Evolución de la Geotecnia de la Prehistoria a los Albores del Siglo XVIII - 18a Parte
Por: Santiago Osorio R.
Décimo Octava Parte
Sobre el estudio de la historia de la ingeniería geotécnica hasta los albores del siglo XVIII (La Edad Moderna)
Geología y suelos de Mesopotamia
La erosión de las rocas produce suelos a través del mecanismo de la meteorización; sus características están altamente controladas por la naturaleza de las rocas madre (parentales). En general, el suelo residual se forma y permanece en su lugar mientras que el suelo transportado se deposita en otro lugar. Hay muchos agentes de transporte como el viento, la gravedad, los glaciares y el agua. El estudio del suelo para cualquier sitio o área debe depender de una buena comprensión de la geología de esa zona (Figura 1).
Figura 1. Mapa de la geología de Irak y la Planicie de Mesopotamia
La mayoría de las zonas de Mesopotamia (hoy Irak) están cubiertas por desierto y se caracterizan por su clima árido; gran parte de las poblaciones viven en las llanuras aluviales de los ríos Tigris y Éufrates. Fisiográficamente, Irak se puede dividir en tres regiones principales. Estas son las Montañas y estribaciones, la llanura mesopotámica y los Desiertos (Figura 2).
Figura 2. Mapa fisiográfico de Irak y la Planicie de Mesopotamia
La planicie mesopotámica es un área que se extiende desde el noroeste de la ciudad de Baiji hasta el Golfo Arábigo. El 50% de la parte sur de esta llanura solía estar cubierta de agua. El suelo de esta zona está cubierto por sedimentos aluviales planos traídos por los ríos Tigris y Éufrates. El clima en esta zona es semiárido. El suelo contiene (20-30% caliza) sedimentos calcáreos, salinos y aluviales. La llanura aluvial de Mesopotamia está formada por espesos sedimentos cuaternarios de origen fluvial (alrededor de 280 m), abanicos aluviales (alrededor de 50 m de espesor) en los flancos y sedimentos eólicos en algunas partes. Los depósitos cuaternarios cerca de Bagdad tienen un espesor de 80 m y aumentan hasta más de 250 m al sureste de Basora. Los sedimentos de llanura incluyen limos y arcillas de diques, arcillas de inundación de llanura y cuerpos de arena apilados en canales de ríos con depósitos accidentales de marismas. El agua subterránea es poco profunda donde la profundidad del nivel freático oscila entre 1 y 5 m entre Bagdad y la ciudad de Kut. Al sur de la ciudad de Kut hasta la ciudad de Basora, la profundidad del nivel freático es de menos de 1 m. Además, la zona tiene un proceso complicado de salinización, como en el sur de la ciudad de Basora.
Los desiertos cubren más de la mitad del área de Irak, entre los que se destacan:
- Desierto de Jezira: Está situado al noroeste de Irak. La parte superior de Al-Jezira es en parte una zona esteparia y en parte un desierto. Existe una gran cantidad de playas saladas y suelos espesos de gypcrete (Figura 3). El espesor del suelo de gypcrete varía desde los 30 cm en las partes más elevadas hasta más de 8 m en las zonas bajas. El suelo que cubre las depresiones suele contener un alto porcentaje de yeso, con un promedio del 30% y que puede llegar al 80% en algunas zonas locales. El área de Jezira contiene varias playas saladas importantes (marismas), estas son: las playas más grandes de sunailsla, Bowara y Twawila. La profundidad del agua subterránea en el área de Jezira está entre 10 y 20 m.
- Desierto occidental o norte (zona Rutba): Esta zona se caracteriza por su sedimento cuaternario que se limita a wadis y depresiones. Fragmentos de roca con una fina capa de marga cubren grandes áreas. Los sedimentos del relleno del wadi alcanzan varios metros de espesor y están formados por cantos rodados, cantos rodados y guijarros de piedra caliza. Los lechos de los wadi están parcialmente cubiertos de arena eólica. En el desierto occidental, la profundidad del agua subterránea es de 10 m en el área cercana al río Éufrates y más de 250 m cerca de la frontera entre Irak, Jordania y Arabia Saudita.
- El desierto del sur (zona de Salman): Muy amplias capas de arena junto con dunas activas cubren esta zona. El suelo de esta zona es calizo y arenoso en la parte sur y de tipo eólico en la parte oriental. La mayoría de las capas superiores del suelo se han visto afectadas por procesos físicos de erosión eólica. El agua subterránea en esta zona se encuentra entre 50 y 100 m de profundidad.
Figura 3. Diagrama esquemático de la formación de suelos yesíferos de gypcrete.
El suelo
El suelo es una acumulación no cementada de partículas minerales que contienen agua y/o aire en el espacio vacío entre las partículas. La formación del suelo a partir de la erosión de las rocas puede ser física o química. Se deposita en diferentes lugares y no es homogéneo (Figura 4). El suelo se puede dividir en tres tipos:
- Suelo sin cohesión: En este tipo los granos no son pegajosos. Se puede dividir en tres tipos según el tamaño del grano. Son arcilla de menos de 0,002 mm, limo de 0,002 a 0,06 mm, arena de 0,1 a 2 mm, grava de 6 a 60 mm, adoquines de 100 a 200 mm y cantos rodados de más de 200 mm.
- Suelo cohesivo: Está compuesto por granos pequeños, pegajosos, plásticos y existe atracción entre los granos. La arcilla es un ejemplo de este tipo de suelo. Su tamaño de grano es inferior a 0,002 mm. A veces se encuentra mezclado con limo, luego se le conoce como arcilla limosa o con arena y se le conoce como arena arcillosa. En el límite entre los suelos arcillosos y arenosos se encuentran los suelos limosos. Tienen menos cohesión y son de grano fino.
- Suelo orgánico: Contiene entre 1 y 6% de material orgánico, lo que afecta las propiedades de ingeniería porque es comprimible, quebradizo y esponjoso. Además, tiene una baja resistencia al corte.
Figura 4. Perfil de horizontes del suelo
Para fines de diseño geotécnico, el suelo se divide en dos tipos: grueso y fino. El tipo grueso incluye arenas, guijarros, gravas y cantos rodados, mientras que el tipo fino incluye limos y arcilla (Figura 5).
Figura 5. Distribución granulométrica de un suelo (arriba). Tabla de clasificación de suelos según su diámetro de partículas (abajo)
Los suelos de la llanura mesopotámica
Casi todos los suelos de la planicie mesopotámica pueden clasificarse como suelos aluviales (Figura 6). Los suelos de la cuenca de los ríos Tigris y Éufrates son de textura fina (franco arcilloso limoso, arcilloso limoso y arcilloso) con hasta un 50-70% de granos de arcilla. Generalmente, los suelos tienen mal drenaje y, en ocasiones, están anegados de agua. El suelo del dique del río Tigris, cerca de Bagdad, es arcilloso limoso. Los suelos de Bagdad son arcillosos limosos; franco arcilloso limoso y franco limoso y son de baja salinidad.
Figura 6. Imagen Landsat que muestra diferentes características y formas dentro de la llanura mesopotámica. La línea discontinua roja es el límite entre los desiertos del sur y del oeste de Irak.
Los suelos son de tipo arenoso fino y limoso a lo largo de los arroyos y en las islas de los ríos (Figura 7). El área del este del río Tigris al sur de Bagdad tiene un tipo de suelo limoso y de arena fina. Además, el suelo es salino (cloruro de sodio) y se encuentran algunos suelos de Sabakh. Los suelos de Babilonia son franco arcillosos limosos de color marrón oscuro a marrón. Son bloques angulares, porosos y salinos. El yeso secundario (juss) se concentra en el tercio medio y en el sur de Irak. El área entre las ciudades de Samarra y Najaf está cubierta por rocas terciarias y sedimentos cuaternarios. El suelo se compone principalmente de margas, piedras arcillosas, calizas y yesos (yesíferos).
Los suelos yesíferos tienen diferentes problemas en las estructuras que se construyen sobre ellos, como inclinaciones, asentamientos diferenciales, grietas, etc. debido a la solubilidad del yeso por el agua de lluvia o el riego. Los suelos yesíferos cubren aproximadamente el 28,6% del área de Irak. El lado oriental de Basora está cubierto por sedimentos de grano fino, mientras que el lado occidental está cubierto por sedimentos de grano grueso. El 50% del área de Basora está cubierta por suelo de grano fino.
Figura 7. Excavaciones en la ciudad de Lagash en Mesopotamia
Los suelos de la región desértica alrededor de la llanura mesopotámica
- Al-Jezira: Las zonas de depresiones de Al-Jezira (Figura 8) son ricas en suelo arcilloso. El suelo de la parte norte de esta zona contiene materia orgánica. Mientras que el suelo en la parte sur contiene yeso y anhidrita con algo de limo y lutita. En la mayor parte de Jezira, el suelo se compone de yeso erosionado con alta salinidad y en algunas áreas el yeso secundario (juss) se acumula en la superficie. En la parte nororiental de Jezira, el suelo es grisáceo o marrón rojizo, franco, franco arenoso y arcilloso limoso, que se encuentran en los valles suaves.
- Desierto occidental o norte: La superficie de esta zona está cubierta de cantos rodados y guijarros de piedra caliza, pedernal y pedernal. La parte norte de esta región, la depresión de Ga’ara, está llena de material fluvial y lacustre. Esta zona contiene muchos wadis y depresiones. Los suelos de los lechos de Wadi contienen guijarros blancos y rosados y cantos rodados de piedra caliza y rocas silíceas mezcladas con limo calcáreo pardusco, arcilla y arena. Parte del suelo de la depresión es bituminoso. También en alguna zona de la región se dispone de asfalto desde la antigüedad hasta nuestros días.
- Desierto del Sur: Los suelos de esta parte contienen principalmente piedra caliza. Cerca del lado este de esta parte se encuentra una extensa zona de dunas de arena. La llanura de Dibdibba, al sur de esta región, es una zona plana que contiene suelos de grava a arena. Las depresiones poco profundas en la parte noroeste tienen una extensa área de cantos rodados angulares de piedra caliza. La zona del suroeste está cubierta de arena. En la parte central de esta región, los suelos son principalmente franco arenosos y limosos. Las arenas están compuestas predominantemente de cuarzo mezclado con piedra caliza. El suelo de la zona es muy salino.
Figura 8. Desierto de Al-Jezira (Siria)
Introducción a la ingeniería de las cimentaciones
En la entrada ‘Evolución de la Geotecnia de la Prehistoria a los Albores del Siglo XVIII - 17a Parte’ se hace alusión a las cimentaciones sobre suelos compresibles y los asentamientos en el terreno, materiales geotécnicos que encontraron los habitantes de la Planicie Mesopotámica, y que, a partir de mejoramiento de las técnicas de construcción de grandes edificaciones como los zigurats, aprendieron a controlar estos fenómenos. Con el propósito de comprender los tópicos de la mecánica de suelos moderna a la luz de los procedimientos utilizados para desarrollar las primeras civilizaciones, se presenta una breve introducción a la geotecnia de cimentaciones.
Desde el punto de vista de la ingeniería de fundaciones o de cimentaciones, el diseño de cimientos de estructuras como edificios, presas y puentes requiere conocer los siguientes aspectos básicos:
- La cantidad de carga que transmitirá la estructura a la cimentación (Figura 9).
- Las condiciones geológicas que afectan el suelo bajo los cimientos, como la naturaleza del suelo, la estratificación y la profundidad del agua subterránea.
- El comportamiento y esfuerzos de los suelos por deformabilidad que pueden soportar la cimentación.
- Las normas del código de construcción local.
Los parámetros del suelo que deben definirse para propósitos de diseño son principalmente: la distribución granulométrica, la resistencia al corte, la plasticidad y la compresibilidad del terreno objeto de estudio. Estos parámetros pueden determinarse tanto mediante pruebas de campo como de laboratorio (Figura 10):
Figura 9. Detalle de parte de plantilla de diseño de un cimiento superficial con zapata aislada (ACI 318M-95)
Pruebas de laboratorio de mecánica de suelos
Las pruebas de laboratorio de suelos son pruebas realizadas por ingenieros para determinar las propiedades mecánicas de los suelos. Son parte de las técnicas de reconocimiento de un terreno. Los ensayos de laboratorio en suelos para la determinación de sus propiedades físicas, son una parte integral del diseño y construcción de fundaciones y obras de tierra, así como de especificaciones para el control de calidad de las mismas. Algunas de las principales pruebas son:
- Análisis de tamiz.
- Prueba Proctor (compactación del suelo).
- Prueba de permeabilidad.
- Densímetro de balón.
- Prueba de consolidación.
- Límites de Atterberg (densidad aparente, límite líquido, límite plástico, ensayos de compresión libre).
- Prueba del hidrómetro.
Figura 10. Laboratorio de ensayos de mecánica de suelos
Pruebas de campo de suelos
En geotecnia, los ensayos de campo, buscan principalmente conocer la resistencia in situ del terreno, así como otros parámetros importantes como la permeabilidad. Algunos de los más conocidos son:
- Prueba de peso unitario del suelo in situ (Figura 11).
- Compactación de campo.
- Prueba de veleta.
- Densímetro de balón.
- Ensayo de penetración del cono.
- Pruebas en perforación.
Figura 11. Ensayo California Bearing Ratio CBR de campo (izquierda). Prueba de identificación de suelos en campo (derecha)
Existen diferentes tipos de cimentaciones a utilizar dependiendo del tipo de suelo como se muestra en la Tabla 1 y Tabla 2.
La cimentación o fundación
Una cimentación es aquella parte de la estructura que se encuentra debajo de la superficie del suelo y le brinda soporte y estabilidad. Su objetivo principal es transferir todo el peso de la estructura a la roca o al suelo bajo esta.
La cimentación distribuye uniformemente el peso de la superestructura sobre el suelo, evitando así el asentamiento desigual de la estructura.
Si se supone una columna cuadrada en planta con dimensión de 0.5 m x 0.5 m, que soporta una carga de construcción de 1000 KN (Figura 12), y el suelo tiene capacidad para resistir 200 KN/m2; al colocar la columna directamente sobre el terreno, entonces el esfuerzo desarrollado en la parte inferior de la columna será:
Esfuerzo σ = Fuerza/Área = 1000 KN/(0,5*0,5)m2 = 4000 KN/m2
Como el suelo sólo puede resistir hasta 200 KN/m2, se requiere de un cimiento adecuado: Una zapata distribuye el elevado esfuerzo transmitido por la columna a un área más amplia, por lo que la intensidad del esfuerzo será mínima y el suelo podrá soportar las cargas impuestas.
Si para las mismas condiciones anteriores, la columna se coloca sobre una zapata cuadrada de 2,5 m x 2,5 m, entonces el esfuerzo desarrollado en la parte inferior de la zapata será:
Esfuerzo σ = Fuerza/Área = 1000 KN / (2,5*2,5) m2 = 160 KN/m2
La intensidad del esfuerzo desarrollado será mucho menor y estará dentro de la capacidad del suelo (160 KN/m2 <<< 4000 KN/m2) (Figura 12).
Figura 12. Principio de distribución de cargas de una cimentación al terreno de apoyo
Este mismo concepto se encuentra en diversas actividades de la naturaleza. Por ejemplo, las patas de los camellos son anchas y grandes, lo que les permite caminar sin inconveniente sobre la arena suelta repartiendo su peso uniformemente por toda la pata (Figura 13).
Figura 13. Evaluación de esfuerzos bajo una zapata aislada por el método elástico
Tipos de cimentación
Según diferentes parámetros, como la intensidad de la carga, la resistencia del suelo y las condiciones climáticas, el tipo de cimentación elegida para un proyecto varía. Las fundaciones se pueden clasificar en términos generales en dos categorías principales, a saber:
- Cimentaciones superficiales o poco profundas (Tabla 1): Son aquellas que se apoyan cerca de la superficie del terreno; generalmente donde la profundidad de cimentación (Df) es menor que el ancho de la zapata y menor de 3 m. Estas no son reglas estrictas, sino meras pautas: básicamente, si la carga superficial u otras condiciones de la superficie afectarán la capacidad de carga de una cimentación, ésta es "superficial". Las cimentaciones poco profundas se utilizan cuando los suelos superficiales son lo suficientemente fuertes y rígidos para soportar las cargas impuestas; generalmente no son adecuados en suelos débiles o muy compresibles, como rellenos poco compactados, turbas, depósitos lacustres y aluviales recientes, etc.
- Cimentaciones profundas (Tabla 2): Son aquellas que se apoyan en suelos rígidos o lechos de roca, a gran profundidad bajo la superficie del terreno, para que su capacidad de carga de la base se vea afectada por las condiciones de la superficie; esto generalmente ocurre a profundidades mayores a 3 m. Se pueden usar para transferir la carga a estratos más profundos y competentes en profundidad si hay suelos inadecuados cerca de la superficie. Se utilizan cuando hay suelos débiles (“malos”) cerca de la superficie o cuando las cargas son muy altas, como en el caso de rascacielos muy grandes.
Tabla 1. Tipos de cimentaciones superficiales
Tabla 2. Tipos de cimentaciones profundas
Capacidad portante del suelo y criterios de asentamiento
La capacidad portante se define como la capacidad del suelo para soportar la carga aplicada al terreno. Para el diseño de cimientos, se debe evaluar la capacidad de carga de los suelos para evitar fallas por corte o asentamiento excesivo del suelo debajo de los cimientos. La carga de cimentación por unidad de área en la que se produce la falla por corte en el suelo se denomina capacidad de carga última; qult (Figura 14).
Figura 14. Capacidad portante de una cimentación superficial
Se establecieron diferentes métodos de análisis para medir la capacidad portante última de la unidad. Meyerhof (1963) a partir de los desarrollos de Terzaghi, sugirió la ecuación de capacidad de carga más completa y general que incluye factores de profundidad, forma y capacidad de carga, también incluye la carga de base de los cimientos y la superficie del suelo. La ecuación que posteriormente fue mejorada por Vesic (1973) se presenta en la Figura 15.
Figura 15. Ecuación de capacidad de carga de un terreno de Meyerhof (1963)
Los factores de profundidad, forma e inclinación de la carga son factores empíricos que dependen de los datos experimentales (Tabla 3). Muchos científicos sugirieron una relación general para calcular estos factores dependiendo de extensas pruebas de laboratorio. Los factores de capacidad de carga dependen de estudios de campo y de laboratorio. Los factores anteriores se pueden calcular utilizando diferentes ecuaciones disponibles en los textos de mecánica de suelos.
Tabla 3. Factores de capacidad de carga según Vesic (1973) basados en el ángulo de fricción interna 𝜙
El asentamiento permitido de los cimientos es posible para controlar la capacidad de carga (Figura 16). Existen tres tipos de asentamiento de una cimentación estructural:
- Asentamiento inmediato: Es la deformación elástica debida a la aplicación de cargas sin ningún cambio en el contenido de agua.
- Asentamiento por consolidación: Este tipo se produce después de la reducción del volumen del suelo debido a la extrusión de parte del agua de los poros del suelo.
- Creep o flujo lento: Este tipo se produce después de muchos años cuando se completa la extrusión del exceso de agua de los poros.
Figura 16. Asentamientos en cimentaciones superficiales: (a) Asentamiento uniforme. (b) Volcamiento. (c) Asentamiento diferencial o no uniforme
Se debe identificar el asiento diferencial en los cimientos para evitar tensiones adicionales o grandes inclinaciones en un edificio. Skempton y Mc Donald (1956) sugirieron los límites máximos de asentamiento permisibles antes de que se dañe el edificio. El límite máximo de asentamiento para arena = 50 mm y para arcilla = 75 mm.
El factor de seguridad utilizado en el diseño de la cimentación tiene en cuenta las cargas vivas y muertas para la capacidad portante del suelo (Figura 17). La relación entre la deflexión del suelo y la presión se conoce como módulo de reacción del subsuelo. Se utiliza en el análisis de cimentaciones de estructuras. Su valor depende del tipo de suelo. Para calcular el valor de la reacción de subrasante (ks) a partir de la capacidad de carga permitida qa, se utiliza la siguiente ecuación:
ks =40. FS. qa KN/m3 ..………….. (1)
qa = qult / FS …………………….. (2)
de (1) y (2):
ks = 40.FS. qult / FS = 40. qult ………….. (3)
donde:
FS = Factor de seguridad
qa = capacidad de carga admisible o permitida
qult = presión máxima del suelo en el asentamiento permisible más pequeño ∆H = 0,0254 m y ks = qult / ∆H. 40 es razonablemente moderado, pero siempre se pueden utilizar desplazamientos supuestos más pequeños.
Figura 17. Factores de seguridad típicos utilizados en los análisis geotécnicos: Talud (FS = 1.50) (izquierda). Cimentación (FS = 3.0) (derecha)
Condiciones de Carga
Las cargas típicas que se utilizan en el diseño de cimientos y estructuras son (Figura 18):
- Carga muerta (D): Incluye el peso de todos los materiales constituyentes de la estructura, como pisos estructurales, equipos fijos de servicio como aire acondicionado.
- Carga Viva (L): Incluye el peso de los cuerpos que se añaden a la estructura durante su uso, como mercancías de almacén o mobiliario.
- Carga de viento (W): Su cálculo depende de los códigos de construcción porque esta carga puede actuar sobre todas las superficies expuestas de la estructura.
- Carga de nieve (S): es el resultado de la acumulación de nieve en superficies planas y techos y provoca una carga pesada. Los códigos de construcción dan esta carga para fines de diseño.
- Presión de tierra (H): Generalmente se considera como una carga muerta, la tierra produce una fuerza lateral que afecta las subestructuras circundantes disponibles bajo tierra.
- Presión del agua: Produce fuerzas que actúan hacia arriba (levantamiento hidrostático) en la parte inferior de la estructura. Es similar al producido por la presión del suelo.
- Fuerzas sísmicas (E): Actúa en diferentes direcciones de la estructura (vertical, lateral o torsional). Para fines de diseño se obtiene del código de edificación.
Figura 18. Tipos de cargas estructurales que actúan sobre una cimentación
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