Tratamiento de Fundaciones-Inyecciones-Apunte-2008

GEOTECNIA - Tratamiento de fundaciones - inyecciones– Hoja 1 de 23

TRATAMIENTO DE FUNDACIONES - INYECCIONES Recopilación del Ing. Pablo Giordano de “Grouting technology” del U.S. Army Corps of Engineers, reportes del Bureau of Reclamation, “Construction and design of cement grouting” de A. C. Houlsby, artículos de Lombardi y Deere, y otras publicaciones. 1 Objetivos y limitaciones de las inyecciones Las inyecciones a presión involucran la inyección a presión de un líquido (lechada) o suspensión en los vacíos del suelo o del macizo rocoso (discontinuidades) o en los contactos entre estos materiales y las estructuras existentes. Entre los objetivos de las inyecciones se pueden mencionar: 1-1 Reducción de la permeabilidad La reducción de la permeabilidad obtenida con la inyección favorece: (1) La reducción de las fuerzas hidrostáticas actuantes en la base de las estructuras de retención de

agua o en el recubrimiento de un túnel (2) Reducción de las pérdidas de agua de un reservorio (3) Inhibición de la erosión interna de la fundación y materiales del cuerpo de la presa (4) Mejora de las condiciones de excavación por estabilización, consolidación y/o control de agua. En las aplicaciones anteriores que involucran seguridad estructural las inyecciones no deben ser consideradas como única defensa, deberán ser combinadas con drenes, anclajes, refuerzos, etc. 1-2 Mejora de las propiedades mecánicas del medio La ejecución de inyecciones: (1) Incrementa la capacidad portante del medio inyectado y (2) genera la consolidación de rocas altamente fracturadas para facilitar las tareas de excavación. 1-3 Llenado de oquedades Las inyecciones pueden ser necesarias para el relleno de oquedades tanto superficiales como profundas. 1-4 Estabilización Las inyecciones se usan para la estabilización de fundaciones, losas y pavimentos. 1-5 Limitaciones Las limitaciones tienen que ver con los materiales y con los aspectos operativos de la ejecución. Las primeras están asociadas a la naturaleza física de los materiales de la inyección y las propiedades físicas y químicas de los materiales con los cuales la lechada tendrá contacto. Se pueden citar:

(1) El tamaño y geometría de los vacíos a rellenar (2) El tamaño de las partículas de cemento, bentonita u otro constituyente sólido de la

lechada, (3) La presencia de minerales en el agua o en los materiales de fundación que puedan tener

efectos negativos en las características de la lechada como resistencia, volumen, permanencia o tiempo de fraguado

(4) La posible incompatibilidad de los materiales componentes de la mezcla (5) La presencia de arcillas u otros materiales erosionables que no puedan ser totalmente

removidos lo que conduciría a descartar la inyección con cemento para pasar a una inyección química o incluso una pantalla de H°

(6) El asentamiento de las partículas de cemento suspendidas en la lechada

GEOTECNIA IIIGEOTECNIA IIIGEOTECNIA IIIGEOTECNIA III


(7) La presencia de condiciones desconocidas en el subsuelo que vayan en detrimento de las inyecciones.

En cuanto a las del segundo tipo de limitaciones se pueden citar: (1) Generación de presiones de levantamiento o daños en las fundaciones por excesivas

presiones de inyección (2) Uso de equipos no apropiados de perforación e inyección (3) Deficiente relleno de los vacíos de la fundación debido a un prematuro espesamiento de la

mezcla o un mal programa de inyección (4) Deficiente espaciamiento u orientación de las perforaciones (5) Falla en el personal de diseño, ejecución e inspección de las inyecciones.

2 Aspectos teóricos del funcionamiento de la inyección 2-1 Comportamiento de la lechada en roca fracturada El comportamiento de la lechada está condicionado inicialmente por el tipo de lechada: “estable” o “liviana” o “acuosa”. Definamos primero las lechadas “estables” que son aquellas que tienen en 2 horas menos del 5% de separación de agua limpia en la parte superior de un cilindro de 1 lt. Este tipo de lechada se comporta durante el flujo como un fluído de Bingham poseyendo tanto viscosidad como cohesión. Ambos son parámetros flujo-resistentes: la viscosidad gobierna la velocidad de flujo, mientras la cohesión controla la distancia máxima de penetración (se dice que la distancia de penetración es proporcional a la presión de inyección por la abertura de las fisuras dividido la cohesión).

Esto puede visualizarse si consideramos un gráfico presión-desplazamiento para el fluido dentro de una fisura. El agua se comportaría con un incremento lineal del desplazamiento con el incremento de presión. En cambio una lechada estable tendría un fuerte incremento de presión casi sin desplazamiento debido a que no puede vencerse la ligazón entre cristales de cemento para luego después de cierto escalón iniciar el crecimiento del desplazamiento con el incremento de la presión.

Otro aspecto que hace al funcionamiento de la lechada durante la inyección es el desarrollo de la tixotropía, fenómeno por el cual ante una detención del escurrimiento de la mezcla se generan fuerzas electrostáticas de atracción y bloqueo de cristales de cemento por lo que para retomar el movimiento es necesario aplicar una presión mayor a la de detención. Esto es especialmente cierto en este tipo de mezclas donde la distancia entre cristales de cemento es menor que en la fluidas donde la mayor cantidad de agua separa a los mismos. Por otro lado las lechadas livianas, acuosas, son suspensiones inestables de partículas de cemento en agua por lo que tienen un comportamiento errático de sedimentación, erosión, re-suspensión y re-sedimentación durante el escurrimiento, por lo que este comportamiento es imposible interpretar con las ecuaciones de flujo de Bingham o cualquier otras. 2-2 Expresiones teóricas – experiencias Una primera aproximación es considerar un fluido viscoso newtoniano fluyendo en las fisuras del macizo. Si bien las lechadas estables no tienen este comportamiento, este enfoque sirve para los ensayos de agua, algunas inyecciones químicas y como punto de comparación del comportamiento real de la lechada.


El escurrimento de este fluído en una fisura de la roca está gobernado por las expresiones de

Navier-Stokes que en el caso de un escurrimiento radial en fisuras verticales conduce a: Siendo: Rg: radio de influencia

td: abertura de fisuras preponderante L: Longitud de fisura interceptada por la inyección n: número de fisuras interceptadas por la inyección µg: viscosidad de la lechada

µw: viscosidad del agua pg: presión de inyección en la intersección del pozo y la fisura pw: presión de agua para lograr el mismo caudal de agua inyectada Q: caudal de lechada

Los parámetros de las ecuaciones anteriores se determinarán a partir de ensayos in situ y mediciones durante las operaciones de inyección. Otros esquemas mas heterogéneos no pueden resolverse por la complejidad de las ecuaciones involucradas. Se desarrollaron soluciones para esquemas de fisuras horizontales con flujo laminar radial, las ecuaciones son las siguientes:

Siendo: R0: radio del pozo te: abertura de fisuras equivalente

H0: presión en boca de pozo en el centro del ensayo n: número de fisuras interceptadas por la inyección R: radio de influencia donde se pierde H0

γw: peso específico del agua Q: caudal de lechada R1: radio arbitrario (corresponde H1)

La distribución de presiones que describe la segunda ecuación ha sido verificada en numerosas experiencias, notándose una fuerte caída de presión apenas se aleja del borde del pozo. Una aproximación mas realista es considerar a la lechada como un fluido visco-plástico, Lombardi y Deere desarrollaron un modelo para este tipo de fluido escurriendo en una fractura, llegando a las siguientes expresiones:

Siendo: Rmáx: máximo radio de penetración

t: abertura de fisuras pmáx: presión final máxima alcanzada c: cohesión de la lechada

Vmáx: máximo volumen de lechada inyectado Fmáx: máxima fuerza total de levantamiento

)2/1(

0

2)2/1(

46.3 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛××

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−−

×××= ∫T

wg

wgd QdtQ

ppnLt

µµ∫××

=T

dg Qdt

tnLR

0

1

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

×××××

=w

we

RRHtn

Qµ

γπ12)/ln(

2

0

03

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −×=

)/ln()/ln(1

1000

01

0

1

RRRR

HH

ctpR maxmax

)2/(×=2

32 )2/(2

ctpV maxmax ×××= π 2

23

3)2/(

ctpF maxmax ×

××= π


Estas expresiones no tienen en cuenta la rugosidad de las fisuras, cambios de ancho, rellenos y erosiones, flujo turbulento en las cercanías de obstáculos y otros aspectos reales que reducen los resultados obtenidos. Estos autores realizaron numerosas investigaciones en fisuras artificiales entre

placas de H° con distintas aberturas y distintas lechadas evaluando el comportamiento de la inyección y sobretodo analizando la evolución de las variables en el tiempo. Como una de las conclusiones obtenidas se da el gráfico adjunto para ver un tipo de influencia de las variables.

Houlsby y Kennedy estudiaron en laboratorio la distribución de presiones para flujos de lechada en fisuras entre losas de H° de anchos variables. Analizaron también la evolución en el tiempo de la presión una vez detenida la inyección y comprobaron que a aperturas de fisuras mayores se puede dar una situación final de presiones cercanas a la máxima en una región cercana a la perforación. Además analizaron situaciones en las cuales se alcanzaba una presión capaz de generar movimientos en la roca que conducían a un aumento de la toma y de las presiones que se colocaban en un nuevo intervalo hasta llegar a otra ruptura y así sucesivamente. Un comportamiento posible para fisuras muy finas inyectadas con mezclas estables es la pseudo-filtración en la cual el agua penetra en la fisura pero no así los cristales de cemento formando un tapón. En estos casos la distribución de presiones es como muestra la figura. Evidentemente la inyección no alcanza al radio teórico de la ecuación citada anteriormente.

Los enfoques teóricos anteriores consideraron un único tipo de fisura, no obstante generalmente se tienen varias familias de discontinuidades de características distintas. Como ejemplo en un modelo con dos familias horizontales pero de distintas aberturas de acuerdo con la distribución de presiones y fuerzas de levantamiento el comportamiento sería de apertura de las mas anchas y cierre de las mas finas. Esto conduce a considerar la inyección en distintas etapas para el adecuado sellado de


todo tipo de fisuras (esta situación es la que sirve de fundamento para la metodología GIN que luego se comentará). Los desarrollos de modelos con varias familias de discontinuidades llevan inferir una división del volumen inyectado y la fuerza de levantamiento entre los distintos tipos de discontinuidades según

sus características. Otro ejemplo es el de la figura que muestra dos familias de discontinuidades y se analiza la zona de penetración de la inyección en función de los radios individuales de cada tipo de fisura. Este esquema no tiene en cuenta la influencia de los cruces en la menor penetración de la lechada. Cualquiera de los modelos que se planteen deben ser calibrados in situ a través de ensayos de presión de agua e inyecciones registrando todas las variables intervinientes y su evolución en el tiempo.

3 Proyecto de inyecciones– procedimientos 3.1 Generalidades

La necesidad de inyecciones se determina en las etapas preliminares del proyecto en base a los requerimientos de la obra y las condiciones geológicas del sitio. (a) Consideraciones geológicas. El diseño del programa de inyecciones se basa en el conocimiento del subsuelo obtenido en la etapa exploratoria y en las etapas previas de ejecución de las obras, y se cierra definitivamente durante el avance de los trabajos. (b) Objetivos del programa. ¿Se tratará de tratamientos definitivos o temporarios?, ¿se buscará inyectar lo máximo posible o se limitará la toma a algún valor?, ¿se ejecutará una cortina lo mas densa posible o tendrá una función complementaria de otras soluciones?. Todas estas preguntas son las que se hacen previamente al diseño del programa de inyecciones y las respuestas son las que definen las técnicas, equipos, costos y tiempos involucrados en los trabajos. La cortina para el sellado de un reservorio con material contaminante (en minería) y el tratamiento para mejorar las condiciones de excavación disminuyendo la presencia de agua, se pueden dar como ejemplos extremos de la función de las inyecciones.

3.2 Tipos de tratamiento (a) Inyecciones de cortina.

Cuando en el emplazamiento de una presa el manto impermeable está muy profundo y no se puede llegar hasta él con soluciones típicas de pantallas plásticas o de de H°, se debe recurrir a una cortina de impermeabilización inyectada. Se realizan básicamente para disminuir las filtraciones por debajo de una presa u otras estructuras, para llevarlas a valores aceptables o controlables con sistemas de drenaje. Se tratan de perforaciones realizadas en una o varias líneas en la dirección normal al movimiento del agua que luego son inyectadas con lechada la que contribuye al llenado de las diaclasas y fisuras, dificultando el pasaje de agua.

perforación

Familia 1: t1Familia 2: t2

t1 > t2

R1

R2

Zona


Las características de la cortina varían desde una única línea hasta varias paralelas e incluso algunas mas densas en zonas especialmente conflictivas adaptándose al tipo de obra y características de la fundación. Las perforaciones podrán tener diferentes inclinaciones y la profundidad será también una decisión del proyecto. Numerosos autores y organismos técnicos han elaborado normas (Standars) sobre la calidad exigible a una cortina. Como valores usuales se considera la siguiente tabla:

Unidades Lugeon exigidas El agua con gran valor económico (zonas áridas)

1 L a 3 L

Posibles problemas de estabilidad por sifonamiento

3 L

Tipo de presa Cortina simple Cortina múltiple H° o HCR 3 L a 5 L 5 L a 7 L Materiales sueltos con núcleo 3 L a 7 L 5 L a 10 L CFRD 5 L a 10 L 7 L a 15 L

En los siguientes esquemas se ven tres ejemplos clásicos para distintos tipos de presas. Presa de materiales sueltos.

La cortina se ubica en correspondencia con el núcleo impermeable y extendiéndose hacia los estribos de la presa, y en general se ejecuta previamente al inicio de la colocación de los materiales del núcleo salvo que en el proyecto se haya previsto una galería en la fundación y pueda inyectarse desde ella.

Presa de hormigón. La cortina se ubica hacia aguas arriba saliendo de la galería inferior de la presa extendiéndose hacia los estribos. Está acompañada de una línea de pozos drenantes inmediatamente aguas abajo y de un tratamiento de inyecciones de consolidación en la impronta de la presa en la fundación. Puede ejecutarse en cualquier etapa de la construcción a partir de disponerse de acceso en las galerías y siempre se ejecutarán las perforaciones de drenes una vez finalizadas

las inyecciones. En los estribos se inyecta también desde las galerías intermedias y superiores. Presa con pantalla de hormigón aguas arriba (CFRD).

La cortina se ubica en correspondencia con el plinto (losa desde donde arranca la pantalla de H°) incluso en los estribos. Se ejecuta a partir de tener finalizado los plintos independientemente de los trabajos de colocación de los materiales de presa.


En cualquiera de los casos anteriores las cortinas están formadas por perforaciones primarias, secundarias, terciarias y de orden superior. El procedimiento es perforar e inyectar las primarias (son las que están separadas aproximadamente 12m) , y luego ir perforando las restantes entre medio de las anteriores para ir “cercando” a la inyección entre zonas del macizo previamente : inyectadas.

En el siguiente gráfico se muestra el

corte longitudinal

del plano o superficie

alabeada de la cortina de impermeabilización por debajo

de la presa y su extensión en los estribos. También se muestra el tratamiento de consolidación en la fundación de la presa, y algunas variantes de inyecciones desde varios tipos de galerías.

(b) Inyecciones de área. Consiste en inyecciones en una zona utilizando perforaciones con un esquema de grilla. Se realizan para incrementar la capacidad de soporte del macizo, o disminuir las filtraciones por debajo de una zona de roca fuertemente deteriorada o con fuerte estratificación horizontal en la cual la cortina de impermeabilización no ha sido suficiente. En el primer caso el incremento de resistencia del macizo conduce a un ahorro en los trabajos de excavaciones y rellenos de hormigón que será comparado contra el costo de las inyecciones.

(c) Inyecciones en túneles. Se trata de las inyecciones que se realizan para el relleno por detrás de los revestimientos prefabricados, para consolidación alrededor de la excavación, control de filtraciones, inyecciones de contacto o de anillo. En algunos casos se realizan inyecciones previas a la excavación del túnel para la consolidación del macizo y la prevención de filtraciones dentro de la excavación. Las inyecciones detrás del revestimiento del túnel se realizarán lo antes posible, en el caso de hormigón in situ deberá esperarse el fragüe del mismo, mientras que para los revestimientos prefabricados la inyección puede ser inmediatamente luego de su colocación. La inyección se realiza desde la solera generalmente con el agregado de arena en la mezcla y culmina con una inyección de contacto en el techo después de finalizada la anterior y cuando ésta ha fraguado. Las inyecciones de anillo son similares a la de una cortina de impermeabilización pues buscan evitar la percolación de agua dentro del túnel. Se realizan por lo menos 4 perforaciones igualmente espaciadas alrededor de la sección del túnel y deben alejarse lo mas posible de las juntas del revestimiento para evitar la pérdida de lechada por las mismas. Pueden ser necesarias inyecciones de consolidación y control de filtraciones alrededor de la excavación del túnel cuyas perforaciones serán lo suficientemente largas como para penetrar en la zona no perturbada por la excavación.

(d) Inyecciones para relleno de cavidades. Se trata del tipo de inyecciones mas particular, las cavidades rellenas con arcilla serán difícilmente inyectables, mientras que se inyectarán adecuadamente las que tengan aire o agua. Las mezclas serán muy variables y usualmente se requiere el agregado de arena. Previamente al inicio de las tareas serán necesarias cuidadosas exploraciones.


Algunas veces es necesaria una inyección intermitente, es decir la inyección en etapas esperando que en la anterior la lechada haya fraguado y lavando el pozo y el equipo entre ellas . A veces las cavidades tienen dimensiones importantes lo que requiere directamente un llenado con inyecciones a gravedad.

(e) Relleno de perforaciones.

El relleno de perforaciones, incluidas las de inyección, es fundamental para evitar que se comporten como posibles pozos de alivio. Suelen rellenarse colocando una tubería de 1” hasta el fondo de la perforación, inyectando a presión una lechada con relación 0.7 < a/c < 1.0 y un 4% de bentonita, y retirando la cañería con el avance de la inyección hasta que la perforación queda llena.

(f) Inyecciones de contacto. Es la inyección que se realiza en el contacto entre una estructura de hormigón y cualquier superficie adyacente a la misma rellenándose la junta formada por la contracción del hormigón durante el fraguado o por deformaciones de la estructura. De esta manera se trata de sellar una superficie de escurrimiento preferencial. Se realizan a través de boquillas previamente dejadas en la estructura o perforadas especialmente y a la mayor presión posible.

(g) Inyecciones en suelos.

En los suelos se pueden realizar inyecciones buscando reducir o controlar el movimiento de agua en su interior, incrementar la capacidad de carga, reducir asentamientos, y proveerle al suelo capacidad de resistir erosiones provocadas por agua o lluvia. Si bien escapa al tema tratado en estas notas se puede decir que hay varios métodos patentados en los cuales se utilizan perforaciones encamisadas, tuberías perforadas o con manguitos a través de los cuales se maneja la ejecución de la inyección. Las inyecciones en arcillas o limos finos pueden solo desplazar las partículas penetrando en planos de debilidad formándose lentes o bulbos de lechada. Generalmente se usan lechadas de cemento. Las inyecciones en arenas finas. En este caso la escasa permeabilidad del suelo permite la inyección de una lechada química de baja viscosidad que puede escurrir y rellenar vacíos. Las inyecciones en arenas gruesas y gravas. Pueden usarse lechadas químicas de alta viscosidad o de cemento muy fluídas.

Hay gráficos orientativos de los límites de inyectabilidad para distintos materiales granulares y distintas lechadas y otros como el adjunto en el cual se considera la ley de interpenetrabilidad de acuerdo a los tamaños de los sólidos suspendidos en la lechada y del material granular a inyectar.


3.3 Perforaciones (a) Ubicación. Se determina por el tipo de obra a inyectar, las condiciones geológicas y el objetivo

del tratamiento. Estos tres factores son los que influencian al resto de los parámetros que siguen. (b) Diámetro. Se seleccionará en base al tipo de roca a perforar y a la profundidad e inclinación de

la perforación . Generalmente se especifica el mínimo y el contratista podrá agrandarlo si por alguna razón le conviene. Los diámetros mínimos en general varían ente 38mm (1.5”) y 76mm (3”). Una roca buena con fracturas espaciadas y limpias puede ser inyectada con perforaciones EW 38mm. Se requieren mayores diámetros para inyectar rocas de peor calidad. Los aspectos a considerar son: 1-tendencia a formar cavernas, 2-existencia de fracturas rellenas con material no consolidado, o 3-existencia de diaclasas que puedan rellenarse con los detritos de la perforación. Los mayores diámetros permiten colocar un caño de lavado a suficiente distancia de la pared para remover la lechada o el detrito de la perforación.

(c) Espaciamiento. En el caso de una cortina de impermeabilización depende también de la carga de agua que actuará sobre ella. La distancia entre las perforaciones primarias debe ser lo suficiente como para no haya conexión entre los pozos durante la inyección, normalmente varían entre 3m y 12m. La distancia mínima entre las de orden superior será en general de hasta 0.75m, aunque en casos especiales puede ser necesario que los pozos estén más cercanos. No obstante la determinación del espaciamiento se ajustará en la medida del desarrollo de las inyecciones de tal manera de cumplir el objetivo buscado. Una práctica aconsejable es la perforación previa de primarias cada 4 con extracción de testigos y a una profundidad de 0.75 H (carga hidráulica del embalse) lo que permitiría una caracterización del macizo en el plano de la cortina. Luego una vez definida la cortina se perforan e inyectan las primarias, luego las secundarias intermedias y luego las de orden superior entre las anteriores con lo que cada vez la inyección va siendo confinada.

(d) Profundidad. Dependerá de la carga hidrostática que sufrirá la fundación a ser tratada. Debe ser suficiente como para minimizar las filtraciones y fuerzas de subpresión a valores aceptables. En caso de ser posible llegarán hasta un manto de roca relativamente impermeable. Un valor recomendable es 2/3 de la carga hidráulica.

(e) Dirección. Deberá ser tal de intersectar la mayor cantidad de discontinuidades posible, también dependerá de las características de los equipos disponibles y sus esquemas de trabajo. Considerando las cortinas de impermeabilización de presas, estas dependerán del tipo de cierre elegido y en general se inclinan contra los estribos para la inyección del contacto estribo-cierre, llegando a ser cuasi horizontales. Así en las presas de gravedad de H° o HCR las inyecciones se hacen desde galerías interiores al cuerpo de la presa y suelen ser inclinadas hacia aguas arriba (para separarlas de las de drenaje verticales), en las presas de enrocado o materiales sueltos suelen ser verticales en correspondencia con el núcleo impermeable de la presa.

(f) Tipos de perforación. Debe ser tenida en cuenta la experiencia del tipo de perforación utilizada durante las exploraciones previas.

Puede ser a rotación, persusión o rotopercusión.; cuando se describan los equipos se volverá sobre este tema.

3.4 Métodos de inyección

Hay varios métodos de inyección que combinan equipos y secuencias para lograr un adecuado tratamiento. Sin embargo en general la presencia de condiciones heterogéneas en el emplazamiento de la obra hace que se combinen utilizándose varios de ellos a distintas profundidades o sectores de la obra. Un caso usual es el de encontrar una pérdida de agua importante durante la perforación de un pozo lo que exige detener la misma y realizar una inyección antes de seguir perforando. Los métodos tradicionales son los siguientes:


3-4.1 Inyecciones en etapas o descendente En este caso se va perforando e inyectando en zonas en forma descendente hasta alcanzarse la profundidad total requerida. Cuando se finaliza la inyección de una zona se hace un lavado de la lechada en la perforación para evitar tener que hacer la reperforación de esa zona (aproximadamente a las 2 hs). Una vez finalizada la inyección de los pozos en la primer zona, se realizan las inyecciones secundarias y de orden superior y recién después se perforan e inyectan las zonas inferiores de las primarias y las otras a mas alta presión. En un mismo pozo para perforar una zona inferior de una previamente inyectada y lavada se deben esperar aproximadamente 24 hs. Las inyecciones de zonas inferiores pueden hacerse con un obturador (packer) en el nivel superior de la zona a tratar aislándola o con uno superior en la cabeza de pozo.

3-4.2 Inyecciones en estación o ascendentes La perforación se realiza a la profundidad total y luego utilizando packers se aisla la zona del pozo requerida y se trabaja en ella. La inyección se realiza en forma ascendente en las distintas zonas del pozo, se coloca el packer en la parte superior de la zona a ser inyectada y se ensaya e inyecta. Una vez finalizada la inyección se mueve el packer a la nueva posición (aproximadamente a las 6 hs.), y así hasta llegar a la zona superior. En los casos en que ocurre una conexión entre pozos adyacentes se podría tener una inyección

incompleta por lo que se pueden utilizar múltiples packers (la otra opción es reperforar e inyectar). Se hace el ensayo a presión en todos los pozos a la vez con un packer en cada uno de ellos para detectar zonas de mayor pérdida de agua que otras y luego se decide la secuencia de inyección priorizando la inyección de la zona inferior y luego de la de mayor pérdida de agua. En el siguiente ejemplo se debería inyectar primero el pozo 1 pues se detectó en él la pérdida de agua inferior en la zona 3, y luego se empezará la inyección en el pozo 2 o 3 de acuerdo en cual se tenga

la mayor pérdida de agua en la zona 2.

3-4.3 Inyecciones en series Es similar al método de inyecciones en etapas pero cada zona a tratar requiere la perforación de nuevos pozos. Se inyectan todos los pozos en la zona superior luego se perforan una nueva serie de pozos e inyectan las zonas inferiores a altas presiones debido a la presencia de la “barrera” formada por la zona superior inyectada.

3-4.4 Inyecciones con circuito Se trata de disponer de un doble circuito en el sistema de inyección. Se coloca en la perforación un packer especial que tiene la línea de entrada de lechada desde la bomba y una de salida hacia la batea de mezcla. Se comienza la inyección y la lechada va entrando en la perforación hasta que se llega a una presión a la cual no entra más al pozo y vuelve por la línea hacia la batea. En esta situación el pozo forma parte del sistema de recirculación y la inyección del pozo se ha terminado. Este sistema se puede usar en cualquiera de las etapas de los métodos anteriores.

3-4.5 Inyecciones a gravedad Se usa en los casos en que el macizo dispone de grandes fisuras a rellenar en las cuales la lechada circula fácilmente. Se perfora el pozo a la profundidad final, se baja una cañería de inyección hasta el fondo y se bombea dentro de ella la lechada a una presión cercana a la

Zona 3

Zona 2

Zona 1

Pérdida de agua

Pérdida de agua

comunicación

Pozo 1 Pozo 2 Pozo 3


atmosférica. A medida que la lechada entra en la perforación se va levantando la cañería de manera tal que quede siempre sumergida. Seguidamente se da una tabla resumen de las ventajas y desventajas de los métodos descriptos anteriormente.

Ventajas Desventajas

En e

tapa

s

Puede usarse perforación de menor diámetro (único packer en boca de pozo). Los detritos de la perforación no taponan las paredes del pozo en zonas superiores. Un mismo pozo para todas las zonas. La zona superior se inyecta varias veces a presiones crecientes.

Riesgo de levantamiento de la roca en la zona superior. Costo mas elevado, los equipos de perforación deben ser retirados y recolocados para cada zona. Hay una tarea adicional cuidadosa que es el lavado luego de la inyección.

En e

stac

ión

Se realiza una única perforación por pozo por lo que se libera el equipo de perforación rápidamente. Puede aislarse el sector del pozo que se desee (para inyectar o ensayar). No es necesario el lavado del pozo luego de la inyección. Por todo lo anterior generalmente es el método mas económico.

En algunos casos no se logra el sellado de las paredes de la perforación con los packers sobre todo en macizos fracturados. Pueden ocurrir escapes hacia pozos cercanos El diámetro de la perforación se debe adaptar a los packers disponibles que en algunos casos se pierden en la ejecución de los trabajos.

En se

ries

Se tienen las mismas ventajas que el método en etapas. Cada inyección se realiza en una perforación nueva con sus paredes recientemente expuestas y la mayor cantidad de fisuras abiertas sin el riesgo de taponamiento por un lavado inadecuado.

Se realizan mas perforaciones que en otro método por lo que es mas costoso y requiere mayor plazo. Hay un mayor riesgo de levantamiento de la superficie que en el método en etapas.

Con

circ

uito

La gran ventaja es que hasta el final de la inyección la lechada está en movimiento lo que favorece la eficiencia de la penetración en todas las fisuras. Los materiales de relleno de fisuras son removidos de la perforación hacia la batea.

Si se utiliza un único packer cerca de la superficie se deberá usar una baja presión para evitar el levantamiento del macizo superior. Necesita mayor longitud de pozo para alojar el equipo. Suele ser mas caro que los demás.

3-4.6 Selección del método Los métodos mas comunes y que han demostrado con su uso la obtención de adecuados tratamientos son los de etapas y en estación. Si el plazo de ejecución es determinante debería elegirse el de estaciones, lo mismo si se consideran necesarias altas presiones de inyección. El método de etapas se usaría en un macizo para prevenir el taponamiento de fisuras por el cutting de la excavación. Un tratamiento de consolidación de la parte superior del macizo a poca profundidad requerirá usar el método de etapas o en serie. Estos son algunos casos mostrados como ejemplo y siempre en la elección del método intervendrán aspectos de disponibilidad de equipos y del tipo de contrato de ejecución.


3.5 Consideraciones de proyecto

El diseño del programa de inyecciones consistirá en: • Hacer un análisis de los estudios exploratorios previos para determinar la extensión, métodos

y parámetros para la seguridad y eficiencia de las inyecciones dentro de las fundaciones que conducirán a optimizar la orientación de las perforaciones, profundidad y espaciamiento.

• Determinar en qué etapa de la obra se ejecutarán las inyecciones compatibilizándolas con otras tareas que están condicionadas por ellas o que interfieran.

• Preparar planos y especificaciones que definan los trabajos a ejecutarse. • Estimar longitudes de perforación y volúmenes de lechada y consumos de cemento

requeridos. Pueden encontrarse condiciones geológicas imprevistas que modifiquen el programa original de inyecciones por lo que éste debe ser lo mas flexible posible para adaptarse a las modificaciones. Un seguimiento del programa debe hacerse durante toda la ejecución de los trabajos.

3.6 Consideraciones de calidad

El carácter de las inyecciones hace muy dificultoso la evaluación de la calidad del trabajo final terminado, por lo tanto se deben especificar con sumo cuidado y detalle las características de ejecución e inspección del tratamiento. Solo pueden evaluarse los resultados con determinaciones indirectas y puntuales como extracción de testigos para evaluar la penetración de la lechada en las fisuras o con ensayos de agua a presión. Es fundamental la participación en el diseño, ejecución e inspección de los trabajos de personal idóneo y con experiencia en este tipo de tareas. Las tareas en si mismas no tienen gran complicación pero lo que es fundamental es el seguimiento e interpretación de los trabajos que permita visualizar la eficiencia que se está obteniendo y anomalías puntuales que requieran alguna modificación y/o agregado al programa original. Deben llevarse registros diarios de los trabajos para ser usados tanto en el seguimiento técnico de los trabajos como en el contractual y comercial. Por otro lado, desde el punto de vista contractual, las inyecciones son trabajos particularmente conflictivos en los cuales las cantidades tanto de perforaciones como de cemento inyectado no son inamovibles desde un comienzo y varían a lo largo de toda la obra por lo que el registro de las actividades realizadas y las cantidades involucradas es indispensable. Los registros deberán incluir sistemáticamente, el log de las perforaciones, resultados de las tareas de lavado, ensayos de presión, cronología de los trabajos de inyección, presiones, volúmenes inyectados, relaciones a/c, y cualquier otra particularidad que se presente durante la ejecución de los trabajos.

4 Equipos 4.1 Equipos de perforación

El equipo de perforación se seleccionará en función de las características del trabajo a realizar (n°, diámetro, profundidad, inclinación, ubicación de las perforaciones) y del macizo a tratar considerándose por supuesto razones de disponibilidad, plazos y economía. La ubicación de los trabajos es fundamental, se requerirán equipos diferentes para inyecciones desde superficie, en estribos, en túneles o galerías.

4.1.1 Equipos a percusión La perforación se realiza con un vástago hueco que en su extremo tiene acoplada una broca intercambiable. Este vástago está unido a las varillas o barras de perforación fijadas en superficie con un mandril donde actúa un pistón operado hidráulicamente o con aire


comprimido que es el que transmite el golpe (un valor de referencia del caudal de aire a suministrar por el compresor es 5m3/min). La broca se mantiene siempre en contacto con el fondo de la perforación salvo en el rebote de cada golpe del pistón, y entre golpes tiene una pequeña rotación de la broca para variar su posición. El cutting es removido por aire o agua que ingresa por las barras de perforación, sale por la broca y regresa a superficie acarreando el material que va siendo excavado. Los equipos varían entre los perforadores manuales utilizados para perforaciones poco profundas hasta los “wagon drill” o “track-drill” como los equipos de mayor rendimiento y versatilidad. Es el método mas económico de perforación pero en perforaciones profundas se desgastan los bordes de la broca y se va achicando el diámetro del pozo, además existe el riesgo del bloqueo del pozo al quedar el aire atrapado sobre la broca. Una variante de este sistema es el martillo de fondo. En el siguiente esquema se tiene un modelo comercial para perforaciones de 4” que pesa 19 kg y mide 68cm. Sus componentes

principales son la cabeza con la que se conecta a las barras de perforación y es la que le transmite la rotación del equipo, una válvula de retención que mantiene la presión de aire dentro del martillo cuando se corta la provisión de aire comprimido desde la superficie, el tubo de alimentación encargado de dirigir el aire al centro del pistón, el pistón que es la parte móvil del martillo que es el que transmite la acción de percusión para que la broca golpee contra la roca (un valor de referencia es de 20 golpes/segundo), y el mandril inferior en el que se enrosca la broca. La operación del martillo consiste en darle aire al sistema para evitar el taponamiento del martillo, conectar el martillo, darle una pequeña rotación solo

para que distintas partes de la broca estén en contacto con el fondo de la excavación en cada golpe (RPM= m de avance/hora/6) y empezar a bajarlo dentro de la perforación controlando el peso sobre la broca (o la presión del equipo de perforación sobre el pistón del equipo). Debe controlarse durante la perforación el estado de la broca, la lubricación del martillo, y la posible entrada de agua a la perforación lo que cambia las condiciones de presión por lo que se requiere incrementar la presión de aire.

4.1.2 Equipos a rotación En este caso la perforación se realiza por la rotación de las barras de perforación que en su extremo inferior tienen acopladas una broca. Un motor genera la rotación de las barras entre 200 y 3000 RPM, y la presión sobre la broca es generada hidráulica o mecánicamente. Se utiliza agua por dentro de las barras de perforación para la limpieza del pozo y la eliminación del cutting que se va obteniendo. El uso de agua tiene como ventaja que la pérdida brusca del líquido de perforación marca la presencia de una zona fuertemente fracturada que requiere inyección antes de seguir con la perforación. Las brocas a utilizar se seleccionaran en función del macizo a perforar, los tipos mas comunes son: (a ) Brocas de diamante. Las brocas tienen dientes de diamante

colocados de acuerdo al diseño del fabricante. Pueden ser del tipo “corona” que consisten en un cilindro con la parte central hueca y los dientes están en la parte externa del cilindro de tal manera que al excavar queda la corona en el interior (usadas en rocas muy resistentes y hormigón). Son las usadas cuando se requiere

Tipo TAPON


extracción de testigos. ; El otro tipo es el tipo “tapón” de los cuales hay cóncavos o del tipo piloto en el cual hay un elemento que sobresale donde están los dientes de diamante de menor diámetro que el externo de la broca (usadas en rocas resistentes).

Los tamaños de las brocas están normalizados por ejemplo: EW: perforación 38mm, corona: 21mm , NW: perforación 76mm, corona: 55mm.

(b ) Brocas de metal duro. Para rocas no tan resistentes e incluso suelos cementados, se pueden usar brocas de metales duros mucho mas baratas que las anteriores. Los dientes pueden ser de carburo de tungsteno o aleaciones especiales.

(c ) Brocas tricono. Se trata de brocas formadas por varios conos convergentes (en general tres o cuatro) cada uno con sus dientes que rotan durante la excavación. Se usan en perforaciones en rocas pero en general no se usan para inyecciones ya que el tamaño mínimo disponible es el NW.

(d ) Brocas de arrastre y cola de pescado. Son

brocas utilizadas en roca débil y suelos. La de cola de pescado tiene dividido su extremo en varias partes con curvatura en el sentido de giro.

4.2 Equipos de bombeo Los equipos de bombeo mas utilizados para inyecciones son los que funcionan a aire comprimido con velocidad variable, otros tipos son los de velocidad constante que funcionan con energía eléctrica o combustible (en general mas transportables especialmente útiles para inyecciones en galerías o túneles). Los tipos mas comunes son: (a ) Bombas de pistón. Hay una gran variedad de bombas de este tipo desde las manuales mono

pistón hasta las de doble pistón operadas por cilindros neumáticos o electro-hidráulicos. Los dos pistones buscan atenuar el efecto pulsante de estos equipos. Algunos ejemplos son los siguientes.

Tipo CORONA


Bomba manual con una capacidad de 22 l/min y una presión máxima de 1.4 Mpa.

Bomba con un único pistón operado neumáticamente con una capacidad dependiendo de las dimensiones del pistón de entre 130 l/min a una presión máxima de 1.5 Mpa (consumo de aire 3 m3/min a 0.7 Mpa ) y 55 l/min a una presión de 4.5 Mpa (consumo de aire 5 m3/min a 0.7 Mpa).

Bomba con dos pistones operados electro-hidráulicamente con una capacidad de entre 190 l/min a una presión máxima de 5 Mpa (con un pistón de 120mm) y 95 l/min a una presión de 10 Mpa (con un cilindro de 85mm). El motor eléctrico es de 9.2 kW. Conexiones de 2”.

(b ) Bombas de cavidades progresivas. El componente principal es el rotor atornillado que rota helicoidalmente forzando a la lechada a escurrir. Las mas grandes dejan pasar partículas de hasta 1” y trabaja a presiones de 7 MPa con caudales de hasta 750 lt/min. El estator puede cambiarse de acuerdo con las características abrasivas y/o corrosivas de las mezclas. No generan pulsaciones

durante el bombeo.

(c ) Bombas centrífugas. Se usan para lechadas muy fluidas para bombear grandes caudales a bajas presiones. Sufren en gran medida abrasión por lo que requieren control y reparaciones permanentes.

(d ) Bombas de hormigón. Las bombas de hormigón ocasionalmente se usan para inyecciones de mezclas de mínima fluidez. Básicamente funcionan con pistones alojados en la parte inferior de una tolva.

4.3 Mezcladores

Los equipos mezcladores deben suministrar una mezcla homogénea durante el periodo de tiempo necesario. Los tipos mas comunes son:


(a ) Mezcladores de cubeta. Se trata de una cubeta con un eje vertical del cual salen cuchillas horizontales que son las que realizan el mezclado. Están inclinadas para forzar a la mezcla hacia su descarga en la parte inferior. El motor suele estar operado por aire comprimido. El volumen mínimo es para preparar 0.5m3 de mezcla. Las velocidades de rotación varían entre 100 y 700 RPM.

La figura es un ejemplo de equipos de 100 a 1000lt de volumen.

(b ) Mezcladores horizontales de tambor. Son cilindros con una relación largo/diámetro de 2:1 a 4:1, capaces de mezclar unos 8m3. El tambor se ubica horizontalmente y posee un eje con paletas que realizan la mezcla, tienen una entrada superior para los materiales y una válvula de salida en la parte inferior.

(c ) Mezcladores coloidales de alta velocidad. Se trata de una cubeta que tiene una bomba centrífuga en la parte inferior que hace circular la mezcla a alta velocidad (a mas de 1500

RPM). Primero se agrega el agua, luego el cemento y como la descarga de la bomba a la cubeta está en la parte superior tangencialmente a la tolva se genera un vórtice con el que se logra la separación de las partículas individuales de cemento lo que hace que la mezcla obtenida tenga gran penetrabilidad. Si la mezcla tuviera bentonita este tipo de mezcladores son los que se deben utilizar aunque la bentonita debe mezclarse e hidratarse en un mezclador aparte y luego agregarse al de la mezcla.

La figura es un ejemplo de equipos de 100 a 2500lt de volumen, 30 a 670 l/min de rendimiento (para a/c=1) y motores de entre 3 y 45 kW.

(d ) Mixers de hormigón. La desventaja de estos es la baja velocidad de rotación y la ventaja es

su gran volumen (de hasta 12m3). Conviene mezclar hasta la mitad del volumen total para mejorar la eficiencia del mezclado.

(e ) Unidades mezcladoras jet. El sistema consiste en una tubería en línea con la cañería de provisión de agua, el cemento a granel ingresa en la misma continuamente y el agua entra por un orificio lo que genera la turbulencia causante de la mezcla. La mezcla obtenida va a un tanque en donde se la mide y ajusta y de ahí va directamente a la bomba. Es un sistema apropiado para manejar grandes volúmenes de mezcla. Una aplicación es para el caso de mezclas de rápido fraguado eliminándose el tanque y agregándose una T en la tubería para el control de las propiedades de la mezcla.


(f ) Tanques mezcladores de aire comprimido. Se trata de un tanque al que ingresan los materiales secos por una válvula debajo del nivel de agua. Una mezcla de agua y aire a presión ingresan verticalmente por varias boquillas lográndose la mezcla buscada.

Para cualquiera de estos equipos se puede hacer un chequeo en obra de la homogeneidad obtenida, colocando en un tanque rectangular de poca altura unos 25 mm de lechada luego del mezclado, se espera el fraguado y se ve el aspecto de un corte vertical. Si se tienen bandas horizontales el mezclado es deficiente y si se tiene un único aspecto es que se ha logrado buena homogeneidad.

4.4 Tanque agitador El tanque agitador tiene la función de tener disponible siempre un volumen importante de mezcla lista para la inyección. Suelen tener de dos a tres veces el volumen de los mezcladores y tienen un sistema de palas de baja velocidad para mantener las propiedades de la mezcla. La figura es un ejemplo de equipos de 160 a 3000lt de volumen.

4.5 Líneas de inyección Las líneas de inyección constan de cañerías o mangueras que van de la salida de la bomba hasta la cabeza del pozo. La disposición más sencilla es tener una única manguera aunque en general se utilizan dos para disponer de un sistema con circulación. Las mangueras habitualmente utilizadas son de caucho reforzado o plásticas con diámetros internos variables entre 1”y 2”.

lechada

lechada de retorno CABEZAL

DEL POZO

PERFORACIÓN

válvulas para regulación en la línea de retorno

BOMBA

AGITADOR

MEZCLADOR

caudalímetro

agua

lechada

válvula de purga

lechada

bypass línea de retorno

manómetro de la bomba

manómetro en boca de pozo


Las líneas terminan en la “cabeza de pozo” que mínimamente dispone de una válvula reguladora de presión, válvulas para seleccionar la inyección o circulación, un manómetro, y válvula de limpieza.

4.6 Obturadores (Packers) Los packers son los elementos que sellan las zonas del pozo para ensayos de agua, para

inyectar por sectores, para sellar zonas de pozos encamisados perforados. Los tipos mas comunes son:

(a ) Packer mecánico. Requiere muy buenas paredes de la perforación por lo que se utiliza en macizos de muy buena calidad (es muy usado en los pozos petrolíferos sellando contra la camisa). Se posiciona en el lugar requerido y sella contra las paredes con un movimiento especial de la herramienta, resiste presiones del orden de los 7 MPa.

(b ) Packer inflable. Es el indicado para usar en macizos fracturados o rocas débiles debido a su adaptación a las irregularidades de las paredes. Tiene un cuerpo de aluminio o acero inoxidable y en la parte central una celda de caucho reforzado que es la que se expande con el aire comprimido y sella contra las paredes de la excavación. La presión de inyección

debe ser menor que la de inflado del packer para evitar la fuga de la lechada. 4.7 Equipos de monitoreo continuo

El seguimiento de los trabajos es esencial para la corrección de los trabajos durante su ejecución, la interpretación de los trabajos terminados en determinadas zonas de la obra y el control de las cantidades ejecutadas para su certificación (en general estos trabajos se pagan por

kg de cemento inyectado y por m de perforación). Se han desarrollado sistemas que básicamente controlan la presión y caudal de inyección que son adquiridos por una PC durante todas las etapas de los trabajos. También se disponen de software que tienen incorporados los criterios de cierre de la inyección y por lo tanto van definiendo los pasos a seguir en cada momento para no salirse de estos criterios. Por ejemplo, modificación

de fluidez de la mezcla, cambio de las presiones de inyección, finalización de la inyección por haberse cumplido el criterio de cierre. El comportamiento de la inyección se puede interpretar visualizando la respuesta de las variables en función del tiempo. Por ejemplo analizando la evolución de la toma de lechada, un comportamiento normal sería el graficado en el cual hay un primer intervalo con buena toma debido al llenado de la perforación y las fisuras mas gruesas llegándose a un pico, luego se tiene cada vez mas dificultad de inyectar las fisuras mas finas, hasta que la toma cesa y se suele mantener la presión unos minutos sin toma para ver si se produjo algún fenómeno de tixotropía que pueda ser vencido para continuar la inyección. Otra variable interesante es el consumo de cemento que es el área bajo una curva proporcional a la anterior (toma de cemento: kg/min)


salvo en el caso en que haya algún cambio de densidad de mezcla durante los trabajos viéndose un salto en la curva y un incremento de volumen. Apartamientos de este comportamiento son usuales como por ejemplo: oscilaciones bruscas de la curva implican movimientos de roca, remoción de rellenos o taponamientos; una brusca caída de la curva luego de un espesamiento de

la mezcla implicaría un exceso en el espesamiento; una rama descendente muy tendida implicaría una situación de mucha toma por mucho tiempo por lo que la mezcla deberá ser espesada; una curva siempre creciente después del pico mostraría algún fenómeno de hidrofracturación.

5 Criterios de cierre Los criterios de cierre buscan definir el momento en el cual debe finalizarse la inyección de un tramo en un pozo porque se han alcanzado las condiciones impuestas en el proyecto. Son criterios necesarios sobre todo en las cortinas de impermeabilización de presas en las cuales se deben automatizar los trabajos para optimizar la ejecución, evitar errores de interpretación y facilitar el seguimiento. No obstante siempre se presentan apartamientos de estos criterios que deben analizarse puntualmente en cada situación.

5.1. Método tradicional

Un proceso “tradicional” de inyección consiste en definir una presión de inyección y el uso de diferentes tipos de lechadas, cada vez mas espesas, por ejemplo lechadas con relaciones agua-cemento sucesivamente menores ( 2:1, 1:1, 0.8:1, 0.67:1). Los cambios de mezcla tienen lugar a determinados volúmenes de lechada tomados por la perforación. La cohesión de estas mezclas aumenta progresivamente y por lo tanto, la resistencia a fluir y penetrar de la mezcla por lo que siguiendo estos pasos se va a detener el proceso de inyección en algún punto. Tomemos como ejemplo el siguiente criterio: • Se define la longitud del tramo a inyectar, por ejemplo 5m. • Se define la presión de inyección máxima [kg/cm2] = 0.25 a 0.5 x z[m] (usual en USA, los

europeos van hasta 1 x z[m], usan estas grandes presiones con mezclas muy fluidas >6:1 considerando que abren las fisuras durante la inyección y luego se cierran “expulsando” el exceso de agua). Esta presión se alcanzará en 10 minutos que es el intervalo de tiempo a considerar.

• Se eligen los distintos tipos de mezcla a utilizar. Hay muchos criterios para elegir la mezcla inicial en base a los ensayos previos de agua, anchos de fisuras y otros pero siempre se requiere la experiencia del sitio. Para cada una de ellas se definen las absorciones máximas, los volúmenes máximos acumulados, y las absorciones finales máximas para cerrar (se dice que se tiene el “rechazo”).

• Definidas estas variables para cada mezcla se procede de manera tal que si no se cumple en cada etapa cualquiera de las tres condiciones o no se llega a la presión máxima, se pasa a la mezcla siguiente mas espesa. Por ejemplo:


Mezcla (a/c) en peso

Absorción máxima [l]

Volumen acumulado [l]

Absorción final [l]

2:1 200 180 30 1:1 200 170 30 0.8:1 200 - 100

Veamos ejemplos de aplicación de este criterio.

a. Tramo de 20 a 25 m: pmax = 0.5 x 25 = 12.5 kg/cm2 Mezcla inicial: 2:1.

Tiempo [minutos]

Absorción [l] Volumen acumulado [l]

0-10 105 105 10-20 60 165 20-23 15 180

Se llegó al volumen acumulado máximo para esta mezcla, por lo tanto se pasa a la mezcla siguiente: Mezcla 1:1.

Tiempo [minutos] Acumulado Parcial


23-33 0-10 75 75 33-43 10-20 45 120 43-53 20-30 25 145

Se obtuvo una absorción final menor a la establecida por lo que se cumplió el criterio de cierre y este tramo de la perforación se terminó de inyectar por lo que se pasa al siguiente tramo.

b. Tramo de 15 a 20 m: pmax = 0.5 x 20 = 10.0 kg/cm2 Mezcla inicial: 2:1.

Tiempo [minutos]


0-10 105 105 En los 10’no se pudo llegar a la presión máxima, por lo tanto se pasa a la mezcla siguiente: Mezcla 1:1.



10-20 0-10 50 50 20-30 10-20 45 95 30-46 20-26 75 170

Se llegó al volumen acumulado máximo para esta mezcla, por lo tanto se pasa a la mezcla siguiente: Mezcla 0.8:1.



46-56 0-10 175 175


56-66 10-20 145 320 66-76 20-30 120 440 76-86 30-40 81 521

Se obtuvo una absorción final menor a la establecida por lo que se cumplió el criterio de cierre y este tramo de la perforación se terminó de inyectar por lo que se pasa al siguiente tramo.

5.2 Método GIN o del índice de intensidad de inyección La información conseguida por estudios de laboratorio acerca de la cohesión y la viscosidad dinámica de diferentes mezclas de inyección, por estudios teóricos del flujo de la lechada, y por experiencias de campo en obras de las presiones de inyección y las absorciones , ha llevado al concepto de Indice de Intensidad de Inyección (GIN). La primer definición del método es la utilización de una única lechada para todas las etapas de la inyección del tipo densa (< 1:1) con superfluidificante. Esto conduce a la utilización de una lechada de buena calidad (no es una lechada fluída que después del fraguado deja agua exudada en la fisura y tiene menor tiempo de fraguado) y a una gran ventaja operativa. El caso mas realista y frecuente es encontrar macizos con una combinación de fisuras anchas y abiertas y otras mas finas y por supuesto queremos inyectar ambas. En este método se definen inicialmente dos límites que son: uno de volumen donde la lechada penetra fácilmente a baja presión (asociada a las fisuras anchas) y el otro de presión donde penetra solamente con dificultad (asociado a las fisuras más finas). Este límite de presión depende de las características del macizo y de las presiones que la obra inducirá a la fundación, por ejemplo se aconseja llegar al doble de la presión que generará el embalse aunque a veces conduce a riesgos de hidro-fracturación. Se considera la energía gastada en la inyección que es aproximadamente proporcional al producto de la presión final de inyección p y el volumen de lechada inyectado V, dando un producto p.V. Este número p.V es denominado el Indice de Intensidad de Inyección (Grouting Intensity Number o GIN). El volumen puede darse en forma unitaria para un dado tramo de inyección en litros/m y la presión ha sido usada tradicionalmente en bares, resultando las unidades de GIN en bar-litro/m. El tercer límite que requiere el método es un nivel de intensidad (variable entre 500 bares l/m – intensidad muy baja y 2500 bares.l/m – intensidad muy alta) que será constante y corresponderá a fisuras fácilmente inyectables, con grandes volúmenes de absorción a baja presión, y a fisuras finas con absorciones bajas pero a altas presiones. Así se descartan combinaciones de altas presiones con grandes volúmenes que podrían llevar a grandes levantamientos o fuerzas de fractura hidráulica, y bajas presiones con bajos volúmenes de

absorción que inyectarían inadecuadamente a las fisuras finas. Gráficamente se puede ver el comportamiento de tres tipos de fisuras. La curva 1 representa una fisura abierta, ancha, con un volumen creciente de lechada inyectada con una presión ligeramente creciente; la curva 2 representa una fisura promedio, en la que la presión se incrementa gradualmente a medida que el volumen inyectado aumenta; la curva 3 representa una fisura muy estrecha en la que la presión de inyección crece

rápidamente con sólo muy pequeñas absorciones de lechada.


Aplicando este método es esencial el control de la inyección utilizando una PC con un registro contínuo de las variables volumen, presión y además la automatización de los trabajos con el corte cuando se alcanza alguno de los tres límites del método. Las curvas utilizadas son las obtenidas de graficar las variables, presión:p, caudal:q, volumen acumulado:V y penetrabilidad: q/p en función del tiempo. También suele usarse la curva del gráfico adjunto p vs. V combinada con q/p vs. V. A medida que la inyección avanza, normalmente se ve una declinación en la penetrabilidad, indicando que la eficiencia de la inyección está decreciendo. Por lo tanto a una presión de inyección constante el caudal está decreciendo o si el caudal se mantiene constante (casi hasta el

final) la presión de inyección está creciendo. Cuál de estas dos combinaciones corresponde depende tanto del tipo de bomba como de los detalles de la operación de inyección. Suele decirse que conviene, en lo posible, mantener las velocidades de bombeo tan bajas como sea posible mientras todavía se alcanza penetración de la lechada (por ejemplo 500 l/h). En la técnica de ir intercalando perforaciones, las primarias llenarán las fisuras mayores, la serie siguiente de perforaciones secundarias llenarán solamente las fisuras más anchas no

colmatadas con las primarias, y así siguiendo. En la figura adjunta se grafica la posición final de las inyecciones primarias, secundarias, terciarias en la curva GIN. El volumen promedio de lechada absorbida va a decrecer de serie a serie, mientras, obviamente, la presión promedio final se incrementará en forma correspondiente. Una regla empírica utilizada es seleccionar los valores de GIN y del espaciamiento de perforaciones de tal manera que el volumen inyectado de lechada por metro de tramo inyectado se

reduzca de una serie de perforaciones a la siguiente en un rango de 25% a 75%. Tal comportamiento daría confianza en que se está produciendo la obturación progresiva de la pantalla.

6 Bibliografía 1 U.S. Army Corps of Engineers. Engineer Manual 1110-2-3506. “Grouting Technology” 2 HOULSBY, A.C.: “Construction and design of cement grouting”. John Wiley & Sons Inc., New York/Chichester; 1992 3 LOMBARDI G. y DEERE D. : “Proyecto y control de inyecciones usando el principio GIN” “Water Power & Dam Construction” en Junio de 1993


4 STAGG - ZIENBIEWICZ : “Mecánica de rocas en la ingeniería práctica” Blume. 1970. Cap. 12: Mejora de las propiedades de los macizos rocosos. 5 RAÚL MARSAL Y DANIEL RESENDIZ NUÑEZ: “Presas de tierra y enrocamiento

Limusa , 1975. Cap. 7: Tratamiento de cimentaciones rocosas. 6 DEERE, D. and LOMBARDI, G. “Grout slurries - Thick or thin? Issues in Dam Grouting, Proceedings of

the sessionn sponsored by the Geotechnical Engineering Divition of the American Society of Civil Engineeres, in conjunction with the ASCE, Convention in Denver, Colorado, April 1985.

7 LOMBARDI, G.: “La roca y el macizo rocoso - Leyes constitutivas” . Academia Nacional de Ciencias Físicas,

Exactas y Naturales, Buenos Aires, Argentina, Sesiones Científicas “Ing. Francisco García Olano”, La Mecánica de Rocas en la Ingeniería Civil; 12 de diciembre de 1987; May 1989 edition.

8 U.S. Departament of the Interior. Bureau of Reclamation. Cement grout flow behavoir in fractured rock.

June 1987.

Documents

Tratamiento de Fundaciones-Inyecciones-Apunte-2008