Mitos de la geotecnia frente al sentido común de la geología (I)

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Tierra y Tecnología nº 44 | Texto | Ignacio Morilla Abad, doctor ingeniero de Caminos Canales y Puertos y licenciado en Filosofía y Letras. Catedrático emérito de la Universidad Politécnica de MadridLa práctica profesional de la geotecnia presenta numerosos problemas de interpretación de los ensayos en suelos y rocas, que pueden resolverse con una adecuada formación geológica, de manera que las dos ciencias se complementen. Así se lograrán unos informes geotécnicos adecuados y se obtendrán resultados rápidos, económicos y, sobre todo, lo más exactos posibles, que proporcionen unos datos acordes al tipo de terreno, al tipo de estructura en el sentido amplio (cimientos, taludes, excavaciones, túneles, etc.) y al campo de validez del ensayo.

La gran mayoría de los desperfectos y ruinas de estructuras de ingeniería civil está relacionada con el terreno, pudiendo afirmarse, sin lugar a duda, que los defectos de proyecto y/o construcción de las cimentaciones y las inestabilidades del terreno son las causas principales de los accidentes más graves.

El análisis de los casos de accidentes o daños materiales producidos lleva a la conclusión de que siempre están presentes dos factores importantes:

  • El primero de ellos es que, tratándose del terreno, no hay seguridad absoluta frente a desperfectos en ningún caso, pero que se alcanza una seguridad razonablemente buena con un estudio geotécnico adecuado; eso sí, tiene que tener en cuenta numerosos casos, prever con antelación el programa de prospecciones, la realización de ensayos, la interpretación de éstos y la fijación de parámetros de cálculo, con los datos obtenidos en la campaña geotécnica.
  • El segundo factor es que existen tantos casos como zonas, y que todos los casos hay que abordarlos de forma individualizada y por personas expertas en la especialidad de que se trate, huyendo de simplificaciones y fórmulas generales.

Las obras de infraestructuras que son objeto de los proyectos de ingeniería se desarrollan en íntima conexión con el terreno: como cimiento en la gran mayoría de los casos, como parte de elementos estructurales (taludes, túneles, estabilización de suelos, etc.), como material de construcción (terraplenes, subbases, escolleras de puertos, etc.) o como integrante del paisaje circundante, que puede verse alterado gravemente por la construcción de la obra.

Para reducir los riesgos se necesita realizar un buen anejo geológico y geotécnico, cuya finalidad principal es la de: obtener los parámetros de suelos y rocas para dimensionar y calcular los elementos estructurales. Como decía Galileo: “todo lo que no se mide no es ingenieril”, a lo que se podría añadir: Todo lo que no se justifica, tampoco lo es.
Los problemas que se presentan al proyectista en relación con el terreno. se concretan en la necesidad de conocer las características geológicas, hidrológicas, geotécnicas y mecánicas del mismo, de manera que se pueda elegir la clase de cimentación o elemento estructural, para calcularlos con la mejor relación posible seguridad/precio y con un riesgo razonablemente bajo.

Hoy día todos estos factores, sumados a la responsabilidad legal del proyectista, obligan a un estudio previo del terreno que reduzca a la mínima posible la probabilidad de fallos, con su secuela de accidentes, daños materiales, reparaciones costosas o la inutilización de la obra.

El único medio para alcanzar este conocimiento del terreno de cimentación o del terreno para utilizarlo como elemento estructural es la realización de una campaña geotécnica específica de sondeos, calicatas, ensayos in situ y en laboratorio, con la interpretación adecuada por parte de especialistas; pero hay que recalcar que la campaña geotécnica, totalmente necesaria no es suficiente, ya que solamente es un medio para llegar al fin propuesto, que es hallar los parámetros geotécnicos, que permitan realizar los cálculos y predecir el comportamiento de la obra en el futuro.

Las cualidades que se piden a un terreno que va a servir de material de construcción o de soporte de cimientos son:

  • Una adecuada resistencia a las cargas y acciones exteriores.
  • Una relativa indeformabilidad o deformabilidad controlada.
  • Una evolución lenta de sus características geomecánicas, o sea, una baja alterabilidad.

Para obtener estos datos, y que sean válidos y representativos, es necesario programar bien las actuaciones de campo y ensayos de laboratorio. El terreno no es homogéneo e isótropo y, por ello, los datos requieren interpretación y contraste, así como correlaciones con otros casos similares.

Puede afirmarse que al menos el 80% de los siniestros en que entra en juego la cimentación o las formaciones naturales de los terrenos se debe al desconocimiento de las propiedades de suelos y rocas, por ausencia de datos fiables o por mala interpretación de los datos obtenidos. Este desconocimiento se manifiesta de varias formas:

  1. Se calculan las resistencias del terreno, pero no se calculan o estiman los asientos, aplicando el “nefasto concepto” de presión admisible, por lo que se adoptan cimientos heterogéneos en cuanto a asientos, que provocan el 25% de los fallos de cimientos.
  2. Se estudian muy someramente las propiedades de rellenos naturales o de residuos, ignorando que su heterogeneidad y su falta de control en la construcción, dan lugar a diferencias muy notables de características tanto en horizontal como en vertical. Las cimentaciones sobre rellenos mal caracterizados, suponen otro 25% de los fallos de los cimientos.
  3. No se estudia en profundidad la acción del agua en terrenos sensibles, como los arcillosos, cuando se sabe que la humedad modifica sustancialmente las propiedades mecánicas de estos terrenos, provocando reducciones de la capacidad de soporte, hundimientos, deslizamientos, subpresiones, hinchamientos, etc. La acción del agua supone el 32% de los fallos en los cimientos.
  4. Otras causas de fallos en cimentaciones son las siguientes:
    • Inestabilidades por disolución o colapso brusco de suelos solubles, como las margas yesíferas y yesos.
    • Cimentaciones demasiado someras.
    • Ataques químicos a hormigones o armaduras.
    • Errores de ejecución en pilotes.
    • Equivocaciones en la elección del tipo de pilote.

Todas ellas suponen el 18% de los fallos de cimientos.

En el libro Interpretación de los Ensayos Geotécnicos en Suelos (figura 1), del autor de este artículo, se indican desarrollados y analizados los errores más comunes en este campo.

tyt44mitos01Características del anejo de geología, geotecnia y prospección de yacimientos y canteras en los proyectos de construcción

Este anejo es de los más importantes del proyecto, sobre todo en obras extensas, profundas o con grandes cargas. Según el alcance del proyecto, puede subdividirse en cuatro anejos: geológico, geotécnico, yacimientos y canteras, y vertederos, pero en obras pequeñas se suelen integrar en un solo anejo.

La importancia del conocimiento del terreno, para la realización de proyectos está fuera de toda duda y puede decirse, sin temor a exagerar, que: “Un proyecto da lugar a una obra tanto más económica cuanto más se ha gastado en reconocimientos del terreno”.

Claro está que hay que guardar un equilibrio entre los costos de la geología y la geotecnia con los del conjunto del proyecto y, sobre todo, hay que tener en cuenta los plazos de ejecución de sondeos, calicatas y ensayos de laboratorio o in situ que pueden ser muy largos y, por tanto, incompatibles con las exigencias de puesta en marcha de la obra.

De estas consideraciones surge la necesidad de adelantar lo más posible el trabajo de geología y geotecnia preferiblemente por la realización de un buen estudio previo de soluciones y de un anejo geológico-geotécnico amplio en el anteproyecto.

Cuando no existe este importante documento hay que realizar los trabajos propios del proyecto según la metodología que expondremos más adelante.

Una buena sistemática para abordar la redacción de este anejo es la de dividirlo en cuatro grandes áreas:

  • Geología del terreno.
  • Geotecnia de los materiales superficiales y profundos.
  • Yacimientos y canteras.
  • Vertederos.

Y en cada una de ellas actuar por etapas sucesivas:

  • Bibliografía y cartografía existente.
  • Trabajos de campo y laboratorio.
  • Resúmenes de datos y conclusiones respecto a propiedades de materiales.
  • Establecimiento de parámetros o sistemas de cálculo o utilización.

Hay que tener en cuenta que cada una de estas cuatro etapas puede ahorrar mucho tiempo y dinero a las siguientes y, por tanto, al conjunto del proyecto.

Por ejemplo: la consulta de planos geológicos a escala 1/50.000 puede ayudar a programar el trabajo de geología de campo, y éste, a su vez, ayuda a delimitar mejorar las zonas de prospección geotécnica, ahorrando sondeos calicatas y ensayos de laboratorio,

Por ejemplo: la consulta de planos de rocas industriales a escala 1/200.000 puede orientar mucho los trabajos de geología de campo destinados a buscar canteras, y los ensayos geotécnicos para su caracterización pueden limitarse a algunas propiedades poco conocidas en la bibliografía, con la consiguiente reducción de coste.

Los riesgos que se producen por la redacción inadecuada del anejo geotécnico se pueden resumir en unos pocos conceptos:

  1. Insuficiencia de datos por escasez de sondeos, calicatas o ensayos, lo que da lugar a cálculos insuficientes o a la adopción de parámetros poco justificados.
  2. Informe defectuoso, escaso o erróneo, que no aprovecha los datos de los ensayos para sacar conclusiones y dar recomendaciones concretas.
  3. Falta de utilización de los datos de los ensayos para obtener parámetros geotécnicos, que necesariamente tendrían que intervenir en los cálculos, y no lo hacen. Da la impresión de que entre los datos y los cálculos existe un “vacío” y una desconexión que no se explica, por la gran repercusión y riesgos que pueden tener los errores en este importante anejo.
  4. Interpretación errónea de los datos de campo y laboratorio, por no utilizar los ensayos adecuados o fallar en el campo de validez de los mismos.

En el libro Interpretación de los ensayos geotécnicos en suelos, (figura 1), se indican las acciones de tipo práctico que hay que realizar para una correcta interpretación de los datos de campo y laboratorio, que se apoya mucho en un conocimiento directo de la geotecnia y la geología de cada ensayo o muestra de terreno. Evidentemente, no se va a hablar en este artículo de todos datos o ensayos, sino que lo que pretende es dar unas pinceladas de cómo las dos ciencias unidas destruyen los mitos de cada una de las posibles actuaciones, mencionando las más importantes.

Mito nº 1. Los ensayos de caracterización sólo sirven para clasificar el terreno

El comportamiento mecánico de suelos granulares (gravas y arenas) está mucho más influido por la curva granulométrica (figura 2) que por el porcentaje de finos (limos y arcillas), por lo que en ellos es determinante su tamaño máximo, su gradación granulométrica, sus coeficientes de uniformidad y curvatura y las lagunas que puedan existir en determinados tamaños, y todos estos datos influyen más que la plasticidad de los finos, el porcentaje de éstos y la humedad que puedan retener.

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El comportamiento mecánico de los suelos finos (limos y arcillas) está mucho más influido por su plasticidad, expresada por los límites de Atterberg, como límite líquido (LL), límite plástico (LP), límite de retracción (R), índice de plasticidad (IP= LL – LP), índice de consistencia IC= (LL – W natural)/IP, índice de fluidez IF= (W natural – LP)/IP y, sobre todo, por la humedad natural o de compactación, que a su vez influye en los índices anteriores; todos estos datos influyen más que la granulometría, que suele ser muy simple y que, a efectos prácticos, se suele resumir en el porcentaje en peso que pasa por un tamiz muy fino, entre 50 y 80 micras según la nación de la norma de ensayo.

Así pues, la comparación de estos índices con la humedad del terreno permite predecir su comportamiento mecánico y sirve para mucho más que la simple clasificación. Además, el porcentaje o la naturaleza química y mineralógica de los finos inferiores a 2 micras ( 2 µ ) es un dato importante en países como Francia, Alemania y Gran Bretaña, que permite obtener la deformabilidad, hinchamiento, alterabilidad, etc., de los suelos, en combinación con los datos de análisis químico y mineralógico.

En definitiva, la combinación de los datos geotécnicos con los geológicos (físicos, químicos y mineralógicos) aporta unos mayores conocimientos sobre el comportamiento del terreno.

Existen numerosas correlaciones entre los datos de clasificación de terrenos y sus propiedades mecánicas y de deformación, lo cual facilita mucho el proceso orientativo para determinar estos últimos parámetros, pero no justifica el hecho de que los ensayos de resistencia y deformación sean habitualmente tan escasos en los informes geotécnicos.

Mito nº 2. El control in situ de la densidad del terreno es suficiente para aceptar o no el terraplén construido. La materia orgánica, yesos y sales solubles no son dañinos si se limitan sus contenidos en porcentaje a valores bajos

tyt44mitos03La influencia de la humedad es determinante en el comportamiento de la mayoría de los suelos, excepto las gravas y arenas relativamente limpias, pero incluso aunque éstas sean aparentemente limpias, si contienen un porcentaje de finos menores de 80 µ del orden del 15% al 20%, se comportan casi como arcillas, pues el rozamiento intergranular de las partículas gruesas queda muy reducido por los finos interpuestos. En consecuencia, hay que prestar mucha atención a la humedad y no sólo a la densidad.

En la práctica, se compara la densidad in situ obtenida con la densidad del Ensayo Proctor Normal o Proctor Modificado. Ésta en una característica inicial del terreno, que sirve de referencia, pero no es un único número para toda la obra, sino que es más bien un conjunto de curvas que expresan las características del terreno, que al no ser homogéneo e isótropo, necesita tener varias curvas Proctor para caracterizar cada zona, con sus densidades y humedades correspondientes. Hay que considerar que la variación de la Densidad Máxima Proctor Normal (DMPN), expresada en T/m³, puede variar en 2 centésimas entre una curva y otra, y esto produce que la variación de la densidad in situ varíe en un 1%, que suele ser motivo de conflicto en la aceptación de una capa de terraplén, que tendría que tener 95% de la DMPN y se obtiene un 94% por no haber elegido la curva Proctor adecuada. En la figura 3 puede verse la variación de curvas Proctor posibles, arriba las gravas y abajo las arcillas.

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Para ilustrar esta práctica errónea se incluye la figura 4 que representa un grupo de curvas Proctor de una misma zona de préstamos para terraplén y su interpretación respecto a la densidad y humedad in situ. En las normas españolas no se le da la importancia que tiene el control de la humedad in situ referida a la Humedad Óptima Proctor Normal (HOPN), en contraposición con las normas francesas, británicas y alemanas, que tratan la humedad de los terrenos con gran minuciosidad, pasando a consideraciones de tipo constructivo, de proyecto y de control de calidad. En España se indica que la humedad debe estar entre HOPN-2% y HOPN+1, valores demasiado genéricos, que pueden no ser convenientes para muchos suelos, y cuando se trata de suelos expansivos o colapsables estos valores se sitúan entre HOPN-1 y HOPN+3. Suponiendo que se usen estos suelos, lo cual no es probable, la HOPN+3 está peligrosamente cerca del Grado de Saturación (Sr), si no lo ha superado. Para calcular este último valor se emplea una fórmula muy poco útil y que utiliza el peso de las partículas sólidas del suelo, que es complicadísimo obtener con exactitud.

En cuanto al contenido de materia orgánica, sales solubles y yesos, los límites mínimos de estas sustancias son mucho más permisibles que en otros países, lo que puede provocar daños importantes a medio y largo plazo.

En general, la materia orgánica que forma parte de los suelos en explanaciones tiende a desaparecer con el tiempo, al contrario que en los suelos agrícolas, que aumentan la materia orgánica con los abonos y las raíces, mientras que las capas de explanaciones se compactan para reducir los huecos y se drenan para reducir la humedad. Lo ideal en estas capas estructurales es que no haya materia orgánica, que pueda convertirse en huecos en el futuro. Es necesario limitar la Materia Orgánica (MO) de forma razonada y prever las variaciones de densidad y humedad del suelo con el tiempo, suponiendo que el contenido de MO pasa a ser 0%. Por ejemplo, si se admite que un suelo tolerable tenga un 2% en peso, de MO, ya se puede predecir que la densidad in situ que se ha pedido en esa obra, que según el pliego PG-3 es de 95% de la DMPN, disminuirá un 2% aproximadamente hasta el 93%, y que el volumen de huecos, subirá un 4% también aproximadamente, con lo cual es muy probable que los poros se rellenen de agua y la humedad in situ suba un 4%, y, por ello, el suelo pasará a una situación que al principio debería estar entre la HOPN-2 y la HOPN+1, a una humedad de HOPN+2 hasta HOPN+5, que con toda seguridad estará fuera de las prescripciones que se habían exigido inicialmente y en un estado de saturación que provocará deformaciones inadmisibles. Una sencilla observación geológica del terreno puede detectar estos elementos. Es más prudente adoptar valores mucho más bajos como los de países de nuestro entorno.

Mito nº 3. La permeabilidad del suelo es un factor poco importante, que puede calcularse a partir de los datos de granulometría y límites de Atterberg

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Esta afirmación es radicalmente falsa y puede conducir a errores del orden de 100 veces, en más o en menos, en suelos granulares, y a 100.000 veces en los suelos arcillosos. Las muestras que se ensayan en laboratorio dan permeabilidades con más exactitud, pero siempre queda la duda de su representatividad. Esta variable tan amplia, que puede oscilar entre 1 m/seg y 1/ 1.000.000.000.000.000 m/seg= 1/1 peta m/seg, es casi imposible determinar con exactitud para una muestra de terreno, pues influyen factores como la granulometría, el coeficiente de uniformidad, el coeficiente de curvatura, la densidad del terreno, la forma de los granos de todo tipo, la mineralogía, el régimen hidráulico, la estratificación de las capas del terreno, la composición química en relación con la del agua de la zona, etc., en definitiva, la geología de detalle de cada zona.

La mayor parte de las veces es más rápido y más exacto realizar ensayos in situ, bien a presión atmosférica en calicatas o bien a presión confinada en sondeos como los ensayos Lefranc y Lugeon.

La permeabilidad es un factor importante en la determinación del tiempo de asiento de una zona de terreno y no puede estimarse a la ligera. La figura 5 indica la permeabilidad de varios terrenos en función de la densidad y del índice de huecos. También interviene de forma importante en la interpretación correcta de ensayos como el CBR, Corte Directo y Triaxial. Una manera aproximada de obtener la permeabilidad de los suelos más comunes es utilizar el gráfico de Burmister (figura 6).

Mito nº 4. Hay que aplicar una sola norma de clasificación de suelos en cada país

Las clasificaciones de suelos incorporan características generales y también detalladas según la geología de cada país, pero muchas veces las características generales y, en casos especiales, las detalladas pueden servir para matizar o corregir las normas nacionales, por mejor adaptabilidad al caso concreto de que se trate. Por otra parte, cuanto más extensas sean las normas de un país, tantos más útiles serán para un mayor número de casos en cualquier zona. tyt44mitos06Por ejemplo, las normas francesas son muy detalladas y abarcan multitud de aspectos prácticos de los suelos, dando gran importancia a la humedad y añadiendo indicaciones sobre clima (lluvia, calor, frío), posibilidad de estabilizaciones (con cemento, cal, arena…), espesor de tongadas en terraplenes, aparatos de compactación (tipos y número de pasadas), taludes, desagües superficiales, drenajes subterráneos y ensayos de caracterización más amplios que otras normas.

Las normas británicas, suizas y alemanas también son muy recomendables. Ante esta diversidad, es prudente contrastar varias clasificaciones, sobre todo, en casos difíciles para tomar decisiones prácticas en proyectos y obras.

Se incluye a continuación en la figura 7 una parte de la norma española para explanaciones, sobre la que no estimamos conveniente incluir comentarios.

Mito nº 5. Solo con los ensayos penetrométricos se puede establecer la presión admisible de un cimiento

Esta afirmación que se ha extendido peligrosamente entre muchas pequeñas empresas es radicalmente falsa, pues en la presión admisible (se supone que quiere decir presión de hundimiento/coeficiente de seguridad) de un cimiento intervienen factores como la cohesión, el ángulo de rozamiento, la densidad del suelo, el nivel freático, la profundidad del cimiento, la inclinación de la base, la inclinación de los estratos, la forma del cimiento, la densidad del terreno, por encima y por debajo del nivel freático, el método de cálculo de la presión de hundimiento, el coeficiente de seguridad, etc.; la mayoría de estos factores no pueden ser detectados por el ensayo penetrométrico (figura 8); además tampoco calcula los asientos. Una vez más, la realización del ensayo geotécnico tiene que ser interpretado con los datos geológicos del terreno y la aplicación del sentido común a la realización del propio ensayo y al tipo del terreno.

tyt44mitos07y08Teniendo en cuenta que el diámetro interior de la cuchara del ensayo SPT es de 35 mm, los mejores resultados se obtienen cuando no hay partículas de tamaño máximo superior a 12 mm, pudiendo llegar con una adecuada interpretación hasta los 18 mm. Conocer la composición geológica del suelo, con el perfil de un sondeo próximo, o con las primeras observaciones del testigo del SPT, son muy importantes, para valorar los resultados, pues puede ocurrir que haya intercalaciones de costras calcáreas, elementos gruesos sueltos, intercalaciones de filones cuarzosos en terrenos arenosos de jabre, etc.

Cuando los resultados son relativamente constantes, no hay problemas, como en el caso de obtener 30-28-31, en el que N30= 28 + 31 = 59, pero hay casos más problemáticos:

Por ejemplo: 28-5-7, que podría ser que algo ha obstruido el primer golpeo y el resultado sería N30=12, lo cual se confirmaría hincando otros 15 cm, y comprobando que el resultado es del orden de 5 a 7.

tyt44mitos09Por ejemplo: 7-48-6-9, este resultado indicaría que hay un estrato resistente (encostramiento, marga dura, capa calcárea centimétrica, etc.) y el resultado no podría ser N30= 48 + 6 = 54, sino que debería ser N30= 6 + 9 = 15 para caracterizar mejor la resistencia del terreno en conjunto.

Por ejemplo: 10 + 14 + R: existe una capa dura que es necesario verificar con los testigos del sondeo y es posible que este N30 no sea válido o bien haya que tomar como valor N30= 10 + 14 = 24 con precauciones según el perfil del sondeo.

Por ejemplo: un caso relativamente frecuente en terrenos arcillosos de facies flysch con intercalación de capas finas de margas calcáreas duras es: 4-15-4-5, que indica que en el segundo tramo hay un pequeño estrato un poco más duro. El resultado correcto sería N30= 4 + 5 = 9, o bien si no se ha hecho un cuarto tramo, desechar el segundo de 15 y sumar el primero y el tercero, con casi el mistyt44mitos10mo resultado de antes, pero comprobando la existencia de este pequeño estrato en la observación de la muestra extraída.

El ensayo penetrométrico DPSH con puntaza cónica usa la misma maza y altura de caída que el SPT, por lo que es cada día más utilizado, pues tiene la ventaja de que es más rápido y no se obstruye por ser el vástago macizo; pero tiene la desventaja de que no se obtienen muestras del terreno. Pueden hacerse las mismas observaciones r
especto a los resultados que en el caso del ensayo SPT.

Existen numerosas correlaciones entre todos los tipos de resultados penetrométricos (SPT, Borros, DPL. DPM, DPH, DPSH y otros menos corrientes) pero hay que tomarlas con precaución y razonando las fórmulas de paso y las características del terreno en cada caso.

Los resultados de los ensayos pueden servir para estimar el ángulo de rozamiento del terreno, como se indica en la figura 9, o el módulo de elasticidad del terreno, como se muestra en las figuras 10 y 11.

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 Material adicional: Presentación realizada por el autor para la reunión del Geoforo celebrado en el Colegio Oficial de Geólogos.