Sociedad Mexicana de

Ingeniería Geotécnica, A.C.

XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica

Noviembre 14 a 16, 2012 – Cancún, Quintana Roo

Sistema de Inyección para GeotecniaGrouting System for Geotecnics

Francisco BLANCO1, Juan Carlos MENDIOLA2

1Tecnosuelo S.A. de C.V.2Tecnoindustria S.A.

RESUMEN: En diversos proyectos de geotecnia tales como estabilidad de taludes, consolidación o mejoramientos de suelos e impermeabilización de macizos rocosos se requiere de tratamiento de inyección. Por ello los equipos de alto desempeño que garanticen una lechada en las proporciones y mezclado adecuados así como conservación y correcta aplicación son esenciales. Mención importante son los sistemas de instrumentación y registro que permiten dar seguimiento al proceso de inyección en todas sus etapas y garantizar la calidad y el éxito del proyecto. El equipo a utilizar puede consistir desde componentes independientes interconectados entre si, hasta una unidad de inyección completa en un solo grupo funcional. Los principales equipos que son necesarios para desarrollar esta actividad son: mezcladores; donde se preparan las mezclas que serán inyectadas y que emplean métodos de mezclado de alta eficiencia como el corte hidráulico, los agitadores; que mantienen la mezcla en sus condiciones mientras es inyectada empleando impulsores en configuraciones normalizadas y las bombas que realizan el trabajo de inyectar la mezcla en los lugares prestablecidos con la presión y gasto adecuados para cumplir con el diseño del proyecto, además del equipo de control, medición y registro; que permite controlar, medir y registrar las variables de presión, caudal y volumen que han sido determinadas para cumplir con las especificaciones de diseño para el proyecto en particular y asegurar el seguimiento y control de calidad

ABSTRACT: In various geotechnical projects such as slope stability, consolidation or improvement of soil and rock masses waterproofing is necessary the injection treatment. So equipment that ensure high performance grouting with mixing in appropriate proportions, conservation and proper application are essential. Mention important are the instrumentation and recording systems that allow to monitor the injection process at every stage and ensure the quality and success of the project. The equipment used may consist from separate components interconnected, to a complete injection unit in a single functional group. The main equipment necessary for this activity are: mixers; where mixtures are prepared to be injected and mixing methods employing high efficiency hydraulic shear, agitators, in maintaining the mixture with the right conditions while it is injected using impellers in standard configurations and pumps that do the work of injecting the mixture into preset locations with adequate pressure and flow to meet the project design, as well, measurement and recording control equipment, that allows you to control, measure and record variables of pressure, flow and volume that have been determined to meet the design specifications for the particular project and ensure the monitoring and quality control.

1 GENERALIDADES1.1 IntroducciónEn la actualidad es difícil concebir ciertas obras civiles sin utilizar algún tipo de tratamiento por inyección. Desde el tratamiento de la cimentación de una presa hasta el control de filtraciones durante la construcción de túneles requieren de la aplicación de alguna técnica de inyección.

Existen técnicas muy distintas que se engloban dentro inyección; siendo su definición la introducción de una mezcla dentro de una masa de suelo o roca. Por ejemplo tenemos la inyección por filtrado para rellenar las fisuras en las rocas con la finalidad de generar una pantalla impermeable o la inyección de suelos blandos por fracturamiento hidráulico con la finalidad de generar un conjunto suelo lechada con

mejores propiedades mecánicas. En todos los casos interviene: Un fluido o mezcla con ciertas propiedades

reológicas en estado líquido y propiedades hidráulicas y mecánicas en estado solido.

Un suelo o roca con ciertas propiedades hidráulicas y mecánicas no homogéneas y cuyo conocimiento es limitado. En cuanto a tener un control del proceso se

puede actuar únicamente en las características de la mezcla o lechada, así como en los parámetros de inyección; presión y gasto. De ahí nace la importancia de llevar un control estricto sobre las mezclas y lechadas, siendo elementos importantes: Proporción de la mezcla Homogeneidad de la mezcla Flujo de inyección Presión de inyección

SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.

2 Título del trabajo

Al ir realizando el proceso de inyección con una misma mezcla, indirectamente se pueden deducir desviaciones del medio (permeabilidad de la roca, resistencia del suelo, etc.) y poder realizar conclusiones o definir ensayes particulares para acotar causas de estas desviaciones. Una vez relacionadas estas desviaciones con cambios de propiedades del medio, se va recopilando en cada proceso de inyección información sobre el suelo o roca cuya importancia radica en llegar a los objetivos planteados en la inyección, siendo un buen tratamiento de inyección un sistema retroalimentado.

Esto es válido si se tienen los medios necesarios para asegurar la fabricación consistente de las mezclas. En el caso de las lechadas de cemento esto radica en: Asegurar las proporciones de los materiales Tener un equipo de mezclado que elimine grumos

y genere una mezcla homogénea Asegurar que durante la inyección no se degrade

o segregue la lechada.Por otro lado el equipo de bombeo debe de

mantener ya sea el flujo o la presión establecida durante el proceso para poder comparar eventos. También el uso de sistemas de adquisición de datos y su procesamiento informático representan eficiencias al poder analizar el comportamiento del suelo o la roca y de esta forma tomar decisiones sobre el tratamiento de inyección a continuar.

Presentamos a continuación los avances que hemosgenerado en los equipos para el mezclado, agitado y bombeo de lechadas base cemento los cuales tienen por objeto obtener mejores resultados y controles de calidad en el tratamiento de inyección.

2 MEZCLADOR DE CORTE HIDRÁULICO

2.1 NecesidadObtener la hidratación plena de toda la mezcla y una suspensión estable, mediante la creación de altas fuerzas de corte dentro del mezclador para separar las partículas individuales unas de otras en el menor tiempo posible y con la máxima eficiencia.

2.2 ConceptoPara lograr el efecto del corte hidráulico se utilizan normalmente en la industria sistemas consistentes de un rotor y un estator ranurado, el rotor tiene paletas que al girar impulsan el líquido hacia las paredes del rotor con un espaciamiento muy reducido que hace la función de un molino y el líquido o mezcla pasa a través de las ranuras del estator. El funcionamiento lo podemos describir en tres etapas que se aprecian en las Figuras 1-3.

2.3 Etapa 1, SucciónLa alta velocidad de rotación de las paletas del rotor, ejercen una potente succión, llevando el agua y los materiales sólidos al ensamble rotor/estator. Ver Figura 1.

Figura 1. Succión del agua y materiales sólidos

2.3.1Etapa 2, Acción de molinoEntonces la fuerza centrífuga conduce los materiales hacia la periferia de la cabeza de trabajo donde se sujetan a una acción de molino entre los extremos de las paletas del rotor y la cara interna del estator. Ver Figura 2.

Figura 2. Acción de molino

2.3.2Etapa 3, Corte hidráulicoEsto es seguido por un intense corte hidráulico

conforme los materiales son forzados, a alta velocidad, a través de las perforaciones del estator, luego a través del conducto de salida y por la tubería de recirculación. Al mismo tiempo, se van integrando nuevos sólidos en la cabeza de trabajo, manteniendo el ciclo de mezclado y bombeo. Ver Figura 3.

SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.

(sólo poner primer autor, ver ejemplo) APELLIDO Inicial del nombre et al. 3

Figura 3. Corte hidráulico

2.4 AccionamientoAplicando el concepto de “Bomba de Monobloque” o de “Acoplamiento directo”, donde la bomba utiliza un impulsor accionado mediante un adaptador a la flecha del motor directamente acoplado al motor eléctrico. El cabezal de la bomba es soportado por un adaptador posterior atornillado directamente a la brida del motor. La bomba es soportada por la base del motor, atornillando este último al soporte estructural donde se instalará la bomba. Ver Figura 4

Figura 4. Ejemplo de mezclador de corte hidráulico

2.5 Flujo y almacenamiento de datosEs de vital importancia que el mezclado sea homogéneo y repetible de lote a lote, y que se lleve un registro claro de las condiciones en que se ha efectuado, para ello es necesario contar con sistemas que permitan hacer que los procesos sean repetibles, controlando, la velocidad del mezclado y el tiempo adecuado de cada lote de producción.

Utilizando los modernos sistemas de control y registro cumplimos con esa importante necesidad.

3 AGITADOR

3.1 FunciónEl Agitador sirve como depósito acumulador entre las mezcladoras y las bombas de inyección, lo que permite una inyección continua. Tiene unas aspas agitadoras de baja velocidad donde las suspensiones de lechada se mantienen en las mismas condiciones por un periodo de tiempo similares a cuando salieron del mezclador, homogenizando la mezcla continuamente y removiendo las burbujas de aire que pudieran generarse.

3.2 ConceptoPara cumplir con la función de mantener la mezcla de líquido y sólidos en suspensión homogeneizada y con las características de diseño por un tiempo establecido se requiere que el agitador cumpla con ciertas características como se trata a continuación.

h3

h2d2

h1

d1

Figura 5. Dimensiones según DIN 28131

3.2.1NormatividadLa norma DIN 28131, establece los requerimientos dimensionales y operativos de los agitadores donde se establecen las relaciones entre el diámetro del tanque, el diámetro del impulsor, el ancho de las paletas, la altura de impulsor al fondo y el nivel de la mezcla en el tanque. Estas relaciones sirven como guía para obtener los parámetros de funcionamiento óptimos para cada tipo de mezcla. En la Figura 5 se muestra un esquema con las variables mencionadas.

Y se tienen presentes las siguientes relaciones: h1/d1=1.0 d2/d1=0.33 h2/d1=0.33 h3/d2=0.15 – 0.3

SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.

4 Título del trabajo

3.2.2Tipo de agitador adecuadoDe acuerdo con las recomendaciones de la norma para la función de “suspensión” es adecuada la utilización de un agitador de flujo axial, donde existen dos tipos que se diferencian por el tipo de impulsor utilizado: de hélice o de palas inclinadas ilustradas en la Figura 6.

Figura 6 Tipos de impulsor adecuados para suspensiones

4 BOMBA DE INYECCIÓN

Las bombas de inyección por pistón, son robustas, confiables, controladas por un controlador lógico programable; utilizadas en los procesos de tratamiento y consolidación de suelos, inyección para perforación, etc.

4.1 Características Inyección a alta y baja presión Sistema de control automático de presión Registro y monitoreo de parámetros de presión y

gasto Contador de ciclos de operación Control remoto de Turbomezclador y agitador

para formar una unidad completa de inyección Programación de parámetros límite alcanzados,

presión/gasto/volumen

4.2 Instrumentación Sensor de presión local y remoto Medidor de flujo local y remoto Sensor de presión local y remoto

4.3 Regulación automática de la presiónSi la presión alcanza el valor prefijado la bomba sigue inyectando solo la cantidad que el suelo absorbe a esa presión. En el momento que no hay más absorción la bomba se para automáticamente y mantiene la presión durante el tiempo requerido. Al mismo tiempo se puede utilizar esta regulación de presión como control remoto montando al final de la línea de presión una válvula de cierre para parar y arrancar la bomba.

4.4 Regulación del caudalLa regulación del caudal incorporada permite ajustar el caudal máximo. Así se puede inyectar en formaciones delicadas con una velocidad de flujo baja, evitando la erosión del suelo o segregaciones prematuras del material inyectado. La regulación con progresión continua del caudal en combinación con el sistema de regulación de presión permite trabajar con algoritmos de inyección como el método GIN “Grouting Intensity Number”

5 SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS Y CONTROL DE INYECCIÓN

5.1 AplicaciónEn un Sistema de Adquisición control y registro de presión y caudal para aplicación de inyección de suelo roca en cielo abierto o en túneles. Graficado en tiempo real de los parámetros de inyección y grabado para su posterior análisis y reportes. Se compone de 3 elementos: Módulo de Adquisición de datos, se instala uno

por cada frente de Inyección. Comunicación: por telemetría, cable o una

combinación de ambas. Centro de Control remoto de Inyección puede

gestar 15 módulos

5.2 Características Sistema no invasivo. Diseñado para operar en ambiente agresivo. Caudal por medio de medidor de flujo

electromagnético; error +1% Presión con transductor protegido a través de

pasaje integral. Teclado para ingresar parámetros de lechada y

ubicación como barreno y progresión. Pantalla para visualizar valores de presión,

volumen y flujo y graficar los mismos. Opción de control de la bomba o en su caso

alarmas y advertencias. Control de hasta 15 equipos Visualización en tiempo real de parámetros

relevantes curvas GIN, presión o caudal contra volumen o tiempo, pudiendo adecuarse la presentación a sus necesidades.

Ajuste de alarmas para facilitar tomo de decisiones.

Registro de datos para su posterior análisis y reportes; exportación de los mismos.

6 CONCLUSIONES

Para tener un sistema de inyección confiable que responda a los requerimientos actuales de

SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.

(sólo poner primer autor, ver ejemplo) APELLIDO Inicial del nombre et al. 5

operación, eficiencia y registro de datos es necesario que los equipos de las unidades de inyección como son los mezcladores, agitadores y bombas cuenten con tecnología moderna que hagan cumplir su función. Parte primordial es el sistema de registro y adquisición de datos en tiempo real que permite, aparte de registrar los datos, controlar también en tiempo real el funcionamiento de los equipos y del proceso de inyección.

REFERENCIAS

Perry, R.H. y C.W. “Perry´s Chemical Engineering Handbook”, 6th Edition, 1984, Mc Graw-Hill

Ansó Sonia, Barge Elena y Demming Stefanie “Estudio teórico experimental de la agitación”, Área de mecánica de fluidos. Universidad de Zaragoza, 2004

DIN 28131 Agitators and baffles for agitator vessels; types, terms and main dimensions. 1992-09

Lombardi, G y Deere, D. (1993) Groting Design and Control Using the GIN

SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.