcciones y, en consecuencia, aumentar la capacidad portante. La aplicación de la precarga suele realizarse mediante rellenos de tierra o mediante la colocación de tanques de agua sobre la superficie. Estos sistemas se suelen utilizar para acelerar la consolidación de terrenos cohesivos blandos, aunque también se aplican para la mejora de rellenos, limos orgánicos e inorgánicos, turbas, etc. Se requiere un estudio minucioso del terreno que se va a consolidar para poder predecir la magnitud de los asientos y el tiempo de consolidación.
CARGA Ps
El método de sustitución es viable económicamente cuando el espesor de sustitución es moderado (igual o menor de 3 m, por ejemplo).
Δ1 Δ2
ASIENTO
Figura 7.1 Gráfico explicativo del fundamento del método de sobrecarga temporal
Para ejecutar este método de compactación, se extiende sobre el terreno que se desea compactar una carga con un peso que tiene un valor de 1 ó 2 veces el de las cargas que transmitirá al terreno el edificio que se va a construir. La consolidación puede hacerse por zonas, utilizando las tierras existentes, que son transportadas de uno a otro sitio, o en su caso, trasladando los tanques de agua. A este sistema se le suele denominar “método de la duna móvil”.
MEJORA DEL TERRENO 551 Los asientos de consolidación primaria, que se producen en las cimentaciones se consiguen eliminar manteniendo la sobrecarga P s más la carga permanente Pf durante un tiempo tal que el asiento originado Δ1 de la figura 7.1 sea igual al que produciría Pf por consolidación primaria. Una vez retirada la sobrecarga, la carga permanente de la estructura sólo originará los asientos correspondientes a la consolidación secundaria. El método de precarga puede ser la solución más viable cuando el terreno tiene una capacidad portante insuficiente y las cargas de las futuras construcciones son ligeras y uniformes. Sin embargo, presenta los siguientes inconvenientes: • Excesivo plazo de ejecución, ya que el tiempo de consolidación puede ser de varios meses (en ocasiones más de un año) y hay que prever la disposición de la carga para conseguir el efecto previsto. Este tiempo se reduce mediante la instalación de drenes, pero esta solución aumenta el coste del tratamiento. • Coste elevado respecto a otras soluciones. • Necesidad de utilizar instrumentos y ensayos de control para proyectar correctamente la precarga y prever el tiempo de aplicación. Es necesario instalar una gran cantidad de piezómetros y se hace preciso un reconocimiento muy completo del terreno. • El tratamiento afecta a instalaciones y estructuras próximas, pudiendo originar asientos inadmisibles en sus cimientos. En el caso de pilotes origina esfuerzos laterales y/o rozamiento negativo. La velocidad de los asientos aumenta notablemente con drenes verticales que pueden ser de arena o papel. Estas soluciones se recogen en los apartados siguientes. 7.2.2.1 Drenes de arena Para la ejecución de esta técnica, se realizan perforaciones verticales de 20 a 40 cm de
Precarga 40 cm
O
10 O
Figura 7.2 Aumento de la velocidad de la consolidación por precargas mediante el uso de drenes verticales
Drenes
Figura 7.3 Hinca de drenes verticales
diámetro, rellenas de material granular o grava. Su profundidad debe ser superior a la del estrato compresible o, al menos, abarcar el espesor en el que se prevé vaya a producirse la mayor parte del asentamiento. La perforación se lleva a cabo a base de helicoides, con o sin entubado, o con tubería cerrada. Este último sistema provoca un desplazamiento lateral del terreno que disminuye su coeficiente de consolidación y su resistencia al corte.
552 MANUAL DE EDIFICACIÓN: MECÁNICA DE LOS TERRENOS Y CIMIENTOS Las perforaciones de drenaje se disponen formando una malla de puntos a una distancia de aproximadamente 10 veces el diámetro del dren. La red de puntos se completa con una capa drenante colocada en la superficie que facilite la expulsión del agua que circula por los drenes. Esta capa debe tener un espesor de al menos 40 cm. 7.2.2.2 Drenes de plástico y papel En las perforaciones del terreno se introducen verticalmente tiras de plástico y papel o cartón que provocan el filtrado del agua.
Figura 7.5 Proceso de compactación. Masa de 10 kN en caída libre desde 20 m de altura.
Con el equipo de hinca utilizado se pueden alcanzar profundidades máximas de hasta 12 m. Para hincar el dren se suele utilizar una funda de acero que lo protege y que se retira al alcanzar la profundidad prevista. 7.2.3 Compactación dinámica Este método de mejora del terreno se realiza por la aplicación repetida de impactos de gran
Impactos de gran energía 5 a 10 m Impactos de pequeña energía
Figura 7.4 Esquema de una malla de compactación dinámica
energía producidos por la caída libre de un peso sobre la superficie del terreno en puntos concretos de una malla diseñada en función del tipo de material y del grado de consolidación que se desee. En los puntos interiores de la malla se continúa con el proceso de compactación con la aplicación de una energía de impacto menor (figura 7.4). Con este tratamiento se produce la disminución del volumen de huecos del terreno, el aumento de la densidad y por consiguiente el incremento de la capacidad portante. La mayor eficacia de este tratamiento se consigue en terrenos granulares de gran permeabilidad aunque también se puede aplicar a terrenos cohesivos saturados y de baja permeabilidad. Se consideran adecuados los siguientes tipos de terreno: • Escolleras. • Bolos. • Gravas. • Zahorras. • Arenas con menos de un 15% de limos arcillosos. En terrenos cohesivos saturados el tratamiento se aplica por fases, dejando periodos de tiempo entre ellas que permita la disipación de las presiones intersticiales. Tal disipación se produce de forma bastante rápida, como consecuencia de la formación de una red de drenaje provocada por la licuefacción del terreno que además genera un aumento de su permeabilidad.
MEJORA DEL TERRENO 553 La técnica fue puesta al día por Menard, que utilizaba pesos de 100 a 300 kN, y fijaba la caída libre entre 15 y 40 m. Ante el tratamiento, el terreno no experimenta una disminución de volumen con los primeros impactos ya que el aumento de la presión intersticial hace que se comporte como un líquido (figuras 7.6 y 7.7). El trabajo se detiene hasta que disminuye la presión intersticial y se continúa luego con nuevas pasadas. Se comprende que cuanto mayor sea la permeabilidad del terreno, menor tiempo se necesita para la disminución de la presión intersticial. Este hecho explica la mayor facilidad de tratamiento terrenos granulares. Las figuras 7.4 a 7.7 muestran maquinaria y aspectos de este tratamiento. Antes del inicio del mismo se debe prever aproximadamente el grado de mejora del terreno que se pretende conseguir y para definir un programa de ejecución que regule los siguientes aspectos:
Altura de caída: 20 m
• • • • •
Asiento instantáneo. Energía de saturación por fase. Número de fases. Separación entre puntos de impacto. Energía y número de impactos por punto en cada fase. • Periodos de disipación de las presiones intersticiales. • Energía total. Los datos expuestos anteriormente pueden obtenerse, bien basándose en la experiencia o bien mediante la realización de ensayos de laboratorio con el edómetro dinámico, puesto a punto por Menard, que trata de representar a escala reducida el fenómeno de la compactación dinámica. En general, se pueden conseguir rendimientos de ejecución de 300 a 600 m 2/día y se pueden alcanzar profundidades de tratamiento de hasta 30 m. Compresión dinámica en A
Pesa hasta 20 T
Límite elástico
Plataforma de trabajo Relleno
5 4
2
3
Nº de golpes en punto A
1
Deformación volumétrica en A
Terreno duro
Levantamiento en superficie
Posición al tercer golpe
Desplazamiento permanente hacia abajo en A
5
4
Cuña compacta 3 Superficie de deslizamiento potencial
Figura 7.6 Fundamentos de la compactación dinámica
1
2 Deformación volumétrica en A
Figura 7.7 Gráficas asociadas con la compactación dinámica
554 MANUAL DE EDIFICACIÓN: MECÁNICA DE LOS TERRENOS Y CIMIENTOS El sistema se considera adecuado para: • Compactación de vertederos. • Naves industriales y almacenes. • Silos de almacenamiento. • Carreteras y aeropuertos. • Presas de materiales sueltos. • Diques y estructuras portuarias. Sin embargo, el sistema presenta los siguientes inconvenientes: • Necesidad de aplicación sobre una superficie mínima de 15.000 m2. • Posibles daños en construcciones e instalaciones próximas, para lo cual se define una distancia mínima de seguridad comprendida entre 20 y 30 m. Es necesario realizar una nivelación general de la superficie del terreno, antes y después del tratamiento, para determinar la disminución total de volumen, ya que en muchos casos deberán hacerse aportes de terreno compactado.
consiste en el punzonamiento del terreno con una maza pequeña y pesada, que se deja caer desde gran altura. El cráter se rellena con grava y se golpea nuevamente para desplazar el terreno y hacer penetrar la grava (figuras 7.8 y 7.9). Este procedimiento es adecuado para terrenos tales como arcillas y limos blandos o muy blandos, de los que se necesitan varios metros de espesor sobre un estrato de terreno con capacidad portante suficiente. La profundidad de la mejora es función de las características del terreno aunque, en general, el factor principal del que depende la compactación obtenida es la energía de los impactos. A este respecto, según Menard, se verifica: D2 ≤ 10M·h Siendo D: Espesor a compactar (m) M: Peso de la maza (kN) h: Altura de caída de la maza (m)
7.2.4 Sustitución dinámica. “Puits ballastes” A partir de la técnica de compactación dinámica, se ha desarrollado recientemente un nuevo método denominado “sustitución dinámica” que
La máxima profundidad afectada se deduce de la fórmula: D = 0,44 × 10 × M × h
1m
Maza de 80 a 150 kN
Aporte de balasto
Rp = 8 MPa
Maza
2m
3 m Distancia al centro
Relleno
1m Suelo compresible "in situ" 2m Rp = 15 a 20 N/mm2
Rp = 0,3 N/mm2
3m 3,7 m Sustrato
Grava
Profundidad
Figura 7.8 Sustitución dinámica
Figura 7.9 Fundamento de la técnica de sustitución dinámica
MEJORA DEL TERRENO 555 Las labores de control en este tipo de mejoras del terreno deben comprender las siguientes fases: • Previas al comienzo de la obra: - Nivelación. - Medidas de las presiones intersticiales. - Grados de compactación, mediante ensayos penetrométricos, presiométricos y/o S.P.T. • Establecimiento del programa definitivo: - Dimensiones de huellas de los impactos. - Estado de la superficie del terreno. - Comprobación de resultados obtenidos mediante ensayos penetrométricos, presiométricos y/o S.P.T. - Evolución de las presiones intersticiales. - Medida de las vibraciones por medio de geófonos y acelerómetro.
Figura 7.10 Esquema de funcionamiento de un vibrador
Es muy importante evaluar la evolución de las presiones intersticiales ya que de ellas dependen tanto la velocidad con la que aumenta la resistencia del terreno, como la aparición de asientos a largo plazo. 7.2.5 Vibroflotación y vibrosustitución Estos métodos consisten en la densificación de terrenos flojos mediante vibración para conseguir: • Aumentar la capacidad portante de las zonas débiles del terrreno. • Reducir los asientos producidos por cargas verticales. El vibrador es un elemento tubular de entre 30 y 50 cm de diámetro, con un peso de 20 a 40 kN y elementos de prolongación (figuras 7.10 y 7.11). Dispone en su interior de unos elementos excéntricos accionados por un motor
Figura 7.11 Vibradores para vibroflotación y vibrosustitución
556 MANUAL DE EDIFICACIÓN: MECÁNICA DE LOS TERRENOS Y CIMIENTOS eléctrico o hidráulico, que producen la vibración lateral que se transmite al terreno. Su potencia puede llegar hasta los 150 kW. Por su interior discurre un sistema de mangueras que inyectan el agua al terreno a través de orificios dispuestos en la punta. El vibrador está rematado por dos aletas opuestas diametralmente que tienen la misión de impedir el giro. Normalmente no se sobrepasan profundidades superiores a los 6 u 8 m, aunque el alcance de cotas más profundas es un problema exclusivamente técnico y económico ya que está limitado por la disponibilidad de vibradores potentes y manejables. Actualmente se han alcanzado profundidades del orden de 20 m. Figura 7.12 Tratamiento de vibroflotación
Se puede distinguir entre: • Vibroflotación. • Vibrosustitución o columnas de grava. La vibroflotación es de aplicación en suelos de naturaleza granular, en los cuales se compensa la pérdida de volumen mediante la aportación de material externo, que en muchas ocasiones puede ser el mismo que constituye el terreno que debe ser mejorado. Además de aumentar la capacidad portante del terreno aumenta la resistencia del mismo a la licuefacción. El metodo de vibrosustitución, también denominado “de columnas de grava”, es aplicable en terrenos de naturaleza cohesiva, donde es necesaria la aportación de grava de determinadas características para densificar y rigidizar el terreno. De este modo, además de aumentar la capacidad portante del terreno se incrementa su permeabilidad.
Figura 7.13 Tratamiento de vibroflotación
En los dos procedimientos se debe conseguir la compactación máxima, tanto del terreno natural como del material aportado. Para conseguirlo el vibrador se eleva en escalones de 30 a 50 cm y se mantiene en cada uno de ellos entre 0,5 y 2 minutos.
MEJORA DEL TERRENO 557 7.2.5.1 Vibroflotación El proceso del tratamiento de vibroflotaciónconsta de las siguientes fases (figura 7.14): 1. Introducción del vibrador en el terreno, gracias a su peso propio y a la ayuda de la inyección de agua por la punta. Se provoca así un estado de licuefacción local del terreno que facilita la penetración hasta la profundidad requerida. 2. Una vez alcanzada la profundidad deseada, se corta la inyección de agua en punta y se inicia la compactación o consolidación forzada del suelo lateral por aplicación de la vibración; ésta conforma un embudo en la superficie del terreno por la densificación conseguida. Simultáneamente se procede al aporte de arena o grava para compensar esta disminución de volumen. El proceso de compactación se puede correlacionar con la energía consumida (motores eléctricos) o la presión suministrada (motores hidráulicos) al vibrador, que tendrán que ser mayores a medida que se vaya compactando el terreno. 3. Conforme se consigue la consolidación del terreno, se va elevando el vibrador, repitiendo el proceso de compactación por tongadas de 30 a 60 cm de espesor. Así hasta alcanzar la superficie del terreno, con lo que se consigue un elemento de forma sensiblemente cilíndrica con mayor o menor material de aportación y un terreno lateral con una densidad mayor que la inicial.
La mejora de la zona deseada se consigue aplicando a toda la superficie a tratar este proceso puntual mediante una malla, normalmente triangular, con distancias de 1 a 3 m entre los puntos de tratamiento consiguiendo una efectividad, en términos de densidad relativa, entre un 70 y un 80%. El radio de influencia del vibrador decrece según el tipo de terrenos, desde 2 m en arenas limpias, hasta 0,7 m en arenas con más del 20% de finos. Thorburn admite que pueden ser compactados terrenos con un contenido de finos de hasta el 30% de los que pasan por el tamiz de 0,063 mm de abertura UNE (véase la figura 7.19 en páginas siguientes). En suelos granulares, no cohesivos, la vibración origina una licuefacción del terreno a una distancia de entre 30 y 55 cm del vibrador; que disminuye conforme nos alejamos del mismo hasta hacerse prácticamente nula a 2,50 m.La vibración originada por el aparato es transmitida al terreno en la fase de extracción, en la cual y de forma simultánea puede aportarse material, produciéndose la compactación del terreno. En los terrenos granulares, en los que la distancia entre perforaciones oscila entre 1,8 y 2,5 m, pueden conseguirse presiones admisibles de 0,1 a 0,4 N/mm2 para zapatas de 1 a 3 m de ancho, con asientos de 2,5 cm.
Figura 7.14 Proceso de vibroflotación en suelos granulares
558 MANUAL DE EDIFICACIÓN: MECÁNICA DE LOS TERRENOS Y CIMIENTOS 7.2.5.2 Vibrosustitución. Columnas de grava En este sistema también se actúa mediante mallas, generalmente triangulares, con separaciones de 1,5 a 3,5 m (figura 7.15). El diámetro de la columna de grava compactada varía entre 0,6 y 0,8 m. En los suelos de naturaleza cohesiva se consigue un aumento de resistencia mediante la aplicación de vibradores con un procedimiento similar al de la vibroflotación, introduciendo el vibrador en el terreno con el aporte simultáneo de grava que es mezclada con el terreno tratado. Así se consiguen dos efectos: bien el desplazamiento lateral del terreno con inclusión de grava y la correspondiente densificación, o bien la sustitución del suelo por grava que supone la creación de unos drenes verticales que aumentan la permeabilidad del terreno adyacente, produciéndose el drenaje del mismo y el consiguiente aumento de resistencia.
Figura 7.15 Esquema de puntos de actuación
Z
X
Figura 7.16 Tratamiento de vibrosustitución
En este caso, se consiguen resultados de mejora de terreno, disponiendo puntos o columnas de gravas cuya superficie de influencia varía entre 1 y 6 m2, en función del mayor o menor contenido de finos del suelo. Este relleno de material granular sin finos y compactado puede realizarse por “método húmedo”, a base de chorros de agua que eliminan los finos o por el “método seco”, con la ayuda de aire comprimido. Los resultados suelen expresarse en función del factor de mejora, que se define como el cociente entre el asiento del terreno antes y después del tratamiento. Los asientos pueden disminuirse de 2 a 5 veces. Desde el punto de vista de la capacidad portante puede admitirse una presión admisible de 0,2 MPa y una carga admisible por columna de 300 kN para tratamientos con separación de perforaciones de 1,2 a 4 m. Según Thorburn, a partir de distancias de 2,5 m medidas desde el vibrador, prácticamente no se produce compactación alguna. Baumn y Bauder midieron la amortiguación de las vibraciones en ambos métodos, obteniendo los resultados que se reflejan en la figura 7.18. La comprobación de la densidad relativa se suele realizar mediante ensayos penetrométricos, presiométricos y S.P.T.
MEJORA DEL TERRENO 559 Presión (libra/pie2) 0
1000
2000
3000
4000
5000
0,2
0,4
0,6 Asiento (pulgadas)
0
20
40
0
20
40
40 40 30
CALCULADO MEDIDO Distancia al vibrador (pies) 80 100 120 Distancia al vibrador (pies) 60 80 100 120 60
20 10
Figura 7.17 Ejecución de columnas de grava
0 Máxima amplitud vibración (10-3 pulg.)
UN APARATO DOS APARATOS
100
100
90
90
80
80
C
D
70
B
A
70
60
60
50
50
40
40
30
30
20
20
10
10
0 .0006
.002
Arcilla
.006
.02
Limo
.06
.2
.6
Arena
2
6
20
Grava
60
0 200
Bolos
ZONAS A y B: Idónea vibroflotación ZONAS A y B: Idónea vibroflotación ZONA C: Límite idoneidad vibroflotación y columnas de grava ZONA D: C: Límite idoneidad ZONA Idóneas columnasvibroflotación de grava. y columnas de grava ZONA D: Idóneas columnas de grava.
7.2.5.3 Aplicación de los sistemas Los tipos de terrenos adecuados para el tratamiento por vibroflotación deben presentar un contenido de finos no superior al 15% en peso. (Se entiende por fino la fracción de terreno que
Figura 7.18 Resultados de las alteraciones en el terreno tras la aplicación de tratamientos de vibroflotación y vibrosustitución
pasa por el Tamiz de 0,063 mm U.N.E., ó bien Tamiz 200 A.S.T.M. de abertura 0,074 mm). La figura 7.19 representa las curvas granulométricas de terrenos y señala las zonas en las que se recomienda que se encuentren las curvas
Figura 7.19 Zonas de aplicación de los sistemas de vibroflotación o de columnas de grava según la curva granulométrica del terreno
560 MANUAL DE EDIFICACIÓN: MECÁNICA DE LOS TERRENOS Y CIMIENTOS correspondientes a los mismos para la aplicación de los métodos de vibroflotación y de vibrosustitución. En las zonas A y B resulta idónea la aplicación de la vibroflotación, mientras que en la zona C es el límite entre la idoneidad de la vibroflotación y la aplicación de las columnas de grava (vibrosustitución). La fórmula empírica de Brown define el campo de aplicación de ambos métodos en función de un parámetro S, cuyo valor se calcula del siguiente modo: 1
⎡ 3 1 1 ⎤2 ⎥ S = 1, 7 + ⎢ + + 2 2 ⎢⎣ D50 2 D20 D10 ⎥⎦ Siendo: S: Parámetro de Brown. D50: Diámetro en mm del tamiz que deja pasar el 50% de la muestra. D20: Se define de modo análogo para el 20%. D10: Se define de modo análogo para el 10%. Los límite de aplicación del método de vibroflotación se sitúan en valores de S comprendidos entre 5 y 40. Para valores mayores de S se recomienda el uso de columnas de grava (vibrosustitución).
• Inyección de relleno o impregnación: se rellenan los poros o huecos del terreno y, en su caso, de la infraestructura de cimientos deteriorados. • Inyección de fracturación: se provoca la ruptura y posterior mezcla del terreno con la inyección, modificando su estructura. También suele denominarse “jet-grouting”; este sistema se desarrollará de forma más específica en el punto 7.1.7 de este capítulo. También se suele utilizar la siguiente terminología: • Inyecciones convencionales: realizadas con impregnaciones de morteros estables e inestables. • Inyecciones químicas: realizadas con morteros líquidos de resinas y geles de sílice. Los materiales inyectables pueden ser: • Morteros en estado líquido. • Morteros o suspensiones inestables. • Morteros o suspensiones estables. En los dos grupos primeros de inyecciones se supone que no hay aumento de cargas, ya que si la hubiera, teóricamente al menos, el refuerzo o recalce tendría que afectar a los dos sub-componentes del cimiento, en cuyo caso estaría comprendido en el tercer grupo.
7.2.6 Inyecciones 7.2.6.1 Inyección de morteros líquidos Los sistemas de inyección consisten en la modificación de las características de un terreno mediante la introducción de materiales diversos a altas presiones dentro del mismo con objeto de conseguir determinadas mejoras. Con la inyección se consigue reducir la permeabilidad y aumentar la compacidad y por tanto la capacidad portante. Entre los sistemas de inyección se consideran las siguientes clases: • Inyección de compactación: se provoca el desplazamiento del terreno, sin que el material inyectado se mezcle con él.
Este tipo de materiales contiene partículas pequeñas difícilmente medibles. Generalmente se les suele denominar inyecciones químicas. Las diferentes clases de morteros líquidos para inyectar son: • Geles duros. - A base de silicato de sodio (SiO3Na2). - Mezcla de un lignosulfito y bentonita. • Geles plásticos. - A base de silicato de sodio y bentonita desfloculada.
MEJORA DEL TERRENO 561 • Geles de bentonita, arcilla o cemento. • Resinas orgánicas. • Monómeros acuosos, polímeros precondensados. Los morteros líquidos son capaces de penetrar en todos los huecos por donde el agua puede discurrir. Este tipo de inyecciones no son aplicables en terrenos compuestos por arcillas y limos con poros demasiado pequeños, que prácticamente no son inyectables. En el caso de arena fina o loess, sí se pueden realizar inyecciones, aunque tienen un costo muy elevado. 7.2.6.2 Inyección de morteros o suspensiones inestables Son aquellas en las que las partículas sólo se mantienen en disolución cuando se les aplica una energía de agitación. Si ésta cesa, los granos se sedimentan. Este es el caso del cemento aunque la suspensión se mueva en una corriente. El cemento, al sedimentarse, tapa los poros y la inyección se obstaculiza. Para que una inyección a base de mortero inestable sea posible, o no presente excesiva dificultad, el tamaño mínimo de las partículas del terreno debe de estar comprendido entre 5 y 10 mm. Entre los morteros inestables, están los siguientes: • Suspensiones de cemento puro: formuladas con una relación cemento/agua (en peso) comprendida entre los siguientes valores: C 1 1 ≥ ≥ A 10 2 • Suspensiones de cemento rebajado: se sustituye parte del cemento por un polvo inerte como puede ser arena fina, cenizas volantes o tierra de Kieselghur.
7.2.6.3 Inyección de morteros estables Las mezclas que se introducen en el terreno son morteros o suspensiones en agua en los que no se produce sedimentación durante el proceso de inyección y tampoco se produce un efecto bóveda al llegar a los intersticios del terreno. Entre los morteros estables, se pueden mencionar los siguientes tipos: • Bentonita-cemento. La relación cemento/agua dosificada en peso, varía de 1 a 2 para un 2% de bentonita. El rango de oscilación va de 1 a 1,7 para un 4% de bentonita Con el 2% de bentonita, la sedimentación es nula para C/A ≤ 1,4. Si se emplea el 4% de bentonita la decantación es nula. • Cemento-silicato (silicato sódico técnico a 36º Beumé). La dosificación por litro de mortero depende de la clase de mortero de modo que se establece la siguiente correspondencia: - Mortero 1/1: 10 a 20 cm2/l - Mortero 1,5/1: 5 a 10 cm3/l - Mortero 2/1: 2 a 5 cm3/l • Cemento-bentonita-silicato. • Cemento activado. Se emplean morteros con dosificaciones muy altas (2/1, 2/1 y 3/1) en los que se consigue que no haya sedimentación usando métodos de dispersión por vía química, física o mecánica. • Suspensiones de arcilla. La arcilla que se inyecta debe presentar un límite líquido LL superior a 60. En caso de que no se alcance este valor se deben añadir coloides. • Arcilla-cemento. • Arcilla-cemento-arena.
562 MANUAL DE EDIFICACIÓN: MECÁNICA DE LOS TERRENOS Y CIMIENTOS 7.2.6.4 Métodos de inyección
7.2.7 “Jet grouting”
Existen tres procedimientos para realizar la inyección del material en el terreno: 1. De abajo hacia arriba. 2. Mediante tubos con manguito. 3. De arriba hacia abajo, simultaneamente a la ejecución del taladro.
7.2.7.1 Definición
El procedimiento más habitual es el primero. Se usan unas presiones normales del orden de 1 a 3 MPa, aunque también se inyecta a 0,5 MPa y se puede llegar hasta los 8 MPa. La separación habitual entre taladros oscila entre 1 y 2 m. Cuando la inyección es superficial los taladros se disponen al tresbolillo. El volumen inyectado en función del volumen de huecos del terreno inyectado, es muy variable, pudiendo oscilar entre: - 40% del volumen tratado en el caso de gravas sueltas o rellenos flojos mal compactados. - 20% para terrenos arenosos relativamente compactos.
El “jet grouting” o “inyección a alta presión” es una técnica que consiste en la inyección de lechada de cemento a alta presión que tritura el terreno y se mezcla con él, creando columnas de terrenocemento. Se utiliza en recalce de cimientos, ejecución de cimientos profundos, mejoras de terrenos, impermeabilización, ejecución de pantallas, etc. El origen de esta técnica hay que buscarlo en los sistemas convencionales de inyecciones de cemento o químicas, que se basan en la creación de una estructura multicapa en terrenos de tipo granular, rellenando las zonas más flojas mediante la mezcla inyectada. Con respecto a los sistemas de vibroflotación o vibrosustitución, el “jet grouting” presenta una primera ventaja que es la posibilidad de aplicación no sólo a terrenos de naturaleza granular (arenas y gravas) sino también cohesiva (limos y arcillas). Otra ventaja, de carácter ecológico, es que permite la inyección del terreno con el empleo exclusivo de mezclas de cementos, sin introducción de aditivos o composiciones químicas que puedan afectar al medio ambiente.
Es importante el control de la inyección, ya que una presión inadecuada puede provocar: • Pérdida de inyección (presión nula). • Levantamientos de soleras (presión excesiva). • Levantamiento y giro de elementos estructurales o del edificio.
7.2.7.2 Ejecución
Las precauciones deben ser mayores cuando las inyecciones pueden afectar a edificios históricos, debiendo llevarse a cabo en estos casos con mayor lentitud. Entre las aplicaciones de los métodos de inyección pueden recogerse las siguientes: • Mejoras de terrenos para cimientos. • Consolidaciones de terrenos bajo edificios existentes para soporte de nuevas cargas. • Solidarización de cimientos antiguos, creando auténticas losas cementadas. • Impermeabilización de terrenos. • Construcción de pantallas o elementos rígidos en el contorno de un edificio para evitar posibles desplazamientos horizontales causados por excavaciones próximas.
Los medios y maquinaria para la ejecución del “jet grouting” son: • Equipo de perforación de pequeño diámetro (similar al de los sondeos geotécnicos) • Sistema de varillaje preparado para altas presiones (700 atm). • Toberas de inyección. En los sistemas múltiples: tobera superior con agua o aireagua para romper el terreno y tobera inferior para inyectar la lechada de cemento. • Planta de preparación de la lechada de cemento o cemento-bentonita. • Sistema de impulsión a alta presión que recibe y transporta la lechada al punto de perforación e inyección.
MEJORA DEL TERRENO 563 La figura 7.20 representa un esquema del equipo de puesta en obra de “jet grouting”. El proceso de ejecución consta de dos fases principales: Fase 1 Perforación mediante equipos convencionales de pequeño diámetro, hasta alcanzar la profundidad deseada (figura 21.a).
BENTONITA SILO CEMENTO
En la extremidad inferior, el equipo está dotado con una cabeza de perforación con toberas de inyección perpendiculares al eje del taladro. La perforación se realiza en terrenos cohesivos, arenas y rocas blandas por rotación con tricono o trialeta. En gravas, rocas duras y hormigón o fábricas duras la perforación se realiza por roto-percusión con martillo en cabeza. La mezcla normal es lechada agua-cemento, en una proporción: 2 Agua = ≈ 2,86 (en peso) 0,7 Cemento
a
c
AGUA
AGITADOR BOMBA DE PRESIÓN
Figura 7.20 Esquema de equipo de “jet grouting”
b
d
Figura 7.21 Proceso de inyección a alta presión
564 MANUAL DE EDIFICACIÓN: MECÁNICA DE LOS TERRENOS Y CIMIENTOS La mezcla puede también ser de bentonita, sustancias químicas o bituminosas, siempre que las dosificaciones proporcionen una viscosidad admitida por la bomba. Raras veces se inyectan otras sustancias químicas. Puede aplicarse incluso con filtraciones de agua con velocidades de 1 cm/s, inyectando mezclas de fraguado rápido. Las propiedades mecánicas de las columnas dependen del tipo de terreno tratado y de la mezcla inyectada. La comprobación de la resistencia mecánica se puede hacer realizando ensayos con penetrométricos estáticos, ensayos dinámicos S.P.T., Borros o mediante ensayos presiométricos. Los valores más frecuentes de la resistencia a compresión simple de una columna varían entre 5 y 20 MPa, aún cuando los límites máximo y mínimo son 50 MPa y 0,1 MPa, respectivamente. Fase 2 Extracción con inyección simultánea. Inyección ascendente de lechada de cemento ó cementobentonita.
El varillaje gira a medida que se produce el ascenso. La mezcla, a presión muy alta, sale a gran velocidad, con lo que consigue romper y desplazar el terreno circundante. Se mezcla con él y crea un terreno-cemento de mucha más resistencia que el terreno inicial. El varillaje se retira mediante traslación ascendente a velocidad y rotación controlada, lo que provoca la creación de una columna sensiblemente cilíndrica (figuras 7.21.b a 7.21.d). Actuando sobre los parámetros de presión de inyección, velocidad de ascensión y giro, se puede definir previamente el diámetro de la columna creada para ajustarse a las necesidades del proyecto. (véase la figura 7.23). La variación de los parámetros anteriores se complementa con los distintos diámetros de las toberas que se deben utilizar. Normalmente se utilizan los siguientes valores: • Presión de bomba: 30 a 70 MPa
Alta velocidad chorro agua-aire Alta velocidad chorro agua-aire
Figura 7.22 Proceso de extracción con inyección simultanea
Lechada de cemento
a
b
Lechada de cemento
c
MEJORA DEL TERRENO 565
Diámetro de columna (mm)
Presión de inyección
Diámetro de columna (mm)
1200
1200
1100
1100
1000
1000
900
900
800
800
700
700
600
600
500
500 150 200 250 300 350 400
kp/cm2
Terreno heterogéneo
• Presión normal en la tobera de corte: 45 MPa • Presión en la tobera de relleno: 10 MPa • Diámetro de la tobera de corte: 15 a 40 mm (habitual: 35 mm). • Diámetros de las toberas de relleno: Dos de 8 mm • Velocidad de ascenso: 5 a 50 cm/min (habitual: 33 cm/min). • Velocidad del chorro de mezcla: 200 a 300 m/seg • Velocidad de giro: 12 a 60 rev./min (habitual: 5 a 30 rev./min). Control de ejecución El control de la ejecución debe atender a los siguientes aspectos: • Cumplimiento de las especificaciones del proyecto. • Profundidad de la perforación. • Composición y caudales de mezcla. • Admisión media de cemento a inyectar (CA en kg/m). • Cantidad de cemento a inyectar (CD en kg/m). • Coeficiente de inyección (CA/CD). • Velocidad global (m/min).
Presión de inyección
150
200
250
300
kp/cm2
Arenas flojas
• Velocidad de inyección (m/min). Despues de la ejecución del tratamiento pueden utilizarse los siguientes métodos de control: • Inspección directa de las columnas, si es posible. • Sondeo con toma de muestras para ensayar en laboratorio. • Ensayos con penetrométricos dinámicos o estáticos. • Auscultación geofísica (diagrafías sónicas ó gamma-gamma, sísmica de ondas superficiales). • Ensayos a escala real de carga de impermeabilidad. Los efectos sobre el terreno y las características del “jet-grouting” son los siguientes. 1) Se produce una mejora del terreno natural entre columnas, debido a la compactación provocada por la expansión del terreno en los alrededores del taladro como consecuencia de la inyección de mezcla a alta presión. Se ha comprobado haciendo ensayos de reconocimiento “in situ”, antes y después del tratamiento. Esta mejora se ha observado con taladros realizados con separación de 2 metros.
Figura 7.23 Relación entre los parámetros de presión de inyección, velocidad de ascenso y velocidad de giro en distintos terrenos
566 MANUAL DE EDIFICACIÓN: MECÁNICA DE LOS TERRENOS Y CIMIENTOS JET SIMPLE ARENAS MEDIANAMENTE DENSAS SUELOS COHESIVOS MUY FLOJOS O COLUMNA= 0,50 - 0,80 m
5) La capacidad portante del terreno tratado debe considerarse como una suma de las columnas tratadas y del terreno natural mejorado situado entre ellas. La carga por columna suele tomarse de 200 a 1000 kN y la presión admisible bajo cimientos de 0,5 MPa a 1,5 MPa. 7.2.7.3 Técnicas
LECHADA DE CEMENTO (Presión de inyección: 400 a 600 kp/cm2)
JET DOBLE ARENAS MEDIANAMENTE DENSAS SUELOS COHESIVOS FLOJOS O COLUMNA= 0,80 - 2,00 m
AIRE (Presión de inyección: 5,00 a 6,00 atm) LECHADA (Presión de inyección: 400 a 600 kp/cm2)
JET TRIPLE SUELOS GRANULARES (ARENAS Y GRAVAS) O COLUMNA= 1,20 - 3,00 m
Figura 7.24 Esquema de los tres métodos de inyección
AIRE (Presión de inyección: 5,00 a 6,00 atm) AGUA (Presión de inyección: 400 a 600 kp/cm2) LECHADA (Presión de inyección: 400 a 600 kp/cm2)
2) No altera las presiones intersticiales del terreno fuera de las columnas tratadas. 3) No afecta a las condiciones de estabilidad de las estructuras existentes. 4) Tiene una gran versatilidad, lo que permite soluciones de pilotaje, muro-pantalla o anclajes de arriostramiento, sin dañar a estructuras próximas. Puede llevarse a cabo prácticamente en cualquier tipo de terreno y a través de obstáculos artificiales (galerías, cimientos, forjados, etc.)
Existen tres métodos distintos de inyección, en función de los terrenos a tratar y de las exigencias del tratamiento. (figura 7.24). “Jet grouting” simple (figura 7.25) • Se inyecta únicamente lechada de cemento a alta presión. • Se aplica en terrenos arenosos de compacidad muy suelta y terrenos cohesivos de consistencia blanda y muy blanda. • Se consiguen diámetros de 50 a 80 cm. “Jet grouting” doble (figura 7.26) • Se inyecta una mezcla de lechada de cemento y aire. • Presiones de inyección - Lechada de cemento: 40 a 60 MPa - Aire: 0,5 a 0,6 MPa • Se aplica en arenas medias a densas y terrenos cohesivos de consistencia blanda a media. • Se consiguen diámetros de 80 a 200 cm. La mayor penetración se debe a la acción del aire comprimido. “Jet grouting” triple (figura 7.27) El método triple es el más enérgico en cuanto a potencia de rotura y desplazamiento del terreno. • Se inyecta agua-aire a presión entre 40 y 60 MPa el agua y entre 0,5 y 1 MPa el aire. • Se inyecta en los terrenos de consistencias y compacidades hasta media y gravas con matriz arcillosa de consistencia media. • Se consiguen diámetros de columna entre 120 y 300 cm.
MEJORA DEL TERRENO 567
Lechada de cemento a alta presión
Figura 7.28 Recalce de cimiento existente
LECHADA DE CEMENTO
D
Figura 7.25 Sistema de “jet grouting” simple Figura 7.29 Recalce de estructura existente Lechada de cemento a alta presión
Agua a alta presión
AGUA LECHADA DE CEMENTO
D
Figura 7.26 Sistema de “jet grouting” doble Figura 7.30 Recalce de estructura por aumento de cargas
Lechada de cemento a alta presión
AGUA + AIRE LECHADA DE CEMENTO
Aire comprimido
Agua a alta presión 0,00 m
- 2,00 m
D
Figura 7.27 Sistema de “jet grouting” triple
- 4,10 m - 4,50 m
Figura 7.31 Recalce y formación de barrera impermeabilizante
568 MANUAL DE EDIFICACIÓN: MECÁNICA DE LOS TERRENOS Y CIMIENTOS 7.2.7.4 Aplicación
Porcentaje en peso (%) Arcilla 100
Limo
Arena
Grava Inyección de cemento
Inyección química
50
0
Inyección a alta tensión ("Jet grouting")
0.002
0.06
2.0 6.0 Tamaño de partículas
Figura 7.32 Límites de aplicación de distintos tratamientos de inyección
Figura 7.33 Aspecto de columnas realizadas por inyección de alta presión
Por sus características, esta técnica se adapta a numerosas de aplicaciones constructivas dentro del campo de cimientos especiales: 1. Cimientos nuevos de estructuras en terrenos de baja capacidad portante bajo la influencia del nivel freático: • Aparcamientos subterráneos. • Pilas de puentes. • Protección contra la socavación. 2. Excavaciones en zonas urbanas edificadas y con bajo nivel freático: • Pasos inferiores. • Vaciados para creación de sótanos. 3. Revestimientos excavaciones subterráneas: • Túneles profundos. • Túneles con escaso recubrimiento. 4. Recalces de edificios con cimientos deficientes o en las que se producen modificaciones en su forma de trabajo: • Recalces para la realización de excavaciones adyacentes al edificio. • Refuerzo por fallo en el cimiento. • Creación de nuevos cimientos en edificios antiguos de fábrica de piedra o ladrillo. 5. Creación de barreras resistentes e impermeabilizantes. 7.2.7.5 Antecedentes históricos - A mediados de los años 60 se realizan las primeras experiencias en Japón. - Durante los años 70 se sistematiza su empleo en Japón (Nakanishi, Yahiro). - A principio de los años 80 se introduce en Europa vía Italia y Alemania. - A mediados de los años 80 se introduce en España con tecnología europea. - A finales de los años 80 lo empieza a realizar el grupo Terratest. - Actualmente se encuentra en fase de gran desarrollo, con nuevas aplicaciones, la más importante de las cuales es la relacionada con las prospecciones petrolíferas, con las bombas de autopresión.
MEJORA DEL TERRENO 569 7.2.7.6 Ejemplos Se exponen a continuación tres ejemplos de obras realizadas con la técnica del “jet grouting”: 1) Barrera impermeable 2) Recalce de falso túnel ferroviario 3) Recalce de edificio Ejemplo 1. Ejecución de una barrrera impermeable con columnas de “jet grouting”. Figuras 7.34 y 7.35
N.F.
Muro pantalla de hormigón
Gravas
El primer caso que se expone consiste en la excavación bajo el nivel freático, en terreno granular, con protección lateral de muros pantalla, en centro urbano. La sección tipo del terreno estaba constituida por las siguientes capas: - Capa de rellenos (hasta 1,00 m de profundidad). - Estrato de arcillas y limos (entre 1,00 m y 4,00 - 6,00 m). - Estrato de gravas con matriz limo-arenosa (entre 4,00 - 6,00 m y 20,00 - 25,00 m) - Capa de arcillas y limos de profundidad indeterminada. Problemática Entrada de agua bajo pantallas.
2a4m -16,00 e=0,80
JET GROUTING Impermeable Resistente
SOBREPRESIÓN
S
Figura 7.34 Ejemplo 1. Esquema de la actuación
D D=1,40 m S =1,20 m
Jet tipo
T-3
Descenso del nivel freático, pudiendo provocar asientos en los edificios.
Velocidad de subida
5 min/m
Velocidad de rotación
10 - 12 r.p.m.
Solución adoptada La solución se constituyó como alternativa a empotrar más el muro pantalla para aumentar el recorrido del agua, ante la imposibilidad de localizar el estrato impermeable.
Presión de corte
450 kg/m
kg/m de columna
650 kg/m
Tobera inyección de agua
1 x 3 mm
Tobera relleno de cemento
2 x 6 mm - 8 mm
Densidad de la mezcla C
1.750 kg/m3
Se ejecutó un tapón de “jet grouting”, de espesor variable entre 2 y 4 m, antes de realizar la excavación interior. Se construyeron columnas de 1,4 m de diámetro mediante la técnica doble, con separación de 1,20 m entre sí.
Dosificación A/C
1 : 1,75
Presión de aire
7 kg/cm2
Presión de lechada
10 - 20 kg/cm2
Figura 7.35 Ejemplo 1. Parámetros de la actuación
570 MANUAL DE EDIFICACIÓN: MECÁNICA DE LOS TERRENOS Y CIMIENTOS Ejemplo 2: recalce de falso túnel para uso ferroviario con “jet grouting”.Figuras 7.36 y 7.37 El ejemplo que se expone a continuación se refiere al proceso de construcción de una estructura de gran entidad compuesta por muros de hormigón apoyados sobre zapatas. Los muros ser vían de apoyo a una serie de bóvedas prefabricadas también de hormigón. Patología Una vez ejecutada buena parte de la obra, se detectó la existencia de asientos centimétricos en las zapatas extremas, las cuales, en ese momento estaban sometidas únicamente al peso propio de los muros construidos. Tras un estudio inicial, se determinó que la causa de los asientos del cimiento directo era la escasa capacidad portante del terreno; éste estaba compuesto por los siguientes estratos: - Rellenos antrópicos en el estrato inicial, con una profundidad de 1,50 m a 7,00 m.
Solución adoptada Se propuso efectuar un tratamiento de mejora del terreno, con objeto de conseguir la transmisión de esfuerzos al nivel margoso, por medio de columnas de “jet grouting”. Se planteó la distribución de columnas en dos o tres líneas bajo las zapatas, según los casos, dependiendo de la anchura de las mismas, perforando a través de las zapatas ejecutadas (véase la figura 6.37). Se realizó una per foración inicial a rotopercusión (con control de la dureza del terreno) y a continuación, se llevó a cabo una segunda perforación, para situar toberas de inyección, con trialeta. Se realizó una inyección primaria, efectuada con objeto de rellenar huecos (tratamiento de “jet grouting” simple a 10 kp/cm2) La inyección principal del tratamiento propiamente dicho se realizó mediante “jet grouting” doble, con las siguientes características:
- Arcillas limosas deformables. - Margas arcillosas, con intercalaciones conglomeráticas, a partir de 2,5-10,5 m según los sondeos. Condicionantes El condicionante principal sobre las actuaciones posibles radicaba en la falta de disponibilidad de espacio en planta, puesto que se encontraba en servicio una vía férrea. Otro problema importante estaba constituido por la gran variabilidad de la profundidad del horizonte resistente de margas entre las distintas zonas. Por último, ha de tenerse en cuenta la necesaria urgencia en la ejecución y el hecho de que las actuaciones a realizar estaban contempladas en el proyecto.
- Presión de agua de 450 kg/cm2, mediante una tobera φ 4 mm. - Presión de lechada entre 5 y 10 kg/cm2, mediante dos toberas φ 8 mm. - Tiempo de persistencia de la inyección de 6 min/m de columna. - El diámetro de columnas fue en todos los casos superior a 100 cm. Las condiciones de proyecto bajo las que se ejecutaron los trabajos son: Se estableció que la tensión en las columnas fuese inferior a 20 kg/cm2. Se estableció que la máxima tensión en el estrato de margas no superase los 2,5 kg/cm2.
MEJORA DEL TERRENO 571 8,25 0,50 0,30
0,20
BÓVEDAS PREFABRICADAS 1,00 6,10
11,50 0,25
0,40
7,00
Manta filtrante
15,00
0,38 9,13
5,20
Tubo dren
3,50
8,25
2,95
Variable
Variable
Figura 7.36 Ejemplo 2. Esquema del ámbito de intervención
4,90 1,15
1,00
5,50 2,75
1,15
1,00
3,35
1,17
1,50
1,17
1,50
1,17 1,50 1,17 1,50 1,17 1,17
1,50
1,17
1,50
1,17
Figura 7.37 Ejemplo 2. Esquemas en planta de los recalces de zapatas
572 MANUAL DE EDIFICACIÓN: MECÁNICA DE LOS TERRENOS Y CIMIENTOS
Figura 7.38 Ejemplo 3. Planta de una parte de la intervención
ARCO DE DESCARGA
Figura 7.39 Ejemplo 3. Estado del edificio antes de la intervención
POZO DE HORMIGÓN
MEJORA DEL TERRENO 573 Ejemplo 3: recalce de edificios de viviendas con “jet grouting”. Figuras 7.38 a 7.40
2,10º MEDIANERIA EXTERIOR
INTERIOR
0,40
Tipología La actuación se produjo sobre un edificio del siglo XX, compuesto por planta baja y 6 alturas. El edificio contaba con un cimiento de pozos circulares aislados de hormigón en masa de 1 m de diámetro y aproximadamente 5,50 m de profundidad.
2,00 Aros de descarga
La estructura estaba compuesta por muros de carga de ladrillo en cerramientos exteriores, pilares centrales y forjados unidireccionales.
Pozo de hormigón O120
2,10 9,25 0,47
Los sondeos revelaron un terreno de apoyo compuesto por rellenos antropicos, en los 2 a 4 m superiores y arenas arcillosas hasta 3 a 6,5 m de profundidad, que se apoyaban en peñuelas sanas.
4,75
Solución adoptada - Se construyerón columnas de 600 mm de diámetro, empotradas 1,5 m en las peñuelas sanas. - Se sitúan 3 columnas por punto de carga. - Se extiende la solución a toda la estructura. - De acuerdo con las cargas transmitidas por la estructura, la tensión máxima en las columnas no resultó superior a 9 kg/cm2. - Se llevó a cabo la penetración por rotación para atravesar los pozos de cimiento existentes, y con trialeta para continuar en el terreno.
0,60 0,60
0,60 Columnas de "jet grouting"
0,25
0,40 1,00
0,40
0,60
0,40
Patología - Fisuración generalizada por asentamiento diferencial de la cimentación. - El problema tenía mayor incidencia en los elementos de unión más débiles, como los núcleos de escalera y los paramentos verticales.
Pozo de hormigón existente 0,47
Figura 7.40 Ejemplo 3. Detalle de recalces de pozos de zapata aislada y zapata carrida en fachada
Condicionantes - Espacio reducido. - Excavación bajo forjados. - Flexibilidad para adaptar el recalce a la cimentación que se iba descubriendo y al espacio disponible.
574 MANUAL DE EDIFICACIÓN: MECÁNICA DE LOS TERRENOS Y CIMIENTOS 7.2.8 Otros tratamientos
El procedimiento consiste en la hinca de un tubo con la parte inferior cerrada, mediante golpeo o por vibración del tubo.
7.2.8.1 Pilotes de compactación Este procedimiento se basa en el incremento de la compacidad del terreno mediante la hinca de pilotes de desplazamiento. Como ejemplo se puede mencionar la hinca de pilotes de madera en la construcción de terraplenes para carreteras. Los pilotes de desplazamiento suelen ser de arena o grava y se aplican fundamentalmente en terrenos flojos. Se pueden alcanzar profundidades hasta de 20 m.
100
90
Dr
Figura 7.41 Comparación entre los resultados de compactación por los métodos de vibroflotación y de pilotes de compactación
Densidad relativa %
Vibroflotación 80
Dr m
edia
70
Dr
dia
ínim
7.2.8.2 Congelación del terreno
a
mín
ima
Pilotes de compactación
60
50
40 2
3
4
5
6
En la figura 7.41 se compara el resultado de la mejora de un terreno aplicando los procedimientos de vibroflotación y pilotes de compactación. Desde la aparición de los nuevos metodos como el “jet grouting” o la vibrocompactación, este sistema no se emplea excesivamente.
me
Dr m
Una vez alcanzada la profundidad de la perforación se rellena el tubo con material granular, que se compacta por tongadas mientras se va extrayendo la tubería. El tapón queda perdido en el fondo. La densificación se produce por el desplazamiento del suelo original y por la vibración de la hinca del tubo.
7
Espaciamiento entre puntos de tramiento
8
Se trata de una técnica de mejora de terrenos con carácter provisional, encaminada a facilitar la realización de excavaciones y recalces. Se pueden realizar congelaciones de terreno bien para incrementar temporalmente la capacidad portante o bien para dotarlo de impermeabilidad con el fin de proteger las zonas de excavación de la penetración de las aguas freáticas o de cualquier otro origen. El sistema consiste en la recirculación de líquido refrigerante a muy baja temperatura a través de una red de tubos introducidos en el terreno; ésto provoca la congelación del terreno circundante.
Figura 7.42 Maquinaria de inyección
Se necesita un fuerte aporte contínuo de energía para las máquinas frigoríficas y los sistemas de recirculación. Una vez realizados la excavación y el cimiento, se descongela el terreno introduciendo agua caliente por la misma red y se desmonta el sistema.
MEJORA DEL TERRENO 575 Esta técnica tiene un elevado coste y solamente se utliliza en casos muy especiales como por ejemplo: - Cuando los otros sistemas han sido rechazados por motivos técnicos. - Si se compromete la estabilidad de la propia edificación o de la colindante (por ejemplo en edificios histórico-artísticos). - Cuando la capa impermeable está demasiado profunda y resultaría muy caro bajar hasta ella con otros métodos: pantallas, inyecciones, etc. 7.2.8.3 Explosivos Con la aplicación de este método se consigue una gran uniformidad en la compactación. Se trata de un procedimiento rápido y económico que no precisa de maquinaria especial. Se aplica preferentemente en terrenos granulares flojos con pequeño contenido de limos, mediante la explosión de cargas dentro del terreno, lo que origina su licuefacción y posterior consolidación. También se puede aplicar sobre terrenos areno-limosos, en los que se consigue mejorar la capacidad portante o la compacidad. Presenta una serie de inconvenientes entre los que se pueden destacar los siguientes: • Efectos de las explosiones sobre los edificios próximos. Puede decirse que fuera del radio de acción de la carga explosiva tales efectos tiene un carácter débil. • Factor psicológico negativo asociado. • Laboriosidad del cumplimiento de la normativa referente al trabajo con explosivos. En lugar de esta técnica puede recurrirse al empleo de productos expansivos no explosivos que evitan muchos de estos problemas 7.2.8.4 Terrenos estabilizados Se trata de mejoras de terreno para su utilización en bases y subbases para la construcción
de viales, carreteras, etc. En el Pliego General de Carreteras PG3 se describen los siguientes tipos de mejora: Estabilizados in situ con cal (PG3, Artículo 510) Consiste en la realización de una mezcla, convenientemente compactada de terreno, cal y agua, que se efectúa con el fin de modificar determinadas propiedades de los terrenos. Los materiales a estabilizar serán terrenos o materiales locales exentos de materia vegetal y orgánica en cantidades perjudiciales. No deberán contener partículas de tamaño superior a 80 mm o a la mitad del espesor de la tongada compactada. El rechazo del tamiz 0,080 UNE será inferior al 85 % en peso. El proceso de ejecución es el siguiente: • Distribución de la cal • Mezclado • Compactación de la mezcla • Curado final Estabilizados con productos bituminosos (PG3, Artículo 511) Consiste en la mezcla íntima, convenientemente compactada, de terreno, agua, ligante bituminoso y eventualmente adiciones, cuyo fin es mejorar las características resistentes del terreno, disminuyendo su capacidad de absorción de agua y/o aumentando su cohesión, por efecto de la incorporación del ligante bituminoso.
Figura 7.43 Tratamiento de congelación
576 MANUAL DE EDIFICACIÓN: MECÁNICA DE LOS TERRENOS Y CIMIENTOS Método de mejora del terreno
Profundidad de actuación
Definición
Tipo de terreno
Ámbito de aplicación
Observaciones
Sustitución
Excavación del terreno original y sustitución por otros materiales que son compactados posteriormente
≤3m
De nula o baja capacidad portante (rellenos, arcillas, limos, tierra vegetal)
Cimientos, aparcamientos, viales, terraplenes, pedraplenes y construcciones bajo el agua
El material de sustitución y el grado de compactación dependen de la aplicación
Precarga
Aplicación de presión sobre la superficie del terreno con rellenos de tierra o tanques de agua, antes de colocar la carga estructural
Depende de la sobrecarga utilizada
Cohesivos blandos. También rellenos, limos orgánicos e inorgánicos, turbas, etc.
Cuando existen cargas ligeras y uniformes sobre el terreno
- Elevado tiempo de consolidación (meses) - Elevado coste - Complejidad de aplicación - Puede afectar a estructu-ras colindantes
Compactación dinámica
Aplicación repetida de impactos sobre la superficie del terreno por medio de la caída libre de un peso desde cierta altura
≤ 30 m
Mayor eficacia en terrenos granulares de gran permeabilidad (bolos, gravas, escolleras, zahorras, arenas con < 15% en limos). También se aplica en terrenos cohesivos saturados y poco permeables
Consolidación de vertederos, naves, silos, carreteras, aeropuertos, presas de materiales sueltos, diques y estructuras portuarias
Superficie de aplicación mínima, estimada en 15.000 m2
Depende de las características del terreno y de la energía de los impactos
Arcillas y limos blandos o muy blandos
Similar al de la compactación dinámica
Muy importante el control de la evolución de las presiones intersticiales del terreno
6-20 m
- Granulares para la vibroflotación
Vibroflotación, ideal para grandes cargas. Vibrosustitución ideal para cargas medias y ligeras
Para aumentar la capacidad portante de zonas débiles . Para reducir posibles asientos producidos por cargas verticales
Punzonamiento del Sustitución terreno con una madinámica (“puits ballastes”) za y relleno del cráter resultante con grava que se golpea nuevamente Vibroflotación y vibrosustitución
Aplicación de vibración al terreno para densificarlo. Adición de gravas o de otros materiales
Figura 7.44 Cuadro resumen de métodos de mejora del terreno
- Cohesivos para la vibrosustitución
Distancia mínima de seguridad de 20-30 m respecto a estructuras colindantes
MEJORA DEL TERRENO 577
Método de mejora del terreno
Definición
Profundidad de actuación ≤4m
Tipo de terreno
Ámbito de aplicación
Observaciones
Inyecciones
Introducción de un material a altas presiones (morteros líquidos, inestables o estables). Básicamente se consigue reducir la permeabilidad y aumentar la densidad
“Jet grouting”
Inyección de lechada de cemento a alta presión creando columnas de terreno-cemento que rompe el terreno y se mezcla con él
Pilotes de compactación
Hinca de pilotes de desplazamiento: grava o arena
Congelación
Recirculación de líquido frigorífico a baja temperatura para congelar el terreno
Terrenos con niveles freáticos altos
Casos especiales debido a su alto coste
Explosivos
Explosión de cargas en el interior del terreno, lo que origina su licuefacción y posterior consolidación
Granulares flojos con pocos limos
Nivel de control alto. Afección a edificios colindantes
Terrenos estabilizados
Adición al terreno de materiales (cal, cemento, bituminosos, gravacemento, grava-emulsión, grava-escoria)
20 m
No aplicables en arcillas o morteros para morteros líquidos. Tamaño de partículas del terreno entre 5-10 mm para morteros inestables
Mejora o consolidación de terrenos y cimientos, pantallas para excavación, impermeabilizar el terreno
Es importante el control de la presión de inyección
Granulares (arenas y gravas) y cohesivos (limos y arcillas)
Excavaciones y cimientos con nivel freático, revestimiento de túneles, mejora y refuerzo de cimientos existentes, pantallas
Creación de columnas desde 0,50 a 3,00 m de diámetros
Terrenos flojos
* La profundidad de actuación depende de la cota de superficie del terreno
Figura 7.44 Cuadro resumen de métodos de mejora del terreno (continuación)
Bases y sub-bases de carreteras y viales
578 MANUAL DE EDIFICACIÓN: MECÁNICA DE LOS TERRENOS Y CIMIENTOS Los terrenos a estabilizar serán de procedencia local que puedan ser pulverizados económicamente, exentos de cantidades perjudiciales de materia orgánica, arcillas de alta plasticidad o materiales micáceos. El procedimiento de ejecución será el que se indica a continuación: • Mezclado “in situ” o en central • Compactación Estabilizados con cemento (PG3, Artículo 512) Consiste en la mezcla íntima, convenientemente compactada, de terreno, cemento, agua y eventualmente adiciones, a la cual se le exigen unas determinadas condiciones de insusceptibilidad al agua, resistencia y durabilidad. Los materiales a estabilizar con cemento serán terrenos, materiales locales o escorias, exentos de cantidades tales de materia vegetal u orgánica, o cualquier otra sustancia que perjudique el fraguado del cemento. Dichos materiales tendrán un tamaño máximo inferior a la mitad del espesor de la tongada compactada, sin exceder de 80 mm y no contendrán más de un 80 % en peso de elementos retenidos por el tamiz 2 UNE, ni más de un 50 % de elementos que pasen por el tamiz 0,080 UNE. Por término general, la fracción cernida por el tamiz 0,40 UNE cumplirá las condiciones siguientes: LL < 35, IP < 15. El proceso de ejecución es el que se indica a continuación: • Preparación del terreno • Mezclado mediante - Método de mezcla “in situ” - Método de mezcla en central • Compactación • Ejecución de juntas • Curado de la mezcla Grava-cemento (PG3, Artículo 513) Consiste en una mezcla homogénea de áridos, cemento, agua y eventualmente adiciones que, convenientemente compactada, se utiliza en la construcción de firmes de carretera.
Los áridos utilizados serán naturales o procedentes del machaqueo y trituración de piedra de cantera o grava natural. Serán limpios, sólidos y resistentes, de uniformidad razonable, exentos de polvo, suciedad, arcilla y otros materiales extraños. El proceso de ejecución será el siguiente: • Preparación de la superficie • Fabricación de la mezcla • Transporte de la mezcla • Vertido y compactado de la mezcla • Ejecución de las juntas • Curado Grava-emulsión (PG3, Artículo 514) Consiste en la mezcla íntima de áridos, emulsión asfáltica y agua, que convenientemente compactada, se utiliza para la construcción de capas de firmes de carreteras. Los áridos utilizados serán de características similares a las del caso anterior. El proceso de ejecución será el que se indica a continuación: • Preparación de la superficie • Fabricación de la mezcla • Transporte de la mezcla • Extensión y compactación • Juntas de trabajo • Curado Grava-escoria (PG3, Artículo 515) Consiste en una mezcla homogénea de áridos, escoria granulada de alto horno, cal y agua, que convenientemente compactada, se utiliza en la construcción de firmes de carreteras. Los áridos utilizados serán naturales o procedentes del machaqueo y trituración de piedra de cantera o grava natural. Serán limpios, sólidos y resistentes, de uniformidad razonable, exentos de polvo, suciedad, arcilla y otros materiales extraños. El proceso de ejecución será el que se indica a continuación: • Preparación de la superficie • Fabricación de la mezcla • Transporte y vertido • Compactación y acabado
