Cap2.0 - Perforación en rocas y suelos
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9/1/08 Perforación en rocas y suelos Perforación en rocas Perforaciones Perforaciones Generalidades Generalidades Percusión Percusión Perforaciones Perforaciones Generalidades Generalidades Percusión Percusión 1 9/1/08 Perforaciones Perforaciones Generalidades Generalidades Percusión Percusión Perforaciones Perforaciones Generalidades Generalidades Percusión Percusión Perforaciones Perforaciones Generalidades Generalidades Percusión Percusión 2 9/1/08 Perforaciones Perforaciones Generalidades Generalidades Percusión Percusión Perforaciones Perforaciones Generalidades Generalidades Percusión Percusión Perforaciones Perforaciones Generalidades Generalidades Percusión Percusión 3 9/1/08 Perforaciones Perforaciones Generalidades Generalidades Percusión Percusión Perforaciones Rotación Taladro domestico con una broca para concreto Perforaciones Generalidades - Continuación Perforaciones en suelos para - Percusión y rotación con equipo similares a los roca, pero con sostenimiento. - Auger (espiral) Simultáneamente a la perforación hay que preocuparse de sostener: - Material granular: se derrumba - Material cohesivo: se deforma y cierra Perforaciones Perforaciones Percusión en Roca Perforadora neumática Cincel Manual: Se mecaniza en 1880 Hasta unos 50 cm de profundidad 10 golpes por minuto Dentro de una carcaza un pistón que golpea unos 200 gpm. 30 cm/hr Requiere: Renueva cincel cada 30 cm, se lleva a afilar Mejorar la punta de la herramienta con insertos de carburo tungsteno. Cada aprox ½ cm se saca cincel se extrae detritus con cuchara y se agrega agua para enfriar. Sacar detritus y refrigerar mediante soplado o lavado agua Avance 30 a 60cm por min. 4 9/1/08 Perforaciones Herramientas de Perforación Perforaciones Brocas Las herramientas están formadas por cuatro piezas, todas huecas en el centro: • Culatín. Es una pieza corta que se introduce en la máquina perforadora y que recibe los golpes, tiene un pedazo de barra y termina en hilo cordel. • Barras. Habitualmente de tres a seis metros de largo. En ambos extremos tienen hilo cordel macho. • Coplas. Son hembra en ambos costados. • Broca Perforaciones Perforadora manual trabajando en el piso Perforaciones Perforación en roca – Percusión, perforadoras Según su tamaño, las perforadoras se clasifican en: - Perforadoras livianas (portátiles) - Perforadora pesada Perforaciones Perforaciones Perforación en roca – Percusión, perforadoras Perforación en roca – Percusión, perforadoras Perforadora liviana Perforadora liviana Pesan entre 20 y 30 kg. Las puede transportar una persona. Se pueden usar en cualquier punto donde se pueda llegar caminando. Perforaciones de diámetro pequeño: usual 32 a 38 mm. Perforaciones cortas de no más de 3,6 metros. Se utiliza en faenas pequeñas y cuando hay problemas de acceso. Ocupan herramientas “integrales” “telescópicas”. Integral: una sola pieza sin acoplamientos culatín barra y broca. 5 9/1/08 Perforaciones Perforaciones Perforación en roca – Percusión, perforadoras Perforación en roca – Percusión, perforadoras Perforadora liviana (Continuación) Perforadora liviana (Continuación) Telescópica: Se inicia la perforación con una herramienta corta de unos 80 cm útiles. Se saca dicha herramienta y se cambia por otra de 1,6 metros y un diámetro menor. Después barras de 2.4, 3,2 4,0 cada una con un milímetro de diámetro menor. Rotación proporcional al número de golpes Velocidad se controla con la válvula del Aire Comprimido Bajo consumo de aire comprimido. Aprox 125 p.c.m. Rendimiento aprox 20 cm/min 8 metros/hr. Se sujeta en la barra de perforación y en una pata telescópica. Perforaciones Perforaciones Perforación en roca – Percusión, perforadoras Perforación en roca – Percusión, perforadoras Perforadora liviana (Continuación) Perforadora liviana Son baratas y usan compresores de aire pequeños. Costo de herramientas muy alto. Costo: ~ USD 1.800 + Compresora Perforaciones Perforaciones Perforación en roca – Percusión, perforadoras Perforación en roca – Percusión, perforadoras Perforadora liviana Perforadora liviana 6 9/1/08 Perforaciones Perforaciones Perforación en roca – Percusión, perforadoras Perforación en roca – Percusión, perforadoras Perforadora pesada Perforadora pesada (Continuación) Perforaciones Perforaciones Perforación en roca – Percusión, perforadoras Perforación en roca – Percusión, perforadoras Perforadora pesada (Continuación) Perforadora pesada (Continuación) Se posiciona en un carro sobre un riel que lo sujeta a un brazo mecánico. Consumo de aire: 200 – 800 pcm Está montado en un vehículo: - Oruga El rendimiento depende de la roca y del diámetro de la perforación: ~30-60 cm/min, 15-30 m/hora Costo: hasta ~ USD 90.000 + Compresora - Neumáticos - Rieles Herramientas acopladas (hilo cordel) Rotación independiente Perforaciones Perforaciones Perforación en roca – Percusión, perforadoras Perforación en roca – Rotación, triconos Tiempo para una perforación 1. 2. 3. 4. 5. 6. Ubicar, perforar ubicar, perforar longitud primera barra Fijar barra para que no gire para evitar desacople la broca y barras en interior perforación. Desacoplar culatín-barra, llevar máquina al extremo contrario, presentar nueva barra, girar para acoplar, soltar barra en la perforación. Perforación longitud 2ª barra. Se repite 2, 3 y 4. Al terminar perforación retiran barras de a una. Entre más larga la carrera, menos tiempo en agregar y quitar barras. A mayor peso del mástil más pesado y más caro. A mayor alcance del brazo, también más peso y costo Lo más usado son los triconos. No se usan en construcción para excavación con explosivos. Se usan para pozos y en la gran minería. Son equipos caros y pesados. Grandes diámetros de perforación, gran velocidad 7 9/1/08 Perforaciones Perforación en roca – Rotación, corona de diam. Otros sistema es la rotación con corona de diamantes. Se usa para sondajes de investigación de suelos y rocas. Perforaciones Perforación en roca – Rotación, corona de diam. Otros sistema es la rotación con corona de diamantes. Se usa para sondajes de investigación de suelos y rocas. Perforaciones Perforaciones Perforaciones en roca – Martillo de fondo Perforaciones en roca – Martillo de fondo (DTH) En excavaciones profundas se pierde mucha energía a lo largo de las barras. Golpe se transmite por las barras. Diámetros sobre 8 cm, normal sobre 10 cm. Pérdida de energía en las barras, proporcional a la profundidad. Lo caro está al fondo, y existe peligro de perderlo. Al perforar baja sensiblemente el rendimiento. Equipos normales en construcción < 10 m pero ya a los 6 m se pone lento. Si la perforación es de gran profundidad y/o hay presencia de agua, se requiere mayor presión. Una alternativa para solucionar este problema es el martillo de fondo (DTH – down the hole). DTH lleva el martillo de aire comprimido en el fondo. No pierde energía con la longitud de la perforación por lo que el rendimiento se mantiene constante. Broca-martillo-barras y coplas-culatín. El equipo de la superficie sólo rotación y empujar y tirar. Perforaciones Perforaciones Perforación en roca – Percusión, perforadoras Perforación en roca – Percusión, perforadoras Perforadoras neumáticas (aire comprimido) Perforadoras hidráulicas La perforadora puede ser accionada por aire comprimido (neumáticas) o por un fluido (hidráulicas) El fluido es un aceite de baja viscosidad (similar al líquido de frenos) El A.C. está en circuito abierto: lo captan, lo comprimen, pasa por la perforadora y escapa (gran ruido) Trabaja a presiones muy altas. A mayor presión, menor diámetro de manguera. El diámetro de las mangueras de A.C. es de ~ 20 a 30 mm. Funciona con un circuito cerrado por lo que tiene doble cantidad de mangueras (pero de menor diámetro) Tienen una manguera por cada pistón. Los golpes son más despacio pero con mayor frecuencia 8 9/1/08 Perforaciones Perforaciones Perforación en roca – Percusión, perforadoras Fotos Comparación perforadoras hidráulicas v/s neumáticas Hidráulica Neumática Velocidad de perforación 3 1 Consumo de brocas 1 3 Ruido Sólo el golpe de la herramienta Muy fuerte, escape de aire Neblina en túneles No Importante. El aire al expandirse se enfría y condensa humedad Consumo de energía 1 3 Costo 1 1 (considerando compresor) Tamaño Sólo grandes pero están apareciendo pequeñas Distintos tamaños Perforaciones Perforaciones Fotos Fotos Perforaciones Perforaciones Fotos Fotos 9 9/1/08 Perforaciones Perforaciones Fotos Fotos Perforaciones Perforaciones Fotos Fotos Perforación en suelos Perforaciones Perforación en suelo Se perfora con los mismos equipos y herramientas de la perforación en roca. - Percusión - Rotación Con palas y cinceles (pozos, pilotes, paredes moldeadas). También es percusión. Auger 10 9/1/08 Perforaciones Perforaciones Perforación en suelos – Pilotes y pozos Perforación en suelos – Pilotes y pozos Fabricación en sitio Fabricación en sitio (Continuación) Se debe perforar en el diámetro especificado usando lodo o revestimiento (tubería) Si el suelo es duro se debe usar un “cinsel” (fierro pesado en punta) El tubo se hinca a golpes y en caso de φ mayores, empujando y rotando (oscilando) Es normal usar el cinsel en excavación con clapeta en diámetros pequeños. Para excavar se usa una pala especial de forma cilíndrica similar a un “cucharón de almeja” (φ > 50 cm.) o se usa una tubería con una “clapeta” (φ ~ 40 – 50 cm.) Al uso del cinsel se le llama percusión por cable. Es un trabajo muy intensivo en M.O. Tubería con clapeta Perforaciones Equipo Auger Perforaciones Perforación en suelo Se requiere soportar el terreno: Entubación Lodos Perforaciones Perforaciones en suelos - Entubación Telescopeado La perforadora debe perforar y simultáneamente girar y empujar una tubería. Hay otras máquinas que oscilan y otras que golpean la tubería. La máquina es mucho más complicada que una máquina normal (sin entubación) La tubería se va apretando a mayor profundidad por el mayor roce (mayor superficie de contacto) Esto limita la profundidad por lo que una alternativa es telescopear la tubería. De todas formas la entubación se usa hasta ~100 m. 11 9/1/08 Perforaciones Perforaciones Perforaciones en suelos - Lodo Perforaciones en suelos - Lodo La alternativa para excavaciones de mayor profundidad es el uso de lodo (generalmente bentonítico) La densidad del lodo es aproximadamente 1.05 veces la densidad del agua. No hay derrumbes de bloques o de terreno por el roce debido a la compresión. El lodo tiene un índice de plasticidad altísimo (~300) No es válido para partículas en la superficie. Técnica de la industria petrolera donde se perfora hasta miles de metro de profundidad. Arco en el suelo El lodo forma una película llamada cake sobre la superficie de la perforación. La pequeña presión hacia fuera que ejerce el lodo es suficiente para que no se desprendan partículas. El cake: Perforación - Recubre y da cohesión a las partículas - Impide que salga el barro. Perforaciones Perforaciones Perforaciones en suelos - Lodo Perforaciones en suelos - Lodo El cake debe ser fino y flexible. El lodo barato forma un cake grueso y rígido. Por lo general existe entre un 10 a un 15% de pérdida de lodo. El lodo bentonítico es tixotrópico. En movimiento se comporta como líquido y en reposo, se comporta como gel. El detritus se extrae con una corriente ascendente de lodo. Debido a la tixotropía poca velocidad y caudal. El lodo se recupera (limpia): - Harneado en una “zaranda” que es un harnero vibratorio. - Centrifugado Debido a la tixotropía evita la decantación (se usa en pinturas) y, con poca velocidad, es capaz de arrastrar sólidos (se usa para transportar sólidos en tuberías) Perforaciones Perforaciones Perforaciones en suelos - Lodo Lodo Perforaciones en suelos - Lodo Lodo Entra tangencial Material grueso 12 9/1/08 Perforaciones Perforaciones Perforaciones en suelos - Lodo Pozos de extracción de agua subterránea • Se ocupan pozos de entre 0,2 a 0,5 metros de diámetro • Profundidades 10 a 150 metros. • Se excavan con entubación o con lodos bío degradables. • Se termina con una tubería rejilla y tubos ciegos dentro de la perforación, rodeados de gravilla. • En el interior de la tubería se baja una bomba de pozo profundo con su tubería de impulsión. Perforaciones Perforaciones Perforación en suelos – Pilotes y pozos Perforación en suelos – Pilotes y pozos Fabricación en sitio (Continuación) Construcción de un pozo para extracción de agua: Construcción de un pozo para extracción de agua: 1.- Excavación con revestimiento 2.- Colocar tubo rejilla (revestimiento definitivo) Revestimiento 3.- Colocar gravilla entre el tubo de sostenimiento y el tubo rejilla 4.- Sacar el revestimiento del pozo Perforaciones Perforaciones Perforación en suelos – Pilotes y pozos Perforación en suelos – Pilotes y pozos Construcción de un pozo para extracción de agua: Construcción de un pozo para extracción de agua: Revestimiento Tubo ciego Se retira el revestimiento Tubo ciego Gravilla Tubo con rejilla Tubo con rejilla 13 9/1/08 Perforaciones Perforaciones Perforación en suelos – Pilotes y pozos Perforación en suelos – Pilotes y pozos Construcción de un pozo para extracción de agua: Construcción de un pozo para extracción de agua: Tubo ciego Tubo ciego Gravilla Gravilla Tubo con rejilla Tubo con rejilla Perforaciones Perforación en suelos – Pilotes y pozos Aspiración de la bomba Motor de la bomba Bombas Construcción de un pozo para extracción de agua: Tubo definitivo Tubo ciego Gravilla Aspiración de la bomba Tubo con rejilla Motor de la bomba Perforaciones Perforaciones Pozos, Habilitación y desarrollo del pozo Perforación en suelos – Pilotes y pozos Desarrollo del pozo: Desarrollo de un pozo para extracción de agua: Se provoca con un pistón succión para extraer los finos del suelo en el entorno del pozo. Objeto aumentar permeabilidad. Se pistonea, se saca el pistón y se extraen los sólidos del interior. Se repite el proceso hasta que dejan de salir finos. Se instala una bomba para medir la producción. Se instala la bomba definitiva. Bruscamente Pistón Tubo ciego Gravilla Tubo con rejilla El agua entra y sale bruscamente limpiando de finos 14 9/1/08 Perforaciones Perforaciones Ejemplo: Río con cauce normal Perforaciones en suelos - Pilotes Funciones de los pilotes: • Mejorar fundación. Pilar • Transmitir presiones de la fundación a estratos resistentes. Resisten compresión y flexión. • Fundar en profundidad. Resisten compresión y flexión. • Muros de sostenimiento. • En los ríos en el valle central se deben fundar los puentes bajo la cota de la erosión durante las crecidas. Perforaciones Río Zapata de fundación Fondo Perforaciones Ejemplo: Río con crecida Perforaciones en suelos - Pilotes Pueden trabajar: • De punta transmitiendo compresión a su extremo. Pilar Río Zapata de fundación • Roce, resisten compresión en la cabeza y la transmiten por roce al suelo que los contiene. • Empotrados en el terreno. • Como pila o muro de sostenimiento (se verá más adelante) Fondo Perforaciones Perforaciones Perforaciones en suelos - Pilotes Perforaciones en suelos – Pilotes Pilotes hincados. Se hincan a martillazos, el equipo se llama martinete. The image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory to open the image, or the image may have been corrupted. Restart your computer, and then open the file again. If the red x still appears, you may have to delete the image and then insert it again. The image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory to open the image, or the image may have been corrupted. Restart your computer, and then open the file again. If the red x still appears, you may have to delete the image and then insert it again. The image cannot be displayed. 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If the red x still appears, you may have to delete the image and then insert it again. Terreno suelto The image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory to open the image, or the image may have been corrupted. Restart your computer, and then open the file again. If the red x still appears, you may have to delete the image and then insert it again. - Madera - Perfiles Metálicos - Tubos - Hormigón Pilotes de hormigón construidos en sitio Terreno duro 15 9/1/08 Perforaciones Perforaciones Perforaciones en suelos – Pilotes en sitio Perforaciones en suelos – Pilotes en sitio Diámetros entre 50 a 150 cm. Profundidades 10 a 40 mts. • Se hormigona con un tubo con embudo (tubo tremie): Procedimiento: • Se hace perforación, generalmente con entubación. - Se va excavando en el extremo de la entubación con una pala tipo cucharón de almeja o con un pequeño auger. - Se hinca la tubería rotándola y empujándola. Hay osciladoras y otras con rotación completa. • Se introduce la enfierradura prefabricada. - El hormigón se hace llegar con la tubería al fondo desplazando el agua. - Se contaminan los primeros hormigones que llegan al fondo. - Después el extremo del tubo se mantiene sumergido en el hormigón fresco haciendo que desplace el agua sin mezclarse con ella. - El hormigón que primero llega a la superficie es el que se contaminó y se puede eliminar. - Junto con la subida del hormigón, se va retirando la entubación de modo que el hormigón queda contra terreno. 16 9/1/08 Perforaciones Perforaciones Perforaciones en suelos – Pared Icos Perforaciones en suelos – Pared Icos Para construir paredes continuas se inventaron los pilotes secantes (pared Icos), tienen el nombre de un contratista. Pilotes Secantes (ICOS) Un pilote junto al otro. Si se requiere resistencia, se hace uno por medio armado. 1 2 1 2 1 Pilotes de hormigón armado. Al construirse “muerde” a los dos vecinos de hormigón. Perforaciones Perforaciones en suelos – Pilotes Secantes 17
