A la hora de realizar una excavación y conseguir estabilizar el suelo, aunque sea de forma provisional, una posibilidad consiste en congelar el suelo, especialmente cuando éstos son blandos y están saturados. Ello permite disponer de una pared provisional que impide el desmoronamiento del terreno.

El estudio de la congelación artificial del suelo precisa conocimientos en relación con las técnicas de congelación existentes, así como de las propiedades térmicas y geotécnicas del terreno. Como es fácil de entender, este procedimiento constructivo requiere la presencia de empresas altamente especializadas.

Fundamento teórico

La congelación del terreno con el fin de conseguir su estabilización temporal es una técnica antigua empleada ya en minería desde mediados del siglo pasado. Se basa en la transformación del agua intersticial en hielo, que en ese estado actúa como elemento aglutinante de las partículas que componen el suelo.

Se consiguen así dos efectos, por una parte un aumento de la resistencia del terreno y por otra una completa impermeabilidad que facilita durante un tiempo las condiciones de excavación. Pero al mismo tiempo, también se alteran otras condiciones geotécnicas que pueden afectar a estructuras contiguas a la obra, que en el proyecto previo han de ser estudiadas cuidadosamente.

Aplicabilidad

La congelación es adecuada en una gran variedad de suelos, incluso en casos donde las inyecciones y otros métodos no pueden ser utilizados. El requisito que plantea es la necesidad de que los suelos estén saturados de agua, ya que de lo contrario el método no mejora las características del terreno.

Sistemas de congelación

El procedimiento general se aplica instalando en torno al bloque de suelo que se quiera estabilizar, un conjunto de tubos o sondas de congelación por las que habrá de circular la sustancia refrigerante, con la disposición y separación entre sondas que aconsejen las condiciones de obra (profundidad de excavación, planta, etc.) y el terreno.

Como sustancias refrigerantes pueden emplearse salmueras (frecuentemente de cloruro cálcico), anhídrido carbónico, o nitrógeno líquido, todas ellas con el mismo fundamento físico: la capacidad de absorción de calor de estas sustancias, al pasar de líquido a gas.

La instalación es diferente, según el elemento refrigerante sea recuperado (circuito cerrado) o no (circuito abierto). En el primer caso, ha de establecerse un circuito cerrado como el que se muestra en la figura. El fluido en forma líquida, pasa por los tubos refrigerantes y al evaporarse a través de ellos absorbe calorías del terreno. Conseguido este efecto, la sustancia en forma de gas se hace pasar por un compresor que en combinación con un sistema refrigerador lo licua a baja temperatura, y después es conducida a un depósito, en el que es almacenada en forma líquida a alta presión. Desde este depósito el caudal será bombeado de nuevo a las sondas refrigerantes para ser reutilizado en un nuevo recorrido a través del circuito cerrado de congelación.

Cuando la congelación se aplica sin recuperar la sustancia refrigerante, ésta (normalmente nitrógeno líquido), es transportada a pié de obra en camiones cisterna y desde ellos es bombeada a baja temperatura (» -196 ºC), directamente hacia las sondas o tubos congeladores de la instalación: el fluido, después de pasar a través de las sondas, ya evaporado es dirigido hasta el final del circuito, en este caso abierto, del cual sale a la atmósfera en forma de gas a unos -60 ºC de temperatura.

Este sistema resulta más caro que el anterior por no recuperarse la sustancia refrigerante, pero los efectos de congelación que se consiguen en la práctica son más rápidos.

Existe la opción de utilizar un procedimiento mixto, consistente en combinar la capacidad frigorífica del nitrógeno líquido, para efectuar la congelación del terreno de forma rápida, y la economía de la salmuera, para el mantenimiento durante los trabajos de excavación y ejecución de la estructura. Para ello, los circuitos de sondas deben estar separados de forma que se puedan utilizar ambos procedimientos.

Condiciones de ejecución

La elección del procedimiento y medios de congelación más efectivos, requiere el estudio del terreno y de la obra en tres etapas:

• Estudio de viabilidad
• Elección del sistema
• Ejecución y control

El objeto del estudio de viabilidad es decidir en primer término si la congelación es factible, con o sin medidas correctoras del terreno y en el primer caso definir qué tipo de medidas deben adaptarse.

Como es lógico, es esencial partir de un buen conocimiento hidrogeológico del terreno y de todo el entorno al que pueda afectar el proceso de congelación. En este estudio tienen especial interés los parámetros térmicos del suelo, y los geotécnicos antes y después de la congelación, y en las situaciones intermedias.

Es importante conocer el volumen y las condiciones del agua que pueda estar en contacto con la masa congelada, por la aportación de calor que puede proporcionar y por los efectos producidos por la velocidad de circulación: a partir de velocidades de 1,5 – 2 m/día si no es con nitrógeno líquido la congelación no es factible; con velocidades mayores los tratamientos previos de inyección por su eficacia y por su escasa incidencia económica, pueden ser un buen medio corrector. En general los procesos de congelación son más viables en suelos saturados pero también son aplicables en suelos con grados muy bajos (10 %) de saturación.

Con las conclusiones del estudio de viabilidad debe decidirse el sistema de congelación y la forma y disposición de los tubos que mejor se adapten a las condiciones del terreno y del espacio disponible. Si la obra lo permite, se suele recurrir a superficies cilíndricas (circulares o elípticas) para que los esfuerzos que se produzcan sobre el bloque congelado sean principalmente de compresión.

El análisis térmico previo del bloque a congelar es esencial para decidir:

• la disposición más favorable de las sondas
• la potencia del equipo de congelación y
• el tiempo de funcionamiento que es necesario para conseguir la temperatura de congelación prevista.

En este tratamiento es muy importante el control de temperaturas en el interior del suelo congelado mediante la disposición de sondas termométricas. Así, puede controlarse cómo progresa la formación del muro, además de vigilar su evolución durante la fase de excavación, establecer los periodos de mantenimiento y fijar la potencia frigorífica necesaria en función de la respuesta térmica del suelo y la transmisión de calor a través del paramento excavado.

La resistencia de un suelo congelado está definida como en cualquier otro, por la cohesión y el ángulo de rozamiento. Pero estos parámetros en este caso, varían en función de la temperatura y del tiempo con leyes diferentes no sólo en función de la composición del suelo sino también de la duración de la carga aplicada.

Ventajas y limitaciones

Las ventajas del tratamiento de congelación del terreno radica en la posibilidad de ahorro de tiempo y de coste frente a problemas de presencia importante de agua en excavaciones bajo el nivel freático, además de en la amplia variedad de suelos donde puede aplicarse. Como limitaciones destacan la alta especialización que precisa su aplicación y su elevado coste, por lo que no es muy utilizado en España.

También hay que apuntar como inconvenientes que, en el caso de gravas, con cierta velocidad del agua subálvea, la congelación se hace complicada y necesitaría alguna inyección complementaria. Tampoco es despreciable el asiento producido tras la descongelación del suelo.

Referencias:

MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcción. Mejora de terrenos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. Ref. 2004.844. Valencia, 52 pp.

MUZÁS, F. (1980). El frío, la helada, congelación de terrenos. Capítulo 16 de Geotecnia y Cimientos III, de J.A. Jiménez Salas, Ed. Rueda.

MUZÁS, F. (1980).  Congelación artificial del terreno. IV Curso sobre Técnicas de Mejora del Terreno. Valencia, 16 de octubre. (link)

KellerTerra muestra en un vídeo de 5 minutos cómo se ejecuta una columna de grava (vibrosustitución) en la obra de la Central de Ciclo Combinado de la Bahía de Escombreras, Murcia. Después de visualizarlo, contesta a las siguientes preguntas:

1. ¿Qué es una central de ciclo combinado?
2. ¿Qué circunstancias del terreno hicieron recomendable la mejora del suelo mediante columnas de gravas?
3. ¿Qué características se querían conseguir del terreno mejorado?
4. ¿De qué partes consta un tubo vibrador?
5. ¿Pará qué sirve el tamiz que se encuentra en la tolva donde la cargadora descarga grava?
6. ¿Qué hace el aire comprimido en la cámara de descarga?
7. ¿Qué diámetros de columna de grava se ejecutaron?

Otro vídeo de interés sobre la vibrosustitución es el siguiente:

Un bulón o perno es un elemento normalmente metálico que tiene como objetivo reforzar y soportar rocas fracturadas o incompetentes para prevenir su rotura. Sería cualquier tipo de mecanismo de soporte que, insertado en el interior del terreno, le proporcionaría un aumento de rigidez o de resistencia a tracción y corte. El bulón, cuando el terreno quiere deformarse, introduce unos esfuerzos adicionales en el macizo que contribuyen a su estabilidad general. Se puede decir que “cosen” las discontinuidades del macizo rocoso, impidiendo deslizamientos y caídas de cuñas y bloques, y por otra parte aportan al tereno un efecto de confinamiento.

La longitud de un bulón, por razones constructivas, suele estar comprendida entre 1,5 y 10 m. Se colocan en el interior del terreno desde una superficie libre, a través de un taladro. Sin embargo, la fuerza que puede soportar cada bulón es relativamente reducida, lo cual implica una densidad de aplicación elevada. Es habitual el uso de barras de acero de 20 a 40 mm de sección, admitiendo cargas del orden de 10 a 25 t.

Podemos distinguir un bulón de un anclaje por cables en dos aspectos fundamentales:

• Su longitud, que raramente supera los 10 m, siendo habitual longitudes comprendidas entre 2 y 5 m.
• Su fuerza resistente. El bulón no se tesa como el anclaje a una fracción importante de su carga de rotura.

Perno de anclaje SPLITBOLT(C). Cortesía de Aceros Arquipa.

Los primeros bulones que se utilizaron en una cantera de pizarras de Angers, al norte de Gales, (1872) eran de madera seca, donde se clavaban perpendicularmente a los planos de esquistosidad para lograr el cosido. Por efecto de la humedad del terreno, se conseguía un anclaje continuo debido al hinchamiento higroscópico de la madera. En minería subterránea, el primer empleo de este sistema de sostenimiento se produce a finales del siglo XIX en una mina cercana al río Missouri, en Estados Unidos. Sin embargo, no es hasta finales de la Segunda Guerra Mundial, en Estados Unidos, cuando se produce la gran expansión de esta tecnología. Con el “Nuevo Método Austríaco“, la tecnología del bulonaje y del gunitado se convierte en pieza fundamental en la construcción de túneles.

Los elementos funcionales de un bulón son los siguientes:

1. Un dispositivo de aplicación y reparto de fuerzas sobre la superficie libre del terreno, que generalmente es una placa metálica de reparto, que se solidariza al sistema mediante una tuerca o anillo con su arandela.
2. Un elemento transmisor de esfuerzos desde la superficie al interior del terreno, que suele ser una barra o tubo cilíndrico, normalmente de acero, aunque también pueden ser de otros materiales como el poliester o la fibra de vidrio.
3. Un elemento o técnica de anclaje que solidariza el sistema en el interior del terreno. Así pueden existir bulones con anclaje puntual por cuña o por cabeza de expansión, o bien bulones con  anclaje repartido, que puede ser mecánico (torsión del tubo, presión de aire, ajuste de barra) o químico (inyección de cemento o resina).

La técnica continúa empleándose con gran profusión debido a sus indudables ventajas:

• Simpleza
• Funcionalidad
• Relativa economía frente a otros tipos de sostenimiento
• Permite usarse como soporte temporal o permanente, y en función de ello, las características del bulón a emplear son muy diferentes
• Permite reducir la sección transversal en las excavaciones
• Admite total mecanización.

Hoy día el tipo de pernos de anclaje es muy variado. Os dejo un vídeo donde se explican sus variantes.

Otro vídeo interesante es de Altas Copco.

En este vídeo podemos ver el anclaje SPLITBOLT®, en un vídeo de Aceros Arequipa.

En este vídeo podemos ver cómo en Sudáfrica se realiza el sostenimiento mediante pernos de anclaje (rock bolting).

Referencias:

MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F.; ALCALÁ, J. (2012). Técnicas de voladuras y excavación en túneles. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 530, 165 pp.

http://www.dsiunderground.com/uploads/media/DSI_Underground_Systems_Trusses_Slings_US_01.pdf

Bieniawski, Z.T. (1990). Tunnel design by rock mass classifications. (link)

http://scholar.lib.vt.edu/theses/available/etd-080399-152659/unrestricted/WholeVersion.pdf

http://rezazt.tripod.com/sitebuildercontent/sitebuilderfiles/rockboltdesignreport.pdf

http://home.agh.edu.pl/~cala/hoek/Chapter5.pdf

La perforación horizontal con tornillo helicoidal (horizontal auger boring) es una tecnología sin zanja (trenchless) que se utiliza para instalar tuberías metálicas o de hormigón de diámetros entre 100 y 1500 mm en terrenos blandos sin bloques. La perforación se realiza mediante el corte de un eje broca equipado con bordes de corte tipo cincel. Los escombros se evacuan del tornillo sin fin a través de la tubería y son conducidos hasta el inicio de la perforación. Esta tecnología permite instalaciones hasta de 240 m de longitud con control de dirección en los 360º vertical y horizontal). Es un procedimiento muy útil en instalaciones bajo estructuras como vías de cualquier tipo, cuerpos de agua, edificaciones etc.

Os dejo algunos vídeos para veáis su funcionamiento. El primero es una técnica no guiada, el segundo, técnica guiada.

Ejecución de pilotes de barrena continua. Vía http://www.cimentatec.com/

Los pilotes CPI-8 o de barrena continua se ejecutan mediante una hélice que se introduce por rotación hasta alcanzar la profundidad prevista.Una vez introducida en el terreno se extrae simultáneamente el hormigonado a través del eje de la propia barrena. Extraída la barrena y rellenado el pilote de hormigón, se introduce la armadura. De este tipo de pilote ya hicimos un post, que os recomiendo visitéis.

En el post de hoy vamos a centrarnos en aspectos relacionados con la seguridad. Para ello os recomiendo la Guía Técnica de Seguridad AETESS de pilotes de barrena continua (enlace) y, además, la siguiente guía técnica audiovisual de la Asociación de Empresas de la Tecnología del Suelo y del Subsuelo (AETESS) donde describen los trabajos de ejecución de pilotes de barrena continua (www.aetess.com Comité de Seguridad de AETESS). Espero que os guste.

http://www.radef.com.ar/

Uno de los problemas que afecta a la ingeniería civil y otras disciplinas es conocer una o varias características y propiedades del subsuelo. Para ello se emplea la ciencia de la geofísica.

La geofísica es una ciencia aplicada que estudia los fenómenos naturales de nuestro planeta desde el punto de vista físico y matemático. Su objeto de estudio abarca todos los fenómenos relacionados con la estructura, condiciones físicas e historia evolutiva de la Tierra.

Originalmente fue desarrollada como un método efectivo para la prospección del petróleo y otros depósitos minerales, pero actualmente tiene aplicaciones específicas en el campo de la ingeniería civil.

Al ser una disciplina experimental, usa para su estudio métodos cuantitativos físicos como la física de reflexión y refracción de ondas mecánicas, y una serie de métodos basados en la medida de la gravedad, de campos electromagnéticos,magnéticos o eléctricos y de fenómenos radiactivos. En algunos casos dichos métodos aprovechan campos o fenómenos naturales (gravedad, magnetismo terrestre, mareas, terremotos, tsunamis, etc.) y en otros son inducidos por el hombre (campos eléctricos y fenómenos sísmicos).

Os dejo una presentación interesante sobre la aplicación de la geofísica a la ingeniería civil. Espero que os guste.

El sistema Omega de ejecución de pilotes permite mediante la aplicación rotación y empuje a la cabeza en la fase de perforación, y rotación y tiro en la fase de extracción, la instalación de pilotes con total ausencia de vibraciones y produciendo un desplazamiento lateral del terreno que lo compacta y evita la extracción de detritus.

Por encima del diámetro máximo de la cabeza, unas hélices horizontales y la inclinación adecuada del ángulo superior producen un segundo desplazamiento del terreno durante la secuencia de extracción y la fase de hormigonado. En esta fase, la presión controlada de inyección de hormigón a través de la varilla del tubo central induce un tercer estado de desplazamiento, asegurando una perfecta adherencia del pilote con el terreno.

Se utiliza una perforadora de vuelo parcial con una seccion de desplazamiento que comprime y mejora la densidad de los flancos del agujero. Esto mejora la friccion perimetral y la capacidad  de carga del pilote vaciado en el molde.

Un documento explicativo lo podéis encontrar aquí: http://www.ifc-es.com/docs/doc478f25b17f2af6.04560118.pdf de la empresa IFC Cimentaciones Especiales S.A. Otro muy interesante, de Juan José Rosas: http://www.consultorsestructures.org/images/stories/quaderns/quaderns15.pdf?phpMyAdmin=1f73cb5e5b5871b17a5dd37e0ee619a6

Os dejo unos vídeos donde podéis observar cómo se realiza este tipo de pilote. Espero que os gusten.

Compatación dinámica (fotografía de Menard)

La compactación dinámica es una técnica que mejora la capacidad portante de los suelos, especialmente de aquellos con escasas características geotécnicas, mediante la aplicación de esfuerzos dinámicos en superficie. Se trata de aplicar un elevado esfuerzo dinámico al dejar caer una masa elevada desde cierta altura. Actualmente, es habitual el uso de pesos de maza que oscilan normalmente entre 1 y 100 toneladas, con alturas de caída de hasta 40 m. Este tipo de tratamiento es altamente dependiente de las características del suelo y de la energía empleada. En principio, se puede utilizar en suelos granulares, saturados o no, y ofrece buenos resultados en rellenos artificiales heterogéneos, que difícilmente se pueden mejorar con otros procedimientos. Además, la mejora es significativa incluso a profundidades altas, siendo una solución económica cuando se compara con otras soluciones alternativas como la excavación y sustitución del suelo, la precarga, las inyecciones y otras técnicas de mejora de suelos.

El principio de dejar caer grandes pesos sobre la superficie del suelo para mejorarlo en profundidad se ha empleado desde tiempos muy antiguos. Menard y Broise (1976) hacen referencia a dibujos muy antiguos que sugieren que la técnica se podría haber empleado en China desde hace centurias. Los romanos también la emplearon en sus construcciones. En los Estados Unidos se empleó un antiguo cañón para compactar ya en el año 1871 (Lundwall, 1968). También en la antigua Unión Soviética se empleó este método para compactar loess con buenos resultados, si bien con pesos y alturas de caída mucho menores a las actuales (Faraco, 1980). En los años 40 se empleó este procedimiento constructivo en la construcción de un aeropuerto en China y un área portuaria en Dublín. Sin embargo la técnica actual se puede fechar en 1970, cuando Louis Menard patentó este método en Francia, favorecido sin duda por la aparición de las gigantescas grúas montadas sobre orugas. En Gran Bretaña y en Estados Unidos se empezó a utilizar en los años 1973 y 1975, respectivamente.

La disponibilidad de suelos con suficiente capacidad portante para la construcción ha ido disminuyendo conforme se iban desarrollando las áreas urbanas. De esta forma, fueron quedando parcelas con suelos de pésimas características geotécnicas que había que recuperar de alguna forma para seguir construyendo. Esto favoreció, sin duda, el desarrollo de la compactación dinámica.

La compactación dinámica se desarrolló y se empleó de forma satisfactoria para densificar suelos flojos, saturados y sin cohesión, siendo especialmente eficaces porque queda reducida la potencial licuefacción del suelo. En este sentido, se puede decir que el proceso de densificación es similar al de la vibro-compactación. También se podría emplear la técnica para suelos finos cohesivos, sin embargo el éxito en este caso es más dudoso, requiriendo una especial atención la generación y disipación de las presiones intersticiales. En ocasiones, esta técnica de mejora se emplea de forma conjunta con las columnas de grava para facilitar la disipación de las presiones intersticiales (Bayuk y Walker, 1994).

Información útil sobre las técnicas y maquinaria empleadas, así como la respuesta del terreno a la compactación dinámica se puede encontrar en Mayne et al. (1984), Varaksin (1981), Liausu (1984) y Findlay y Sherwood (1986). Es habitual un espaciamiento entre puntos de impacto entre los 2 y 3 m en las mazas pequeñas y más de 10 m en el caso de mazas pesadas. El tratamiento se da en varias pasadas y la profundidad alcanzada por la densificación se puede relacionar con la energía del golpe mediante la siguiente fórmula empírica: D=k(M·H)^0.5,  donde:

M = masa de la maza (toneladas)

H = altura de caída (metros)

D = profundidad efectiva de la compactación (metros)

k = factor que depende del tipo de suelo y de las características del tratamiento, aunque un valor usual puede ser 0.5 (m/t)^1/2.

El procedimiento de cómo se realiza la compactación dinámica está ampliamente descrito en el trabajo de Liausu (1984).

Para comprobar la efectividad de un tratamiento de mejora de suelos, tal y como pudiera ser la compactación dinámica, es necesario comprobar que la mejora conseguida es suficientemente buena como para alcanzar los objetivos marcados por el proyecto correspondiente. Una forma económica y sencilla de ensayar el terreno en profundidad consiste en hincar un varillaje con una punta metálica, de forma que, contabilizando el número de golpes necesarios para hacer avanzar dicha punta una longitud determinada, se pudiese correlacionar dicho valor con las características geotécnicas del terreno. A este tipo de pruebas se les conoce con el nombre de ensayos de penetración dinámica.

El ensayo de penetración estándar o SPT (Standard Penetration Test) es quizás uno de los ensayos más frecuentes que se utiliza cuando se realizan sondeos de reconocimiento. De hecho, representan una importante fuente de datos acerca de la resistencia del terreno. Se trata de medir el número de golpes necesario para que se introduzca una cuchara cilíndrica y hueca muy robusta que, además, permite extraer una muestra alterada de su interior. Tanto la cuchara como la masa y la altura a la que caen están normalizadas. La ventaja del SPT es que se permite visualizar el terreno donde se ha realizado la prueba y permite su identificación, e incluso, si el terreno es cohesivo, obtener su humedad. Se trata de ensayos de bajo coste y de alta representatividad, especialmente para suelos granulares y mixtos. La descripción del ensayo se encuentra recogida en la norma UNE 103-800-92. El valor que se obtiene se denomina resistencia a la penetración estándar N_30spt.

Este ensayo nace en 1927 cuando un sondista de la Raymond Concrete Pile propuso a Terzaghi contar el número de golpes necesarios para hincar 1 pie el tomamuestras que se utilizaba para obtener muestras en terrenos no cohesivos. Tras realizar un gran número de ensayos, Terzaghi y Peck (1948) publican sus resultados en su libro “Mecánica de suelos en la ingeniería práctica”. Esta prueba se ha difundido internacionalmente y existen numerosos estudios que permiten relacionar de forma empírica el valor N_30SPT con las propiedades geotécnicas del terreno in situ. Sin embargo, gran parte de las correlaciones corresponden a terrenos arenosos, pues la presencia de gravas oscurece la interpretación de los resultados e incluso puede impedir la realización del ensayo. Por tanto, es un ensayo especialmente indicado para terrenos con una amplia fracción arenosa y lo es menos cuando existe una mayor proporción de finos o de gravas.

Uto y Fijuki (1981) recomiendan corregir el valor de la resistencia a penetración estándar cuando se ensaya a más de 20 metros de profundidad. Skempton (1986) propone factores de corrección a dicho valor en función de la profundidad del ensayo y del diámetro del sondeo, aunque estas correcciones se realizan para suelos granulares, puesto que para los cohesivos dicha influencia es despreciable. Otras correcciones independientes del sistema de ensayo se refieren al nivel freático (Terzaghi y Peck, 1948), a la presión de confinamiento (Gibbs y Holz, 1957), siendo objeto de distintos estudios que están resumidos en Liao y Whitman (1985).

En cuanto a las correlaciones de N_spt con los parámetros geotécnicos del terreno, Terzaghi y Peck (1948) publicaron las primeras correlaciones con la densidad relativa de arenas cuarzíticas, siendo modificadas posteriormente por Skempton (1986). Gibbs y Holtz (1957) comprobaron que se debía introducir la presión de confinamiento en dichas relaciones, y luego Meyerhof (1956) ajustó dichas relaciones. Otras correlaciones referidas al ángulo de rozamiento interno, deformabilidad o potencial de licuefacción pueden verse en Devicenzi y Frank (1995). Sin embargo, tal y como se comentó anteriormente, las correlaciones sobre terrenos cohesivos se han considerado meramente orientativas, debido a la dispersión de resultados. Sin embargo, hoy en día este criterio se está cuestionando y se están aceptando estas pruebas en todo tipo de terrenos.

Cuando lo que se quiere es disponer de un registro continuo para caracterizar un suelo en profundidad, se puede emplear la prueba de penetración dinámica superpesada o DPSH (Dynamic Probing Super Heavy). Las características del ensayo son distintas a las del SPT. Aquí se utiliza una punta cónica perpendicular al eje de penetración midiéndose el golpeo necesario para profundizar 20 centímetros. Sin embargo, se ha tratado de establecer una correlación entre ambos ensayos que, en el caso de las arenas, el factor de conversión entre ambos ensayos es próximo a la unidad, siempre que estemos entre los 5 y 30 golpes, y siempre que estemos a un máximo de 10 – 15 m, pues a partir de aquí la dispersión aumenta debido al efecto de rozamiento de las varillas, que empieza a ser importante. En el caso de la correlación entre el ensayo Borros o DSPH y el SPT en arcillas, se puede consultar el trabajo de Dapena et al (2000).

Son muchas las correlaciones que se han encontrado entre los ensayos a penetración dinámica. Las equivalencias entre los ensayos parten de una relación de semejanza entre la energía de hinca. Un resumen de los parámetros geomecánicos obtenidos a partir de estos ensayos aplicado a suelos mixtos cohesivos-granulares puede verse en Parra y Ramos (2006).

Todo ello nos lleva a la siguiente conclusión: no es muy fiable establecer correlaciones entre los distintos ensayos de penetración dinámica, especialmente cuando el suelo empieza a ser cohesivo. El tema se complica mucho más cuando el terreno no es natural, sino que se trata de un relleno antrópico heterogéneo. Ello obliga a realizar un estudio en profundidad para establecer dichas correlaciones, siendo aconsejable efectuar un penetrómetro de contraste al lado de un sondeo con SPT.

Referencias

• Bayuk, A.A.; Walker, A.D. (1994). “Dynamic Compaction. Two Case Histories Utilizing Innovative Techniques.” In-Situ Deep Soil Improvement, ASCE, Geotechnical Special Publication No.45.
• Devincenzi, M.; Frank, N. (1995). “Ensayos Geotécnicos in situ”, Igeotest, Figueres, Girona.
• Faraco, C. (1980). “Mejora del terreno de cimentación”, en Jiménez Salas (coord.) Geotecnia y Cimientos III, primera parte, pp. 489-531.
• Findlay, J.D.; Sherwood, D.E. (1986).”Improvement of a hydraulic fill site in Bahrain using modified heavy tamping methods” Building on Marginal & Derelict Land., May 7-9.
• Gibbs, H.J.; Holtz, W.G. (1957). “Research on Determining the Density of Sands by Spoon Penetration Testing”. Proc. 4^th Conf. On SMFE, London.
• Liao, S.; Whitman, R.V. (1986). “Overburden Correction Factors for SPT in Sand”, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol 112, Nº 3.
• Liausu, P. (1984) Renforcement de Couches de Sol Compressibles par Substitution Dynamique, In-Situ Soil and Rock Reinforcement Conference, Paris.
• Lundwall, N.B. (1968). The Saint George Temple, in “Temples of the Most High, Bookcraft, Salt Lake City, Chapter 3, p. 78.
• Mayne, P.W.; Jones, J.S.; Dumas, J.C. (1984). Ground response to dynamic compaction. Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 110(6), pp. 757-774.
• Menard, L.; Broise Y. (1976). “Theoretical and practical aspects of dynamic consolidation”, Ground Treatment by deep compaction, Institution of Civil Engineers, LONDON, pp. 3-18.
• Meyerhof, G.G. (1956). “Penetration Test and Bearing Capacity of Cohesionless Soils”. Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 91.
• Parra, F.; Ramos, L.L. (2006). “Obtención de parámetros geomecánicos a partir de ensayos a penetración dinámica continua en suelos mixtos cohesivos-granulares”. Ingeopres: Actualidad técnica de ingeniería civil, minería, geología y medio ambiente, 145: pp. 20-24.
• Skempton, A.W. (1986). “Standard Penetration Test Procedure and Effects in Sandsof Overburden Pressure, Relative Density, Particle Size, Ageing and Overconsolidation”. Geotechnique, 36, pp. 425-437.
• Terzaghi, K.; Peck, R.B. (1948). “Soil Mechanics in Engineering Practice”. Ed. John Wiley and Sons, New York.
• Uto, K.; Fuyuki, M. (1981). “Present and Future Trend on Penetration Testing in Japan”, Japanese Soc. SMFE.
• Varaksin, S. (1981). “Recent development in soil improvement techniques and their practical applications”. Sol. Soils, Nº 38/39.
• Dapena, E.; Lacasa, J. García, A. (2000). “Relación entre los resultados de los ensayos de penetración dinámica Borros DPSH y el SPT en un suelo arcilloso”. Actas del Simp. sobre geotecnia de las infraestructuras lineales. Soc. Española de Mec. del Suelo e Ing. Geotécnica.

Sondeo a percusión con cable.

La perforación a percusión con cable se basa en el golpeteo con una pesada herramienta de corte (trépano) que se eleva con un cable y que cae por gravedad, fragmentando el suelo. Resulta evidente, por tanto, que los sondeos realizados por esta máquina deben ser verticales.

Este sistema empezó a utilizarse en China en el 4000 A.C., consistiendo en un balancín que se contrapesaba con un grupo de hombres que efectuaban el tiro en un extremo de una cuerda mientras que de otra colgaba la sarta de perforación construida con cañas de bambú.

Su ámbito de aplicación se centra en terrenos de dureza media a baja o bien en aquellos otros duros que sean frágiles. Sin embargo, se encuentran contraindicados en terrenos detríticos no cohesionados, muy duros, abrasivos y plásticos.

La frecuencia de golpeo se encuentra en el entorno de 40 a 50 impactos/minuto, en función de los parámetros mecánicos del suelo perforado. Con ello se consiguen unos rendimientos medios de 2 a 4 m/día en materiales duros y de 10 a 20 m/día en materiales blandos. La percusión se consigue mediante un movimiento de balancín y manivela proporcionado por la máquina. La altura de caída del trépano dependerá de la dureza del terreno y de la profundidad del fondo de perforación. En máquinas normales, esta altura oscila entre 20 y 60 cm.

La perforación comienza hincando un tramo de tubería, generalmente de longitud inferior a 2 m y con un diámetro mayor al diámetro a perforar (700-800 mm), de forma que sirva de guía inicial al trépano. La entubación sólo es necesaria en casos de inestabilidad del terreno, en cuyo caso se entuban tuberías auxiliares recuperables aprovechando la percusión.

Con este sistema de perforación se hace necesario el uso de agua para facilitar la recogida del detritus formado. Este suelo fragmentado mezclado con agua forma un lodo viscoso que se recoge periódicamente mediante una válvula o cuchara de limpieza que se introduce cuando se detiene el golpeteo.

Estas cucharas consisten en una tubería terminada en su parte inferior en una válvula, que puede ser plana o de dardo. La plana, también llamada de charnela o de chapeta, hace mejor la limpieza del sondeo. La de dardo o lanza se usa fundamentalmente en pruebas de caudal.

La sarta de perforación se encuentra compuesta por los siguientes elementos:

• Trépano: Se trata de la herramienta de corte, que permite la perforación. Su peso permite penetrar, triturar, escariar y mezclar el terreno.
• Barra de carga o barrón: Es una barra cilíndrica de acero forjado que provee a la sarta de perforación del peso necesario y también guía el movimiento alternativo de la sarta. Lleva en su parte inferior una rosca hembra para recibir la rosca macho del trépano, y en su parte superior una rosca macho que conecta con la tijera o montera en su caso. Su longitud varía entre 3 y 5 m, con un peso entre 400 y 1000 kg.
• Tijera o destrabador: Elemento situado encima del barrón que sirve para desatrancar la herramienta en caso de atasco. Está formada por dos eslabones que permiten un cierto juego longitudinal del orden de 10 a 20 cm.
• Montera o giratoria: Es el elemento de unión entre la sarta y el cable, permitiendo el giro alrededor de su eje longitudinal.

Movimiento balancín-biela

Entre sus aplicaciones principales de la perforación a percusión con cable se encuentra la captación de aguas subterráneas. Otros usos menos frecuentes, pero que igualmente encuentran eficiencia óptima son en el área de las perforaciones con fines de recarga artificial de aguas subterráneas, procedente de las lluvias o de otras perforaciones de captación próximas, pues su mayor diámetro permite espacios anulares que posibilitan tanto la ejecución de potencias cementadas, sellos o empaques graduados, así como la instalación de tuberías y filtros adecuados.

Como ventajas más importantes de este sistema de perforación es el empleo de maquinaria de coste moderado, la simplicidad de las operaciones, la necesidad de poco personal, el escaso consumo de agua, no usar lodos o mezclas tixotrópicas y la consecución de diámetros importantes de perforación (1.100 mm). Como inconvenientes se podría señalar la necesidad de personal cualificado, la interrupción de la perforación para la limpieza, el avance lento en rocas duras, la dificultad de avance en materiales no consolidados, la pérdida de diámetro en materiales abrasivos, las entubaciones frecuentes y la limitación de la profundidad práctica de perforación, que no resulta económica a partir de 150 m.

En el Polimedia que os presento a continuación os dejo las ideas más importantes de este sistema de perforación a percusión con cable. Espero que os sea útil.

Os dejo algunos vídeos donde podéis ver el trabajo de esta perforadora. Espero que os gusten.

Referencias:

YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. 89 pp.

Elementos de la corona

La perforación con corona es el método de sondeo más difundido en el ámbito de la ingeniería civil, siendo imprescindible cuando se trata de extraer un testigo continuo en formaciones rocosas.

La zona de corte consta de la matriz, que es una aleación de distintas características según el terreno a perforar y en la que se insertan los diamantes, y de un cuerpo principal, que da soporte a la matriz y sirve de unión por roscado al varillaje. Si hay necesidad de extraer testigos, la matriz debe ser hueca (de corte anular) y en el caso contrario, maciza o ciega.

Coronas de matriz maciza

La función de la corona es fragmentar la roca hasta dejarla en condiciones de ser extraída a la superficie. La eficacia de esta función, su precio y la duración (que dependerá del desgaste) son los tres aspectos básicos en su elección. Según la dureza y abrasividad del terreno la corona puede ser de widia o de diamantes.

Las coronas de widia son apropiadas para perforar rocas blandas o de dureza media. Están compuestas por prismas octogonales de unos 15 mm de longitud, insertados en las zonas más sobresalientes del perfil que forma el perímetro de la corona. La widia (aglomerado de carburo de wolframio, tungsteno, molibdeno, cobalto y otros metales) es mucho más resistente y menos sensible a la abrasión que los aceros especiales, pero su costo es bastante más elevado, aunque menor que el del diamante.

Coronas de widia

Las coronas de diamante se emplean en rocas muy duras y abrasivas, donde el rápido desgaste de las coronas de widia no compensaría la economía obtenida en su compra.

Por la forma de fabricación y distribución de los diamantes, estas coronas puedes ser de inserción o de concreción.

• En las coronas de inserción los diamantes están incrustados sobre la superficie de la corona de la que sobresalen en forma de casquete. El tamaño de los diamantes es en estos casos de 10-80 p.p.q. (piedras por quilate: 1 quilate = 0,2 gramos).
• En las coronas de concreción, los diamantes son de bastante menor tamaño (80-1000 p.p.q.), están mezclados y distribuidos regularmente por la matriz.

Coronas de diamantes de inserción

Al cabo de cierto tiempo de utilización, la corona no proporciona ya un avance aceptable por lo que es necesario su recambio. Ese momento puede medirse aproximadamente, cuando con la máxima carga sobre la corona, el avance es inferior a unos 2 cm/min. El intentar en estos casos mantener el rendimiento aumentando la carga podría provocar la fractura de algún diamante o de la matriz.

Os dejo unos vídeos sobre el tema.

Referencias:

YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. 89 pp.

Una chimenea es una excavación de dimensión reducida y una inclinación superior a los 45º. Son típicas en minaría y su longitud pueden superar los 100 m. Normalmente se utilizan para unir galerías de distinto nivel cerrando los circuitos de ventilación para el paso de mineral y estériles.

Un método para la excavación de chimeneas es el denominado “Jaula Jora”, que consiste en una máquina construida por Atlas Copco específicamente para este fin. Sus principales componentes son la plataforma de trabajo, la jaula de transporte, el mecanismo de elevación y en chimeneas inclinadas el carril guía.

El procedimiento constructivo consta de varias fases. En la primera se perfora un barreno piloto (75-100 mm de diámetro)  y en la segunda se montan los equipos y herramientas. Posteriormente, en la tercera fase, tiene lugar la perforación y la voladura.

El campo propicio para este método está entre los 30 y 100 m. El problema que podemos tener es la desviación del barreno piloto. Además, en cada pega debe desengancharse la jaula. El barreno central tiene la ventaja de que permite la entrada de aire fresco y de que sirve de hueco de expansión en los cueles paralelos, con los que se consiguen avances de entre 3 y 4 m por disparo. El problema que se puede plantear con este método es la desviación que pueda tener el barreno piloto.

Una ampliación a este método la puedes ver las referencias o en este link: http://apmine.files.wordpress.com/2012/05/voladuras-en-chimenea-jaula-jora-apmine.pdf

Referencias:

Cuando se trata de perforaciones de diámetros elevados y la extracción del material se realiza de forma discontinua, se utiliza la perforación con hélice corta (intermittent augering). Con este procedimiento se pueden abrir perforaciones de hasta unos 2,5 m de diámetro y profundidades de hasta unos 50 m. El terreno debe ser lo suficientemente seco y cohesivo para evitar derrumbes en las paredes. En caso contrario, se debería recurrir a la perforación con lodos y extracción con cazo.

Referencias:

YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. 89 pp.

El sistema de bombeo por generación de vacío, conocido “Wellpoint”, es un método de control de descenso de agua subterránea, aplicable en terrenos granulares de diversa densidad y graduación. Es un sistema simple, versátil y de costo razonable.

Este sistema de agotamiento de agua puede resultar de gran eficiencia y utilidad en excavaciones cuya cota se encuentra por debajo del nivel freático. Por ejemplo, en la ejecución de sótanos o zanjas para colectores.

Tiene aplicación en un amplio rango de terrenos granulares, aunque su funcionamiento óptimo se produce cuando se instala en arenas de grano medio sin presencia de finos. En otro tipo de terrenos pueden ser necesarias operaciones adicionales de montaje (perforación previa y ejecución de filtro granular).

La aspiración del agua se produce por vacío a través de numerosos puntos de captación, tantos como lanzas colocadas, a través de los filtros existentes en los extremos de las mismas. Consiste básicamente en unas lanzas de 2,5 a 6 m de longitud que se hincan separadas entre 1 y 1,5 m de forma paralela a la zanja que se quiere excavar. Estas lanzas se conectan a una bomba de succión. Cuando se hincan se impulsa agua a presión para introducir con facilidad la laza. Una vez instalada, se succiona el agua para abatir el nivel freático. La limitación se encuentra en la altura de aspiración, por lo que si se quiere profundizar más, deberán realizarse escalonamientos.

El montaje del equipo no es complicado. La hinca de las lanzas se realiza mediante inyección de agua a presión a través de las mismas. Una vez colocadas se conectan al colector principal, que a su vez irá conectado a la bomba de vacío, desde donde se conducirá el agua extraída al punto de vertido (con la ayuda de dos bombas incorporadas). El accionamiento y control del funcionamiento del equipo es muy sencillo.

Los componentes del sistema son:

• Bomba de hinca
• Lanzas o agujas
• Mangueras de presión
• Colectores (para la tubería perimetral)
• Bomba de vacío
• Manguitos de unión
• Accesorios (codos, tes, tapones tubos bifurcados, uniones, mangueras flexibles)
• Cuadro eléctrico (380 V, 36 A)
• Alargadores

Una página interesante es la de la empresa ISCHEBECK. Os paso algunos vídeos sobre la ejecución de esta técnica.

El sistema “Fundex” de pilotes de desplazamiento por rotación requiere una cabeza de rotación en punta, que no se vuelve a recuperar.

En la figura se puede apreciar el método de ejecución, que consta de las siguientes fases:

1. El hueco de perforación se cierra de forma estanca mediante una cabeza especial de perforación
2. A través de una mesa de rotación se hace girar el taladro formado por la cabeza de perforación y el entubado
3. Se coloca la armadura sobre la longitud del pilote
4. Se hormigona hasta alcanzar la cota del terreno
5. A través de la mesa de perforación, se retira el entubado, manteniendo un control constante del cuele del hormigón.

Os dejo el siguiente link de la empresa Martí Ibérica S.A. sobre el tema y un vídeo explicativo, que espero os guste.

 El sondeo a rotación con barrena helicoidal, maciza o hueca es un método a perforación a destroza en la que los materiales salen desmenuzados por la boca del sondeo. Se puede utilizar si el terreno es relativamente blando y cohesivo, y no se encuentran capas cementadas, gravas, o roca en toda la profundidad de realización del sondeo. Si se emplea la barra helicoidal hueca, es posible la toma de muestras inalteradas y la realización de ensayos “in situ” por el interior de la sonda.

Podemos destacar tres tipos fundamentales: hélice corta, hélice continua y cucharas auger.

Hélice corta

Hélice continua

Os dejo un par de vídeos explicativso de estas técnicas. Espero que os gusten.

Referencias:

YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. 89 pp.

El Pilote CPI-8 es un  pilote perforado con barrena continua tipo hélice hasta la profundidad solicitada (“Continuous Flight Auger“, CFA). Se trata de un pilote muy usado en España, siempre que tratemos con terrenos flojos, como arenas o arcillas. Se hormigona a través del núcleo de la barrena, mientras ésta se va extrayendo, para posteriormente colocar la armadura en hormigón fresco con el apoyo de un vibrador hidráulico (lo cual implica una consistencia blanda del hormigón). La punta de la barrena queda introducida varios diámetros dentro del hormigón durante su puesta en obra. Este procedimiento resulta muy interesante respecto a otras tipologías en cuanto al tiempo de ejecución. Los diámetros habituales son de 350 a 1200 mm.

Se recomienda una dosificación mínima de cemento de 380 Kg/m3 y un cono de 18 a 20 cm, con un árido máximo de 12 mm si es de cantera y 20 mm si es de gravera. Es muy importante garantizar una correcta bombealibidad del hormigón para introducirlo a través de la barrena.

El pilote CPI-8 presenta numerosas ventajas que hacen que sea una tipología muy empleada en cimentaciones profundas. Entre otras se pueden destacar las siguientes:

• No es necesario el uso de una entubación o de lodos tixotrópicos en terrenos inestables, pues la propia barrena permite la contención del terreno.
• Se puede controlar en todo momento la presión y volumen de hormigonado.
• Permiten realizar el empotramiento del pilote en estratos consistentes.
• Elevado rendimiento, lo que permite plazos de obra muy razonables.

En cuanto a las fases de ejecución, son las propias del pilotaje con barrena continua:

• Posicionamiento y aplome de la máquina para garantizar la verticalidad en la perforación.
• Perforación hasta la profundidad especificada.
• Bombeo del hormigón por el interior de la barrena y extracción simultánea de la barrena helicoidal, que lleva alojada en sus álabes el terreno perforado. El hormigón se encuentra en todo momento en contacto con la barrena helicoidal. Debe combinarse la velocidad de ascensión de la barrena, el caudal y la presión del hormigón para evitar cortes en el fuste del pilote o sobresecciones y excesos de hormigón innecesarios.
• Colocación de la armadura en el hormigón.

Os dejo una colección de vídeos, algunos seleccionados por Juan José Rosas  en su blog que espero que os gusten.

Este procedimiento de construcción de pilotes se realiza perforando el terreno y colocando una camisa o entubación para contener las paredes de la perforación. Podrían distinguirse dos tipos, los que recuperan la entubación o los que dejan dicha entubación perdida.

• Pilote in situ de extracción con entubación recuperable: Este tipo de pilote se ejecuta excavando el terreno y utilizando una camisa (tubo metálico a modo de encofrado), que evita que se derrumbe la excavación. Una vez completado el vaciado, y según se va hormigonando el pilote, se va retirando gradualmente la camisa, que puede ser reutilizada nuevamente. Normalmente se usa como pilotaje de poca profundidad trabajando por punta, apoyado en roca. También como pilotaje trabajando por fuste en terreno coherente de consistencia firme, prácticamente homogéneo.

• Pilote in situ de extracción con camisa perdida: Se ejecuta por el mismo sistema del tipo in situ de extracción con entubación recuperable, con la diferencia de que la camisa metálica no se extrae, sino que queda unida definitivamente al pilote. Usualmente como pilotaje trabajando por punta apoyado en roca o capas duras de terreno y siempre que se atraviesen capas de terreno incoherente fino en presencia de agua, o exista flujo de agua y en algunos casos con capas de terreno coherente blando; cuando existan capas agresivas al hormigón fresco. La camisa se utilizará para proteger un tramo de los pilotes expuesto a la acción de un terreno agresivo al hormigón fresco o a un flujo de agua. La longitud del tubo que constituye la camisa será tal que, suspendida desde la boca de la perforación, profundice dos diámetros por debajo de la capa peligrosa.

Os dejo un vídeo explicativo del procedimiento que espero os guste.

Tricono de dientes para formación blanda. Wikipedia

Trépano es la herramienta de corte localizado en el extremo inferior de la sarta de perforación que se utiliza para cortar o triturar la formación durante el proceso de la perforación rotatoria. Actualmente los trépanos más utilizados son los trépanos triturantes o triconos. Esta herramienta apareció en 1910, sin embargo su utilización masiva se introdujo cuando se perfeccionaron los equipos de rotación en la década de los 60. Este tipo de perforación al principio se utilizó al principio en rocas blandas o de poca resistencia, pero actualmente estos sistemas ya son competitivos en rocas duras. Con este sistema de perforación se alcanzan buenos rendimientos, del orden de 60-100 m/turno, en profundidades de hasta 200 m. Se utiliza en ingeniería civil con diámetros entre 100 y 300 mm. Sin embargo, estos límites se superan, por ejemplo en perforaciones petrolíferas, donde en España se han superado los 4500 m de profundidad.

El principio de perforación se basa en dos acciones combinadas:

• Indentación: Los dientes o insertos penetran en la roca debido al empuje sobre la boca. Este mecanismo tritura la roca.
• Corte: La roca se fragmenta debido al movimiento lateral de desgarre de los conos al girar sobre el fondo del barreno.

La fuerza de avance se produce al introducir los botones del tricono en la roca. Este empuje se transmite al varillaje mediante una cadena de accionamiento hidráulico. La magnitud del empuje no debe sobrepasar cierto umbral para evitar el agarrotamiento del trépano sobre la roca y otro tipo de fallos. La limpieza de la perforación se realiza mediante un fluido, generalmente lodo, aunque en ocasiones se usa agua o aire comprimido, que se inyecta por el interior de la columna de barras hacia el fondo del barreno. Este caudal, aparte de barrer el detritus, permite la refrigeración y lubricación de los rodamientos del tricono.

La velocidad de penetración de este sistema depende de la dureza o resistencia de la roca y de las variables de operación, que son las siguientes:

• Velocidad de rotación
• Fuerza de empuje
• Diámetro de la perforación
• Velocidad y caudal del aire de barrido
• Desgaste de los trépanos

Tricono de insertos. http://www.atitrade.cl/

Se pueden distinguir dos tipos de triconos: de dientes y de insertos de carburo de tungsteno. Los triconos de dientes tienen un coste económico menor, aproximadamente una quinta parte menos que los de insertos. Sin embargo éstos últimos presentan claras ventajas:

• Mantienen la velocidad de penetración durante la vida útil
• Requieren menos empuje para una determinada velocidad de penetración
• Necesitan menos par, disminuyendo las tensiones sobre los motores de rotación
• Reducen las vibraciones, con menos fatiga sobre la perforadora y el varillaje
• Disminuye el desgaste sobre el estabilizador y la barra
• Producen menos pérdidas de tiempo por cambio de bocas y menores daños en las roscas.

Un Polimedia explicativo es el siguiente:

Os dejo a continuación algunos vídeos sobre triconos que espero os sean útiles.

Referencias:

• DIRECCIÓN GENERAL DE CARRETERAS (1998). Manual para el control y diseño de voladuras en obras de carreteras. Ministerio de Fomento, Madrid, 390 pp.
• INSTITUTO TECNOLÓGICO GEOMINERO DE ESPAÑA (1994). Manual de perforación y voladura de rocas. Serie Tecnológica y Seguridad Minera, 2ª Edición, Madrid, 541 pp.
• UNIÓN ESPAÑOLA DE EXPLOSIVOS (1990). Manual de perforación. Rio Blast, S.A., Madrid, 206 pp.
• YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia, 89 pp.

Marini Castoro Neumático

La perforación a rotopercusión es el sistema clásico de perforación de barrenos que aparece con el desarrollo industrial del siglo XIX. Este sistema, junto con la invención de la dinamita, constituyen dos hitos en el desarrollo del arranque de rocas en minería y obras civiles. Este tipo de perforadoras se usan tanto en obras públicas subterráneas como en minas o explotaciones a cielo abierto: túneles, carreteras, cavernas de centrales hidráulicas, etc.

El principio de perforación de estos equipos se basa en el impacto de una pieza de acero llamada pistón, sobre un útil, que a su vez transmite la energía al fondo del barreno, por medio de un elemento final denominado boca o bit. Este sistema de perforación suele usarse en terrenos muy duros y semiduros.

Las acciones básicas que tienen lugar sobre el sistema de transmisión de energía hasta la boca de perforación son las siguientes:

1. La percusión: los impactos producidos por el golpe del pistón originan unas ondas de choque que se transmiten a la boca a través del varillaje
2. La rotación: se hace girar la boca para cambiar la zona de impacto
3. El empuje: para mantener en contacto la roca con la boca
4. El barrido: donde el fluido permite extraer el detritus del fondo del barreno

Dependiendo del lugar donde esté instalado el martillo, las perforadoras a rotopercusión se clasifican en:

• Perforadoras con martillo en cabeza, que a su vez pueden ser de accionamiento neumático o hidráulico. Aquí la rotación y la percusión se producen fuera del barreno, transmitiéndose a través de una espiga y del varillaje hasta la boca de perforación.
• Perforadoras con martillo en fondo, en inglés Down the Hole (D.T.H.), donde la acción del pistón se lleva a cabo de una forma neumática y la acción de rotación puede ser tanto de tipo hidráulico como neumático. En ese caso la percusión se realiza directamente sobre la boca de perforación, mientras que la rotación se efectúa en el exterior del barreno.

Las gamas más habituales de diámetros utilizados con estas perforadoras dependen del campo de aplicación, según se puede ver en la tabla siguiente:

En los martillos manuales, la rotación se transmite a través del buje de rotación del martillo y se acciona por el propio mecanismo del pistón, en función de los impactos: a menor número de impactos, debe corresponder un menor par de rotación.

En los equipos de perforación pesados, la rotación se acciona a través de un motor independiente, lo que permite actuar bien sobre la rotación, bien sobre la percusión, según los condicionantes del terreno.

Como ventajas de la perforación rotopercutiva se pueden señalar las siguientes:

• Su aplicación a todo tipo de rocas, blandas o duras
• Amplia disponibilidad de diámetros
• Versatilidad en los equipos y gran movilidad
• Se maneja con un solo operario
• Rapidez y accesibilidad en el mantenimiento de los equipos
• Precio de adquisición no muy elevado

En este Polimedia podéis ver una explicación a este sistema de perforación.

En el vídeo que os muestro a continuación, podéis ver cómo golpea una perforadora con martillo de fondo. Espero que os guste.

Referencias:

• DIRECCIÓN GENERAL DE CARRETERAS (1998). Manual para el control y diseño de voladuras en obras de carreteras. Ministerio de Fomento, Madrid, 390 pp.
• INSTITUTO TECNOLÓGICO GEOMINERO DE ESPAÑA (1994). Manual de perforación y voladura de rocas. Serie Tecnológica y Seguridad Minera, 2ª Edición, Madrid, 541 pp.
• UNIÓN ESPAÑOLA DE EXPLOSIVOS (1990). Manual de perforación. Rio Blast, S.A., Madrid, 206 pp.
• YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia, 89 pp.

Jumbo es el nombre que recibe una unidad de perforación equipada con uno o varios martillos perforadores sobre brazos hidráulicos giratorios de control automático donde puede montarse un martillo de perforación o una cesta donde pueden alojarse uno o dos operarios y que permite el acceso a cualquier parte del frente. Es una máquina diseñada para realizar labores subterráneas de forma rápida y automatizada: avance de túneles y galerías, bulonaje y perforación transversal, banqueo con barrenos horizontales y minería por corte y relleno, entre otras.

Con diverso peso y dimensiones, el mecanismo de traslación de los jumbos normalmente es autopropulsado por un tractor montado sobre neumáticos, cadenas o carriles, aunque existen modelos remolcados. Cuando trabajan se estacionan y su accionamiento es eléctrico, aunque pueden disponer de un motor diésel para el desplazamiento.

Los martillos perforadores son hidráulicos para conseguir mayores potencias que los neumáticos, funcionando a rotopercusión: la barrena gira continuamente ejerciendo a la vez un impacto sobre el fondo del taladro. Se precisa un aporte de agua para arrastrar los detritus y refrigerar la boca de perforación.

Con esta máquina se pueden alcanzar rendimientos que superan los 3,5 m/min de velocidad instantánea de perforación. Además, están computerizados, de forma que se automatiza la dirección de los taladros, el impacto y la velocidad de los martillos, e incluso la secuencia y disposición de los taladros. En pocas horas, un sólo operario puede perforar la pega completa del frente del túnel.

 A continuación os dejo varios vídeos donde podemos ver esta máquina de perforación en funcionamiento. El primero es de un jumbo AMV con 3 brazos para perforación y un brazo con canastillo.

El segúndo vídeo nos muestra un jumbo Sandvik DD420.

Referencias:

YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia, 89 pp.