Tratamientos del terreno mediante la técnica de Jet

Tratamientos del terreno mediante la técnica de Jet

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Tratamiento del terreno
Tratamientos del
terreno mediante la
técnica de Jet-Grouting.
Aspectos analíticos
para casos de tapones
de fondo.
Erik von Munthe af Morgenstierne; Ingeniero de Minas. Marti Group. División de Obras Subterráneas.
Héctor Vélez Pérez; Ingeniero de Minas. Ayesa Ingeniería y Arquitectura. División de Asistencias Técnicas.
Pedro Caro Perdigón; Ingeniero de Minas e Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Universidad Politécnica
de Madrid.
Pedro Gómez Masiá; Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. FCC Environment UK.
artículo a su vez se repasan de manera concisa
aquellos aspectos más relevantes de esta
técnica de jet.
1. Introducción
Dentro de las técnicas de mejora del terreno
se encuentran aquellas técnicas de inyección,
con objeto de poder mejorar las propiedades
del mismo en cuanto a valores cuantitativos de
parámetros resistentes y deformacionales.
2. Técnica del Jet-Grouting
Esta técnica consiste en la inyección de un
material consolidante a muy alta velocidad. En
contra de lo que se suele decir en diversos
manuales también es importante la presión de
inyección en la que se inyecta la lechada para un
correcto disgregación del terreno y un
mezclado. Esta presión, a veces ha llegado a ser
más perjudicial en estructuras próximas que la
propia bondad del tratamiento.
En el ámbito de estas inyecciones existen las
llamadas inyecciones por reemplazo o de jetgrouting. Esta técnica es una técnica que mejora
las
características
mecánicas
y
de
comportamiento hidráulico del terreno, siendo
su primera aplicación práctica en 1963 en la
presa de Niazbeg ( Pakistán ). El presente
artículo trata de proporcionar y mostrar
aquellos aspectos básicos a la hora de diseñar
un tratamiento de jet de manera analítica y
aproximada así como aspectos que se pueden
tener en cuenta a la hora de diseño más
avanzado como el numérico mediante código
de elementos finitos, como por ejemplo Plaxis,
etc.
2.1 Técnica del jet grouting
La técnica transforma presión en energía
cinética al paso de la lechada por las toberas de
salida, de esta manera el chorro o jet creado
corta el terreno o material circundante,
destruyendo la estructura inicial de éste y
creando un nuevo elemento estructural por
mezclado. Actualmente existen diámetros de
columnas de entre 0,5 m y 3,5 m. Este método
o técnica de tratamiento del terreno es
aplicable a terrenos de una amplia gama, desde
gravas hasta arcillas o materiales más cohesivos.
La aplicación se basa en el diseño de un
tapón de fondo mediante la técnica de jet el
cual es de aplicación para la impermeabilización
de soleras o fondos de excavaciones, bien para
pozos, excavaciones con el método del cut and
cover así como túneles en mina. A lo largo del
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Parámetros resistentes y deformacionales,
como por ejemplo cohesiones, ángulos de
rozamiento interno, módulos de deformación, entre los más importantes.
Valores de Nspt definidos en campañas de
ensayos sobre el terreno para posteriormente adecuar el mejor tipo de jet y su columna.
Por experiencia sobre el terreno se ha llegado a la conclusión que para Nspt< 15 en suelos de naturaleza arenosa y Nspt<5 en suelos
de naturaleza cohesiva el mejor campo de
aplicación es el jet tipo 1. Para el resto de
suelos puede seguirse el gráfico de la Figura
7 que se expone más adelante.
Figura 1: Rango de aplicación de la técnica de
jet groting
2.2. Usos frecuentes del jet groting
Dentro del rango de aplicación de esta
técnica tenemos:
En cuanto a la geometría destacan los
parámetros que se reflejan en la Figura 2.
1 ) Pantallas de contención: Columnas
separadas, tangentes o secantes. Empotradas
o ancladas, incluso pueden armarse éstas
mediante barras de acero, mejorando la
resistencia a esfuerzos de axiles de tracción
y flectores.
2 ) Pantallas de impermeabilización.
3 ) Consolidación de cimientos (recalces) y
terrenos (para posteriores excavaciones ).
4 ) Tapones de fondo en recintos estancos
(mejora de la estabilidad de éste y como
codal).
3. Aspectos previos al
dimensionado
Como se ha comentado anteriormente,
dentro de las muchas aplicaciones de esta
técnica es fundamental conocer la geometría
final de la construcción a realizar así como la
geometría de las fases intermedias. Este último
aspecto es más importante en los modelos
numéricos, donde se puede ver con mejor
exactitud la necesidad de que el tratamiento se
realice antes de realizar la excavación hasta
cierta cota marcada por los cálculos analíticos.
Previo al dimensionado se deben tener en
cuenta los siguientes factores:
1-) Datos del terreno y geometría de la
excavación.
2-) Datos del jet y su proceso constructivo
3-) Características y Geometría del jet.
3.1. Datos del terreno y geometría
de la excavación
Dentro de los datos del terreno que son
necesarios conocer destacan:
Para un cálculo analítico en la Tabla 1
siguiente se muestran los parámetros a tener en
cuenta
3.2. Proceso constructivo del jet y
datos previos
En el proceso constructivo mediante la
técnica de jet se distinguen dos fases claramente
diferenciables.
Parámetros de caracterización del terreno
como por ejemplo densidades, granulometrías, tipo de terreno: granula o cohesivo.
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Figura 2: Geometría
para la implantación
de un tapón de jetgroting
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1 ) Jet 1 de fluido simple; Sólo dispone de
una tobera para el jet de lechada que realiza
las funciones de corte del terreno.
Tabla 1: Datos del
terreno y geometría
de la excavación.
2 ) Jet 2 de fluido doble; El segundo fluido
es el aire. La lechada se inyecta a una presión
más baja y es ayudada por un cono de aire
comprimido que cubre la lechada de
inyección. Jet de aire concéntrico a la
lechada. De este modo el aire reduce la
fricción, formándose una columna de mayor
tamaño que en el jet Tipo 1. En la Figura 5
se puede apreciar las disposiciones de
toberas y fluidos.
1- Fase de perforación; ésta se puede realizar
mediante métodos convencionales de
rotación o rotopercusión. Las dimensiones
de los taladros oscilan entre 100 y 150 mm y
éste debe estar entubado para permitir el
correcto fluir del rechazo.
2- Fase de tratamiento; finalizada la fase de
perforación se inyecta lechada a alta presión
a través de las toberas, cortando y amasando
el terreno circundante. Las presiones de
inyección no suelen ser inferiores a unos 150
bares.
En la Figura 3 y 4 adjuntas se esquematizan
las fases y los equipos necesarios para llevar a
cabo el tratamiento, respectivamente.
Figura 5: Sistema de jet tipo 1 y 2
Por otro lado atendiendo al modo de
ejecución, el jet puede clasificarse en:
3 ) Superjet de doble fluido: Fue
empleado por primera vez en 1998 para
mejorar la técnica del jet 2. Su empleo
conlleva boquillas opuestas de lechada
envueltas por chorros de aire comprimido.
Las presiones de inyección llegan hasta los
800 bares y sus columnas formadas hasta los
5 m de diámetro.
Figura 3: Fases de ejecución del jet
4 ) Fluido triple o jet 3: Los fluidos
empleados son la lechada, el aire y el agua. El
monitor posee dos toberas separadas, una
de lechada y otra de agua. A su vez la tobera
de agua dispone de un jet concéntrico de
aire. El jet de aire y agua desplaza y rompe el
terreno hacia la superficie del espacio anular
entre la perforación, el monitor y el jet de
lechada, a diferencia de los tipos 1 y 2 en
cuanto a la mezcla con el terreno, sólo tiene
la misión de rellenar el hueco dejado por la
acción cortante de jet de agua y desplazar el
detritus hacia la superficie. En la Figura 6 se
muestra el sistema de posicionamiento de
toberas.
Figura 4: Implementación de equipos para
ejecución de un jet.
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entre valores del SPT, de la naturaleza del suelo
y del tipo de tratamiento. Obsérvese que CCP
se refiere a Jet 1, JSG a jet 2 y CJG a jet 3.
Figura 6:
Sistema de
jet tipo 3
Otro parámetro importante a la hora del
diseño es la resistencia a compresión inicial
dada al suelo tratado o zona tratada en función
de datos previos para los distintos tipos de jet.
En las Tablas 3 y 4 se muestran resistencias a
compresión simple en columnas de jet en
función del tipo de jet y tipo de terreno
Una vez analizados y descritos las diversas
técnicas de ejecución del jet y sus tipos, es
necesario conocer sus parámetros básicos de
funcionamiento para cada uno de ellos, es decir,
los datos previos del tipo de jet. En la Tabla 2
siguiente se enumeran para cada tipo de jet sus
características básicas para un predimensionamiento y posible preselección de equipos.
Tabla 3: Resistencias para jet 1. Fuente:
Bielza Feliu, Ana(1999)
Tabla 4: Resistencias para jet 2. Fuente:
Bielza Feliu, Ana(1999)
Tabla 2: Características básicas para el jetgroutng. Valores medios ( Japan Jet
Association)
Para el jet 3 se obtienen unas resistencias
ligeramente inferiores al jet 2. En base a la
experiencia que se tiene en ensayos a escala real
se puede predeterminar el diámetro inicial de la
columna para su diseño. No obstante este
diámetro así como las resistencias a compresión
obtenidas se deberán calibrar en eun ensayo o
banco de pruebas a escala real en una zona de
la obra en cuestión,para de este modo calibrar
los cálculos y los posteriores modelos
numéricos.
Como se ha comentado al principio en el
punto 2.1, es importante conocer el tipo de
terreno con el cual se va a realizar el jet, y en
definitiva la mezcla resultante. Este tipo de
terreno condicionará el diámetro de columna
más apropiado para la mezcla resultante. En la
Figura 7 siguiente se muestra una relación
Otro parámetro importante de cara a
evaluar la bondad del tratamiento es la
cohesión. Ésta según la Japan Jet Grouting
Association se puede establecer como:
Ct = qu/30 (1)
Siendo qu el valor de la Resistencia a
compresión simple del terreno tratado. Existen
otras relaciones para hallar la resistencia a
Figura 7: Diámetros en función de SPT, Tipo
suelo y tratamiento ( Miki&Nakanishi)
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Tabla 5: Datos
del tipo de jet
reducir el diámetro de las toberas. Un
incremento de presión es más efectivo con
diámetros de toberas pequeños y un
incremento de caudal se produce más eficiente
a presiones bajas y caudales altos.
compresión simple del terreno tratado como
las que indican Aschieri y Tornaghi en función de
la relación agua/cemento de la lechada:
R(MPa)= B*(a/c)n, siendo B=2,23 y n=-1/2
para Aschieri
En el jet-3 para que el chorro de agua sea
más efectivo se ha de utilizar diámetros
pequeños de toberas y grandes para el chorro
de la lechada. En el jet-1 la situación es
intermedia debido a la doble función del jet. Por
lo tanto se puede decir que dependiendo del
tipo de jet se podrá estimar el caudal necesario
de lechada y por consiguiente la cantidad de
cemento a utilizar. Esta cantidad de cemento
vendrá condicionada por el tipo de terreno y
condicionará la resistencia a compresión simple
del terreno tratado. En la Figura 7 se muestra
lo comentado
B=6 con n=-1/2 para Tornaghi (2)
De este modo se tendría en la Tabla 5 los
siguientes parámetros de cálculo analítico.
La resistencia a tracción del terreno tratado
puede estimarse mediante la relación:
rt = 2CT/3 (3)
3.3. Características y Geometría del jet
En el jet-1, el jet de lechada cumple la doble
función de disgregar el terreno y aportar el
fluido de inyección, por tanto debe tener
energía suficiente para romper el terreno y el
caudal necesario para tratar el terreno
alcanzado por la acción del chorro.
Es innegable admitir que existen infinidad de
tipos de mallas así como de diámetros de
perforación. Para los segundos en la Tabla 6 se
muestran los más usuales en función del tipo de
jet y la naturaleza del terreno, aunque estos
valores también se han expresado en la Figura
7, anteriormente comentada.
En el jet-3 ambas funciones están separadas
y el jet de lechada tiene como única función
aportar caudal suficiente para rellenar el hueco
dejado por el jet de agua.
Figura 8: Estimación
de cantidad de
cemento según
terreno y qu
En cuanto a la geometría de la malla en
planta dependerá en gran medida de la finalidad
La capacidad de corte del tratamiento, está
relacionada con la energía cinética del chorro,
que depende de la presión aplicada. Para
aumentar la presión para mejorar la capacidad
de corte, manteniendo la potencia, se debe
Tabla 6: Diámetros usuales de columnas de jet.
Figura 9: Disposición de malla para calcula Sespaciado según diámetro de comuna
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Tabla 7:
Características
geométricas del jet.
del tratamiento. Para tratamientos en los que es
prioritario una impermeabilización y mejora de
las condiciones hidráulicas, se hace imperativo
que las columnas se muerdan entre si. Por el
contrario, para otros tipos de tratamiento
puede ser suficiente una malla algo menos
tupida como por ejemplo mallas al tres bolillo.
4.1. Solicitaciones en el tapón de
fondo y subpresión neta
Aunque el terreno tratado no posee
propiedades equivalentes a un elemento
estructural, con frecuencia el diseño de
espesores
se
realiza
aceptando
un
comportamiento tipo viga biapoyada, aceptando
un cierto margen de tracción en las fibras
superiores de la sección.
En la Figura 9 se esquematiza los
parámetros de una malla formada por columnas
mordientes
El esquema de solicitaciones será el
mostrado en la Figura 9 que se muestra a
continuación.
De este modo para el caso que nos ocupa
tendremos en la Tabla 7 los siguientes valores.
4. Cálculo analítico del tapón de
fondo
En el uso del jet para la ejecución de presoleras
o tapones de fondo de excavaciones, para contener
subpresiones durante la ejecución, es determinante
los parámetros de resistencia. Estos parámetros a
priori pueden establecerse en función de tablas y
ábacos como los mostrados anteriormente, en
función del tipo de terreno y de jet. Posteriormente
y en fase de obras deberá estudiarse mediante
testigos obtenidos en un terreno tratado
previamente como zona de pruebas.
Figura 10: Solicitaciones de esfuerzos en el tapón
de fondo.
En nuestro caso y teniendo en cuenta que
bajo el tapón de fondo se produce el siguiente
equilibrio de fuerzas:
Se asume que la resistencia a tracción es en
general menor del 10% de la resistencia a
compresión simple.
Sobre presión neta Spn = Sobrecargas + Peso de
tierras+ Peso del tapón – Subpresión (5)
Inicialmente tenemos un equilibrio de masas
siguientes:
Se muestra en la Tabla 9 los resultados de
empujes y sobrepresiones actuantes en la viga
equivalente.
Peso de tierras + Peso del tapón = Subpresión (4)
Hay que destacar que al tomar el factor de
seguridad, éste ya debe tener en cuenta el
pasivo de las pantallas y además será función de
De este modo y con un factor de seguridad
dado precalculamos el canto necesario, como se
muestra en la Tabla 8.
Tabla 8: Cálculo de
canto del tapón de
fondo.
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Tabla 9: Cálculo de
solicitaciones en el
tapón y subpresiones
netas.
las rigideces a flexión de la pantalla y del
terreno excavado. Sus valores pueden oscilar
entre 2 y 3,5.
4.3. Comprobaciones en el jet de
fondo
Analizadas las tensiones máximas que se
producen en la sección intermedia y esfuerzos
cortantes, se debe proceder a comprobar:
4.2. Cálculos de esfuerzos y
tensiones
Como poseemos una modelo equivalente de
viga biapoyada, mediante las hipótesis de
resistencia de materiales, y en particular la Ley
de Navier, se calculan los esfuerzos cortantes y
flectores máximos. Posteriormente con dichos
valores y en la sección central del tapón, se
anlizan los valores de tensiones, teniendo en
cuenta los axiles producidos por los empujes
horizontales y el momento flector máximo
producido por la subpresión neta. En la Tabla
10 se muestra lo comentado.
1-) Comprobaciones a cortantes
Se debe cumplir que:
Fuerza de rozamiento > Cortante en el apoyo (6)
Estando la fuerza de rozamiento formada por:
Fuerza de rozamiento = N( Eh, h) * tg( δ ) ( 7)
Tomando un δ = φ / 3
2-) Comprobaciones
de
tensión
tangencial máxima, donde se debe
cumplir:
Resistencia a tracción del suelo tratado > τ máxima
Obsérvese que si la hipótesis de la viga
equivalente no fuera biapoyada, el momento
máximo y cortantes cambiarían tanto de valor como
de signo, con lo cual habría que calcular el fondo
como otra viga equivalente y por consiguiente sus
nuevos valores de flectores y cortantes.
(8)
Esta τ max se da en los apoyos y es función
del canto del tapón y del esfuerzo cortante
máximo Q max calculado.
Tabla 10 Cálculo de
esfuerzos y tensiones
en la sección media.
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Tabla 11:
Comprobaciones del
jet groting
3-) Comprobaciones a resistencia a
compresión, donde se debe cumplir
Tensión máxima (σ max) < Resistencia a
compresión del suelo tratado (qu) (9)
En la Tabla 11 adjunta se muestran los
resultados
de
estas
comprobaciones
mencionadas.
Tabla 12: Parámetros recomendados por Shizabaki
5. Conclusiones y aplicaciones
Como se ha podido observar para el cálculo
analítico de un tapón de jet propuesto es
imprescindible conocer en primer lugar ciertos
parámetros y tipo de terreno ( caracterización).
Una vez ajustados analizados estos aspectos se
debe estimar las resistencias a compresión y a
tracción que previsiblemente pueda tener el
suelo tratado mediante la técnica del jet.
elementos finitos con código PLAXIS. Mediante
dicho código se establece al terreno tratado un
“ cluster “ con propiedades de cohesión, ángulo
de rozamientos interno, densidad, etc como las
mostradas en el presente artículo y pudiéndose
calcular de manera similar.
Es importante destacar que en las fases de
obras, previo a la ejecución del jet-grouting, es
necesario realizar un banco o zona de pruebas
para establecer el diámetro de columna más
aconsejable, la malla de columnas, la dosificación
de cemento, la relación agua cemento así como
resistencias a compresión simple y tracción para
un mejor análisis numérico posterior.
Para esto último hay que basarse tanto en
experiencias previas como en ábacos, tablas o
figuras que correlaciones dichos parámetros así
como unos diámetros de columnas estimados
para cada tipo de jet grouting. La Japan Jet
Grouting Association así como algunos
manuales nos proponer en una primer lugar
dichas correlaciones para un primer análisis o
cálculo analítico que se ha expuesto en el
presente artículo.
6. Bibliografía
Japan Jet Grouting Association. Cases Histories.
No
obstante
y
siguiendo
las
recomendaciones de Shizabaki, aconseja tomar
los siguientes parámetros para el cálculo de
presoleras o tapones de fondo, como se
muestra en la Tabla 12 siguiente en ausencia
de datos previos de los terrenos.
Manual de Técnicas de mejora del Terreno.
Por otro lado, los cálculos expuestos son
una primera aproximación analítica
para el cálculo de prelosas y pueden ser
de ayuda para un posterior cálculo
numérico mediante una modelización de
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