PAPEL QUE REPRESENTA LA MECANICA DE SUELOS, ESTATICA Y DINAMICA, EN LA INGENIERIA CIVIL Por Dr. Leonardo Zeevaert* INTRODUCCIÓN El suelo para el Ingeniero Civil es de suma importancia, ya sea para el apoyo de las estructuras que diseña como son edificios, puentes, puertos, torres, etc., o bien como material de construcción en diques, cortinas, terracerías, rellenos, etc. De aquí que el papel que juega la Mecánica de Suelos en la Ingeniería Civil se puede decir que es prioritario y debe constituir un conocimiento amplio de ingeniero dedicado a esta rama de la ingeniería, principalmente por lo que respecta r especta al comportamiento del material “suelo” en sus s us diferentes presentaciones en la naturaleza, así como de las herramientas disponibles que permitan analizar los diferentes problemas que se presentan desde un punto de vista práctico en Ingeniería. La mecánica de suelos trata del conocimiento cualitativo y cuantitativo de las propiedades físicas de los sedimentos de diferente origen geológico. Los problemas en mecánica de suelos pueden ser clasificados en dos grandes grupos: éstos son: 1)
Problemas de estabilidad
2)
Problemas de deformación
Se entiende que las herramientas que se aplican en la resolución de los problemas de mecánica de suelos contienen parámetros que las gobiernan. Independientemente de la bondad de la teoría en cuestión, cu estión, los parámetros representativos repres entativos de las condiciones en campo ca mpo son fundamentales para obtener la precisión deseada desde un punto de vista práctico de ingeniería. De aquí la necesidad de poner extremada atención en la obtención de muestras del suelo. Además, los procedimientos de ensayo en el laboratorio deben ser compatibles con las condiciones de campo. El manejo de las muestras durante el transporte y en el laboratorio debe ser cuidadoso principalmente si éstas se deben a suelos sensitivos. Así también el uso de las sondas en campo, como el SPT y el CPT, debe de ser realizado dentro de las establecidas y cumplir fielmente con las normas en la aplicación de éstas. 1)
PROBLEMAS DE ESTABILIDAD
Los problemas de estabilidad, ya sean para el apoyo de las cimentaciones de estructuras o bien de material de préstamo para par a obras de retención o vialidad, requieren del conocimiento conoc imiento de las propiedades de resistencia del suelo. El material suelo se encuentra en la naturaleza con diferentes proporciones. Estos suelos se consideran sin cohesión, tratándose únicamente de un material friccionante con cierto límite de resistencia que depende de * Profesor Emérito de la Facultad de Ingeniería. Universidad Nacional Autónoma de México. Conferencia Facultad Ingeniería, U.N.A.M. 4 de diciembre diciembre de 1990.
varios factores básicos como son: a)
Estado de confinamiento
b)
Granulometría y forma de los granos
c)
Compacidad
d)
Saturación cuando contienen limo y arena fina.
Obviamente, podrán existir otros factores por considerar, como es la erosión interna o externa dependiendo del problema de que se trate con respecto a las condiciones ambientales que existan en el sitio o bien que se motiven por la construcción. El incremento en la presión del agua de poro accionada por los sismos debe tomarse en cuenta en los problemas de estabilidad. Cuando se trata de sedimentos cohesivos, arcilla-limosa o limos arcillosos o bien donde estos empacan totalmente a las arenas y gravas, el cementante o sea la arcilla proporciona una resistencia adicional. En estos casos el análisis de la resistencia del suelo resulta más complicado por el comportamiento del cementante “arcilla”, que tiene diferentes propiedades que dependen de los minerales producto de la alteración química de las rocas de donde provienen y del contenido de agua. El contenido de agua es de suma importancia en la magnitud de la resistencia dada por la cohesión que proporcionan los minerales de arcilla. Si el suelo se encuentra totalmente hidratado, no necesariamente saturado, sus propiedades de resistencia son diferentes, a que si el suelo se encuentra semi-saturado. Por otro lado, cuando el suelo se encuentra saturado, la resistencia al esfuerzo cortante depende de la rapidez con que se aplique el incremento de esfuerzos sobre él, ya sea por cargas transitorias cíclicas, como por ejemplo, sismo, viento, oleaje, tránsito o maquinaria. Así pues es necesario diagnosticar el tipo de carga cíclica en magnitud, frecuencia y duración. Para analizar el problema de estabilidad donde interviene exclusivamente la resistencia al esfuerzo cortante, es necesario diagnosticar el tipo de problema a tratar, estableciendo los factores más importantes con respecto al tipo de suelo que se presenta y el rango de esfuerzos aplicados sobe los existentes, a saber: a) El estado de esfuerzos a los cuales se encuentra compactado el suelo en la naturaleza. b) Grado de compactación c) Estructura o sensibilidad del suelo d) Resistencia cohesiva
e) Resistencia friccionante f) Grado de saturación g) Rango del estado de esfuerzos y rapidez con la que se pretende cargarlo h) Permeabilidad El diagnóstico del problema de que se trata dará la pauta sobre el estado de esfuerzos que deba aplicarse para los análisis de laboratorio en la determinación de los parámetros de resistencia en probetas de suelo inalterado, o bien como material de préstamo, tanto para aplicación estática transitoria o bien dinámica. En los problemas de estabilidad, es necesario conocer con la mayor precisión posible la estratigrafía del subsuelo hasta una profundidad a la cual se considere que por el diagnóstico del problema no se rebasará la resistencia del suelo. En algunos problemas de estabilidad se pueden utilizar sondas, que por relaciones empíricas pueden proporcionar, además de la correlación estratigráfica, valores aproximados de las propiedades de resistencia en relación a las características índices del suelo. Las ondas son principalmente útiles para detectar la estratigrafía como es el cono eléctrico. Correlaciones empíricas de la resistencia con esta sonda pueden obtenerse aproximadamente en grava fina, arena y limo, dicha correlación proporciona el conocimiento aproximado del ángulo de fricción interna, de estos suelos. En los suelos arcillosos no se obtienen las propiedades cohesivas con precisión, la sonda dará únicamente la resistencia total que es la suma de la cohesión y la de fricción la cual es función de la presión de poro generada durante el hincado. Para estos casos el cono constituye un método adecuado, siempre y cuando se tenga debidamente calibrado y se comprendan los datos empíricos que éste proporciona con el problema de estabilidad que se pretende resolver. Por lo que respecta a la prueba de penetración estándar (SPT) se puede decir que ésta presenta cierta ventaja sobre el cono por lo que se relaciona a la obtención de muestras semi-alteradas que pueden servir para determinar las características índices del suelo. Por otro lado está en desventaja con el cono (CPT) por lo que respecta a la precisión de obtener la relación estratigráfica continua, perdiéndose a veces estratos delgados o lentes que deban incluirse en el estudio estatigráfico. Se hace hincapié que los problemas de estabilidad se analizan con el estado de resistencia límite a lo largo de una superficie potencial de deslizamiento la que no siempre es una superficie cilíndrica, y posteriormente se aplica un factor de seguridad el cual depende de la confianza que el ingeniero proyectista dé a la herramienta y a los parámetros involucrados en ella.
III. PROBLEMAS DE DEFORMACION Una vez resuelto el problema de estabilidad que implica que no existirá una falla de la masa de suelo con un determinado factor de seguridad, es necesario cuantificar las deformaciones para justificar el comportamiento funcional de la obra por construir. Así pues, para realizar el análisis de los problemas de deformación será necesario conocer las propiedades esfuerzo-deformación-tiempo del suelo, tanto en dirección vertical o bien normal a los planos de estratificación, así como en sentido horizontal o paralelo a dichos planos. De las pruebas así efectuadas se determinan los parámetros a usar dentro del rango del esfuerzo octaédrico al que está sometido el suelo en la naturaleza y del nivel de esfuerzos, que se estima estará sujeto el suelo por la acción de las cargas aplicadas que deban ser compatibles con el factor de seguridad que se aplicará al problema de estabilidad en cuestión. El factor de seguridad en los problemas de deformación podrá variar de 1.5, 2 ó mayor dependiendo del problema de que se trate y la confianza que tenga el ingeniero proyectista en la herramienta a usar, sus parámetros, tiempo y condiciones estatigráficas. Sabemos que los parámetros de esfuerzo-deformación son función del nivel de esfuerzos aplicados y del tiempo de su aplicación. Dentro de este concepto, los parámetros no serán los mismos para una cimentación donde la carga se aplique lentamente o por la acción súbita que originaría una onda sísmica. Además, en suelos arcillo-limosos la deformación continúa con el tiempo una vez aplicada la carga, lo que implica el estudio de las leyes fenomenológicas de esfuerzo-deformación-tiempo. Dichos parámetros sólo pueden determinarse en probetas de suelo inalterado. De aquí la necesidad de perfeccionar los métodos de muestreo actuales que permitan obtener dichas probetas, de lo contrario los cálculos que se efectúen, aún usando las herramientas teóricas más ”exactas” no proporcionarán resultados cercanos a la realidad en campo. Los valores de los parámetros en buenas probetas “inalteradas”, difieren en forma importante de los obtenidos en probetas dañadas. Así también, los ensayos de laboratorio deberán sujetarse a normas estrictas en el manejo de las probetas durante el ensaye y los ensayos a realizarse en el rango de los esfuerzos que indique el diagnóstico del problema de que se trate. IV.
HERRAMIENTAS
Por herramientas en mecánica de suelos aplicada, se entienden los métodos de cálculo teórico o bien estadísticos desde el punto de vista de ingeniería práctica que se usan en la actualidad para resolver problemas de estabilidad y de deformación tanto estáticos como dinámicos. Las herramientas disponibles tienen diferentes grados de confiabilidad, algunas de ellas se basan en suponer que la masa del suelo es semi-infinita, isotrópica y homogénea, es decir, que los parámetros son constantes en toda la masa y en todas direcciones. Evidentemente, esto no sucede en campo porque se sabe al estudiar las condiciones estratigráficas que la masa del suelo está formada por estratos con diferentes propiedades índice y mecánicas y que en la mayoría de los casos la masa del suelo compresible queda limitada a una profundidad determinada por el suelo firme. De aquí que el ingeniero tiene que estar
consciente cuando aplica determinada herramienta a su problema y qué factor de seguridad debe usar. Los problemas de estabilidad generalmente se analizan por la resistencia dada por la “Ley de Coulomb” que se aplica a una superficie potencial de deslizamiento supuesta que proporcione el factor mínimo de seguridad, como es el caso de la estabilidad de los taludes naturales o bien construídos por el hombre, empuje de tierras, fricción en pilotes, capacidad de carga, zapatas de cimentación, etc. Consecuentemente, los factores de seguridad que deban asignársele a cada problema son diferentes. En los problemas de deformación aún en suelos estratigráficos, se necesitan hacer en las teorías hipótesis simplificatorias de cómo se distribuyen los esfuerzos en la masa de suelo, como es el caso de los análisis de hundimientos, corrimientos horizontales, expansiones por alivio de carga de las excavaciones y en los problemas de interacción suelo-estructura, ya sea para efectuar la compatibilidad de esfuerzos o bien la de deformaciones entre la estructura y el suelo. V.
SISMO-GEODINÁMICA.
Recientemente debido a los fuertes sismos que ocurren en zonas con depósitos de suelos blandos, como son los que se encuentran en la Ciudad de México, donde se han observado fallas de cimentaciones en la superficie del suelo, se ve la necesidad de que los ingenieros en general y principalmente los que cursan estudios superiores se interesen en los problemas sismo-geodinámicos. Aquí como en el caso de problemas de estabilidad y deformación estáticas se ve la necesidad de analizar el efecto de las cargas dinámicas transitorias o permanentes. En estos casos es necesario diagnosticar el problema sismogeodinámico relacionándolo con el orden de magnitud de la carga sísmica o esfuerzos en amplitud, frecuencia y duración correspondiendo al fenómeno que se espera en campo. Obviamente, las modalidades o metodología de los ensayos serán diferentes para un sismo que para la vibración producida por el tránsito o bien maquinaria. En este último caso, la aplicación cíclica de los esfuerzos de larga duración provocan una degradación importante de los suelos cohesivos que los hacen menos resistentes y más compresibles y que es necesario investigar cuando se presenta el problema de esfuerzos cíclicos sostenidos por largo tiempo. El equipo de laboratorio en el caso de pruebas dinámicas es mucho más sofisticado, que para los análisis estáticos, y en la mayoría de los casos es necesario recurrir a la importación de equipo. Cuando las pruebas se programan bien y con probetas de suelo inalterado, los resultados podrán ser compatibles con los del suelo en campo. Aquí también como se expresó anteriormente, el esfuerzo octaédrico del suelo en campo es necesario tomarlo en cuenta en las pruebas estableciendo así el nivel de esfuerzos inicial y posteriormente el rango del nivel de esfuerzos que se provea por la carga dinámica que se estima se aplicará en campo. Por otro lado, dichos parámetros se utilizan en las teorías o herramientas simplificadas desde un punto de vista de ingeniería práctica para valuar las acciones que las ondas
sísmicas producen en el subsuelo y en la cimentación y estimar los esfuerzos que se inducen en la masa de suelo, principalmente cerca de la superficie donde se apoyan las obras de ingeniería. La determinación de las propiedades dinámicas en probetas inalteradas, de suelos cohesivos representativas de cada uno de los estratos, deberán realizarse hasta donde estos apoyen en suelo firme, de los contrario los resultados no serán dignos de confianza. Finalmente, por lo anteriormente expuesto se pueden concluir que no existe en ingeniería civil ninguna estructura que no tenga que apoyarse en una y otra forma sobre el suelo o en su interior. De ahí que, el ingeniero que quiere entender y especializarse en los problemas de mecánica de suelos y sismo-geodinámica del suelo tiene que empezar temprano al estudio especializado tanto de la tecnología del comportamiento de los suelos en sus diferentes faces, como de las herramientas disponibles y de su confiabilidad. Aún más, se hace necesaria la investigación para desarrollar mejores métodos en la obtención de muestras inalteradas, en la técnica de laboratorio para la mejor determinación de los parámetros involucrados en las teorías y finalmente en mejorar y/o establecer nuevas herramientas prácticas para el cálculo teórico de los problemas que se presentan en el campo, por lo que respecta a la rama de la Mecánica de Suelos e Ingeniería de las cimentaciones. BIBLIOGRAFÍA BÁSICA DEL AUTOR 1) Foundation Engineering For Difficult Subsoil Conditions,2da. Edition 1982 Van Nostrand-Reinhold, New York. 2) Interacción Suelo-Estructura de Cimentación – Superficiales y Profundas – Estáticas y Sísmicas, Editorial Limusa (1980), México, D.F. 3) Sismo – Geodinámica de la Superficie del Suelo, 1988 Editora e Impresora Internacional, S. A. de C. V. México, D. F. (Ver Apéndice VII para lista de publicaciones del autor 1939-1988).
