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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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