inyecciones - jose santos

INYECCIONESINYECCIONES

José Santos SánchezJosé Santos Sánchez

Ingeniero de Caminos, Canales y Ingeniero de Caminos, Canales y PuertosPuertos

MÁSTER UNIVERSITARIO DE MÁSTER UNIVERSITARIO DE MECÁNICA DEL SUELO E INGENIERÍA MECÁNICA DEL SUELO E INGENIERÍA

GEOTÉCNICA.GEOTÉCNICA.

7 de mayo de 20147 de mayo de 2014

ÍNDICE GENERALÍNDICE GENERAL

1.- DEFINICIÓN Y ANTECEDENTES1.- DEFINICIÓN Y ANTECEDENTES

22.- MATERIALES DE INYECCIÓN.- MATERIALES DE INYECCIÓN

33.- TIPOS DE INYECCIONES.- TIPOS DE INYECCIONES

44.- PROCESOS DE INYECCIÓN.- PROCESOS DE INYECCIÓN

5.- UN CASO PRÁCTICO: 5.- UN CASO PRÁCTICO: Inyecciones de silicato de gel en Inyecciones de silicato de gel en metro de Madridmetro de Madrid

1.- DEFINICIÓN Y ANTECEDENTES1.- DEFINICIÓN Y ANTECEDENTES

DEFINICIÓN Y ANTECEDENTES

• Inyección:

Consiste en la introducción en el terreno, mediante procedimientos y técnicas diversas, de un material que proporcione una gran mejoría (rellenando huecos, desplazando el terreno existente o creando mediante mezcla con el terreno un nuevo material), en uno o varios de los siguientes aspectos:

– Características geotécnicas resistentes

– Reducción de su deformabilidad

– Mejora en la impermeabilización

DEFINICIÓN Y ANTECEDENTES

• Requerimientos:– Sondeos o perforaciones que permitan alcanzar la zona a tratar– Preparación de la mezcla a inyectar con características de fluidez y

viscosidad adecuadas.– Medios para la inyección:

• Bombas de impulsión y medios de transporte (tuberías)• Equipos de control de parámetros de inyección (sobre todo presión –

manómetros- y caudal –caudalímetro-)• Obturadores, manguitos y demás medios auxiliares para la concentración o

dispersión de la inyección en la zona a tratar.

• Avances en el ámbito de la inyección: Consisten básicamente, en la experiencia acumulada y en el progreso tecnológico y de organización en este campo, como :

– Mejoras en las técnicas de perforación (en cualquier terreno, en cualquier dirección, sin desviaciones notables)

– Existencia de mezclas y lechadas de diversa fluidez, expansividad, y características mecánicas diversas (blandas,plásticas, elastoplásticas, duras, resistentes, etc)

– Mejora e innovación en los equipos de control de las distintas fases de la inyección

2.- MATERIALES DE INYECCIÓN2.- MATERIALES DE INYECCIÓN

1. MEZCLAS A BASE DE CEMENTO

1.1 Clasificación. Características generales.

1.2. Suspensiones inestables. Mezclas de cemento puro

1.3 Suspensiones estables

A) Mezclas de cemento-bentonita

B) Suspensiones de arcilla-cemento o inyecciones en suspensión

2. MEZCLAS DE CEMENTO ESPECIAL. MICROCEMENTO

3. MEZCLAS QUIMICAS O SOLUCIONES PURAS

3.1 Geles de sílice

3.2 Otros geles

3.3 Resinas

ÍNDICE

• Constituídas por cemento y agua sólo, o adicionalmente con otros productos como bentonita y arcilla (estabilidad) o productos inertes como la arena (como elemento de carga)

• Es la más empleada

• Ventajas: obtención rápida, rendimiento reproducible, alto límite elástico, más económica

• Inconvenientes: Lenta ganancia de resistencia, y baja penetración en suelos de baja permeabilidad por su tamaño de partícula.

• En sistemas en suspensión, la penetrabilidad depende del tamaño y forma de las partículas, de su estabilidad, de la tixotropía y la concentración (el más determinante)

• La plasticidad, resistencia última y tiempo de fraguado dependen de la relación agua cemento.

1. MEZCLAS A BASE DE CEMENTO.

1.1. Clasificación. Características generales

• Aditivos inertes formando lechadas con carga (arena, arcilla, cenizas volantes y puzolanas) para ahorra cemento y disminuir costes

• Aditivos reactivos: Tales como cenizas volantes pulverizadas (CVP) o polvo de sílice, que mejoran las propiedades cementantes de la lechada endurecida, las propiedades de fluidez para la penetración

• Reactivos quimicos: Compuestos solubles en agua que empleados en cantidades muy pequeñas modifican significativamente las propiedades de la lechada.:– Aceleradores para reducir el tiempo de fraguado– Retardadores que retrasan el tiempo de fraguado– Lubricantes para aumentar la fluidez– Coloides protectores para minimizar la segregación– Materiales expansivos para reducir la retracción de fraguado– Productos que reducen la cantidad de agua en la relación agua/cemento

• Hay que tener precaución en el uso de los aditivos, para evitar efectos no deseados.


1.1. Clasificación. Características generales

• Suspensiones Inestables: Mezclas de cemento puro diluído con agua (únicamente) en exceso en distintas proporciones (no homogéneas salvo las mantenidas en agitación)

• Su velocidad de flujo disminuye rápidamente a medida que aumenta la dsitancia de perforación a la zona de inyección, sedimentando las partículas en una proporción que disminuye con la relación de A/C de la mezcla.

• El efecto de la sedimentación depende del tipo de cemento y de la dilución

• Generalmente se inicia la inyección con una lechada bastante fina, y se observa el comportamiento, modificando si fuera necesario , la proporción

• Se utilizarán tuberías inyección de pequeño diámetro (hasta 25 mm), para evitar taponamientos por decantación (al aprovechar el flujo turbulento) , que pueden llevar incluso a la necesidad de reperforar para continuas con la inyección.

• Constituye un método barato y eficaz de inyección en terrenos que no presenten grandes dificultades, y además presentan resistencias mecánicas muy elevadas


1.2. Suspensiones inestables (Mezclas de cemento puro)

• Suspensiones Estables: Mezcla en agua de cemento y arcilla o bentonita, y eventualmente un aditivo, que no presentan decantación apreciable durante la inyeccción

A)Mezclas de Cemento-Bentonita

• La bentonita es el principal aditivo para mejorar la estabilidad y penetración de la mezcla de cemento

• La proporción adecuada es de 2-5% de bentonita sódica.

• Al mezclarse con cemento, se produce un cambio químico a bentonita cálcica, lo que hace flocular la mezcla (previene la sedimentación del compuesto, y estabiliza el fluido)

• La lechada completa fragua formando un sólido cementante duro.

• Tiene caracteristicas lubricantes que permiten su bombeo en suspensiones de baja relacion A/C.

• La adición de bentonita reduce la resistencia y aumenta la plasticidad de la mezcla.


1.3. Suspensiones estables:

B) Suspensiones de Arcilla-Cemento, o inyecciones en suspensión

• Compuestas generalmente de cemento portland con relacion A/C entre 10 y 2,55, y un lodo de arcilla.

• La arcilla aumenta el contenido de finos y mejora la capacidad de penetrar en el terreno.

• Se reduce el consumo de cemento, y mejora la estabilidad y viscosidad de la suspensión (en menor medida que la bentonita)

• Otras ventajas:– Mejora la impermeabilidad– Mejora la resistencia al lavado– Permite obtener amplias gamas de resistencia mecánica

• Inconvenientes:– El desarrollo de resistencia por parte de la mezcla es lento y no presenta un

tiempo de fraguado bien definido.• Aplicaciones:

– Para impedir la circulación de agua, y como inyecciones en terrenos de rocas fisuradas o con grandes cavidades o muy porosas.

– En inyecciones que fragüen casi sin aumento de agua o incluso sin ésta (ocupa totalmente los huecos durante la primera operación de inyección, evitando reperforaciones y reinyecciones)


1.3. Suspensiones estables:

• El polvo de cemento microfino (PCM) o microcemento consiste en un cemento de una finura aproximadamente 1,7 veces menor a a del cemento portland ordinario(CPO)

2. MEZCLAS DE CEMENTO ESPECIAL. MICROCEMENTO

Características físicas del PCM

• Las inyecciones con microcemento pueden ser tratados como un proceso de filtración a través de una matriz granular

• Permiten mayor alcance en la penetración y mejorar la distribución de la inyección a través del medio poroso.

• Precisan un agente dispersante.

• La hidratación se produce en dos fases: Dilución e hidrólisis.

• La inyección de microcemento mejora las propiedades quimicas del medio inyectado.

• Su uso mejora la viscosidad, floculación y la sedimentación.

• Indicadas para el tratamiento de todo tipo de cimentaciones en el terreno.

• Desventajas: Elevado coste (comparables al de las inyecciones quimicas)

• Inicialmente, están constituidas de geles de sílice tales como silicatos de sodio y de potasio, aunque van apareciendo constantemente productos nuevos, o derivados de otros ya conocidos (productos quimicos y reactivos o resinas, o productos hidrocarbonados en solución o emulsión), y un reactivo (cloruro cálcico)

3. MEZCLAS QUÍMICAS O SOLUCIONES PURAS.

3.1. Geles de sílice

• Se consideran soluciones puras sin partículas en suspensión (a no ser que se añadan por algún objetivo concreto).

• Tienen muy baja viscosidad (cercana a la del agua) por lo que puedes penetar en arenas finas y limos arenosos, y en fisuras de hasta 0,01 mm de abertura.

• Para su aplicación, es preciso evaluar:– Durabilidad– Viscosidad– Resistencia del gel– Control del tiempo de gelificación, – Toxicidad– Coste.

.• Procedimientos de aplicación:

– Proceso de doble acción (en desuso): Se inyecta el reactivo más viscoso, y se inyecta el segundo reactivo, menos viscoso (gelificante), reaccionando ambos y formando un precipitado que rellena los huecos del terreno (ej El método Joosten: Se inyecta silicato sódico, seguido de cloruro cálcico a alta presión)

– Proceso de acción simple : Se mezclan todos los productos inicialmente, diseñándose para que la reacción tenga lugar una vez inyectado en el terreno. Se obtienen resistencias a compresión inferiores que con el método anterior,pero es más rápido de ejecutar. Tiempo de gelificación controlable, y rangos de viscosidad y penetrabilidad amplios.

.• La resistencia “in situ” del terreno dependerá del contacto mecánico existente entre

el terreno tratado y la lechada quimica inyectada.

• Inconvenientes:

– Costosas por el elevado precio de los diferentes compuestos.

– Valores de resistencia bajos (hasta 3,5 MPa), aunque se pueden emplrae éteres

que la aumenta significativamente.

– No apropiada a cualquier condición, inestable, y aplicable únicamente por trabajadores de gran experiencia en inyecciones.

– Toxicidad e impacto ambiental por la inyección de productos quimicos, que pueden alcanzar nivel freático y acuíferos (ELEVADAS TRABAS AMBIENTALES)

• Existen otros tipos de lechadas más específicos, que se emplean en situaciones particulares:

– Geles mixtos: Mezcla de gel de sílice y resina acrilica. Se emplea en el tratamiento de fisuras activas.

– Geles de arcilla: Mezclas de arcilla (bentonita) silicatos y reactivos. Se emplean en la impermeabilización de depósitos aluviales, acabado de pantallas impermeables, e impermeabilización de terrenos difíciles de tratar con lechadas a base de cemento.


3.2. Otros geles

• Resinas: Soluciones de productos orgánicos en agua o en un disolvente no acuoso, capaces de producir a temperatura ordinaria y en un lugar cerrado, la formación de un sólido dotado de propiedades mecánicas adecuadas.– Se utilizan en terrenos donde no es inyectable otro producto por su elevada

viscosidad.

• Campos de aplicación: – Inyección de consolidación o de impermeabilización de terrenos granulares

finos: Las resinas para estas aplicaciones tienen una viscosidad cercana a la del agua, que conservan además hasta el endurecimiento.

– Regeneración de obras (sobre todo en presas y túneles). Por ejemplo, en la inyección de grietas en el hormigón, en grietas secas y húmedas y para inyecciones de contacto entre un revestimiento de acero y el hormigón.

En muchos casos se emplean resinas de alta viscosidad, como resina epoxi especiales, que no son arrastradas por el flujo del agua al ser inyectadas, además de presentar gran adherencia a superficies mojadas.

• Su tiempo de fraguado debe ser perfectamente regulable.


3.3. Resinas

• Tipos (Mezclas de acrilamida, Resinas fenoplásticas, Resinas aminoplásticas)

– Materiales espumosos: Resinas de poliuretano acuareactivas

Son los más interesantes desde el el punto de vista técnico y comercial porque:• Son los productos que ofrecen mejores propiedades mecánicas• Aceptan un mayor rango de condiciones de aplicación.

Permanecen en estado líquido mientras no haya agua. Al contacto con ella, la mezcla se hidrata y solidifica, lo cual es muy ventajoso por las siguientes razones:

A) Al permanecer liquido tanto tiempo como se quiera, elimina el peligro de bloqueo de la bomba y obturación de las mangueras.

B) Al ser el catalizador de estos productos el agua se evitan errores que conducen a la mala polimerización de la resina por mala dosificación.

C) Se aplican presiones bajas

– Las resinas de poliuretano acuorreactivas se utilizan frecuentemente para detener flujos de agua, y las resinas de poliuretano bicomponentes , para la impermeabilización de fisuras o grietas, sellados, y consolidaciones de terreno.

– Siguen siendo productos tóxicos. Estrictas condiciones de aplicación


3.3. Resinas

MATERIALES DE INYECCIÓNELECCIÓN DEL TIPO DE LECHADA

MATERIALES DE INYECCIÓNELECCIÓN DEL TIPO DE LECHADA

• Uno de los factores preponderantes en la elección de los productos de inyección es el tamaño de los huecos a rellenar. La curva granulométrica del terreno proporcionará los datos necesarios para la elección de la mezcla más apropiada.

33.- TIPOS DE INYECCIONES.- TIPOS DE INYECCIONES

TIPOS DE INYECCIONES

• En función del tipo de interacción del material inyectado con el terreno, existen diversos tipos de inyección (clasificación de Mitchell, 1981):

– Inyecciones de impregnación

– Inyecciones de compactación o de desplazamiento

– Inyecciones con fracturación


INYECCIONES POR IMPREGNACIÓN

• Se basa en el relleno de poros del terreno por el material inyectado.

• Prácticamente no hay cambio de volumen ni de la estructura del terreno original.

• Fue el primer tipo desarrollado y es el más empleado.

APLICABILIDAD• Aplicable a suelos granulares

(arenas, gravas y materiales groseros flojos), no cohesivos

• Apropiado para rellenos de fisuras importantes en rocas.

• El desarrollo de mezclas de inyección de menor viscosidad permite el tratamiento de suelos con contenido apreciable de limos y arcillas


INYECCIONES POR IMPREGNACIÓN

TIPOS DE INYECCIONESAPLICACIONES

• Consolidación de terrenos de baja capacidad portante• Control del agua en el terreno.• Estabilización de suelos, aumentando su resistencia.• Recalces, en soportes de túneles y excavaciones.• Reparación de estructuras bajo el nivel freático.• Ejecución de pantallas de impermeabilización bajo presas o represas• Tratamiento de impermeabilización (combinado con labores de achique)

MATERIALES• Bases de cemento: CPO/CER, cemento-bentonita, cemento-arena, cemento-CVP

(cenizas volantes pulverizada) y microcemento.• Base química: Silicato sódico, acrilatos, poliuretanos, resina

VENTAJAS• Localización precisa y controlada, y área de trabajo limitada• Dimensión, forma y profundidad del área de tratamiento predeterminada• Flexibilidad para aumentar el alcance del tratamiento (en tiempo y en posición)• Costes económicos predecibles• Grado de mejora predecible

PROCESOS DE INYECCIÓN


INYECCIONES DE COMPACTACIÓN O DE DESPLAZAMIENTO

• Inyección en el terreno de materiales de gran viscosidad y a presiones altas, que desplazan y comprimen el terreno sin penetrar en él.

• Se obtiene un terreno más compacto por intercalación de material inyectado

APLICABILIDAD

• Adecuadas para suelos arenosos no cohesivos, más finos que las arenas medianamente gruesas, donde el proceso de compactación, con un aumento de las tensiones efectivas en la zona afectada, se produce más rápidamente.


INYECCIONES DE COMPACTACIÓN O DE DESPLAZAMIENTO


• Corrección de asientos diferenciales (puede provocar levantamiento del terreno)• Sostenimiento de estructuras, cuando existe un terreno de baja capacidad portante.• En túneles, relleno de grandes huecos (como las cavidades cársticas) o

compensación de asientos a ir avanzando en la excavación del mismo.

MATERIALES• Lechadas de viscosidad elevada (lechadas de cemento-arena, mejoradas o no con

aditivos)• Geles de sílice fuerte

VENTAJAS• Localización precisa y controlada• Grado de mejora predecible• Rangos de producción altos• Coste efectivo: este tipo de inyecciones puede aplicarse cuando el control del asiento

sobrepasa un valor determinado• Recompacta los suelos de alrededor del problema antes de que el asiento alcance las

cimentaciones de la estructura adyacente• Instalación de la tubería fuera del edificio (generalmente)• No generan vibraciones, y las rupturas son mínimas


INYECCIONES CON FRACTURACIÓN (“claquage” o “squeeze grouting)

• Junto al efecto de relleno se produce fracturación hidráulica del mismo

• Las altas presiones provocan nuevas fisuras que son rellenadas simultáneamente

• El terreno queda como “armado” por la estructura que forman las diversas fisuras rellenas de material inyectado (también se produce cierto efecto de compactación)

• La fracturación puede formarse en cualquier dirección.

APLICABILIDAD

• Prácticamente en cualquier tipo de terreno (desde rocas débiles a suelos arcillosos).

• El suelo debe ser fracturado, no penetrado.• Es muy empleada en formaciones rocosas.


INYECCIONES CON FRACTURACIÓN (“claquage” o “squeeze grouting)


• Para reducir o frenar asientos diferenciales y totales de estructuras , y/o reverticalizarlas.

• Evitar asientos generados en edificios próximos a la excavación de túneles.• Estabilización de deslizamientos.

MATERIALES

• Únicamente suspensiones de cemento (por razones técnicas, económicas y medioambientales), con o sin aditivos.

VENTAJAS

• El control de asientos puede llevarse a cabo desde fuera del edificio en tratamiento.

• Permite un control continuo de asientos (al poder repetirse el proceso)• El control de asientos puede ser muy selectivo, induciendo cambios de nivel de

medidas variables en un espacio de metros

PROCESOS DE INYECCIÓNPROCESO DE EJECUCIÓN: FRACTURACIÓN

44.- PROCESOS DE INYECCIÓN.- PROCESOS DE INYECCIÓN


El tratamiento concreto del un determinado tipo de terreno mediante inyecciones, exige el estudio de los siguientes parámetros

– Estudio del suelo

Determinación y estudio previo de las características del suelo (estructura y permeabilidad)

– Diseño de la configuración de la perforación:• Número de perforaciones• Distribución de las mismas• Diámetro• Profundidad• Inclinación etc


-Maquinaria de perforación a emplear• Tipo• Especificaciones (tamaño,

rendimiento, capacidades)• Dimensionamiento

Se utilizan mezcladoras de alta turbulencia (1500-3000 rpm) y bombas de inyección de alta presión, proporcionando mayor dispersion y la formación rápida de pequeños elementos cristalinos de diferentes tipos de hidratos (lechadas activadas o colidales)


Las bombas de inyección (de accionamiento neumático, hidráulico, eléctrico), permite el bombeo del material desde la batidora o equipo de mezcla hasta la zona de inyección, mediante el accionamiento de pistones que proporciona la presión adecuada de inyección, y la bombea a través del sistema de mangueras y tuberías.


Planta para inyecciones de consolidación



– Material a inyectar

Hay que seleccionar el tipo de material más apropiado en función del terreno y de los objetivos que se pretenden con la inyección :• Naturaleza• Viscosidad• Características fisico-químicas, geotécnicas, mecánicas…)

– Diseño del propio proceso de inyección

Requiere el estudio de las presiones a emplear, la secuencia de aplicación de las inyecciones, esquema de tiempos entre inyecciones consecutivas etc

PROCESO DE INYECCIÓN: IMPREGNACIÓN

Hay diversos métodos• Inyección a través de la propia varilla• Inyección por etapas ascendentes o descendentes• Tubos manguitos

Para escasa profundidad la inyección se realiza en una sola etapa, a partir de una tubería de inyección que llega al final del taladro, inyectando de manera ascendente (se puede combinar con las labores de perforación)

Para mayores profundidades o presiones, se emplea la inyección por etapas (mediante obturador, o tubo manguito)


TUBOS MANGUITOS

VENTAJAS DE ESTA TÉCNICA

• Inyección fiable de una zona definida

tanto en suelos como en macizos rocosos.

• Posibilidad de reinyectar• Sistema muy flexible (admite inyectar

a distintas profundidades, diversas fases, inyecciones localizadas…)


TUBOS MANGUITOS

Tuberías de acero o PVC, perforadas a intervalos regulares y dotados de válvulas antirretorno (manguitos de goma o válvulas de botón)


Obturadores

Manómetro

Latiguillo

inyección

Bomba de inflado

MAQUINARIA Y MEDIOS AUXILIARES

INFLADO CON AGUA SISTEMA DE OBTURACION

Sistema de obturación desinflado

Sistema de obturación inflado


OBTURADOR PREPARADO PARA INYECCIÓN DE CEMENTO


PROCESO DE EJECUCIÓN: COMPACTACIÓN

Hay diversos métodos• Inyección por etapas descendente desde cerca del

terreno hasta una capa firme (el más extendido)• Inyección por etapas ascendentes por medio de

tuberías.• La lechada se bombea hasta :

– Llegar a la presión máxima deseada– Alcanzar un volumen máximo predeterminado– Observar levantamiento del terreno o de la

estructura• En las inyecciones de compactación en suelos

arcillosos debe controlarse la presión intersticial .• La forma de la masa inyectada depende del tipo de

suelo y de la distribución de los sondeos (esférica o cilíndrica en suelos homogeneros, irregular en heterogeneos).

• El tamaño depende de la densidad, humedad, propiedades mecánicas, caudal y presión de inyección



• Los sondeos se distribuyen de manera que permitan el desarrollo de un esqueleto de lechada lógico , instalándose tubos manguitos en todas las perforaciones.

• Los sondeos deben perforarse hasta una capa firme que soporte el esqueleto.

• Para el levantamiento de estructuras son más necesarias las fracturas horizontales, ya que al rellenarse por la lechada inyectada, generan el levantamiento.

PROCESO DE EJECUCIÓN: FRACTURACIÓN


– Control de parámetros

Es establecerán los medios de control de presión, caudal y viscosidad, y la restricción de la inyección por zonas (de resultar necesario)

IMPREGNACIÓN

• Comprobación del fraguado y del tiempo de gelificación

• Viscosidad, densidad y exudación de la mezcla

• Presion y caudal de flujo en función del tiempo

• Volumen por emplazamiento de inyección• Ensayos de permeabilidad del agua antes y

desouñes del tratamiento• Registro de las muestras de sondeo• SPT, CPT y presiómetros

COMPACTACIÓN

• Durante la ejecución:– Registro de volumen y presion– Control de levantamiento del

terreno– Ensayos de la mezcla

• Después del tratamiento– Control de los asientos– CPT (Cone Penetrometer Testing)– SPT (Standard Penetrations

Testing)

OTRO TIPO DE INYECCIONES: JET GROUTING

El jet-grouting es un proceso que consiste en la desagregación del suelo (o roca poco compacta), mezclándolo, y parcialmente sustituyéndolo, por un agente cementante (normalmente cemento).

Conforma unas columnas pseudo-cilíndricas de suelo-cemento de diámetro entre 0,5 y 3,5 m con aditivos capaces de soportar tensiones de rotura de hasta 200 kg/cm2,Se consigue la consolidación del terreno mediante inyección de lechada a alta presión (hasta 500 bares)

La desagregación se consigue mediante un fluido con alta energía, que puede incluir el propio agente cementante

Una vez rota la estructura del terreno, sus constituyentes pueden ser desplazados al exterior, o permanecer “in situ”.

• Técnica de sustitución: Tiene lugar cuando los constituyentes son desplazados al exterior, y el hueco dejado es ocupado por el fluido de inyección (habitualmente, lechada de cemento)

• Técnica de mezcla: Se da cuando los constituyentes se mezclan “in situ” con el fluido de la inyección

Ambas técnicas pueden realizarse en puntos profundos.

OTROS TIPOS DE INYECCIONES

EJECUCIÓN DEL JET GROUTING

Consta de dos únicas fases:

• Perforación hasta la cota final a la que se va realizar el jet-grouting

Se realiza con métodos convencionales (rotación o rotopercusión en función del tipo de terreno). El diámetro de la perforación es variable en función de la solución a realizar.

• Inyección del fluido y recuperación de la tubería simultáneamente.

En esta fase, se destruye la estructura y compacidad del suelo mediante un chorro de alta energía (fluido) que facilita la mezcla del mismo con una lechada de cemento, y que emerge por una tobera de diámetro pequeño, pero a gran velocidad. Las presiones son elevadas, entre 350 y 600 bar.

Para que el método funcione es necesaria la entubación de toda la perforación hasta la zona de tratamiento, para poder evacuar parte del material removido y parte de los fluidos de inyección y excavación.


Para el tratamiento se emplea un castillete capaz de desplazarse verticalmente y de hacer rotar a gran velocidad un monitor cilíndrico por cuyo interior transcurren los conductos que comunican con las toberas y por los que se hacen fluir los fluidos empleados.

En este proceso, es necesario controlar todas las variables de ejecución del jet-grouting, que son:

-Presión-Velocidad de rotación-Velocidad de avance-Consumo de cemento.

El radio final de la columna de jet-grouting resultante, dependerá, no sólo de todas estas variables, sino, además, de las características geotécnicas del terreno.


La ejecución de un procedimiento de jet-grouting requiere, como mínimo, la definición de:

- La forma del elemento a inyectar (columna, panel, etc.).

- El proceso de jet-grouting apto para las condiciones de la masa de suelo a tratar.

Los equipos que se vayan a utilizar deberán cumplir las especificaciones del Proyecto, con relación a la metodología de jet-grouting a emplear, garantizando:

- La velocidad de extracción y la velocidad de rotación del varillaje de jet-grouting establecidas como velocidades de diseño.

- La presión correcta y el caudal necesario con el que debe ser suministrada la lechada.


Cuando la desagregación y cementación del suelo se consigue con un chorro de un único fluido a alta presión que, en general, es una lechada de cemento. El terreno se mezcla con el fluido, formando un nuevo material.

OTROS TIPOS DE INYECCIONESVARIANTES DEL MÉTODO: Sistema de fluido único (CCP, T1, Jet-1 o monojet)

Basado en la introducción de jets adicionales de aire de forma concéntrica a las toberas de agua y/o lechada , consiguiéndose incrementar considerablemente la eficacia de corte al reducirse el ángulo de dispersión.

Existen 2 variantes

1.a Sistema de doble fluido (aire). Bijet, T2, Jet-2 o sistema JSG

Cuando la desagregación y cementación del suelo se realiza por un fluido, normalmente lechada de cemento, asistido por un chorro de aire a presión que actúa como segundo fluido.

1.b Sistema de doble fluido (agua) Bijet, T2, Jet-2 o sistema JSG

Cuando la desagregación del suelo se obtiene por un chorro de agua a alta presión, utilizando como segundo fluido una lechada para conseguir la cementación del suelo

OTROS TIPOS DE INYECCIONESVARIANTES DEL MÉTODO: SISTEMA CJG o método KAJIMA


Esquema de Jet Doble con agua Esquema de Jet Doble con aire

Cuando la desagregación del suelo se obtiene por un chorro de agua a alta presión, asistido por un chorro de aire de alta presión, utilizando como tercer fluido una lechada para conseguir la cementación del suelo

Mientras el jet de agua-aire rompe y desplaza el terreno hacia la superficie,a través del espacio anular entre la perforación y el monitor, el jet de lechada se limita a rellenar el hueco dejado por la acción cortante del jet de agua y desplaza el detritus hacia la superficie.

Sistema de triple fluido: Con este sistema la desagregación del suelo se consigue por un chorro de agua a alta presión, asistido por un chorro de aire a presión,

OTROS TIPOS DE INYECCIONESVARIANTES DEL MÉTODO: Sistema de triple fluido Trijet, T3, Jet-3 o sistema CJG

• Mejora del terreno• Impermeabilización• Pantalla de contención para

excavaciones• Pilotes de cimentación• Anclajes• Paraguas para túneles• Recalce de estructuras• Muro de contención y

estanqueidad• Cimentaciones de edificios y

estructuras.


APLICACIONES DEL JET-GROUTING

• La maquinaria utilizada es de gran envergadura.• En recalces, requiere que los elementos a recalzar sean suficientemente rígidos para resistir las zonas debilitadas por la ejecución de las columnas• Se pueden producir sobrepresiones de gran intensidad en el terreno como consecuencia del bloqueo de la salida del rechazo

DESVENTAJAS

55.- UN CASO PRÁCTICO: .- UN CASO PRÁCTICO: Inyecciones de silicato de gel en Inyecciones de silicato de gel en metro de Londresmetro de Londres

INYECCIÓN POR IMPREGNACIÓN DE GEL DE SÍLICE EN METRO DE LONDRES

OBJETO

Permitir la excavación del terreno circundante al actual túnel existente en la obra de Farringdon Station (Londres) de diámetro aproximado de 6,50 mts, , para lograr la ampliación del mismo hasta un diámetro aproximado de 10,50 mts.

CASO PRÁCTICO

PROBLEMÁTICA

-El terreno circundante al eje del túnel es esencialmente de tipo arcilloso.

-En determinadas secciones del túnel, a través de la realización de taladros de muestreo se ha podido constatar la existencia de una capa de arena muy fina, saturada de agua (con presiones superiores a 100KPa) y que fluían por la boca del taladro.

-Como se muestra, en la sección adjunta, correspondiente a la cota longitudinal 149,190 m del túnel, la anchura de dicha capa de arena alcanza en ciertos tramos del túnel hasta los 4 metros (la capa de arenas es la reflejada en color amarillo).

CASO PRÁCTICO

GRANULOMETRÍA

CASO PRÁCTICO

GRANULOMETRÍA

CASO PRÁCTICO

Como se puede apreciar, nos encontramos frente a un material de tipo granular (por tanto, con cohesión nula) y de tamaño de partícula muy pequeño. El 100% de las partículas pasan por el tamiz de 500 micras.

Impermeabilización y consolidación -El tratamiento adecuado para realizar la ampliación del túnel con total garantía, es lograr que dicho paquete de arenas tenga una cierta cohesión para lograr que cuando se proceda a su excavación, el mismo permanezca estable sin que se produzca ningún tipo de derrumbe. -Este objetivo se lograría mediante la inyección de un material aglomerante que rellene los huecos existentes entre las partículas de arena. -Este tipo de inyección de relleno es lo que se conoce como inyección de impregnación, que al lograr aglomerar las partículas de arena, transforma la misma en un conglomerado dotado de una cierta resistencia a compresión simple. Como efecto secundario y de no menor importancia, al rellenar los huecos existentes entre las partículas de arena, lograríamos disminuir la permeabilidad del material, y por lo tanto, prácticamente, hacerlo impermeable. Es por ello que nuestra propuesta se basa en la realización de inyecciones de impregnación de una corona de 2,50 metros tras la excavación a realizar en la ampliación, mediante las técnicas de tubo manguito.

CASO PRÁCTICO

ELECCIÓN DEL MATERIAL

CASO PRÁCTICO

Rango de aplicación de materiales de inyección (Kutzner, C.,1996)

ELECCIÓN DEL MATERIAL

CASO PRÁCTICO

Rango de aplicación de materiales de inyección (Kutzner,

C.,1996)

Huso granulométrico arena de Farringdon Station

INYECCIONES QUIMICAS: INYECCIÓN CON SILICATOS

CASO PRÁCTICO

En la inyección de silicatos se emplea una mezcla de 3 componentes: -Silicato de sodio (o de potasio, u otros productos tales como resinas, químicos, hidrocarbonados en solución o emulsión, etc)

-Un reactivo que actúa a modo de acelerante (como el cloruro cálcico)

-Agua

La reacción que tiene lugar es la siguiente

Se consideran soluciones puras, sin partículas en suspensión, (a no ser que se añadan por algún objeto en concreto)

Tienen muy baja viscosidad (cercana a la del agua), por lo que pueden penetrar en arenas finas y limos arenosos, y en fisuras de hasta 0,01 mm de abertura)

CASO PRÁCTICO

PARÁMETROS QUE DEFINEN LOS SILICATOS -Relación de peso entre el óxido de silicio y el óxido de sodio (3<Rp<4 para sellado y consolidación).

FACTORES DE MAYOR INFLUENCIA EN LAS PROPIEDADES DE LA LECHADA

- La viscosidad - El tiempo de puesta en obra - La temperatura

VISCOSIDAD

CASO PRÁCTICO

Fija la velocidad de penetración de la mezcla en un terreno con una permeabilidad y presión dadas. Para una temperatura dada, la viscosidad inicial de la lechada de silicato (en el momento de la mezcla) depende de:

-Las características del silicato, tales como el cociente Rp, la cantidad de producto seco…)

-La proporción entre silicato , agua de disolución y el acelerante.

•La viscosidad permanece prácticamente contante para diferentes porcentajes en volumen de acelerante cuando el porcentaje en volumen de silicato está entre el 40 y el 50%. Por encima de esos porcentajes de silicatos, la viscosidad aumentaen mayor medida conforme lo hace el porcentaje de acelerante.•Para los mismos porcentajes en volumen de silicato y acelerante, la viscosidad es mayor cuanto mas bajo es el

VISCOSIDAD

CASO PRÁCTICO

TIEMPO DE PUESTA EN OBRA

CASO PRÁCTICO

Es el tiempo durante el cual la inyección es posible.•Tras la adición del acelerante, la

viscosidad evoluciona lentamente hasta un punto en el que crece bruscamente.•Se denomina tiempo de fraguado

a aquel en el que la viscosidad alcanza 100 centipoises (unidad de viscosidad dinámica del sistema cegesimal equivalente a un milipascal segundo (mPa·s).

CONCLUSIÓN

El tiempo de puesta en obra o de inyectabilidad corresponde en general a 3 / 4 del tiempo del fraguado

TEMPERATURA

CASO PRÁCTICO

La temperatura influye en la lechada de silicato principalmente de dos maneras: -La bajada de la temperatura disminuye la velocidad de saponificación del acelerante, lo que provoca un aumento en el tiempo de fraguado. -La bajada de la temperatura, aumenta la viscosidad de la lechada de silicato, lo que influye en que alcance pronto una viscosidad elevada.

Además, la reducción de la temperatura disminuye la solubilidad del ácido polisilícico que se forma durante la reacción, que tiene el efecto de acelerar la gelificacion.

La combinación de ambos factores hace que la influencia de la temperatura sea pues, compleja, y difícil de preveer

Tiempo de fraguado a 20ºC (según el método de Rhone-Progil)

% en volumen de acelerante

RESISTENCIA A COMPRESIÓN SIMPLE

CASO PRÁCTICO

Una de las principales funciones de la inyección con lechada de silicato es conferir al terreno una cohesión suficiente.

La cohesión se determina mediante la resistencia a la compresión simple de una prueba del terreno previamente inyectado.

Los resultados obtenidos dependen de:-El tamaño y la forma de la prueba-El estado de las caras de la superficie tratada-El retraso entre la toma de muestras y su trituración, y el modo de conservación durante este retraso

Para poder predecir las resistencias, y sobre todo compararlas para diferentes lechadas, es recomendable establecer una serie de parámetros, comparando las diferentes probetas del laboratorio a la variación de un único parámetro cada vez.

Esos parámetros son:-Composición de la lechada-Condiciones térmicas-Retraso en la medida

RESISTENCIA A COMPRESIÓN SIMPLE:

CASO PRÁCTICO

Resistencia a la compresión simple (según el método de Rhone-Progil)

% en volumen de acelerante

RESISTENCIA A COMPRESIÓN SIMPLE

CASO PRÁCTICO

La resistencia a compresión simple aumenta conforme lo hace el porcentaje en volumen de acelerante. La resistencia a compresión simple aumenta conforme lo hace el porcentaje en volumen de silicato La resistencia a compresión simple aumenta conforme lo hace la relación en peso (Rp) del oxido de silicio y de sodio.

No es recomendable conferir una resistencia a la compresión simple demasiado elevada, pues el terreno resultaría excesivamente duro para los trabajos posteriores. La cifra óptima de resistencia obtener debe estar entre 15 y 20 kg/cm2

CASO PRÁCTICO

Terreno arenoso en perforación

previo al tratamiento Muestra Terreno posterior al

tratamiento

CASO PRÁCTICODEFINICIÓN DE LA ZONA A

TRATAR

A partir de los perfiles transversales se determina la existencia y altura de la capa de arena en cada lateral del túnel en el contacto con el nuevo túnel previsto, que es la zona a tratar en cada caso.

CASO PRÁCTICODISEÑO DE LAS INYECCIONES

- Caudal máximo a partir de un punto de inyección en terrenos de arenas del terreno descrito para no romper el terreno: 5 litros/min.- Indice de huecos inyectables en estos terrenos: 22%- Tiempo de inyección en cada manguito: 20 minutos.- Equidistancia de los manguitos en cada taladro: 33 cms. Por tanto: -Cantidad inyectada en 20 minutos por manguito será 20 x 5 = 100 litros. 100-Volumen de terreno afectado por la inyección de cada manguito ------ = 0,454M3. 0,22 -Volumen de terreno afectado por la inyección de cada metro lineal de taladro 0,454 x 3 = 1,362 m3. Es decir que la aureola de inyección de cada taladro tendrá una planta de 1,362 m2 lo quedará un espaciamiento medio en planta de 1,16 m., por lo que se propone un sistema radial de taladros con origen en el centro del túnel y formando un ángulo de 10 º entre unos y otros como se recoge en el croquis adjunto, que da una separación de aproximadamente 0,90 metros en el inicio de la inyección en la pared del túnel ampliado, y de 1,30 m en el final de la inyección.

CASO PRÁCTICO

CASO PRÁCTICODISEÑO DE LAS INYECCIONES

-Se realizarán inyecciones a cotas 1m.l. por encima de la cota superior de la capa de arenas representada y 1 m.l. por debajo de la cota inferior de la capa de arenas representada.En la capa de arenas, las inyecciones se realizarán en cuadrícula de 1x1 m.l.

CASO PRÁCTICOPROFUNDIDAD DE LA

INYECCION-Longitud de taladro: 5,0 metros (garantizar empotramiento de 2,5 metros en trasdós de túnel ampliado). -Inyección con válvula antiretorno de tubo manguito con separación de 33 centímetros según croquis adjunto.

CASO PRÁCTICO-Manguitos colocados por taladro: 9 unidades De todos los manguitos colocados, sólo se inyectarán los manguitos en arenas, y en la zona de arcillas, los inmediatamente adyacentes a la capa de arenas (de los colocados en la capa de arcillas, solo el más cercano a la capa de arenas), como se muestra en figura adjunta.

CASO PRÁCTICODISTRIBUCIÓN DE TALADROS

-Zona a tratar: La definida en los perfiles longitudinales -Cuadrícula de taladros: Aproximadamente 1,00 m x 1,00 m -Longitud de taladro: 5,0 metros (garantizar empotramiento de 2,5 metros en trasdós de túnel ampliado). -Inyección con válvula de tubo manguito con separación de 33 centímetros según croquis adjunto. -Manguitos colocados por taladro: 9 unidades(Sólo se inyectarán los manguitos en arenas y los inmediatamente adyacentes a las mismas) -Volumen de inyección por manguito: 100 litros (aproximadamente) -Tiempo aproximado de inyección por manguito: 15-20 minutos. -Presión máxima de inyección: 3 kg/cm2 (excepcionalmente se podrán alcanzar 5 kg/cm2 en función de los requerimientos del terreno.

CASO PRÁCTICOMEZCLA A INYECTAR

Se propone de acuerdo a la siguiente tabla las dosificaciones que figuran con color amarillo, al objeto de obtener una resistencia a compresión simple de entre 1,5 MPa y 2,0 MPa.

CASO PRÁCTICOPREPARACIÓN DE LA MEZCLA

El proceso de inyección del silicato consiste en mezclar los tres componentes implicados (silicato, acelerante y agua) con unos parámetros controlados de presión, volumen, viscosidad, temperatura etc) y en su inyección al terreno. Es un proceso cuya implementación viene descrita en el siguiente esquema.:

CASO PRÁCTICOINYECCIÓN

Una vez pasadas al menos 12 horas desde la inyección del gaine (espacio existente entre el exterior de la armadura tubular y el terreno) se procederá, a inyectar las diferentes válvulas antiretorno instaladas en el tubo, comenzando desde el final del taladro hacia el inicio del mismo, dejando constancia en cada operación de obturación e inyección, las presiones alcanzadas junto con el volumen de lechada introducido.

Fases del proceso de inyección -Introducción en el interior de la armadura tubular de un obturador doble, quedando colocado el manguito de inyección en el centro del eje del obturador. -Inflado de las membranas del doble obturador mediante una bomba de agua manual, quedando herméticamente cerrado el interior del tramo de armadura tubular.

-Bombeo de la mezcla a inyectar (silicato) hasta el tramo de armadura obturado, pasando por la mesa de inyección equipada con manómetro para control de la presión. -Introducción de mezcla a inyectar (silicato) a través de la válvula antirretorno de inyección.


La presión del silicato hace que el manguito de inyección se abra y deje pasar a través de los orificios del tubo de PVC el silicato al terreno.


El proceso de inyección a través de las válvulas antiretorno se realizará de la forma siguiente: 1.- Limpieza interior del tubo de PVC para prepararlo para la inyección de cada fase de inyección. 2.- Inyección de la primera y segunda fase de las válvulas antiretorno con los siguientes criterios:

inyecciones - jose santos

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