Inyecciones y mejoramiento en suelos y rocas

Inyecciones y mejoramiento en suelos y rocas

10/15/08
Inyecciones
Inyecciones y
tratamientos en
suelos y rocas
Generalidades
El objetivo es modificar suelos y rocas para:
- Aumentar la resistencia a la compresión y corte
- Impermeabilizar
- Rellenar
- Compactar
Es una operación ciega, lo único que se sabe es la
presión y el caudal de inyección.
Inyecciones
Inyecciones
Generalidades
Inyecciones
Tapón
Se inyecta
líquido a
presión
Inyecciones
Inyecciones
Inyecciones – Inyección ascendente
Inyecciones – Inyección descendente
Manguera para inflar el packer
Se pone la cañería
Se infla el packer (con prs.)
Se inyecta la lechada a
presión
Se espera el inicio del
fraguado
Se desinfla el packer
Se retira un trozo de cañería
para inyectar otro tramo
Manguera para inflar el packer
packer
Se hace un tramo de perforación
Se inyecta
Se vuelve a perforar y se inyecta
Es bastante más caro y lento
porque obliga a retirar equipo de
perforación, instalar equipo de
inyección y volver a cambiar.
Es más seguro y controlable
packer
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Inyecciones
Inyecciones
Inyecciones
Inyecciones
Esto es lo que se busca:
A veces ocurre esto:
perforación
e
cilindro
tratado
En las
grietas
chicas la
presión es
alta
No se producen
cilindros ni tampoco
se intersectan
Es mucho más fácil
entrar a las grietas
grandes que a las chicas
Muro de espesor “e”
Inyecciones
Inyecciones
Inyecciones
Inyecciones
Para solucionar esto, tradicionalmente se realiza lo
siguiente:
- Se determina la cantidad de lechada estimando lo que
se necesita para inyectar el radio deseado.
- Se inyecta dejando las grietas menores sin rellenar.
- Se hace una nueva perforación y se repite. Las grietas
grandes ya estarán impermeabilizadas y se inyecta con
mayor presión por lo que la lechada se irá por las
grietas menores.
- Se van llenando las grietas de mayor a menor
Dependiendo de la relación de costo entre perforación
y lechada puede modificarse la metodología.
Si el costo de la perforación es muy superior al de la
lechada (perforaciones profundas), se inyecta mayor
volumen en las grietas grandes. A medida que la
lechada avanza por las grietas, aumenta el roce por lo
que se requiere mayor presión por lo que la lechada
también entrará a las grietas chicas. Se prefiere perder
lechada que hacer otra perforación.
Si la perforación es poco profunda, se inyecta poco
volumen y se realiza otra perforación.
Inyecciones
Inyecciones
Inyecciones en roca – GIN (Grout Intensity Number)
Inyecciones en roca – GIN (Grout Intensity Number)
P
P máx
Si las perforaciones son muy profundas o el proyecto
es muy delicado, se usa un GIN alto.
P*V = cte = GIN
En caso contrario se usa un GIN más bajo.
GIN más grande
normal
Se llegó al vol.
máx. sin llegar
a la pres. máx.,
típico de grietas
grandes
Vmáx
V
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Inyecciones
Inyecciones
Inyecciones en suelo
Inyecciones en suelo
-5
-4
Arenas finas, K ~ 10 , 10 m/s
Cuesta mucho inyectarla (porque la finura del cemento es similar
a la de la arena fina), por lo que se usan inyecciones de productos
químicos que son 12 a 15 veces más caras.
Se perfora con revestimiento o con lodo
biodegradable para evitar impermeabilizar.
El chorro de lechada rompe la mezcla de relleno y
penetra en el suelo.
Manguito de
goma que
tapa las
perforaciones
-2
Porotera (grava sin arena), K ~ 10 m/s
Packer doble
~ 50 cm.
Mortero o
lechada de
baja
resistencia
K = coeficiente de Darcy (permeabilidad)
Inyecciones
Inyecciones
Equipos
Equipos
Mezcladora de alta turbulencia
Agua, cemento y aditivo
superplastificante (w/c ~ 0.8)
w1
w1 ~ 1500 a 2000 rpm
Estanque agitador
w2 < w1
w2
w2 ~ 20 a 40 rpm
Bombas: habitualmente de pistones porque tienen un
menor desgaste (desplazamiento). En ocasiones se
usan de tornillo
Inyecciones
Inyecciones en suelo - Alternativas
Las inyecciones en suelos son muy lentas y caras. Sus
resultados no siempre son exitosos. Deben evitarse.
Para cortinas de impermeabilización han sido
reemplazadas por las paredes moldeadas
Para mejorar condiciones de resistencia se han
desarrollado algunos sistemas para “mejoramiento de
suelos”.
Los objetivos son similares a los de las
compactaciones de suelo:
Aumento de la densidad y de la resistencia al
corte, los problemas de estabilidad
Reducción de la compresibilidad, lo que tiene
efectos positivos en la deformalidad
Influencia en la permeabilidad
Mejorar la homogeneidad
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Mejoramiento de suelos
Mejoramiento de suelos
Tipos de mejoramientos
Métodos estáticos: Precarga
MEJORAMIENTO DE LOS SUELOS
COMPACTACIÓN
MÉTODOS
ESTÁTICOS
MÉTODOS DINÁMICOS
REFUERZO
CON
DESPLAZAMIENTO
Pre Carga
Compactación por Vibración:
1. Usando vibrador en profundidad
2. Usando martinete vibrador
Columnas de Gravas
Vibradas
Pre Carga con
ayuda a la
Consolidación
Compactación por Impacto:
1. Caída de Peso
2. Explosión
Columnas de
Concreto
Descarga de Aire
Columnas
Estabilizadoras de cal
o cemento
Inyección de
Compactación
Influenciando
Agua
Subterránea
SIN
DESPLAZAMIENTO
Método Mecánico
(MIP, FMI)
Método
Hidráulico:
Jet Grouting
Inyección de
impermeabilización
Congelamiento
Compactación con
pilotes de arena
En general las deformaciones de los suelos no son elásticas.
Si se aplica una carga disminuye el volumen (baja el
terreno). Al retirarla no desaparece la deformación.
Se construye sobre la futura fundación un terraplén que
aplique una carga mayor que la futura estructura o equipo a
fundar.
Si el suelo está saturado, la presión produce reducción de
volumen a condición que emigre el agua cuando el suelo
está saturado.
El plazo en que debe mantenerse la carga dependerá de la
permeabilidad del suelo a compactar.
Métodos Estáticos: Precarga con
ayuda a la Consolidación
Mejoramiento de suelos
Se usa cuando los suelos son relativamente
impermeables.
Influenciando aguas subterraneas: Se baja la napa
mediante punteras. Los vacíos son llenados por el propio
suelo, compactándose. Una vez retiradas las bombas el agua
no descompacta el suelo.
Requiere impermeabilizar la superficie con una lamina de
PVC.
Se perfora e instalan tuberías drenantes.
Antes del relleno se incorpora una capa
permeable donde descargan los drenes.
Incluso hay casos en que los tubos drenantes se
conectan a bombas para producir succión.
Métodos estáticos
Mejoramiento de suelos
Mejoramiento de suelos, dinámicos
Métodos estáticos (continuación)
Compactación por vibración (profundidad)
Inyección de compactación: Se inyecta mortero a gran
presión (no lechada) usando bombas para hormigones,
similar a inflar un globo dentro del suelo. Es muy efectivo
en arenas finas, pues las comprime y densifica.
Conocida como vibro-compactación o vibro-flotación es
usada para densificar suelos limpios poco cohesivos.
La acción de una sonda con vibrador, usualmente
acompañado por agua a presión, reduce la resistencia entre
partículas permitiéndoles moverse a una configuración de
mayor densidad.
Típicamente se logran densidades relativas del 75% a 85%.
Se puede realizar sin importar el nivel de la napa.
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Mejoramiento de suelos
Mejoramiento de suelos
Compactación por vibración
Compactación por impacto (compactación dinámica)
Se utiliza una placa de gran peso
montado en una grúa, el cual se levanta y
deja caer repetidamente. La
compactación se produce por impacto
alcanzando espesores de compactación
importantes. Es especialmente efectivo
en suelos finos, especialmente si son
licuables.
Peso de la placa: entre 10 a 30 toneladas
Dimensiones de la placa: 2x2 m hasta 6x6 m
Altura de caída entre 15 y 30 metros
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Compactación por impacto
(compactación dinámica)
Las variables
Tamaño del bloque a descargar
Altura de caída
Distribución de los golpes
N° de impactos en cada punto
Espesor a compactar:
T = a (G*h)0,5
T = espesor en metros
G = peso del bloque
h = altura de caída
a = factor de proporcionalidad
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Vibración Profunda
a = 1 para gravas y bloques
a = 0,6 para arenas limosas
a = 0,5 para basuras, trumaos y otros suelos
inestables.
Se hinca vibrando una plancha mediante un
martinete vibratorio.
Puede ser una tablaestaca, una doble T.
Otras configuraciones.
Método aplicable en suelos mixtos, granulares o
cohesivos como limos arenosos y no arenosos,
y suelos de grano.
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Mejoramiento de suelos
Mejoramiento de suelos
Vibro Compactación Profunda
Columnas de grava por vibro-sustitución
A diferencia de los anteriores, Se introduce el vibrador en el
suelo.
Requiere equipos especiales. Es más efectivo que el método
anterior.
Al introducir vibrando la barra vibratoria, deja un hueco
alrededor, se rellena con gravilla. Permite bajar notoriamente e
incluso anular los efectos de licuefacción por sismos al poder
disiparse la presión de poros a través de las columnas.
Mejoramiento de suelos
Mejoramiento de suelos
Columnas de grava por vibro-sustitución
Columnas de grava por vibro-sustitución: Procedimiento
1. Inyección del vibrador en
el terreno por peso propio
y con ayuda de agua a
presión.
2. Creación de un estado de
licuefacción local que
facilita la penetración del
vibrador hasta alcanzar la
profundidad requerida,
arrastrando el agua en
circulación los finos
provenientes de la
perforación.
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Mejoramiento de suelos
Mejoramiento de suelos
Columnas de grava por vibro-sustitución: Procedimiento
Columnas de hormigón vibrado
3. Alcanzada la profundidad
requerida, el vibrador
disminuye la inyección de
agua comenzando el aporte de
grava.
4. Vibrador sube y baja vibrando
e inyectando agua, arrastrando
a su vez grava, que se
compacta y forma la columna.
5. La extracción lenta y
escalonada del vibrador crea
una zona densificada cuyo
diámetros depende de las
características del terreno.
Son construidas en terreno
introduciendo una sonda con
punta vibratoria. Se usa para
densificar suelos granulares
y transferir cargas a través
de estratos de suelos
orgánicos o poco cohesivo,
hasta estratos inferiores más
resistentes.
Mejoramiento de suelos
Mejoramiento de suelos
Columnas estabilizadoras de cal o cemento
Columnas estabilizadoras de cal o cemento
Conocidos también como “soil mixing” o “deep mixing
method” es una mezcla mecánica del terreno original con
algún material cementicio como cal o cemento
Para excavar y mezclar se utiliza un auger con algún
sistema de paletas.
Inyecciones
Inyecciones en suelo – Alternativas, Congelamiento
Sólo se puede usar cuando el suelo está bajo la napa
freática.
Se usa para excavaciones de pozos y túneles como
refuerzo e impermeabilización provisoria.
Agua (salmuera) helada (-20 ºC)
o nitrógeno líquido (-170 ºC)
Inyecciones
Inyecciones en suelo – Alternativas, Congelamiento
Calor
Gas
comprimido
caliente
Refrigerador
Salmuera
Intercambiador de
calor (radiador)
Válvula de
expansión
Compresor
Intercambiador de
calor (radiador)
Gas frío
Circuito
cerrado
Frío
Perforación
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Inyecciones
Inyecciones
Inyecciones en suelo – Alternativas, Congelamiento
Nitrógeno
Líquido
Inyecciones en suelo – Alternativas, Congelamiento
El congelamiento con salmuera es lento, demora 10 a
20 días en congelar.
Con nitrógeno líquido demora alrededor de 12 horas.
El congelamiento es un tratamiento para excavar
pozos o túneles que se revisten.
Revestimiento
1. Congelar
definitivo
2. Excavar
3. Revestir
4. Descongelar
Se suelta al
ambiente (es un
circuito abierto)
congelado
Inyecciones
Inyecciones
Inyecciones en suelo – Alternativas, Jet Grouting
Lechada a presión muy
2
alta ~ 600 Kg/cm
Tubería
Cilindro similar a
un pilote con
diámetro
aproximadamente
de 0,6 a 1,2 m.
Sacando y girando
Suelta y rellena
con lechada
Jet Grouting
Es un sistema de mezcla en sitio de suelo con cemento
(u otro estabilizador).
Se inyecta la lechada o el estabilizador a muy alta
presión (300 a 600 kg/cm2) a través de un orificio en
la barra de perforación.
El chorro concentrado de alta presión destruye la
matriz del suelo y crea una mezcla con la lechada.
Mayor es el efecto cuanto más erosionable es el suelo.
15 cm
100 cm
Inyecciones
Jet Grouting
Perforación
piloto
Columna de
Jet-Grouting
Tipos de
suelos
Diámetro de
columnas
Resistencia del
suelo-cemento
Arenas y gravas
60-120 cm
60-200 kg/cm2
Arcillas
60-90 cm
18-60 kg/cm2
Columna de
Jet-Grouting
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