PROBLEMAS PLANTEADOS POR EL TERRENO EN LA INGENIERÍA CIVIL CIMENTACIONES En la ingeniería Civil, la mayoría de las construcciones están apoyadas en el suelo, por ello es indispensable saber si el suelo es firmen o a que profundidad encontramos suelo firme. Tenemos el caso de las cimentaciones superficiales que son las zapatas aisladas (cuando el suelo firme es casi superficial) y las cimentaciones profundas, que usan los pilotes, cajones o pilas (el suelo firme esta varios metros de profundidad) que requieren métodos más sofisticados para su construcción, ya sean fabricados en sito o prefabricados. El problema de cimentación no es simplemente el definir alguna estructura ajena al suelo, sino la elaboración de un apoyo satisfactorio y económico para una estructura, el cual puede ser el suelo con algún tratamiento adecuado que le mejore la capacidad de carga. El problema fundamental es evitar asentamientos que en algunas edificaciones puede aceptarse hasta 0.5 m, pero en otras 0.02 cm es demasiado (estaciones de radar). UN EJEMPLO DE UN EDIFICIO (centro de estudiantes del M.I.T.) con las siguientes características (cimentación superficial por placa): Peso muerto = 32 000 Tn. Carga viva = 5 000 Tn.
Carga total = 37 000 Tn.
Causaría un asentamiento de 0.30 m, lo que dañaría la estructura de la edificación, si optamos por cavar y retirar suelo en un peso de 29 000 Tn la carga neta sobre el suelo seria de 8 000 Tn y el asentamiento seria de 5–8 cm. Este método de reducción de carga neta (compensación de cargas o flotación), evaluando la profundidad, nivel freático, esfuerzos en las placas, daños a terceros y el uso de elementos de protección durante la excavación (muros). EJEMPLO DE CIMENTACIÓN CON PILOTES (centro de materiales M.I.T.): Peso muerto = 15 650 Tn. Carga viva = 12 200 Tn.
Carga total ≈ 28 000 Tn.
Numero de pilotes = 537 Capacidad por pilote = 70 Tn. Se uso este sistema por la importancia de la estructura y por que el estrato de suelo blando era de mayor altura. Los pilotes son colocados in situ y de trabajo en punta. Se buscando satisfacer los requerimientos del proyecto viendo el tipo, la carga, separación entre pilotes, método, secuencia de colocación, errores permisibles y daños a estructuras aledañas. EJEMPLO DE UN TERRAPLÉN de 10 m de altura sobre una capa de 9.6 m de espesor de suelo blando, con el objetivo de consolidar el suelo con una pre
carga, para posteriormente se construya un deposito cilíndrico (sobrecarga previa). A que tener presente la altura del la altura de terraplén, velocidad y métodos de construcción, los taludes, asentamientos y el tiempo antes de retirarlo. El las cimentaciones no solo hay asentamientos, también encontramos hinchamientos propio de suelos expansivos y aliviados, usualmente con la presencia de montmorilonita.se busca evitar daños dándole al suelo espacios para que pueda hincharse. EL SUELO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN EJEMPLO DE UNA PRESA DE TIERRA, el material de préstamo es arcilla para el núcleo o corazón, revistiéndose de grava y enrocado para evitar la erosión, es importante resaltar que el material usado es de la zona (arcilla), en cuanto a gravas y rocas de una zona cercana. Este tipo de presas se adopta cada vez más por su economía y mejores resultados, pero debemos tener en cuéntalas dimensiones optimas, espesores de grava y roca, hinchamientos, humedad, resistencia, permeabilidad, durabilidad, perdidas y restricciones. EJEMPLO DE UNA ESTRUCTURA DE RECUPERACIÓN DE TIERRAS, en zonas como la costa ya no queda suelo donde construir por ello se desarrollan islas artificiales como la estación marítima La Salina, Venezuela, se elaboro un muro o pantalla de concreto generando un recipiente en forma rectangular, mediante un proceso de dragado movieron suelos del fondo del lago a la isla, definiendo antes la profundidad de la pantalla, los arriostres laterales de los pilotes, método del dragado, resistencia y compresibilidad el relleno hidráulico y donde quedarían los residuos de este proceso. EJEMPLO DE PAVIMENTO DE UNA CARRETERA, uno de los usos más comunes del suelo es en pavimentos, siendo flexibles (asfalto) o rígidos (concreto), en este caso se tiene subrasante mejorada de 15 cm, una base de 15 cm estabilizado con 7 % de cemento portland tipo 1 de su peso y superficie de rodadura de 5 cm de mezcla asfáltica fina. Los aspectos que se evaluaron como espesor de las capas, porcentaje de material estabilizante, utilidad del material, método de compactación y mezcla más económica de asfalto, definen la ingeniería del proyecto.
TALUDES Y EXCAVACIONES Cuando la superficie de terreno se encuentra inclinada, se empiezan a generar esfuerzos tangenciales, los cuales si son mayores a la resistencia al corte del suelo, generan deslizamientos para tal caso es necesario evaluar la estabilidad de los taludes sabiendo que a mayor pendiente aumenta el riesgo. Distintos factores influyen en la estabilidad, como el tipo de suelo, la presencia de agua, la pendiente, el tipo de estructura que se va a construir sobre el talud y otros. De ser el caso se debe usar elementos de arriostre como tablestacados y puntales (durante la excavación), mejoramientos del suelo o drenajes. Ejemplos de taludes son los canales, zanjas, laderas (natural), terraplén. CANAL DE PANAMA, un mega proyecto iniciado en 1883 por una compañía francesa, pero que en 1899 se paralizo por problemas de ingeniería y personal. 1903 EE.UU. firmaron un tratado con Panamá, para el control del canal a perpetuidad, la construcción término el 1916 con 82.5 km de largo, 315 millones de m3 excavados y un costo total de 380 millones de dólares, la presencia de una lutita muy blanda causa constantes interrupciones del canal por los deslizamientos, has hoy en día el canal de Panamá sigue siendo un reto geológico para los ingenieros. ESTRUCTURAS ENTERRADAS Y DE RETENCIÓN El suelo causa distintas fuerzas sobre las estructuras, por ello estas deben estar previstas para soportar esta carga. EJEMPLO DE ESTRUCTURAS DE RETENCIÓN O SOSTENIMIENTO, veamos el tablestacado anclado que es un sistema de retención que se encuentra anclado en su parte inferior y apoyado con un puntal en la parte superior, este debe estas hecho para resistir la presión lateral del suelo, y prever una posible superficie de falla debajo del nivel inferior del tablestacado. Se debe definir el tipo, material, profundidad de anclaje, longitud, sistema de anclaje exterior, la distribución de presión del suelo para la estabilidad general, tipo de drenaje y limitaciones. EJEMPLO DE TUBERÍA ENTERRADA, en cuanto más avanza la industria, se requiere de elementos de transmisión de cable, ductos de agua, alcantarillados y otros, que dependiendo de su uso pueden ser tuberías flexibles o rígidas. Los métodos actuales de diseño dan resultados adecuados y buenos márgenes de seguridad, pero llegan al sobredimensionamiento, encareciendo la obra, un
caso de estos es una tubería de acero de 760 mm de diámetro y 9.5 mm de espesor, los métodos de cálculo de deflexión dieron 8 mm, la tubería aguanta hasta 38 mm, pero al medir se tuvo 4.3 mm. PROBLEMAS ESPECIALES DE INGENIERÍA DE SUELOS VIBRACIONES, algunos suelos granulares son propensos a compactarse fácilmente con las vibraciones causadas por los equipamientos de los edificios, causando así asentamientos o incluso resonancia. EXPLOSIONES Y TERREMOTOS, producen ondas que se transmiten por el suelo y hacen vibrar las construcciones, el uso de explosivos hace querer tener construcciones que resistan los impactos de onda que estos causan, en especial de los explosivos atómicos. Se plantea el uso de estos en la construcción de canales u otros, pero se duda de la reacción de la geología cercana a tal impacto, o en las formaciones que estas generen. EL ALMACENAMIENTO DE FLUIDOS INDUSTRIALES EN DEPÓSITOS DE TIERRA, llega hacer muy útil y barato, usado para almacenar petróleo por una mejor interface entre este fluido y las partículas de suelo, también se usa para almacenar propano a -42ºC y gas natural licuado a -160ºC, ya que a esta temperatura el suelo húmedo es prácticamente impermeable. HELADA, la expansión por efectos de helada es un problema que en las zonas donde hay este fenómeno causa grandes daños si no se controla en forma adecuada, para el ingeniero es un reto ya que tiene que prever que el material no se expanda, que los pavimentos aguanten el reblandecimiento de primavera y siga funcionando la estructura. HUNDIMIENTOS REGIONALES, causados por la extracción de petróleo y agua del subsuelo, la forma de evitarlos es buscar como reponer los volúmenes extraídos. LA RESOLUCIÓN DE LOS PRIMEROS PROBLEMAS DE INGENIERÍA EN SUELOS La combinación de la mecánica de suelos, geología, exploración, la experiencia, hacen dar una solución adecuada al problema de suelos, la economía nos define la solución más adecuada pero sin dejara atrás al criterio del ingeniero que tiene la última palabra en la solución. El suelo es un elemento que depende de muchas variables lo que nos puede hacer desconfiar en una única solución, lo que hace a cada caso particular.
