Estabilizacion Por Electro Osmosis

7/28/2019 Estabilizacion Por Electro Osmosis

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ESTABILIZACION POR ELECTRO OSMOSIS (1)

Amnart Rittirong y Shang Julie

Departamento de Ingeniera Civil y Ambiental, la Universidad de Western

Ontario, London, Ontario, Canad N6A 5B9

RESUMEN

Este captulo es una coleccion de aplicaciones in situ de electro-smosis en elmejoramiento del suelo como ha sido reportado en la literatura en las ltimas dcadas.Los criterios de seleccin son:

1. Debe ser un ensayo de campo in situ con el fin de mejorar las propiedades mecanicasdel suelo (resistencia, deformacin, composicin qumica, etc),

2. Se debe incluir la documentacin detallada de las propiedades de ingeniera del sitio,la configuracin de la disposicin de prueba, los registros de control y evaluaciones dedesempeo y el consumo de energa.

Los principios cientficos de la electrocintica en medios porosos son revisados antes delas presentaciones de los casos. Se espera que este captulo sirva como una gua para lafutura investigacin y las aplicaciones de estabilizacin por electro-osmosis de suelos

blandos.

1. MARCO TERICO

Electro-smosis es una tcnica utilizada para la consolidacin y el reforzamiento desuelos arcillosos blandos saturados. Como se muestra en la Figura 1 (Shang, 1998),cuando una corriente continua (CC) de voltaje es aplicado al suelo a travs de los polosde los electrodos, el agua de los poros del suelo se vern atrados hacia la direccindel terminal negativo (ctodo) debido a la interaccin del campo elctrico, los iones enel agua de los poros y las partculas del suelo. Si el drenaje se proporciona en el ctodoe impedido en el nodo, la consolidacin se inducida por electrosmosis, resultando enel suelo una disminucin del contenido de agua, mayor resistencia al corte y bajacompresibilidad. Adems, las reacciones electroquimicas asociadas con un proceso deelectro-osmosis altera las propiedades fsicas y qumicas del suelo y conduciendo a un

aumento adicional en la resistencia al corte (Mitchell, 1993).

Casagrande (1941, 1959) aplic por primera vez la tcnica de electro-smosis parafortalecer y estabilizar las arcillas limosas blandas a mediados de los aos 1930. Desdeentonces, las pruebas de campo exitosas han sido reportados que utilizando la electro-osmosis para fortalecer arcillas limosas y arcillas blandas sensibles, para estabilizartaludes y para reforzar pilotes de acero instalados en los suelos arcillosos (por ejemplo,Bjerrum et al. 1967; Casagrande, 1983; Lo et al, 1991). La consolidacin por electro-osmosis ha sido considerada para proyectos que requieren una rpida mejora en las

propiedades de los suelos arcillosos blandos.

(1) El presente texto es una traduccin del artculo publicado por Amnart Rittirong and JulieShang (2005) Electro-Osmotic Stabilization, ELSEVIER GEO-ENGINEERING BOOKSERIES VOLUME 3 Ground Improvement Case Histories edited by EDITED BY BUDDHIMAINDRARATNA and JIAN CHU, como parte de trabajo de investigacin para el curso de

Ingenieria de suelos aplicada a obras viales e hidrulicas


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Cuando un ctodo abierto y condicin nodo sellado estn presentes, una presionnegativa de agua de los poros 4 610 10 es generada en el suelo de la aplicacin de uncampo elctrico de corriente continua. En una dimensin, la presin de poro generada

por electro-smosis, ( , )eou x t , en una distancia x(m) para el ctodo est dada por(Esrig,1968)

( )eeo w

h

ku U x

k

= (1)

donde Ke (m / SV) es la permeabilidad de electro-osmtico, Kh (m / s) laconductividad hidrulica, w (9,81 kN/m3) peso unitario de agua y U(x) (V), el

potencial elctrico en x distancia al ctodo. La ecuacin (1) indica la presin de poroinducida por electro-smosis es negativo y proporcional al potencial elctrico (es decir,tiene una magnitud mxima en el nodo y cero en el ctodo). Las presiones de poronegativos resulta en un aumento en el tensin efectiva en el suelo, dando lugar a laconsolidacin, como se describe en la teora convencional de consolidacin . Conocer la

presin de poro generada por electro-smosis, la velocidad del tiempo de consolidacinelectro-osmtico puede estimarse por la teora convencional de consolidacin.

La permeabilidad electro-osmtico, Ke, regula el flujo de agua en una masa de suelobajo un gradiente elctrico en una forma similar a como la conductividad hidrulicaregula el flujo en el suelobajo un gradiente hidrulico. Cuando tanto el nodo y elctodo estn abiertas para el drenaje y el gradiente hidrulico se establece en cero, Ke se

puede determinar midiendo la velocidad de flujo a travs de un tapn de suelo medianteuna relacin emprica (Mitchell, 1993)

e eq k E= (2)

donde qe es el vector de flujo de agua debido a un gradiente elctrico (m / s) y E elvector de intensidad del campo elctrico, que se define como


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E U= (3)

El consumo de energa por metro cbico de masa del suelo por hora se calcula a partir

2

p E= (4)

donde p es el consumo de energa de la unidad (kW/m3) y la conductividad elctricadel suelo (1/-m).

La ecuacin (4) indica que el consumo de energa de tratamiento electro-osmticoaumenta con la conductividad elctrica del suelo y el campo elctrico aplicado. LaTabla 1 resume los rangos tpicos de suelo y las propiedades elctricas que sonadecuados y se han utilizado por electro-osmtico consolidacin.

Un modelo de consolidacin de dos dimensiones electro-osmtico ha sido desarrolladopor Shang (1998) que pueden tener los efectos tanto de la precarga y la consolidacin deelectro-osmtico en cuenta. Los ms predominantes electroqumicos efectos durante un

proceso de electro-osmtico incluyen el desarrollo de un gradiente de pH, la generacinde gases y de calor. El pH de agua del suelo se incrementar rpidamente a tan altocomo 11 o 12 en el ctodo y disminuir a casi dos en el nodo. En consecuencia, losnodos metlicos se corroen en el nodo. El oxgeno gaseoso esgenerado en el nodo y el gas hidrgeno en el ctodo debido a las reaccioneshidrolticas. La corriente elctrica tambin genera calentamiento. La gravedad de estosefectos se relaciona directamente con la tensin aplicada y la corriente. Esgeneralmente deseable para minimizar los efectos de calentamiento para

reducir el consumo de energa. Se ha encontrado que la aplicacin de reversin depolaridad e intermitente (pulso) actual puede reducir gradiente de pH y la corrosin yaumentar la permeabilidad electro-osmtico del suelo, mejorando as la eficiencia detratamiento electro-osmtico (Shang et al., 1996).

La evaluacin de la electro-osmtico consolidacin en un suelo especfica puedellevarse a cabo de acuerdo con el siguiente procedimiento:

1,1. Determinacin de los parmetros


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Adems de las propiedades del suelo convencionales tales como la granulometria, lapresin de preconsolidacin, resistencia al corte, contenido de agua, la conductividadhidrulica, kv, y el coeficiente de consolidacin Cv, los parmetros necesarios para unanlisis de tratabilidad incluyen la permeabilidad electro-osmtico, ke; conductividadelctrica, ; intensidad de campo elctrico E, y el consumo de energa,

p. Todos estos parmetros pueden ser determinados a partir de pruebas de laboratorioantes de la aplicacin de campo (Shang y Mohamedelhassan, 2001). La Tabla 1 muestralos rangos tpicos de los parmetros ms importantes para los suelos que son adecuados

para electro-osmtico tratamiento.

1,2. Funcionamiento del sistema elctrico en aplicaciones de campo

El sistema de accionamiento elctrico puede ser diseado en base a los parmetrosobtenidos a partir de pruebas de laboratorio y de la investigacin geotcnica del sitio.Tpicamente, el polos electrodo consisten en varillas metlicas o tubos instaladosverticalmente en el suelo a veces se pueden instalar drenajes verticales prefabricado en

el ctodo como el canal de drenaje. La profundidad de la insercin del electrodo debeser igual al espesor de la capa de suelo para ser tratada. La porcin superior de loselectrodos en contacto con la superficie del suelo o capa superior de drenaje debe seraislado elctricamente con un recubrimiento dielctrico para evitar cortocircuitosdebido a la presencia de agua superficial (Lo et al., 1991).

El material, el diseo y el espaciamiento de los electrodos y la tensin aplicada es desuma importancia para una aplicacin en el campo con xito. Entre la realizacin mscomnmente utilizado materiales metlicos, los mejores resultados se registraronutilizando electrodos hechos de hierro y cobre en lugar de aluminio (Sprute y Kelsh,1980; Mohamedelhassan y Shang, 2001). Los electrodos hechos de varillas de acerorecubiertos de carbono y grafito se han utilizado en el laboratorioestudios para prevenir la corrosin de los electrodos (Lockhart y Stickland, 1984).

La separacin tpica entre nodos y ctodos en la literatura oscil entre1 a 3 m (Casagrande, 1983;. Lo et al, 1991). En general, aproximadamente un campoelctrico uniforme da los mejores resultados (Casagrande, 1983). Para lograr un campoelctrico aproximadamente uniforme, el espaciado entre las barras de electrodos de lamisma polaridad debe ser mucho menos que el espaciamiento de la polaridad opuesta.

La capacidad de suministro de energa se puede estimar sobre la base de la

conductividad elctrica del suelo y electrodo de diseo. Se ha encontrado que una cadade tensin ms dramtico tiene lugar en los contactos suelo- electrodos en un altovoltaje aplicado, lo que hizo el tratamiento menos eficaz (Casagrande, 1983;. Shang etal, 1996). Tambin se observ que la cada de tensin en elinterfaz suelo-electrodo se ve afectada por los materiales de los electrodos(Mohamedelhassan y Shang, 2001). Por lo tanto, un menor voltaje aplicado a travs demenor nodo-ctodo espaciamiento es deseable para generar el campo elctricorequerido, y se debe prestar atencin especial hecha para los materiales de electrodo yconfiguraciones. Sin embargo, el coste de los electrodos y la instalacin tambin debeser considerado. El diseo final se basa en un balance del costo de los electrodos y lainstalacin de electrodos, as como la eficiencia del tratamiento. Para obtener

informacin adicional, consulte Arman (1978), Broms (1979), Mitchell (1981, 1993),U.S. Navy (1983), Van Impe (1989), Hausmann (1990) y Micic et al. (2003a, b).


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La estabilizacin electrocintico es un hbrido entre electro-smosis, y lechada qumica.La infusin de los productos qumicos cierta estabilizacin en suelos arenosos y limososse hace ms eficiente por la aplicacin de una diferencia de potencial elctrico a la masadel suelo. El procedimiento es ms eficaz en los suelos limosos que de otro modo son

difciles de lechada ordinariamente. Informacin en esta tcnica se puede encontrar enBroms (1979) y Mitchell (1981). Ms recientemente, estabilizacin electrocinticaqumica asistida se ha aplicado a suelos calcreos costeros (limos y arenas) para laestabilizacin de las plataformas de petrleo (Mohamedelhassan y Shang,2003; Shang et al, 2004a, b).

En este captulo, varios pruebas de campo bien documentadas usando electro-smosispara estabilizar suelos blandos de arcilla son revisados. Estos casos se han establecidocomo los ejemplos clsicos de las aplicaciones de la estabilizacin electro-osmtico.

2. CASOS HISTORICOS

2,1. Estabilizacin de una excavacin en arcilla noruega rpida (Bjerrum et al.,1967)

El primero bien documentado ensayo caso se llev a cabo por Bjerrum et al. en un sitioubicado en As, 30 km al sur de Oslo, Oslofjord, Noruega. El suelo en el sitio es unaarcilla rpida con sensibilidad de aproximadamente 100. Las propiedades del suelo seresumen en la Tabla 2. Aunque el sitio es situado en una pendiente plana (1:8), elanlisis de estabilidad de taludes indic que el factor de seguridad fue slo 0,77,

atribuida a la naturaleza de las arcillas rpidas. La construccin de unaplanta de tratamiento de aguas residuales requiere una excavacin para una profundidadde 4,5 m. Sin embargo, un factor de seguridad 1,3 contra la falla por levantamiento de la

parte inferior permitira la excavacin a slo una profundidad de 2,3 m. Extraccin de lacapa superior del suelo que rodea la excavacin no fue posible debido a una va frreacerca. Por lo tanto estabilizacin electro-osmtico fue seleccionado para estabilizar laexcavacin.


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La instalacin del electrodo y la instrumentacin en el sitio se muestra en la Figura 2.Reforzando barras de acero, 19 mm de dimetro y 10 m de longitud, fueron utilizadoscomo electrodos. nodo filas alternas con filas de ctodo cubra un rea de 200 m2. La

profundidad de embebido de los electrodos fueron de 9,6 m con una separacin de 2 mentre filas nodo-ctodo y 0.6-0.65 m separacin, en la misma fila. Se reconoci quedurante electro-osmtico tratamiento, la resistencia al corte aumenta en el nodo ydisminuye en el ctodo en la primera etapa del tratamiento. Por lo tanto, para evitar lafalla del talud, las filas de electrodos fueron instalados en la direccin de la inclinacinmxima de la pendiente. La estabilidad de la pendiente se mejor por10% en la descarga del suelo superior en las proximidades de la va frrea durante eltratamiento.

La instalacin del electrodo se termin el 13 de abril de 1964. Entonces la energa seaplic el 14 de abril. La tasa de asentamiento era de unos 8 mm por da. La velocidadde flujo de agua en el da 4 y el da 7 fue de 1,7 y 1,5 m3 por da, respectivamente. Elcaudal se redujo con el tiempo. En da 51, a causa de un cortocircuito entre las filas 1 y2, fila 1 se ha desconectado. La polaridad se invirti para investigar el efecto de lainversin de polaridad entre los das 51 y 58. La tasa de asentamiento se redujo de 4,5mm por da justo antes de que el cortocircuito a 2,4 mm por da. Debido a unadisminucin en la tasa de asentamiento, la polaridad se invierte de nuevo a la originalacuerdo en el da 58. Durante los primeros 18 das, la corriente se estableci como210A. Despus del dia 18, la corriente se increment a 350 A. Los intentos se hicieron

para mantener este nivel de corriente, pero la resistencia elctrica del suelo que rodeanlos nodos aumentan. En el da 8, el potencial cae en el nodo, donde era de 10 V de la

tensin aplicada de 40 V. Esto indica que slo 75% del voltaje aplicado fue eficaz. En elda 80, slo el 50% del voltaje aplicado fue eficaz. El tratamiento se prolong durante120 das. Los asentamientos medidos se muestran en la Figura


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3. No hubo asentamientos que se produjeran fuera del rea tratada. Una grieta larga seencuentran a lo largo el lmite occidental. El cambio en el contenido de agua en laarcilla blanda se retrocalculada de la consolidacin de la arcilla blanda.

El consumo total de energa fue de 30.000 kWh o 17 kWh/m3 de arcilla. Despus del

tratamiento, ctodos fueron retirados fcilmente, mientras que la adhesin desarrolladoimpidio la remocion de los nodos. La corrosin total de acero nodos de barras era de740 kg a partir del peso original de 1990 kg, en otras palabras, el 37% de los nodos deacero se corroe, 2,25 kg/m3 de hierro fue utilizado para la estabilizacin de laarcilla. A medida que el agua se mueve de los nodos a los ctodos, la presin de poronegativo se produce en la vecindad de los nodos y el exceso (positivo) la presin de

poro se produce en las proximidades del ctodo. Con la conductividad hidrulica de82 10x cm/s, y se aplica voltaje de 40 V, tericamente una diferencia de presin de poro

sera de 32 atm. Sin embargo, en realidad, la presin en el ctodo no se exceda lapresin de sobrecarga. Adems, la presin de succin en el nodo no exceda de 1 atm acausa de gas generado por el proceso de electro-osmtico


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Se observ que cuando la polaridad se invirti en el da 58, la presin de poro negativasrepentinamente cambiaron a presiones positivas, y viceversa. La presin de poro en elctodo y el nodo se mantuvo positivo y negativo, respectivamente hasta que elapagado. Despus de 103 das de tratamiento, la resistencia al corte de veletas

aument aproximadamente 8 a 15-20 kPa hasta una profundidad de 6-8 m. Ningncambio significativo en la resistencia al corte se encuentra por debajo de esta

profundidad. Durante la excavacin, muchas muestras de suelo a una profundidad de4,5 m fueron tomadas. Los resultados de las mediciones se ilustran en la Figura 4. Lavariacin de resistencia al esfuerzo cortante sin drenaje se muestra en la Figura 4 (a). Laresistencia al corte antes del tratamiento fue de 8,8 kPa. Despus del tratamiento, laresistencia al esfuerzo cortante aument a 108 kPa en el nodo. La resistencia al cortefue de 39 kPa a la mitad de camino entre los electrodos. No hay aumento de laresistencia al corte en el ctodo. La resistencia al esfuerzo cortante promedio fue de 37


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kPa. La resistencia al corte remoldeado se muestra en la Figura 4 (b), la sensibilidadque excedia de 100 fue reducida de a un valor de aproximadamente 2 a 4. El contenidomedio de agua inicial fue de 31,0%. Despus de la estabilizacin, el contenido de aguaredujo 7% en el nodo. El promedio de reduccin del contenido de agua fue de 3,8%aproximadamente el mismo que el valor diseado de 3,4%. Los lmites de lquidos y los

lmites plasticos se muestra en la Figura 4 (c). En el nodo, el lmite lquido aumenthasta el 30% del valor original de 21%. El limite plstico era insignificante cambiado.Un aumento en el lmite lquido atribuido a la acidez en elnodo, es decir, el pH= 5.8-6.3. Cuando el pH de la arcilla en el ctodo fue 7,7, elaumento en el limite lquido era insignificante en este rea. Se cree que las condicionescidas condujo a la formacin de protn-saturada de arcilla que es inestable y cambia auna arcilla de aluminio-saturado. El original arcilla tratada se consider una arcilla desodio-calcio de carcter illtico-clortica y su la conversin a una arcilla de aluminioregularmente dara lugar a una plasticidad superior. Adems, los iones de hierrodisuelto desde el nodo condujo a la formacin de hierro-saturada de arcilla

produciendo los mismos efectos sobre plasticidad. El aumento en el lmite lquido era

un factor importante para el aumento de la resistencia al corte. Es decir, un aumento enel lmite lquido reduce el ndice de liquidez. El suelo se convierte enms rgido y tiene mayor resistencia al corte. El estudio adicional indic que la presinde preconsolidacion aumento. La preconsolidacin original a una profundidad de 4,5 mfue de 78 kPa, mientras que la preconsolidacin presin en la mitad de camino entre loselectrodos se aument a 343 kPa.

2.2. Estabilizacin Electro-osmtico de la presa de West Branch (Fetzer, 1967)

Presa de West Branch es una presa de tierra compactada se encuentra en Ro deMahoning en el nordeste de Ohio, EE.UU.. La presa es de 3000 m de largo y 24 m dealtura. El conducto de salida de hormign se encuentra en el centro de la presa. Elconducto es de 3,5 m x 7,0 m. Cada conjunto estaba conectado por un collar deconcreto. El sitio del proyecto est cubierto por depsitos glaciales, con 25 m de espesorde arcilla gris. La capa de arcilla se entremezcla por el cieno gris y arena limosa, con ellecho de roca de piedra arenisca en el una profundidad ms all de 32 m. La tabla 3resume las propiedades del suelo. La construccin de la presa comenz en mayo de1963. El relleno en la parte central era construy rpidamente. Mientras que el rellenose plante desde El 999 pies (305 m El) a El 1007 pies (El 307 m), la separacin de la

junta de conduccin se detect en el eje de la presa debido al asentamiento. Lacolocacin de relleno fue cesado. Las grietas se produjeron en el cuerpo central de la

presa, con un mximo la apertura de aproximadamente 2,5 cm. Una cada severa delconducto, la abertura mxima en la junta fue de 22 cm. Tres juntas cerca del eje serompieron. El 14 de noviembre, el relleno de 4 m se removio para detener elasentamiento y la separacin de las juntas.

La resistencia del suelo y las presiones de poros de agua fueron investigados.Piezmetros se instalaron en la capa de arcilla que subyace a la presa, y arena limosaque subyace a la capa de arcilla. Se encontr que 1 ao despus de que la construccinse detuvo, las presiones de poros excesivas por debajo de la presa todava no estabacompletamente disipada debido a la baja conductividad-hidrulico de la arcillacapa. La resistencia al corte sin drenaje del suelo era tan baja como 0,2 TSF (19 kPa) y

el factor de la seguridad de la pendiente fue de 1.0 simplemente lo hubiera sidoimposible para elevar la presa de la altura de diseo como el factor de seguridad habra


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sido 0,62. Medidas de remediacin, como como bermas y drenes de arena, fueronconsiderados. Sin embargo, los anlisis preliminares indican que las bermas seraexcesivamente amplia y bloquearia los canales de entrada y salida. El dimetro de 30cm de drenes de arena con una separacin de 1,5 m se considera . Sin embargo, lainstalacin drenajes de arena podra causar la inestabilidad temporal de la fundacin.Eventualmente, estabilizacin electroosmtica fue seleccionado para estabilizar la presacomo el mejor enfoque.

La viabilidad de la estabilizacin electro-osmtico fue investigado por L. Casagrande deLa Universidad de Harvard. La conductividad electro-osmtico, ke, fue de 3 53.0 10x a


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56.2 10x

cm / s computado sobre la base de 1 V / cm. Lleg a la conclusin de que lafundacin de la presa puede ser estabilizado por proceso electro-osmtico. El diseo deelectrodos constaba de tres tiras de nodos y ctodos ms de un 230 x 300 m de area.Una tira de 8 filas de 6 m de separacin se ha instalado a lo largo del eje de la presa yuna tira de 6 filas a 6 m de espaciamiento se instal en el borde exterior de cada

berma. Total de 660 nodos y ctodos se han instalado 320. Los nodos se hicieron de6,5-cm de diametro doble extra-fuertes tuberas de acero negro con un tapn en la

punta. Se utilizaron acero de los rieles del ferrocarril en las proximidades delconducto. Cada ctodo consiste en un electrodo y un bombeo sistema que entren en un35,5 cm de dimetro. Los electrodos de ctodo constaba de 5 cm de dimetrotubos de acero. La seccin esquemtica de la instalacin se muestra en la Figura 5. Losnodos y ctodos se instala a travs de agujeros taladrados 40-cm de dimetro. Parareducir el presin artesiana en la capa de arena inferior, los ctodos de las bermas se haninstalado en la arena capa. Antes de la represa fuera cerrado, los ctodos de aguas arribafueron sellados. Las aguas abajo ctodos se deja abierta para aliviar la presin artesianaen la arena limosa inferior.

Inicialmente, los generadores de energa se han instalado en la berma de la corriente.Desafortunadamente, las vibraciones de los generadores aument significativamente elexceso de presin de poro por debajo la presa. Por lo tanto, se mueve aguas abajo.Haba dos de 300 kW, 200 kW diez y dos generadores de 90 kW utilizado en laoperacin con capacidades de 11.000 A a 150 V, 2500 A a 140 V y 950 A a 60 V,respectivamente. Dado que la potencia era insuficiente para abastecer a 150 V de todaslas tiras de electrodos como se recomienda por L. Casagrande, el tratamiento se llev a

cabo en varios pasos. El 10 de agosto de 1965, se aplic energa a la banda cerca de lacresta bajo el conducto de salida para aliviar la presin de poro en esta rea. El 18 deseptiembre, de alimentacin continua con 50 a 70 V se aplica a la tira de aguas abajo.Despus de la presin de poro por debajo de disminucin de la berma aguas abajo, el

poder se traslad a la cresta y las tiras de aguas arriba.El tratamiento en la cresta de la tira se complet en mayo de 1966. El terrapln fuelevantado a la cresta diseado (El 1012 pies o El m 308) entre junio y agosto de 1966.

Los cambios de niveles piezomtricos en El 890 pies (271 m El) se muestran en laFigura 6. Reduccin significativa en los niveles de piezometricos se llev a cabodurante el proceso de electro-osmtico. En la berma aguas arriba, los niveles

piezomtricos en la franja reducida tanto como 6,0 m en un mes cuando se aplic 100V. En la franja de cresta, el nivel piezomtrico se redujo con un promedio de 2,0 m por


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mes. La tensin en las proximidades de piezmetro 3-DC vari de40 a 56 V. El 13 de febrero de 1966, la tensin se increment a 150 V que inducen elaumento de los el nivel piezomtrico en la vecindad de los ctodos en marzo de 1966.Se encontr que el presiones de poro eran muy baja y muy alta en la vecindad de losnodos y ctodos, respectivamente. De 30 abril-9 mayo 1966, todo el poder y el bombeo

se detiene, el recuperacin de los niveles piezomtricos fue relativamente baja. Duranteel perodo del 1 de junio - 5 de agosto, 1966, el terrapln fue levantado de El 995 pies(El 303) a El 1012 pies (El 308). La presion de poro aumento un poco.

Despus de retirar el relleno de 4 m de espesor en noviembre de 1964, la tasa media deasentamiento fue 20 mm por mes. Durante la estabilizacin electro-osmtico, la tasa

promedio de asentamiento fue de 43 mm por mes, luego disminuy a 18 mm por mes.Esto indic que el tratamiento se aceler la consolidacin de la fundacin. Despus dela construccin se complet, el anlisis de estabilidad se llev a cabo. Un factor deseguridad 1,16 se logr a partir del anlisis en esfuerzos totales. Para el anlisis detensin efectiva, suponiendo que el ngulo de friccin de 18, el factorde la seguridad se calcula como 1,56.

2,3. Estabilizacin de talud por electro-smosis (Wade, 1976)

El Canal Kootenay del proyecto hidroelctrica se encuentra en el ro en el sur de


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Kootenay British Columbia, Canad. El proyecto consiste en una estructura de canal detoma cerrada cerca de Presa de Corra Linn, un canal de 4,8 km parcialmente forrado,cmara de carga una y cuatro compuertas de acero de la superficie partidahasta la central elctrica con cuatro unidades de 125 MW. La cada neta en la operacincompleta es de unos 75 m. El espesor del depsito vara de 16 m en el rea de cmara de

carga a 33 m en el rea de la tubera de carga. Este depsito consista en limo y limoarcilloso con intercalaciones de arena fina con un espesor hasta 2 m. En general, el nivelfretico se encontraba en torno a media profundidad de la capa de suelo, conencaramado agua en algunos lugares. El suelo ms problemtica era una capa de limosuelta y sensitiva justo por encima del lecho de roca en toda la zona cmara de carga,tubera de carga. Este sedimento fue acostado plana con el espesor variable desde 2hasta 12 m. Las propiedades de los sedimentos sensibles se resumen en la Tabla 4. Enensayos triaxiales consolidados no drenados, algunas muestras eran tan suaves quecay por s mismos. El anlisis de estabilidad de los taludes de la zona indicaron que latubera de carga pendiente tuvo que ser excavada a 3,5:1 (horizontal: vertical) paraalcanzar un factor de unidad de seguridad. Por lo tanto, se decidi aplicar

electrosmosis para aumentar la resistencia al corte y para reducir el contenido de aguadel suelo.

La secuencia de instalacin del electrodo se muestra en la Figura 7. El diseo deltratamiento formado por cinco hileras dobles de electrodos instalados a lo largo de la

pendiente tubera y dos dobles filas en la ladera de la cmara de carga. Cada fila dobleconsista en una sola fila de nodos y una sola fila de ctodos en un espacio de 3 m. Lasfilas de nodo se han instalado cerca de la superficie pendiente con el fin de inducirfuerza filtracin hacia la pendiente. De cinco centmetros de dimetro de la tubera deacero fue utilizado para los electrodos. Una carcasa de 30,5 cm se instal en el ctodocon chorros de agua. Un tubo eductor (bombeo tubo) y una perforada fueron colocadosen la carcasa. El agujero era lleno de arena. El agua subterrnea se bombea desde elctodo. El tratamiento electro-osmtico se llev a cabo en los pasos antes de laexcavacin. Los electrodos fueron instalados en el banco primero y el poder se aplicdurante 7 das. Entonces, el suelo fue excavado con el nivel del banco de segundo parainstalar los electrodos y los pozos de bombeo. La potencia se aplicdurante otros 7 das antes de la excavacin se procedi al siguiente nivel. La secuenciaera continu hasta el fondo de la pendiente.


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El tratamiento se llev a cabo durante un perodo de 9 meses, de septiembre de 1972 afinales de mayo de 1973. El volumen de limo tratado fue de aproximadamente 0,4millones de m3, con el poder consumo de 62.67 10x kWh. Cadas significativas en el

nivel piezomtrico se observaron en todos los piezmetros dentro de 3 das despus de

la tensin se aplic. Despus de 2 semanas del tratamiento,el nivel fretico estaba a menos de 3 m por encima del lecho de roca y se mantuvo a esenivel desde entonces. La velocidad de descarga del agua extrada fue de 270 l / min enlas primeras semanas de tratamiento a cerca de45 l / min antes de que el reproductor se apago. El caudal medio fue de 70 l / min con eltotal volumen de agua de 27.000 m3. No hay movimiento del talud significativa seregistr en los marcadores instalado en la superficie del suelo. Para evaluar la eficaciadel tratamiento electro-osmtico, Las muestras fueron tomadas de pozos y dos

profundas fosas fueron excavadas. Las trincheras no se deformaron durante 3-4 semanasdespus de la excavacin. Voladura de roca en el rea de potencia causadalas vibraciones en el limo. Durante la operacin de chorreado, el movimiento del suelose midi utilizando un sismgrafo porttil. Las velocidades ms partculas registradosestaba en el intervalo de 5 cm / s, con el valor mximo de aproximadamente 9 cm / s y


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una aceleracin mxima de 2,8 g. No hay movimiento de las paredes de la zanja seobserv durante este perodo, lo que indica que el tratamiento de electro-osmticodesempeado un papel importante en la mejora de la resistencia al corte del suelo.

Debido a problemas operacionales y equipo, el voltaje aplicado vara desde

aproximadamente 95 a 175 V durante el tratamiento. La tensin de 120 V promedio fuede ms de 9 meses. El voltaje variaciones se ilustra en la Figura 8. La cada de tensinsignificativa se encontr en los electrodos, causadas por la alta resistencia elctricadebido a la sequedad excesiva y la base efectos de cambio. Despus de que el talud fuecortado y cubierto por rocas de relleno, la filtracin de las aguas subterrneasse midi en el pie de la pendiente. El caudal mximo era aproximadamente 23 l / minocurriendo durante la primavera. Consolidada-no drenada (CU) ensayos triaxiales serealizaron en muestras de tomado de las trincheras de prueba. Los resultados mostraronque el ngulo de friccin residual del limo aument de 27-32 a 35 despus deltratamiento.

2,4. Electro-osmosis aplicado a un terrapln inestable (Chappell y Burton, 1975)

Un muelle con una capacidad de manejo de un buque de 400.000 toneladas de pesomuerto, fue construido en Singapur. El muelle se encuentra en parte en alta mar detrsde una atagua celular de gran tamao. Un terrapln de 8 m de alto y 60m de largo fueconstruido en la zona de la costa, que fue llenado por limo vertiendo dragado del fondomarino en el agua. La inestabilidad desarroll en el terrapln durante la deshidratacinde la atagua, incluyendo grandes grietas longitudinales apareci en el

pendiente. Las propiedades del suelo del subsuelo se muestran en la Tabla 5. Lainestabilidad fue causada principalmente por la suspensin de sedimentos de baja

permeabilidad (

4 610 10 cm/s). Para estabilizar el talud, las tablaestacas se haninstalado a travs de la cresta para reducir las filtraciones y la punta para reducir la

movimiento del terrapln, como se muestra en la Figura 9. Sin embargo, ambosenfoques no poda detener el movimiento. Por lo tanto, se decidi aplicar electro-osmtico estabilizacin.


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El consumo de energa es una cuestin principal en el anlisis de viabilidad deltratamiento electroosmtico. Se tena la impresin de que los consumos de energa parael tratamiento electro-osmtico eran relativamente elevados. Sin embargo, hay quereconocer que el poderconsumo est relacionada con la conductividad elctrica delsuelo. En el sudeste de Asia, el contenido de sal en limos y arcillas est tpicamente enel rango de 3-5%, en comparacin con no ms de 1% como inform que en algunoscasos en Europa y Amrica del Norte. Por lo tanto, el consumo de energa para el suelo

en esta regin podra ser mucho menor debido a la mayor conductividad elctrica del


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suelo.

Antes de tratar el terrapln, una prueba de campo ensayo fue realizado con el propsitode estudio preliminar. Se estima que una tasa mnima deshidratacin de 140 l / da erasuficiente para secar el limo y retirar el agua se filtre en el suelo. Los electrodos fueronespaciados 3 m aparte. La profundidad de estabilizacin fue de 5 m (16,5 pies) paraincluir el terrapln y parte de la cimentacion. El voltaje aplicado fue de 90 V. La

permeabilidad de electro-osmtico, Ke, se midi como 0,5x10-4 cm/sV. Un flujoaproximado de 180 l/da fue obtenido. En la prueba de campo, se perfor agujeros de 10cm de dimetro a una profundidad de 5 m para nodos y ctodos de dimetro de 2,5 cm

hechos de barras de refuerzo. El espaciamiento entre los electrodos fue3 m. Un generador de soldadura porttil se utiliza como una fuente de alimentacin parasuministrar un voltaje de 40 V y una corriente de 25-30 A. El tratamiento se hizofuncionar durante 24 h, y la tasa de extraccin de agua fue de 550 l / da. Debido a quela tasa de flujo fue de aproximadamente cuatro veces mayor que el valor de diseo,la distancia entre el nodo y el ctodo se increment.

Despus de la eficiencia del tratamiento de electro-osmtico fue demostrado por laprueba de campo , la disposicin de electrodos adoptado con un patrn de 4-6 nodos enun semicrculo que rodea un centro ctodo en un radio de 12 m. El diseo de ladisposicin de electrodos se muestra en la Figura 10. Cuatro grupos de electrodosfueron instalados. Debido a la limitacin de la fuente de alimentacin, slodos grupos podra ser operado al mismo tiempo. Estos pares fueron operadosalternativamente en intervalos de 1 da en las primeras etapas. Cuando el movimiento deterraplen era ms lento, el intervalo se cambi a 3 das. Se encontr que se emitia gashidrgeno en el ctodo cuando se extrae agua a la superficie, a pesar de que no habadren de arena o tubera de plstico Despus de 9 das del tratamiento electro-osmtico,el movimiento del terrapln reducido de hasta 1 m /da a menos de 1 cm/da. Comotabulan en la Tabla 5, la resistencia al corte de suelo tratado es ms del doble y elcontenido de agua disminuye de manera significativa. Se encontr que el suelo querodea el nodo se endureci irreversible debido al proceso electroqumica. El consumo

de energa fue solamente de 0,5 kWh/m3 del suelo, que fue relativamente baja.


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2,5. Primera aplicacin de electro-smosis para mejorar la capacidad de friccinpilote (Soderman y Milligan, 1961; Milligan, 1995)

El puente Gran Pic de Trans-Canada Highway est sobre del rio en rodeando va de laorilla norte del Lago Superior. Este puente consta de tres tramos, armadura de acero,ms de 180 m de longitud. Valles en este rea estn sobrecargados por limos y arcillasde espesores muy gruesas. La carga del puente est apoyado por la friccin

pilotes. Con la presin del pozo artesiano en el suelo, la friccin del eje se hizoinsuficiente para lograr la carga de diseo. Las propiedades del suelo de arcilla varvedse resumen en la Tabla 6. La capa superior que recubre era arena limosa fluvialcompacta de 18 m de espesor medio a la arcilla limosa dura varved. La arcilla varvedconsiste en lminas de 2 cm de espesor de color gris, y una lamina de arcilla frgil de 1cm de espesor de gris claro, laminas de limo arcilloso. La resistencia a la penetracinestndar (valor N) se redujo con la profundidad desde una profundidad de 20 a 50 m.Presin artesiana se observ a una profundidad de 50 m. A una profundidad de

80 m, la carga de presin se elev hasta 6 m por encima de la superficie del suelo, y laN se convirti en el valor cero.

Un pilote de friccin se seleccion debido a que el espesor de baja resistencia ydepsitos altamente compresibles era excesivo. Antes de la longitud embebida sedecidi, prueba de pilotes con diferentes longitudes fueron ensayadas. Los pilotes deacero de seccin H, 300x300 mm, fueron hincados a profundidades de 16,5 a 50,5 m,como se muestra en la Figura 11. Con la presin del pozo artesiano, la carga ltimase redujo con el aumento de la longitud de los pilotes . La carga de proyecto prevista esde 350 kN por pilote. Las cargas mximas finales obtenidos a partir del pilote de 16,5 mde longitud fue de 360 kN, dando la carga permisible de slo una mitad de la carga de

diseo. Los pilotes fueron probados hasta 400 das despus del hincado. No hay unaumento significativo en la capacidad mxima se observ a pesar de que el 90% de


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de soldadura elctrica. Con un voltaje de 115 V, el pilote con una carga de roturaoriginal de 260 kN haba aumentado hasta 500 kN despus de 3 h. Basndose en estosresultados, el grupo de pilotes que consta de pilotes de 16,5 m de largo con tratamientoelectro-osmtico fue seleccionado. La carga de diseo se cambi a 135 kN por pilote.La disposicin de electrodos se muestra en la Figura 12. Los pilotes de seccin H fueron

utilizados como nodos. La distancia media entre los nodos y ctodos fue 7 m. Losctodos de permetro fueron de 21 m de largo. La disposicin en el pilar oeste fuesimilar a la que en el pilar del este. Tres generadores diesel con una potencia de 70 a120 V y 600-1000 A por unidad se utilizaron. Para el ctodo, un tubo de acero se pusoen un tubo de plstico para evitar la obstruccin por carbonato de calcio. El agua sedescarga a travs del tubo de plstico sin ningn tipo de bombeo.Al principio, estaba previsto para el tratamiento del grupo de pilotes como un todo, perola energia no era suficiente. Por lo tanto los pilotes exteriores fueron desconectados. El

perodo de tratamiento fue de 1060 horas o 44 das.

Los resultados del ensayo del pilote S-16 en el pilar de Oriente se muestra en la Figura

13. La carga de rotura aument de 300 kN antes del tratamiento a ms de 600 kNdespus de 34 das de tratamiento. Fueron extraidos muestras de suelo adyacente a los

pilotes. No fue observada una tendencia evidente en el aumento de la resistencia alcorte y disminucin del contenido de agua. Piezmetros se instala adyacente a las

pilotes y los ctodos. Las puntas de los piezmetros se encuentra a una profundidad de50 m donde la presin artesiano fue detectada. El nivel piezomtrico en el piezmetro

junto a las pilotes disminuy a 9 m por debajo del nivel normal de agua. Sin embargo,este nivel piezomtrico se recuper completamente 90 das despus de terminar eltratamiento. El nivel piezomtrico en el ctodo fue de 2 m por encima del nivel normalde agua. Asimismo, el nivel piezomtrico se recuper 100 das despus de suspender eltratamiento.


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Figura 13. Apila las pruebas de carga durante el tratamiento de electro-osmtico (1959)

(Milligan, 1995).

El asentamiento se midi en el cabeza del pilote. Durante tratamiento, el asentamientofue de 40 mm. El rendimiento a largo plazo de los pilotes se controldurante un perodo de tres dcadas, es decir, de 1960 a 1992. Pruebas de carga de

pilotes se llevaron a cabo en el pilote adyacente al G-5. Los resultados del ensayo seilustra en la Figura 14. No hay reduccin en la capacidad ltima de ms de 31 aos quese haya detectado, y la solucin estaba dentro de lmites aceptables.


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situado en Canad Fuerzas Estacin (SFC) en el que un terrapln de prueba fueconstruido en 1967. Las propiedades del suelo se presentan en la Tabla 7. Las pruebasde corte de veleta in situ las y las pruebas de contenido de humedad se realizaron antesdel tratamiento. El contenido promedio de humedad fue del 80%. El ndice de liquidezfue, obviamente, sobre la unidad. La resistencia al corte remoldeados fue prcticamente

cero, pronunciandose una sensibilidad muy alta. El suelo blando se trat de lasprofundidades de 1,5 a 5,5 m, donde la resistencia al corte de veleta fue inferior a 20kPa.

El detalle de los electrodos se muestra en la Figura 15. Un tubo de cobre de 60,3 mm dedimetro y fue utilizado como el electrodo. El electrodo fue diseado en la forma en queel agua poda fluir a travs el propio electrodo. Por lo tanto, el tubo fue perforado con el

zapato de acero en forma de cono para facilitar penetracin. La parte superior 1,22 m dela corteza se considera de conductividad relativa. Para evitar cortocircuitos, el electrodoestaba aislado en la parte superior, y para evitar cortocircuitos debido alas lluvias y las inundaciones, la parte superior de 0,3 m estaba aislado tambin. No fue

perforado en el agujero en la porcin de aislamiento . El electrodo se introduce en elsuelo por una plataforma de perforacin. Durante la instalacin de los electrodos,de arcilla se convirti en lodo y lleno los electrodos. Los electrodos fueron limpiadas

por lavado con agua. Los instrumentos fueron instalados para medir el asentamiento,resistencia al corte de veleta, distribucin de la tensin durante el tratamiento.El diseo de la instalacin del electrodo se muestra en la Figura 16. Nueve electrodosfueron instalados. En un principio, la fila A y la fila C fueron andica (positiva),mientras que la lnea B era catdica (negativo). La polaridad se invirti a mitad del


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perodo de tratamiento. La instalacin se complet en 2 semanas. El tratamiento seinici el 24 de julio de 1989, y completado el 25 de agosto de 1989, que dur 32 das.La polaridad inicial se prolong durante 17 das, y luegola polaridad invertida se mantuvo durante 15 das. Inicialmente, un voltaje de 25 V seaplica. Debido a un aumento de la resistencia elctrica del suelo, la corriente disminuy

posteriormente. El voltaje se ajusta peridicamente para mantener la corriente de 40 A.Aproximadamente 50 minutos despus el tratamiento, el agua comenz a fluir de losctodos. Tambin fueron observado burbujas de gas hidrgeno. Antes del tratamiento, elnodo se llen con agua, pero el agua no se encontr duranteel tratamiento.


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Para investigar los efectos a largo plazo, las pruebas de corte de veleta se llevaron acabo 43 das y 10 meses despus del tratamiento. No corte se observ reduccin de la

resistencia al corte. La mejora de la resistencia al corte tiende a ser permanente. Losperfiles de resistencia al corte en esta prueba de campo fueron diferentes de losreportados por Bjerrum et al. (1967), que embebido el electrodo hasta 9,6 m,

pero la resistencia al corte del suelo por debajo de una profundidad de 6 m no se hamejorado. El gas en la parte inferior parte no podra ser liberado a la atmsfera. Laacumulacin de gas disminuye la eficiencia del tratamiento. Sin embargo, conelectrodos perforados, esta prueba de campo result en aumento de la resistencia alcorte a lo largo de las profundidades de electrodos.


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De acuerdo con el registro de variacin de voltaje, la cada de tensin en lasproximidades del nodo fue alta, mientras que el voltaje gradualmente se redujo a lamitad entre los electrodos. Este indica que el consumo de energa en la vecindad de unnodo es relativamente alto. El consumo de energa total fue de 2136 kWh,aproximadamente el 1% del coste total del proyecto de tratamiento.Vale la pena sealar que no se requiere el bombeo de agua extrada. Esto es ventajoso

en trminos de ahorro de energa. Teniendo en cuenta el aumento de la resistencia alcorte y el consumo de energa, este proyecto fue eficiente y econmica.

Para investigar el cambio en las propiedades geotcnicas, dos pozos fueron perforados y127 mm de dimetro de tubo Osterberg, muestras fueron recuperados despus deltratamiento hasta una profundidad de 6 m. Los pozos de sondeo (EOS1 y EOS2)estaban en la mitad de camino entre los electrodos de 3,05 y 6,1 mespaciamiento. El tratamiento se interrumpi el 25 de agosto de 1989. Las muestrasfueron recuperados a mediados de Octubre o alrededor de 11.2 meses de suspender eltratamiento. La disminucin en el contenido de agua es bastante uniforme con la

profundidad. El contenido de agua disminuye aproximadamente 10%. El cambio en lasensibilidad fue encuentra entre las profundidades de 3,5 y 5 m. Se redujo de 100 aalrededor de 60. El cambio en el comportamiento al corte de la arcilla se ilustra en laFigura 20. Ensayos triaxiales CU con medicin de presin de poro se realizaron sobremuestras de suelo entre 3 y 4 m de profundidad. Las envolventes de falla en esfuerzosefectivos para el esfuerzo medio menor se expande significativamente debido a unaumento de la presin de preconsolidacin. En el esfuerzo medio mayor, lasenvolventes de falla de pre- y post-tratamiento de muestras son fusionado en una lnearecta. Pruebas de consolidacin Unidimensionales se llevaron a cabo sobre las muestrasa profundidades de entre 2,5 y 4,5 m. Los resultados de las pruebas de consolidacinunidimensionales se muestran en la Figura 21. Despus del tratamiento, relacin de

vacios se redujo sustancialmente con un aumento de la presinde preconsolidacin. En2,5 m de profundidad, la presin pre aument hasta 50% y 30% para EOS1 y EOS2,


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3. CONCLUSIONES

Los casos historicos demuestran que el tratamiento de electro-osmtico es una tcnicade estabilizacin de vital importancia, con costo efectivo para arcilla limosa blanda y

de limo arcilloso blando. Esta se pueden adoptar para muchas aplicaciones de ingenierageotcnica en la estabilizacin y el reforzamiento de una presa, terraplen, cimentacion ytaludes. El proceso electro-osmtico induce cambios en las propiedades fsicas yqumicas del suelo. El tratamiento se extrae agua del suelo e induce la presin de poronegativa, lo que resulta en asentamiento por consolidacin y disminucin del contenidode agua. La reaccin electroqumica aumenta el lmite lquido, producecementacin y la sensibilidad disminuye. La eficacia del tratamiento puede sermejorar el diseo adecuado de los electrodos y por el esquema de polaridad elctrica.Con un adecuado diseo de los electrodos, el suelo se refuerza en toda la profundidad delos electrodos.

El aumento ms significativo en la resistencia al corte se produce en la vecindad de losnodos. Con inversin de polaridad, un aumento de la resistencia al corte es ms


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uniforme a travs de los electrodos. La mejora de la resistencia al corte es permanentedebido a un aumento significativo de preconsolidacin presin y el cambio en las

propiedades del suelo inherentes. Con un mayor desarrollo,la estabilizacin de electro-osmtico debe dar contribucin significativa a la ingenierageotcnica.

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Estabilizacion Por Electro Osmosis

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