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Congelaci贸n de suelos

A la hora de realizar una excavaci贸n y conseguir estabilizar el suelo, aunque sea de forma provisional, una posibilidad consiste en congelar el suelo, especialmente cuando 茅stos son blandos y est谩n saturados. Ello permite disponer de una pared provisional que impide el desmoronamiento del terreno.

El estudio de la congelaci贸n artificial del suelo precisa conocimientos en relaci贸n con las t茅cnicas de congelaci贸n existentes, as铆 como de las propiedades t茅rmicas y geot茅cnicas del terreno. Como es f谩cil de entender, este procedimiento constructivo requiere la presencia de empresas altamente especializadas.

Fundamento te贸rico

La congelaci贸n del terreno con el fin de conseguir su estabilizaci贸n temporal es una t茅cnica antigua empleada ya en miner铆a desde mediados del siglo pasado. Se basa en la transformaci贸n del agua intersticial en hielo, que en ese estado act煤a como elemento aglutinante de las part铆culas que componen el suelo.

Se consiguen as铆 dos efectos, por una parte un aumento de la resistencia del terreno y por otra una completa impermeabilidad que facilita durante un tiempo las condiciones de excavaci贸n. Pero al mismo tiempo, tambi茅n se alteran otras condiciones geot茅cnicas que pueden afectar a estructuras contiguas a la obra, que en el proyecto previo han de ser estudiadas cuidadosamente.

 

Aplicabilidad

La congelaci贸n es adecuada en una gran variedad de suelos, incluso en casos donde las inyecciones y otros m茅todos no pueden ser utilizados. El requisito que plantea es la necesidad de que los suelos est茅n saturados de agua, ya que de lo contrario el m茅todo no mejora las caracter铆sticas del terreno.

 

Sistemas de congelaci贸n

El procedimiento general se aplica instalando en torno al bloque de suelo que se quiera estabilizar, un conjunto de tubos o sondas de congelaci贸n por las que habr谩 de circular la sustancia refrigerante, con la disposici贸n y separaci贸n entre sondas que aconsejen las condiciones de obra (profundidad de excavaci贸n, planta, etc.) y el terreno.

Como sustancias refrigerantes pueden emplearse salmueras (frecuentemente de cloruro c谩lcico), anh铆drido carb贸nico, o nitr贸geno l铆quido, todas ellas con el mismo fundamento f铆sico: la capacidad de absorci贸n de calor de estas sustancias, al pasar de l铆quido a gas.

La instalaci贸n es diferente, seg煤n el elemento refrigerante sea recuperado (circuito cerrado) o no (circuito abierto). En el primer caso, ha de establecerse un circuito cerrado como el que se muestra en la figura. El fluido en forma l铆quida, pasa por los tubos refrigerantes y al evaporarse a trav茅s de ellos absorbe calor铆as del terreno. Conseguido este efecto, la sustancia en forma de gas se hace pasar por un compresor que en combinaci贸n con un sistema refrigerador lo licua a baja temperatura, y despu茅s es conducida a un dep贸sito, en el que es almacenada en forma l铆quida a alta presi贸n. Desde este dep贸sito el caudal ser谩 bombeado de nuevo a las sondas refrigerantes para ser reutilizado en un nuevo recorrido a trav茅s del circuito cerrado de congelaci贸n.

Cuando la congelaci贸n se aplica sin recuperar la sustancia refrigerante, 茅sta (normalmente nitr贸geno l铆quido), es transportada a pi茅 de obra en camiones cisterna y desde ellos es bombeada a baja temperatura (禄 -196 潞C), directamente hacia las sondas o tubos congeladores de la instalaci贸n: el fluido, despu茅s de pasar a trav茅s de las sondas, ya evaporado es dirigido hasta el final del circuito, en este caso abierto, del cual sale a la atm贸sfera en forma de gas a unos -60 潞C de temperatura.

Este sistema resulta m谩s caro que el anterior por no recuperarse la sustancia refrigerante, pero los efectos de congelaci贸n que se consiguen en la pr谩ctica son m谩s r谩pidos.

 

Existe la opci贸n de utilizar un procedimiento mixto, consistente en combinar la capacidad frigor铆fica del nitr贸geno l铆quido, para efectuar la congelaci贸n del terreno de forma r谩pida, y la econom铆a de la salmuera, para el mantenimiento durante los trabajos de excavaci贸n y ejecuci贸n de la estructura. Para ello, los circuitos de sondas deben estar separados de forma que se puedan utilizar ambos procedimientos.

 

Condiciones de ejecuci贸n

La elecci贸n del procedimiento y medios de congelaci贸n m谩s efectivos, requiere el estudio del terreno y de la obra en tres etapas:

  • Estudio de viabilidad
  • Elecci贸n del sistema
  • Ejecuci贸n y control

 

El objeto del estudio de viabilidad es decidir en primer t茅rmino si la congelaci贸n es factible, con o sin medidas correctoras del terreno y en el primer caso definir qu茅 tipo de medidas deben adaptarse.

Como es l贸gico, es esencial partir de un buen conocimiento hidrogeol贸gico del terreno y de todo el entorno al que pueda afectar el proceso de congelaci贸n. En este estudio tienen especial inter茅s los par谩metros t茅rmicos del suelo, y los geot茅cnicos antes y despu茅s de la congelaci贸n, y en las situaciones intermedias.

Es importante conocer el volumen y las condiciones del agua que pueda estar en contacto con la masa congelada, por la aportaci贸n de calor que puede proporcionar y por los efectos producidos por la velocidad de circulaci贸n: a partir de velocidades de 1,5 – 2 m/d铆a si no es con nitr贸geno l铆quido la congelaci贸n no es factible; con velocidades mayores los tratamientos previos de inyecci贸n por su eficacia y por su escasa incidencia econ贸mica, pueden ser un buen medio corrector. En general los procesos de congelaci贸n son m谩s viables en suelos saturados pero tambi茅n son aplicables en suelos con grados muy bajos (10 %) de saturaci贸n.

Con las conclusiones del estudio de viabilidad debe decidirse el sistema de congelaci贸n y la forma y disposici贸n de los tubos que mejor se adapten a las condiciones del terreno y del espacio disponible. Si la obra lo permite, se suele recurrir a superficies cil铆ndricas (circulares o el铆pticas) para que los esfuerzos que se produzcan sobre el bloque congelado sean principalmente de compresi贸n.

El an谩lisis t茅rmico previo del bloque a congelar es esencial para decidir:

  • la disposici贸n m谩s favorable de las sondas
  • la potencia del equipo de congelaci贸n y
  • el tiempo de funcionamiento que es necesario para conseguir la temperatura de congelaci贸n prevista.

En este tratamiento es muy importante el control de temperaturas en el interior del suelo congelado mediante la disposici贸n de sondas termom茅tricas. As铆, puede controlarse c贸mo progresa la formaci贸n del muro, adem谩s de vigilar su evoluci贸n durante la fase de excavaci贸n, establecer los periodos de mantenimiento y fijar la potencia frigor铆fica necesaria en funci贸n de la respuesta t茅rmica del suelo y la transmisi贸n de calor a trav茅s del paramento excavado.

La resistencia de un suelo congelado est谩 definida como en cualquier otro, por la cohesi贸n y el 谩ngulo de rozamiento. Pero estos par谩metros en este caso, var铆an en funci贸n de la temperatura y del tiempo con leyes diferentes no s贸lo en funci贸n de la composici贸n del suelo sino tambi茅n de la duraci贸n de la carga aplicada.

Ventajas y limitaciones

Las ventajas del tratamiento de congelaci贸n del terreno radica en la posibilidad de ahorro de tiempo y de coste frente a problemas de presencia importante de agua en excavaciones bajo el nivel fre谩tico, adem谩s de en la amplia variedad de suelos donde puede aplicarse. Como limitaciones destacan la alta especializaci贸n que precisa su aplicaci贸n y su elevado coste, por lo que no es muy utilizado en Espa帽a.

Tambi茅n hay que apuntar como inconvenientes que, en el caso de gravas, con cierta velocidad del agua sub谩lvea, la congelaci贸n se hace complicada y necesitar铆a alguna inyecci贸n complementaria. Tampoco es despreciable el asiento producido tras la descongelaci贸n del suelo.

Referencias:

MART脥, J.V.; GONZ脕LEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcci贸n. Mejora de terrenos. Editorial de la Universidad Polit茅cnica de Valencia. Ref. 2004.844. Valencia, 52 pp.

MUZ脕S, F. (1980). El fr铆o, la helada, congelaci贸n de terrenos. Cap铆tulo 16 de Geotecnia y Cimientos III, de J.A. Jim茅nez Salas, Ed. Rueda.

MUZ脕S, F. (1980). 聽Congelaci贸n artificial del terreno. IV Curso sobre T茅cnicas de Mejora del Terreno. Valencia, 16 de octubre. (link)

 

17 Julio, 2017
 
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Mezcla profunda de suelos (Deep Soil Mixing)

http://www.model-co.com/es/aplicaciones/aplicaciones-lechadas/wet_soil_mixing.asp

http://www.model-co.com/es/aplicaciones/aplicaciones-lechadas/wet_soil_mixing.asp

Esta t茅cnica de mejora y refuerzo de suelos blandos o flojos consiste en el mezclado mec谩nico y profundo de los materiales disgregados del terreno con un aglomerante, l铆quido o s贸lido, generando un nuevo material tipo suelo-cemento. El aglomerante suele ser cemento, cal y bentonita.聽El terreno as铆 estabilizado es m谩s resistente, menos permeable y de menor compresibilidad que el terreno original.

La incorporaci贸n de los aglomerantes al terreno puede llevarse a cabo en forma de lechada (M茅todo h煤medo)聽o mediante aire comprimido (M茅todo seco).聽Para聽 cada caso es necesaria la utilizaci贸n de una herramienta especial que permita la ejecuci贸n de la mezcla en profundidad.

La mezcla profunda de suelos se puede clasificar en dos grupos: mezclado vertical, generando columnas o en masa horizontal, produciendo fajas o extensiones importantes en plantas.

En el caso de mezclado vertical, el di谩metro de la columna es constante en profundidad y depende de la capacidad de la herramienta y el m茅todo que se utilice (h煤medo o seco). Se ejecuta con una mezcladora giratoria que perfora el terreno hasta la profundidad requerida. En ese momento empieza la inyecci贸n del aglomerante mientras se extrae el varillaje.

http://jafecusa.com/?page_id=2796

http://jafecusa.com/?page_id=2796

La t茅cnica de mezclado en masa consiste en una retroexcavadora en la que el brazo de la pala sustituye por un brazo excavador con un cabezal rotatorio que posee un inyector por el que se impulsa la mezcla aglomerante. Este m茅todo utiliza equipos no complejos: una retroexcavadora y una bomba de inyecci贸n. Es r谩pido en la ejecuci贸n, pero su uso se limita a la longitud del brazo, que no suele ser superior a 5 m.

A continuaci贸n os dejo varios v铆deos y animaciones al respecto.

Referencias:

MART脥, J.V.; GONZ脕LEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcci贸n. Mejora de terrenos. Editorial de la Universidad Polit茅cnica de Valencia. Ref. 2004.844.

7 Julio, 2017
 
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Pantallas pl谩sticas (Cutter Soil Mixing)

http://www.malcolmdrilling.com/cutter_soil_mixing/

Hidrofresa. http://www.malcolmdrilling.com/cutter_soil_mixing/

Esta t茅cnica de mejora de suelos se emplea para generar pantallas impermeabilizantes verticales mediante el uso de hidrofresas. Consiste en excavar el terreno en paneles verticales mediante una cabeza cortadora (hidrofresa) suspendida de un brazo gr煤a articulado. Esta cabeza presenta dos elementos cortantes giratorios provistos de dientes de corte que giran en direcciones opuestas para expulsar el material excavado.

La cabeza tambi茅n posee un inyector, en la parte central de las dos ruedas cortantes, por el cual se inyecta una mezcla de bentonita-cemento. Esta mezcla, gracias al movimiento giratorio de los dientes y de unas paletas giratorias, se amalgama con los detritos formando un nuevo material. Tras el fraguado del cemento se obtiene una pantalla impermeable.聽La ventaja del m茅todo es que se usa el propio material del terreno, no generando apenas residuos.

http://www.apgeotecnia.pt/en/papers/13cngmontaigne.html

http://www.apgeotecnia.pt/en/papers/13cngmontaigne.html

En pantallas poco profundas, de menos de 20 m, se ejecuta en una fase, que consiste en inyectar la bentonita-cemento seg煤n se tritura el terreno. Se usa con tiempos cortos de perforaci贸n para que no frag眉e el cemento. En mayores profundidades se usan dos fases; en la primera se excava hasta la cota deseada y luego durante el ascenso se inyecta la mezcla.

Para ejecutar muros continuos, se divide la construcci贸n en paneles primarios y secundarios, que se solapan con los anteriores con juntas frescas si los paneles primarios no han fraguado, o bien con solapes duros si ya han endurecido.

Os dejo algunos v铆deos y animaciones al respecto.

Referencias:

MART脥, J.V.; GONZ脕LEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcci贸n. Mejora de terrenos. Editorial de la Universidad Polit茅cnica de Valencia. Ref. 2004.844.

 

8 Febrero, 2017
 
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