AGUAS FREATICAS

INSTITUTO TECNOLOGICO DE LA CONSTRUCCION

CIMENTACIONES

AGUAS FREATICAS

ABATAMIENTO DEL NAF

INTRODUCCION

Los pozos de bombeo correctamente diseñados, solos o combinados con una barrera física, son la solución más económica y conveniente al problema de control de niveles freáticos. El sistema de pozos a utilizar dependerá de la naturaleza del terreno y de la profundidad de la excavación. Cada vez que una excavación se realiza por debajo del nivel freático, existe un riesgo de que ésta sea inestable o se inunde si no se toman las medidas adecuadas para evitarlo.

Dichas medidas pueden consistir en barreras físicas que impidan el ac- ceso del agua a la excavación o en bombeos que depriman los niveles por debajo de la base de la misma o una combinación de ambos.

INVESTIGACION

Cuando tenemos una masa de suelo, esta estará constituida por una parte de material sólido, otra parte por líquidos, y otra parte por gases. Pero si empezamos a bajar de la superficie de la tierra, empezamos a ver que cada vez va a ver mayor contenido de agua, hasta el punto que el contenido de aire es totalmente ocupado por el agua, en este punto donde hallamos solo parte sólida, y parte de agua, la llamamos Nivel Freático.

Las aguas Freáticas, son entonces las aguas que encontramos cuando el suelo esta saturado, y están por debajo de este nivel freático.

Este nivel freático es muy variable, y encontramos que en el verano, cuando el calor se hace más intenso, el nivel freático baja, por el proceso de evaporación que genera el calor en el verano. Así también encontramos que el nivel freático en el tiempo de lluvia, sube, y puede llegar hasta muy altos niveles, es decir a muy poca profundidad, el sitio donde empiezan las aguas freáticas, pudiendo ser un factor importante en la construcción, al modificar los suelos en los que construimos.

La presión del agua en los vacios del suelo en cada punto es llamada presión intersticial. La presion intersticial se mide en relacion

a la presion atmosferica.

La superficie freatica se puede definir como aquella formada por los puntos en los cuales la presion intersticial vale cero.

Por debajo de la superficie freáica (zona saturada) la presion intersticial es positiva y crece con la profundidad.

Por encima de la superficie freatica (zona no saturada) se hace negativa hasta llegar a un valor constante.

La presion intersticial es importante no solo por sus efectos sobre la di- reccion y velocidad del agua subterranea, sino tambien por sus efectos en la estabilidad de un suelo alrededor o bajo una excavacion. La resistencia del suelo y del agua a los esfuerzos de corte son bien distintas. La resistencia del agua a los esfuerzos de corte es despreciable mientras que el suelo puede resistir estos esfuerzos gracias a la friccion entre particulas. La naturaleza friccional de la resistencia de un suelo significa que cuanto mas grande es la tension normal que empuja a unas particulas contra otras, má grande será su resistencia a los esfuerzos de corte. Dadas las diferentes resistencias a los esfuerzos de corte de las particulas de suelo y del agua, las consideraremos por separado a traves del concepto de tension efectiva.

La base de una excavacion será inestable si la presion intersticial se acerca a la tension total, o lo que es lo mismo si la tension efectiva vertical se aproxima a cero.

Esta condicion es conocida como sifonamiento (“arenas movedizas” cuan- do ocurre sobre grandes areas o “tubificacion” sobre canales localizados). Tension total

Una situacion en la cual la base puede fallar es aquella para la cual la excavación se realiza en una capa poco permeable sobre un acuifero confinado. La inestabilidad se alcanza cuando el empuje hacia arriba debido a la presion intersticial del acuifero confinado iguala el peso del suelo de la base de la excavacion mas el esfuerzo de corte sobre las paredes de la excavación. Otra razon para controlar los niveles freáticos en una excavacion es que si la superficie freatica no baja lo suficiente e intersecta la cara del talud se puede producir erosion. Si la excavacion corta dos estratos, siendo el de abajo impermeable en comparacion con el superior, resulta inevitable la aparicion de un flujo de agua entre capas, el cual puede ocasionar erosion.

El control de los niveles freáicos en las obras civiles se puede conseguir por medio de barreras fisicas, pozos de bombeo o ambos.

El comportamiento de un acuifero libre ante la instalacion de un sistema de control de niveles freaticos basado en pozos de bombeo depende del tamano de grano del mismo.

Si el acuifero está formado por suelos de grano grueso, el descenso de niveles se corresponde con un vaciado de los poros que quedan por encima de la capa freatica.

Si el acuifero está formado por suelos de grano fino, el agua no drena libremente por el espacio intergranular y aunque los niveles bajen, el suelo por encima de ellos puede permanecer saturado. La presion intersticial en los poros por encima de la nueva capa freatica toma valores negativos e incrementa la tension efectiva lo cual aumenta la estabilidad del terreno.

TIPOS PRINCIPALES DE BARRERAS FISICAS

Barreras por desplazamiento (Displacement barriers): Tablestacas(Steelsheet-piling).Vibrated beam wall.

Barreras excavadas (Excavated barriers):Zanjas rellenas con bentonita o arcilla del lugar (Slurry trench cut-off wall using bentonite or native clay). Muro pantalla (Structural concrete diaphragm walls). Columnas de jet (Secant (interlocking) and contiguous bore piles). Barreras de injección (Injection barriers): Jet grouting. Inyección basadas en cemento (Injection grouting using cementitious grouts).

Inyección basadas en sustancias químicas (Injection grouting using chemical and solution (acrylic) grouts). Otros tipos: Congelacion del terreno usando nitrógeno líquido (Ground freezing using liquid nitrogen).

Aire comprimido (Compressed air).

TIPOS PRINCIPALES DE METODOS BASADOS EN POZOS

Tuberías o zanjas de drenaje (Drainage pipes or ditches). Bombeo desde sumideros (Sump pumping). Pozos puntuales (Wellpoints). Pozos puntuales horizontales (Horizontal wellpoints). Pozos profundos con bombas sumergibles (Deepwells with submersible pumps). Pozos de succión (Suction wells). Sistema eyector (Ejector system). Pozos pasivos y drenes de arena (Passive relief wells and sand drains). Pozos puntuales, eyectores y profundos con un sistema de vacío (Vacuum wellpoints, vacuum ejector wells and deepwells with vacuum).

Electro-ósmosis (Electro-osmosis).

SISTEMAS PARA EL CONTROL DEL NIVEL FREATICO

Los sistemas de control del nivel freático que se utilizan actualmente han sido optimizados durante décadas aunque los principios en los que se basan permanecen sin cambios.

Las mejoras implementadas se han centrado en reducir costos, utilizar nuevos materiales, sistemas de bombeo más óptimos y métodos de instalación más efectivos y rápidos.

Las limitaciones físicas de estos métodos no han sufrido cambios im- portantes y no se espera que lo hagan en el futuro.

En suelos de grano grueso con una permeabilidad media o alta el agua superficial se infiltra y puede ser capturada sin dificultad por cual- quier sistema de control de niveles implementado.

Cuando el suelo es de grano fino y de media o baja permeabilidad el agua puede no drenar o hacerlo muy lentamente.

Las aguas superficiales se pueden controlar utilizando diferentes siste- mas de drenaje y captura.

POZOS PUNTUALES

Los sistemas de pozos puntuales constituyen un método de control de niveles muy versátil en cuanto a tipos de suelo y geometrías de la exca- vación. Los sistemas de pozos puntuales tienen las siguientes ventajas: El mismo equipamiento puede ser utilizado alrededor de pequeñas y grandes excavaciones. Se instalan rápidamente y en una gran variedad de suelos. Los pozos se pueden emplazar muy cerca de manera que se consiguen descensos efectivos en suelos estratificados.

Los sistemas de pozos puntuales tienen las siguientes limitaciones: La altura de succión en gravas y arenas puede ser de hasta 5 o 6 metros, pero en suelos de grano fino llega a 3.5 o 4.5 metros. Las instalaciones superficiales que requieren pueden causar problemas de acceso al sitio. El espaciado entre pozos depende de los siguientes factores: La permeabilidad del terreno y los flujos que se espera drenar.

La estratificación del suelo y el riesgo de flujos entre estratos (overbleed flows).La geometría y el perímetro de la excavación.Los descensos requeridos. El control de posibles flujos entre capas se puede llevar a cabo a tra- vés de sacos de arena o bermas de grava adecuadamente colocados, pudiéndose recoger el agua a través de un sistema de sumideros. La limitación en la altura de succión se puede solventar a través de un sistema de pozos puntuales a diferentes profundidades (multi-stage wellpoint system). Este sistema consiste en colocar una tubería horizontal perforada en la base de una zanja que puede llegar a tener una profundidad de entre 2 y 6 metros y una longitud

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