El blog de Alvaro Boiero

"Vive como si fueras a morir mañana. Aprende cómo si fueras a vivir siempre" Mahatma Gandhi

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Caracterización geotécnica del terreno

La Ingeniería Civil y la Ingeniería Ambiental incluyen la concepción, análisis, diseño, construcción, operación y mantenimiento de una gran diversidad de estructuras, facilidades y sistemas, los cuales son construidos sobre, en o con suelo y/o roca (Mitchell & Soga, 2005). De ahí que la caracterización geotécnica de un determinado terreno, constituye un paso fundamental para cualquier proyecto civil y/o ambiental.

Suelos y Rocas

Para los ingenieros civiles, los materiales que componen la corteza terrestre se clasifican arbitrariamente en dos categorías: suelo y roca. Pero, ¿cómo se definen? ¿cuáles son las principales diferencias entre uno y otro?

 

Lo primero que cabe destacar, es que cualquier suelo es producto de la desintegración física y química de una roca, independientemente de los procesos posteriores a los que se vea sometido este producto (como puede ser el transporte para el caso de suelos sedimentarios, o la meteorización in situ para el caso de suelos residuales).

 

Considerando lo anterior, desde el punto de vista de la Ingeniería Geotécnica, podemos decir que el suelo es una acumulación de sedimentos y otros artículos sólidos no consolidados, producidos por la desintegración mecánica y química de las rocas a la que se hizo mención anteriormente, independientemente de que contengan o no una mezcla de componentes orgánicos (Terzaghi, 1943). La roca, por su parte, es un material con una fuerte cohesión interna y fuerzas moleculares que mantienen unidos los granos minerales que la componen (Holtz et al, 2011).

Figura 1 Suelos (izquierda) y rocas (derecha).

Para el diseño de instalaciones civiles, es fundamental comprender el comportamiento del suelo, ya que experimentará mayores deformaciones que las rocas bajo cargas externas. Asimismo, para el caso de estructuras apoyadas sobre macizos rocosos, las mismas pueden sufrir deformaciones dependiendo de la presencia o no de discontinuidades en el macizo. Es po ello que la caracterización geotécnica es esencial para cualquier proyecto.

El proceso de caracterización geotécnica

Ya conociendo la naturaleza de los suelos y las rocas, ahora sí podemos hablar sobre el proceso de caracterización geotécnica.

 

La caracterización geotécnica es, ante todo, un proceso complejo ¿Por qué es complejo? Pues porque es el resultado de una serie de actividades desarrolladas en campo, laboratorio y oficina, siguiendo procedimientos y normas rigurosas para su ejecución, que implica la toma de decisiones técnicas en base a las condiciones variables del terreno bajo estudio.

 

Este proceso de caracterización se inicia en la etapa de exploración del subsuelo, continúa con los ensayos de campo y de laboratorio realizados con el fin de estimar determinadas propiedades del suelo, y culmina con la interpretación de los datos disponibles y la delimitación de sectores del terreno estudiado, considerando las características de resistencia de los estratos detectados, y la respuesta esperada de estos estratos a las cargas externas.

 

Así, uno de los rasgos fundamentales de la caracterización geotécnica incluye la zonificación del terreno estudiado, con el fin de identificar unidades geológicamente “homogéneas”, que pueden abarcar diferentes edades geológicas. La Figura 2 muestra de forma esquemática el proceso de caracterización geotécnica.

Figura 2 Proceso de caracterización geotécnica.

Es importante destacar que los estratos del suelo nunca son realmente homogéneos. Las propiedades del suelo en un sitio pueden mostrar grandes variaciones locales, pero puede que no haya tendencias generales en las variaciones, y las propiedades medias pueden ser esencialmente las mismas en todas las partes del sitio (Taylor, 1948). Este hecho es muy importante, puesto que el análisis de cualquier problema geotécnico requiere la adopción de un modelo de comportamiento del suelo, el cual se basa en parámetros geotécnicos que describen el comportamiento del terreno en cuanto a sus condiciones de carga-deformación. Estos parámetros del suelo no se conocen de antemano, por lo que el ingeniero geotécnico debe medir estos parámetros en condiciones controladas de laboratorio o de campo, o estimarlos a partir de otros datos (Kulhawy & Mayne, 1990).

 

De esta forma, la caracterización geotécnica se completa asignando parámetros geomecánicos representativos a cada sector delimitado en la zonificación geotécnica, los cuales se utilizarán posteriormente en el diseño geotécnico de cimentaciones, muros, pavimentos y preparación del sitio, y para la evaluación de potenciales problemas relacionados con el terreno que podrían afectar la funcionalidad del proyecto durante su vida útil.

Parámetros geomecánicos

La asignación de parámetros geomecánicos es una de las actividades más importantes de la caracterización geotécnica de un terreno, fundamentalmente porque los mismos serán la data de entrada para la aplicación de modelos teóricos del comportamiento del suelo. Este comportamiento es sumamente complejo, tal como lo describen Ladd et al (1977): “Un modelo generalizado de comportamiento esfuerzo-deformación de suelos debe idealmente considerar la no-linealidad, dilatancia variable (cambio de volumen por esfuerzos cortantes), y anisotropía, además del comportamiento dependiente de la trayectoria de esfuerzos, el sistema de esfuerzos (orientación de σ1 y magnitud relativa de σ2), e historia de esfuerzos (tanto iniciales como los resultantes de un proceso de consolidación)”. Esta complejidad se ilustra a través de la información presentada en la Tabla 1, la cual resume las principales característica de los modelos analíticos disponibles para representar el comportamiento de suelos.

Tabla 1 Categorías de métodos analíticos para modelaje de suelos (Jamiolkowski et al, 1985).

Categoría

Principales aspectos del modelo

Determinación de parámetros geomecánicos

I

Modelos muy avanzados que emplean leyes de comportamiento elasto-plástico no lineal dependiente del tiempo, con incorporación de comportamiento anisotrópico.

Únicamente a partir de sofisticados ensayos de laboratorio, con excepción de variables que deben ser obtenidas a partir de ensayos in situ.

II

Modelos avanzados que emplean leyes constitutivas con incrementos y relaciones elásticas no lineales.

Ensayos de laboratorio que son un poco más sofisticados que los ensayos convencionales; ensayos in situ pueden también ser necesarios.

III

Modelos simples, como el isotrópico-elástico continuo, incluyendo estratificación y modelos teóricos.

Ensayos de laboratorio convencionales y ensayos in situ.

Como se desprende de la tabla anterior, los modelos presentan un rango que varía de complejo (I), a avanzado (II), a simple (III) en lo que se refiere a la descripción del suelo. Asimismo, resulta evidente que los modelos constitutivos para el comportamiento del suelo requieren data de entrada en forma de propiedades del suelo y de parámetros in situ. En la mayoría de los casos prácticos, la categoría III usualmente es la más apropiada para ser empleada en diseño.

 

Jamiolkowski et al (1985) discuten sobre la disponibilidad de ensayos de laboratorio y pruebas in situ a emplear en la caracterización de suelos, enfocándose en el amplio rango de aspectos ligados al comportamiento de suelos, y sugiriendo que el modelaje de suelos es una tarea sumamente difícil. En un próximo post trataremos este tema, fundamental para el desarrollo de cualquier estudio geotécnico.

 

4. Referencias

  • Ladd, C.; Foot, R.; Ishihara, K.; Schlosser, F. & Poulos, H. (1977) “Stress-Deformation and Strenght Characteristics”. Proceedings 9th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Vol. 2, Tokio, Japan.
  • Holtz, R., Kovacs, W. & Sheahan, T. (2011) “An Introduction to Geotechnical Engineering”, 2nd ed., Pearson, USA.
  • Jamiolkowski, M.; Ladd, C.; Germaine, J. & Lancellotta, R. (1985) “New Developments in Field and Laboratory Testing of Soils”. Proceedings 11th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Vol. 1, San Francisco, USA.
  • Kulhawy, F. & Mayne, P. (1990) “Manual on Estimating Soil Properties for Foundation Design”, prepared by Cornell University Geotechnical Engineering Group, Hollister Hall, New York, USA.
  • Mitchell, J. & Soga, K. (2005) «Fundamentals of Soil Behavior”, 3rd ed., John Wiley & Sons, New Jersey, USA.
  • Taylor, D. (1948) “Fundamentals of Soil Mechanics”, 1st ed., John Wiley & Sons, New York, USA.
  • Terzaghi, K. (1943) “Theoretical Soil Mechanics”, 1st ed., John Wiley & Sons, New York, USA.