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Ingeniería geotécnica

El proyecto Big Dig de Boston planteó desafíos geotécnicos en un entorno urbano. Muro de contención de hormigón prefabricado Sección transversal típica de una pendiente utilizad...

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El proyecto Big Dig de Boston planteó desafíos geotécnicos en un entorno urbano.
Muro de contención de hormigón prefabricado
Sección transversal típica de una pendiente utilizada en análisis bidimensionales.

La ingeniería geotécnica , también conocida como geotecnia , es la rama de la ingeniería civil que se ocupa del comportamiento geotécnico de los materiales terrestres . Utiliza los principios de la mecánica de suelos y la mecánica de rocas para resolver sus problemas de ingeniería . Asimismo, se basa en conocimientos de geología , hidrología , geofísica y otras ciencias afines.

La ingeniería geotécnica tiene aplicaciones en la ingeniería militar , la ingeniería minera , la ingeniería petrolera , la ingeniería costera y la construcción marina . Los campos de la ingeniería geotécnica y la geología de la ingeniería comparten áreas de conocimiento. Sin embargo, mientras que la ingeniería geotécnica es una especialidad de la ingeniería civil , la geología de la ingeniería es una especialidad de la geología .

Historia

Históricamente, los seres humanos han utilizado el suelo como material para el control de inundaciones, el riego, los cementerios, los cimientos de edificios y la construcción de edificaciones. Diques, presas y canales que datan de al menos el año 2000 a. C. —encontrados en partes del antiguo Egipto , la antigua Mesopotamia , el Creciente Fértil y los primeros asentamientos de Mohenjo-Daro y Harappa en el valle del Indo— proporcionan evidencia de las primeras actividades relacionadas con el riego y el control de inundaciones . A medida que las ciudades se expandían, se erigían estructuras que se sostenían mediante cimientos formalizados. Los antiguos griegos, en particular, construyeron zapatas y cimentaciones de losa y zapatas corridas. Sin embargo, hasta el siglo XVIII, no se había desarrollado una base teórica para el diseño de suelos, y la disciplina era más un arte que una ciencia, basada en la experiencia. [ 1 ]

Varios problemas de ingeniería relacionados con los cimientos, como la Torre Inclinada de Pisa , impulsaron a los científicos a adoptar un enfoque más científico para examinar el subsuelo. Los primeros avances se produjeron en el desarrollo de teorías de presión de tierra para la construcción de muros de contención . Henri Gautier, ingeniero real francés, reconoció la "pendiente natural" de diferentes suelos en 1717, una idea que más tarde se conocería como el ángulo de reposo del suelo . Casi al mismo tiempo, también se desarrolló un sistema rudimentario de clasificación de suelos basado en el peso unitario del material, que ya no se considera un buen indicador del tipo de suelo. [ 1 ] [ 2 ]

La aplicación de los principios de la mecánica a los suelos se documentó ya en 1773 cuando Charles Coulomb , físico e ingeniero, desarrolló métodos mejorados para determinar las presiones de tierra contra los terraplenes militares. Coulomb observó que, en caso de falla, se formaría un plano de deslizamiento distinto detrás de un muro de contención deslizante y sugirió que la tensión cortante máxima en el plano de deslizamiento, para fines de diseño, era la suma de la cohesión del suelo,do{\displaystyle c}y fricciónσ{\displaystyle \sigma \,\!}broncearse⁡(ϕ){\displaystyle \tan(\phi \,\!)}, dóndeσ{\displaystyle \sigma \,\!}es la tensión normal en el plano de deslizamiento yϕ{\displaystyle \phi \,\!}es el ángulo de fricción del suelo. Al combinar la teoría de Coulomb con el estado de tensión 2D de Christian Otto Mohr , la teoría se conoció como teoría de Mohr-Coulomb . Aunque ahora se reconoce que la determinación precisa de la cohesión es imposible porquedo{\displaystyle c}Aunque no es una propiedad fundamental del suelo, la teoría de Mohr-Coulomb todavía se utiliza en la práctica hoy en día. [ 3 ]

En el siglo XIX, Henry Darcy desarrolló lo que ahora se conoce como la ley de Darcy , que describe el flujo de fluidos en un medio poroso . Joseph Boussinesq , matemático y físico, desarrolló teorías de distribución de esfuerzos en sólidos elásticos que resultaron útiles para estimar esfuerzos en profundidad en el suelo. William Rankine , ingeniero y físico, desarrolló una alternativa a la teoría de presión de tierra de Coulomb. Albert Atterberg desarrolló los índices de consistencia de arcilla que todavía se utilizan hoy para la clasificación de suelos. [ 1 ] [ 2 ] En 1885, Osborne Reynolds reconoció que el corte causa dilatación volumétrica de materiales densos y contracción de materiales granulares sueltos .

Se dice que la ingeniería geotécnica moderna comenzó en 1925 con la publicación de Erdbaumechanik de Karl von Terzaghi , ingeniero mecánico y geólogo. Considerado por muchos como el padre de la mecánica de suelos y la ingeniería geotécnica modernas, Terzaghi desarrolló el principio de tensión efectiva y demostró que la resistencia al corte del suelo está controlada por la tensión efectiva. [ 4 ] Terzaghi también desarrolló el marco para las teorías de la capacidad portante de las cimentaciones y la teoría para la predicción de la tasa de asentamiento de las capas de arcilla debido a la consolidación . [ 1 ] [ 3 ] [ 5 ] Posteriormente, Maurice Biot desarrolló completamente la teoría de consolidación de suelos tridimensional, extendiendo el modelo unidimensional desarrollado previamente por Terzaghi a hipótesis más generales e introduciendo el conjunto de ecuaciones básicas de la poroelasticidad .

En su libro de 1948, Donald Taylor reconoció que el entrelazamiento y la dilatación de partículas densamente empaquetadas contribuían a la resistencia máxima del suelo. Roscoe, Schofield y Wroth, con la publicación de * On the Yielding of Soils* en 1958, establecieron las interrelaciones entre el comportamiento de cambio de volumen (dilatación, contracción y consolidación) y el comportamiento de corte con la teoría de la plasticidad utilizando la mecánica de suelos en estado crítico. La mecánica de suelos en estado crítico es la base de muchos modelos constitutivos avanzados contemporáneos que describen el comportamiento del suelo. [ 6 ]

En 1960, Alec Skempton llevó a cabo una revisión exhaustiva de las formulaciones y los datos experimentales disponibles en la literatura sobre la validez de la tensión efectiva en suelos, hormigón y rocas, con el fin de rechazar algunas de estas expresiones, así como aclarar qué expresiones eran apropiadas según varias hipótesis de trabajo, como el comportamiento tensión-deformación o la resistencia, los medios saturados o no saturados, y el comportamiento de la roca, el hormigón o el suelo.

Roles

Investigación geotécnica

Los ingenieros geotécnicos investigan y determinan las propiedades de las condiciones y materiales del subsuelo. También diseñan los movimientos de tierra y las estructuras de contención , túneles y cimentaciones correspondientes , y pueden supervisar y evaluar los sitios, lo que puede incluir además el monitoreo del sitio, así como la evaluación y mitigación de riesgos de peligros naturales . [ 7 ] [ 8 ]

Los ingenieros geotécnicos y los geólogos ingenieros realizan investigaciones geotécnicas para obtener información sobre las propiedades físicas del suelo y la roca subyacentes y adyacentes a un sitio, con el fin de diseñar movimientos de tierra y cimentaciones para las estructuras propuestas y para la reparación de los daños en movimientos de tierra y estructuras causados ​​por las condiciones del subsuelo. Las investigaciones geotécnicas implican la exploración superficial y subsuperficial de un sitio, a menudo incluyendo el muestreo del subsuelo y el ensayo en laboratorio de las muestras de suelo extraídas. En ocasiones, también se utilizan métodos geofísicos para obtener datos, que incluyen la medición de ondas sísmicas (de presión, de corte y de Rayleigh ), métodos de ondas superficiales y de pozo, y estudios electromagnéticos (magnetómetro, resistividad y radar de penetración terrestre ). La tomografía eléctrica se puede utilizar para estudiar las propiedades del suelo y la roca, así como la infraestructura subterránea existente en proyectos de construcción. [ 9 ]

La exploración de superficie puede incluir prospecciones a pie, cartografía geológica , métodos geofísicos y fotogrametría . La cartografía geológica y la interpretación de la geomorfología se realizan normalmente en consulta con un geólogo o un geólogo ingeniero . La exploración del subsuelo suele implicar ensayos in situ (por ejemplo, el ensayo de penetración estándar y el ensayo de penetración de cono ). La excavación de pozos de prueba y zanjas (en particular para localizar fallas y planos de deslizamiento ) también puede utilizarse para conocer las condiciones del suelo en profundidad. Las perforaciones de gran diámetro se utilizan raramente debido a problemas de seguridad y a su coste. Sin embargo, a veces se utilizan para permitir que un geólogo o ingeniero descienda al pozo para un examen visual y manual directo de la estratigrafía del suelo y la roca .

Existen diversos muestreadores de suelo para satisfacer las necesidades de diferentes proyectos de ingeniería. La prueba de penetración estándar , que utiliza un muestreador de cuchara partida de paredes gruesas, es la forma más común de recolectar muestras alteradas. Los muestreadores de pistón, que emplean un tubo de paredes delgadas, se utilizan con mayor frecuencia para recolectar muestras menos alteradas. Los métodos más avanzados, como el muestreador de bloques de Sherbrooke, son superiores pero costosos. La extracción de núcleos de suelo congelado proporciona muestras inalteradas de alta calidad de condiciones del terreno, como relleno, arena, morrena y zonas de fractura de roca. [ 10 ]

El modelado geotécnico mediante centrífuga es otro método para ensayar modelos a escala física de problemas geotécnicos. El uso de una centrífuga mejora la similitud de los ensayos con modelos a escala que involucran suelo, ya que la resistencia y la rigidez del suelo son sensibles a la presión de confinamiento . La aceleración centrífuga permite al investigador obtener grandes esfuerzos (a escala de prototipo) en modelos físicos pequeños.

Diseño de cimientos

La cimentación de la infraestructura de una estructura transmite las cargas de la estructura al terreno. Los ingenieros geotécnicos diseñan las cimentaciones basándose en las características de carga de la estructura y las propiedades de los suelos y la roca madre del sitio. Generalmente, primero estiman la magnitud y la ubicación de las cargas que deben soportar antes de desarrollar un plan de investigación para explorar el subsuelo y determinar los parámetros del suelo necesarios mediante ensayos de campo y de laboratorio. Posteriormente, pueden comenzar el diseño de la cimentación. Las principales consideraciones para un ingeniero geotécnico en el diseño de cimentaciones son la capacidad portante , el asentamiento y el movimiento del terreno bajo las cimentaciones. [ 11 ]

Movimiento de tierras

Un compactador / rodillo operado por los Seabees de la Armada de los Estados Unidos.

Los ingenieros geotécnicos también participan en la planificación y ejecución de movimientos de tierra, que incluyen la mejora del terreno, [ 11 ] la estabilización de taludes y el análisis de estabilidad de taludes.

Mejora del terreno

Se pueden utilizar diversos métodos de ingeniería geotécnica para la mejora del terreno, incluyendo geosintéticos de refuerzo como geoceldas y geomallas, que distribuyen las cargas sobre un área mayor, aumentando la capacidad portante del suelo. Mediante estos métodos, los ingenieros geotécnicos pueden reducir los costos directos y a largo plazo. [ 12 ]

Estabilización de taludes

Sección de deslizamiento de talud simple

Los ingenieros geotécnicos pueden analizar y mejorar la estabilidad de taludes mediante métodos de ingeniería. La estabilidad de un talud se determina por el equilibrio entre el esfuerzo cortante y la resistencia al corte . Un talud previamente estable puede verse afectado inicialmente por diversos factores, volviéndose inestable. No obstante, los ingenieros geotécnicos pueden diseñar e implementar taludes artificiales para aumentar su estabilidad.

Análisis de estabilidad de taludes

El análisis de estabilidad es necesario para diseñar taludes artificiales y estimar el riesgo de falla de taludes en taludes naturales o diseñados, determinando las condiciones bajo las cuales la masa superior del suelo se deslizará con respecto a la base del suelo y provocará la falla del talud. [ 13 ] Si la interfaz entre la masa y la base de un talud tiene una geometría compleja, el análisis de estabilidad del talud es difícil y se requieren métodos de solución numérica . Por lo general, se desconoce la geometría exacta de la interfaz y se asume una geometría de interfaz simplificada. Los taludes finitos requieren modelos tridimensionales para su análisis, por lo que la mayoría de los taludes se analizan asumiendo que son infinitamente anchos y pueden representarse mediante modelos bidimensionales.

Subdisciplinas

Geosintéticos

Un collage de productos geosintéticos

Los geosintéticos son un tipo de productos de polímeros plásticos utilizados en ingeniería geotécnica que mejoran el rendimiento de las estructuras y reducen los costos. Esto incluye geotextiles , geomallas , geomembranas , geoceldas y geocompuestos . Su naturaleza sintética los hace idóneos para su uso en terrenos donde se requiere alta durabilidad. Sus funciones principales incluyen drenaje , filtración , refuerzo, separación y contención.

Los geosintéticos están disponibles en una amplia gama de formas y materiales, cada uno adaptado a un uso final ligeramente diferente, aunque frecuentemente se utilizan en conjunto. Algunos geosintéticos de refuerzo, como las geomallas y, más recientemente, los sistemas de confinamiento celular , han demostrado mejorar la capacidad portante, los factores de módulo y la rigidez y resistencia del suelo. [ 14 ] Estos productos tienen una amplia gama de aplicaciones y actualmente se utilizan en numerosas aplicaciones de ingeniería civil y geotécnica, incluyendo carreteras, aeródromos, ferrocarriles, terraplenes , terraplenes sobre pilotes, estructuras de contención, embalses , canales, presas, vertederos , protección de riberas e ingeniería costera. [ 15 ]

Costa afuera

Plataformas marinas en México

La ingeniería geotécnica marina (o offshore ) se ocupa del diseño de cimentaciones para estructuras artificiales en el mar , lejos de la costa (a diferencia de la ingeniería terrestre o costera ). Las plataformas petrolíferas , las islas artificiales y los oleoductos submarinos son ejemplos de dichas estructuras. [ 16 ]

Existen diferencias significativas entre la ingeniería geotécnica terrestre y marina. [ 16 ] [ 17 ] En particular, la investigación del sitio y la mejora del terreno en el lecho marino son más costosas; las estructuras marinas están expuestas a una gama más amplia de riesgos geológicos ; y las consecuencias ambientales y financieras son mayores en caso de falla. Las estructuras marinas están expuestas a diversas cargas ambientales, especialmente viento , olas y corrientes . Estos fenómenos pueden afectar la integridad o la funcionalidad de la estructura y su cimentación durante su vida útil y deben tenerse en cuenta en el diseño marino.

En la ingeniería geotécnica submarina , los materiales del lecho marino se consideran un material bifásico compuesto de partículas de roca o minerales y agua. [ 18 ] [ 19 ] Las estructuras pueden estar fijas en el lecho marino —como es el caso de los muelles , espigones y aerogeneradores de fondo fijo— o pueden consistir en una estructura flotante que permanece aproximadamente fija con respecto a su punto de anclaje geotécnico. El amarre submarino de estructuras flotantes de ingeniería humana incluye un gran número de plataformas petrolíferas y de gas en alta mar y, desde 2008, algunos aerogeneradores flotantes . Dos tipos comunes de diseño de ingeniería para el anclaje de estructuras flotantes incluyen los sistemas de amarre suelto de patas de tensión y de catenaria . [ 20 ]

Método de observación

Propuesto inicialmente por Karl Terzaghi y posteriormente analizado en un artículo de Ralph B. Peck , el método observacional es un proceso gestionado de control, seguimiento y revisión de la construcción, que permite incorporar modificaciones durante y después de la misma. El método busca lograr una mayor economía general sin comprometer la seguridad, mediante la creación de diseños basados ​​en las condiciones más probables en lugar de las más desfavorables. [ 21 ] Mediante el método observacional, las lagunas en la información disponible se completan con mediciones e investigaciones, lo que ayuda a evaluar el comportamiento de la estructura durante la construcción , que a su vez puede modificarse según los hallazgos. Peck describió el método como "aprender sobre la marcha". [ 22 ]

El método de observación puede describirse de la siguiente manera: [ 22 ]

  1. Exploración general suficiente para establecer la naturaleza aproximada, el patrón y las propiedades de los depósitos .
  2. Evaluación de las condiciones más probables y las desviaciones más desfavorables imaginables.
  3. Crear el diseño basándose en una hipótesis de trabajo sobre el comportamiento previsto en las condiciones más probables.
  4. Selección de las cantidades que se observarán a medida que avance la construcción y cálculo de sus valores previstos en función de la hipótesis de trabajo en las condiciones más desfavorables.
  5. Seleccionar, con antelación, un plan de acción o una modificación del diseño para cada desviación significativa previsible de los hallazgos observacionales con respecto a los previstos.
  6. Medición de cantidades y evaluación de las condiciones reales.
  7. Modificación del diseño según las condiciones reales

El método de observación es adecuado para construcciones ya iniciadas cuando se produce un imprevisto o cuando se avecina o ya se ha producido un fallo o accidente . No es adecuado para proyectos cuyo diseño no puede modificarse durante la construcción. [ 22 ]

Véase también

Notas

  1. 1 2 3 4 Das, Braja (2006). Principios de ingeniería geotécnica . Thomson Learning.
  2. 1 2 Budhu, Muni (2007). Mecánica de suelos y cimentaciones . John Wiley & Sons, Inc. ISBN 978-0-471-43117-6.
  3. 1 2 Propiedades de suelos alterados y diseño geotécnico, Schofield, Andrew N., Thomas Telford, 2006. ISBN 0-7277-2982-9
  4. ↑ Guerriero V., Mazzoli S. (2021). "Teoría de la tensión efectiva en suelos y rocas e implicaciones para los procesos de fracturación: una revisión" . Geosciences . 11 (3): 119. Bibcode : 2021Geosc..11..119G . doi : 10.3390/geosciences11030119 .
  5. ↑ Mecánica de suelos, Lambe, T. William y Whitman, Robert V., Instituto Tecnológico de Massachusetts, John Wiley & Sons, 1969. ISBN 0-471-51192-7
  6. ↑ Comportamiento del suelo y mecánica de suelos en estado crítico, Wood, David Muir, Cambridge University Press, 1990. ISBN 0-521-33782-8
  7. ↑ Terzaghi, K., Peck, RB y Mesri, G. (1996), Mecánica de suelos en la práctica de la ingeniería, 3.ª ed., John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-471-08658-4
  8. ↑ Holtz, R. y Kovacs, W. (1981), Introducción a la ingeniería geotécnica , Prentice-Hall, Inc. ISBN 0-13-484394-0
  9. ↑ Deep Scan Tech (2023): Deep Scan Tech descubre estructuras ocultas en el emplazamiento del edificio más alto de Dinamarca .
  10. ↑ "Extracción de núcleos de geofrost" . GEOFROST . Consultado el 20 de noviembre de 2020 .
  11. 1 2 Han, Jie (2015). Principios y práctica de la mejora del terreno . Wiley. ISBN 9781118421307.
  12. ↑ RAJU, VR (2010). Tecnologías de mejora del terreno e historias de casos . Singapur: Research Publishing Services. pág. 809. ISBN  978-981-08-3124-0. Mejora del terreno: principios y aplicaciones en Asia.
  13. ↑ Pariseau, William G. (2011). Análisis de diseño en mecánica de rocas . CRC Press.
  14. ↑ Hegde, AM y Palsule PS (2020), Rendimiento de subrasante reforzada con geosintéticos sometida a cargas vehiculares repetidas: estudios experimentales y numéricos. Front. Built Environ. 6:15. https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fbuil.2020.00015/full .
  15. ↑ Koerner, Robert M. (2012). Diseño con geosintéticos (6.ª edición, vol. 1 ). Xlibris. ISBN  9781462882892.
  16. 1 2 Dean, ETR (2010). Ingeniería geotécnica marina: principios y práctica. Thomas Telford, Reston, VA, 520 p.
  17. ↑ Randolph, M. y Gourvenec, S. , 2011. Ingeniería geotécnica marina. Spon Press, NY, 550 p.
  18. ↑ Das, BM, 2010. Principios de ingeniería geotécnica. Cengage Learning, Stamford, 666 págs.
  19. ↑ Atkinson, J., 2007. La mecánica de suelos y cimentaciones. Taylor & Francis, NY, 442 págs.
  20. ↑ Aerogeneradores flotantes marinos: respuestas en un estado del mar – Diseños óptimos de Pareto y evaluación económica , P. Sclavounos et al., octubre de 2007.
  21. ↑ Nicholson, D, Tse, C y Penny, C. (1999). El método de observación en ingeniería geotécnica: principios y aplicaciones. Informe 185, CIRIA, Londres.
  22. 1 2 3 Peck, RB (1969). Ventajas y limitaciones del método observacional en mecánica de suelos aplicada, Geotechnique, 19, No. 1, pp. 171–187.

Referencias

  • Bates y Jackson, 1980, Glosario de Geología: Instituto Geológico Americano.
  • Krynine y Judd, 1957, Principios de geología e ingeniería geotécnica: McGraw-Hill, Nueva York.
  • Pierfranco Ventura, Fondazioni, Modellazioni: Verifiche Statiche e Sismiche Strutture-Terreni, vol. Yo, Milano Hoepli, 2019, págs.  770, ISBN 978-88203-8644-3
  • Pierfranco Ventura, Fondazioni, Applicazioni: Verifiche Statiche e Sismiche Strutture-Terreni, vol. II, Milán, Hoepli, 2019, págs.  749, ISBN 978-88-203-8645-0 https://www.hoeplieditore.it/hoepli-catalogo/articolo/fondazioni-modellazioni-pierfrancventura/9788820386443/1451
  • Base de datos mundial de literatura geotécnica