Suelos Tema 11 Mejora Del Terreno

INGENIERÍA GEOTÉCNICA – GICO UPC Tema 11. Mejora del terreno

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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CATALUÑA GRADO EN INGENIERÍA DE LA CONSTRUCCIÓN

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INGENIERÍA GEOTÉCNICA

APUNTES TEMA 11 ____________________________________________________

TEMA 11. MEJORA DEL TERRENO 11.1 INTRODUCCIÓN. 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 ............................................................................. 9

11.2.3 Métodos térmicos ................................................................................................................. 12

11.2.4 Métodos de refuerzo ............................................................................................................. 13

11.2.5 Otros métodos ....................................................................................................................... 15


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TTeemmaa 1111.. MMeejjoorraa ddeell tteerrrreennoo

1111..11 IInnttrroodduucccciióónn.. OObbjjeettiivvooss

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.

1111..22 MMééttooddooss ddee mmeejjoorraa ddeell tteerrrreennoo

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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Tabla 11.2.1 Aplicabilidad de los métodos de mejora del terreno

ArcillaLimoArenaGrava

Explosiones

Vibro-compactación

Columnas de grava

Inyecciones químicas

Inyecciones

Precarga

Compactación dinámica

Electro-ósmosis

Refuerzo (geotextiles, geomallas)

Tratamientos térmicos

Adición de mezclas

1111..22..11 MMééttooddooss ddee ddeennssiiffiiccaacciióónn

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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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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E1 E2

N2 N3 N5

N12

CPTU-2 CPT-3 CPTU-4

E3

10m

S2

S9S8 S7

S1

S5

0

10

20

30

40

50

60

2 to

3m

30.080.0m

UPPER SILT

SANDS (UPPER AQUIFER)

CLAYS AND SILTS

GRAVELS AND SAND (LOWER AQUIFER)

Slidingmicrometer

EMBANKMENT

Piezometer

SILTY SANDS

SETTLEMENT PLATES

EXTENSOMETER

PIEZOMETERS

CROSS HOLE TEST

BOREHOLE

CPTU TEST

CPT TEST

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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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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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.

FFiigguurraa 1111..22..44 MMejora 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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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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1111..22..22 MMééttooddooss bbaassaaddooss eenn aaddiicciioonneess aall tteerrrreennoo

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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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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1111..22..33 MMééttooddooss ttéérrmmiiccooss

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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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

1111..22..44 MMééttooddooss ddee rreeffuueerrzzoo

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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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

geotextilgeomallageomembrana

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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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

1111..22..55 OOttrrooss mmééttooddooss

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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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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