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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