Suelos Tema 11 Mejora Del Terreno

INGENIERÍA GEOTÉCNICA – GICO UPC Tema 11. Mejora del terreno

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CATALUÑA GRADO EN INGENIERÍA DE LA CONSTRUCCIÓN ___________________________________________________

INGENIERÍA GEOTÉCNICA APUNTES TEMA 11

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TEMA 11. MEJORA DEL TERRENO 11.1 INTRODUCCIÓN. OBJETIVOS OBJETIVOS ........................................................................ ............................ 2 11.2 MÉTODOS DE MEJORA DEL TERRENO ................................................................................... 2 11.2.1 Métodos de densificación ........................ ..................................................................... .......... 3 11.2.2 Métodos basados en adiciones al terreno terreno ................................................................ ............. 9 11.2.3 Métodos térmicos ........................................................... ...................................................... 12 11.2.4 Métodos de refuerzo ................................... .......................................................................... 13 11.2.5 Otros métodos ....................................................................................................................... 15

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Tema 111. M Me jora d del tterreno

11.1 IIntroducción. O Ob jetivos Es habitual en ingeniería civil usar el terreno como sustrato donde asentar las construcciones pero también como material de construcción. Las características geotécnicas del terreno deben ser apropiadas a la obra a realizar, sin embargo cabe la posibilidad de intervenir en sus características provocando un cambio en el valor de los parámetros que gobiernan el comportamiento del terreno.

El presente capítulo trata de describir sucintamente los métodos que hacen posible dicha modificación, para ello hay que someter al terreno a una deformación irrecuperable, a un aporte de material desde el exterior o bien inducir en él cambios estructurales mediante diversas actuaciones.

11.2 M Métodos d de m me jo del tterreno jora d Entre las diferentes posibilidades de mejora geotécnica del terreno, se van a considerar: los métodos basados en el aumento de su densidad, que favorece la rigidez y la resistencia, y los basados en añadir al terreno diferentes materiales o mezclas de ellos, con el fin de mejorar las zonas consideradas de baja resistencia o rigidez. También se van a considerar aquí los métodos basados en el cambio de temperatura del terreno, congelación o calentamiento, que pueden modificar dichas características. De otro lado, está la posibilidad de reforzar la resistencia a la tracción, o a la cizalla, del terreno mediante elementos geo-sintéticos apropiados. Sin embargo, existe una gran cantidad de posibilidades que pueden ser adaptadas a las exigencias de una obra en particular.

A modo de aproximación inicial, en la tabla 11.2.1 se muestra de forma resumida la aplicabilidad de los diversos métodos, en función del tipo de terreno, que van a ser considerados en el presente tema.

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INGENIERÍA GEOTÉCNICA – GICO UPC Tema 11. Mejora del terreno Tabla 11.2.1 Aplicabilidad de los métodos de mejora del terreno Grava

Ar ena

Limo

Ar cil la

Vibro-compactación Explosiones Columnas de grava Inyecciones químicas Inyecciones Precarga Compactación dinámica Electro-ósmosis Refuerzo (geotextiles, geomallas) Tratamientos térmicos Adición de mezclas

11.2.1 M Métodos d de d densif icación Se van a considerar en este apartado los métodos más habituales, como son: la precarga, en sus distintas modalidades (con o sin instalación de drenes), las técnicas basadas en la vibración (vibro-flotación) y la compactación dinámica.

Precarga. Es un método muy habitual para la densificación del suelo. Se trata de aplicar una carga exterior al terreno de valor igual o superior a la que va a soportar con posterioridad a la construcción; ello permite conseguir asientos en el terreno que, sin el proceso de precarga, se darían durante la construcción o la explotación de la obra, lo que supondría deformaciones excesivas y, por consiguiente, daños en las estructuras. Efectivamente, la deformación del terreno previa a la construcción permite aumentar su presión de preconsolidación y, en consecuencia, disminuir su compresibilidad.

Entre las distintas posibilidades de precarga, que trata de forzar y controlar la consolidación del terreno (tanto primaria como secundaria), son habituales las basadas en: 1.

Terraplén de tierras. Método de uso habitual que resulta muy económico si se dispone de los materiales apropiados en las inmediaciones de la obra; ello supone el movimiento de dichos materiales con el coste asociado a su transporte y colocación, así como su posterior retirada; se trata, en definitiva, de colocar un terraplén que posteriormente habrá de ser

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INGENIERÍA GEOTÉCNICA – GICO UPC Tema 11. Mejora del terreno retirado. Generalmente se combina el terraplén con un drenaje apropiado para acelerar la consolidación, con o sin bombeo. 2.

Llenado de tanques. Si la estructura a construir es un tanque de almacenamiento, u otra aplicación similar, puede utilizarse entonces el propio llenado de los tanques para forzar el asiento del terreno de forma que se pueda controlar las deformaciones del terreno sin malograr la estructura.

3.

Anclajes. En este caso se trata de aplicar una carga al terreno a través de una losa de hormigón, situada en superficie del mismo, mediante el tensado de una serie de anclajes cuyo bulbo de reacción se encuentra incorporado al terreno a suficiente profundidad; el efecto es, en definitiva, una deformación previa del mismo.

4.

Rebajamiento del nivel freático . Se trata de disminuir la presión del agua intersticial mediante un proceso de bombeo en zanjas o, más habitualmente, en pozos; ello supone el aumento de la tensión efectiva actuante sobre el terreno y, en consecuencia, forzar la deformación correspondiente.

5.

Vacío. Consiste fundamentalmente en aislar la zona de actuación mediante una membrana de sellado. Se aplica un cierto nivel de vacío a la parte inferior de la membrana en contacto con el terreno; con ello se logra disminuir la presión de agua intersticial en el terreno y, en consecuencia, aumentar la tensión efectiva con el consiguiente asiento en dicho terreno.

De otro lado, cabe indicar que resulta muy conveniente controlar la precarga, en sus distintas modalidades, en vistas a conocer su evolución temporal; en este sentido los dos parámetros más importantes a controlar son los asientos y la presión intersticial.

En la figura 11.2.1 se muestra un esquema del procedimiento de precarga en una zona estratificada en la que se alternan diversos tipos de suelo, con permeabilidades diferentes; también se muestra la disposición de la instrumentación, en la zona de precarga, apropiada para el control de los asientos y de la evolución de la presión intersticial.

Tal como se ha indicado, en este tipo de actuaciones es usual la instalación de drenes, con o sin bombeo, a fin de favorecer la disipación de la presión intersticial y, con ello, disminuir el tiempo necesario de aplicación de la precarga para un mismo nivel de asiento. La utilización de drenes verticales es una medida muy efectiva debido a que, con ello, disminuye el camino de drenaje.

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SETTLEMENT PLATES EXTENSOMETER PIEZOMETERS E3

N12

CROSS HOLE TEST BOREHOLE

S9 S8 S2

CPTU TEST CPT TEST

E1

CPTU-2

S7 S1 E2

CPT-3

CPTU-4

S5

10m

N2

N3

N5

80.0m

m 3 ot 2

30.0 EMBANKMENT

0

UPPER SILT SANDS (UPPER AQUIFER)

10

20 SILTY SANDS

30 Piezometer

40

50

CLAYS AND SILTS

Sliding micrometer

60 GRAVELS AND SAND (LOWER AQUIFER)

Figura 11.2.1 Esquema de una precarga instrumentada Cabe señalar que los drenes verticales no son útiles si sólo se desea controlar los asientos debidos a la consolidación secundaria, dado que el proceso hidrodinámico ya ha finalizado. En la figura 11.2.2 se muestra un esquema de una instalación de precarga en la que bajo el terraplén se han colocado una serie de drenes verticales con el fin reducir el tiempo de consolidación.

Figura 11.2.2 Esquema de una precarga con drenes verticales

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INGENIERÍA GEOTÉCNICA – GICO UPC Tema 11. Mejora del terreno Vibro-flotación. Dentro de los métodos de densificación indicados, se puede considerar el basado en la aplicación de energía vibrante al terreno, dado que con ello se favorece la densificación del mismo. Es especialmente útil el de vibro-flotación, que combina la vibración del terreno junto con la saturación del mismo, ello produce efectos de licuefacción con el consiguiente reordenamiento de las partículas, lo que favorece la densificación del terreno. Para ello se introduce un vibrador accionado desde el exterior, mediante energía eléctrica, que produce el efecto de una compactación en profundidad. El método es aplicable tanto en suelos granulares como en cohesivos, sin embargo el procedimiento seguido en obra es algo distinto en ambos tipos de suelo.

El procedimiento permite aplicar el vibrador de forma puntual cuando se trata de densificar una zona limitada; por el contrario, cuando se pretende densificar una zona extensa de terreno debe actuarse desde la superficie hincando el vibrador en diversos puntos según un programa preestablecido; con ello se puede conseguir una profundización en el tratamiento entre 6 y 8 m, dependiendo de las características del suelo. Debe tenerse en cuenta que la distancia entre los puntos de aplicación sea la apropiada para conseguir la homogeneidad deseada.

Resulta muy conveniente verificar, mediante ensayos apropiados, si el incremento y la distribución de la densidad alcanzada es la que requerida en el proyecto. La figura 11.2.3 muestra el aspecto de un equipo de vibro-flotación, controlado por una grúa, hincándose en el terreno utilizando para ello su propio peso combinado con la vibración aplicada al terreno.

Figura 11.2.3 Esquema de actuación de un equipo de vibro-flotación (KELLER TERRA)

También se suele usar el equipo que se conoce como “terra-probe” y que aplica energía vibratoria a los pilotes hincados con el fin de densificar el terreno adyacente a ellos. De otro

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INGENIERÍA GEOTÉCNICA – GICO UPC Tema 11. Mejora del terreno lado, también es usual favorecer el hincado de pilotes aplicando la vibración en el propio proceso de hincado.

Columnas de grava. Entre las modalidades de mejora del terreno basadas en la sustitución del mismo está el denominado de vibro-sustitución. Es usual mejorar el terreno mediante columnas de grava (en algunos casos también de arena) en puntos concretos del mismo con la aplicación de energía vibrante y la aportación de grava desde el exterior.

Se trata esencialmente de generar una columna de grava en el interior del terreno de forma que el terreno existente quede desplazado, ello se consigue con el hincado de la propia columna de vibración y el aporte combinado de grava a través de la columna; un sistema de tolva desde el exterior alimenta al equipo de hincado. La figura 11.2.4 muestra el aspecto del procedimiento: a la izquierda puede apreciarse la aportación de grava a la tolva, en el centro la secuencia de operación con la columna de vibración y a la derecha el aspecto de un terreno mejorado; en él puede observarse como la losa de cimentación se apoya en las columnas de grava que se han incorporado a dicho terreno.

Figura 111.2.4 Mejora de un suelo mediante columnas de grava (KELLER TERRA)

Otra aplicación de las columnas de grava, puede ser la mejora del terreno destinado a cimentar un terraplén; en la figura 11.2.5 se muestra el aspecto de la base de un terraplén mejorada, desde una perspectiva geotécnica, mediante la técnica de ejecución de columnas de grava mediante la que se favorece el drenaje y reduce, con ello, el tiempo de estabilización de dicho terraplén.

Compactación dinámica. Es de destacar el método de densificación utilizando la compactación dinámica, a pesar de que su uso no está muy generalizado. Se trata, en este caso, de utilizar la energía potencial de una masa metálica, típicamente de varias toneladas, dejándola caer sobre el terreno en el mismo punto varias veces hasta obtener el asiento deseado. Es necesario utilizar

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INGENIERÍA GEOTÉCNICA – GICO UPC Tema 11. Mejora del terreno una grúa apropiada para subir la masa hasta la altura prescrita y dejarla caer aproximadamente en el mismo punto del terreno, ello supone un control preciso de la grúa.

Para una buena eficiencia del método es necesario que el nivel freático se encuentre sensiblemente por debajo de la zona de actuación, en vistas a no generar presiones intersticiales que afecten a la eficacia en la aplicación de la carga. La figura 11.2.6 muestra un aspecto de la operación de compactación dinámica sobre una explanada previamente compactada por métodos tradicionales y en la que se desea densificar el terreno en los diversos puntos marcados sobre la misma.

Figura 11.2.5 Mejora del terreno base de un terraplén mediante columnas de grava (KELLER TERRA)

Figura 11.2.6 Esquema de funcionamiento del equipo de compactación dinámica y aspecto de la actuación en una explanada (MENARD)

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11.2.2 M Métodos b basados een aadiciones aal tterreno Otra posibilidad de mejora del terreno es la basada en la adición de diversos materiales al terreno con el fin de modificar sus características geotécnicas. En general se suele referir a estos métodos con el nombre de inyecciones. Resulta muy habitual inyectar lechada de cemento en una determinada proporción de agua y cemento; sin embargo, las mezclas pueden ser de cemento puro, que suelen ser inestables, o bien estabilizadas con la adición de bentonita u otros tipos de arcilla. De otro lado, también se puede añadir a la lechada de cemento una cierta proporción de árido fino (arena, cenizas, etc.). Entre las diversas modalidades de inyección se va a considerar la de compensación y la de jet-grouting.

Inyecciones de compensación. Se aplican en general a una zona limitada de terreno con el fin de rellenar fisuras u oquedades, aunque también son muy usadas en zonas de terreno blando debidas a heterogeneidades en el mismo. A pesar de ello, el método se puede utilizar para la impregnación de extensas áreas de terreno al mismo tiempo que se alcanzan profundidades notables.

También es habitual usar inyecciones en la reparación de obras dañadas, rellenando grietas y estabilizando movimientos. La figura 11.2.7 muestra un esquema de actuación con inyecciones de compensación en la zona cercana a la perforación de un túnel; el objetivo final es el de reducir los asientos en superficie derivados de la perforación.

De otro lado, también se puede añadir al material inyectado una variedad de productos químicos cuya finalidad es la estabilización y la mejora de las características geotécnicas del terreno en el que se actúa; las resinas (acrílicas, fenólicas, poliuretanos) y los geles son productos que se suelen utilizar en algunos casos concretos. En otros casos, incluso, se puede utilizar productos biológicamente activos con el fin de inducir cambios microbianos en el terreno y, con ello, favorecer que puedan producir efectos de mejora de la resistencia o de la deformabilidad del mismo.

Es muy importante que durante los procesos de inyección se pueda controlar la presión de inyección y el caudal inyectado, con el fin de asegurar que el material inyectado se incorpora al terreno de forma homogénea y no se producen fugas del mismo fuera el ámbito de actuación previsto. Igualmente es necesario un control de la zona inyectada, con posterioridad a la inyección, sacando testigos mediante sondeos y ensayándolos en el laboratorio o bien realizando ensayos de comprobación in situ.

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Figura 11.2.7 Esquema de inyecciones de compensación entorno a un túnel En la figura 11.2.8 se muestra el aspecto de la ejecución de una inyección de compensación en el fondo de un pozo de ataque.

Figura 11.2.8 Aspecto de los trabajos de inyección (RODIO)

Jet-grouting. Dentro del ámbito de las inyecciones es usual la técnica conocida como

jet-

grouting, que consiste esencialmente en inyectar al terreno una lechada de cemento a alta

presión mediante un equipo apropiado. Hay que tener en cuenta la permeabilidad del terreno con el fin de estimar el caudal a inyectar así como la presión más adecuada que, en algunos casos, puede exceder los 40 MPa; hay que tener en cuenta, también, que el uso de elevadas presiones de inyección puede producir cambios de volumen en el terreno no deseados, e incluso, si no se toman las medidas apropiadas, su sifonamiento.

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INGENIERÍA GEOTÉCNICA – GICO UPC Tema 11. Mejora del terreno La figura 11.2.9 muestra un esquema del procedimiento de ejecución del jet-grouting. Una aplicación habitual es la de inyectar columnas adosadas en hilera con el fin de sostener el terreno en vistas a una excavación posterior mejorando, de esta forma, la resistencia a corte y flexión y actuando, en este caso, a modo de pantallas. También se puede usar la disposición en hilera de columnas inyectadas con el fin de mejorar la impermeabilidad del terreno.

Figura 11.2.9 Esquema del procedimiento de mejora del terreno basado en el jet-grouting (KELLER TERRA)

La figura 11.2.10 (izquierda) muestra el aspecto de un equipo de inyección actuando en la mejora del terreno bajo la cimentación de un edificio; a la derecha se muestra el aspecto de un talud que ha sido reforzado con columnas de jet-grouting en vistas a una excavación posterior.

Figura 11.2.10 A la izquierda, aspecto de un equipo de Jet-grouting actuando en la cimentación de un edificio; a la derecha aspecto de las columnas inyectadas para el refuerzo de un talud (KELLER TERRA)

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11.2.3 M Métodos ttérmicos Consisten fundamentalmente en variar la temperatura del terreno para conseguir, con ello, efectos de mejora en las características geotécnicas del mismo. Se va a considerar aquí tanto el calentamiento como la congelación.

Calentamiento. Se trata de aumentar la temperatura del terreno con el fin de modificar las características geotécnicas del mismo. El efecto conseguido mediante dicho procedimiento depende del nivel de temperatura alcanzado.

1. Temperaturas bajas (100 a 200ºC). Se consigue el efecto de secado y una mayor estabilidad del terreno, se trata de un efecto temporal. 2. Temperaturas medias (400 a 600ºC). Produce alteración estructural en las arcillas dando lugar a una mayor estabilidad del terreno. 3. Temperaturas altas (>1000ºC). Se produce la fusión del material. El procedimiento se basa en el uso de gases a alta temperatura, quemadores, etc. Se puede llegar a producir la vitrificación del material con el consiguiente aumento de la resistencia y disminución de la compresibilidad.

Congelación. Una forma de mejorar la resistencia al corte del terreno, así como la reducción de su deformabilidad, consiste en bajar su temperatura llegando hasta la congelación del mismo, con lo que se consigue además una mayor impermeabilidad. Se trata evidentemente de mantener al suelo congelado durante el mínimo tiempo posible suficiente para la ejecución de la obra.

Se puede utilizar para la congelación un circuito cerrado (ver figura 11.2.11), o bien un circuito abierto (ver figura 11.2.12) o también un sistema mixto. En el primer caso hay que disponer de un sistema de compresor y de circuito evaporador en el interior del terreno con el fin de rebajar la temperatura del mismo; el sistema es caro y sólo está justificado en casos donde no es posible otra forma de mejora.

En cuanto al sistema de circuito abierto, ejecutable mediante nitrógeno líquido, es más económico siempre que los tiempos de permanencia del terreno en fase congelada sean relativamente cortos, de lo contrario conviene utilizar el circuito cerrado. En zonas muy extensas también es recomendable el circuito cerrado.

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INGENIERÍA GEOTÉCNICA – GICO UPC Tema 11. Mejora del terreno Hay que tener en cuenta que al descongelar el terreno se pueden producir deformaciones no deseadas del terreno, de difícil estimación, y que, además, pueden bajar la resistencia del mismo. De otro lado, hay que tener muy presente el hecho de que el terreno tenga en su estado natural un contenido de humedad apropiado para que la operación resulte eficaz.

Figura 11.2.11 Esquema de un circuito cerrado para la congelación del terreno Esta técnica es muy útil en el caso de excavaciones por debajo del nivel freático en suelos muy permeables. En el caso de túneles también permite reducir los asientos en la clave del mismo y, con ello, la consiguiente reducción de la subsidencia en superficie. Obviamente hay que tener en cuenta el elevado coste y, por ello, su aplicabilidad a casos concretos.

Figura 11.2.12 Esquema de un circuito abierto para la congelación del terreno

11.2.4 M Métodos d de rref uerzo Desde muy antiguo se sabe de la influencia positiva que ejercen las raíces de los árboles, y plantas en general, en la resistencia del terreno. En consecuencia, la adición al terreno de materiales con notable resistencia a la tracción y al corte debe mejorar la que tiene el propio terreno natural. Se conoce a este tipo de materiales como geo-mallas o geo-textiles. En la

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INGENIERÍA GEOTÉCNICA – GICO UPC Tema 11. Mejora del terreno actualidad los hay disponibles en gran variedad de formas, propiedades y texturas. La figura 11.2.13 muestra un aspecto de materiales geosintéticos usuales para el refuerzo de terrenos.

geocompuestos

geomembrana

geomalla

geotextil

Figura 11.2.13 Aspecto de materiales geosintéticos usuales en el refuerzo de terrenos La figura 11.2.14 muestra el aspecto de un talud reforzado mediante geo-mallas que confinan al terreno proporcionando una mayor resistencia a los esfuerzos cortantes y mejorando, con ello, la estabilidad.

Figura 11.2.14 Aspecto de la construcción de un talud reforzado (GEOMATRIX) A la izquierda de la figura 11.2.15 se muestra el aspecto de un muro de protección contra la erosión de la ladera en el que el refuerzo actúa en una de las direcciones principales, mejorando la estabilidad y reduciendo el peligro de deslizamiento. A la derecha se observa la colocación de geo-mallas durante la construcción de un talud de notable pendiente.

Figura 11.2.15 A la izquierda aspecto de un muro reforzado; a la derecha talud en construcción (GEOMATRIX)

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INGENIERÍA GEOTÉCNICA – GICO UPC Tema 11. Mejora del terreno De otro lado, a la izquierda de la figura 11.2.16 se muestra el aspecto de un muro de protección reforzado con material geosintético; en medio se muestra el aspecto del mismo después de ser tratado con hidro-siembra a fin de mejorar su aspecto e integración al entorno; a la derecha se puede observar el aspecto de un muro construido con prefabricados de forma escalonada. Este tipo de actuaciones tiene en la actualidad un apoyo técnico-social notable, dado que favorecen la recuperación del paisaje anterior a la obra, e incluso mejorando su aspecto en la mayoría de casos.

Figura 11.2.16 Aspecto de un muro reforzado durante la construcción, en medio su estado final. A la derecha, aspecto de un muro construido con prefabricados

11.2.5 O Otros m métodos En los apartados anteriores se ha revisado el procedimiento y las características de diferentes métodos para mejora del terreno, entre ellos se ha destacado a los que suelen ser más habituales en obra civil; sin embargo, para casos especiales se puede diseñar un método de mejora adecuado al caso concreto. En este subapartado se van a describir brevemente dos métodos alternativos de uso más restringido: el uso de explosivos y el de electroósmosis.

Uso de explosivos. Esta modalidad resulta eficaz en suelos granulares saturados. Se trata en este caso de la aplicación al terreno de cargas rápidas que producen colapsos controlados debido a los procesos de liquefacción, inducidos a causa del aumento de la presión intersticial, generada como consecuencia de la explosión. Efectivamente, la onda expansiva favorece la aparición de un estado de licuefacción en el terreno; cuando se disipa el incremento de presión intersticial generado, entonces se produce una reagrupación de las partículas, con lo que se consigue una estructura más compacta y, en consecuencia, una densidad del terreno mayor.

Para que sea efectivo el procedimiento, la permeabilidad del terreno debe ser apropiada. Cabe señalar que su uso no es muy habitual y, obviamente, hay que tener cuidado en su aplicación si

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INGENIERÍA GEOTÉCNICA – GICO UPC Tema 11. Mejora del terreno se trata de zonas pobladas, o con estructuras cercanas sensibles al efecto de una posible licuefacción bajo sus cimientos.

En el uso de esta modalidad conviene tener en cuenta los avances técnicos en la detonación de explosivos y en la colocación de las cargas explosivas, con objeto de mejorar la eficacia del método y mejorar, también, la seguridad durante su ejecución. Un proyecto de actuación debe ser consultado y consensuado con las empresas especializadas en voladuras y uso de explosivos en general, en especial hay que consultar a las empresas que intervienen en el ámbito de la ingeniería civil.

Electroósmosis. A esta técnica se la conoce también como drenaje eléctrico y trata de favorecer la circulación de los cationes a través del agua intersticial sometida a un campo eléctrico. Efectivamente, generando un campo eléctrico entre dos electrodos hincados al terreno (ánodo y cátodo) los iones disueltos en el agua, o bien las sales depositadas en zonas determinadas del terreno, se dirigen hacia el cátodo. De esta forma se puede controlar la composición del terreno bombeando el agua que se encuentra rodeando el cátodo.

Mediante dicho procedimiento se puede controlar el contenido de agua y la presencia de sales en zonas problemáticas, estabilizando con ello el terreno. Este tipo de tratamiento se puede prolongar el tiempo necesario para una redistribución completa de los iones, y de las sales correspondientes, en el terreno objeto de actuación.

Referencias: KELLER TERRA, www.kellerterra.com GEOMATRIX, www.geomatrix.com MENARD, www.menard.com

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