¿Qué es el análisis de suelos en la ingeniería civil?

¿Qué es el análisis de suelos en la ingeniería civil?

Vídeo descriptivo.

a) Procesos para el análisis de suelos y materiales en ingeniería civil

1. Introducción:

Donde se indique el alcance del Informe Geotécnico y a cual tipo de obra está dirigido. En este punto se recomienda dejar claro el nombre del proyecto para el cual fue elaborado el informe e indicar el ente que lo solicita, con la finalidad de evitar que el mismo pueda ser utilizado para otros fines.

2. Descripción del Proyecto:

Donde se indique el uso de la edificación, materiales constructivos (acero, concreto, madera, etc.), orden de magnitud de las cargas consideradas, altura de la edificación, extensión en planta, descripción de características arquitectónicas y estructurales tales como: altura total de la edificación, presencia de sótanos, alturas de entrepiso, entre otras.

3. Objetivos:

Se debe indicar el objetivo general del informe y los objetivos específicos que permitirán alcanzarlo. Los objetivos de un Informe Geotécnico para la construcción de una vialidad son totalmente diferentes a los planteados en la construcción de un edificio o una vivienda, porque además la forma en la que se efectúa la investigación geotécnica, tanto en campo como en laboratorio, puede diferir en gran medida.

4. Metodología:

Se compone de los procedimientos utilizados para efectuar la investigación de campo, laboratorio, fuentes de información, procesamiento de datos y métodos de análisis.

5. Ensayos de Campo:

Se especifican los procedimientos empleados para realizar la investigación de campo, equipos utilizados, normativa aplicable (ASTM, COVENIN, etc.), número de sondeos efectuados, profundidad de los mismos, cantidad de muestras obtenidas y una breve pero clara justificación de por qué se utilizan tales procedimientos para cumplir con los objetivos planteados en la investigación geotécnica.

6. Ensayos de Laboratorio:

El laboratorio juega un papel fundamental en todo proceso de investigación geotécnica. Las muestras obtenidas en campo deben ser procesadas en laboratorio, con la finalidad de obtener parámetros que son utilizados por el ingeniero geotécnico para analizar el comportamiento del terreno y plantear soluciones al sistema «suelo-fundación».

7. Geología:

El analizar el contexto geológico en el que se encuentra el proyecto, significa poder comprender la naturaleza de las diferentes amenazas a las que podría estar expuesto el mismo. No se trata de extraer la teoría clásica existente en los libros de geología, sino más bien comprender que un proyecto concebido en una zona del litoral tendrá una amenaza muy diferente al proyecto que sea concebido a piedemonte. Se trata de analizar no sólo la geología regional sino también la local, que muchas veces determina la existencia de amenazas particulares del sitio, tales como: potencial sismicidad localizada o inducida por presencia de algún depósito de agua cercano, fallas geológicas que pueden ocasionar fenómenos de licuación (pérdida súbita de resistencia al cortante de suelos saturados debido al incremento de presiones de poros ocasionado por vibraciones del terreno por acción sísmica), o presencia de suelos colapsables o expansivos cuya aparición se encuentra determinada por la geología de la zona.

8. Aspectos Sísmicos:

Prácticamente todos los códigos de diseño a nivel mundial suministran una clasificación en función de la amenaza sísmica existente en las diferentes regiones del país (nulas, bajas, intermedia y elevada), lo cual permite asignar un coeficiente de aceleración horizontal y vertical del terreno, que al ser multiplicado por la masa sísmica de la edificación nos permite estimar su respuesta y poder así efectuar su diseño estructural. Dentro de este renglón existe un criterio de clasificación universal de suma importancia, que permite estimar la respuesta más realista de la edificación ante un evento sísmico, y se trata de la forma espectral del terreno que depende de la condición geotécnica del sitio (suelos densos o duros Vs suelos duros o compactos). Una forma de caracterizar la forma espectral del terreno, es a través de correlación con ensayos de campo tales como: el ensayo de penetración estándar (SPT), el ensayo de penetración cónica (CPT) o el ensayo de índice de calidad de la roca (RQD). Ahora bien, esto quiere decir que el Informe Geotécnico nos va a permitir estimar la repuesta sísmica real de la edificación, en vista de que vamos a poder identificar el comportamiento esperado del sitio en el que nos vamos apoyar, según los lineamientos fijados por el código de diseño sísmico que aplique en el proyecto.

9. Presencia de Nivel Freático y/o Aguas Subterráneas:

Se identifican las profundidades de aguas detectadas en los sondeos, acotando que estos niveles se localizaron en una fecha y condición meteorológica determinada. Esta información será de suma utilidad para el ingeniero geotécnico al momento de emitir recomendaciones de diseño y construcción de los sistemas de fundación, y servirá de alerta a la hora de efectuar excavaciones a cielo abierto y cuáles son las medidas de protección que deben ser acatadas. Esto permitirá identificar posibles patrones de licuación y determinar que tanto pudiese verse afectada la sensibilidad del terreno desde el punto de vista de capacidad portante.

10. Análisis de Resultados de Campo y Laboratorio:

En función de los resultados obtenidos en campo y laboratorio, se emite un análisis de tipo cuantitativo y cualitativo que permitirá construir una matriz del comportamiento geotécnico del sitio.

11. Evaluación de la Capacidad Portante del Terreno en función del Sistema de Fundación Seleccionado (Diseño por Resistencia):

Se debe dejar claro que el terreno por sí sólo no va a manifestar una capacidad portante admisible determinada, sino que va a depender del tipo de sistema de fundación seleccionado y de la geometría del mismo, es decir, es incorrecto decir: «ese suelo tiene una capacidad portante de 1 kgf/cm²”, lo correcto sería decir: “el terreno manifiesta una capacidad portante de 1 kgf/cm² para un sistema de fundación diseñado con zapatas de dimensiones 1.5 m x 1.5 m y para una profundidad de desplante (Df) de 1.8 m”; en vista de que cualquier variación en el tipo de cimentación, geometría, dimensiones en planta y profundidad de desplante determinarán una capacidad portante diferente del sistema “suelo-fundación”. En este punto es importante que el ingeniero geotécnico posea un estimado de las cargas de la edificación, con la finalidad de seleccionar el sistema de fundación más adecuado y pueda además reportar un abanico de posibilidades geométricas y de profundidad para el rango de cargas actuantes. De forma ilustrativa podemos indicar que si el sistema de fundación se compone de zapatas, entonces se deberá elaborar una tabla con diferentes tamaños de zapatas y profundidades de desplante que permita abarcar el rango de cargas actuantes, de forma tal que el ingeniero estructural pueda seleccionar las opciones que mejor se adapten a los requerimientos del proyecto. Bajo el mismo esquema, si se trata de un sistema de fundación con pilotes se deberá disponer de una tabla con diferentes diámetros y longitudes, con la finalidad de seleccionar la mejor solución en función del nivel de carga actuante.

12. Cálculo de Asentamientos Esperados (Diseño por Rigidez):

La rigidez infinita no existe en el terreno de fundación, es decir, todos los sistemas de fundación siempre van a sufrir algún nivel de asentamiento, por lo que se hace necesario que se reporte el nivel de asentamiento o deformación esperada del terreno, en función del esfuerzo actuante y la geometría del sistema de fundación seleccionado. La distorsión angular se define como la relación entre el asentamiento diferencial que se origina entre dos apoyos y la distancia que los separa. Si se dispone de información relacionada con la magnitud de los asentamientos esperados y luces promedio del proyecto, se podrán estimar las distorsiones esperadas y se podrán fijar límites máximos de distorsión en función de la arquitectura del proyecto, tipo de acabados y configuración de miembros estructurales. No es lo mismo fijar una distorsión angular máxima para un proyecto donde predominan las fachadas de vidrio que para una edificación donde predomina la mampostería.

13. Conclusiones:

Deben ser claras y precisas, sin ambigüedades. Se debe reportar la conclusión de cada aspecto observado en los puntos anteriores; destacando las prohibiciones que apliquen y que puedan estar referidas al uso de un sistema de fundación en particular o una profundidad límite para algún tipo de excavación. Se concluye en función de los aspectos geológicos, geotécnicos, estructurales, sísmicos, hidráulicos, hidrológicos, y cualquier otro que sea determinante en la solución que deba adoptarse en el proyecto.

14. Recomendaciones:

De tipo geotécnico y estructural para las diferentes propuestas de cimentación suministradas en el informe, recomendaciones de excavaciones, métodos constructivos, control de deformaciones y distorsión angular, medidas de protección en los procesos constructivos, técnicas para el mejoramiento o estabilización de suelos que puediesen estar sometidos a algún tipo de amenaza de tipo geológica o geotécnica, tales como presencia de suelos colapsables, licuables o expansivos. En vista de lo amplio que pueden llegar a ser las recomendaciones, se sugiere elaborar renglones para las diferentes especialidades involucradas en el proyecto, de forma tal que el informe geotécnico posea un enfoque totalmente práctico y funcional.

15. Anexos:

Es tradición colocar en los anexos: el croquis de ubicación de los sondeos, el perfil probable del terreno, el perfil estratigráfico utilizado en el diseño de las cimentaciones, los registros de campo de los sondeos efectuados, planta tipo de la edificación, las planillas de los ensayos de laboratorio, y cualquier otra información que permita complementar los aspectos reportados en el informe. Si se dispone de un extracto de una publicación donde se indiquen técnicas, sugerencias o consejos para efectuar alguno de los procesos contemplados en el proyecto, entonces ¿por qué no incluirlo también?. El informe geotécnico debe ser una guía de ejecución, de la misma forma como lo son los planos de detalles, la memoria descriptiva o incluso el cómputo métrico de obras.

El sistema “suelo-fundación” debe ser analizado como un todo, donde los aspectos geotécnicos y estructural se convergen en los puntos de apoyo de nuestras edificaciones. La investigación geotécnica es una actividad de ejecución obligatoria cuyo producto será el Estudio Geotécnico, que deberá ser utilizado por los profesionales involucrados en el proyecto tanto en la fase de concepción del mismo como en su fase de construcción.

b) Ejemplos de análisis de suelos y materiales en ingeniería civil.

Propiedades de los materiales

Con objeto de utilizar y combinar adecuadamente los materiales de construcción los proyectistas deben conocer sus propiedades. Los fabricantes deben garantizar unos requisitos mínimos en sus productos, que se detallan en hojas de especificaciones. Entre las distintas propiedades de los materiales se encuentran:

• Densidad: relación entre la masa y el volumen
• Higroscopicidad: capacidad para absorber el agua
• Coeficiente de dilatación: variación de tamaño en función de la temperatura
• Conductividad térmica: facilidad con que un material permite el paso del calor
• Resistencia mecánica: capacidad de los materiales para soportar esfuerzos
• Elasticidad: capacidad para recuperar la forma original al desaparecer el esfuerzo
• Plasticidad: deformación permanente del material ante una carga o esfuerzo
• Rigidez: la resistencia de un material a la deformación

Tipos de materiales.

Atendiendo a la materia prima utilizada para su fabricación, los materiales de construcción se pueden clasificar en diversos grupos:

Arena

Se emplea arena como parte de morteros y hormigones

• Arena

El principal componente de la arena es la sílice o dióxido de silicio (SiO₂). De este compuesto químico se obtiene:

• Vidrio, material transparente obtenido del fundido de sílice.
• Fibra de vidrio, utilizada como aislante térmico o como componente estructural (GRC, GRP)
• Vidrio celular, un vidrio con burbujas utilizado como aislante.

Arcilla

La arcilla es químicamente similar a la arena: contiene, además de dióxido de silicio, óxidos de aluminio y agua. Su granulometría es mucho más fina, y cuando está húmeda es de consistencia plástica. La arcilla mezclada con polvo y otros elementos del propio suelo forma el barro, material que se utiliza de diversas formas:

• Barro, compactado "in situ" produce tapial
• Cob, mezcla de barro, arena y paja que se aplica a mano para construir muros.
• Adobe, ladrillos de barro, o barro y paja, secados al sol.

Cuando la arcilla se calienta a elevadas temperaturas (900ºC o más),² ésta se endurece, creando los materiales cerámicos:

• Ladrillo, ortoedro que conforma la mayoría de paredes y muros.
• Teja, pieza cerámica destinada a canalizar el agua de lluvia hacia el exterior de los edificios.
• Gres, de gran dureza, empleado en pavimentos y revestimientos de paredes. En formato pequeño se denomina gresite
• Azulejo, cerámica esmaltada, de múltiples aplicaciones como revestimiento.

De un tipo de arcilla muy fina llamada bentonita se obtiene:

• Lodo bentonítico, sustancia muy fluida empleada para contener tierras y zanjas durante las tareas de cimentación

Piedra

La piedra se puede utilizar directamente sin tratar, o como materia prima para crear otros materiales. Entre los tipos de piedra más empleados en construcción destacan:

• Granito, tradicionalmente usado en toda clase de muros y edificaciones, actualmente se usa principalmente en suelos (en forma de losas), aplacados y encimeras. De esta piedra suele fabricarse el:
  • Adoquín, ladrillo de piedra con el que se pavimentan algunas calzadas.
• Mármol, piedra muy apreciada por su estética, se emplea en revestimientos. En forma de losa o baldosa.
• Pizarra, alternativa a la teja en la edificación tradicional. También usada en suelos.
• Caliza, piedra más usada en el pasado que en la actualidad, para paredes y muros.
• Arenisca, piedra compuesta de arena cementada, ha sido un popular material de construcción desde la antigüedad.

La piedra en forma de guijarros redondeados se utiliza como acabado protector en algunas cubiertas planas, y como pavimento en exteriores. También es parte constitutiva del hormigón

• Grava, normalmente canto rodado.

Mediante la pulverización y tratamiento de distintos tipos de piedra se obtiene la materia prima para fabricar la práctica totalidad de los conglomerantes utilizados en construcción:

• Cal, Óxido de calcio (CaO) utilizado como conglomerante en morteros, o como acabado protector.
• Yeso, sulfato de calcio semihidratado (CaSO₄ · ¹/₂H₂O), forma los guarnecidos y enlucidos.
  • Escayola, yeso de gran pureza utilizado en falsos techos y molduras.
• Cemento, producto de la calcinación de piedra caliza y otros óxidos.

El cemento se usa como conglomerante en diversos tipos de materiales:

• Terrazo, normalmente en forma de baldosas, utiliza piedras de mármol como árido.
• Piedra artificial, piezas prefabricadas con cemento y diversos tipos de piedra.
• Fibrocemento, lámina formada por cemento y fibras prensadas. Antiguamente de amianto, actualmente de fibra de vidrio.

El cemento mezclado con arena forma el mortero: una pasta empleada para fijar todo tipo de materiales (ladrillos, baldosas, etc), y también como material de revestimiento (enfoscado) cuando yeso y cal no son adecuados, como por ejemplo en exteriores, o cuando se precisa una elevada resistencia o dureza.

• Mortero
  • Mortero monocapa, un mortero prefabricado, coloreado en masa mediante aditivos

El cemento mezclado con arena y grava forma:

• Hormigón, que puede utilizarse solo o armado.
  • Hormigón, empleado sólo como relleno.
  • Hormigón armado, el sistema más utilizado para erigir estructuras
  • GRC, un hormigón de árido fino armado con fibra de vidrio
  • Bloque de hormigón, similar a un ladrillo grande, pero fabricado con hormigón.

El yeso también se combina con el cartón para formar un material de construcción de gran popularidad en la construcción actual, frecuentemente utilizado en la elaboración de tabiques:

• Cartón yeso, denominado popularmente Pladur por asimilación con su principal empresa distribuidora, es también conocido como Panel Yeso.

Otro material de origen pétreo se consigue al fundir y estirar basalto, generando:

• Lana de roca, usado en mantas o planchas rígidas como aislante térmico.

Metálicos

Los más utilizados son el hierro y el aluminio. El primero se alea con carbono para formar:

• Acero, empleado para estructuras, ya sea por sí solo o con hormigón, formando entonces el hormigón armado.
• Perfiles metálicos
• Redondos
• Acero inoxidable
• Acero cortén

Otros metales empleados en construcción:

• Aluminio, en carpinterías y paneles sandwich.
• Zinc, en cubiertas.
• Titanio, revestimiento inoxidable de reciente aparición.
• Cobre, esencialmente en instalaciones de electricidad y fontanería.
• Plomo, en instalaciones de fontanería antiguas. La ley obliga a su retirada, por ser perjudicial para la salud.

Orgánicos

Fundamentalmente la madera y sus derivados, aunque también se utilizan o se han utilizado otros elementos orgánicos vegetales, como paja, bambú, corcho, lino, elementos textiles o incluso pieles animales.

• Madera
• Contrachapado
• OSB
• Tablero aglomerado
• Madera cemento
• Linóleo suelo laminar creado con aceite de lino y harinas de madera o corcho sobre una base de tela.
• Guadua

Sintéticos

Fundamentalmente plásticos derivados del petróleo, aunque frecuentemente también se pueden sintetizar. Son muy empleados en la construcción debido a su inalterabilidad, lo que al mismo tiempo los convierte en materiales muy poco ecológicos por la dificultad a la hora de reciclarlos.

También se utilizan alquitranes y otros polímeros y productos sintéticos de diversa naturaleza. Los materiales obtenidos se usan en casi todas las formas imaginables: aglomerantes, sellantes, impermeabilizantes, aislantes, o también en forma de pinturas, esmaltes, barnices y lasures.

• PVC o policloruro de vinilo, con el que se fabrican carpinterías y redes de saneamiento, entre otros.
  • Suelos vinílicos, normalmente comercializados en forma de láminas continuas.
• Polietileno. En su versión de alta densidad (HDPE ó PEAD) es muy usado como barrera de vapor, aunque tiene también otros usos
• Poliestireno empleado como aislante térmico
  • Poliestireno expandido material de relleno de buen aislamiento térmico.
  • Poliestireno extrusionado, aislante térmico impermeable
• Polipropileno como sellante, en canalizaciones diversas, y en geotextiles
• Poliuretano, en forma de espuma se emplea como aislante térmico. Otras formulaciones tienen diversos usos.
• Poliéster, con él se fabrican algunos geotextiles
• ETFE, como alternativa al vidrio en cerramientos, entre otros.
• EPDM, como lámina impermeabilizante y en juntas estancas.
• Neopreno, como junta estanca, y como "alma" de algunos paneles sandwich
• Resina epoxi, en pinturas, y como aglomerante en terrazos y productos de madera.
• Acrílicos, derivados del propileno de diversa composición y usos:
  • Metacrilato, plástico que en forma trasparente puede sustituir al vidrio.
  • Pintura acrílica, de diversas composiciones.
• Silicona, polímero del silicio, usado principalmente como sellante e impermeabilizante.
• Asfalto en carreteras, y como impermeabilizante en forma de lámina y de imprimación.