manual geotecnia smms tomo ii

403

9 Inclusiones

Juan Flix Rodrguez Rebolledo Gabriel Auvinet Guichard

Introduccin

El control de los hundimientos que se presentan en suelos blandos por efecto del peso de las construcciones y de los abatimientos piezomtricos reviste una gran importancia. Entre las tcnicas que se han propuesto para este fin, se encuentra la insercin de inclusiones de diferentes tipos en los estratos que ms contribuyen a los asentamientos, con objeto de reducir su compresibilidad. Una funcin secundaria, y en ocasiones primaria, de las inclusiones puede ser tambin mejorar la capacidad de carga del suelo. Las inclusiones son elementos de forma cilndrica, no conectados con la estructura, que pueden incluirse en el suelo recurriendo a diferentes tcnicas como el hincado de elementos de concreto prefabricados o de tubos de acero, la inyeccin a baja presin, el jet grouting y la perforacin previa con relleno de materiales granulares (columnas balastadas) o de una mezcla de suelo con un material estabilizante formado de cal y cemento (columnas de cal-cemento). Los pilotes convencionales de friccin o de punta son casos particulares de inclusiones. Las ventajas de stas sobre aquellos radican precisamente en su mayor versatilidad, que permite:

Usar con mayor eficiencia el material de refuerzo, lo que conduce a economas apreciables.

En caso de recimentar una estructura existente para el control de asentamientos

diferenciales futuros, no modificar estructuralmente el cimiento, ya que las inclusiones no inducen cargas puntuales importantes en el mismo.

Recimentar con facilidad en condiciones de acceso restringido y con un equipo

pequeo. Los mtodos existentes para el diseo de cimentaciones con pilotes, basados en anlisis en condiciones lmites, pueden ser aplicados al caso de las inclusiones. Sin embargo, generalmente, estos mtodos simplifican drsticamente la interaccin elemento-suelo y por tanto generan dudas sobre su aplicabilidad en diversas condiciones prcticas. En este captulo se presenta un modelo numrico, basado en el Mtodo de los Elementos Finitos (MEF) axisimtrico (Rodrguez, 2001), que permite evaluar la interaccin inclusin-suelo en un medio en proceso de consolidacin debido a la presencia de una carga externa y/o al abatimiento de las presiones intersticiales. Asimismo, se presenta un modelo analtico

Manual de Construccin Geotcnica

404

simplificado del efecto de inclusiones sobre la consolidacin de estratos blandos, basado en las soluciones de Mindlin (1936) y de Geddes (1966). Adems, despus de revisar algunos mtodos que se han usado previamente tanto para cimentaciones piloteadas como para aplicar la tcnica de las inclusiones rgidas (estas tcnicas se comentan con detalle en los captulos 10, 11, 12 y 16), se presentan las bases tericas en las que se basan los mtodos antes mencionados y que pueden ser utilizadas para el diseo de este tipo de cimentacin. Finalmente, se presentan dos aplicaciones del uso de inclusiones a casos reales: 1) Control de asentamientos debidos a una carga superficial y a la consolidacin regional

en un edificio diseado con pilotes de friccin negativa en la zona lacustre del Valle de Mxico (Correa, 1961).

2) Uso de inclusiones de acero para reforzar el suelo bajo las zapatas de 90 m de dimetro

de un puente de grandes dimensiones (Pecker, A. & Salenon, J., 1998; Auvinet, 1998). 9.1 Tipos de inclusiones A continuacin se presenta una breve revisin de los principales tipos de inclusiones. Algunas de las tcnicas mencionadas se describen con mayor detalle en el captulo 10.

9.1.1 Pilotes usados como inclusiones Una de las contribuciones a la ingeniera de cimentaciones en la zona lacustre del lago de la cuenca de Mxico ha sido el concepto de pilote de friccin negativa (Correa, 1961). Este pilote es una inclusin cuya punta inferior se recarga en la capa dura, mientras su punta superior se deja penetrar libremente a travs de la losa de cimentacin, Fig. 9.1.

Estrato duro

Pilotes de friccin

negativa

Cajn de cimentacin

Arcillacompresible

Fig. 9.1, Pilotes de friccin negativa

Inclusiones

405

Estas inclusiones reciben la carga, ya sea del peso de la estructura o la producida por la consolidacin regional, por medio de la friccin negativa que se desarrolla en su fuste y la transmiten por medio de su punta inferior a la capa dura. Existen otros sistemas de cimentacin ms elaborados que utilizan este tipo de inclusiones, como es el caso de los pilotes entrelazados (Girault, 1964, 1980), Fig. 9.2. Este sistema consta de pilotes de friccin convencionales ligados a la subestructura, ms un conjunto de inclusiones apoyadas en la capa dura, pero con la diferencia de que su punta superior se coloca a cierta distancia de la losa de cimentacin. Esta disposicin disminuye la magnitud de los esfuerzos inducidos en el suelo por el peso de la estructura, adems de que el colchn de suelo entre la punta de los pilotes de friccin convencionales y la capa dura y entre la cabeza de las inclusiones y la losa de cimentacin absorbe los enjutamientos de la formacin arcillosa superior.

Estrato duro

Pilotes de friccinnegativa

Cajn de cimentacin

Arcillacompresible

Pilotesde friccinunidos al

cajn

Fig. 9.2, Pilotes entrelazados

9.1.2 Inclusiones de acero En un proyecto reciente, se han hincado inclusiones constituidas por tubos de acero de 2 m de dimetro y 25 m de longitud, de acuerdo con una retcula con separacin tpica de 7 m. La punta superior de las inclusiones queda ahogada en un colchn de grava y arena. El objetivo fue reforzar el suelo bajo las zapatas de 90 m de dimetro de un puente de grandes dimensiones (vase inciso 9.5.2), Fig. 9.3.

9.1.3 Columnas balastadas El uso de columnas balastadas para reforzar suelos arcillosos blandos, ha tenido gran aceptacin en las ltimas dcadas. El mtodo consiste en reemplazar del 10 al 35 % del suelo dbil con grava o arena en forma de inclusiones (Munfakh et al., 1987).


406

Zapata de 90m de dimetro

Inclusiones de acero @ 7m de 2m de dimetro y 25m de longitud

Nivel del mar

Colchn de grava y arena (sin tratamiento)

Proteccin contra el oleaje

Colchn de material tratado

Fig. 9.3, Inclusiones de acero en el suelo de cimentacin de una zapata de un puente de grandes dimensiones (Pecker, A. & Salenon, J., 1998; Auvinet, 1998)

El mtodo constructivo para la realizacin de columnas balastadas, se describe en la Fig. 9.4. Se realiza primero una perforacin hasta una profundidad que puede variar de 15 hasta 20 m, con un dimetro de 0.6 a 1 m, con la ayuda de una punta vibrante. Esta punta es un cuerpo cilndrico de 0.30 a 0.40 m de dimetro y de 2 a 5 m de largo que contiene un vibrador horizontal constituido por un conjunto rotativo de masas excntricas movidas por un motor. La punta penetra en el suelo bajo la accin de su peso propio, de la vibracin y de un chorro de agua que permite recuperar los azolves. A continuacin, se rellena la perforacin con materiales granulares con alto ngulo de friccin (por ejemplo grava para balasto), la columna as constituida se compacta bajo el efecto del vibrador. El dimetro final de la columna depender de la consistencia del terreno y ser mayor para suelos de consistencia ms blanda.

La inclusin de estas masas cilndricas compactas y rgidas permite reducir la compresibilidad del suelo original e incrementar su resistencia al esfuerzo cortante.

9.1.4 Columnas de cal-cemento mezcladas in situ Las columnas de cal-cemento mezcladas in situ se han usado para la estabilizacin de suelos blandos en Japn y Suecia desde los aos setenta (Holm, 1997). Esta tcnica consiste en realizar una mezcla in situ del suelo blando con un material estabilizante formado de cal, cemento y aire a presin, crendose una columna cuyo dimetro puede variar de 0.5 a 1.2 m y con profundidades desde 15 hasta 25 m, Fig. 9.5.

Inclusiones

407

Inclusin de suelo granular

Agua

Fig. 9.4, Principio de ejecucin de columnas balastadas

Esta tcnica se utiliza principalmente para la reduccin de asentamientos y para el mejoramiento de la estabilidad en proyectos de infraestructura tales como caminos y carreteras sobre depsitos de suelo blando. Tambin se ha utilizado en la cimentacin de edificios pequeos y puentes as como en la estabilizacin de excavaciones y laderas. Su principal aplicacin es en arcillas blandas, pero tambin se ha llegado a emplear en arcillas orgnicas y limos arcillosos.

Fig. 9.5, Columnas de cal-cemento mezcladas in situ

9.1.5 Micropilotes Las inclusiones inyectadas de pequeo dimetro reciben generalmente el nombre de micropilotes. Estos fueron empleados inicialmente en Italia en los aos cincuenta para la


408

recimentacin de monumentos y edificios histricos. En los aos setenta esta nueva tcnica se introdujo en los Estados Unidos. No fue sino hasta los ochenta cuando el mtodo fue aceptado con la finalidad de recimentar estructuras existentes. Los micropilotes pueden utilizarse en condiciones de acceso restringido, proporcionan un excelente soporte estructural y minimizan los asentamientos. Adems, esta tcnica puede aplicarse en prcticamente cualquier suelo con una mnima perturbacin de la estructura recimentada. La caracterstica principal de los micropilotes es su pequeo dimetro de perforacin que permite su colocacin en prcticamente cualquier condicin con un equipo pequeo en comparacin con el utilizado para la colocacin de pilotes tradicionales. El uso de la inyeccin para la colocacin de micropilotes permite incrementar el dimetro del elemento y la resistencia al esfuerzo cortante del material que lo rodea, pero tambin redunda en una mayor perturbacin del suelo. Los pasos bsicos para la construccin de un micropilote inyectado se presentan en forma esquemtica en la Fig. 9.6 (Bruce, 1989).

1. PERFORACIN

Entrada de flujo

Salidade flujo

Ademe deperforacin

Tubo Tremie

Salidade agua

2. INYECCIN CON TUBO TREMIE

3. COLOCACIN DE REFUERZO

Barra derefuerzo

4. INYECCIN Y RETIRO DE ADEME

Presin deinyeccin

Retiro delademe

ESTRATOCOMPRESIBLE

5. MICROPILOTETERMINADO

En ocasiones se deja el ademe como refuerzo

Cabeza rotatoria

Ademe deperforacin

ESTRATOINYECTADO

Fig. 9.6, Pasos bsicos para la construccin de micropilotes inyectados Se utiliza comnmente inyecciones compuestas de una lechada de agua y cemento (a/c) con una relacin de 0.40 y 0.55. En ciertos pases se agrega en ocasiones arena para disminuir el costo de la mezcla. En la Tabla 9.1 se presentan las dimensiones y las presiones de inyeccin tpicas publicadas por varios autores en la construccin de micropilotes (Finno y Orozco, 1997).

Inclusiones

409

Tabla 9.1 Dimensiones y presiones de inyeccin tpicas en la construccin de micropilotes

Dimetro de la perforacin, m

Longitud, m

Mx. presin de inyeccin, MPa

Carga de servicio, kN

0.100 a 0.250 20 a 30 *** 300 a 1000 0.080 a 0.250 *** *** *** 0.075 a 0.225 10 a 20 *** 100 a 300 0.076 a 0.280 *** *** *** 0.067 a 0.089 4 a 4.9 Ms de 9 ***

*** *** 1 a 2 100 a 1000

9.1.6 Inclusiones de mortero envueltas en geotextil Para la estabilizacin de minas y cavernas se han utilizado inclusiones de mortero inyectado envueltos en geotextil (Koerner, 1985). Los tramos correspondientes a zonas huecas o deformables dentro del medio adoptan un dimetro mayor que en zonas ms rgidas, quedando una configuracin como la mostrada en la Fig. 9.7.

Fig. 9.7, Inclusiones de mortero envueltas en geotextil usadas para estabilizar minas y cavernas

Para la conservacin del patrimonio de la Ciudad de Mxico, ante los asentamientos considerables inducidos por el bombeo profundo y el abatimiento del nivel fretico, se ha propuesto asimismo el uso de inclusiones consistentes en pilotes inyectados envueltos en geotextil en determinados tramos de una perforacin dentro del subsuelo, combinados con


410

lminas de mortero inyectado por fracturamiento hidrulico del subsuelo arcilloso (Santoyo y Ovando, 2000), Fig. 9.8. El objeto es reducir la compresibilidad de la arcilla aplicando el mtodo en zonas de alta compresibilidad y en las profundidades en donde el tratamiento resulte ms efectivo, minimizando la magnitud de los asentamientos superficiales.

1. PERFORACIN2. COLOCACINDE TUBERA Y

FUNDA GEOTEXTIL

3. FORMACINDEL NCLEO EINFLADO DELGEOTEXTIL

4. RETIRO DELADEME Y

RETAQUE DEVAINA

5. INYECCINASCENDENTE POR ETAPAS

Perforacin con broca tricnica y ademe metlico

recuperable

Perforacin con broca ampliadora y de batido

Lodo de perforacin

17 a 25cm

Tubo de manguito

Tubo de inflado Mortero

Geotextil

30cm aprox.Inyeccin

Pedrapln

Rellenos

Formacinarcillosasuperior

Capa dura

Tramo de vaina

Losa

Costrasuperficial

Fig. 9.8, Principio de ejecucin de inclusiones de mortero envueltas en geotextil usadas para el control de asentamientos en la Ciudad de Mxico

9.1.7 Jet grouting El jet grouting es una tcnica relativamente nueva, inventada en los aos sesenta (Henn, 1996). Esta consiste en inyecciones de mortero mediante chorros a alta presin dirigidos lateralmente a las paredes de un pozo. Este chorro excava y mezcla simultneamente el suelo. Para mejorar la accin de corte se aade aire a presin. Esta inyeccin a alta presin permite mejorar las caractersticas geotcnicas del suelo, teniendo como resultado una inclusin de suelo-mortero con una mayor resistencia que el suelo original. Uno de los mtodos comunes de aplicacin del jet grouting consiste bsicamente de dos etapas, la etapa de perforacin y la de retraccin con inyeccin simultnea, Fig. 9.9. El radio final logrado de la inclusin de jet grouting se denomina radio de accin y depende de varios factores:

Inclusiones

411

Etapa de perforacin Inicio de la etapa de retraccin con inyeccin

simultnea

Terminacin de la etapa de retraccin con inyeccin

simultnea

Radio de accin

Inclusin de suelo-mortero

Fig. 9.9, Etapas bsicas para el jet grouting

Presin de trabajo, que se genera mediante una bomba especial con capacidad de 100 a 82,000 kPa.

Tiempo de inyeccin, que se determina por medio de la velocidad a la que se extrae y

rota la barra de perforacin.

Esfuerzo cortante del suelo antes del tratamiento.

Tamao de los orificios de la barra de perforacin.

Peso especfico del mortero de inyeccin. 9.2 Conceptos bsicos

9.2.1 Esfuerzos en una inclusin y en la interfaz inclusin-suelo

El anlisis de los esfuerzos un una inclusin y en la interfaz inclusin-suelo puede realizarse recurriendo a un enfoque similar al usado en la interpretacin de las mediciones realizadas en pilotes instrumentados por Vesic (1970). Se considera una inclusin de dimetro D, colocada en un medio sometido a algn proceso de consolidacin, entre las profundidades ZS y ZP . La funcin Q(z) representa la carga axial transmitida a lo largo del elemento Fig. 9.10. QS y QP representan la carga en las puntas de la inclusin a una profundidad ZS y ZP respectivamente. La pendiente de la funcin Q(z) dividida por el permetro de la inclusin (PP) representa la distribucin de los esfuerzos de cortante sobre el fuste (z):


412

( )dz

zdQP

zP

)(1= (ec. 9.1) En la parte superior de la inclusin, Q(z) aumenta con la profundidad mientras que (z) disminuye y permanece negativo hasta la elevacin ZO, conocida como nivel neutro: el suelo se cuelga del fuste de la inclusin generando la friccin negativa. Debajo de esta elevacin, Q(z) disminuye y (z) aumenta y cambia de signo: el suelo en el fuste se opone a la penetracin del elemento, desarrollndose la friccin positiva.

(-)

(+)

Q(z) (z)

QS

QP

ZS

ZP

QS

QP

(z)+

ZO (z)-

Fig. 9.10, Cargas transmitidas por una inclusin

9.2.2 Esfuerzos y deformaciones inducidas por la presencia de inclusiones en un medio continuo

Los cambios de esfuerzos inducidos dentro de un medio por elementos extraos como las inclusiones, pueden calcularse en forma aproximada recurriendo a la teora clsica de la elasticidad. El esfuerzo vertical inducido en cualquier punto de un medio semi-infinito elstico por una carga vertical puntual P, localizada a una profundidad c, puede calcularse a partir de la ec. 9.2 (Mindlin, 1936). La notacin es la de la Fig. 9.11. Los esfuerzos verticales inducidos por una carga repartida a lo largo de una lnea vertical fueron obtenidos por Geddes, 1966, por integracin de la ec. 9.2. Esta solucin es aplicable a inclusiones trabajando por friccin supuesta uniforme a lo largo del fuste. A partir de esta solucin integrada (ec. 9.3) es posible obtener los esfuerzos inducidos por tramos de inclusiones con diferentes adherencias, por diferencia entre dos inclusiones completas, aplicando el principio de superposicin (Fig. 9.12).

Inclusiones

413

r

R1

R2Z

c

c

(0,0,-c)

(x,y,z)

Py

x

z

Plano z=0

(0,0,c)

Fig. 9.11, Problema de Mindlin

( )

( ) ( )( ) ( )( )

( )( ) ( )( ) ( )

( )

+

+++++

++

=

72

3

52

223

32

31

51

3

30

18212433

21213

18

Rczcz

Rczcczccz

Rcz

Rcz

Rcz

PZ

(ec. 9.2)

L

L2

L1

Z

z

r

Fig. 9.12, Cargas distribuidas a lo largo de lneas verticales


414

ZZ KLf= (ec. 9.3)

donde

f carga por unidad de longitud L longitud donde la carga est distribuida KZ se define como:

( )

( ) ( )

( ) ( )( )[ ]

( )

++

+

+

++++

+

++

+

+

+++

=

52

52

2

53

2

442

32

2

33

22

2

31

2

3

2

21

1166

1114144

2121)21(2)2(222

181

A

mn

mnm

An

nmm

Ann

mmm

A

mnmm

An

Anm

Ann

mnm

A

K Z

donde

Lrn

Lzm

=

=

( )( )

2223

2222

2221

1

1

mnAmnA

mnA

+=++=+=

Si se quieren incluir adems en el clculo el efecto de cargas repartidas sobre

superficies circulares localizadas en la superficie o a cierta profundidad (Fig. 9.13), es posible recurrir a la integracin realizada por Auvinet y Daz, 1981 (ec. 9.4).

( )VIVIIIIIIqZ ++++= )1(4 (ec. 9.4) donde q carga uniformemente repartida I, II, II, IV y V se definen como:

Inclusiones

415

( ) ( )[ ]

+= 32/322

3 11FF

FDZDZR

DZI

( ) ( ) ( )[ ]

+=

FF

F DZDZRDZII 1121 2/122

( ) ( ) ( )[ ] ( )

+++=

FF

F DZDZRDZIII 1121 2/122

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]

( )[ ] ( )

+++

++++=

2/32/322

223

11

622443

FF

FFFFF

DZDZR

DZDDZDDZIV

( ) ( )[ ] ( )

+++= 2/52/522

3 116FF

FF DZDZRDZZDV

c = Df

a z

Z

Superficie del terreno

q

Fig. 9.13, Carga uniformemente repartidas en una superficie circular a una profundidad Df

9.2.3 Clculo de los asentamientos El clculo de los asentamientos por consolidacin inducidos por las variaciones de esfuerzos efectivos dentro del medio, incluyendo las debidas a la presencia de fuerzas internas a lo largo de inclusiones, puede realizarse por el mtodo tradicional de mecnica de suelos, ec. 9.5; estimando las deformaciones verticales a partir de curvas de compresibilidad (relacin


416

de vacos vs. presin efectiva) determinadas en el laboratorio mediante pruebas de consolidacin unidimensional.

oeeHH +

=1

(ec. 9.5)

donde H asentamiento eo relacin de vacos inicial e decremento de la relacin de vacos H espesor del estrato

9.2.4 Anlisis en condiciones lmite

En un estudio relativo a pilotes de friccin colocados en un medio sometido a un proceso de consolidacin regional por abatimiento piezomtrico (Resndiz y Auvinet, 1973), se plantearon ecuaciones que resultan aplicables al anlisis de inclusiones colocadas en suelos blandos y que se encuentran en condiciones lmite (fluencia de ambas puntas) bajo el efecto de cargas superficiales y/o en presencia de consolidacin regional. En este caso, por equilibrio esttico; la capacidad de carga de la punta inferior de la inclusin mas la friccin positiva desarrollada debe ser igual a la capacidad de carga de la punta superior ms la friccin negativa, es decir:

NSPP FCFC +=+ (ec. 9.6)

donde CS capacidad por punta superior CP capacidad por punta inferior FP friccin positiva FN friccin negativa Las condiciones prevalecientes en el caso de un medio homogneo en el cual la resistencia al corte del suelo aumenta linealmente con la profundidad se ilustran en la Fig. 9.14. Resndiz y Auvinet, 1973, consideran que la inclusin est en equilibrio bajo las cargas FN, FP, CS y CP, y que se comete poco error si se admite que la friccin mxima se desarrolla por completo en todo el fuste de la inclusin (Z = 0, Fig. 9.14) ya que la friccin positiva se compensa con la negativa. Por tanto, la profundidad del nivel neutro puede determinase por aproximaciones sucesivas hasta lograr que se cumpla la siguiente ecuacin:

O

P

S

O

Z

ZNZ

ZPPSFFCC = (ec. 9.7)

Inclusiones

417

Si |FN| > 0, entre z = ZO y z = ZP el suelo se mueve hacia arriba respecto a la inclusin, mientras que entre z = ZS y z = ZO , el suelo se desplaza hacia abajo. A la elevacin del nivel neutro, no existe desplazamiento relativo entre el elemento y el suelo. La capacidad por punta y la friccin lateral mxima que se logra desarrollar a lo largo del fuste de una inclusin se pueden obtener recurriendo a las expresiones usadas comnmente para el diseo de pilotes.

CS

z = ZS

z = Zo

z = ZP

CP

FP

FN

z

z

FN = friccin negativaFP = friccin positivaCS = capacidad de la punta superiorCP = capacidad de la punta inferiorZS = profundidad de la punta superiorZO = profundidad del nivel neutroZP = profundidad de la punta inferior

Fig. 9.14, Sistema de cargas actuantes en una inclusin

9.2.5 Resistencia estructural Para el diseo estructural de inclusiones es necesario revisar la resistencia a la compresin y al pandeo en el caso de elementos de poco dimetro. De acuerdo con lo indicado en la Fig. 9.10 la carga axial mxima que se desarrolla dentro de una inclusin se presenta a la profundidad del nivel neutro (ZO). En cualquier momento durante el proceso de consolidacin la carga axial a la profundidad ZO vale:

( ) ( ) +=+= PO

O

S

O

Z

ZPP

Z

ZPSZ dzzPQdzzPQQ (ec. 9.8)

y en condiciones lmites (ec. 9.7) la carga axial mxima que puede desarrollarse en el interior de una inclusin en un medio homogneo es:


418

P

O

O

SO

Z

ZPPZ

ZNSmxZFCFCQ +=+= (ec. 9.9)

Por tanto, la resistencia a la compresin simple (RC) de una inclusin, para cualquiera de los casos antes mencionados, debe ser mayor que:

mxZC OQR > (ec. 9.10)

Por otra parte, para evitar la falla por pandeo en inclusiones de dimetro pequeo es necesario revisar que la fuerza axial mxima a la que se someta el elemento sea menor que (Gouvenot, 1975):

22

2

2

22 44

+

10-2 m/s (Broms, 1991). Es preferible utilizarlo en depsitos de arena media a fina.

En suelos con una compacidad mayor que 70 % es difcil obtener un mejoramiento

(NAVFAC, 1983). En depsitos de arena que contengan lentes de limo o arcilla disminuye el efecto de

compactacin. La granulometra recomendable para utilizar este mtodo se muestra en la Fig. 15.5, (Mitchell, 1981).

Fig. 15.6 Granulometra recomendable para utilizar probetas vibratorias, Mitchell (1981)

Los principales factores que influyen en este mtodo son el espaciamiento, el tiempo de vibrado y el manejo de la probeta (insercin, suspensin y extraccin). No existe un procedimiento racional de diseo para la seleccin de estos parmetros, por lo que se debe disear con base en datos recabados en la experiencia o con reas de prueba.


548

La velocidad de penetracin de la probeta vibratoria puede ser usada como una medida del efecto de compactacin. La probeta se puede equipar, en la parte superior, con una celda de carga; la resistencia a la penetracin y extraccin se puede usar como un indicador de la compactacin del suelo. Esta informacin es til para evitar la sobrecompactacin, lo cual puede causar dificultades para extraer la probeta. Debido a que en el mtodo de las probetas el martillo vibratorio se encuentra en la punta superior, cerca de la superficie del terreno, la energa vibratoria se disipa en toda la longitud de la probeta. Por ello se dificulta la compactacin a profundidades mayores de aproximadamente 10 m. Adems, se deber tener cuidado de no usar reas tributarias muy amplias, o se corre el riesgo de no obtener una compactacin adecuada y homognea. Referencias Broms, B.B. (1991) Deep compaction of granular soils. Chapter 23 in Foundation engineering handbook, 2nd ed. Edited by Hsai Yang Fang, Van Nostran Reinhold. pp. 817-820. Degen, W.S. (1998) Comunicacin personal. Massarch, K. R. (1991) "Deep soil compaction using vibratory probes." Deep Foundation Improvements: Design; Construction, and Testing, ASTM STP 1089, M. I. Esrig and R. Bachus (eds.), ASTM, pp. 297. Mitchell, J. K. (1981) "Soil improvement State-of the-Art Report." Session 12, Proc. of the 10th Int. Conf. on soil Mech. and Found. Eng., Stockholm, Vol. 4, pp, 506- 565. Neely J. and Leroy D.A. (1991) Densification of sand using a variable frequency vibratory probe. Deep foundation improvements: design construction and testing. ASTM STP 1089. pp. 320-332. Van Impe, W.F. (1991) Soil improvement techniques and their evolution Balkema, Rotterdam. pp. 34-39. Van Impe, W.F. (1995) Deep compaction of soils and waste disposals Ciclo de conferencias internacionales Leonardo Zeevaert, UNAM Mxico. pp. 261-293. NAVFAC (1983) Soil Dynamics and special design aspects Department of Defense Handbook.

549

16 Vibrocompactacin

Roberto Lpez Zaldaa Axel Ramrez Ramrez

La vibrocompactacin en la actualidad constituye un mtodo geotcnico clsico para resolver problemas ligados con la baja compacidad de terrenos granulares. Con esta tcnica generalmente se alcanza una compacidad relativa de 70 % a 85 %. En cuanto al nivel fretico, la compactacin se logra, tanto por encima, como por debajo de este nivel. El mtodo consiste en la insercin de un vibrador de fondo, similar al descrito en los captulos 10 y 15; una vez densificado el suelo, se rellena el vaco generado con arena, retirando el vibrador simultneamente. La compactacin se debe a la accin del vibrador, que usualmente es acompaado con agua a presin, la cual reduce temporalmente las fuerzas intergranulares entre las partculas; Bez y Martn (1992), puntualizan que las vibraciones generan exceso de presin de poro hasta que se lica el suelo; entonces, la disipacin de presin de poro conduce a un arreglo ms compacto del suelo. Segn Thorburn (1975), la licuacin del suelo es total hasta distancias de 30 a 55 cm del vibrador, hacindose nulo el efecto a una distancia aproximada de 2.5 m, debido al amortiguamiento del propio terreno. La eficiencia del mejoramiento depende del tipo de suelo, espaciamiento de los puntos de vibrado y el tiempo de vibrado en cada punto. Generalmente, el espaciamiento est entre 1.80 y 3.50 m, con arreglos triangulares o en cuadrcula. Una vez que el vibrador alcanza la profundidad de diseo, el tratamiento se realiza por intervalos de profundidad. Durante la compactacin, se rellena con una arena limpia desde la superficie para compensar la reduccin del volumen del suelo debido al proceso de densificacin; con esto se mantiene la elevacin original. Sin embargo, en sitios donde el desnivel final es menor que el desnivel original, la reduccin de la elevacin se puede despreciar; en estos casos se permite el hundimiento de la superficie durante la compactacin. Los asentamientos de suelos granulares alcanzan de un 5 % a un 15 % de la profundidad tratada.

Adems de las caractersticas granulomtricas del suelo, del tiempo de compactacin empleado y del espaciamiento entre los puntos de aplicacin, el rea afectada por cada punto de aplicacin para una determinada compacidad relativa, tambin depende de las caractersticas del equipo y de la tcnica de compactacin. La Fig. 16.1 muestra las compacidades relativas alcanzadas en funcin del rea afectada, alrededor de posibles puntos de aplicacin, en un rea de suelos granulares limpios. En la prctica se observa que, incluso para fuertes cargas dinmicas, existe un lmite mximo de densidad relativa del 85 %, pudiendo ser aceptado un 55 % como lmite inferior. La vibrocompactacin permite el uso de zapatas superficiales con un diseo de capacidad de carga de 2 a 4 kPa, fig. 16.1.1. Los asentamientos y el potencial de licuacin son reducidos.


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La profundidad de mejoramiento es generalmente de 4.5 m a 15 m, sin embargo, se han alcanzado profundidades hasta de 35 m. Esta tcnica permite el uso de cimentaciones ms econmicas, diseadas para una capacidad de carga de hasta 1000 kPa en arenas limpias. El ngulo de friccin interna aumenta entre 5 y 8 grados. El mdulo de deformacin puede aumentar hasta los 100 MPa, en algunos casos a valores mayores, con lo que los asentamientos totales y diferenciales se reducen en la misma proporcin hasta ser compatibles con los lmites de diseo.

Fig. 16.1, Envolvente de espaciamiento vs compacidad relativa promedio, para suelos granulares segn Barksdale y Baches (1983)

Fig.16.2, Cilindros de suelo vibrocompactado soportando zapatas superficiales

Vibrocompactacin

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16.1 Rango de suelos En general es aplicable nicamente en arenas con un contenido de finos entre el 10 y el 15 %. Brown (1977) defini el parmetro de adecuacin de los suelos a la vibrocompactacin, S:

( ) 210220250 )(1

)(137.1

DDDS ++= (ec. 16.1) donde S Parmetro de Brown. Cuanto ms pequeo sea su valor, mejor se adapta el suelo natural a la vibrocompactacin, la cual no es aplicable con S>40 50. Este parmetro se utiliza tanto para el suelo por mejorar como para el material de relleno D50 Dimetro en mm, tal que 50 % en peso de las partculas del suelo tienen un dimetro Menor D20 dem para el 20 % D10 dem para el 10 % En la Tabla 16.1 se presenta el sistema de clasificacin de un material de relleno propuesto por Brown (1977).

Tabla 16.1 Clasificacin de un material de relleno, propuesto por Brown (1977)

Rango de S Clasificacin 0-10 Excelente

10-20 Bueno 20-30 Regular 30-50 Pobre >50 Inaceptable

Como criterios prcticos complementarios, se utilizan grficas granulomtricas, donde se relaciona el tamao de las partculas con la aplicabilidad de la vibrocompactacin. Como ejemplos de estas grficas se incluyen, a modo comparativo, la Fig. 16.2 (a, b, y c). La grfica (a) y (b) distinguen los suelos ideales de aquellos que no lo son tanto, aunque an sean adecuados, mientras que en la grfica (c) se comparan las tcnicas de vibrocompactacin y vibrosustitucin. En la Tabla 16.2, se presenta la eficiencia relativa del tratamiento de vibrocompactacin en funcin del tipo de terreno.


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Fig. 16.2, a) Distribuciones granulomtricas indicadas para la densificacin por vibrocompactacin; b) Mitchell (1968) y c) Keller (1997).

Vibrocompactacin

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Tabla 4.2 Eficiencia relativa de vibrocompactacin, en distintos materiales

Tipo de terreno Efectividad relativa Gravas Excelente Arena Excelente

Arena limosa Muy Buena Limos no plsticos Buena

Arcilla No aplicable Residuos mineros Buena (si es granular)

Rellenos incontrolados Depende de la naturaleza del terreno Basura No aplicable

16.2 Diseo El diseo del mtodo de vibrocompactacin se enfoca principalmente a la separacin ptima de los puntos en donde se introduce el vibrador, a fin de obtener mejores resultados de densificacin; junto con esto, se obtiene la profundidad, granulometra y cantidades del material de relleno. El diseo se puede realizar basndose en: 1) Datos recabados en la experiencia de la aplicacin del mtodo 2) Pruebas in situ 16.2.1 Diseo basado en la experiencia Se debe de contar principalmente con datos, como el nmero de golpes de la prueba de penetracin estndar (N) antes y despus de la densificacin; capacidades de los vibradores; separacin entre los puntos de densificacin y el tipo de suelo. La forma ms directa y emprica de disear un tratamiento de vibrocompactacin en terrenos granulares sueltos consiste en la ejecucin de una zona de ensayo. A partir de los datos de granulometra, forma de los granos y posible cementacin que presente el terreno, siendo esto improbable en rellenos, y realizando ensayos de penetracin estndar (SPT o penetrmetro) en algunas distribuciones distintas de lado, D, variable, pueden compararse las diferentes compacidades alcanzadas con cada una de las mallas probadas. En la Fig. 16.3 se muestra una serie de mallas de ensayo distintas siguiendo una distribucin triangular, por ser la ms eficaz, donde los puntos vacos son los puntos de tratamiento y los puntos llenos son los puntos de ensayo. Se elegir el mayor espaciado que cumpla las condiciones de densificacin especificadas, normalmente dadas como una resistencia mnima a la penetracin de SPT o CPT tanto estticos como dinmicos. Este tipo de pruebas son las ms indicadas para estos tratamientos, pudindose estimar a partir de los datos obtenidos los asentamientos esperados en las reas compactadas.


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Fig. 16.3, Diseo de malla triangular y posicin de ensayos Lmites de granulometra para el material de relleno. Los materiales usados para rellenar el crter formado por el vibrador, generalmente son gravas, arena gruesas, escoria, etc. Si se trata de material de relleno con dimensiones muy pequeas la densificacin no es uniforme, ya que la dispersin del material a causa del flujo ascendente del lodo impide la penetracin del vibrador en el suelo. Disminucin del efecto con respecto a la distancia. El efecto de la densificacin disminuye exponencialmente conforme aumenta la distancia horizontal con respecto al vibrador. La efectividad de la densificacin se ve afectada considerablemente por el contenido de finos del suelo. Separacin entre puntos de densificacin. La vibrocompactacin es aplicada en puntos de una malla, cuadrada o en tringulos equilteros, siendo sta ltima ms recomendable debido a que, salvo en tratamientos locales bajo zapatas, es la distribucin ms efectiva a efectos de compactacin, ya que este efecto decrece con la distancia al punto de aplicacin.

Para una misma densidad de puntos por unidad de rea, la distancia al punto ms desfavorable (centros de los tringulos o cuadrados de la malla) es mnima en la malla triangular equiltera, Fig. 16.4. Fig.16.4, Tipo de mallas para la vibrocompactacin

Dicho de otro modo, tal como se observa en la Fig. 16.5, el efecto de la separacin de los puntos de tratamiento en arenas limpias influyen en la densidad relativa alcanzada.

Vibrocompactacin

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Fig. 16.5, Densidad relativa de arenas limpias alcanzada con vibrocompactacin en puntos situados entre centros de vibracin (Thorburn, 1975)

La separacin entre puntos de vibrocompactacin oscila entre 1.80 y 3.50 m. Las separaciones mayores son para arenas gruesas y limpias; mientras que para materiales ms finos y materiales que contengan inclusiones de arcilla, se requieren separaciones menores. Obviamente, la compacidad del suelo antes del tratamiento incide en el espaciamiento, as como la resistencia (SPT, CPT) que se busque obtener con la vibrocompactacin. Cantidad de material de relleno. En zonas en donde se utilizan vibradores de 7.5 y 10 caballos de fuerza, la cantidad de material de relleno es de aproximadamente de 0.14 a 0.22 m3 por 1 m3 de material densificado. Otra alternativa para estimar la cantidad de relleno, es que la cantidad de material de relleno por cada metro de profundidad es aproximadamente tres veces el volumen del vibrador. El volumen de los vibradores se puede calcular considerando que tienen una forma cilndrica. Estas estimaciones se pueden usar como referencia, sin embargo, es necesario confirmarlos mientras se ejecuta la operacin, ya que se ven afectados en gran medida por las condiciones del suelo. En general, es necesario un volumen de relleno del orden 10 a 15 % del volumen de suelo vibrocompactado para mantener el mismo nivel de superficie. 16.2.2 Diseo con base en pruebas in situ Cuando existan depsitos con alto contenido de limo o que tenga estratos de arena y arcilla, o cuando no se disponga de datos reales de la aplicacin del mtodo con anterioridad, es preferible disear el proceso con base en los datos obtenidos de una prueba in situ. El diseo de la prueba in situ usado en el mtodo de vibrocompactacin, es similar al diseo del mtodo de vibrodesplazamiento (vibrosustitucin), sin embargo, es necesario referirse a


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los datos del apartado (1) con el objeto de comparar los resultados en lo que respecta a la distancia entre puntos de densificacin y la cantidad de material de relleno. 16.2.3 Otras consideraciones Durante el diseo del procedimiento es necesario tomar en cuenta todos los factores que puedan afectar directa o indirectamente el comportamiento de su aplicacin; algunos de ellos son: la cantidad extra de material de relleno, el equipo o la potencia del motor de acuerdo a la profundidad de la instalacin, la influencia en las estructuras vecinas y estratos de arcilla que se intercalan en el depsito de arena. Cantidad adicional de material de relleno. Se ha visto en la prctica que es necesario considerar una cantidad adicional de material, debido a la compactacin o a las prdidas durante el transporte y/o prdidas en la colocacin. En lo que se refiere al uso de la vibrocompactacin, se ha encontrado que hay que considerar del 15 al 25 % extra de la cantidad de material de relleno estimada. Profundidad de instalacin. Como ya se mencion, la profundidad mxima que se ha mejorado es de 35 m. Una de las ventajas de la vibrocompactacin con vibrador de fondo con respecto a otros mtodos de densificacin es que, el motor y las masas excntricas se encuentran dentro del vibrador, por lo que la energa se aplica directamente al suelo a profundidad. Caso contrario ocurre en la compactacin dinmica o con probetas vibratorias, donde la energa se aplica desde la superficie y por ende se disipa con la profundidad. Es por esto que tericamente la vibrocompactacin con vibradores de fondo se puede aplicar a cualquier profundidad deseada. Sin embargo, en la prctica la limitante la marcan los tamaos comerciales de las gras, por lo que la mayora de proyectos de vibrocompactacin no exceden los 30 m de profundidad. Influencia sobre estructuras vecinas. Debido a que la frecuencia de los vibradores de vibrocompactacin es relativamente alta, del orden de 20 a 30 Hz, las vibraciones que se producen se amortiguan en distancias relativamente cortas. Es posible llevar a cabo una vibrocompactacin a una distancia de 2.5 m de una estructura, aunque ser necesario monitorearla. Si el terreno se encuentra demasiado suelto, se deber guardar una distancia mayor, pues el estado suelto del terreno podra causar asentamientos inesperados. Tambin es factible llevar a cabo una perforacin previa para minimizar las vibraciones generadas por el vibrador. Sin embargo, al hacer esto, es posible que se reduzca la densificacin del suelo en esa zona. Estratos de arcilla intercalados en los depsitos de arena. Si se encuentran capas de limo o arcilla intercaladas en los depsitos de arena, obviamente stas tendrn una densificacin mnima. Adems, la capa de finos puede amortiguar las vibraciones producidas por el vibrador y podra afectar la densificacin de la arena circundante. Si de antemano sabemos de la presencia de capas de limos o arcillas, o la arena que pretendemos densificar presenta ms de un 12% de finos, es preferible usar el mtodo de vibrosustitucin (columnas de grava).

Vibrocompactacin

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16.3 Proceso de vibrocompactacin En la Fig. 16.6 se ilustran las etapas del proceso de vibrocompactacin, las cuales se describen a continuacin:

1) penetracin 2) compactacin 3) relleno 4) terminado

Fig. 16.6, Proceso de vibrocompactacin (cortesa de Keller)

1) Penetracin. El vibrador penetra con la ayuda de agua a presin hasta la profundidad de diseo, y con movimientos ascendentes y descendentes se agita la arena, formando as un espacio anular alrededor del vibrador, Fig. 16.7. Cuando se alcanza la profundidad de diseo el flujo de agua se puede reducir. Con el flujo de agua se reduce temporalmente la friccin entre partculas permitiendo que stas se depositen en un arreglo ms compacto. La velocidad de penetracin del vibrador es de 1 a 2m/min, la presin de agua 0.8MPa y flujo de agua hasta 1500 l/min.

Fig. 16.7, Espacio anular alrededor del vibrador creado durante la penetracin 2) Compactacin. Debido a la accin de las fuerzas horizontales del vibrador, las partculas que se encuentran alrededor y en la parte inferior del vibrador son reacomodadas


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en un estado ms compacto. El vibrador se va sacando conforme sea alcanzada la compactacin. El radio de compacatacin se extiende de 1.5 a 4 m, dependiendo del tipo de suelo y de la potencia del vibrador. 3) Relleno. Como consecuencia de la insercin del vibrador y de la reduccin del volumen en el punto de aplicacin del vibrador, se crea un hueco de forma anular. En este punto, es necesario alzar el vibrador entre 1 y 2m, introduciendo material de banco o del lugar (arena limpia). La velocidad de compactacin y retiro es de 30 cm/min aproximadamente, hasta alcanzar la superficie. 4) Terminado. La superficie del rea mejorada es entonces renivelada y puede ser densificada con un compactador de superficie. Con un esquema econmico de compactacin, se puede llegar a un mejoramiento ptimo. El resultado es la formacin de un rea de terreno compactado de forma cilndrica. 16.4 Verificacin del mejoramiento Es necesario hacer ensayos de control de la densificacin obtenida una vez efectuada la mejora del terreno, adems de los realizados antes del tratamiento, para establecer el diseo de la malla. Ambas fases de ensayos se realizan siempre en los puntos centrales de la malla, que son los ms desfavorables. Tanto para la fase de investigacin como para el control, los ensayos indicados son los de penetracin in situ: pruebas SPT y CPT estticos o dinmicos. A veces, tambin se recomienda ensayos con dilatmetro. Conviene especificar previamente la frecuencia de los ensayos de control. Es aconsejable que se empleen los mismos tipos de ensayos tanto para el estudio de la malla como para el control de resultados. Tambin es importante realizar el mismo tipo de prospecciones en el reconocimiento geotcnico preliminar y en la verificacin de la mejora obtenida. Con todos los datos de resistencia a la penetracin del terreno, obtenidos por medio de SPT o CPT, se hace una comparacin de resultados antes y despus de la aplicacin del tratamiento, incluyendo tambin las lneas tericas que aseguran una determinada compacidad relativa en funcin de la profundidad. Estos diagramas permiten una rpida visualizacin de la mejora alcanzada y si es suficiente para el terreno tratado. En general, la mejora lograda no es uniforme, hay niveles del terreno que son ms sensibles a la densificacin por vibracin y resultan ms compactados. Como consecuencia, estas curvas de resistencia con la profundidad, despus del tratamiento, pueden ser irregulares, con pocos picos de muy alta compacidad. 16.5 Limitaciones El parmetro ms determinante para la viabilidad de la vibrocompactacin es el contenido de finos, ya que influye enormemente en los resultados del tratamiento. El lmite es a partir de 10 a 15% de contenido de finos, donde el mtodo pierde eficiencia. A partir de este valor

Vibrocompactacin

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empieza a ser necesario un aporte de grava como material de relleno, debido a que los suelos con finos no responden al efecto de las vibraciones, procediendo a una sustitucin del terreno. 16.6 Aplicacin Puerto pesquero en Alvarado, Veracruz, (1963). Para el proyecto del puerto pesquero a orillas de la Laguna de Alvarado, se estudi detalladamente el subsuelo del rea de inters. Los suelos de la regin son, en parte depsitos fluviales del ro Papaloapan, constituidos por arenas finas limosas y limos arenosos, por otra parte, sedimentos marinos de arenas finas limpias y de arcillas blandas, adems hay arenas limpias de duna, Fig. 16.8, (Vieitez, 1978). Estratigrafa de la zona. Se realizaron pruebas tipo penetracin estndar y pruebas con penetrmetro holands, encontrndose que hasta una profundidad de 8 m hay depsitos de arenas finas uniformes, sueltas con una resistencia a la penetracin N30), Fig 16.9.

N>30Arenas finas de alta compacidad

Arcilla de alta compresibilidad

Arenas limosas de compacidad media

N


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Trabajos desarrollados de vibrocompactacin. Este es el primer caso de mejoramiento de suelo con la tcnica de vibrocompactacin en Mxico que se reporta en la literatura. La profundidad promedio tratada fue de 12 m. Para reducir el riesgo de licuacin, se recomend la densificacin de los suelos granulares sueltos, por medio de vibradores de fondo; este vibrador tena un dimetro de 30 cm y 3 m de longitud, operado por un motor elctrico de 40 caballos de fuerza, 440 volts y 60 amperes. El vibrador penetraba auxiliado por chiflones de agua que descargaban de 80 a 100 m3/hora. En la Fig. 16.10 se muestra el vibrador de fondo que se utiliz y la forma en la que rellenaban.

Fig. 16.10, Vibrador de fondo y colocacin de relleno, Alvarado, Veracruz, 1963

(cortesa Ing. Rolando Ugalde) El material de relleno fue arena gruesa de alta permeabilidad. El vibrador se retiraba al registrar el ampermetro la mxima lectura, lo cual suceda a 10 min despus de empezar el vibrado. La separacin de los puntos de vibrado correspondieron a una Dr = 65 y 70% del suelo ms retirado de los puntos ya mencionados; esta decisin fue meramente arbitraria, ya que no se tenia un mtodo para verificar el potencial de licuacin de un suelo (Tamez, 1979). En la zona del muelle se lleg a una Dr = 75%, que corresponda a una separacin entre los puntos de aplicacin de la vibracin de 1.60 m. Comparacin de sondeos previos y posteriores del mejoramiento. En la Fig. 16.11 se ilustra la comparacin de dos sondeos (CPT) previo y posterior al mejoramiento; se observa que en el primer estrato (arena fina, hasta los 8 m) se tuvo el mayor incremento del valor promedio de resistencia, aproximadamente del 300 % (de 30 kg/cm2 lleg a 120 kg/cm2); en el segundo estrato (de 2 m de espesor) como era de esperarse, se registr un mejoramiento menor, ya que contena un porcentaje de finos mayor que 15 %, en valores promedio de resistencia a la penetracin, se pas de 20 a 50 kg/cm2, mejorndose un 150 %; en estos sondeos slo se detect una capa delgada de arcilla, en el siguiente estrato (arena limosa 3m de espesor) los valores promedios de resistencia a la penetracin, pasaron de 50 a 85 kg/cm2, mejorndose un 70 %. Como ya se mencion, este sitio fue mejorado con el mtodo de vibrocompactacin, empleando vibrador de fondo con un dimetro (30 cm) y capacidad (40 HP) menores a los vibradores de fondo que se utilizan actualmente (dimetro 40 cm y capacidad 140 HP); la separacin de los puntos de vibrado fue de 1.6m, con un dimetro del punto de vibrado de 0.90m.

Vibrocompactacin

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Previo Posterior

Fig. 16.11, Comparacin de sondeos tipo CPT antes y despus del mejoramiento por vibrocompactacin, puerto pesquero en Alvarado,Veracruz (Vieitez, 1978)

Se realiz un anlisis de licuacin utilizando el criterio de Seed e Idriss (1982), considerndose una aceleracin mxima correspondiente a un suelo tipo II y localizado en la zona B (Manual de Obras Civiles de la Comisin Federal de Electricidad, 1993); adems de

una magnitud de sismo de M=6.5 (Ramrez, 2002). Este anlisis muestra que el mejoramiento con la tcnica de vibrocompactacin utilizando vibradores de fondo tuvo resultados magnficos para mitigar el fenmeno de licuacin, Fig. 16.12. ______ Previo ---------- Posterior Fig. 16.2, Resistencia de punta en campo antes y despus del mejoramiento, y el lmite entre licuacin y no licuacin (Ramrez, 2002).

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

qc (kPa)

z (m

)

NOLICUACIN

LICUACIN

correccin por finos (15%)


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Referencias Bez, J. I. (1995). A design Model for the Reduction of Soil Liquefaction by Vibro-Stone Columns. Ph. D. Dissertation, University of Southern California. Los Angeles, C.A. 207 pages. Bez, J. l., y Martin, G. R. (1992). "Quantitative evaluation of stone column techniques for earthquake liquefaction mitigation." Proe. of 10th World Conf. on Earthquake Engineering, 19-24 July, Madrid, Spain Barksdale, R. D. y Bachus (1983). Design and Construction of Stone Columns, Vol. I., Report No 1 FHWA/RD 83/026, Federal Highway Administration, pp. 210pp. Brown, R. E. (1977) Vibroflotation compaction of cohesionless soils. J. of Geotech. Eng Div., ASCE, Vol. 103, GT12, pp.653-666. Keller (1997). Deep Vibro Technique Hayward Baker a Keller Company, brochure 10-2E. Ramrez, A. (2002) Mtodos de mejoramiento vibratorios para mitigar los efectos de licuacin. Tesis para obtener el grado de maestro en ingeniera. UNAM, Mxico. Thorburn (1975). Building structures supported by stabilized ground Geotechnique, Vol. 25. Vieitez L. (1978) La geotecnia en el desarrollo de la vertiente del Golfo de Mxico. IX Reunin Nacional de Mecnica de Suelos, Mrida, pp III-2_III-53.

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17 Inyecciones en roca

Sergio Herrera Castaeda

17.1 Introduccin La inyeccin es el proceso por medio del cual se introduce un fluido a presin en el terreno con el objeto de sustituir el aire o el agua en las fisuras, grietas y oquedades con un producto, el cual reducir el flujo de agua (impermeabilizacin) y en algunos casos incrementar la resistencia y el mdulo de deformabilidad del medio en forma significativa (consolidacin). En las inyecciones en roca generalmente se requiere rellenar los planos de fracturas as como las cavidades de disolucin y otras oquedades que estn asociadas a las discontinuidades del macizo rocoso. Estas representan los principales conductos por los cuales el agua fluye y por lo tanto requieren de ser selladas. En contraste, la permeabilidad atribuible a la porosidad de una roca es insignificante y no requiere de ser tratada, excepto en algunas rocas muy porosas, como las areniscas no cementadas y los travertinos, en que se puede aplicar este tratamiento con el objeto de reducir las filtraciones. 17.2 Tipo de tratamientos Los tratamientos mediante inyecciones pueden ser de tres tipos: a) Pantallas impermeables: su objetivo principal es el de reducir la permeabilidad del

terreno y las filtraciones a travs del macizo rocoso. Una pantalla impermeable es un plano formado por medio de la perforacin de barrenos y su inyeccin con mezclas que dan como resultado una zona dentro del macizo rocoso donde la permeabilidad del terreno es muy baja. Fuera de esta zona prevalece la permeabilidad natural.

Una pantalla puede estar formada por varios planos de inyeccin, los cuales poseen una geometra definida (inclinacin, profundidad y extensin lateral), acorde con la permeabilidad y las caractersticas estructurales del terreno y de la obra civil que se desea proteger.

b) Tapetes de consolidacin: son inyecciones realizadas para mejorar las propiedades de deformabilidad de la masa rocosa. Generalmente la profundidad de inyeccin es de 5 a 10 m de profundidad y se realiza cubriendo una superficie que est determinada por la obra civil que se construir sobre ella.

c) Relleno: algunas rocas poseen grandes cavidades formadas naturalmente, como los

ductos de carsticidad en las rocas calizas o las oquedades que quedan entre distintos derrames de lava en las rocas gneas extrusivas.


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Para evitar su colapso es indispensable rellenar estas cavidades cuando la cimentacin de una estructura se va ha desplantar en este tipo de roca. La exploracin previa juega un papel importante para la localizacin de las cavidades y la planificacin del los trabajos por desarrollar.

d) Inyecciones de contacto: tienen por objetivo rellenar las oquedades que quedan entre el revestimiento de concreto de un tnel o una cimentacin y la roca para garantizar la adecuada transmisin de los esfuerzos de la estructura al terreno. Como en los casos anteriores, la inyeccin conlleva el efecto benfico de la impermeabilizacin del terreno, ya que siempre se introduce parte de la mezcla inyectada a las fisuras de la roca.

En los tratamientos de impermeabilizacin y consolidacin el papel de las exploraciones es vital para su adecuado diseo. Entendiendo por exploracin tanto la parte geolgica, rocas y discontinuidades y, la determinacin de las propiedades mecnicas e hidrulicas del terreno. 17.3 Productos empleados en la inyeccin Las mezclas empleadas en la inyeccin de macizos de roca fisurados se pueden dividir en dos grandes grupos: las suspensiones y las soluciones. Las suspensiones se fabrican con agua y cemento tipo Prtland, tambin se adicionan con materiales inertes como la arena, ceniza volante o puzolana y aditivos qumicos para mejorar sus propiedades reolgicas. Las mezclas fabricadas con cemento se pueden dividir en: Lechada: formada por agua, cemento y bentonita o aditivo qumico para estabilizarla, fluidificarla y/o incrementar la velocidad de fraguado. Mortero: formado por agua, cemento, bentonita y arena. Tambin adicionada con aditivos qumicos para estabilizarlo, fluidificarlo y/o incrementar la velocidad de fraguado. Concreto: formado por agua, cemento, arena, grava y puede o no tener algn aditivo qumico para fluidizarlo y mejorar su resistencia. Las soluciones son productos qumicos lquidos que reaccionan una vez inyectado en el terreno, las ms empleadas son: Silicato de sodio utilizando como reactivo el cloruro de calcio para formar un gel. Polmeros que reaccionan al contacto con el agua. Resinas que se polimerizan por medio de un catalizador. La seleccin de la mezcla depende del ancho de las fisuras y del tamao de los poros que se requieren rellenar. En la figura 1 se muestra la relacin entre tipo de mezcla y el ancho de fisuras o bien, en el caso de suelos, el tamao granulomtrico del material. La gran mayora de los trabajos de inyeccin en rocas fisuradas se logran terminar exitosamente empleando las mezclas elaboradas con cemento. Solo en casos muy especiales es necesario el uso de soluciones a base de silicatos de sodio y resinas. Los polmeros han

Inyecciones en roca

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dado buen resultado cuando se requieren inyectar fracturas grandes con agua en circulacin, provocando un taponamiento temporal que permite entonces la inyeccin de las suspensiones de cemento, morteros y lechadas, ms resistentes y con vida til ms prolongada.

Fig. 17.1, Materiales empleados en la inyeccin de acuerdo con el tamao

de partculas en suelos, Bell(1978).

17.3.1 Mezclas de inyeccin fabricadas con cemento Las mezclas de inyeccin fabricadas con cemento pueden dividirse, dependiendo de su comportamiento reolgico, en: Mezclas estables: son aquellas en que los granos de cemento se mantiene en suspensin por un periodo de tiempo prolongado. La estabilidad de una mezcla se determina mediante la prueba de decantacin. Esta prueba consiste en colocar 300 ml de lechada en una probeta de 500 ml de capacidad y medir durante 2 horas la cantidad de agua libre acumulada en la parte superior de la probeta. Se considera estable si el agua libre es menor o igual al 5%. Mezclas inestables: son aquellas que durante la prueba de decantacin tienen ms del 5% de agua libre. En la actualidad se emplean, en la mayora de los tratamientos de inyeccin y consolidacin, las mezclas estables debido a que poseen mejores caractersticas reolgicas. Hasta antes de la introduccin de los aditivos qumicos las mezclas estables se elaboraban en proporciones de 2:1 a 3:1 (agua:cemento), utilizando bentonita en 1 o 2 % para estabilizar y reducir la sedimentacin y caracterizaban por su bajo contenido de cemento y baja resistencia final. Los aditivos modernos tipo superfluidizantes y estabilizadores permiten


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fabricar mezclas con mayor contenido de cemento empleando proporciones que van de 0.6: a 1:1 (agua:cemento), poseen mayor resistencia final y buena fluidez y alcanzan mayor penetrabilidad en el terreno fisurado, siempre que se tenga control continuo de su cohesin. Las mezclas estables se comportan como un fluido tipo Bingham durante el flujo, el cual se caracteriza tener viscosidad y cohesin que son parmetros de resistencia al flujo. La viscosidad controla la velocidad de flujo y la cohesin la distancia mxima de penetracin. La penetrabilidad de una mezcla es directamente proporcional a la presin aplicada y a la apertura de las fisuras y es inversamente proporcional a la cohesin, por lo que para un ancho de fisura dado, se puede manipular la presin de inyeccin o la cohesin de la mezcla. En la prctica es ms conveniente manipular la presin de inyeccin y fabricar un solo tipo de mezcla pero de baja cohesin. Debido a que existen diferentes marcas patentadas y de composicin qumica de los aditivos, es necesario primero disear una mezcla base empleando los materiales que se utilizarn en obra (cemento y agua) y, posteriormente, durante el desarrollo de la inyeccin, llevar un control riguroso y continuo de sus propiedades reolgicas para realizar los cambios necesarios. El laboratorio de campo es indispensable en estos casos, ya que las propiedades de la mezcla son afectadas por varios factores como: temperatura ambiente y del agua, composicin qumica del agua, tipo de cemento y su grado de finura, proporcionamiento del aditivo, secuencia de preparacin de la mezcla y equipo de fabricacin (mezcladoras y alta y bajas revoluciones). Una mezcla tiene un tiempo limitado til, ya que desde el inicio de su preparacin los componentes que la forman empiezan a reaccionar, en especial los aditivos que empiezan a perder efectividad. Las investigaciones desarrolladas hasta la fecha muestran que al volver a dosificar una mezcla con aditivos no se logra obtener las propiedades reolgicas deseadas (cohesin y fluidez), por lo que es necesario desecharla. La vida til se determina por medio los ensayes de laboratorio, pero en general este tiempo oscila entre 1 y 2 horas. Las mezclas al ser inyectadas pueden perder parte del agua de composicin si la superficie de las fisuras estn secas, incrementndose rpidamente la cohesin y reducindose su penetrabilidad. Por ello, cuando se inyectan tramos de barrenos localizados arriba del nivel fretico siempre es necesario inyectar previamente agua para saturar las fisuras. El comportamiento de las mezclas inestables durante la inyeccin es errtico e impredecible por lo que se tratan de evitar al mximo en este tipo de tratamientos. 18.3.2 Materiales empleados en la elaboracin de mezclas de cemento Agua: limpia y libre de materia orgnica, con bajo contenido de sales y slidos disueltos. La alta temperatura influye en las propiedades de la mezcla por que es necesario tener una fuente de abastecimiento que proporcione agua a temperatura entre 15 y 25 C. Cemento: tipo puzolnico con superficie especfica Blaine de 4200 a 5100 cm2/g como mnimo, de buena calidad, no hidratado, para lo cual se deber almacenar bajo techo y colocado en tarimas de madera.

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La cantidad de cemento almacenado debe ser suficiente para que la inyeccin no se suspenda y se pueda desarrollar en forma continua. Cada lote de cemento nuevo debe estar verificado para que cumpla con la superficie especfica seleccionada. Los cementos con mayor superficie Blaine, dentro del rango sealado antes, permiten fabricar mezclas ms estables y de mayor penetrabilidad, ya el tamao del grano de cemento es menor y se pueden inyectar fisuras ms finas. Solo en casos muy especiales se aconseja el uso de mezclas fabricadas con micro cementos ya que su costo es muy elevado y requiere de otro tipo de aditivos y forma de preparacin. Aditivos: Su presentacin es lquida y se utilizan sobre todo los de tipo superfluidizante y estabilizadores de volumen. Son productos qumicos sintticos y generalmente libres de cloruros que producen mezclas de inyeccin fluidas de alta trabajabilidad y estables. El porcentaje de aditivo empleado en una mezcla estable es variable desde 0.25 a 1 %, los ensayes de diseo de la mezcla se inician utilizando el porcentaje recomendado por el fabricante. El aditivo debe ser almacenado en un lugar cubierto ya que sus propiedades se pierden con los cambios constantes de temperatura. Orden de preparacin: la secuencia de preparacin de la mezcla es muy importante en los resultados. Se emplea un turbo mezclador al cual se van adicionando los componentes en el orden siguiente: agua, cemento y finalmente los aditivos. El tiempo de mezclado en este equipo es corto, del orden de 1 a 3 minutos, posteriormente se traslada la mezcla a los agitadores de bajas revoluciones mientras se inyecta al terreno. 18.3.3 Propiedades de las mezclas elaboradas con cemento Las propiedades que se deben medir en una mezcla estable son: Decantacin (estabilidad) Viscosidad al cono Marsh Cohesin con placa Coeficiente de filtracin Resistencia a la compresin uniaxial Las propiedades anotadas antes se verifican constantemente durante los trabajos de inyeccin, por ejemplo, 2 o 3 veces al da o bien, se puede establecer un volumen determinado de mezcla para llevar a cabo las pruebas de verificacin. Se utilizan los siguientes mtodos de ensaye para evaluarlas: Decantacin (estabilidad) consiste en colocar 300 ml de lechada en probeta de 500 ml de capacidad y medir durante 2 horas la cantidad de agua libre en la parte superior de la probeta, debiendo ser menor o igual al 5 %. Viscosidad al cono Marsh. Se define como el tiempo, en segundos, que tardan en salir 946 ml de mezcla de un embudo de dimensiones estndar (denominado cono Marsh) cuando se pusieron en el embudo 1500 ml de mezcla. Es una medida de la fluidez de la mezcla. Con


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base en la experiencia, se prefieren mezclas cuya fluidez oscile entre 20 y 35 segundos. Con ms de 35 segundos las mezclas son espesas y difciles de bombear lo que adems reduce su penetrabilidad. Cohesin con placa. Se mide por medio de una placa de acero inoxidable cuadrada de 10x10 cm y espesor de 0.4 mm rayada en ambas caras (el rayado recomienda en cuadrcula a cada 0.5 cm), se procede de la siguiente forma: se pesa la placa seca, despus se introduce totalmente en la mezcla, se saca, escurre y pesa nuevamente. Se obtiene la diferencia de los pesos seco y con mezcla y se divide entre el rea de la placa obtenindose as la cohesin en gr/cm2. Para una mezcla estable y de baja cohesin es conveniente que el valor sea menor o igual a 0.03 gr/cm2. Coeficiente de filtracin. Se obtiene a partir de la prueba de filtrado de la mezcla. Consiste en medir la cantidad de agua que se extrae de un volumen equivalente a 200 cm3 de mezcla por medio de un filtro - prensa aplicando una presin de 7 kg/cm2 durante un intervalo de 30 minutos. El coeficiente de filtracin se obtiene utilizando la siguiente frmula:

Coeficiente de filtracin = (Volumen de agua filtrada x tiempo)-0.5 / Volumen total inicial Los slidos retenidos en el papel se denomina cake y su espesor se reporta en mm. El valor del cake debe ser menor o igual a 15 mm. Resistencia a la compresin uniaxial. Consiste en aplicar un esfuerzo axial a una probeta no confinada con una velocidad de 10 kg/cm2/ min hasta la falla. La probeta debe ser cilndrica con una relacin de esbeltez de 2.0, se deben ensayar a las edades de 7 y 28 das. Las mezclas estables elaboradas con aditivos alcanzan resistencias mnimas de 100 kg/cm2 a 28 das, mientras que las elaboradas con bentonita menos de 30 kg/cm2 en igualdad de estabilidad y fluidez. 17.4 Presin de inyeccin La determinacin de la presin de inyeccin es muy importante y debe tomar en cuenta las propiedades del macizo rocoso y el objetivo que se persigue con la inyeccin. Presiones de inyeccin incorrectas pueden ser la causa de sobrecostos, prolongado tiempo de ejecucin e incluso, afectar las propiedades del terreno inyectado. En las inyecciones de penetracin, donde solo se desea rellenar los vacos del terreno, no es deseable el hidrofracturamiento, el cual se produce al aplicar altas presiones en rocas blandas, alteradas o amplias zonas de fallamiento. En las inyecciones de remplazamiento el hidrofracturamiento es necesario y se produce en forma intencional para lograr que la mezcla penetre al terreno y mejore su rigidez, en estos casos se emplean presiones de inyeccin un poco superiores a la crtica del terreno. Para el diseo inicial de una pantalla de impermeabilizacin se puede considerar una presin mxima equivalente a 1.5 a 2 veces la presin hidrulica del embalse, siempre que

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el terreno permita aplicar estas presiones sin llegar al hidrofracturarse. Si la roca es dbil se establecen presiones menores a la crtica pero se reduce el espaciamiento entre las perforaciones para que la mezcla alcance a cerrar todos los espacios. En ocasiones es necesaria la construccin de ms de un plano de impermeabilizacin cuando la roca es demasiado dbil o muy fracturada y es imposible aplicar altas presiones. 17.5 Equipo utilizado para la fabricacin de mezclas e inyeccin El equipo que se emplea para la fabricacin de las mezclas elaboradas con cemento es el siguiente: Turbo mezclador de altas revoluciones, de 1250 rpm mnimo. Mezclador de bajas revoluciones de 60 a 80rpm, se emplea para mantener en agitacin la

mezcla durante la inyeccin. Se puede adaptar para medir el volumen de mezcla inyectado.

Bombas de tornillo sinfn o de doble pistn, accionadas por medio de un gato hidrulico o

neumtico con capacidad de inyeccin de lechada variable de 0 a 60 l/min y presin ajustable de 0 a 30 o 40 kg/cm2, Figura 17.2.

a) b)

Fig. 17.2, Bombas de inyeccin: a) tipo pistn; b) de tornillo sinfn

Obturadores mecnicos, neumticos hidrulicos: de dimetro adecuado para obturar la

perforacin y de longitud y resistencia suficientes para las presiones de inyeccin especificadas. Fig. 17.3.

Manmetros registradores de paso integral, con cartula de 6 de dimetro con glicerina,

con capacidad para medir un tercio ms de cada una de las presiones de inyeccin mxima especificadas.

En la Fig. 17.4 se presenta un arreglo tpico del equipo de inyeccin.


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Fig. 17.3, Obturador neumtico y manmetro con paso integral

Fig. 17.4, Arreglo del equipo de inyeccin, Cambefort (1968) 17.6 Diseo de tratamientos 17.6.1 Pruebas de inyeccin En ocasiones es necesario realizar pruebas de inyeccin in-situ para determinar la permeabilidad natural y las caractersticas de inyectabilidad de macizo rocoso. Estas pruebas tambin permiten realizar un diseo del tratamiento acorde con las condiciones de fracturamiento existentes en el sitio. La prueba de inyectabilidad permite determinar la geometra ms apropiada de la pantalla de impermeabilizacin y/o del tapete de consolidacin, entendiendo por geometra la distribucin, direccin, inclinacin, separacin y longitud de las perforaciones, as como definir el procedimiento y presiones de inyeccin ms convenientes. En la prueba in-situ se

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utiliza la mezcla base diseada inicialmente y que es elaborada con los componentes que se dispondrn durante el trabajo definitivo. La ejecucin de una prueba de inyectabilidad, requiere primero, de la revisin y anlisis de la informacin geolgica estructural, para seleccionar el sitio de prueba que sea representativo del macizo rocoso y segundo, establecer el procedimiento de ejecucin ms adecuado con base en las propiedades de permeabilidad y resistencia del mismo. La prueba consiste, en trminos generales, en los siguientes puntos: a) Determinacin de la permeabilidad natural por medio de pruebas de agua tipo Lugeon, Lefranc o en general pruebas inyectando agua a presin. b) Inyeccin del terreno utilizando un cierto arreglo geomtrico en las perforaciones y

empleando la mezcla estable base. Las perforaciones se inyectan por etapas, a veces, es conveniente ensayar otras mezclas o realizar modificaciones conforme se obtienen los primeros resultados.

c) Registro detallado de todos los datos de la prueba, como las presiones y consumos

obtenidos en de cada tramo inyectado. d) Finaliza la prueba determinando la permeabilidad residual despus de la inyeccin

mediante pruebas con agua o bien perforando e inyectando nuevos barrenos en el rea de prueba, de tal manera que se pueda verificar la penetrabilidad de la mezcla inyectada previamente, mediante comparacin de consumos entre etapas.

e) Finalmente se analiza la informacin obtenida, para ajustar los parmetros geomtricos

del tratamiento, el proporcionamiento de la mezcla de inyeccin y definir el procedimiento de inyeccin y control ms acorde con el terreno. Dentro de estos parmetros uno de los ms importantes es la presin mxima de inyeccin.

17.6.2 Pantallas de impermeabilizacin Tienen por objeto reducir la permeabilidad del macizo rocoso y las potenciales filtraciones a travs de sus discontinuidades. Una pantalla se forma por medio de la perforacin e inyeccin de una serie de barrenos dispuestos en una o ms lneas paralelas. Las pantallas para presas se extienden por debajo el cuerpo de la cortina, desde el fondo del cauce hasta la parte alta de las laderas de apoyo o empotramiento de la estructura. Las caractersticas de una pantalla se definen por: Nmero de lneas: es el nmero de lneas que forman la pantalla de impermeabilizacin, el cual depende de la resistencia mecnica, fracturamiento y permeabilidad del terreno. Cuando es difcil aplicar altas presiones para realizar la inyeccin por que el terreno es dbil, se proyectan dos o ms lneas paralelas.


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Profundidad: depende generalmente de las condiciones geolgicas del terreno. Existen casos extremos donde la roca present muy baja permeabilidad y no se requiri de pantalla, mientras que en otros las condiciones geolgicas eran muy desfavorables e involucraban zonas profundas con alta permeabilidad que result la profundidad de pantalla mayor que la misma cortina. Para definir esta caracterstica, resultan imprescindibles las perforaciones exploratorias con ensayes de permeabilidad y/o las pruebas de inyectabilidad antes descritas.

Fig. 17.5, Secuencia de perforacin e inyeccin de barrenos de pantalla, Cambefort (1967)

Cuando existen dudas acerca de la permeabilidad del terreno a profundidad, se proyectan las pantallas de tal forma que las primeras perforaciones sean ms profundas que las siguientes,con separacin de 12 o 24 m entre ellas para que sirvan como barrenos exploratorios. En ellas se efectan pruebas de permeabilidad antes de ser inyectadas y en caso necesario, los barrenos subsecuentes se profundizan hasta las zonas de alta permeabilidad. Inclinacin del plano de pantalla: la superficie hipottica que forma el conjunto de las perforaciones de inyeccin se denomina plano de pantalla. Sin salirse de este plano las perforaciones pueden tener una inclinacin distinta, con el objeto de cruzar las principales discontinuidades. La inclinacin del plano de pantalla generalmente vara desde la vertical hasta 5 o 10 con respecto a sta y hacia aguas arriba. El objetivo de esta inclinacin es de que la resultante del empuje hidrosttico sobre la pantalla tenga una direccin hacia el interior del macizo rocoso. Inclinacin y direccin de las perforaciones: Estas caractersticas de la pantalla dependen de la densidad, rumbo y echado de las discontinuidades. La direccin de las perforaciones se proyecta de tal forma, que estas crucen el mayor nmero de discontinuidades y en la forma ms apropiada, para que la mezcla de inyeccin penetre en los huecos con facilidad. El ideal sera que las perforaciones atravesaran los

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planos en forma normal, lo cual es poco factible de lograr en todos los casos, pero ngulos hasta de 60 entre la discontinuidad y el barreno, son aceptables. Separacin de barrenos: la separacin entre las perforaciones se establece en funcin de la penetrabilidad de la mezcla y de la resistencia mecnica del macizo.

En rocas muy fracturadas la separacin entre los barrenos se reduce, ya que no es posible aplicar presiones de inyeccin altas sin correr el riesgo de provocar su hidrofracturamiento. Valores tpicos de separacin final de barrenos son de 2 a 3 m en rocas con fracturamiento regular (RQD entre 50% y 80%). Durante la construccin, el consumo de mezcla inyectada en cada etapa, permite establecer la densidad de barrenos y la separacin final entre ellos, para que se garantice el sellado total de las fracturas. Etapas de inyeccin: la perforacin e inyeccin de los barrenos se realiza por etapas con el objeto de lograr la impermeabilizacin progresiva de las fracturas en el terreno. En la primera etapa la separacin entre los barrenos es generalmente de 10 a 12 m, los barrenos se inyectan en toda su longitud en tramos de 5 m. En la segunda etapa, se perforan a 5 o 6 m de separacin y se inyectan los barrenos que quedan situados al centro de los de primera etapa. La tercera etapa de barrenos se realiza colocndolos al centro de los de segunda etapa, o sea 2.5 o 3m de separacin. Por lo general esta etapa es la ltima que se realiza en forma sistemtica. Solo se perforan e inyectan barrenos adicionales en aquellas zonas donde los consumos de mezcla hayan sido altos. Se considera que un consumo es alto cuando se superan 20 kg de cemento por metro de perforacin inyectada. Esta cifra es convencional ya que se han empleado en varios casos valores de hasta 50 kg/m, siempre tomando en consideracin las propiedades mecnicas del terreno. Las pruebas de inyectabilidad permiten establecer con ms seguridad este lmite de consumo. Su importancia estriba en que de l depende la ejecucin de perforaciones de inyeccin adicionales, que se traducen en mayor tiempo y costo de la obra. Forma de inyeccin: la inyeccin de los barrenos se puede realizar siguiendo el mtodo de progresiones ascendentes o descendentes. Fig. 17.6. El primer mtodo se aplica cuando el terreno donde se ha realizado la perforacin est muy fracturado y provoca que las paredes de la perforacin no sean estables. Se perforan una progresin de 5 m de longitud, se inyecta y se vuelve a perforar el siguiente tramo inferior, avanzando en esta forma hasta que se encuentra roca ms estable. El segundo mtodo se aplica cuando la perforacin es estable y permite ser perforado a toda su longitud, entonces la inyeccin se realiza a partir del fondo hacia arriba, avanzando en tramos de 5 m de longitud.


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Fig. 17.6, Inyeccin por medio de progresiones ascendentes y descendentes

Durante la inyeccin de cada progresin se lleva un registro de la presin y del consumo de mezcla, tambin se elaboran grficas de control que permiten conocer el comportamiento del terreno y decidir los cambios necesarios en la presin, con el objeto de evitar el hidrofracturamiento del terreno lograr el correcto inyectado del tramo. 17.6.3 Tapetes de consolidacin Tienen por objeto mejorar las propiedades mecnicas de la roca bajo la cimentacin de la estructura civil, con el objeto de reducir las deformaciones producidas por los esfuerzos transmitidos, adems de mejorar la permeabilidad del terreno al sellar las fracturas. Tambin se realiza la consolidacin de la roca alrededor de tneles que trabajan a presin.

Fig. 17.7, Etapas de inyeccin de un tapete de consolidacin, Cambefort (1967)

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Cuando la roca es masiva y ocasionalmente presenta fracturas importantes, el tratamiento se limita al inyectado de stas. Cada una se intercepta con barrenos perforados a ambos lados de la grieta y se inyectan. En un macizo rocoso con fracturamiento sistemtico se proyectan el tapete de consolidacin en toda el rea y a una profundidad mxima 10 m. Las perforaciones pueden ser verticales o inclinadas y dispuestas en una retcula cuadrangular o en tresbolillo, Fig. 17.7. Las caractersticas de un tapete de consolidacin se definen por:

Profundidad: la profundidad del tapete de consolidacin depende de las condiciones geolgicas del terreno. Por lo general este tratamiento se reduce a 5 m en terrenos poco fracturados y a 10 m donde el fracturamiento y la alteracin de la roca son ms intensos. Inclinacin y direccin de las perforaciones: estas caractersticas dependen de la densidad y del rumbo y echado de las discontinuidades. De la misma forma que en el caso de una pantalla de impermeabilizacin, la direccin de las perforaciones se proyecta de forma que crucen el mayor nmero de discontinuidades. Separacin de barrenos: los barrenos se disponen en una retcula cuadrangular, la separacin entre las perforaciones tambin depende de las condiciones geolgicas del terreno. En macizos rocosos muy fracturados la separacin entre los barrenos se reduce a 2 o 3 m, ya que no es posible aplicar presiones de inyeccin elevadas, mientras que en terrenos menos fracturados la separacin puede ser de 5 a 6 m. Etapas de inyeccin: la inyeccin tambin se realiza por etapas. En la primera se inyectan los barrenos de las esquinas de cada cuadrado de la retcula, los barrenos se inyectan en tramos de 5 m de longitud. En la segunda etapa, se perforan e inyectan barrenos situados al centro de cada cuadro y en la tercera etapa los barrenos situados en la parte media entre los barrenos de primera etapa. Esta etapa es la ltima que se realiza en forma sistemtica, solo se perforan e inyectan barrenos adicionales en aquellas zonas donde los consumos de mezcla hayan sido altos, utilizando el mismo criterio aplicado para las pantallas impermeables.

17.6.4 Inyecciones de relleno Cuando en el macizo rocoso existen grandes cavidades, como las producidas por la disolucin en rocas calizas o las cavernas que presentan muchos derrames de lava en rocas gneas extrusivas, el relleno es indispensable si se quiere construir sobre ellas una estructura civil. Por lo general una vez rellenadas en su mayor volumen estas cavidades, se realizan inyecciones adicionales para impermeabilizar o consolidar el terreno as como para sellar los contactos y lmites de la cavidad.


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El relleno de cavidades grandes y cuya geometra es bien conocida con anticipacin, se pueden realizar introduciendo directamente en la cavidad materiales granulares, los cuales son cementados posteriormente por medio de la inyeccin de una mezcla fluida introducida por medio de tubos dejados ex profeso. Cuando este no es el caso, el relleno se realiza empleando una mezcla gruesa, tipo mortero de cemento fabricada con agregados de arena y gravilla. Tambin se han utilizado, en muchas ocasiones, concreto pobre para lograr el relleno ms voluminoso y despus empleando mezclas tipo lechada para el sellado final. Si hay flujo de agua a travs de fracturas grandes y de las cavidades el relleno y sellado es muy difcil, ya que la mayora de las mezclas normales son deslavadas, erosionadas o arrastradas antes de que logren depositarse y alcanzar cierta resistencia. En estos casos es necesario recurrir a mezclas especiales de cemento, o al uso de asfalto caliente introducido al terreno en forma an lquida o bien a productos qumicos del tipo polmeros que reaccionan y se expanden al contacto con el agua. La tcnica consiste en lograr un taponamiento local de la cavidad o fractura disminuyendo el flujo de agua a tal grado, que permita la inyeccin de mezclas de cemento gruesas para realizar el relleno principal sin que sean arrastradas o erosionadas, posteriormente se inyectan y sellan los contactos con mezclas normales tipo lechada.

Fig. 17.8, Inyeccin de relleno de oquedades de grandes, Cambefort (1967)

En la Fig. 17.8 se muestra un proceso de relleno de cavidades donde el flujo de agua es mnimo o nulo. Para que la mezcla no se desplace ms all de la zona de importancia, la mezcla se introduce por etapas y volumen definido. Entre cada etapa se deja pasar tiempo suficiente para que la mezcla colocada previamente endurezca y as limitar el desplazamiento lateral excesivo.

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17.6.5 Inyecciones de contacto Es un tipo particular de inyecciones de relleno. El objetivo son las oquedades o fisuras que han quedado entre el concreto o placas metlicas y la roca. Estos casos se presentan frecuentemente en los revestimientos de tneles (Fig. 17.9) o lumbreras, losas o zapatas de cimentacin de edificios y puentes, plinto de presas de cara de concreto, cimentacin de presas de tipo rgido y en los tapones de concreto para el cierre definitivo de tneles de desvo. Las inyecciones de contacto tienen como objetivo el evitar o reducir flujo de agua o bien asegurar la transmisin de esfuerzos entre la estructura y la roca. Las presiones de inyeccin se limitan generalmente para que no se levante, mueva o dae la estructura de concreto y tambin para evitar el hidrofracturamiento de la roca que ocasionara la inyeccin de mezcla al terreno en forma innecesaria.

Fig. 17.9, Inyeccin de contacto concreto roca en la bveda de un tnel 17.7 Mtodos de inyeccin y control del proceso 17.7.1 Mtodo de inyeccin convencional Consiste en definir una presin mxima de inyeccin o tambin llamada de rechazo y el empleo varias mezclas tipo lechada con un proporcionamiento cada vez menor de agua (4:1, 3:1, 2:1, etc.), que se cambian conforme el consumo de mezcla en el tramo inyectado alcanza un volumen especificado. La cohesin de estas mezclas va aumentando de una a la siguiente y en algn punto la resistencia al flujo por cohesin detendr el proceso de inyectado. Una vez alcanzada la presin de rechazo, se mantiene el tiempo necesario hasta que el consumo de mezcla sea


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muy bajo, si esto no ocurre durante la inyeccin de una mezcla delgada se procede a cambiar a una ms espesa, llegando inclusive a la inyeccin de morteros. En las inyecciones de penetracin la presin de rechazo es un parmetro crtico ya que un valor mal establecido puede provocar el hidrofracturamiento sistemtico del terreno, con desventajas econmicas y de tiempo. Al emplear varias mezclas de inyeccin con diferente proporcionamiento, adems de los problemas asociados a su comportamiento reolgico, se pierde ms tiempo en preparacin. 17.7.2 Mtodo GIN (presin y volumen constante) Este mtodo permite reducir y evitar casi totalmente el problema de hidrofracturamiento si se establecen adecuadamente los parmetros de control. Las pruebas de inyectabilidad permiten conocer aproximadamente estos parmetros, junto con la informacin geolgica y de mecnica de rocas del sitio, para asegurar que los lmites de presin y volumen de la curva GIN sean apropiados a las caractersticas del terreno y tambin para evaluar la necesidad de diferentes curvas GIN en diferentes partes de la obra. Mediante las grficas Presin Volumen (curva GIN), Gasto - Tiempo y Presin Tiempo, que se elaboran en tiempo real, es posible llevar un registro de todo el proceso de inyectado y controlarlo manipulando la presin. Se controla el proceso por medio de una computadora de campo, para seguir en tiempo real la trayectoria de la curva P-V sobre la curva GIN seleccionada y para indicar la terminacin del inyectado, utilizando adems las curvas Gasto - Tiempo y Presin Tiempo. Durante toda la inyeccin se procura emplear una sola mezcla de tipo estable y de baja cohesin. Antes de dar inicio a la inyeccin es conveniente asegurar que el terreno tenga suficiente humedad para evitar que este absorba el agua de la mezcla, de lo contrario se provocaran deficiencias en el tratamiento del terreno. Se satura solo la roca localizada arriba del nivel fretico. La saturacin se hace a travs del propio barreno antes de ser inyectado con mezcla y en tramos de longitud variable. La inyeccin se suspende cuando la trayectoria de la curva de inyectado alcanza la curva GIN o cuando se alcanza la presin mxima preestablecida, en ambos casos, el consumo de mezcla debe ser bajo (menos de 5 l/min) o nulo. Tambin se suspende la inyeccin cuando se alcanza un volumen mximo de inyeccin, que es indicador de una fractura abierta, en este caso, se suspende temporalmente la inyeccin para reiniciarla posteriormente, Fig. 17.10.

Los resultados del tratamiento se presentan en forma estadstica para asegurarse de un cierre progresivo de las fisuras de la roca.

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Fig. 17.10, Grficas de control empleadas en el procedimiento de Presin - Volumen constante, Cambefort (1967)

17.8 Verificacin del tratamiento En las zonas tratadas por medio de inyecciones y en especial aquellas en donde se tuvieron muy altos consumos de mezcla (ms de 50 kg de cemento por metro), es necesario realizar ensayes de inyeccin de agua para verificar el grado de impermeabilizacin alcanzado. Pruebas tipo Lugeon o Lefranc se pueden ejecutar en esos sitios para medir la permeabilidad residual. La verificacin se realiza tambin perforando e inyectando barrenos adicionales, cuidadosamente localizado y orientados para atravesar la zona donde hubo alto consumo. En la actualidad, es la forma de verificacin ms empleada. 17.9 Caso prctico Presa Aguamilpa. Esta presa de 180 m de altura, propiedad de la Comisin Federal de Electricidad, es la ms alta de tipo enrocamiento con cara de concreto en el mundo. Su llenado se inici en el ao de 1993, Fig. 17.11.

En esta presa se aplic por primera vez en Mxico el mtodo de inyeccin GIN, con resultados muy exitosos, ya que las filtraciones a travs de la pantalla impermeable escasamente alcanzan los 5 l/s en total. La roca de cimentacin es una ignimbrita de edad terciaria de alta resistencia. Localmente se dividi en dos unidades litolgicas, la ms extendida en la boquilla es la unidad Aguamilpa, mientras que la unidad Colorines solo aflora en la parte alta de la margen


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derecha. La unidad Aguamil

manual geotecnia smms tomo ii

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