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
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-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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