1 generalidades

XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos
e Ingeniería Geotécnica
Sociedad Mexicana de
Ingeniería Geotécnica, A.C.
Noviembre 14 a 16, 2012 – Cancún, Quintana Roo
Sistema de Inyección para Geotecnia
Grouting System for Geotecnics
Francisco BLANCO1, Juan Carlos MENDIOLA2
1Tecnosuelo
2Tecnosuelo
S.A. de C.V.
S.A. de C.V.
RESUMEN: En el desarrollo de los proyectos de geotecnia en general relacionados con la estabilidad de taludes,
consolidación e impermeabilización del macizo rocoso en presas, lumbreras y portales de túneles, la inyección de
lechadas en su basta variedad de formulaciones, requieren de equipo de alto desempeño que garantice su correcta
preparación, su conservación y su aplicación adecuada en el momento de la inyección. Mención importante son los
sistemas de instrumentación y registro que permiten dar seguimiento al proceso de inyección en todas sus etapas y
garantizar la calidad y el éxito del proyecto. El equipo a utilizar puede consistir desde componentes independientes
interconectados entre si, hasta una unidad de inyección completa en un solo grupo funcional. Los principales equipos
que son necesarios para desarrollar esta actividad son: mezcladores; donde se preparan las mezclas que serán
inyectadas, los agitadores; que mantienen la mezcla en sus condiciones mientras es inyectada y las bombas que
realizan el trabajo de inyectar la mezcla en los lugares prestablecidos, además del equipo de control, medición y
registro; que permite controlar, medir y registrar las variables de presión, caudal y volumen que han sido determinadas
para cumplir con las especificaciones de diseño para el proyecto en particular.
ABSTRACT: In the development of projects related to general geotechnical slope stability, consolidation and
waterproofing of the rock mass in dams, tunnels, ports and portals, injecting grout into its vast variety of formulations,
require high-performance team ensure its proper preparation, conservation and appropriate application at the time of
injection. Mention important are the instrumentation and recording systems that allow to monitor the injection process at
every stage and ensure the quality and success of the project. The equipment to be used may consist of separate
components interconnected from one another, to an injection unit complete in a single functional group. The main
equipment necessary to develop this activity are: mixers, where mixtures are prepared to be injected, agitators that keep
the mixture in their condition while the pump doing the job of injecting the mixture into the places established, well contro l
equipment, measurement and recording, which allows to control, measure and record the variables of pressure, flow and
volume have been determined to meet the design specifications for the particular project.
1 GENERALIDADES
1.1 Introducción
En la actualidad es difícil concebir ciertas obras
civiles sin utilizar algún tipo de tratamiento por
inyección. Desde el tratamiento de la cimentación de
una presa hasta el control de filtraciones durante la
construcción de túneles requieren de la aplicación de
alguna técnica de inyección.
Existen técnicas muy distintas que se engloban
dentro inyección; siendo su definición la introducción
de una mezcla dentro de una masa de suelo o roca.
Por ejemplo tenemos la inyección por filtrado para
rellenar las fisuras en las rocas con la finalidad de
generar una pantalla impermeable o la inyección de
suelos blandos por fracturamiento hidráulico con la
finalidad de generar un conjunto suelo lechada con
mejores propiedades mecánicas.
En todos los
casos interviene:
 Un fluido o mezcla con ciertas propiedades
reológicas en estado líquido y propiedades
hidráulicas y mecánicas en estado solido.
 Un suelo o roca con ciertas propiedades
hidráulicas y mecánicas no homogéneas y cuyo
conocimiento es limitado.
En cuanto a tener un control del proceso se puede
actuar únicamente en las características de la
mezcla o lechada, así como en los parámetros de
inyección; presión y gasto.
De ahí nace la
importancia de llevar un control estricto sobre las
mezclas y lechadas, siendo elementos importantes:
 Proporción de la mezcla
 Homogeneidad de la mezcla
 Flujo de inyección
 Presión de inyección
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
2
Inyección en geotecnia
Al ir realizando el proceso de inyección con una
misma mezcla indirectamente se puede deducir
desviaciones del medio (permeabilidad de la roca,
resistencia del suelo, etc.) y poder realizar
conclusiones o definir ensayes particulares para
acotar causas de estas desviaciones. Una vez
relacionadas estas desviaciones con cambios de
propiedades del medio, se va recopilando en cada
proceso de inyección información sobre el suelo o
roca cuya importancia radica en llegar a los objetivos
planteados en la inyección, siendo un buen
tratamiento de inyección un sistema retroalimentado.
Esto es válido si se tienen los medios necesarios
para asegurar la fabricación consistente de las
mezclas. En el caso de las lechadas de cemento
esto radica en:
 Asegurar las proporciones de los materiales
 Tener un equipo de mezclado que elimine grumos
y genere una mezcla homogénea
 Asegurar que durante la inyección no se degrade
o segregue la lechada.
Por otro lado el equipo de bombeo debe de
mantener ya sea el flujo o la presión establecida
durante el proceso para poder comparar eventos.
También el uso de sistemas de adquisición de datos
y su procesamiento informático representan
eficiencias al poder analizar el comportamiento del
suelo o la roca y de esta forma tomar decisiones
sobre el tratamiento de inyección a continuar.
Presentamos a continuación los avances que
hemos generado en los equipos para el mezclado,
agitado y bombeo de lechadas base cemento los
cuales tienen por objeto obtener mejores resultados
y
controles de calidad en el tratamiento de
inyección.
2.2.1 Etapa 1, Succión
La alta velocidad de rotación de las paletas del rotor,
ejercen una potente succión, llevando el agua y los
Figura 1. Succión del agua y materiales sólidos
materiales sólidos al ensamble rotor/estator. Ver
Figura 1.
2.2.2 Etapa 2, Acción de molino
Entonces la fuerza centrífuga conduce los materiales
hacia la periferia de la cabeza de trabajo donde se
sujetan a una acción de molino entre los extremos
2 MEZCLADOR DE CORTE HIDRÁULICO
2.1 Necesidad
Obtener la hidratación plena de toda la mezcla y una
suspensión estable, mediante la creación de altas
fuerzas de corte dentro del mezclador para separar
las partículas individuales unas de otras en el menor
tiempo posible y con la máxima eficiencia.
Figura 2. Acción de molino
2.2 Concepto
Para lograr el efecto del corte hidráulico se utilizan
normalmente en la industria sistemas consistentes
de un rotor y un estator ranurado, el rotor tiene
paletas que al girar impulsan el líquido hacia las
paredes del rotor con un espaciamiento muy
reducido que hace la función de un molino y el
líquido o mezcla pasa a través de las ranuras del
estator. El funcionamiento lo podemos describir en
tres etapas que se aprecian en las Figuras 1-3.
de las paletas del rotor y la cara interna del estator.
Ver Figura 2.
2.2.3 Etapa 3, Corte hidráulico
Esto es seguido por un intense corte hidráulico
conforme los materiales son forzados, a alta
velocidad, a través de las perforaciones del estator,
luego a través del conducto de salida y por la tubería
de recirculación. Al mismo tiempo, se van integrando
nuevos sólidos en la cabeza de trabajo, manteniendo
el ciclo de mezclado y bombeo. Ver Figura 3.
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BLANCO F. et al.
3
3 AGITADOR
3.1 Función
El Agitador sirve como depósito acumulador entre
las mezcladoras y las bombas de inyección, lo que
permite una inyección continua. Tiene unas aspas
agitadoras
de
baja
velocidad
donde
las
suspensiones de lechada se mantienen en las
condiciones similares por un periodo de tiempo
similares a cuando salieron del mezclador,
homogenizando la mezcla continuamente y
removiendo las burbujas de aire que pudieran
generarse.
Figura 4. Corte hidráulico
3.2 Concepto
2.3 Accionamiento
Aplicando el concepto de “Bomba de Monobloque” o
de “Acoplamiento directo”, donde la bomba utiliza un
impulsor accionado mediante un adaptador a la
flecha del motor directamente acoplado al motor
eléctrico. El cabezal de la bomba es soportado por
un adaptador posterior atornillado directamente a la
brida del motor. La bomba es soportada por la base
del motor, atornillando este último al soporte
estructural donde se instalará la bomba. Ver Figura 4
Para cumplir con la función de mantener la mezcla
de líquido y sólidos en suspensión homogeneizada y
con las características de diseño por un tiempo
establecido se requiere que el agitador cumpla con
ciertas características como se trata a continuación.
3.2.1 Normatividad
La norma DIN 28131, establece los requerimientos
dimensionales y operativos de los agitadores donde
se establecen las relaciones entre el diámetro del
tanque, el diámetro del impulsor, el ancho de las
paletas, la altura de impulsor al fondo y el nivel de la
mezcla en el tanque. Estas relaciones sirven como
guía para obtener los parámetros de funcionamiento
óptimos para cada tipo de mezcla. En la Figura 4 se
muestra un esquema con las variables mencionadas.
h1
Figura 3. Ejemplo de mezclador de corte hidráulico
h3
2.4 Flujo y almacenamiento de datos
Es de vital importancia que el mezclado sea
homogéneo y repetible de lote a lote, y que se lleve
un registro claro de las condiciones en que se ha
efectuado, para ello es necesario contar con
sistemas que permitan hacer que los procesos sean
repetibles, controlando, la velocidad del mezclado y
el tiempo adecuado de cada lote de producción.
Utilizando los modernos sistemas de control y
registro cumplimos con esa importante necesidad de
control y registro.
d2
h2
d1
Figura 4. Dimensiones según DIN 28131




Y de se tienen presentes las siguientes relaciones:
h1/d1=1.0
d2/d1=0.33
h2/d1=0.33
h3/d2=0.15 – 0.3
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4
Inyección en geotecnia
3.2.2 Tipo de agitador adecuado
De acuerdo con las recomendaciones de la norma
para la función de “suspensión” es adecuada la
utilización de un agitador de flujo axial, donde existen
dos tipos que se diferencian por el tipo de impulsor
utilizado: de hélice o de palas inclinadas ilustradas
en la Figura 5.
línea de presión una válvula de cierre para parar y
arrancar la bomba.
4.4 Regulación del caudal
La regulación del caudal incorporada permite ajustar
el caudal máximo. Así se puede inyectar en
formaciones delicadas con una velocidad de flujo
baja, evitando la erosión del suelo o segregaciones
prematuras del material inyectado.
La regulación con progresión continua del caudal en
combinación con el sistema de regulación de presión
permite trabajar con algoritmos de inyección como el
método GIN
5 SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS Y
CONTROL DE INYECCIÓN
5.1 Aplicación
Figura 5 Tipos de impulsor adecuados para
suspensiones
4 BOMBA DE INYECCIÓN
Las bombas de inyección por pistón, son robustas,
confiables, controladas por un controlador lógico
programable; utilizadas en los procesos de
tratamiento y consolidación de suelos, inyección para
perforación, etc.
4.1 Características
 Inyección a alta y baja presión
 Sistema de control automático de presión
 Registro y monitoreo de parámetros de presión y
gasto
 Contador de ciclos de operación
 Control remoto de Turbomezclador y agitador para
formar una unidad completa de inyección
 Programación de parámetros límite alcanzados,
presión/gasto/volumen
4.2 Instrumentación
 Sensor de presión local y remoto
 Medidor de flujo local y remoto
 Sensor de presión local y remoto
4.3 Regulación automática de la presión
Si la presión alcanza el valor prefijado la bomba
sigue inyectando solo la cantidad que el suelo
absorbe a esa presión. En el momento que no hay
más absorción la bomba se para automáticamente y
mantiene la presión durante el tiempo requerido. Al
mismo tiempo se puede utilizar esta regulación de
presión como control remoto montando al final de la
En un Sistema de Adquisición control y registro de
presión y caudal para aplicación de inyección de
suelo roca en cielo abierto o en túneles. Graficado en
tiempo real de los parámetros de inyección y
grabado para su posterior análisis y reportes. Se
compone de 3 elementos:
 Módulo de Adquisición de datos, se instala uno
por cada frente de Inyección.
 Comunicación: por telemetría, cable o una
combinación de ambas.
 Centro de Control remoto de Inyección puede
gestar 15 módulos
5.2 Características
 Sistema no invasivo.
 Diseñado para operar en ambiente agresivo.
 Caudal por medio de medidor de flujo
electromagnético; error +1%
 Presión con transductor protegido a través de
pasaje integral.
 Teclado para ingresar parámetros de lechada y
ubicación como barreno y progresión.
 Pantalla para visualizar valores de presión,
volumen y flujo y graficar los mismos.
 Opción de control de la bomba o en su caso
alarmas y advertencias.
 Control de hasta 15 equipos
 Visualización en tiempo real de parámetros
relevantes curvas GIN, presión o caudal contra
volumen o tiempo, pudiendo adecuarse la
presentación a sus necesidades.
 Ajuste de alarmas para facilitar tomo de
decisiones.
 Registro de datos para su posterior análisis y
reportes; exportación de los mismos.
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BLANCO F. et al.
6 CONCLUSIONES
Para tener un sistema de inyección confiable que
responda a los requerimientos actuales de
operación, eficiencia y registro de datos es necesario
que los equipos de las unidades de inyección como
son los mezcladores, agitadores y bombas cuenten
con tecnología moderna que hagan cumplir su
función. Parte primordial es el sistema de registro y
adquisición de datos en tiempo real que permite,
aparte de registrar los datos, controlar también en
tiempo real el funcionamiento de los equipos y del
proceso de inyección.
7 REFERENCIAS
Perry, R.H. y C.W. “Perry´s Chemical Engineering
Handbook”, 6th Edition, Mc Graw-Hill
Ansó Sonia, Barge Elena y Demming Stefanie
“Estudio teórico experimental de la agitación”,
Área de mecánica de fluidos. Universidad de
Zaragoza
DIN 28131 Agitators and baffles for agitator vessels;
types, terms and main dimensions. 1992-09
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
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