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Técnica de Jet-Grouting. Aspectos analíticos para casos de Tapones de Fondo.

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.

En el ámbito de estas inyecciones existen las llamadas inyecciones por reemplazo o de jet-grouting. 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 post trata de proporcionar y mostrar aquellos aspectos básicos a la hora de diseñar un tratamiento de jet-grouting 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, PHASE, etc (añadimos hoja de cálculo al final del artículo).

TAPON FONDO JET GROUTING

Figura 1: Geometría para un tapón de fondo

La aplicación se basa en el diseño de un tapón de fondo mediante la técnica de jet-grouting 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 otras estructuras soterradas

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1 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 una correcta disgregación del terreno y un mezclado.

1.1 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.

RANGO USO JET GROuTING

Figura 2: Rango de aplicación de la técnica de jet groting ( Fuente :Yiu Choi 2005)

1.2 Usos frecuentes del jet groting

Dentro del rango de aplicación de esta técnica tenemos:

  1.  Pantallas de contención.
  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).

2 ASPECTOS PREVIOS AL DIMENSIONADO

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.

2.1 Datos del terreno y geometría de la excavación

Dentro de los datos del terreno que son necesarios conocer destacan:

  • Parámetros de caracterización del terreno como por ejemplo densidades, granulometrías, tipo de terreno: granula o cohesivo.
  • 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.

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.

Para un cálculo analítico en la Tabla 1 siguiente se muestran los parámetros a tener en cuenta

JET GROTING

Tabla 1: Datos del terreno y geometría de la excavación.

2.2 Proceso constructivo del jet y datos previos

En el proceso constructivo mediante la técnica de jet se distinguen dos fases claramente diferenciables.

  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.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.

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Figura 3: Fases de ejecución del jet ( Fuente: Covil & Skinner 1994)

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Figura 4: Implementación de equipos para ejecución de un jet ( Fuente: Rodio).

Por otro lado, atendiendo al modo de ejecución, el jet puede clasificarse en:

  1. Jet 1  de fluido simple; Sólo dispone de una tobera para el jet de lechada que realiza las funciones de corte del terreno.
  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.. En la Figura 5 se puede apreciar las disposiciones de toberas y fluidos.

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    Figura 5: Sistema de jet tipo 1 y 2 (Fuente : Yiu Choi 2005 )

  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.
  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. En la Figura 6 se muestra el sistema de posicionamiento de toberas.
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Figura 6: Sistema de jet tipo 3 ( Fuente:Rodio)

Los  parámetros básicos de funcionamiento para cada tipo de jet, se muestran en la Tabla 2 con  sus características básicas para un predimensionamiento y posible preselección de equipos.

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Tabla 2: Características básicas para el jet-groutng. Valores medios (  Jet Association Japan)

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 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.

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Figura 7: Diámetros en función de SPT, Tipo suelo y tratamiento (Fuente :  Miki&Nakanishi 1994)

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.

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Tabla 3: Resistencias para jet 1. Fuente:  Bielza Feliu, Ana(1999)

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Tabla 4: Resistencias para jet 2. (Fuente: Bielza Feliu, Ana(1999))

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 un 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.

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 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

B=6 con n=-1/2 para Tornaghi                         (2)

De este modo se tendría en la Tabla 5 los siguientes parámetros de cálculo analítico:

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Tabla 5: Datos del tipo de jet

La resistencia a tracción del terreno tratado puede estimarse mediante la relación:

rt = 2CT/3                                                    (3)

2.3 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.

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.

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 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.

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

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Figura 7: Estimación de cantidad de cemento según terreno y qu( Fuente : Practical Handbook of Grouting)

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.

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Tabla 6: Diámetros usuales de columnas de jet.

En cuanto a la geometría de la malla en planta dependerá en gran medida de la finalidad 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.

En la Figura 9 se esquematiza los parámetros de una malla formada por columnas mordientes

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Figura 8: Disposición de malla para calcula S-espaciado según diámetro de comuna ( Fuente: Elaboración Propia)

De este modo para el caso que nos ocupa tendremos en la Tabla 7 los siguientes valores.

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Tabla 7: Características geométricas del jet.

3 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.

Se asume que la resistencia a tracción es en general menor del 10% de la resistencia a compresión simple.

Inicialmente tenemos un equilibrio de masas siguientes:

                                    Peso de tierras +  Peso del tapón = Subpresión                           ( 4 )

De este modo y con un factor de seguridad dado precalculamos el canto necesario, como se muestra en la Tabla 8.

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Tabla 8: Cálculo de canto del tapón de fondo.

3.1 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.

El esquema de solicitaciones será el mostrado en la Figura 9 que se muestra a continuación.

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Figura 9: 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:

        Sobre presión neta Spn = Sobrecargas + Peso de tierras+ Peso del tapón – Subpresión                     ( 5 )

Se muestra en la Tabla 9 los resultados de empujes y sobrepresiones actuantes en la viga equivalente.

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Tabla 9: Cálculo de solicitaciones en el tapón y subpresiones netas.

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 las rigideces a flexión de la pantalla y del terreno excavado. Sus valores pueden oscilar entre 2 y 3,5.

3.2 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.

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Tabla 10 Cálculo de esfuerzos y tensiones en la sección media.

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.

3.3 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:

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( d )                                            ( 7)

Tomando un d = f / 3

2-) Comprobaciones de tensión tangencial máxima, donde se debe cumplir

                  Resistencia a tracción del suelo tratado > t máxima                              ( 8 )

Esta  t max se da en los apoyos y es función del canto del tapón y del esfuerzo cortante máximo Q max calculado.

3-) Comprobaciones a resistencia a compresión, donde se debe cumplir

                    Tensión máxima( s max ) < Resistencia a compresión del suelo tratado ( qu)                     ( 9 )

En la Tabla 11 adjunta se muestran los resultados de estas comprobaciones mencionadas

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Tabla 11: Comprobaciones del jet grouting

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.

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Tabla 12: Parámetros recomendados por Shizabaki

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 elementos finitos con código PLAXIS o PHASE. Mediante dichos códigos se establecen 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.

Os podéis bajar la hoja de cálculo pinchando en el siguiente icono:

excel

Referencias:

  • Japan Jet Grouting Association. Cases Histories.
  • Manual de Técnicas de mejora del Terreno ( Carlos López Jimeno 2000).
  • EN 12716, 2001. Execution of special geotechnical works – Jet Grouting.: British Standard BSi
  • Pactical Handbook of Grouting ( Wiley 2004).
  • Jet Grouting Method (Ricahrd Fun Yiu Choi 2005)
  • Website: Rodio Cimentaciones

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Pedro Caro Perdigón

Doctor Ingeniero por la Universidad Politécnica de Madrid. Diseñador de proyectos de interés geotécnico, cimentaciones, estructuras soterradas, excavaciones profundas y obras de tierras y en roca. Autor de diversas publicaciones en Manuales y Revistas especializadas y colaborador invitado de Estructurando.net

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