LICUEFACCIÓN DE SUELOS:

Métodos de mejora de terrenos potencialmente

licuables. Inyección de compactación.

Ingeniería del terreno II

Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos,

Canales y Puertos.

SANTIAGO BOTANA LEMA

MEJORA DE TERRENOS POTENCIALMENTE LICUABLES. INYECCIONES DE COMPACTACIÓN.

INGENIERÍA DEL TERRENO II – GRADO EN INGENIERÍA DE OBRAS PÚBLICAS.

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ÍNDICE:

1. ANTECENDENTES Y OBJETIVOS.

2. FUNDAMENTOS.

3. MÉTODOS DE TRATAMIENTO. INYECCIONES DE COMPACTACIÓN.

3.1. Introducción a los métodos de tratamiento del terreno.

3.2. Inyecciones de compactación.

3.2.1. Descripción general.

3.2.2. Investigaciones previas. Consideraciones geotécnicas.

3.2.3. Ejecución de las inyecciones de compactación.

3.2.4. Aplicaciones de las inyecciones de compactación.

3.2.5. Criterios de cese de inyección.

3.2.6. Control de resultados del tratamiento.

4. CONCLUSIONES.

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1- ANTECEDENTES Y OBJETIVOS.

La licuefacción o licuación es uno de los temas más importantes en ingeniería geotécnica.

Se trata de un fenómeno, capaz de producir grandes deformaciones en el terreno y en las

estructuras en él existentes.

Este fenómeno provocó la atención de los ingenieros, a causa de sus devastadores efectos

en los terremotos de Alaska (E.E.U.U.) y Niigata (Japón), los cuales tuvieron lugar en

1964.

Figura 1. Licuefacción de suelo a causa del terremoto ocurrido en Niigata en 1964.

El objetivo fundamental del presente trabajo es:

1. Analizar e introducir brevemente el fenómeno de la licuefacción.

2. El estudio de las inyecciones de compactación como método de tratamiento del

terreno en suelos potencialmente licuables.

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2- FUNDAMENTOS.

Qué es la licuefacción del suelo, por qué se origina, y lugar en los

que se puede producir:

Qué es la licuefacción del suelo:

La licuefacción es el fenómeno en el cual, la resistencia y la rigidez de ciertos suelos son

reducidas por una acción sísmica u otro tipo de carga rápida.

Por qué se origina:

σ ´ = σ – u

Al aplicarle a un suelo una carga de forma rápida, tal como pueden ser las ondas sísmicas,

la presión ejercida se va al agua aumentando la presión intersticial, y al ser rápida no hay

tiempo para que se produzca la disipación de la sobrepresión de agua, por lo que aumenta

U, y así, al aumentar U, la tensión efectiva disminuye y el suelo pasa a tener un

comportamiento viscoso o semilíquido.

Esto origina que, la resistencia al corte disminuya hasta el punto de que el terreno no es

capaz de sostener las edificaciones que se han levantado sobre él.

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Lugares en los que se puede producir:

Cabe destacar que los rellenos arenosos que se crean en muchos lugares, ya sea para ganar

terreno de construcción u otras causas, son susceptibles de verse afectados. Otras zonas

en las que se puede generar licuefacción pueden ser las áreas próximas a ríos, estuarios y

costas.

Bajo estas condiciones se encuentran las dos zonas que anteriormente destacamos:

Figura 2. Niigata (Japón). Figura 3. Alaska (Estados Unidos).

3- MÉTODOS DE TRATAMIENTO: INYECCIONES DE

COMPACTACIÓN.

3.1. Introducción a los métodos de tratamiento.

Los métodos para mejorar los terrenos potencialmente licuables se pueden dividir en dos

grupos:

1. Los métodos aplicables a obras nuevas, es decir, métodos que se llevan a cabo

antes de la ejecución del proyecto en cuestión.

2. Los métodos aplicables a obras existentes, con los cuales se modifican las

condiciones existentes en el terreno, en la estructura o en su cimentación.

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Por otra parte, las medidas destinadas a mitigar la ocurrencia de licuefacción pueden ser

clasificadas en dos categorías:

1. Medidas orientadas a prevenir la ocurrencia del fenómeno.

2. Medidas orientadas a contrarrestar las consecuencias provocadas por dicho

fenómeno.

La resistencia frente a la licuefacción de un terreno es mayor cuando existe:

1. Una densidad alta del terreno.

2. Una distribución granulométrica adecuada.

3. Estabilidad en la estructura interna del terreno.

4. Un grado de saturación bajo.

3.2. Inyecciones de compactación.

3.2.1. Descripción General.

Las inyecciones de compactación son un método de tratamiento del terreno aplicable

tanto a obras nuevas como existentes, y es una medida orientada a prevenir la ocurrencia

de la licuefacción.

La primera aplicación de las inyecciones con mortero se remonta al año 1952, cuando un

pequeño contratista de Los Ángeles, California, reparó una estructura de hormigón en un

canal.

Las inyecciones de compactación consisten en inyectar lentamente (del orden de 60 litros

por minuto) un mortero seco de baja movilidad, que al ser inyectado se expande como

una masa homogénea desplazando y compactando el terreno circundante. El mortero no

penetra dentro de los poros del suelo, pero crece como un bulbo, alrededor del punto de

inyección, provocando desplazamientos radiales controlados compactando los suelos

flojos o sueltos.

Las bombas y útiles a emplear son clave, dada la poca trabajabilidad de la mezcla

empleada. También es fundamental el estudio del mortero a emplear, que para cada

problema deberá ser distinto. Los equipos empleados cuentan con registro continuo de

parámetros de inyección.

La inyección convierte el suelo en más denso. El agua y el aire que este contiene son

forzados a salir, produciéndose un reacomodo de las partículas que lo constituyen.

De esta forma se modifican las propiedades del terreno, incrementando la densidad

relativa, aumentando la resistencia, la rigidez y disminuyendo la permeabilidad,

consiguiéndose con todo ello aumentar la resistencia a la licuefacción.

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Es importante que durante la inyección se produzca un desplazamiento del terreno sin

romper su estructura.

Figura 4. Maquinaria de inyección.

3.2.2. Investigaciones previas y Consideraciones geotécnicas.

Investigaciones previas:

Para un tratamiento eficaz de inyecciones de compactación, es necesario tener un buen

conocimiento de las condiciones del subsuelo. Disponer de un completo informe

geotécnico facilitará el diseño de una correcta campaña de inyecciones, así como el

conocimiento de las condiciones de estructuras cercanas.

Consideraciones geotécnicas:

Hay una serie de requisitos que deben cumplirse para propiciar un correcto

funcionamiento de las inyecciones de compactación:

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- La tensión vertical en el estrato a tratar debe ser suficiente para permitir que la

inyección desplace horizontalmente el terreno. Una elevación excesiva de la superficie

evitará una correcta densificación.

- En suelos saturados, la velocidad de inyección deberá ser lo suficientemente lenta

como para permitir disipar la presión intersticial. La secuencia de inyecciones es muy

importante.

- Deberán evitarse los suelos con arcillas saturadas o expansivas.

- En los estratos más compresibles se producirá un mayor desplazamiento. Las

inyecciones de compactación focalizan la mejora en las zonas más necesitadas.

3.2.3. Ejecución de las inyecciones de compactación.

1- Instalación de la tubería de inyección:

Esta operación tiene como objetivo la introducción de la tubería de inyección, llevando

el mortero hasta la localización precisa para la ejecución del tratamiento.

Normalmente la perforación se efectúa por rotación, utilizando una tubería con corona de

corte en su extremo, que puede ser utilizada para la inyección.

Dependiendo del tipo de obra las operaciones de perforación e inyección se pueden hacer

por separado o juntas. Si optamos por este último caso, la tubería de perforación-

inyección, no solamente debe de ser capaz de realizar la perforación, sino que también

tiene permitir la circulación del mortero por su interior.

2- Dosificación del mortero:

El mortero está formado por arenas limosas, cemento, cenizas volantes y agua. El asiento

del mismo en cono de Abrams exigido está entorno a los 25-50 mm, por lo que se trata

de un mortero con consistencia seca.

Teniendo el mortero de la inyección un aspecto similar al siguiente:

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Figura 5. Asiento del mortero en cono de Abrams.

Hoy en día los mejores morteros son aquellos que rozan el límite de no bombeables. Por

lo tanto una manera conveniente para dosificarlo, es limitar el contenido de finos hasta

que la mezcla no se pueda bombear y luego ajustar, añadiendo limos, cenizas o cemento

hasta que la misma se pueda bombear.

3- Mezclado:

Las aplicaciones de este tipo de inyecciones requieren un mortero con características

como las especificadas en el apartado anterior. Debido a ello debe recurrirse a

mezcladoras especiales para morteros secos, como la siguiente:

Figura 6. Mezcladora

4- Inyección:

El mortero se prepara en la mezcladora y se inyecta a presión en el terreno mediante una

bomba específica para este tipo de trabajos. Mientras, se va introduciendo o extrayendo

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gradualmente la tubería de inyección, creando una columna formada por bulbos cuasi-

esféricos que se intersectan entre sí.

La inyección es continua hasta cumplir con uno de los criterios de rechazo prefijados, en

cuanto a movimientos, presiones y volúmenes.

5- Compactación por fases:

Con el fin de conseguir una compactación uniforme del suelo, las inyecciones se ejecutan

en una malla primaria y posteriormente una secundaria. En el caso de tratamientos locales,

las inyecciones se realizan en los puntos y con las inclinaciones definidas por el cálculo.

Figura 7. Fases del proceso de inyección.

3.2.4. Aplicaciones de las inyecciones de compactación.

1. Mejora de suelos:

Mejora de suelos con baja capacidad portante, aumentando la densidad relativa del

mismo. Compactación de suelos no cohesivos, especialmente aquéllos con baja o media

densidad con intercalaciones de capas duras o cementadas. Puede emplearse como

alternativa o como complemento a cimentaciones mediante pilotes, o mejoras del suelo

mediante columnas de grava.

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Figura 8. Mejora de suelos.

2. Estabilización y recalce de cimentaciones:

Incrementando o restaurando la capacidad portante del suelo bajo cimentaciones

existentes, por ejemplo en casos de incrementos de sobrecargas o para reparar daños

producidos por asientos.

Esta técnica es una alternativa al procedimiento de Jet Grouting y/o sirve como

pretratamiento para aplicar las técnicas de Jet Grouting e Inyecciones de Fracturación.

Recuperación de la capacidad portante o incremento de ésta a lo largo del fuste o la punta

de cimentaciones profundas existentes.

Figura 9. Estabilización de cimentaciones.

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3. Relleno de cavidades:

En suelos muy porosos, erosionados o con cavidades, por ejemplo en zonas de relleno

que no han sido suficientemente compactadas, zonas afectadas por fenómenos de karst,

suelos dañados por la rotura de conducciones hidráulicas, etc.

Figura 10. Relleno de cavidades.

3.2.5. Criterios de cese de inyección.

El proceso de inyección puede realizarse de manera continua hasta que uno de los tres

siguientes criterios sea alcanzado.

- Cuando se produzcan levantamientos en la superficie del terreno o en estructuras,

mayores a los admisibles.

- Cuando se alcance una presión especificada para un ritmo de inyección dado.

- Cuando se alcanza un volumen inyectado especificado para un caudal dado.

Cuando la inyección se realiza a poca profundidad el criterio más utilizado es el de

movimientos en la superficie.

La técnica de inyectar hasta alcanzar una presión específica, se emplea en situaciones

donde las propiedades del terreno varían de un lugar a otro. Densificamos el terreno de

forma continua, hasta alcanzar esta presión límite (que no rompa el terreno), obteniendo

de esta forma una densidad uniforme en el terreno.

La técnica de inyectar hasta alcanzar un volumen especificado, se aplica a situaciones

donde la densidad del terreno es razonablemente uniforme, pero deficiente. Así, la

cantidad de mortero inyectado, es equivalente a la reducción de volumen, aumentando de

esta forma la densidad relativa.

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3.2.6. Control de resultados del tratamiento.

El grado de compactación alcanzado puede ser controlado mediante los siguientes

parámetros, dependiendo del objetivo perseguido y de las condiciones del suelo:

- Evaluación de los datos recopilados por el sistema de registro de parámetros

instalado en los equipos de perforación e inyección.

- Control de movimientos en la plataforma de trabajo o en la estructura para

asegurar los correctos parámetros de ejecución.

En función del tipo de terreno y del objetivo de mejora perseguido, se definirán los

ensayos de control, que podrían ser:

- Ensayos penetrométricos (CPT, SPT) antes y después del proceso de inyección.

4- CONCLUSIONES.

Las inyecciones de compactación constituyen una técnica muy económica y flexible, que

permite la mejora de terrenos potencialmente licuables, a partir de una inyección de

mortero seco a presión. Su utilización como método de tratamiento frente a la licuefacción

es relativamente reciente, desde hace unos 25 años.

No obstante debemos de tener en cuenta que los mecanismos en que se basan las

inyecciones de compactación no están completamente desarrollados y comprendidos, por

lo que se debe de avanzar en su conocimiento en estudios futuros.

A modo de recopilación final, vamos a destacar las ventajas y desventajas de este método

de tratamiento.

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- Ventajas de las inyecciones de compactación:

1. Es una técnica muy flexible, tiene unas posibilidades de aplicación ilimitadas,

porque sus principios trabajan acorde con las leyes de la física y la mecánica de

suelos.

2. No es una técnica destructiva, por lo general no hay excavaciones y el acceso

limitado no es un problema.

3. Con la tecnología existente actualmente se puede llevar un control en todos los

elementos involucrados y las fases de inyección.

4. La perforación y la inyección pueden realizarse con el mismo equipo.

5. Utiliza el desplazamiento del terreno mismo para producir la mejora.

6. Las propiedades reológicas del mortero, proporcionan un índice de la movilidad

de la mezcla.

7. Los componentes de la mezcla son materiales comunes, cuyas propiedades son

bien conocidas.

8. Criterios de cese de inyección fáciles de controlar: presión, volumen,

movimientos indeseados.

9. Los requerimientos laborales son mínimos, generalmente un grupo de 3 a 5

personas por punto de inyección.

- Desventajas de las inyecciones de compactación:

1. La empresa ejecutora debe de estar especializada, contando personal bien

equipado y entrenado.

2. El tratamiento requiere una coordinación entre los siguientes aspectos:

propiedades del suelo, velocidad de inyección, diseños de mezcla y equipos.

3. Habitualmente se necesita una presión de confinamiento de 7 T/m para

maximizar la densificación. Para menores presiones se producirá una

densificación limitada. La presión puede ser producto del peso del suelo,

sobrecarga o cargas de cimentación.