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493 Jet grouting 12 Víctor Taboada Urtuzuaztegui Franciso J. Correa G. Roberto López Zaldaña 12.1 Introducción Al pretender realizar el estudio de cualquier técnica, sea este el caso de la técnica jet grouting, surge la necesidad inicial de establecer su origen, y con ello tener las herramientas para concebir su filosofía básica. Producto de este lógico razonamiento, es que se establece el origen del jet grouting, que parte con el desarrollo de un método que consiste básicamente, en inyectar un material al suelo o formación rocosa, con el fin de cambiar o mejorar las propiedades de éste; este es el método tradicional de inyecciones. Las inyecciones fueron empleadas inicialmente en Francia en el año de 1802, con el propósito de mejorar la capacidad de carga del suelo bajo un canal. Su uso continuó en Francia e Inglaterra durante el siglo XIX, pero su aplicación fue concentrada a estructuras civiles tales como canales, muelles y puentes (Raymond, 1996). A partir de 1864, se estableció su aplicación para asistir la construcción de obras subterráneas, donde fue usado como herramienta de mejoramiento de suelo durante la construcción de un túnel. El desarrollo y avance de la tecnología de inyecciones en suelo y roca ha permitido que se desarrollen técnicas paralelas con el fin de optimizar el proceso, dependiendo de factores como el tipo de suelo y condiciones hidráulicas. A partir de esto, y producto de la necesidad de encontrar un método efectivo para mejorar las propiedades mecánicas en todo tipo de suelos, se originó la técnica del jet grouting. El uso práctico de esta técnica se inició en Japón a principios de los años 70’s y a finales de esta misma década se introdujo a Europa donde tuvo gran aceptación. En términos generales, la técnica del jet grouting se define como un método que propone mezclar, cortar y excavar el material in situ, a través de energía hidráulica a alta velocidad y remplazarlo por una mezcla de suelo-cemento también llamado “suelocreto”. Su uso se dirige esencialmente a mejorar el comportamiento mecánico de un suelo, sea éste en términos de capacidad de carga o compresibilidad. Además es frecuentemente usado para control de filtración de agua. 12.2 Objetivo del método Mediante la técnica del jet grouting, se crea una mezcla de suelo y lechada de cemento estable, con el propósito de mejorar las propiedades físicas de la formación y actuar como método de estabilización, con lo que se pretende modificar e incrementar las características mecánicas del suelo tratado, compresión y modulo de elasticidad, mientras simultáneamente se disminuye la permeabilidad.

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Jet grouting 12

Víctor Taboada Urtuzuaztegui Franciso J. Correa G.

Roberto López Zaldaña

12.1 Introducción Al pretender realizar el estudio de cualquier técnica, sea este el caso de la técnica jet grouting, surge la necesidad inicial de establecer su origen, y con ello tener las herramientas para concebir su filosofía básica. Producto de este lógico razonamiento, es que se establece el origen del jet grouting, que parte con el desarrollo de un método que consiste básicamente, en inyectar un material al suelo o formación rocosa, con el fin de cambiar o mejorar las propiedades de éste; este es el método tradicional de inyecciones. Las inyecciones fueron empleadas inicialmente en Francia en el año de 1802, con el propósito de mejorar la capacidad de carga del suelo bajo un canal. Su uso continuó en Francia e Inglaterra durante el siglo XIX, pero su aplicación fue concentrada a estructuras civiles tales como canales, muelles y puentes (Raymond, 1996). A partir de 1864, se estableció su aplicación para asistir la construcción de obras subterráneas, donde fue usado como herramienta de mejoramiento de suelo durante la construcción de un túnel. El desarrollo y avance de la tecnología de inyecciones en suelo y roca ha permitido que se desarrollen técnicas paralelas con el fin de optimizar el proceso, dependiendo de factores como el tipo de suelo y condiciones hidráulicas. A partir de esto, y producto de la necesidad de encontrar un método efectivo para mejorar las propiedades mecánicas en todo tipo de suelos, se originó la técnica del jet grouting. El uso práctico de esta técnica se inició en Japón a principios de los años 70’s y a finales de esta misma década se introdujo a Europa donde tuvo gran aceptación.

En términos generales, la técnica del jet grouting se define como un método que propone mezclar, cortar y excavar el material in situ, a través de energía hidráulica a alta velocidad y remplazarlo por una mezcla de suelo-cemento también llamado “suelocreto”. Su uso se dirige esencialmente a mejorar el comportamiento mecánico de un suelo, sea éste en términos de capacidad de carga o compresibilidad. Además es frecuentemente usado para control de filtración de agua.

12.2 Objetivo del método Mediante la técnica del jet grouting, se crea una mezcla de suelo y lechada de cemento estable, con el propósito de mejorar las propiedades físicas de la formación y actuar como método de estabilización, con lo que se pretende modificar e incrementar las características mecánicas del suelo tratado, compresión y modulo de elasticidad, mientras simultáneamente se disminuye la permeabilidad.

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12.3 Sistemas de jet grouting Son conocidos tres sistemas en esta técnica, y la implementación de cualquiera de ellas generalmente está en función del suelo in situ, y las características mecánicas requeridas para su aplicación. Cada uno de estos sistemas inyecta una lechada de cemento a alta presión que corta y mezcla el suelo en el lugar, para formar columnas o paneles de suelo-cemento (suelocreto). El corte o erosión del suelo es producto de la energía de impacto generada por el fluido a alta velocidad, debido a la presión de bombeo originada por el paso del fluido por la boquilla. La distribución de lechada inyectada se realiza a través de un monitor localizado en la punta de la barra de perforación. Los sistemas difieren en la capacidad erosiva que pueden desarrollar durante su desempeño, teniendo presente, las diferentes susceptibilidades a la erosión que poseen los diversos tipos de suelos. En la Figura 1 se muestra la capacidad erosiva de los diferentes tipos de suelos.

Aglomerados Grava Arenas Limpias Limos Arenosos sueltos Turbas y Limos Orgánicos Limos Arenosos densos Arcillas Arenosas sueltos Limos de baja plasticidad Arcillas arenosas densas Arcillas de baja plasticidad (blandas) Limos de alta plasticidad Arcillas de baja plasticidad (rígidas) Arcillas de alta plasticidad

Fig 12.1, Capacidad erosiva de los diferentes tipos de suelos

A continuación se presenta una breve descripción de los tres sistemas Jet grouting:

difícilmente erosivo

altamente erosivo

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Sistema Jet grouting de barra simple (sistema S): Es la forma más simple; aquí la lechada es inyectada por una o varias boquillas con presiones de alrededor de 40 Mpa, que simultáneamente corta el suelo y lo sustituye por lechada. El proceso continua, con la extracción y rotación de la barra de inyección o monitor, a una relación constante en cualquier estrato, para crear una columna de suelocreto. Este sistema es menos efectivo en suelos cohesivos, Fig. 12.2.

Sistema Jet grouting de barra doble (sistema D): Es una forma más avanzada, en la cual los efectos erosivos del jet grouting son considerablemente mayores, por la adición de un chorro de aire comprimido, generalmente con presiones que varían entre 0.2 y 1.5 MPa. En este caso, se tienen dos sistemas alternos de barras para separar el suministro de lechada y aire, donde la función de la lechada es erosionar y mezclar el suelo, y la del aire es incrementar el poder erosivo. Este sistema es más efectivo en suelos cohesivos que el sistema S, Fig. 12.3. Sistema Jet grouting de barra triple (sistema T): Este sistema usa un chorro de aire y agua para el corte del suelo que esta separado de la boquilla de inyección de la lechada. Este arreglo necesita de 3 tubos concéntricos para separar las diferentes fases: aire, agua y lechada. La presión y la relación de flujo de lechada, agua y aire podrían todas variar independientemente, para dar la geometría deseada y mezcla de suelo cemento requerido. Es el sistema más efectivo para aplicaciones en suelos cohesivos. La presión de agua está alrededor de los 50 MPa, y la presión de aire varia entre 0.2 y 1.5 MPa. No es necesario que la presión de la lechada sea alta, generalmente ésta se encuentra entre los 0.5 y 3 MPa. Dependiendo de la velocidad de extracción y los parámetros de inyección seleccionados, el sistema puede ser diseñado para mezclar el suelo con la lechada, o remover el suelo y remplazarlo por la lechada, Fig. 12.4.

Fig. 12.2, Sistema S Fig. 12.3, Sistema D Fig. 12.4, Sistema T

Es posible encontrar algunas especificaciones establecidas por algunas empresas al momento de implementar cualquiera de estos sistemas, como se muestra en la Tabla 12.1. Actualmente existe un cuarto sistema que puede alcanzar diámetros superiores (5 m) llamado Superjet grouting, el cual maneja presiones hasta de 40 Mpa y a diferencia del Jet grouting éste permite precisar el foco de energía del inyector, incrementando considerablemente la fuerza de erosión. Además este tecnología muestra un refinamiento en calidad y economía sobre los métodos convencionales de jet grouting (López, 2001).

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Tabla 1 Especificaciones de los diferentes sistemas jet grouting

Método Sistema S Sistema D Sistema T

Sistema Inyección de lechada

Inyección Aire/lechada

Inyección agua/aire

Inyección de lechada

Presión 20 – 40 MPa 20 MPa 40 MPa 2 – 3 MPa Descarga 60 l/min 60 l/min 70 l/min 180-200 l/min

Diámetro de la Boquilla 2 – 3 mm 2-3 mm 2-3.5 mm

Aire No se usa 1.2 – m3/min 1-3 m3/min Rotación de la barra 10-20 rpm 5-10 rpm 5 rpm

Diámetro de la columna 50-100 cm 80 –150 cm 150-300 cm

Velocidad de Extracción 3-5 min/m 6-20 min/m 20 min/m

12.4 Consideraciones de diseño y construcción Las consideraciones básicas al momento de usar esta técnica se encuentran referidas tanto al diámetro efectivo que resulta al final de la inyección y a la configuración que deben tomar las columnas de suelo cemento, para que el mejoramiento del suelo sea el más eficiente. Ambas consideraciones están sujetas, en general, a los parámetros del suelo e inyección de la lechada, pero a continuación se exponen algunas consideraciones al respecto. Las dimensiones efectivas de una columna son determinadas básicamente por los siguientes parámetros (Moseley, 1993): • Inyección. Involucra la presión, relación de flujo y peso volumétrico de la mezcla,

además de la presión del chorro de aire. • Extracción de la barra. Considera la velocidad de extracción y rotación de la barra. • Suelo. Contempla la formación geológica, tamaño de la partícula y distribución

granulométrica (graduación), densidad o consistencia y estructuras presentes en el suelo (fisuras, estratos, laminación, etc.).

Raymond (1996) propone de manera similar que el radio de la columna depende de: • Presión de inyección generada por el bombeo • Tiempo de inyección, determinada por las velocidades de rotación y extracción de la

barra • Resistencia al esfuerzo cortante del suelo in situ • Tamaño de la boquilla de dispersión de la lechada • Peso específico de la lechada

A partir de investigaciones realizadas sobre el fenómeno de inyección de agua en suelos, Dimitrius y Frederick determinaron que la profundidad de penetración de la inyección de agua depende básicamente de: tiempo de contacto del chorro de agua con el suelo, densidad

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seca del suelo, grado de saturación y velocidad de la inyección, las cuales pueden establecerse como parámetros de variación del diámetro de las columnas de suelo cemento. Los resultados de esta investigación les permitió llegar a las siguientes conclusiones: • El tiempo requerido para la máxima penetración es menor en suelos granulares, que en

suelos cohesivos. • El volumen de suelo afectado es mayor que el diámetro de la perforación y se incrementa

al aumentar el tamaño de partículas. • Al incrementar la densidad seca, se produce una disminución en la profundidad de

penetración en un suelo. Esto se atribuye al correspondiente incremento en la resistencia y decremento en la permeabilidad del suelo. Este efecto es insignificante en arenas limpias pero llega a ser muy pronunciado en suelos cohesivos.

• El efecto del grado de saturación juega un papel muy importante en la profundidad de

penetración. En arenas limpias la penetración máxima se obtiene a una saturación del 50%, la penetración decrece al aumentar o disminuir la saturación a partir de este valor, alcanzando valores mínimos para arenas saturadas o secas. En arcillas, limos y arenas con finos, la penetración máxima se alcanza a una saturación del 100% y la penetración mínima a un grado de saturación entre 40 y 50%.

• La profundidad de penetración de un suelo varía linealmente con el coeficiente de

permeabilidad del suelo, es decir, al incrementar la permeabilidad, aumenta la profundidad de penetración. El efecto de la variación de la permeabilidad en la profundidad de penetración es más importante a medida que el tamaño de las partículas decrece.

• Al incrementar la resistencia del suelo, la profundidad de penetración disminuye. Dado este rango de variables y la complejidad de los suelos naturales, nos lleva a que la determinación de los parámetros que determinaran el diámetro de la columna de jet grouting deben estar basados en la experiencia. La técnica del jet grouting puede ser usada en un amplio rango de suelos inorgánicos, desde arenas hasta arcillas y solo se ve limitada por el equipo de perforación, si lo comparamos con otros métodos de inyección (Moseley, 1993 y Sihna, 1991). En general las arenas son mejores de tratar, pues aquí la erosión de las partículas requiere de una menor energía, debido a la falta de cohesión que hay entre ellas. En estos suelos, las partículas son relativamente grandes y su susceptibilidad a la erosión depende fundamentalmente de la graduación y densidad, y se ha visto que la compacidad relativa es más importante que la graduación, especialmente cuando el coeficiente de uniformidad es alto (Moseley, 1993). Consecuentemente, las arcillas presentarán diámetros menores debido a la presencia tan acentuada de la cohesión, de tal forma, que el diámetro de las columnas de jet grouting en este tipo de suelos dependerá de la resistencia al esfuerzo cortante que posean. Los diámetros requeridos para soportar las cargas impuestas en superficie se obtienen a partir del cálculo de los factores de seguridad contra volteo y deslizamiento de diferentes diámetros de columnas de jet grouting propuestos.

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Fig. 12.5, Cálculo de diámetro de la columnas de jet grouting Cuando se requiere, hacer el tratamiento de suelos a través de dos o más estratos distintos, los parámetros de inyección pueden ser alterados para mantener constante la geometría de la columna de jet grouting a través de toda la profundidad, sin embargo, algunos cambios en las propiedades de tratamiento relacionadas con el cambio de tipo de suelos podrían ser aceptados. En perfiles de suelo donde se presenta interestratificación y laminaciones, será impractico alterar la lechada o los parámetros de inyección durante la extracción de la barra (Moseley, 1993). Se han diseñado a partir de la práctica, tablas que permiten relacionar algunos de los factores antes mencionados (presión, velocidad de extracción de la barra, etc.) con el diámetro efectivo de la columna con el propósito de su fácil uso en campo, con lo que se puede determinar la distribución de las columnas de jet grouting en el terreno. 12.5 Descripción del equipo El equipo típico para realizar columnas de suelo cemento depende del sistema jet grouting a utilizar, donde el equipo consta básicamente de: • Mezcladora y turboagitador • Bomba de alta presión para inyectar lechada • Perforadora • Generador de energía eléctrica • Compresor de aire (sistemas D y T) • Bomba de agua (sistema T) En la figura 12.6 se muestra un arreglo típico del equipo usado en la técnica del jet grouting, sistema T.

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Los sistemas Jet grouting difieren en la implementación del mecanismo para inyectar los diferentes agentes erosivos, sean éstos aire, agua y lechada. Es así como, dentro del equipo requerido para implementar el sistema de barra doble, debe agregarse un compresor encargado de la inyección de aire, y en el sistema de barra triple adicional al compresor debe considerarse el uso de una bomba de alta presión para inyectar agua. Fig. 12.6, Planta típica de sistema jet grouting de barra triple (sistema T)

12.6 Materiales de inyección Entre los materiales básicos usados para producir la lechada están el cemento Pórtland y el agua; sin embargo, mezclas que contienen bentonita y arcilla natural pueden ser usadas para reducir el asentamiento de las partículas de cemento que la componen. Cemento Portland: Cemento hidráulico compuesto de silicato de aluminio hidratado. Este cemento se endurece por reacción química con el agua, mediante el proceso llamado hidratación. Según los requerimientos físicos y químicos se encuentran en el mercado varios tipos de cemento Pórtland para diferentes tipos de uso. Arena: Es considerablemente más barata que el cemento y es usada como relleno para reducir la cantidad de cemento. Con una mezcla que contenga arena se garantiza el llenado en las juntas, vacíos o cavidades. Aditivos: Permiten modificar las propiedades químicas y físicas de la lechada, usualmente agregados a la mezcla agua-cemento, antes que otros ingredientes. Los aditivos usados en la lechada, son normalmente los dispersantes y los aceleradores; los dispersantes, llamados también antifloculantes, son usados en la mezcla para reducir la tendencia de las partículas de cemento a aglomerarse (Raymond, 1996). Esto le proporciona a la lechada la habilidad para penetrar fracturas y pequeñas cavidades. Los acelerantes son usados para reducir los tiempos de fraguado de la mezcla. Bentonita: Es una arcilla coloidal, del grupo de las montmorillonitas. Esta es capaz de absorber hasta 5 veces su peso propio en agua (Raymond, 1996). La bentonita es adicionada a la lechada para estabilizar la mezcla y reducir la sedimentación de las partículas, incrementando la viscosidad y cohesión de la lechada; se calcula como un porcentaje del peso del cemento agregado a la lechada, que normalmente está entre 1 y 4% del peso del cemento.

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12.7 Procedimiento constructivo La implementación de la técnica de jet grouting inicia con una perforación que varía entre 100-150 mm de diámetro a una profundidad establecida de acuerdo a los parámetros requeridos por el proyecto; esta perforación permite que el tubo de inyección (llamado monitor) sea insertado. También se puede hacer perforación previa, y después introducir el monitor de jet grouting. Es importante que durante la ejecución del procedimiento de jet grouting se mantenga la estabilidad de la perforación, pues los excedentes generados durante la inyección deben alcanzar la superficie a través de esta vía. Las dimensiones de la perforación y la estabilidad de sus paredes se mantienen usualmente, antes de insertar el monitor, con la ayuda de una suspensión de bentonita, o empleando ademes temporales. En la figuras 12.7 y 12.8 se esquematizan dos procedimientos constructivos usados en jet grouting. En el primero se realizan perforaciones guía, para definir el diámetro de las columnas de suelo cemento, en la segunda estas perforaciones no son necesarias pues las presiones alcanzan altos niveles y su capacidad erosiva es mucho mayor. Posterior al proceso de excavación, continúa la etapa de inyección durante la cual se corta el material, y se remplaza por lechada, usando cualquiera de los tres sistemas jet grouting mencionados en la sección 12.3. Para ello, se coloca el monitor, encargado de la inyección de la lechada, a la profundidad máxima de diseño y se procede con la inyección continuando con la extracción de éste a una velocidad establecida con anterioridad, según las características estratigráficas de la zona. Adicionalmente, se determina la geometría de la columna de suelo cemento, rotando la tubería de inyección a una velocidad controlada durante el izaje. De esta manera, se va erosionando el material y simultáneamente se va remplazando la cavidad por la lechada de abajo hacia arriba. El suelo, aire y lechada excedente escapan hacia la superficie, a través del espacio entre la tubería y la perforación; las columnas de suelo cemento la forman el remanente de lechada y suelo.

Fig. 12.7, Procedimiento constructivo a través de perforaciones guía (perforación previa)

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Una vez que la masa de suelo cemento ha sido formada a la profundidad de interés, el monitor de inyección puede ser trasladado a otra posición de columna. El traslape entre columnas usualmente es necesario y esto requiere de una secuencia de construcción determinada para asegurar la estabilidad temporal. Para verificar y asegurar que los procedimientos constructivos estén cumpliendo con las especificaciones requeridas, es importante realizar controles de calidad de cada uno de los procedimientos para asegurar un éxito del programa jet grouting. Estos contemplan además del monitoreo de la estructura, el control sobre los elementos de construcción y los ensayos de permeabilidad.

Fig. 12.8, Procedimiento constructivo sin perforaciones guía Adicionalmente, se recomienda que antes de iniciar el procedimiento constructivo, se construyan columnas de prueba de suelo cemento a escala real, para verificar la calidad y geometría, debido a que es difícil preestablecer la forma y la resistencia final de las columnas de suelocreto. A menos que se haya trabajado en el mismo sitio antes, no es posible predecir los parámetros de jet grouting con precisión. Es posible estimar los valores empíricamente en especímenes en condiciones similares de suelo. Entre estos parámetros se incluyen (ASCE, 1997): • Diámetro de la perforación • Velocidad de rotación y extracción del monitor • Monitor: dimensiones de la boquilla de inyección, ángulo y numero de boquillas • Inyección: volumen y presión para todos los componentes inyectados • Material: método de mezcla, materiales componentes y sus concentraciones En algunos casos, las mezclas deben ser ensayadas en laboratorio para asegurar que la calidad requerida puede ser alcanzada; normalmente esto puede ser predicho con razonable aproximación, conociendo el tipo de material y la cantidad de cemento inyectado.

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12.8 Aplicaciones A continuación se presentan esquemáticamente algunas aplicaciones usuales de la técnica Jet grouting en ingeniería civil, ver Figs. 12.9 a 12.14.

Fig. 12.9, Combinación de tablestaca con muro de retención para evitar el asentamiento del terreno aledaño a la excavación. El colapso del terreno se puede prevenir construyendo tablestacas por detrás de la estructura. Fig. 12.10, Trabajos de protección del revestimiento de un túnel. La combinación de muros horizontales y verticales aumenta la seguridad en trabajos subterráneos realizados en suelos saturados. Fig. 12.11, Prevención de filtraciones a través de la cimentación de una presa.

Fig. 12.12,Construcción de muros continuos en sitios donde obras enterradas impedirían las construcción de un muro convencional.

12.9 Ventajas • Ejecución precisa y de alta confiabilidad • Libertad en la selección de la solución cementante • Corto tiempo de ejecución • Mínimo ruido y vibración • Es aplicable a una amplia gama de tipos de suelos • Puede realizarse el diseño de la resistencia y permeabilidad • Es una solución libre de mantenimiento • Puede trabajarse en espacios limitados • Es un método seguro de construcción • Se pueden manejar geometrías de columnas variadas, dependiendo de las condiciones

del terreno

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Fig. 12.13, A través de la inyección de una lechada de cementos se pueden realizar anclajes para la estabilización y construcción de muros de retención

Fig. 12.14, Aplicaciones de la técnica Jet grouting

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12.10 Casos prácticos

Túnel, Islas Creek, California. La técnica de jet grouting fue usada extensivamente para modificar las condiciones del suelo in situ a lo largo del lineamiento de un túnel (Raymond, 1996). El proyecto requirió la excavación de dos túneles cortos sobre suelo blando, uno de 4.1 m de diámetro y 76 m de longitud aproximadamente y otro de 4.6 m y 155 m de longitud. Los suelos encontrados a lo largo del lineamiento del túnel son limos arcillosos o arcillas limosas plásticas, con lentes de fósiles y arena, las cuales se encuentran clasificadas como CH o MH, según el sistema unificado de clasificación de suelos. Dentro de las especificaciones iniciales del proyecto, se contemplaba la introducción de aire comprimido dentro del túnel, con el propósito de contrarrestar las presiones generadas por el flujo de agua y el suelo, además de otros movimientos del suelo. Posteriormente se propuso eliminar completamente el método de aire comprimido y usar en cambio la técnica jet grouting, para lo cual se construyeron columnas de suelo cemento superpuestas de 2 m de diámetro, con un rango de resistencia a la compresión de 4.1 a 6.9 MPa. Adicionalmente se rodeó la sección transversal del túnel, con columnas de suelo cemento que se extienden 2 metros por fuera de la circunferencia de éste. En la figura 12.15, se muestran las inclusiones de columnas con jet grouting alrededor del túnel.

Fig. 12.15, Sección transversal de la línea del túnel

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Termoeléctrica La Rosita, Mexicali. Una de la aplicaciones de esta técnica en México, se presentó durante la construcción de una planta Termoeléctrica en Mexicali, denominada La Rosita (López et al, 2001), que se encuentra ubicada en el lote 45 de la colonia Progreso en la carretera federal Mexicali-Tijuana. Aquí los trabajos iniciaron con investigaciones preliminares de campo, que incluyeron ensayos de penetración estándar, de resistividad y crosshole. Posteriormente, se colectaron muestras del terreno y se hicieron ensayos de laboratorio con el propósito de determinar las propiedades índice y mecánicas de los materiales del suelo. Estas mismas investigaciones permitieron determinar el perfil estratigráfico de la zona como se muestra en la figura 12.16.

Fig. 12.16, Perfil Estratigráfico (López et al, 2001)

Se observa que se presenta un estrato de arcilla rígida sobre una capa de limo muy compresible; adicionalmente, se encontró que el nivel freático está a una profundidad que varía entre 3.5 y 4 m. Los resultados obtenidos a partir de las investigaciones de campo y laboratorio se presentan en la tabla 12.2.

Tabla 12.2 Propiedades geotécnicas en los diferentes estratos

Estrato Propiedad Arcilla

Superior Limo Arena Limosa Arcilla

Inferior Clasificación SUCS CH ML SM CH Peso Volumétrico, kN/m3 19.1 15.7 15.7 19.2 Su, kPa 112 N/A N/A 139 φ, grados N/A 25 40 N/A Modulo de elasticidad, MPa 40-70 10-30 70-100 70-100

Se planteó un diseño preliminar que consistía de pilas de 450 x 450 mm con una capacidad de 1000 kN aproximadamente, pero se encontró que a través de este procedimiento se presentaría un asentamiento de 60 mm, cuando lo permitido es de menos de 50 mm. Adicionalmente, estos cálculos indicaron que los asentamientos en la capa de limo podrían alcanzar los 20 mm. Debido a esto se planteó la opción de realizar un mejoramiento en las propiedades de este limo a partir de la implementación de la técnica super jet grouting, con lo cual se pretendía obtener asentamientos por debajo de los 50 mm, aprovechando que es

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posible a través de éste tratar solo la capa de limo muy compresible. Cálculos posteriores, indicaron que los asentamientos podrían ser reducidos a 40 mm, para una carga de 150 kPa, producida por el generador de la planta. Se diseñaron columnas de 4 m de diámetro de suelo cemento, a partir de la consideración que toda la carga producida en superficie sería transmitida de la capa de arcilla hacia la capa de arena densa, evitando con ello cualquier asentamiento en la capa de limo. Este diseño también contempló la determinación del espaciamiento óptimo entre columnas, para lo cual la firma constructora desarrolló un análisis para determinar el mecanismo para transferir la carga de la cimentación sobre la capa de arcilla, a la capa de arena densa por medio de las columnas de jet grouting, lo que requeriría una distancia de suelo arcilloso entre columnas. Los resultados de estos cálculos indicaron que para las áreas con cargas de 100 kPa, el espaciamiento máximo de columnas es de 9.8 m y para áreas con cargas de 150 kPa el espaciamiento sería de 7.6 m. Con este criterio se programaron 206 columnas de suelo cemento para el mejoramiento de las propiedades de este suelo. Las columnas fueron construidas a una profundidad de diseño preestablecida que varió entre 11 y 13 metros y una vez alcanzada esta profundidad, se inició el proceso de corte del suelo. Este proceso fue cuidadosamente controlado y monitoreado manteniendo la velocidad de giro de la barra entre 3 y 4 rpm, la relación del levantamiento del monitor en 75mm/min y la presión de inyección en 40 MPa. Previo a la construcción de todas las columnas, se realizó un programa de ensayo para confirmar los conceptos de diseño, que conducen a la construcción de columnas de 4 m de diámetro en la capa de limo. Esta verificación consistió en comparar las resistencias qu, obtenidas con el cono eléctrico antes del tratamiento y tres días después de la inyección. Los resultados mostraron que se presento un significativo mejoramiento de la resistencia en la capa de limo, con lo cual pudo ya con seguridad iniciarse el proceso de construcción de las columnas de suelo cemento. Cabe mencionar que en esta obra se utilizaron monitores de super jet grouting, con los cuales se lograron obtener columnas de 4 m de diámetro. Centro de convenciones, Puebla. Se realizó la construcción de un centro de convenciones a partir de un inmueble que formó parte de una antigua industria textil (Reyes, 1998). El perfil estratigráfico de la zona de construcción de la obra, distingue la presencia de depósitos aluviales que cubren los suelos de origen hidrotermal y estos a su vez yacen sobre la formación basal de origen tobáceo (Reyes, 1998). El sitio presenta las siguientes unidades estratigráficas: • Rellenos artificiales de 1.40 a 2.40 m de espesor • Suelos de origen aluvial, constituidos por arenas limpias (SP), arenas poco limosas y

arenas limosas (SP-SM y SM), con profundidades que alcanzan de 5.20 a 7 m • Arcilla arenosa de mediana y alta plasticidad (CL y CH), con espesor variable de 1.60 a

5.20 m • Suelos de origen hidrotermal, muy irregular en cuanto a sus propiedades mecánicas.

Incluye capas de arena limosa con un contenido variable de grava, intercalaciones de limo arenosos de baja plasticidad (ML) y de arcilla arenosa de alta plasticidad (CH)

• Formación basal, continuidad por suelos de origen tobáceo, identificados como arcilla arenosa (CL y CH), limo arenoso (ML) y arenas fina arcillosa (SC)

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Se realizó un análisis para determinar el diámetro mínimo de las columnas a partir de la determinación de los empujes del terreno, incluyendo las sobrecargas del edificio a preservar, a fin de conservar los factores de seguridad adecuados (Reyes, 1998). De este análisis se obtuvo que el diámetro mínimo era de 60 cm, con resistencia a la compresión no confinada de 5.89 MPa. Para verificar la seguridad de la excavación y de los elementos arquitectónicos a preservar, se llevo a cabo un análisis de estabilidad adicional mediante el método Bishop simplificado. Los corte de las excavaciones se realizaron a profundidades de 3.10 a 6.30 m, lo que implica que estos cortes sean verticales en este tipo de suelos. Debido a esto, no sería factible la construcción de sistemas de ademes convencionales en las zonas de excavación colindantes con el edificio histórico, por lo cual se planteo la necesidad de realizar un tratamiento de consolidación de los suelos bajo el desplante de la cimentación. A partir de esta necesidad se realizo un análisis comparativo de los diferentes métodos de mejoramiento de suelos, con el cual se llegó a la conclusión que la mejor alternativa era la implementación de la técnica jet grouting (Reyes, 1998). Luego de definir el diámetro de las columnas, se realizó un tramo de prueba para observar y evaluar los efectos del mejoramiento sobre elementos similares a los que se habrían de tratar y poder establecer los parámetros de construcción (velocidad de extracción del monitor, presión de inyección, etc.) que permitan obtener los diámetros requeridos por el diseño. Con base en los resultados obtenidos en el tramo de prueba, se diseñaron las condiciones geométricas y los parámetros de ejecución (longitud, relación cemento-agua, velocidad de izaje del monitor, velocidad de rotación, consumo de cemento y presión) de los ocho frentes de mejoramiento proyectados, donde se construyeron finalmente 374 columnas. El diámetro efectivo de las columnas estuvo entre 64.5 cm y 75.2 cm y la profundidad de tratamiento fue variable de 4 a 9.50 m. Análisis posteriores mostraron que en todos los frentes donde se aplicó el tratamiento de suelos se tuvo un comportamiento excelente durante y después de la excavación, tanto de los taludes de corte como los elementos arquitectónicos preservados. En la Fig. 17 se presenta un esquema de inyección de columnas inclinadas 10 ° respecto a la vertical y columnas verticales de jet grouting, donde la separación entre columnas varió entre 1.10 y 3 m centro a centro.

Fig. 12.17, Jet grouting en el Centro de Convenciones de la ciudad de Puebla

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Manual de Construcción Geotécnica

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