Estudio de Factibilidad para la instalación de un sistema de captación geotérmica empleando la cimentación y estructura de contención

A petición de un arquitecto, se ha preparado este estudio de factibilidad a fin de conocer, de una forma preliminar, el potencial para la explotación de la energía geotérmica superficial renovable, en la climatización del edificio de Investigaciones en un Parque Tecnológico de Madrid. 

En nuestra propuesta está previsto el uso de los elementos de cimentación y contención de tierras (estructuras de hormigón) que están en contacto directo con el terreno y, actúan como eficientes intercambiadores de calor. Como fuente de calor en el invierno y de enfriamiento en el verano, aprovechando la temperatura natural del terreno, sin prejuicio a emplear otro tipo de captadores (verticales /horizontales), si así fuese necesario.

Las cimentaciones activas, desde el punto de vista energético, y otras estructuras geotécnicas termo-activas, incorporan tecnologías innovadoras que contribuyen a la protección del medioambiente, proporcionando importantes ahorros en los siguientes aspectos:

a. Recursos energéticos, 

b. Emisiones de CO2, 

c. Recursos económicos a mediano y largo plazo.

Desde el punto de vista de ejecución, solo es necesaria la instalación de conducciones (rellenas de fluidos adecuados para la transmisión térmica) en los elementos estructurales convencionales de cimentación y sostenimiento, como por ejemplo: 

a. Pilas, 

b. Pilotes, 

c. Muros pantalla, 

d. Muros de sótano, 

e. Losas, 

f. Túneles. 

Elementos que forman el circuito primario de un sistema energético de aprovechamiento geotérmico.

Como parte de las actividades necesarias para la elaboración de este estudio, se ha analizado, la información suministrada por el cliente respecto a las propiedades geológicas, hidrogeologías, geotécnicas y geotérmicas del solar donde se realizará la construcción de un edificio.  Todo ello, con el objeto de establecer de una forma preliminar, la capacidad de aprovechamiento geotérmico de las estructuras consideradas. 

Objetivos del Estudio

1. Recopilar información básica disponible de carácter geológico, hidrogeológico, geotécnico y geotérmico,
2. Valorar de modo cuantitativo el aporte energético de las estructuras subterráneas para el proyecto de climatización y agua sanitaria,
3. Definir las actividades necesarias para realizar un proyecto para el aprovechamiento geotérmico de las estructuras de cimentación y contención del terreno del proyecto.

Datos de Partida

Emplazamiento

Emplazamiento - Fuente Google Maps

Los linderos de la parcela son:

• Al Noroeste, con la calle Punto Com, por la que tiene acceso,
• El resto de linderos son parcelas sin edificar. aspecto muy importante a la hora de proyectar el aprovechamiento geotérmico. Para utilizar los muros de sótano como intercambiadores.

Estructura

Según los datos facilitados por el cliente, se prevee la construcción de dos y tres plantas sobre la rasante de la calle de acceso y dos plantas de sótano, la primera ocupará toda la planta del edificio, se construirá aprovechando un desnivel de 4,0 m  respecto a la calle de acceso, y coincidirá con la rasante de aparcamiento del edificio ya construido y la segunda planta de sótano ocupará sólo la mitad sureste del edificio. El proyecto cubre una superficie de 2342m2 y un perímetro de 222m, aproximadamente.  

Geología

 La zona de estudio está situada en el sector centro-oriental de la cuenca del Tajo; es un relieve poco accidentado donde se destaca una zona central con elevaciones más suaves que dejan entre sí amplios valles, y un sector sureste donde la topografía es más abrupta con cotas que oscilan entre 926 y 600 m.

Mapa Geológico de la zona de estudio

La red fluvial principal es la correspondiente al río Henares, siendo éste la única arteria importante y permanente; el resto de la red está formada por apoyos de circulación intermitente que son tributarios del surco principal, tales como el Torote y Camarilla.

Desde el punto de vista geológico, la zona se sitúa en la cuenca meso – terciaria del Tajo, en la zona de transición de las facies continentales neógenas, del borde al centro de la cuenca del Tajo, durante el neógeno, se realiza en condiciones endorreicas, estableciéndose un sistema de aportes alimentado en los bordes por abanicos aluviales que se continúan en unas facies complejas de transición. Este relleno tiene una gran variedad litológica, correspondiente a las diferentes composiciones de las áreas fuertes y a la diferente ubicación de sistemas deposicionales que normalmente son múltiples. Sobre estos terrenos terciarios se instala la red hidrológica actual, que se encaja progresivamente en sucesivos episodio de incisión, ensanche y relleno, dando lugar a un conjunto de terrazas escalonadas y glacis.

En la zona de estudio se pueden diferenciar dos dominios:

Uno constituido por materiales neógenos formados por una alternancia irregular de arenas arcósicas, conglomerados cuarcíticos con matriz arcósica, fangos arcillo – limosos o arenas arcósicas, conglomerados cuarcíticos con matriz arcósica, fangos arcillo – limosos o lutitas con arenas en tonos pardo – rojizos; se intercalan algunos niveles, de espesor decimétrico, de areniscas calcáreas y de origen palustre – edáfico; en la base son abundantes los niveles con granulometría más gruesa en los que dominan los cantos de cuarcita, las arena son, normalmente, gruesas a medias y en ocasiones muy gruesas y sub angulosas con un contenido entre un 6 – 20 % de limo – arcilla, la fracción arcillosa de los fangos está formada por ilita y caolinita.

El otro dominio está constituido por materiales cuaternarios; los materiales más resientes, pleistocenos y holocenos, están ampliamente representados en extensión superficial aunque con espesores reducidos si se comparan con las series neógenas aflorantes; la formaciones superficiales mejor representadas por depósitos aluviales son la secuencia de terrazas que se extienden por la margen izquierda del río Henares; también son importantes los depósitos de acumulación de los glacis impuestos al pie del Páramo.

Leyenda del Mapa Geológico

30. Gravas y cantos poligénicos, arenas, arenas arcillosas, nódulos de carbonatos y costras calizas. (Terrazas de los ríos Henares y Jarama).

36. Gravas y cantos poligénicos, arenas, arenas arcillosas y fangos. (Conos de deyección)

39. Gravas y cantos poligénicos, arenas y arenas limo – arcillosas. (Llanuras de inundación)

Hidrogeología

Desde el punto de vista hidrogeológico, la zona donde se encuentra el solar está compuesta a nivel superficial por aluviones y terrazas ajas, arenas, limos y gravas, permeables (Cuaternario), en profundidad se localizan arcillas, con niveles margosos y arenosos bien estratificados (Terciario – Mioceno – inf – medio). La profundidad del nivel freático se encuentra entre 3 y 6 m a partir de la superficie actual del terreno .

Mapa Hidrogeológico de la zona de estudio

Geotecnia

La zona de estudio presenta condiciones constructivas favorables, sin embargo, pueden existir problemas de tipo geomorfológico, hidrogeológico y geotécnico.

Mapa Geotécnico de la zona de estudio

En el informe geotécnico realizado para la parcela, se describen las siguientes unidades geotécnicas:

• La superior (Capa A): son materiales de relleno antrópico formados por arenas limosas con escombro y restos de grava y gravilla. Aparece en toda la parcela excepto en el lindero con el edificio existente, coincidente con la cota topográfica más baja. Se extiende desde la superficie original del solar y su espesor oscila de 1,0 hasta 2,0 m coincidente con las zonas más elevadas (linderos noreste y sureste),
• La intermedia (Capa B): son arenas limosas no plásticas del Cuaternario.  Aparece subyacente a la capa A, su espesor es variante entre 1,0 y 1,30m desapareciendo en la zona suroeste,
• La inferior (Capa C): correspondiente a limos de baja y alta plasticidad del Mioceno, cuyo espesor supera los 13 m por debajo de la Capa B.

Leyenda del Mapa Geotécnico

Estimación del potencial de aprovechamiento geotérmico

La parcela se encuentra situada en un estrato areno arcilloso de permeabilidad variable, con buena capacidad portante, y deformaciones variables según el tipo de carga y tipología de cimentación. 

La elección de la tipología de la cimentación o solución geotécnica, depende habitualmente de las condiciones del terreno y de los requisitos estructurales de la edificación. En los casos en que la cimentación del proyecto contemple, por ejemplo, pilotes excavados o muros pantalla, estos elementos estructurales proporcionan los componentes necesarios para hacer un uso efectivo de la energía geotérmica. Los elementos de cimentación de hormigón armado ofrecen una superficie importante de contacto con el terreno y probablemente niveles de agua colgada. Condiciones ideales para la transferencia de calor del terreno. Sin embargo, existen otras opciones que incluyen la construcción de cimentaciones directas tales como losas pilotadas, pozos y otras estructuras de hormigón en contacto con el terreno.

Aporte Energético de las Estructuras de Cimentación y Contención

Para el predimensionamiento de las estructuras de intercambio, asumiremos volúmenes de energía extraídos del suelo, basados en las estimaciones de intercambio térmico entre el hormigón y el terreno investigados por el Prof. Alfreds Jumikis y, adaptados al suelo español mediante los ensayos de campo y medición de parámetros térmicos del terreno realizados por INGEOSOLUM, en su campo de pruebas de Madrid y Cantabria .

Siguiento la instrucción técnica elaborada por INGEOSOLUM procederemos a analizar el potencial de aprovechamiento energético.

• Losa o Zapata con Solera Energética
• Superficie de losa en contacto con el terreno: 2342m2,
• Material: Hormigón reforzado 2,4kg/m3,
• Energía teórica extraída: 48,0 kW 

• Muro de Contención Energético
• Perímetro del muro de contención aprovechable: 222 m,
• Material: Hormigón reforzado 2,4kg/m3,
• Energía teórica extraída: 19,0 kW, este valor se deberá ajustar en función de la geometría de los sótanos de los edificios medianeros.

• Pilotes Energéticos
• Cantidad : 65 unidades de 13 m
• Material: Hormigón reforzado 2,4kg/m3,
• Energía teórica extraída: 50,0 kW, este valor se deberá ajustar en función de la cantidad, geometría y distribución definitiva de los pilotes.

• Intercambiadores Verticales (BHE)

Se emplearán intercambiadores verticales (BHE), debido a que el uso de las cimentaciones como intercambiadores de calor con el terreno, no logran proporcionar el 100% de las potencias de climatización requeridas por el proyecto, de tal manera que la energía faltante será suministrada mediante el uso de BHE. 

La cantidad de BHE necesarios, dependerá de la configuración de las cimentaciones activas, es decir entre mayor sea la potencia energética de las cimentaciones, menor será la cantidad de BHE a instalar.

 A continuación se presenta un resumen del tipo de cimentación activa, muros de contención, junto con BHEs y su potencia térmica de extracción teórica: 

• Losa o zapata con solera (47 - 49) kW
• Muro de Contención (18 - 20) kW
• Pilotes (49 - 51) y BHE (62 - 64) kW
• Total: (176 - 184) kW

El aprovechamiento de las estructuras de hormigón del proyecto, como captadores energéticos, pueden lograr suministrar como máximo 117 kW, al sistema de climatización, dependiendo de la estructura de cimentación escogida.

Costos de Operación

Dependiendo de la eficiencia térmica de la bomba y de las condiciones del terreno, tres cuartas partes de la energía requerida para la climatización proviene de calor almacenado en el suelo por radiación solar o de la absorción de calor por el terreno, tal como se presenta a continuación:

Esquema de Aprovechamiento Geotérmico con Estructuras Termo-Activas

Economía del Aprovechamiento Geotérmico

Estas condiciones de explotación hacen que la geotermia sea la técnica más eficiente para la climatización. Ya que por cada kW aportado de energía al sistema se obtiene un mínimo de 4 kW.

En la figura siguiente, a modo de referencia de escala económica, se presenta los costes de operación anuales para una vivienda unifamiliar aislada de 175m2, con un requerimiento energético de 9 kW con diferentes sistemas de climatización.

Costos de operación por año de una vivienda de 175m2, con un consumo de 9kW

Conclusiones

Este estudio demuestra que el aprovechamiento geotérmico de baja temperatura, consigue proporcionar energía limpia, renovable y muy económica al sistema de climatización del edificio proyectado. Adicionalmente esta energía se puede emplear para:

• Suministro de ACS (agua caliente sanitaria), 
• Climatización mediante suelo radiante y/o fancoils,
• Free cooling,

El cálculo realizado en este Estudio de Factibilidad es teórico, no obstante es posible optimizar la potencia térmica extraída del suelo mediante la ejecución del Ensayo de Respuesta Térmica (ERT). Los valores teóricos, se pueden ver incrementados hasta en un 30%.

Las inversiones necesarias para la instalación de éste sistema geotérmico, tiene un periodo de amortización comprendido entre 4-6 años, a los precios actuales de la energía eléctrica.

Ripabilidad de Rocas

La "ripabilidad" de una roca (anglicismo que adoptamos) representa una medida del grado de dificultad de la misma para ser excavada con equipos de convencionales; mediante la rotura del terreno con un tractor o bulldozer que permite su excavación o carga directa.

Ripper montado en un Tractor Caterpillar D8-L

Un material puede ser clasificado como ripable, ripable marginalmente o no ripable, dependiendo de la capacidad de los equipos convencionales para excavarle.

La ripabilidad de un material es a menudo evaluada por un ingeniero, geólogo o geofísico mediante la utilización de equipos de geofísica (sísmica de refracción), que si se complementan con sondeos, testificación y ensayos de laboratorio proporcionan excelentes resultados.

Según Bieniawski, la ripabilidad de una roca se evalúa por numerosos parámetros incluyendo la resistencia uniaxial, grado de desgaste, abrasión, y el espaciamiento de discontinuidades. Sin embargo, la refracción sísmica ha sido históricamente el método geofísico utilizado para predeterminar indirectamente el grado de ripabilidad.

Si bien hay numerosos factores que afectan la ripabilidad, como por ejemplo la resistencia fracturación, dirección del buzamiento de la roca, etc., en términos de producción, los factores dominantes son: la resistencia a la compresión simple de la roca, el grado de meteorización, la velocidad sísmica, la resistencia y rugosidad de las juntas, su separación, y sobre todo la masa del tractor. 

Ripado con Tractor Caterpillar D11R

El ripado es generalmente realizado por un tractor (bulldozer). El tamaño del mismo se determina por la estimación del ripado de la roca. La dureza y la competencia de cada capa individual determinará la facilidad de ripado. Cuando la roca que es demasiado "dura" para ser ripada hace falta emplear explosivos.

Igualmente, es recomendable elaborar un mapa geológico de superficie, y hacer pruebas con los medios de obra, sean: excavadoras, retroexcavadoras o tractores con ripper para comprobar los resultados de los estudios. 

En numerosos proyectos, los resultados económicos de una excavación en roca dependen de la ripabilidad con medios convencionales, o si es necesario emplear perforaciones y voladuras.

Las rocas pueden ser clasificadas en tres categorías: ígneas, sedimentarias y metamórficas.

• Las rocas ígneas, formadas por el enfriamiento de las masas fundidas que se originan dentro de la tierra, son los más difíciles de ripar. Esto es en parte porque carecen de planos de debilidad como lo son la estratificación o exfoliación. 
• Las rocas metamórficas se definen generalmente como cualquier roca derivada de rocas preexistentes por química mineralógica, y/o cambios estructurales, en respuesta a cambios marcados en la temperatura, presión, tensión de cizallamiento, y el entorno químico. Las rocas metamórficas más comunes son: gneis, cuarcita, esquisto y pizarra. Estas rocas varían en el grado de ripabilidad, dependiendo de su grado de estratificación o foliación.
• Las rocas sedimentarias son rocas procedentes de la destrucción de rocas preexistentes. La acción del agua es responsable de la mayoría de las rocas sedimentarias, aunque algunas han sido formadas por el viento o el hielo glacial. Las rocas sedimentarias son generalmente las más ripables.

Pocos problemas o ninguno se presentan con arcillas, pizarras, o areniscas. Del mismo modo, cualquier roca altamente estratificada o laminada y rocas con fracturas extensas suelen ser fácilmente ripables.

Las características físicas que son favorables para el ripado son las siguientes:

• Planos frecuentes de debilidad tales como fracturas, fallas, y laminaciones,
• Rocas meteorizadas,
• Rocas con agua y/o humedad penetrando a la formación,
• Rocas altamente estratificadas,
• Rocas frágiles,
• Rocas con baja resistencia al corte,
• Rocas con bajas velocidades sísmicas.

Las condiciones que hacen difícil el ripado son las siguientes:

• Rocas masivas, 
• Rocas que no presenten planos de debilidad,
• Rocas cristalinas,
• Rocas con estructuras capaces de absorver energía,
• Rocas con alta resistencia al corte,
• Rocas con altas velocidades sísmicas.

Ripabilidad (D9) vs. Velocidad de Onda Sísmica
(Caterpillar, Handbook of Ripping 8th Edition)

La figura anterior muestra la ripabilidad de diferentes tipos de roca, para diferentes velocidades sísmicas utilizando un tractor D9 de Caterpillar. Como puede verse, cuando la velocidad sísmica es mayor de 2000 m/s, el tractor D9 es insuficiente, y hace falta un tractor más grande o voladuras. Se hace notar que el manual de Caterpillar indica que un tractor D11 puede extraer algunas rocas con velocidades de casi 3000 m/s.

Sísmica de Refracción

El método de la sísmica de refracción, se puede emplear para encontrar las velocidades de una roca. El método requiere una fuente de energía sísmica, por lo general un martillo, para profundidades reducidas y explosivos para grandes profundidades. Más detalles de la técnica se puede consultar el post Refracción Sísmica integrada con Microtremor (ReMi).

Forth (1981) coordina un interesante trabajo de investigación en el que se aplica la sísmica de refracción para determinar el grado de ripabilidad de rocas meteorizadas de Hong Kong. En ese trabajo muestra que los perfiles de sísmica de refracción son un método económico para obtener información de la profundidad de meteorización y la naturaleza de la roca. Esto es particularmente cierto para los trabajos de reconocimiento en sitios remotos e inaccesibles en los que la sísmica de refracción demostrado ser una fuente rápida y barata de información.

Sin embargo, se mostró que era esencial para correlacionar los perfiles sísmicos a las condiciones geológicas reales, especialmente en las rocas volcánicas donde  se observaron profundidades considerables de material meteorizado.

En todo caso, la utilización la velocidad sísmica como único parámetro para conocer la ripabilidad  de una roca, es un enfoque simplista ya que no incluye la información geológica específica que permitiría predecir el grado de ripabilidad con precisión. Principalmente porque la velocidad es un parámetro que está ligado a la densidad, la resistencia de la roca intacta, el grado de alteración y la fracturación de la misma.

Conclusiones

Este post revela que la velocidad sísmica puede empleada como un indicador de la ripabilidad de una masa de roca. Sin embargo, es necesario que la masa de roca sea evaluada en términos geológicos por lo que es recomendable integrar los puntos de vista geológicos y geofísicos para determinar cuantitativamente el grado de ripabilidad.

El uso de clasificaciones de ingeniería para las rocas, como por el ejemplo el RMR (Bieniawski) provee al técnico de información relevante sobre la masa de roca. No obstante, hace falta recalcar que esta aproximación no involucra un examen detallado de la masa de roca donde puede ser observada o es necesario una inversión considerable en sondeos. De la misma forma, es importante destacar que el uso de valores puntuales de ingeniería como: RQD y el PLT puede proporcionar valores poco realistas del grado de ripabilidad de una masa de roca y, por ende, estos parámetros deben ser utilizados con precaución.

Por otro lado, emplear la velocidad sísmica tiene ventajas considerables cuando la masa de roca no puede ser observada directamente. Algunos autores han sugerido que se incluya en los sistemas de clasificación de las rocas ya que puede proporcionar valores aproximados de la resistencia a la compresión simple. Adicionalmente, para litologías individuales, los valores medidos en el campo  se pueden utilizar para estimar el índice de fracturación basados en la determinación de la velocidad en el laboratorio, y de forma complementaria estimar el RQD.

En un ambiente geologico desconocido, una velocidad sísmica de 2000 m/s o inferior, puede ser interpretada para indicar que la roca está compuesta por un material intacto con una resistencia a la compresión simple baja, o se trata de una roca altamente fracturada. En ambos casos, la roca no debe presentar muchos problemas para ser ripada y excavada por medios normales. 

La velocidad sísmica esta relacionada directamente con las propiedades geomecánicas de una masa de roca en dos niveles: a una escala micro, con el valor de laboratorio de un espécimen intacto y en la escala macro con el valor determinado directamente en campo en la masa de roca fracturada. Por lo tanto se puede concluir que las tablas gráficas de ripabilidad, basadas en la velocidad sísmica, deben ser utilizadas con mucho cuidado y prestar la debida atención a la información geológica disponible y los datos de ingeniería del macizo rocoso.

Referencias

• Forth, R. A. et al. (1981), Methods of investigation of weathered rock in Hong Kong, Proceedings of the International Symposium of Weak Rock, Tokyo, 519-526
• Wightman, W. et al. (2003), Application of Geophysical Methods to Highway Related Problems, Federal Highway Administration, 318–322.
• MacGregor, F. et al. (1994), The estimation of rock rippability, Quarterly Journal of Engineering Geology & Hydrogeology 27 (2): 123–144.
• McCann D. and Fenning P. (1995), Estimation of rippability and excavation conditions from seismic velocity measurements, Geological Society, London, Engineering Geology Special Publications 10: 335–343.

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Mejora del Terreno, mediante inyecciones IngeoPRESS de Baja Movilidad - Recalce de una piscina en rellenos antrópicos

Las inyecciones IngeoPRESS, de baja movilidad, se plantean como una actuación de mejora del terreno bajo la base de una piscina, que se encuentra construida sobre un espesor de aproximadamente 6,00 m de relleno de origen antrópico sin compactar.

Los rellenos corresponden a un área de una urbanización que, según el planteamiento inicial constituía un jardín sin la presencia de cargas importantes. Una vez realizados los rellenos se tomó la decisión de instalar una piscina sobre ellos, para lo cual se procedió a la compactación superficial de éstos. Sin embargo, dada la baja aptitud de los rellenos, entre los cuales se encuentran, según información de proyecto, residuos de construcción de naturaleza diversa (tierras, hormigones, escombros, madera y restos orgánicos), tras la puesta en servicio de la piscina, se detectaron asientos importantes que alcanzaron magnitudes superiores a los 20 cm, de manera que la estructura superó ampliamente su estado límite de servicio, y tuvo que ser vaciada.

Piscina con patologías - nótese hundimiento y giro

En base a la información del cliente, el vaso de la piscina, construido en hormigón proyectado, no manifiesta filtraciones efectivas de agua ni fisuras importantes; y únicamente ha sufrido una traslación vertical descendente con un ligero giro. La fracturación que permite el desarrollo del movimiento se ha generado de forma limpia en la unión entre el bordillo exterior y el borde del vaso. La formación de una junta de este tipo a lo largo de la totalidad del perímetro del vaso ha permitido el acceso al relleno de cantidades importantes de agua procedente de la piscina.

En relación a las instalaciones, dada la magnitud de los movimientos detectados, se encuentran en estado de ruina, constituyendo así vías de acceso de cantidades importantes de agua procedente de los desagües de las duchas, de la propia piscina, drenajes superficiales, etc… hasta el material de relleno. 

Asiento del vaso de la piscina

En cuanto al pavimento perimetral de la piscina, éste se encuentra fisurado, de manera que existen vías de infiltración del agua superficial hacia el material de relleno. El desarrollo de movimientos tiende a incrementar aún más la magnitud y densidad de las juntas, facilitando el flujo de agua hacia el relleno y acelerando los procesos patológicos.

Los efectos del flujo de agua entre la piscina y el relleno se traducen en la generación de fenómenos patológicos a través de diferentes mecanismos:

• Humectación y pérdida de succión intergranular en materiales arenosos o arenosos con finos. Pérdida de cohesión y colapso, con la generación de asientos diferenciales,
• Aparición de niveles de agua, con la consecuente variación de los empujes sobre estructuras circundantes,
• Desarrollo de potenciales hidráulicos importantes y, en consecuencia, flujo de agua de las zonas con mayor carga hidráulica hacia las zonas libres.

La presencia de un muro perimetral que confina lateralmente la piscina y su entorno contribuye a la aparición de gradientes hidráulicos importantes entre el recinto y el exterior de ésta, dando lugar a la aparición de flujos importantes entre el recinto y el exterior, o entre el recinto y los sótanos circundantes. La velocidad de dichos flujos depende de la magnitud de los gradientes, pudiendo alcanzar valores muy importantes en áreas localizadas, y dando lugar a fenómenos erosivos de tipo regresivo, al lavado de finos, a la formación de tubos, y a la transferencia efectiva de masa desde el relleno hasta el exterior, acelerando la ocurrencia de asientos de manera progresiva.

Sistema de Inyecciones IngeoPRESS

IngeoPRESS es una técnica de mejora del terreno consistente en la inyección en el subsuelo de mortero seco de baja movilidad a alta presión. 

El mortero, al ser inyectado en condiciones de confinamiento a alta presión, y gracias a su elevada viscosidad tiende a expandirse bajo presión formando un bulbo. La consistencia seca del mortero no permite que este impregne el terreno ni que lo fracture.

Esquema de las Inyecciones IngeoPRESS - imagen cortesía de Hayward-Baker

La sustancia a inyectar es un mortero de granulometría fina, con escasa proporción de agua. Debe de ser lo suficientemente viscoso cómo para que, al producirse la inyección a elevadas presiones, éste no fracture hidráulicamente el terreno ni impregne sus poros. A la vez, debe de ser lo suficientemente fluido para asegurar su bombeabilidad. La bomba de mortero debe de ser capaz de bombear con conos muy bajos a elevadas presiones, ya que, la energía de compactación que se invertirá en la mejora del terreno proviene, en última instancia, de esta presión.

Las inyecciones IngeoPRESS permiten ejercer un efecto combinado de compactación en tres direcciones y relleno de cavidades. Además, el mortero de cemento aporta consistencia a la totalidad de la estructura interna del terreno. De esta forma, una vez concluida la campaña de inyecciones; correctamente reparadas las instalaciones, garantizada la estanquidad del vaso y las instalaciones, y resuelto correctamente el drenaje superficial, los asientos se verán controlados. Sin embargo, en caso de seguirse produciendo aportaciones de agua de cierta importancia, el agua circulará entre los bulbos de mortero y se iniciará de nuevo un proceso de lavado del terreno.

Inyecciones IngeoPRESS en pleno desarrollo

La aplicación de las inyecciones IngeoPRESS para mejora del terreno bajo una cimentación directa se produce superponiendo varios bulbos en la dirección del eje de la perforación, de forma que se genera una columna de terreno mejorado compuesta por una inclusión rígida central y un terreno mejorado cuya mejora decrece radialmente a medida que nos alejamos del bulbo de inyección. Situando los puntos de inyección bajo las cimentaciones de la estructura a realizar, podemos aplicar una mejora del terreno exclusivamente en la zona solicitada. Los bulbos de inyección son elementos rígidos de resistencia similar al hormigón en masa, y mucho menos compresibles que el terreno. Al expandirse a la salida de la tubería de inyección, compactan lateralmente el terreno que le rodea, de forma que su compresibilidad se reduce significativamente, al tiempo que se incrementa su densidad.

Se trata de una tipología de inyecciones de gran versatilidad. Sus aplicaciones, en general, son de tres tipos:

• Mejora del terreno, mediante el aumento de la capacidad portante y reducción de la deformabilidad de terrenos sueltos y poco compactos, predominantemente granulares, gracias a la generación de inclusiones rígidas y a la compactación lateral del terreno,
• Relleno de cavidades, aprovechando la elevada viscosidad del mortero de inyección, que permite limitar las pérdidas por flujo a través de la red de cavidades,
• Recalce de estructuras que sufran asientos netos o diferenciales excesivos, gracias al efecto radial de compactación del terreno, a la flexibilidad del sistema y a la baja movilidad del mortero.

Al penetrar el mortero en un terreno homogéneo, se produce una expansión del bulbo, que da lugar a una inclusión de forma aproximadamente esferoidal aunque con mayor desarrollo radial que vertical. En la práctica, el mortero tiende a compactar las zonas más deformables, dando lugar a un bulbo de forma irregular, que tiende a desarrollarse en las direcciones de mayor debilidad.

Ejecución de Inyecciones IngeoPRESS - camisa de inyección recuperable

La aplicación de la técnica admite diversas variantes. Puede efectuarse en orden ascendente, descendente o combinado con inyecciones de impregnación, en función de las coacciones particulares del problema.

Método de Ejecución y Controles

Considerando la variabilidad de los terrenos, de las condiciones de contorno, y el propio método de ejecución de las inyecciones, se puede concluir que los cálculos analíticos previos en términos de volúmenes, presiones, caudales y resultados obtenidos son meramente orientativos, cómo ocurre en la gran mayoría de las técnicas de inyección.

Existen modelos desarrollados basados en problemas clásicos de la teoría de elasticidad para estimar el desarrollo de las inyecciones. A partir de un modelo de este tipo, y partiendo de una serie de hipótesis se va a realizar una primera estimación de carácter aproximativo. Las hipótesis adoptadas respecto al terreno y las condiciones de contorno se enuncian en el apartado siguiente.

Control de la presión de inyección en la boca del taladro

No obstante, y por el propio concepto de inyección, la presión del bulbo en el momento de su expansión va a aplicarse radialmente en todas las direcciones desde la boda de la tubería de inyección. Si el contorno del terreno en torno al bulbo en expansión no es homogéneo, la elevada presión de inyección tenderá a comprimir radialmente en mayor medida aquellas zonas más deformables, generando una compactación del terreno y una expansión del bulbo en esa dirección que cesará cuando el terreno haya adquirido la suficiente resistencia como para no permitir el desarrollo del bulbo de inyección en esa dirección. Por lo tanto, y por su propio funcionamiento, las inyecciones IngeoPRESS tienden a homogeneizar el terreno, actuando en mayor medida sobre las zonas más desfavorables y rellenando los huecos. La geometría del bulbo y su volumen está ligado a la compresibilidad de los materiales y su heterogeneidad.

Para garantizar la correcta puesta en obra de las inyecciones, y teniendo en cuenta el fenómeno anterior, se lleva a cabo un control basado en una serie de criterios de rechazo, a definir en cada caso, y que generalmente son tres:

• Presión - Presión máxima de inyección admisible (criterio relacionado con la presión que provoca la plastificación del terreno circundante),

• Volumen - Volumen límite prefijado (criterio ligado a la posibilidad de facturación hidráulica en condiciones de elevada presión, y especialmente indicado en caso de relleno de cavidades),

• Movimientos en la superficie - Si se detectan movimientos en superficie, debe detenerse inmediatamente la inyección, ya que a partir de ese punto no va a existir una mejora de las propiedades geomecánicas del terreno. Este criterio es crítico en caso de recalces, donde las tolerancias en los movimientos admisibles son milimétricas.

Una vez definidos estos tres criterios, en general, el cumplimiento de cualquiera de los tres es suficiente para suponer el fin de la inyección.

Estos criterios están ligados a la experiencia previa, el empiricismo y la observación, así como en principios físicos básicos.

Sistema de Control de las Inyecciones y Auscultación

En todo caso, en condiciones de terreno homogéneo, la mejora del terreno mejora cuanto mayor sea el tamaño del bulbo, para lo que ha sido necesaria una mayor presión. Es decir, a medida que el bulbo crece durante la inyección, la presión de inyección debe de ser creciente. Las caídas bruscas de presión, asociadas a incrementos bruscos del caudal, suelen ser provocadas, generalmente por la facturación hidráulica del terreno o por la apertura brusca de cavidades próximas.

Solución adoptada para tratar la patología

Se ha proyectado una solución consistente en columnas de bulbos de inyección IngeoPRESS, situadas por debajo de la losa de cimentación.

El tratamiento afectará únicamente al nivel geotécnico correspondiente a los rellenos antrópicos, por constituir éste el nivel geotécnico más deformable. El nivel correspondiente al terreno natural puede ser considerado como indeformable, dada su elevada rigidez en relación a los rellenos antrópicos suprayacentes.

Disposición de los puntos de tratamiento de inyección

Se estima que el tratamiento alcanzará una profundidad máxima comprendida entre 3 y 4 m. Por éste motivo, se ha desarrollado el modelo de columna de inyección hasta los 4,00 m de profundidad.

Procedimiento de Ejecución

Para cada punto de inyección, el procedimiento es el siguiente:

• Perforación con martillo en fondo e instalación de tubería de revestimiento recuperable hasta el nivel de la superficie topográfica del terreno natural,

• Inyección de mortero de baja movilidad a alta presión, a través de la camisa recuperable hasta rechazo por uno de los tres criterios escogidos. Extracción de la camisa en un intervalo de 1,00 m e inyección a alta presión hasta rechazo. Repetición de la inyección a profundidades decrecientes hasta final de la columna,

• Extracción final de la camisa recuperable.

En total, se ha proyectado un total de 28 puntos de inyección. Se realizarán de manera alternada, de forma que al realizar la segunda fase, los puntos de inyección queden intercalados entre dos puntos ya realizados.

Criterios de Rechazo

Los criterios de rechazo son aquellas situaciones de obra que se establecerán como índices de la correcta realización de la inyección. Por lo tanto, al alcanzar alguno de los tres criterios de rechazo propuestos la inyección se interrumpirá, y se considerará terminada en el punto y el nivel correspondiente. En casos excepcionales podría considerarse que el agotamiento de un determinado criterio no implica la correcta finalización de las inyecciones debido a condiciones singulares, y podría hacerse necesario definir nuevos criterios de parada. 

Estos criterios se relacionan, por lo tanto, con las variables que intervienen en la inyección: Volúmenes, presiones y desplazamientos:

• Criterio de limitación de volumen inyectado: Este criterio terminará de definirse en base a la inyección de prueba a realizar en el entorno de la obra (o de la primera inyección, si no fuera posible realizar una inyección de prueba),

• Criterio de limitación de presiones: La presión límite se define, en éste caso como aquella que produce la plastificación masiva del terreno. Este criterio es crítico en profundidades importantes, donde las presiones de confinamiento impiden el levantamiento de la superficie del terreno,

• Criterio de limitación de los asientos positivos en superficie: Este criterio afecta básicamente a las inyecciones más superficiales y, por tanto con menor presión de confinamiento. Para evitar producir daños en la estructura de la vivienda se ha acordado interrumpir la inyección en el instante en que el asiento positivo alcance el valor de 2 mm en la vertical del punto de inyección. 

Auscultación y Controles de Ejecución

Previamente a la ejecución de la obra, y considerando el empiricismo en la aplicación de la técnica se ha realizado una columna de inyección de prueba, para calibrar el modelo, en términos de volúmenes y presiones, al terreno en estudio. Esta inyección de prueba es válida para ajustar los parámetros de entrada (propiedades geomecánicas del terreno, principalmente), y se instrumentará de la misma manera que el resto de los puntos de tratamiento.

A la salida de la bomba se llevará un control del volumen inyectado (en base a la capacidad de bombeo de la bomba en cada golpe de émbolo), y se determinará la presión en la curva de la boca de inyección. Para cada uno de los puntos, estos valores se anotarán y servirán para detectar anomalías y realizar un reajuste continuo del diseño. Asimismo, este control determinará, en su caso, la finalización de la inyección por rechazo en base a los criterios anteriormente descritos.

Auscultación y el control de las inyecciones IngeoPRESS

Por otra parte, con objeto de limitar las deformaciones, va a disponerse un sistema de nivelación láser, con base en un punto alejado del área de influencia de la inyección y receptores en elementos sensibles a los movimientos generados por la inyección (la fachada a recalzar); capaz de detectar movimientos diferenciales de pequeña entidad entre receptor y emisor, y controlar así el tercero de los criterios de rechazo.

El mortero de inyección se dosifica en planta de producción, según las recomendaciones de Warner. Por lo que el único control a realizar en obra será el de su consistencia, mediante el ensayo de asiento en cono de Abrams previamente a la inyección.

Mortero "seco" de baja movilidad para las inyecciones IngeoPRESS para la mejora del terreno

En cuanto al control global de la eficacia del tratamiento, se podría ejecutar una doble campaña de ensayos de penetración, antes y después de la actuación y en puntos representativos, evitando realizar los ensayos sobre las inclusiones, y van a compararse ambos resultados con posterioridad a la aplicación de la técnica, para determinar una propiedad índice de la mejora lograda.

Conclusiones

• En consideración de la naturaleza del terreno; y teniendo en cuenta que se trata de un material de origen antrópico cuya composición, granulometría, y comportamiento mecánico pueden ser altamente variables, la estimación de los parámetros que definen el comportamiento mecánico del material resulta sumamente variable. Finalmente se han estimado los parámetros tensodeformacionales del terreno en base a los asientos reales acontecidos en la obra,

• En el caso de presentarse entre los rellenos zonas con bloques rocosos, restos de escombros, etc....podrían existir cavidades de tamaño importante y con cierta extensión en planta. Las inyecciones en el entorno de materiales de éste tipo pueden presentar comportamientos sensiblemente diferentes a los previstos en el modelo, ya que, a pesar de su elevada viscosidad, el mortero podría desplazarse y rellenar estas cavidades, alcanzando puntos relativamente lejanos al punto de inyección. Desde un punto de vista de resistencias no se presenta problema alguno; sin embargo las admisiones del terreno pueden ser sensiblemente diferentes a los resultados previstos en el modelo,

• En base a los reconocimientos geotécnicos efectuados, la profundidad del relleno bajo la cota de cimentación se estima comprendida entre 3 y 4 m. Se ha calculado la capacidad de admisión del terreno hasta 4,00 m de profundidad,

• El criterio de rechazo más limitante es, a priori, la aparición de asientos negativos en superficie,

• IngeoPRESS es un tratamiento efectivo de mejora en varios tipos de terreno, su tratamiento es localizado, es rápido de instalar, su rango de aplicación es amplio, puede ser utilizado en espacios reducidos, es una técnica no destructiva, eficaz y económica.
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