cap 11 - inyecciones y mejoramiento en suelos y rocas

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Inyecciones y tratamientos en suelos y rocas

Inyecciones Generalidades

El objetivo es modificar suelos y rocas para:

- Aumentar la resistencia a la compresión y corte

- Impermeabilizar

- Rellenar

- Compactar

Es una operación ciega, lo único que se sabe es la presión y el caudal de inyección.

Inyecciones Generalidades

Se inyecta líquido a presión

Tapón

Inyecciones Inyecciones

Inyecciones Inyecciones – Inyección ascendente

Se pone la cañería Se infla el packer (con prs.) Se inyecta la lechada a

presión Se espera el inicio del

fraguado Se desinfla el packer Se retira un trozo de cañería

para inyectar otro tramo

packer

Manguera para inflar el packer

Inyecciones Inyecciones – Inyección descendente

Se hace un tramo de perforación Se inyecta Se vuelve a perforar y se inyecta Es bastante más caro y lento

porque obliga a retirar equipo de perforación, instalar equipo de inyección y volver a cambiar.

Es más seguro y controlable

packer

Manguera para inflar el packer

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perforación

cilindro tratado

e

Muro de espesor “e”

Esto es lo que se busca:


A veces ocurre esto:

No se producen cilindros ni tampoco se intersectan

En las grietas chicas la presión es alta

Es mucho más fácil entrar a las grietas grandes que a las chicas


Para solucionar esto, tradicionalmente se realiza lo siguiente:

- Se determina la cantidad de lechada estimando lo que se necesita para inyectar el radio deseado.

- Se inyecta dejando las grietas menores sin rellenar. - Se hace una nueva perforación y se repite. Las grietas

grandes ya estarán impermeabilizadas y se inyecta con mayor presión por lo que la lechada se irá por las grietas menores.

- Se van llenando las grietas de mayor a menor

Inyecciones Inyecciones Dependiendo de la relación de costo entre perforación

y lechada puede modificarse la metodología. Si el costo de la perforación es muy superior al de la

lechada (perforaciones profundas), se inyecta mayor volumen en las grietas grandes. A medida que la lechada avanza por las grietas, aumenta el roce por lo que se requiere mayor presión por lo que la lechada también entrará a las grietas chicas. Se prefiere perder lechada que hacer otra perforación.

Si la perforación es poco profunda, se inyecta poco volumen y se realiza otra perforación.

Inyecciones Inyecciones en roca – GIN (Grout Intensity Number)

P

V

P*V = cte = GIN P máx

V máx

GIN más grande

normal

Se llegó al vol. máx. sin llegar a la pres. máx., típico de grietas grandes

Inyecciones Inyecciones en roca – GIN (Grout Intensity Number)

Si las perforaciones son muy profundas o el proyecto es muy delicado, se usa un GIN alto.

En caso contrario se usa un GIN más bajo.

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Inyecciones Inyecciones en suelo

Arenas finas, K ~ 10 , 10 m/s -5

Porotera (grava sin arena), K ~ 10 m/s -2

K = coeficiente de Darcy (permeabilidad)

Cuesta mucho inyectarla (porque la finura del cemento es similar a la de la arena fina), por lo que se usan inyecciones de productos químicos que son 12 a 15 veces más caras.

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Inyecciones Inyecciones en suelo

Se perfora con revestimiento o con lodo biodegradable para evitar impermeabilizar.

El chorro de lechada rompe la mezcla de relleno y penetra en el suelo.

Packer doble Manguito de goma que tapa las perforaciones

Mortero o lechada de baja resistencia

~ 50 cm.

Inyecciones Equipos

Mezcladora de alta turbulencia

Estanque agitador

Bombas: habitualmente de pistones porque tienen un menor desgaste (desplazamiento). En ocasiones se usan de tornillo

Agua, cemento y aditivo superplastificante (w/c ~ 0.8)

w2 < w1

w1

w2

w1 ~ 1500 a 2000 rpm

w2 ~ 20 a 40 rpm

Inyecciones Equipos

Inyecciones Inyecciones en suelo - Alternativas

Las inyecciones en suelos son muy lentas y caras. Sus resultados no siempre son exitosos. Deben evitarse.

Para cortinas de impermeabilización han sido reemplazadas por las paredes moldeadas

Para mejorar condiciones de resistencia se han desarrollado algunos sistemas para “mejoramiento de suelos”.

Los objetivos son similares a los de las compactaciones de suelo: Aumento de la densidad y de la resistencia al

corte, los problemas de estabilidad Reducción de la compresibilidad, lo que tiene

efectos positivos en la deformalidad Influencia en la permeabilidad Mejorar la homogeneidad

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Tipos de mejoramientos

Mejoramiento de suelos

MEJORAMIENTO DE LOS SUELOS

COMPACTACIÓN REFUERZO

MÉTODOS ESTÁTICOS

MÉTODOS DINÁMICOS CON

DESPLAZAMIENTO SIN

DESPLAZAMIENTO

Pre Carga Compactación por Vibración: 1. Usando vibrador en profundidad 2. Usando martinete vibrador

Columnas de Gravas Vibradas

Método Mecánico (MIP, FMI)

Método Hidráulico:

Jet Grouting

Pre Carga con ayuda a la Consolidación

Compactación por Impacto: 1. Caída de Peso 2. Explosión

Columnas de Concreto

Inyección de impermeabilización

Inyección de Compactación Descarga de Aire

Columnas Estabilizadoras de cal o cemento

Congelamiento

Influenciando Agua Subterránea

Compactación con pilotes de arena

Métodos estáticos: Precarga


En general las deformaciones de los suelos no son elásticas. Si se aplica una carga disminuye el volumen (baja el terreno). Al retirarla no desaparece la deformación. Se construye sobre la futura fundación un terraplén que aplique una carga mayor que la futura estructura o equipo a fundar. Si el suelo está saturado, la presión produce reducción de volumen a condición que emigre el agua cuando el suelo está saturado. El plazo en que debe mantenerse la carga dependerá de la permeabilidad del suelo a compactar.

Métodos Estáticos: Precarga con ayuda a la Consolidación

Se usa cuando los suelos son relativamente impermeables. Se perfora e instalan tuberías drenantes. Antes del relleno se incorpora una capa

permeable donde descargan los drenes. Incluso hay casos en que los tubos drenantes se

conectan a bombas para producir succión.

Métodos estáticos


Influenciando aguas subterraneas: Se baja la napa mediante punteras. Los vacíos son llenados por el propio suelo, compactándose. Una vez retiradas las bombas el agua no descompacta el suelo. Requiere impermeabilizar la superficie con una lamina de PVC.

Métodos estáticos (continuación)


Inyección de compactación: Se inyecta mortero a gran presión (no lechada) usando bombas para hormigones, similar a inflar un globo dentro del suelo. Es muy efectivo en arenas finas, pues las comprime y densifica.

Compactación por vibración (profundidad)

Mejoramiento de suelos, dinámicos

Conocida como vibro-compactación o vibro-flotación es usada para densificar suelos limpios poco cohesivos.

La acción de una sonda con vibrador, usualmente acompañado por agua a presión, reduce la resistencia entre partículas permitiéndoles moverse a una configuración de mayor densidad.

Típicamente se logran densidades relativas del 75% a 85%.

Se puede realizar sin importar el nivel de la napa.

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Compactación por vibración

Mejoramiento de suelos Compactación por impacto (compactación dinámica)


Se utiliza una placa de gran peso montado en una grúa, el cual se levanta y deja caer repetidamente. La compactación se produce por impacto alcanzando espesores de compactación importantes. Es especialmente efectivo en suelos finos, especialmente si son licuables.

Peso de la placa: entre 10 a 30 toneladas Dimensiones de la placa: 2x2 m hasta 6x6 m Altura de caída entre 15 y 30 metros

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Las variables Tamaño del bloque a descargar Altura de caída Distribución de los golpes N° de impactos en cada punto

Compactación por impacto (compactación dinámica)

Espesor a compactar: T = a (G*h)0,5

T = espesor en metros G = peso del bloque h = altura de caída a = factor de proporcionalidad

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a = 1 para gravas y bloques a = 0,6 para arenas limosas a = 0,5 para basuras, trumaos y otros suelos

inestables.

Vibración Profunda Se hinca vibrando una plancha mediante un

martinete vibratorio. Puede ser una tablaestaca, una doble T.

Otras configuraciones. Método aplicable en suelos mixtos, granulares o

cohesivos como limos arenosos y no arenosos, y suelos de grano.

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Vibro Compactación Profunda


A diferencia de los anteriores, Se introduce el vibrador en el suelo.

Requiere equipos especiales. Es más efectivo que el método anterior.

Al introducir vibrando la barra vibratoria, deja un hueco alrededor, se rellena con gravilla. Permite bajar notoriamente e incluso anular los efectos de licuefacción por sismos al poder disiparse la presión de poros a través de las columnas.

Columnas de grava por vibro-sustitución


Columnas de grava por vibro-sustitución

Mejoramiento de suelos Columnas de grava por vibro-sustitución: Procedimiento


1. Inyección del vibrador en el terreno por peso propio y con ayuda de agua a presión.

2. Creación de un estado de licuefacción local que facilita la penetración del vibrador hasta alcanzar la profundidad requerida, arrastrando el agua en circulación los finos provenientes de la perforación.

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Columnas de grava por vibro-sustitución: Procedimiento


3. Alcanzada la profundidad requerida, el vibrador disminuye la inyección de agua comenzando el aporte de grava.

4. Vibrador sube y baja vibrando e inyectando agua, arrastrando a su vez grava, que se compacta y forma la columna.

5. La extracción lenta y escalonada del vibrador crea una zona densificada cuyo diámetros depende de las características del terreno.

Columnas de hormigón vibrado


Son construidas en terreno introduciendo una sonda con punta vibratoria. Se usa para densificar suelos granulares y transferir cargas a través de estratos de suelos orgánicos o poco cohesivo, hasta estratos inferiores más resistentes.

Columnas estabilizadoras de cal o cemento


Conocidos también como “soil mixing” o “deep mixing method” es una mezcla mecánica del terreno original con algún material cementicio como cal o cemento

Para excavar y mezclar se utiliza un auger con algún sistema de paletas.

Columnas estabilizadoras de cal o cemento


Inyecciones Inyecciones en suelo – Alternativas, Congelamiento

Sólo se puede usar cuando el suelo está bajo la napa freática.

Se usa para excavaciones de pozos y túneles como refuerzo e impermeabilización provisoria.

Agua (salmuera) helada (-20 ºC) o nitrógeno líquido (-170 ºC)


Compresor Válvula de expansión

Gas comprimido caliente

Gas frío

Intercambiador de calor (radiador)

Intercambiador de calor (radiador)

Calor

Frío

Refrigerador Salmuera

Perforación Circuito cerrado

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Se suelta al ambiente (es un circuito abierto) Nitrógeno

Líquido


El congelamiento con salmuera es lento, demora 10 a 20 días en congelar.

Con nitrógeno líquido demora alrededor de 12 horas. El congelamiento es un tratamiento para excavar

pozos o túneles que se revisten. 1. Congelar 2. Excavar 3. Revestir 4. Descongelar

Revestimiento definitivo

congelado

Inyecciones Inyecciones en suelo – Alternativas, Jet Grouting

Sacando y girando

Lechada a presión muy alta ~ 600 Kg/cm 2

Tubería

Cilindro similar a un pilote con diámetro aproximadamente de 0,6 a 1,2 m.

15 cm 100 cm

Suelta y rellena con lechada

Inyecciones Jet Grouting

Es un sistema de mezcla en sitio de suelo con cemento (u otro estabilizador).

Se inyecta la lechada o el estabilizador a muy alta presión (300 a 600 kg/cm2) a través de un orificio en la barra de perforación.

El chorro concentrado de alta presión destruye la matriz del suelo y crea una mezcla con la lechada.

Mayor es el efecto cuanto más erosionable es el suelo.

Perforación piloto

Columna de Jet-Grouting

Columna de Jet-Grouting

Inyecciones Jet Grouting

Tipos de suelos

Diámetro de columnas

Resistencia del suelo-cemento

Arenas y gravas

Arcillas

60-120 cm

60-90 cm

60-200 kg/cm2

18-60 kg/cm2

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