Las ampliaciones de cimentación pertenecen a este tipo de intervenciones. Consisten en la construcción de una estructura que complementa o sustituye a la cimentación preexistente y responden al propósito de difundir o transferir a mayores profundidades en el terreno, las acciones que la estructura transmite a la cimentación original.
Las ampliaciones de cimentación superficiales pueden ser las clásicas ampliaciones, con ensanchamiento y/o profundización de la superficie de apoyo de cimentación, o bien realizarse con losas y/o zunchos de hormigón armado colados in situ, lateralmente o por debajo de la antigua cimentación, según diversas soluciones posibles.
Ampliación cimentación de tipo superficial
En cambio, las ampliaciones de cimentación profundas, como en la foto de abajo, se ejecutan con pilotes de hormigón armado, perforados de forma convencional y más frecuentemente de sección reducida (micropilotes: Ø ≤ 300 mm). Los distintos tipos de pilotes clásicos implican siempre sistemas de unión con las cimentaciones originales, lo que plantea cuestiones técnicas que a menudo no son secundarias en términos de funcionamiento, plazos y costes.
Cimentación profunda
La intervención sobre el terreno de cimentación incluye técnicas de mejora del suelo, destinadas a modificar sus características de resistencia, deformabilidad y permeabilidad en el sentido deseado.
Se dividen en:
- Técnicas de modificación mecánica, en las que se aumenta la densidad del suelo mediante la aplicación de acciones mecánicas externas o internas, superficiales o profundas.
- Técnicas de modificación hidráulica, en las que se fuerza la salida de agua del suelo mediante drenajes de diversos tipos en materiales granulares, precargas y fuerzas eléctricas en suelos de grano fino.
- Técnicas de modificación física y química, mediante las cuales se mejoran las características del suelo con mezclas de cemento y aditivos de diversos tipos inyectados en superficie, en profundidad o a través de columnas de suelo mezclado y/o parcialmente reemplazado (jet-grouting o jet-injection en general).
Otros métodos de modificación pueden ser térmicos, por calentamiento o congelación del propio suelo. Como se reconoce en la literatura geotécnica, esta clasificación de las intervenciones en el suelo, aunque de forma somera, es puramente indicativa, ya que a menudo se combinan distintos procesos mecánicos, hidráulicos, físicos y químicos.
En la consolidación de cimentaciones, la técnica de inyección a base de cemento, que entra en la categoría de intervenciones con modificaciones físicas y químicas, ha cobrado históricamente especial importancia. Las inyecciones se realizan introduciendo mezclas de fluidos a través de orificios de varios diámetros perforados en el terreno cerca de los cimientos.
Los tratamientos pueden dividirse en:
- Métodos de permeación y colmatación, en los que las mezclas rellenan los huecos existentes sin modificar su tamaño.
- Métodos de hidrofracturación (claquage) y desplazamiento, en los que las mezclas inyectadas a alta presión crean grietas que rellenan con capas, entramados o bulbos hormigonados. Las mezclas utilizadas también pueden ser de naturaleza química (por ejemplo, silicatos de sodio) y permitir la inyección de suelos con tamaños de grano que van desde las gravas arenosas hasta los limos.
Las técnicas de inyección han evolucionado mucho con el tiempo, perfeccionándose en cuanto a métodos de ejecución y composición de los materiales inyectados.
Esto ha permitido superar ampliamente las limitaciones operativas que representaban en el pasado:
- La aplicabilidad en suelos finos (limos y arcillas)
- La compatibilidad medioambiental de las mezclas utilizadas
- Las dificultades logísticas relacionadas con importantes fases de construcción. En la actualidad, las técnicas de desplazamiento e hidrofracturación han alcanzado considerables niveles tecnológicos y de rendimiento, de conformidad con diversas normas de referencia, incluida la norma UNE EN 12715:2003 «Ejecución de obras geotécnicas especiales - Inyecciones».
Las inyecciones de resina de poliuretano de alta presión de hinchamiento de Uretek forman parte de este marco y han asumido actualmente un papel esencial en la evaluación de las intervenciones para la consolidación de los suelos de cimentación. En particular, cuando existe la posibilidad de alcanzar un Estado Límite de Servicio inducido por una excesiva hundimiento diferencial y/o absoluto, las soluciones Uretek son siempre alternativas a las ampliaciones de cimentación y a las técnicas de inyección con mezclas a base de cemento o químicas de tipo más tradicional. La metodología Uretek cumple plenamente con las disposiciones de las Normas Técnicas para la Construcción, de acuerdo con la norma UNE EN 12715 antes mencionada.
Suelo arcilloso inyectado con resina de poliuretano a alta presión de expansión
La resina de poliuretano de alta presión de expansión Uretek es una resina de polímero de uretano (poliuretanos) de dos componentes que consiste en una mezcla especial de polioles e isocianato.
Estos componentes, reaccionando químicamente entre sí, determinan un cambio de estado de líquido a sólido y provocan un fuerte aumento de volumen en aire libre con rápida formación de un material plástico e inerte de bajo peso volumétrico final y alta resistencia.
La inyección en el subsuelo provoca el desarrollo de presiones considerables en el suelo tratado debido al confinamiento existente. Éstas son capaces de densificar y/o precomprimir el suelo en función de su granulometría y del estado tensional existente in situ. La reacción química también tiene lugar en condiciones de completa inmersión del suelo en la capa freática.
A diferencia de lo que ocurre con las ampliaciones de cimentación superficiales y profundas, el objetivo de una intervención de consolidación con estos polímeros es mejorar considerablemente las características mecánicas e hidráulicas del suelo de cimentación de una construcción, en el interior del volumen geotécnico significativo existente.
En el caso de las construcciones con cimentación directa, la filosofía de intervención ignora tanto el concepto de ensanchamiento/profundización de la base de cimentación para reducir las cargas unitarias sobre el terreno (acciones), como el de transferencia de cargas en profundidad por apoyo en capas de suelo más rígidas.
En el caso de construcciones cimentadas sobre pilotes y, a pesar de ello, en inestabilidad estática por fallo de cimentación, la solución al problema no debe buscarse exclusivamente en profundidad, con hipótesis a menudo limitantes de cimentación profunda; aumentar, por ejemplo, las características geomecánicas de los primeros metros de suelo bajo los encepados colocados en cabeza de pilotes, con procedimientos Uretek específicos, puede ser una solución alternativa a evaluar para modificar cuantitativamente las acciones que actúan sobre los propios pilotes.
Se trata simplemente de un enfoque de diseño diferente para resolver un problema específico de hundimiento del terreno.
Desde este punto de vista, además de la estratigrafía, el edificio a consolidar y su cimentación deben ser adecuadamente considerados en términos de: acciones transmitidas al terreno, tipología y geometría de la cimentación, respectivamente.
Una cimentación mediante zapatas con una anchura B induce en el subsuelo, a una profundidad aproximada de 6B, esfuerzos inferiores a la décima parte de la carga aplicada sobre la superficie de colocación o plano de apoyo. El aumento de la resistencia y la disminución de la deformabilidad del terreno de cimentación en este intervalo de profundidad permiten, por ejemplo, intervenir razonablemente sobre un espesor parcial de terreno pobre, sin tener necesariamente que atravesarlo por completo.
Estado de tensiones bajo una cimentación tipo nastriforme y esquema de intervención Uretek clásico para puntos de inyección fijos
Como se ha mencionado anteriormente, la expansión normal que tendría la resina en condiciones no confinadas se ve parcialmente impedida tras su introducción en el subsuelo. Desde un punto de vista geotécnico, el efecto sobre el suelo circundante es un aumento de los dos parámetros de estado de cualquier medio de partículas (la densidad y el estado tensional). Por consiguiente, se produce una mejora de las características mecánicas del suelo situado bajo los cimientos de la estructura dañada.
La resina se inyecta en el suelo en estado líquido, a baja presión, pero tras una reacción química exotérmica cambia rápidamente su estado físico de líquido a sólido, lo que provoca un aumento de volumen. Esto está relacionado con el desarrollo de una presión de hinchamiento significativa, que puede ser muy superior a la presión de inyección.
Con estos supuestos, el método de consolidación es aplicable tanto en suelos granulares como cohesivos.
En los primeros, el mecanismo de expansión se expresa determinando un proceso de permeación y compactación simultánea en una zona significativa alrededor del punto o eje de inyección, en relación con el método operativo adoptado. El proceso es totalmente comparable a las inyecciones de lechada de compactación realizadas mediante la presurización del subsuelo con mezclas de cemento de alta viscosidad. Al solidificarse, la resina actúa también como aglutinante en suelos incoherentes, con propiedades mecánicas definitivas desde el principio, sin tiempo de curado.
En los suelos cohesivos, el mecanismo de expansión da lugar a la fractura hidráulica y a la formación de una densa red de inclusiones sólidas que producen un medio pretensado relativamente más rígido alrededor del punto o eje de inyección significativo. Este proceso se produce en muy poco tiempo y de forma confinada a las zonas de inyección en la masa de suelo. En los depósitos arcillosos saturados, esto garantiza la rápida disipación de cualquier sobrepresión intersticial generada.
En cualquier caso, el material utilizado debe tener siempre un alto poder de expansión para garantizar:
- El relleno de los huecos presentes en la interfaz entre el terreno y la superficie de colocación de la cimentación en los niveles de inyección más superficiales.
- La compensación inmediata del reducido volumen en el terreno sometido a la acción de precompresión de la resina expansiva.
Existen muchas combinaciones posibles de componentes y las distintas resinas existentes no tienen todas las mismas características de rendimiento ni prestaciones. Las características fundamentales para el éxito de una consolidación realizada exclusivamente con inyecciones de resina de poliuretano expansiva deben ser:
- La considerable expansión del material en términos de presión de hinchamiento.
- La rapidez de la reacción de expansión.
Esta última permite que la resina en fase líquida permanezca dentro de una circunferencia limitada del punto/eje de inyección, situado en la misma vertical que el eje baricéntrico de la cimentación.
La resina endurecida en el suelo tiene un peso volumétrico que varía aproximadamente entre 1,50 y 3,00 kN/m3, proporcional al confinamiento existente. Estos valores son muy bajos en comparación con los pesos volumétricos de las mezclas de cemento clásicas y no producen ninguna ponderación en el suelo tratado, descartando la aparición de hundimientos a mayor profundidad. Además, esta característica favorece el tratamiento eficaz incluso en porciones muy localizadas de estructuras inestables, sin determinar contrastes de rigidez tales que induzcan la migración del cuadro fisurativo, como ocurre en las consolidaciones parciales realizadas con estructuras rígidas de hormigón armado, tanto superficiales como profundas.
El método de aplicación de la resina expansiva, aunque vinculado a trabajos especializados, no conlleva grandes obras auxiliares, no es invasivo y no requiere excavaciones ni sistemas de conexión problemáticos para unir la cimentación preexistente.
La resina se produce in situ, en la planta presente en los vehículos Uretek, desde cuyo emplazamiento se garantiza el funcionamiento hasta 80 m de distancia.
Mínima invasividad en la ejecución de una consolidación realizada con resina de alto poder de hinchamiento
La resina se inyecta a través de tubos de acero en los que es empujada por la acción mecánica de una bomba hasta que fluye en el terreno a consolidar. Los tubos se introducen en orificios de diámetro inferior a 30 mm perforados directamente en la cimentación y colocados en profundidad, según configuraciones específicas de intervención.
En función de los requisitos del proyecto, pueden utilizarse:
- Tubos lisos, abiertos sólo en el fondo, que permiten combinaciones de inyecciones puntuales en varios niveles de profundidad (técnica de puntos fijos Uretek).
- Tubos cerrados en el fondo, pretratados en taller, multiperforados calibrados en la superficie lateral, con el tamaño de los orificios de salida de la resina aumentando con la profundidad, para garantizar espesores de suelo uniformemente consolidados según mallas de inyección codificadas y patentadas (técnica Uretek Multipoint).
Esquema de intervención Multipoint de Uretek: la resina fluye simultáneamente desde pares predeterminados de orificios en la superficie lateral del conducto de inyección empotrado en el terreno
Zapatas de cimentación tratados con la técnica Uretek
Como se ha indicado anteriormente, la presión de inyección no es elevada y no es especialmente relevante para el éxito de la intervención; de hecho, el grado de densificación/compresión del suelo sólo depende de la presión de expansión de la resina con las mismas condiciones de suelo y de intervención. El nivel de mejora geomecánica alcanzable puede diseñarse de antemano con ayuda del software específico URETEK SIMS 2.0, que implementa modelos teóricos conocidos de la literatura geotécnica.
Captura de pantalla del programa de cálculo Uretek SIMS 2.0
La misma mejora puede verificarse directamente mediante la realización de ensayos geotécnicos comparativos de diversos tipos, efectuados durante, antes y después de la intervención, respetando plenamente las disposiciones de las Normas Técnicas de la Construcción. Las Normas Técnicas también hacen referencia al seguimiento de las intervenciones de consolidación geotécnica. En este sentido, Uretek siempre ha realizado un seguimiento estructural contextual a la ejecución de la consolidación, que puede tener lugar mediante nivelación topográfica de precisión con sistema láser semiautomático (emisor-receptor), o mediante seguimiento global de la estructura con sistema radar (procedimiento Uretek Deep Injections ULTRA).
En cualquier caso, es importante apreciar la reacción del edificio durante la ejecución en términos de «principio de levantamiento» (fracción de milímetro), como un feedback inmediato de la consolidación en profundidad, en perfecta concordancia con los principios del método observacional también citados en la Norma Técnica.
Monitorización global de la estructura mediante radar con el procedimiento ULTRA de Uretek Deep Injections