Reflexiones Sobre El JET-GROUTING

5/13/2018 Reflexiones Sobre El JET-GROUTING

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REVISTA DE OBRAS PUBLICAS. Febrero 1989. P6gs. 89 a 9

Reflexiones sobre el Jet - GroutinqnPor FERNANDO MUZAS LABADDr. Ingeniero de Camino

La tecnice del jet-grouting encuentra aplicaci6n en problemas derecalce, contenci6n de terrenos e impermeabilizaci6n. EI articulo dee-:. cribe los fundamentos del metodo y sus parametros tecnicos fund a-.mentales, asi como sus principales aspectos de ejecuci6n y econ6-micos,

1. INTRODUCCIONDurante el mes de abril de 1974, tuvo lugar

en Cambridge (lnglaterra) elll Simposio de Jet-Cutting en el que T. Yahiro y H. Yoshida, deJap6n, presentaron un rnetodo de tratamientodel terreno, aplicado industrialmente ya enton-ces en este pais, con la denominaci6n de .Jet-Grouting.",

EI procedimiento en esencia consistia en larealizaci6n de un hueco en el terrene, 'de for- ,, ma plana, utilizando como herramienta un cho-rro de agua a alta velocidad (jet), hueco que

se iba rellenando, al mismo tiempo, con unamezcla de inyecci6n que se hacla lIegar por untuba independiente. EI sistema requeria la per..!foraci6n de taladros pr6ximos porlos que eva-cuar los detritus, y mediante el se podian crearen el terreno paneles 0 elementos pianos im-permeables y coherentes, dispuestos en senti-.do vertical u horizontal. Para mejorar la efica-cia del corte; el chorro de agua se lanzaba enel interior de un chorro de aire comprimido.

Desde entonces este metodo se ha genera-lizado arnpliamente, utllizando en general comofluldo de corte la rnisrna rnezcla de inyecci6ny eliminando los taladros proxirnos para la eva-cuaci6n del detritus, que queda en el terrenomezclado con el producto de inveccion, La apli-caci6n mas general hoy dlase orienta a la crea-ci6n de columnas a base de suelo-cemento,que aisladas ocontiguas unas a otras puedenservir para resolver problemas de recalce, decontenciondel terreno y/o de impermeabili-zaci6n.

'para aplicar la tecnica del jet-grouting es pre-cisodisponer de maquinaria adecuada,cuyaproducclon. es lenta debido a la velocidad re:::

(*) Se admiten comentarios sobre el presente articulo que podran'remitirse a la Redacci6n de esta Revista hasta I:!I30 de abril de ,1989.

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ducida del tratamiento y a la densidad de taladros normalmente necesarios. A pesar de ella tecnica estade moda pretendiendo a veceutilizarse para resolver problemas en competencia con otras tecnlcas mas adecuadas de tratamiento del terreno.

En los apartados siguientes trataremos de rcoger una serie de reflexiones con la esperanza de que puedan servir para aclarar algunoaspectos de esta tecnica y para centrarsu campo de aplicaci6n y su racional utilizaci6n.2. BREVE DESCRIPCION DEL METODO

, '"Segun se acaba de indicar, la tecnlca jegrouting como metoda de estabilizaci6n dsuelo consiste esencialmente en la disgregaci6ndel terreno in situ yen la mezcla sirnultanecon productos adecuados que mejoren su rsistencia e impermeabilidad. .

EI proceso detratamiento seetectua tal como, de manera esquernatica, se representa ela Fig. 1. La primera operaci6n consiste enperforaci6n 'de un taladro de unos 10 cm de diametro, hasta la profundidad maxima del tratamiento, en la que se introduce un varillaje metalico equipado en el fonda con dos 0 matoberas de pequefio diarnetro (1,5 a 3,0 mmpara la posterior inyecci6n de la mezda. Ensistema mas sencillo, la perforaci6n se realizcon el mismo varillaje de inyecci6n provisto, ela punta, del util adecuado, Una vez alcarizadala profundidad requerida se obtura la salida defluido de perforaci6n y se sustituve este pola rnezcla de inyecci6n que irnpulsada por unbomba de alta presi6n (400 a 700 atrn) unicamente puede salir por las toberas a gran velocidad provocando la disgregaci6n del terreno

EI tratamiento se lIeva a cabo haciendo girael varillaje mientras se va levantando lentamen-


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Fig. 1.~Secuencia de operaciones del Jet-Grol!Jting1 y 2. Perforaci6n3 y 4. Tratamiento del terre no5. Columna de suelo tratado

te, alrnisrno tiempo que se efectua la inveccioni .de la mezcla. Como resultado del proceso seva creando una columna sensiblemente cilindri-ca, de suelo estabilizado hasta la altura de-seada.

Como ilustracion de la rapidez del tratamientoindicaremos quela velocidad de rotacion del va-rillaje puede ser de 10 a 30 revoluciones por mi-nuto y la velocidad de' extraccion del orden de20a 70 cm por minuto. Los caudales de inyec-cion suelen oscilar entre 60 a 180 Iitros porminuto.

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3Fig. 2.-Algunos ejemplos de aplicaci6n del Jet-Grouting1. Impermeabilizaci6n de fondos de excavaci6n

2, Recalce de cimentaciones3. Entibaci6n de pozos de cimentaci6n4. Entibaci6n de tuneles .

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EI diarnetro de las columnas depende de lascaracteristicas del terreno y de la velocidad desalida de lamezda por la toberas, funcion, evi-dentemente, de la presion de inveccion. Esfre-cuente obtener diarnetros inferiores a 1,0 me-tro, aunque se han conseguidocolumnas demas de 3,0 m de diametro en arenas, utilizan-do equipos mas complejos que efectuan unarotura preliminar del suelo mediante lainveccionde agua a elevada presion, en' el interior de unchorro de aire comprimido.Las carateristicas reistentes de las columnasdependen logicamente de la naturaleza del te-rreno y del tipo de mezcla utilizada,normalmentea base de cemento. los resultados experimen-

tales indican que la resistencia a compresionsimple puede ser de 10,0 a 40,0 kg/cm2, tra-tandose de suelos arcillosos, hasta unos 200,0kg/cm2 para gravas arenosas.En la figura 2 pueden verse algunos ejemplospractices de aplicacion.

3. QUE ES El JET - GROUTIN'G

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En su aplicacion actual, podriamos decir queel Jet-Grouting es un rnetodo de mejora del te-rreno, en profundidad, mediante mezcla delmismo con una lechada que se introduce en suinterior. Esta definicion no es exclusiva del jet-grouting ya que, con la tecnica de las colum-nas de cal, tarnbien se consigue una mejora delterreno mediante mezcla del mismo en pro-fundidad.lEsel jet-grouting una verdadera inveccion?A menudo se calificaesta tecnica como de in-veccion a alta presion, ya que la bomba nece-

saria para introducir la lechada debe ser capazde alcanzar presiones elevadas, del orden de400 a 700 atm. La realidad es que en el inte-rior del traIadro no reina esa presion, sino ladebida al peso de la columna del fluido, quere-bosa por la boca del mismo, mas la presion adi-cional necesaria para mantener esta circulacion.De no ser asi, la bateria de perforacion e .in-veccion saldria disparada hacia el exterior congrave peligro para el personal operario. Hechaesta saJvedad, se puede afirrnar que el jet-grouting es una tecnica de inveccion por cuan-to la mejora del terreno, en profundidad, seconsigue mediante la introduccion en el mismo,

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varias velocidades de funcionamiento del mtor con objeto de seleccionar en primera aprximacion el caudal de suministro dela bombaEI regimen de funcionamiento queda establecido, adernas, por el dlametro de las toberasdsalida de la lechada, diarnetro que usualmentoscila alrededor de los dos milimetros. La combinacion de estos tres parametres determina ecada caso, de acuerdo con las curvas caracteristicas de la bomba, su ~egimen de funcionamiento, es decir, el caudal y la presion ,de sministro a pie de maquina. Naturalmente, deenergia total consumida, una parte pequeiia semplea en vencer rozamientos en las tuberiaque conducen la lechada desde la bomba asonda de tratamiento, peru la parte fundamentse almacena en forma de presion que en la tobera setransforrna en energia clnetica de la lchada, que sale a muy alta velocidad.

Sequn 1 0 anteriormente expuesto, para udeterminado tamaiio de cilindro y una velocdad de funcionamiento de la bomba, es decpara un caudal de inveccion. a menor diarnetro de las toberas 5e establece mayor presioy se obtiene, por tanto, un aumento de la velocidad de salida de la lechada. Esta velocidaes la que Ie da al chorro su naturaleza y carateristicas resistentes del terreno. Debe sefialase que el radio de accion que puede alcanzala operacicn de corte, aunque crece conpresion 0 sea con la velocidad de salida dchorro en la tobera, no 1 0 hace de manera proporcional y que el rnetodo tiene lirnitaciones dtipo practice,

La fuerza que el chorro transmite al terrenen el choque es proporcional al producto dcaudal inyectado por la velocidad. En consecuencia, para un caudal dado, esta fuerza resulta inversamente proporcional al cuadrado ddiarnetro del chorro. Dado que este diarnetro iaumentando desde la tobera al difundirse la lechada en el medio fluido en que se invecta,eficacia del chorro necesariamente tiene quedisminuyendo al alejarse de la tobera de salda. A titulo de ejemplo seiialaremos que, paruna tobera de 2,0 mm de dlarnetro, con unapertura del chorro del 1 por ciento la fuerzde impacto se reduce a la decirna parte a 20,cm de distancia y se divide por cien a 1,0 mde distancia. Si la apertura es del 10 por cien

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a traves de perforaciones, '> de fluidos capacesde modificar posteriormente sus propiedadesmecanicas y caracteristicas de permeabilidad.La particularidad esencial de esta tecnica esla aplicacion del jet 0 chorro de alta veloci-dad como herramienta de corte y mezcla del te-rreno. Laselevadas presiones que debe sumi-nistrar la bomba no se utilizan para romperelterreno por fracturacion hidraulica, como enotras tecnicas de inveccion, sino en crear ve-locidad del fluido que se invecta, siendo suenergia clnetica la que se utiliza para romper elterreno. Hay que tener en cuenta que, con laspresioneshabituales, la velocidad del fluido, enlas toberas. de salida, puede ser del orden de

200 a 300 mis, valores que justifican la deno-minacion del jet.

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4. PARAMETROS QUE CONTROLANEL TRATAMIENTO

Los parametros que fundamentalmente regu-Ian la aplicacion practice del tratamiento son lossiguientes: '1. Diarnetro de los cilindros de la bomba deinveccion.2. Velocidad del motor de la bomba.3. Diametro de las toberas de salida de lalechada.4. Velocidad de giro del varillaje.5. Velocidad ascensional del varillaje.6, Tipo de terreno. Granulometria y facilidadde corte.7. Separacion entre taladros.8. Caracteristicasde la lechada inyectada.Todos estos parametres tienen su influenciaen el resultado tecnico-economico del trata-miento, en el que,por conveniencia de expo-sicion, vamos a diferenciar dos procesos, unoprimero de corte del terreno y otro de mezcla.del detritus con la lechada, a pesar de que, evi-dentemente, ambos procesos son sirnultaneosy estan intimamente relacionados entre si.

5. PROCESO DE CORTENorrnalrnente las bombas de jet-grouting dis-ponen de dos 0 mas tarnafios de cilindro y de

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to las citadas reducciones de la fuerza se pro-ducen a distancis diezveces rnenores, Estes va-lores sirven para ilUstl3r la importancia que tienela concentracion del chorro V justifican el inte-'resde los sistemas jet-grouting mas complejos.L a velocldad de giro del varillaje V su velocl-dad aseensional tienen tarnbien influencia en laeflcacia del corte del terrene V, como conse-cuencia,en elradio de accion del tratamiento.,Ellase debe a que el efecto cortante del cho-rro no es instantaneo sing que progresa pocoa poco.

Cabe pensar en la existencia de una relacionoptima entre los distintos parametres enume-rados, de manera que, para una' misma poten-cia del. jet .Ven un terreno dado, se obtengala maxima produccion de detritus". Este valoroptimo para cada taladro aislado, no tiene porque correspondercon el optirno econornico enun tratamiento .continuo con muttiples colum-nas advacentes ~ como por jemplo en el casode tener que imperrneabilizar un fonda de ex-cavacion- va que la perforacion de los taladrossuele tener una irnportante repercusion econo-mica. En este caso puede ser aconsejable apu-tar las posibilidades de corte V conseguir rna-vor radio deaccion aunque no se obtenga eloptirno aprovechamiento enerqetico del jet.

6'. P'ROCESO DE MEZClAEn la tecnica jet-grouting, tal como se aplicaactualmente en la mavoria de los casos, el de-tritus poria accion de corte del jet 0 chorrade alta velocidad, no se expulsa al exterior co-mo ocurrla en las primeras aplicaciones, sinoque perrnanece en el interior del terrene que se" esta tratando y sernezcla con la lechada que-se va invectando, Normalrrienteesta lechada esuna suspension de cementa en aqua, con adi-cion 0 no de bentonita U otros productos. Larelacion CIA susie osciiar entre 0,5 V 1,0.

EI.producto obtenido mediante este procesode mezcla, sirnultaneo al proceso de corte,depende logicamente, en primer lugar, de lanaturaleza del terrene tratado V de las oaracte-rtsticas dela lechada inyectaaa,peto viene in-fluenciado tarnbien por otra serie de fenorne-nos, en los que de alguna manera intervienen

la rnavorla de los parametros iridicados ante-riormente.La dosificaci6n de la mezcla resultanteterreno-Iechada vendra determinada, en princi-

pio, por la proporcion entre los caudales delechada invectada V de creacion de detritus,pero su cornposicion puede ser un problemacomplejo sequn la permeabilidad del terreno V,fundamental mente, si nos encontramos por de-bajo del nivel freatico, como ocurre frecuen-temente.En un terreno saturado V poco permeable, alinvectar un caudal determinado en su interior,debido a la baja compresibilidad del agua V asu diflcil expulsion a otras zonas, si no existie-ra cornunicacion del taladrocon el exterior su-biria la presion hasta reventar por el punto masdebil como es el contacto del vanlta]e con elterreno. En este momenta la zona de tratamien-to queda sometida a una presion equivalenteal peso de la columna de rnezcla que rebosapor la boca del taladro, mas el incremento ne-cesario para mantener la circulacion. EI caudalque rebosa , en el supuesto de terreno incorn-presible, tiene que ser igua,1necesariamente a

la diferencia entre el caudal de lechada invec-tado V el volumen que va dejando libra el vari-lIaje, seg(ln su velocidad ascensional.EI material expulsado por la boca del taladradebera ser una mezda de lechada con el agua

y el detritus fino del terreno, quedando en elinterior la misma mezda, bien como una masahornoqenea 0 bien como ligante de los mate-riales mas gruesos no afectados por la accionde corte, 0 que no pueden ser arrastrados alexterior. La dosificaclon. como va hemos indi-cado, viene determinada por los caudales de le-chada invectada V de detritus creado,Siguiendo estas ideas, esposible analizarladosificacion de los distintos materiales (agua,aridos fines, aridos gruesos, cemento) que re-sulta, tanto para el material que rebosa por laboca del taladro como para el que queda en elinterior del terreno.Para que no hayarebose de material invecta-

do es preciso que exista 0 se cree el hueco ne-cesario para la lechada. Ello puede ocurrir si seactua por encima del nivel freatieo 0 cuandoel terreno es bastante permeable para ir 'expul-


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sando el agua subterrimea. Ahora bien, esto noes suficiente ya que, adernas debe existir unaadecuaeion entre el caudal inyectado y la po-rosidad del terreno tratado por unidad de tiem-po, que puede ser mayor que el transformadoen detritus, si la permeabilidad y el tamaFio delos poros permiten la circulacion de la lechada.Conviene seiialar, por otra parte, que aunqueen teorla el ideal seria no invectar mas lecha-da que la estrictamente necesaria para colma-tar el suelo, en cuyo caso no habria expulsionde lechada, el hecho de verla salir por la bocadel taladro es un buen control de que se vanrellenando los huecos del terreno, creados 0 nopor la accion del chorro.

Es evidente que en todo este proceso inter-vienen todos los parametros indicados anterior-mente, ya que etan intima mente relacionadosentre sl y que deberian guardar una cierta re-lacion, en funciondel resultado que se deseaconseguir. Se intuve que la solucion optima pa-ra definir el tratamiento es muy compleja. Enla practice conviene comprobar que entre losdistintos valores que se adopten en principio,existe una relacion adecuada con el resultadoque se desea conseguir y controlar en obra elproceso tratando de detectar las desviacionessobre 10 previsto, fundamentalmente en cuan-to al caudal y dosiflcacion del producto querebosa.7. ASPECTOS ECONOMICOS

EI tratamiento del terreno mediante la tecni-ca jet-grouting es relativamente caro, si se tie~ne en cuenta que el producto obtenido equi-vale a un pilote de baja resistencia constituidopor una mezcla de suelo-cemento y qU.E:!ucoste es igual 0 superior al de un pilots de hor-rniqon. En el precio del tratarniento intervienefundamentalniente la densidad de la malla detaladros, pero adernas, en muchos casos, influ-ye el coste de la perforacion adicional para ac-ceder a lazona de tratamiento, atravesando te-rreno que no es preciso mejorar.

Una de las grandes ventajas de esta tecnicaestriba en que a traves de perforaciones de pe-quefio diarnetro (igual 0 inferior a 10 ern) sepuedencrear columnas de diarnetro muy supe-rior (por jemplo 80 ern) sin lleqar a la superfi-

cie del terreno. Debido a ello tienen aplicacioen problemas de recalce, en cornpetencia colos micropilotes, 0 como alternative cuando npuede hacerse frente _al punzonamiento.Cuando la mejora del terreno, con esta teenica, debe lIevarse hasta la superficie del terreno, conviene no olvidar la posible aplicacion dotras tecnicas como la ejecucion de pilotes tangentes 0 secantes, que puede resultar maeconomica.En tratamientos continuos, como puede sla ejecucion de fondos impermeables de excavacion. la perforacion de los taladros suele tener una gran incidencia economica por 10 qu

es conveniente conseguir el mayor radio de acion del chorro. Ello quiere decir que en principio conviene apurar, de manera razonable,capacidad de la bomba deinveccion seleccionando maxima presion y maximo caudal compatible, con 10 que automaticamente queda fjado el diarnetro de las .toberas=Et postertecontrol y analisis del producto expulsado y scornparacion con la lechada inyectada, pueddar un indice de si es adecuada la velocidad dtratamiento. En estes casos tampoco debe 0vidarsela alternativa de efectuar un tratamiento con inyecciones qulrnicas que suele exiguna rnalla de taladros mas abierta, reduciendosla perforacionen ocasiones a la cuarta parte

De todas maneras, en este tipo de aplicaciones superliciales del jet-grouting convendria etudiar a fondo el coste del tratamiento. Hay qutener en cuenta que para una determinada potencia de la bomba, al aumentar la presion debe disminuir el caudal de lnveccion y en consecuencia el tiempo que -serequlere-paracreacion de una columna crece mas que proporcionalmente conel volurnen de la mismaDesde el punto de vista econornico es posiblque exista una relacion optima entre la presioy el caudal, para cada tipo de terreno, pertarnbien es posible que el coste del tratarmento por metro cubico de terreno tratado resultmuy similar al variar la apertura de la malla8. FINAL

_A titulo de ejemplo se incluyen a continuacion los parametros correspondientes a un caso concreto de lnveccion e r e 120,0 l/rnin de un


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REFLEXIONESSOBRE EL JET-GROUTING

lechada de cemento con dosificacionAzf; = 1"y peso espedfico 1,5 t/m3, a traves de dos to-beras de 2,2 mm de diametro.

Con estas hipotesis la velocidad del chorroI a la salida de la tobera results de 263,0 m/segyla presion de la bomba de unas 530 atm.

Supondremos que el terreno natural esta sa-turado, es poco permeable y tiene la siguientecornposicion por metro cubico:Agua:Arido fino:Arido grueso:Suma:

Si el tratamiento se efectuara a una veloci-dad ascensional de 40 ern/min, consiguiendocrear una columna de 80 cm de diarnetro yad-mitimos la hiootesis de terrene incompresiblepar estar saturado y ser poco permeable, porla boca del taladro tendria que rebosar un cau-dal cf_~_me?-_c1aiqerarnente inferior a 105120,0-""flrnTninyect~ldos:-Efectuando la cornposicion de'los caudales de lechada y de detritus, se pue-den deterrninar las dosificaciones que cab ria es-perar en el material que rebosa y en el terrenotratado, obteniendo los resultados siguientes:Material! que rebosa:Agua: 640 kg! rn 3Cemento: 359 kg!m 3Arido fino: 638 kg/m3

350 I = 350 kg300 I = 795 kg350 I 9:28 kg

1000 I , _ 2073 kg

Suma: Terrene tratado:

Agua:Cemento:Arido fino:Arido grueso:Surna: A/C = 1.78

1637 kg/m 3 A/C 1,78416 kg/m 3233 kg/m 341 4 kg/m 3928 kg/m 31 99 1 kg /m 3

. Se observa un enriquecimiento en agua, alquedar incorporadala del, terreno, y un aumen-to del peso especifico del material que rebosaal incluir una fraccion de arido (1,64 t/m3 fren-te a 1,5 t/m3). Eli terreno tratado resulta conuna dosificacion de cemento bastante mas bajaque en la lechada inicial.

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En la hipotesis de sueloseco y con la mis-rna composicion de aridos, efectuando Ur10Scaiculos analoqos. el caudal expulsado por laboca del taladro seria de 50 I/min, mantenien-dose la relacion A/C = 1, pero subiendo ei pe-so especifico a 1,88 t/m3. EI material tratadotend ria un peso especifico de 2,15 t/rna, unadosificacion de cemento de 325 kg/mJ y lamisma relacion A/C = 1.

Estos calculos elementales ilustran como pue-de variar el resultado del tratamiento sequn loscasos. Es clare que en la blpotesis de suelo se-co, a igualdad de los dernas parametres y va-riables, el consumo de cementa seria menar yel terreno tratado tendria mayor resistencia, Co-mo conclusion se deduce tambienla irnportan-cia que puede tener el control y analisis del pro-ducto expulsado por la boca del taladro, comomedio para enjuiciar la evoluclon del procesoy correqir, si procede, los para metros del tra-tamiento. _

Fernando Muzas labadDoctor Ingenierode Carninos,Canalesy Puertos, prornocionde 1960. Trabajo en Auxini yen el Centro de Estudios Hi-droqraficos, En 1969comenz6su actividad docente comoprofesor encargado de cursode Geotecnia y Cimientos enlaET.S. delngenieros de Ca-minos, Canales y Puertos deMadrid. En el mismo ana en-tro en laempresaCimentacio-nes Especiales S. A. donde

fue Director de Estudios e lnvestiqacion, En 1987qanoplazade Profesor Titular en la E.T.S.de Arquitectura deMadrid adscrito a la Catedra de Mecanica del Suelo yCimentaciones. Desde la misma fecha presta sus servi-cios en la empresa Eyser, Estudios y Servicios, S. A.,como director de Area. Esautor de diversas publicacio-nes y comunicaciones a congresos, nacionales y extran-jeros y ha participado como conferenciante en bastan-tes reuniones cientificas y cursos de postgrado.

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