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INTRODUCCIÓN

La Ingeniería Geotécnica (IG) constituye una de las principales ramas de la Ingeniería Civil y como tal, presenta facetas que han sufrido el mismo derrotero que esta última a través del tiempo y a lo largo de la evolución de la civilización. Hasta principios de la década de 1960, los especialistas en IG estaban agrupados en la ISSMFE (“International Society of Soil Mechanics and Foundation Engineering”). Luego aparecieron nuevas sociedades como la ISRM (“International Society for Rock Mechanics”) en 1962 y la IAEG (“International Association of Engineering Geology”) en 1970.

La ISSMGE (“International Society of Soil Mechanics and Geotechnical Engineering”) es el nuevo nombre al que mudó la ISSMFE. Algo similar sucedió con algunas publicaciones como la de la ASCE. En el nombre societario se observa una dualidad consistente en una rama científica, teórica y otra aplicada, experimental. Peck (1962) lo señala como la dualidad entre Ciencia Ingenieril (paradigma de la teoría) y Práctica Ingenieril (paradigma de la práctica).

La evolución de la IG puede ser analizada desde el punto de vista epistemológico (Vick, 2002). Como en otras ciencias experimentales, se pueden observar la existencia de paradigmas que son importantes para enmarcar a la IG. Un paradigma de una profesión se construye alrededor de sus teorías reveladas en libros, conferencias, ejercicios de laboratorio, etc., que son aceptadas por el conjunto de los profesionales.

Los paradigmas de la teoría y los de la práctica coexisten y tienen explicaciones subyacentes. Una es la dualidad entre la teoría y el criterio o juicio ingenieril. El paradigma de la teoría mantiene preceptos deductivos, mientras que el del criterio es subjetivo.

La recientemente creada Federación Internacional de Sociedades Geo-ingenieriles (FIGS) señala la interacción entre las sociedades hermanadas que tienen incidencia en la IG: ISSMGE (suelos), ISRM (rocas) e IAEG (geología). Han formulado un esquema (Figura 1) que describe actividades que finalizan en la estructura ingenieril y como paso previo, en el triángulo geo-ingenieril (sensu stricto), ambos marcados con un círculo en la Figura 1.

Figura 1: Esquema de las interrelaciones de la IG en las sociedades geo-ingenieriles. El círculo señala las actividades hacia donde confluyen las distintas disciplinas (Bock, 2006).

INTEGRACION DE PROYECTOS

Este triángulo es una expresión del Triángulo Geotécnico postulado por Burland (2007) desde 1987 como una ayuda educacional (Figura 2) y a su vez con raíces en publicaciones de Karl Terzaghi, KT (1925).En este esquema del triángulo, co-existen cuatro aspectos distintos pero relacionados entre sí (Burland, 2007):

1. El perfil del terreno, con las condiciones de agua subterránea.2. El comportamiento observado o medido del terreno.3. Las predicciones usando métodos apropiados.4. Procedimientos empíricos, criterio o juicio basado en precedentes y la bien ganada experiencia.

Los tres primeros pueden ser descriptos como constituyendo los vértices de un triángulo y el empirismo ocupando el centro. Una idea similar ha sido desarrollada por Vick (2002), aunque a pesar de ser contemporáneos y afirmar lo mismo, no se citen con Burland, entre sí, en sus textos.

Se puede apreciar que en realidad el Triángulo Geotécnico de Burland es la proyección de un tetraedro, en donde el triángulo representa una de las caras, la del paradigma de la teoría/análisis y en el vértice posterior se ubica el paradigma de la práctica. La IG se encuentra en el interior del tetraedro (Figura 3).Esto permite visualizar mejor la interrelación entre los paradigmas de la teoría y de la práctica en la IG. Según Vick (2002), la dualidad teoría/práctica implica la coexistencia de formas de pensar diferentes. Mientras que a priori puede plantearse una asociación del tipo: Teoría = Método Deductivo, Práctica = Método Inductivo, la realidad indica que la interrelación es más profunda y que existe siempre la inducción inicial.

Figura 2: El triángulo geotécnico de Burland (2007).

En gran parte del diseño geotécnico, como muros, zapatas, pilotes, taludes de presas, excavaciones y túneles en rocas, es esencial el uso de casos precedentes. La teoría sirve para verificarlos (Hendron, 1990). La teoría y análisis, una vez aceptados, son la base del sistema deductivo. Constituyen los primeros principios desde los cuales se obtienen conclusiones y se hacen predicciones, que son el corazón de la IG.

Figura 3: Tetraedro geotécnico a partir de darle una tercera dimensión al triángulo de Burland. Se puede realizar una separación entre el sector correspondiente al paradigma de la teoría y al de la práctica. G: terreno,

C: comportamiento, M: modelación, E: empirismo.

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EL DESARROLLO DE LA INGENIERIA GEOTECNICA EN EL SIGLO XX

Gran parte de la evolución de la IG en el inicio del siglo XX está centrado en Terzaghi y se continuó en sus seguidores: Casagrande, Peck, Bjerrum y Skempton. Ellos participaron activamente en el libro conmemorativo de los 80 años de Terzaghi (“From Theory to Practice in Soil Mechanics”, 1960). Sobre la figura de Terzaghi existen asimismo dos libros biográficos recientes, Goodman (1999) y De Boer (2005). Goodman ha documentado cuidadosamente la trayectoria de Terzaghi y su libro puede ser visto como una visión interna desde la IG. De Boer, desde fuera, ataca los fundamentos de la Mecánica de Suelos de Terzaghi y sus seguidores, tildándola de escaso rigor científico. Defiende a Fillunger a quien le atribuye seguir los conceptos clásicos de la mecánica y afirma que luego de su final trágico fue ignorado por la IG.

Avances tecnológicos o de procesos geotécnicos (previos a 1930).

1779 Coulomb inventó el cajón a aire comprimido (Glossop 1968)1802 Berigny inventó la inyección en aluviones con arcilla y cal hidráulica (Glossop 1968)1802 Rennie utilizó vapor en piloteadora (Hussein & Goble 2004)1811 Telford aplicó precarga para reducir asentamientos en arcilla (Glossop 1968)1827 Telford introdujo la idea del núcleo arcilloso en presas. (Glossop 1968)1830 Cochrane empleó el cajón con la válvula de aire (Glossop 1968)1835 Pilotes con camisa de acero en Inglaterra (Hussein & Goble 2004)1839 Primer ensayo de carga de pilotes en USA (Hussein et 2004)1841 Triger estudió efectos del aire comprimido sobre la salud (Glossop 1968)1843 Naysmyth inventó el martinete a vapor (Escocia) (Hussein & Goble 2004)1846 Clarke, Freeman y Varley usaron martinete a aire comprimido en Inglaterra (Hussein & Goble 2004)1852 Michoux estudió el congelamiento de suelos (Glossop 1968)1860 Se funda Keller (Alemania) Keller1865 Tratamiento de pilotes de madera con creosota en USA (Hussein & Goble 2004)1866 Jacob: presas con taludes 3:1 para aguas arriba y 2:1 para taludes aguas abajo (Glossop 1968)1867 Hawkesley introdujo la inyección con cemento para presas en roca (Glossop 1968)1867 Vulcan desarrolló su martinete a vapor en USA (Hussein & Goble 2004)1883 Stephenson aplicó el rebatimiento de agua subterránea por medio de pozos (Glossop 1968)1888 Formula Engineering News para pilotes hincados (Hussein & Goble 2004)1893 Grandes Cajones excavados a mano en Chicago (Hussein & Goble 2004)1893 Mckiernan-Terry construyó el martinete de doble acción (USA) (Hussein & Goble 2004)1893 Raymond usó pilotes hormigonados in situ en USA (Hussein & Goble 2004)1896 Hennebique usó pilotes prefabricados en Francia (Hussein & Goble 2004)1908 Raymond empleó pilotes prefabricados en USA (Hussein & Goble 2004)1908 Bethlehem introdujo pilotes H de acero en USA (Hussein & Goble 2004)1908 Frankignoul inventó el pilote Franki en Bélgica (Hussein & Goble 2004)1910 Primer ensayo estático de pilares en Chicago (Hussein & Goble 2004)1913 ASCE creó el Comité de Fundaciones (Hussein & Goble 2004)1926 Delmag inventó el martinete a explosión (mezcla de benzol) (Hussein & Goble)



AVANCES DE LA IG DEBIDO A ACCIDENTES

En los primeros estadios del desarrollo de un área, la sociedad reclama soluciones de la profesión y en la respuesta predomina el pragmatismo y el sentido común. Luego, la teoría asiste y explica lo que ya se ha aprendido. La Tabla 1 muestra como algunas necesidades de la sociedad producidas por accidentes, determinación política o guerras han tenido financiamiento y respuesta por parte de los ingenieros geotécnicos.

Cuando el área madura, como en la IG, los problemas urgente no presionan y los miembros se vuelcan hacia soluciones más sofisticadas de teoría y técnica. Es el estatus de la ciencia común, donde los miembros están comprometidos en articular y confirmar el paradigma prevaleciente. A medida que se va madurando, comienza una introspección y aislamiento y los miembros son los únicos en la audiencia y son juzgados entre ellos. Los desafíos son internos, impuestos para el incremento de la precisión y alcance de la teoría.

Tabla 1: Ejemplos de avances de la IG debido a accidentes, determinación política y guerras.

Año Incidente Solución1913 Deslizamientos laderas en Suecia Creación de Laboratorio de Geotecnia. Métodos suecos1936 Deslizamiento de presa de Fort

PeckEstudios de arenas por A. Casagrande

1939-1945 Segunda Guerra Mundial Electroósmosis por Leo Casagrande (Alemania) Aeropuertos por Arthur Casagrande (USA)

1957 Rotura de Malpasset (Francia) Desarrollo de Mecánica de Rocas1963 Deslizamiento de Vaiont (Italia) Desarrollo de Mecánica de Rocas1964 Sismos de Niigata y Anchorage Desarrollo de Ingeniería Geotécnica Sísmica

1960/7 Campaña Lunar Investigación en técnicas de campo y laboratorio1976 Rotura de Teton Dam Cambios en procedimientos de diseño2005 Huracán Katrina Investigación sobre comportamiento de defensas2008 Roturas en cuenca del Mississippi Investigación sobre diseño de malecones (“levees”)

Tabla 4: Ejemplos de avances de la IG debido a accidentes, determinación política y guerras.

NOCIONES DE GEOTECNIA



DEFENICION DE GEOTECNIA

Aplicación de principios de ingeniería a la ejecución de obras públicas en función de las características de los materiales de la corteza terrestre

OBJETIVOLa Geotecnia tiene como objetivo el estudio del comportamiento y características particulares y generales

de las rocas y suelos, ante el desarrollo de obras de ingeniería civil inmersas en estos elementos, para observar, diagnosticar, prevenir, enfrentar y resolver el o los problemas geotécnicos en la construcción de grandes obras, por ejemplo: vías terrestres, presas, edificaciones, etc., sobre la base del análisis científico e interdisciplinario de dichos problemas en una determinada obra civil.

CIENCIAS A FINES A LA GEOTECNIA

En la Geotecnia confluyen tres grandes ramas de las ciencias ingenieriles como la Mecánica de Suelos, que estudia la profundización en el conocimiento de teorías y técnicas para su aplicación práctica en los proyectos geotécnicos, donde en el fenómeno se analizan sus posibles factores desde diversas perspectivas, comprendiendo: exploración y muestreo de suelos, estabilidad de taludes en suelos, empuje de tierras y elementos de retención, terraplenes en suelos blandos, compactación y propiedades de materiales compactados e instrumentación en suelos y estructuras térreas; la Mecánica de Rocas, que estudia la aplicación de las teorías de la mecánica de rocas en la resolución de problemas geotécnicos prácticos, analizando las pruebas de campo y laboratorios, tratamiento de macizos rocosos, análisis y diseño de obras en macizos rocosos e instrumentación; y, por último la Ingeniería Geológica que, vincula a las dos primeras ramas, estudia la aplicación de los conocimientos fundamentales de la geología en la resolución de problemas civiles para el diseño y construcción de proyectos geotécnicos, el área de interés comprende la importancia de la geología en obras civiles, estratigrafía y estructuras geológicas, geología de México, exploración y muestreo, caracterización de macizos rocosos, clasificaciones geomecánicas y solución de problemas geotécnicos.

La planeación, ejecución, desarrollo, economía y funcionalidad de cualquier obra de ingeniería civil dependerán en gran parte de los recursos intelectuales que el geotecnista posea y aplique en su tarea profesional.

La Geotecnia involucra de manera importante, también, los estudios socioeconómicos y de impacto ambiental, que se incorporan a los análisis geotécnicos para convertir a esta disciplina en algo mucho más amplio.

ESTRUCTURAS DE LOS SUELOS



DEFINICIÓN

Se define como estructura de un suelo a la ubicación, arreglo y orientación de sus partículas. También se define como el arreglo geométrico de las partículas de suelo con respecto a otras.

FACTORES

Entre los muchos factores que afectan la estructura de un suelo están la forma, tamaño, la composición mineralógica de las partículas sólidas, y la naturaleza y composición del agua.

Con lo anterior los suelos pueden ser divididos en dos grupos: suelo grueso (friccionantes; gravas, arenas) suelo fino (cohesivo; limo, arcilla)

ESTRUCTURAS EN SUELOS GRUESO Y FINO

Las estructuras que generalmente encontramos en un suelo grueso pueden ser divididas en dos tipos; Estructura Simple y Panaloide.

Estructura Simple: es aquella producida cuando las fuerzas debidas al campo gravitacional terrestre son claramente predominantes en la disposición de las partículas; es, por lo tanto, típica de suelos de grano grueso (gravas y arenas limpias) de masa comparativamente importante.

Las partículas se disponen apoyándose directamente unas en otras y cada partícula posee varios puntos de apoyo. La forma y la variedad de tamaños de partículas así como su posición relativa entre ellas influyen en la densidad del paquete, lo cual da un amplio rango de valores para lar elación de vacíos.

Estructura Panaloide: en esta estructura, presente en arenas finas y limos, se forman pequeños arcos constituidos por cadenas de partículas. Los suelos que exhiben esta estructura poseen relaciones de vacíos altas y aún así pueden soportar cargas estáticas pequeñas. Sin embargo, bajo la acción de cargas grandes o cuando son sujetas a cargas por impactos (sismo, compactación), la estructura se rompe resultando en asentamientos considerables.



Desde un punto de vista ingenieril, el comportamiento mecánico e hidráulico de un suelo de estructura simple, queda definido principalmente por dos características: la compacidad (compactacióndensidad) del manto y la orientación de sus partículas.

El término densidad relativa es usado para indicar que tan suelto o denso esta un material de grano grueso (grava-arena) in situ. Se define como:

El rango de valores de Dr puede variar desde cero (0%) para un suelo muy suelto a un máximo de uno (100%) para un suelo muy denso. En base a la densidad relativa los materiales granulares se pueden clasificar de la siguiente manera:

Prueba de Penetración Estándar

La prueba de Penetración Estándar (SPT; en inglés) permite estimar la resistencia al esfuerzo cortante del suelo, mediante el número de golpes necesario para hincar el penetrómetro estándar, y obtener muestras alteradas-representativas para identificar los suelos del sitio. Con esta prueba se pueden conocer las condiciones estratigráficas del sitio, aprovechando las muestras alteradas para determinar las propiedades índice; usualmente el contenido natural de agua, densidad de sólidos y los límites de consistencia así como un estimado de la resistencia al corte, mediante correlaciones empíricas con el número de golpes.

La prueba de penetración estándar consiste en hincar el penetrómetro 45 cm con la masa de 64 kg, dejada caer desde 75 cm de altura; durante el hincado se cuenta el número de golpes que corresponden a cada uno de los tres avances de 15 cm. La resistencia a la penetración estándar se define como el número de golpes, N, para penetrar los últimos 30 cm (de 15 a 45 cm); los golpes en los primeros 15 cm se desprecian, porque se consideran no representativos por la alteración inducida a causa de la perforación. En caso de que el número de golpes llegue a 50 y el tubo partido ya no penetre se suspenderá la prueba.



Los resultados más comunes obtenidos de esta prueba son:

a) Muestras alteradas-representativasb) Perfil estratigráfico (Profundidad, Descripción, Contenido de agua, Ss)c) Perfil de resistencia a la penetración.



CLASIFICACIÓN DE SUELOS

CLASIFICACION DE SUELOS GRUESOS

Algunos tipos de análisis granulométricos son universalmente usados en la ingeniería para la clasificación de los suelos. Parte de los criterios de suelos convenientes para caminos, campos aéreos, presas, filtros y otras construcciones se basan en el análisis granulométrico, además de obtener una buena predicción sobre el movimiento del agua en el suelo (flujo de agua); pero el realizar pruebas de permeabilidad es mas aconsejable.

El análisis granulométrico es un intento de determinar la proporción relativa de los diferentes tamaños de los granos que se encuentran en una masa de suelo. Por lo tanto, se deben de manejar muestras estadísticamente representativas de la masa de suelo. Actualmente no es posible determinar los tamaños individuales de las partículas de suelo ya que la prueba puede únicamente agrupar los varios rangos de tamaños.

La apariencia de la curva granulométrica depende del rango y la cantidad de los varios tamaños de partículas en una muestra de suelo. Esto es, que será afectada por el origen del suelo o el método de depositación. Un suelo bien graduado (con una distribución de partículas a lo largo de un rango de tamaños relativamente largo) produce una curva algo larga y derecha, figura 1a. Un suelo uniforme, donde la mayoría de las partículas poseen aproximadamente el mismo tamaño se ve en la figura 1b. Un suelo mal graduado o con falta de tamaños intermedios se ve en la figura 1c.

La curva granulométrica nos puede proporcionar una buena indicación sobre cuál ha sido la historia del suelo, por ejemplo, un depósito residual tiene un cambio constante en el tamaño de sus partículas con respecto al tiempo, curvas típicas son mostradas en las figuras 2a, b y c.

Las curvas mostradas en la figuras. 3a y 3b, representan depósitos glaciales y glaciales-aluviales. Los depósitos localizados en ríos pueden ser bien graduados, uniformes o mal graduados, dependiendo de la velocidad del agua, del volumen de sólidos en suspensión y del área en el río donde la depositación ocurre.



Para llevar a cabo un análisis granulométrico se deben seguir los siguientes pasos:

1) Se toman de 10 a 12 mallas entre la malla de 3" y la No. 200. Todos los análisis son de tipo discreto.2) Tener perfectamente limpias las mallas y haber pesado cada una de ellas, Wmi.3) Se coloca el juego de mallas en orden progresivo, de tal manera que la malla con la abertura más grande que en la parte superior y la de menor abertura en la parte inferior, al finalse coloca la charola.4) Se pone a secar la muestra en el horno. Se deja enfriar y se pesa la cantidad requerida para hacer la prueba. (Wm, peso de la muestra inicial).5) Se desmoronan cuidadosamente los grumos de material con un rodillo de madera para evitar romper los granos.6) Se vacía el material previamente pesado y se coloca la tapa.7) Se agita todo el juego de mallas horizontalmente, con movimiento de rotación, y verticalmente, con golpes secos de vez en cuando. El tiempo de agitado depende de la cantidad de finos de la muestra, pero, por lo general, no debe ser menor de 15 minutos.8) Se quita la tapa y se van separando cada una de las mallas, el material retenido en cada malla y en la charola se vacía en un papel limpio para ser pesado.9) De la parte retenida en la charola se realiza en ocasiones el análisis por medio del hidrómetro.10) Los datos obtenidos se vacían en la siguiente Tabla

Para obtener la curva granulométrica se debe dibujar como abscisas el tamaño de las partículas (mm) o sea la abertura de la malla utilizada y como ordenadas el porcentaje que pasa (%). De la curva granulométrica uno obtiene el D10, D30 y D60 que son el diámetro de las partículas para un 10%, 30% y 60% que pasa.Dichos valores se obtienen para calcular los coeficientes de uniformidad y de curvatura.

Los coeficientes de uniformidad y curvatura se utilizan para determinar si un suelo grueso (Grava [G] y/o Arena [S]) está bien o mal graduado. Para las gravas el valor de Cu ≥ 4 y en arenas el valor de Cu ≥ 6, para ambos suelos gruesos el valor de Cc debe quedar comprendido entre: 1 ≤ Cc ≤ 3.


CLASIFICACION DE SUELOS POR MEDIO DEL TAMAÑO DE SUS PARTICULAS


CONVENCION PARA LA IDENTIFICACION DE SUELOS SOBRE LA BASE DE LA PROPORCION DE SUS FRACIONES



SISTEMA UNIFICADO DE CLASIFICACION DE SUELOS



PROBLEMAS GEOTECNICOS

Definición

Cualquier evento que cause deformaciones y daños a un terreno y a las obras civiles circunvecinas

Tipos de problemas geotécnicos:

Asentamientos del terrenoExpansión del terrenoAgrietamientos del terreno y las estructurasDeslizamientosErosión del terreno

Indicios de problemas geotécnicos

Puertas y ventanas que se traban o están descuadradas, o con dificultades para abrir o cerrar

Grietas nuevas o grietas visiblemente reparadas en la estructura y en obras exteriores


Desniveles entre pisos y terreno. El terreno ha bajado dejando el piso al aire en algunos sectores

Depresiones en el terreno. Un jardín en áreas planas o en pendiente, normalmente no debe tener formas onduladas.

Levantamientos del terreno y de aceras. A veces estos levantamientos son debidos a raíces de árboles. Si esto no es evidente, pueden ser por expansión del suelo o empujes laterales del terreno.

Grietas en el suelo en forma de media luna. Las grietas en el terreno siempre son indicio de algún problema geotécnico.

Terreno con topografía original escalonada. Indicio de movimientos antiguos que pueden reactivarse, o de un movimiento actual lento pero continuo.

Escarpes que muestran suelo “fresco” o escarpes viejos cubiertos por vegetación. Estas son evidencias claras de deslizamientos

Muros, cercas, postes, o cualquier otra cosa que no esté aplomada o alineada en su forma natural. Estos son indicios de que el terreno se está moviendo, arrastrando o empujando obras enterradas.

Formación de cárcavas o surcos de erosión por aguas de escorrentía. Aunque aparenta ser un problema superficial, puede causar otros más graves.

Huecos en el terreno similares a cuevas de roedores. Son el producto de erosión interna, causada por agua infiltrada

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