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

Nº 45 | Texto | Ignacio Morilla Abad. Doctor Ingeniero de Caminos Canales y Puertos y licenciado en Filosofía y Letras. Catedrático emérito de la Universidad Politécnica de Madrid.

La interpretación de los ensayos en suelos y rocas presenta numerosos problemas en la ejecución de los informes geotécnicos. Esta situación se puede resolver con una buena formación geológica, de manera que la geología y la geotecnia se complementen para lograr unos informes rigurosos, obtener resultados rápidos, económicos y, sobre todo, lo más exactos posibles.

Mito nº 6. El ensayo de corte directo proporciona unos datos resistentes muy importantes como el ángulo de rozamiento y la cohesión (si se hace bien)

Esta afirmación, que es cierta, requiere unas matizaciones importantes para evitar errores muy frecuentes. Éstas son:

• La muestra tiene que ser representativa del terreno; o sea, tiene que pertenecer al mismo estrato o profundidad donde va a ejecutarse la cimentación. No es lógico que la muestra inalterada o parafinada, esté más arriba o mucho más abajo que la base de la cimentación. Este error es frecuentísimo por falta de coordinación entre el calculista de los cimientos y el sondista o encargado de la campaña geotécnica.
• Antes del ensayo tiene que haber un informe geológico sencillo sobre la naturaleza de la muestra en relación con el tipo de molde. Por ejemplo, en un molde de 40 mm de altura, no se puede colocar una muestra con elementos gruesos, del orden de 10 a 15 mm que si son abundantes distorsionan gravemente los resultados de “φ” (ángulo de rozamiento) y “c” (cohesión). Otro ejemplo es el de una muestra muy arcillosa que se coloca en el molde con una humedad claramente superior o inferior a la que tiene en el terreno. Esto puede distorsionar los resultados.
• Es necesario determinar previamente al ensayo, si éste se tiene que realizar con muestra consolidada o no y con qué carga y tiempo hay que consolidar. Igualmente hay que fijar si se quiere efectuar la prueba con drenaje por arriba, por abajo o con drenaje por ambas caras; o también sin drenaje o en condiciones de “muestra inundada” Los resultados pueden ser muy diferentes unos de otros. Lo correcto es efectuar el ensayo con las condiciones más parecidas a las que va a trabajar el terreno, que pueden ser varias según las fases constructivas.
• Cuando las muestras tienen elementos gruesos que pueden distorsionar el ensayo, puede ser interesante utilizar muestras remodeladas sin estos elementos gruesos, con las condiciones de humedad y densidad, lo más parecidas a la realidad de la obra.
• Otras variables que también hay que tener en cuenta son los sistemas de rotura de la probeta, con deformación constante en el tiempo o con carga constante en el tiempo. También puede influir en terrenos sensibles, la velocidad de ejecución del ensayo y el tamaño de la probeta.

Sin tener en cuenta estas premisas, es relativamente frecuente que se cometan errores de resultados de “φ” y de “c”, salvo que los ensayos se realicen en laboratorios experimentados y con buenos aparatos de corte directo (figura 1).

Otro factor muy importante que se agrega a los cuatro anteriores es la mecánica del procedimiento de ensayo y la determinación de los resultados. Normalmente se deja al buen criterio del responsable del ensayo la determinación de “φ” y “c” por procedimientos gráficos, lo cual puede ser peligroso, o lo que es aún peor, se confía a un programa de trazado de una recta de regresión, que puede dar resultados sorprendentes y erróneos (figuras 2, 3 y 4).

En estos tres ejemplos se han comparado los resultados del laboratorio con los que resultan de aplicar el sentido común y la observación de las probetas ensayadas, con lo que se obtienen resultados muy diferentes, que obligan a tener serias dudas de los resultados de los laboratorios y, por tanto, se hace muy necesaria la revisión y aplicación de las observaciones geológicas de las probetas antes y después del ensayo.

Mito nº 7. El ensayo triaxial permite hallar con más exactitud dos datos resistentes muy importantes, como el ángulo de rozamiento y la cohesión (si se hace bien)

Las observaciones que hay que hacer son las mismas que las del ensayo de corte directo (ver Mito nº 6, todos los apartados), pero hay que añadir otras como: la medida de presiones intersticiales, velocidad de carga axial, medida de tensiones y deformaciones en las caras de la probeta, etc. y, sobre todo, la determinación de presión lateral, para que se reproduzcan las condiciones de obra con la mayor exactitud posible (figura 5). El establecimiento de la presión lateral es extraordinariamente importante, pues modifica esencialmente la magnitud de los resultados; y aquí es de gran ayuda el conocimiento geológico del terreno y una adecuada testificación del sondeo donde se ha extraído la muestra a ensayar. Las teorías acerca del empuje lateral de tierras en un sondeo son muchas y muy diferentes entre sí, según los autores, y se requiere la intervención de un especialista para acotar el problema. El número posible de ensayos triaxiales es infinito como se desprende de la combinación de las variables que intervienen, por lo que la elección de las variables adecuadas permite ahorrar mucho tiempo y dinero.

Tanto el ensayo de corte directo como el triaxial tienen objetivos casi iguales, pero el primero es más rápido y económico y el segundo más completo, lento y caro. A continuación se incluye una tabla comparativa de características.

Mito nº 8. El ensayo CBR (California Bearing Ratio) solo sirve para calcular pavimentos y está cayendo en desuso

El ensayo CBR surgió a principios del siglo XX, con la finalidad de calcular pavimentos, pero tiene muchas más aplicaciones. Ya, algunas de sus variantes se usan para establecer criterios de control de calidad y predicción de la alterabilidad de las características de los suelos y puede ser de gran utilidad (figura 6).

El ensayo normalizado se realiza después de mantener la probeta compactada, 4 días en inmersión de agua, pero esta situación que aparentemente es muy desfavorable, depende mucho de la permeabilidad del suelo compactado; en suelos arcillosos puede tardar varios años en modificar la humedad del núcleo de la probeta. Sin embargo, en suelos granulares esto sucede de forma relativamente rápida, y hay poca diferencia entre un ensayo inmediato (sin inmersión) y otro normalizado.

Los dos factores más importantes que influyen en los resultados del ensayo CBR son la humedad de amasado de la probeta y la energía de compactación, además del tipo de suelo y el tiempo de inmersión. Esto permite múltiples variantes que tienen diversas aplicaciones. Por ejemplo, en Francia, Reino Unido y otros países europeos se usa cada vez más el CBR inmediato, para caracterizar el tipo de suelo para explanaciones, junto con otras variables de granulometría y plasticidad. La comparación de resultados del CBR en un mismo suelo variando la humedad de compactación, o la energía de compactación, permite apreciar la sensibilidad del suelo a estas variables y, por tanto, acotar los valores más adecuados para su utilización en obra. Según el tipo de suelo, también se puede variar el tiempo de inmersión y la sobrecarga que simula el pavimento y sacar consecuencias frente a su utilización en obra o su control de ejecución.

También es muy útil para comprobar la eficacia de las estabilizaciones de suelos, con cemento, cal, escorias, cenizas, etc., variando porcentajes de material estabilizador, días de curado al aire o días de curado en inmersión. Las posibilidades de obtener datos prácticos son muy numerosas, y su realización previa a la iniciación de las obras da lugar a una serie de datos que proporcionan indicaciones prácticas de cómo actuar en caso de lluvia, desecación, compactación, control de la humedad y de la densidad in situ, al mismo tiempo que puede predecirse la evolución a corto o medio plazo de los suelos controlados por el ensayo CBR (ver figuras 7 y 8).

Mito nº 9. El ensayo de placa de carga soluciona las dudas de las determinaciones de densidad en explanadas (si se hace bien)

En las figuras 9 y 10 se muestran las placas de carga para el ensayo.

La afirmación del enunciado, que es cierta, requiere unas matizaciones importantes para evitar errores muy frecuentes, que son:

• La placa tiene que tener unas dimensiones adecuadas al tipo del terreno, sobre todo a la granulometría y al tamaño máximo del suelo y también al espesor de la tongada a examinar. En el primer caso, el tamaño máximo debe ser inferior de 1/4 a 1/3 del diámetro de la placa sin que el suelo sea uniforme. En el segundo caso, para que el bulbo de tensiones alcance a todo el espesor de la tongada, el diámetro de la placa debe ser más o menos igual al espesor de aquella. Por ejemplo, en un suelo de tamaño máximo de 10 cm, la placa debe ser al menos de 30 cm, o mayor aún si la tongada a analizar es de 40 cm, en cuyo caso la placa tendría que tener un diámetro de 45 cm. En caso contrario se producen errores importantes.
• La humedad de la capa a ensayar es un factor decisivo en los resultados de los ensayos en todos los suelos, pero en especial para los que tengan componentes arcillosos. No se puede interpretar bien el módulo de deformación del terreno sin tener en cuenta la humedad del mismo bajo la placa. Por otra parte, el aspecto superficial del suelo tiene que ser representativo. No se puede apoyar la placa sobre un elemento grueso, ni sobre una pequeña depresión con agua y residuos arcillosos.
• Además del diámetro de la placa, influye el tipo de ésta, según el número de apoyos fijos alejados del punto de ensayo; deben ser tres o cuatro puntos, nunca dos. Además, el número de puntos de medida sobre la placa, para obtener el asentamiento de ésta, debe ser como mínimo de tres, que definen un plano y la media del asiento de los tres puntos es así representativa del asiento total.
• El número de ciclos de carga y descarga varía según la utilización de los resultados del valor del módulo de deformación. En zonas donde se van a colocar cimientos sobre el suelo conviene hacer varios ciclos de presión constante o presión variable por escalones de carga. Sin embargo, en explanaciones para carreteras, ferrocarriles o aeropuertos, suele ser suficiente con dos ciclos de carga, según la norma alemana usada en España, y analizar el módulo en primer ciclo (EV1) y compararlo con el módulo en segundo ciclo (EV2) para sacar conclusiones. En ambos casos, la carga máxima a transmitir al suelo durante el ensayo debe ser como mínimo el doble de la carga de uso en la realidad. Esta magnitud es adecuada en la mayoría de los casos, pero en algunos cimientos no se puede alcanzar fácilmente por lo que hay que recurrir a procedimientos especiales.
  Los ensayos más utilizados en España son el suizo y el alemán. En la norma suiza el módulo ME tiene como expresión general (valores en kg/cm²):

ME = Δp / ΔZt·D = 2 · p· a/ΔZt

• Siendo “a” el radio de la placa en cm. El coeficiente 2 se debe a que en el método suizo se supone que la profundidad del terreno deformado es de 2a, o sea, igual al diámetro de la placa.
  “p” es el incremento de presiones, es decir:
  entre 0,5 y 1,5 kg/cm2 para los cimientos de terraplenes o desmontes en suelo natural;
  entre 1,5 y 2,5 kg/cm2 para las capas de cimiento del pavimento, o sea para la coronación del terraplén;
  entre 2,5 y 3,5 kg/cm2 para las capas de subbase del pavimento.

Los valores mínimos a alcanzar en cada capa de terreno según las prescripciones suizas son los siguientes:

Valores de ME en kg/cm²

Las prescripciones alemanas son más precisas e incluyen valores de Ev1, Ev2 y porcentajes de compactación, además de limitar las características de los terrenos. Hay que tener en cuenta que los módulos alemanes y suizos son diferentes, y que el ME suizo es 1,33 veces más alto que el Ev2 o Ev1 alemán, lo que significa que este último calcula el módulo en un espesor 0,75 veces el diámetro de la placa y el ME suizo en un espesor igual al diámetro de la placa (a igualdad de cargas).

Se inserta a continuación (figura 11) el esquema operativo del ensayo de placa de carga alemán.

Las curvas de tensiones-deformaciones de los diversos suelos adoptan formas típicas según su granulometría, coeficiente de uniformidad, porcentaje de finos y sobre todo humedad.

En la figura 12 se incluyen algunas curvas típicas de varios suelos.

Mito nº 10. El ensayo edométrico proporciona unos parámetros de deformabilidad del suelo bastante exacto (si se hace bien)

En la figura 13 se muestran los aparatos para el ensayo edométrico.

La afirmación del enunciado es cierta y, debido al tamaño de la probeta, parecido a la del ensayo de corte directo. Sin embargo, requiere unas matizaciones importantes para evitar errores muy frecuentes. Estas son:

• La muestra tiene que ser representativa del terreno, es decir, tiene que pertenecer al mismo estrato o profundidad donde va a ejecutarse la cimentación para calcular los posibles asientos en esa zona. No es lógico que la muestra inalterada o parafinada, esté más arriba o mucho más abajo que la base de la cimentación. Este error es frecuentísimo por falta de coordinación entre el calculista de los cimientos y el sondista o encargado de la campaña geotécnica.
• Antes del ensayo tiene que haber un informe geológico sencillo sobre la naturaleza de la muestra en relación con el tipo de molde. Por ejemplo, en un molde de 40 mm de altura, no se puede colocar una muestra con elementos gruesos, del orden de 10 mm que, si son abundantes, distorsionan gravemente los resultados de la curva tensiones-deformaciones. Otro ejemplo es el de una muestra muy arcillosa que se coloca en el molde con una humedad claramente superior o inferior a la que tiene en el terreno. Esto puede distorsionar los resultados.
• Es necesario determinar previamente al ensayo, si éste se tiene que realizar con muestra consolidada o no y con qué cargas hay que programar los diversos escalones de cargas. Igualmente hay que fijar si se quiere efectuar la prueba con drenaje por arriba, por abajo o con drenaje por ambas caras; o también sin drenaje o en condiciones de “muestra inundada”. Los resultados pueden ser muy diferentes unos de otros. Lo correcto es efectuar el ensayo con las condiciones de carga y drenaje más parecidas a las que va a trabajar el terreno, que pueden ser varias según las fases constructivas.
• Cuando las muestras tienen elementos gruesos que pueden distorsionar el ensayo, puede ser interesante utilizar muestras remodeladas con las condiciones de humedad y densidad lo más parecidas a la realidad de la obra, pero sin los elementos gruesos.
• Lo más importante es determinar la deformación que se obtendrá en la probeta para las cargas reales que va a tener el cimiento, sobre todo para la carga máxima, así como calcular el tiempo en que se producirá el asiento, en cuyo caso es necesario estimar cuidadosamente la permeabilidad del terreno bajo el cimiento.
• Para el cálculo del tiempo de consolidación se suelen hacer extrapolaciones de las curvas de consolidación realizadas en tiempos relativamente cortos, mediante construcciones gráfico-numéricas diferentes según los diversos autores.

La curva de deformaciones-tiempos, expresada en escalas semilogarítmica en el gráfico de la figuras 14 y 15, permite establecer una extrapolación de la deformación que tendrá la muestra cuando alcance el grado de consolidación 90% o 100% mediante construcciones gráficas y numéricas. En esta última curva (figura 15), en la que las presiones están representadas en escala logarítmica, las diversas ramas de carga y descarga son aproximadamente rectas y su pendiente se denomina índice de compresión o índice de hinchamiento según se trate de una trama de carga o de descarga respectivamente. Sus valores son:

ÍNDICE DE COMPRESIÓN CC:
(e – e1) / (log10 σ – log10 σ 1)
en las ramas de carga.

ÍNDICE DE HINCHAMIENTO CS:
(e – e1) / (log10 σ – log10 σ 1)
en las ramas de descarga.

Otras magnitudes muy utilizadas para correlacionar los resultados del ensayo con otros parámetros geotécnicos son:

Coeficiente de compresibilidad específica mv = s/ H . Δp
Expresado en 1/ MPa o en 1/ kg/cm²

En la que:
s = asiento en un escalón de carga.
H = altura inicial de la probeta en ese escalón.
Δp = incremento de presiones en ese escalón.

A efectos prácticos es mucho más eficaz emplear el módulo edométrico Em, que simplemente es el inverso de mv y que refleja con más aproximación a la realidad, la relación entre tensiones y deformaciones en un determinado intervalo de presiones.

Em = 1 / mv = H . Δp / s
Expresado en MPa o en kg/cm²

Este módulo es muy parecido al módulo elástico de Young, y pueden utilizarse indistintamente a efectos prácticos, pues las diferencias son escasas, aunque en teoría, el módulo de Young o de deformabilidad lineal E es un poco más pequeño que el edométrico.
Pero lo más práctico y directo es calcular el módulo de deformación por la última fórmula, utilizando los datos del escalón de carga que englobe a las presiones de trabajo que va a tener la cimentación. Por ejemplo, si una zapata tiene una presión de contacto máxima de 0,23 MPa (2,3 kg/cm²) y los datos siguientes son representativos por ser una media de varias probetas, el módulo de deformación será 27,8 MPa, según la tabla superior adjunta de un caso real.

Conclusiones

La realización de ensayos geotécnicos ha sufrido una transformación importante en los últimos 10 o 15 años como consecuencia de la crisis económica y de la drástica reducción de obras públicas y edificación. Esta situación ha supuesto la descapitalización del sector humano de ingenierías y laboratorios de ensayos, que afectó tanto a técnicos superiores y medios como a oficiales de laboratorio, reduciendo el número de todos ellos. Por otra parte, la inversión en aparatos de laboratorio y otros medios materiales ha sufrido una disminución aún mayor. Esta situación de tipo general ha tenido como consecuencia una reducción de la calidad de los ensayos y de la interpretación de los mismos, salvo excepciones muy honrosas. Precisamente, para paliar el estado de cosas actual, se propone en este artículo una reducción o eliminación de muchos mitos asociados por rutina a determinados tipos de ensayos, de los que aquí (y en la parte I de este artículo, T&T 44) se han comentado solamente diez de los más importantes. Esta propuesta se fundamenta en varias ideas básicas:

Revisar las normas actuales de ensayos, para aplicarlas correctamente, y no con procedimientos rutinarios, que muchas veces han ido acumulando defectos.

Abrir el abanico de posibilidades a la utilización de normas extranjeras, más modernas y con mayor contenido práctico, comparando con un sentido constructivo las normas españolas con las foráneas.

Aplicar a cada caso de realización de ensayos un criterio de análisis de resultados que permita conocer rápidamente si el orden de magnitud de los mismos está dentro de lo habitual y carece de errores de bulto.

Intensificar mucho más el análisis geológico de la selección de muestras para ensayo y su representatividad para lograr unos resultados más fiables. Muchas veces es más importante asegurarse previamente de la representatividad de las muestras, con una adecuada revisión visual y descripción geológica exacta, que no hacerlo y obtener resultados dudosos.

Colofón

Como resumen puede decirse que los datos geotécnicos fiables dependen, en primer lugar, de una colaboración entre geólogos y geotécnicos en todas las fases de trabajo de campo, selección de muestras y ensayos de laboratorio; y, en segundo lugar, de una selección razonada de normas a aplicar y de la adecuada formación de técnicos de laboratorio e ingenieros geotécnicos.