Problemas Especiales de Ingeniería de Suelos.

Anteriormente se ha comentado e ilustrado algunos problemas habituales de la ingeniería civil en los que interviene la mecánica de suelos. Existen además muchos otros tipos de problemas de suelos que, aunque menos usuales, también son importantes. En esta sección citaremos algunos de ellos con objeto de dar una sinopsis más completa de la gama de problemas en los que resulta útil la mecánica de suelos.

-Vibraciones.

-Explosiones y Terremotos.

-El Almacenamiento de Fluidos Industriales en Depósitos de Tierra.

-Heladas.

-Hundimientos Regionales.

Ejemplo de Tubería Enterrada.

Con frecuencia se debe enterrar una tubería bajo un terraplén elevado de ferrocarril o carretera. Debido al rápido crecimiento de la industria de tuberías y a la construcción de importantes carreteras, ha aumentado grandemente el número de instalaciones, de tuberías enterradas. Estas tuberías suelen ser de una chapa delgada de metal o plástico, denominadas tuberías flexibles o de una pared gruesa de concreto armado, denominadas tuberías rígidas.

Existen muy pocos casos en los que las tuberías enterradas se hayan roto por aplastamiento bajo las cargas exteriores aplicadas. La mayor parte de las roturas producidas han estado asociadas con:

a) ejecución defectuosa:
b) cargas de construcción superiores a las del proyecto y

c) flexión de la tubería por asentamientos de la cimentación o hundimiento. Ante los excelentes datos de comportamiento de muchos miles de tuberías enterradas, la conclusión obligada es que los métodos de proyecto y construcción que se utilizan habitualmente producen instalaciones con un amplio margen de seguridad. Sin embargo, se ha publicado escasa información referente a la seguridad real de estas instalaciones y a su grado de sobredimensionamiento, lo que ha podido ocasionar un gran despilfarro de dinero.

La Fig. 1.16 muestra la instalación de dos tuberías de acero, de 760 mm de diámetro cada una, con un espesor de pared de 9.5 mm, enterradas bajo un terraplén de 24 m de altura en su eje. Con el método analítico que se emplea usualmente, se obtuvo un valor de 19 cm para la máxima flecha o deflexión del tubo. 

La práctica habitual indica un valor del 5 % del diámetro del tubo, es decir, 38 mm para un diámetro de 760 mm, como máxima de- flexión admisible.

En esta fase de la obra, se realizaron pruebas en laboratorio e in situ sobre las tuberías instaladas. Empleando los datos sobre características del suelo obtenidas en estas pruebas, se llegó al cálculo de una deflexión de la tubería de 8 mm, valor perfectamente seguro. El valor máximo de la deflexión de la tubería medido realmente fue de sólo 4.3 mm. Estas deflexiones indican la ventaja de una instalación controlada (así como la inexactitud de los métodos habitualmente empleados para estimar las deformaciones de tuberías enterradas).

El método de colocación de las tuberías se indica en la Fig. 1.16 y comprende las siguientes fases: realización del relleno hasta la cota de la parte superior de las tuberías; excavación de una zanja para las tuberías; conformación a mano de una cama de asiento para cada tubería, adecuada a la curvatura de la misma; relleno bajo condiciones cuidadosamente controladas para conseguir un terreno compacto en las partes laterales y una zona blanda encima de cada tubo.

Los rellenos laterales compactos proporcionan a las tuberías, un apoyo lateral resistente, reduciendo así su deformación lateral. Las zonas blandas tienden a provocar que la parte del terraplén situada directamente sobre las tuberías se asiente más que el resto, transmitiendo así parte de la carga vertical al terreno situado fuera de la zona de emplazamiento de las tuberías; es el fenómeno denominado arqueo o efecto de arco.

Como la carga vertical sobre las tuberías depende de la altura del terraplén, se puede esperar que el asentamiento de las tuberías sea máximo en el centro del terraplén. Así ocurrió en el ejemplo citado, en el cual el asentamiento fue de 17 cm en el eje del terraplén y de sólo 1 cm en los extremos del mismo. La tubería de acero flexible, de más de 100 m de longitud, podía resistir fácilmente una flecha de 16 cm.

En este proyecto el ingeniero tuvo que seleccionar el espesor de las paredes de la tubería y dirigir y supervisar la colocación de las mismas.

Figura 1.16  Tuberías Enterradas.

Ejemplo de Estructura de Retención o Sostenimiento - Tablestacado Anclado.

Un tipo habitual de estructura de retención es el tablestacado anclado, que aparece en la Fig. 1.15. Al contrario de un muro de gravedad, el cual tiene una amplia base en contacto con el terreno de cimentación y peso suficiente para que exista una fricción entre el suelo y la base del muro que evite un desplazamiento lateral excesivo del mismo, el tablestacado anclado debe su estabilidad a la penetración en el terreno de cimentación y a un sistema de anclaje próximo a su parte superior.

El tablestacado representado en la Fig. 1.15 se construyó como parte de un muelle de carga. Los buques atracan a lo largo del muelle y se cargan con los productos almacenados en la superficie de éste. La carga se realiza mediante una grúa que se mueve sobre carriles paralelamente al tablestacado.

Para determinar la sección transversal y la longitud del tablestacado, el ingeniero debe calcular los esfuerzos ejercidos por el suelo sobre el muro (presiones laterales). La distribución de estas presiones a lo largo del muro depende, en gran parte, de los desplazamientos laterales que se producen en el terreno situado junto al mismo, y, a su vez, estas deformaciones dependen de la rigidez del tablestacado: un problema de interacción suelo-estructura.

La elección de la longitud y sección de las tablestacas y el proyecto de un sistema de anclaje es únicamente una parte del problema. También ha de tenerse en cuenta la estabilidad de todo el sistema frente a una falla general, en la que la superficie de deslizamiento podría pasar a través del relleno de tierras y bajo el extremo inferior del tablestacado. Este tipo de estabilidad general puede constituir un problema mucho más grave en el caso de tablestacas ancladas que el proyecto del propio tablestacado.

Las siguientes cuestiones deben tenerse en cuenta para el proyecto de un tablestacado anclado:

1. ¿Qué tipo de tablestacado debe emplearse (material y sección transversal)?
2. ¿A qué profundidad debe penetrar el tablestacado en el terreno delante del mismo?
3. ¿A qué altura debe situarse el anclaje?
4. Qué longitud debe darse al mismo?
5. ¿Qué sistema de anclaje debe emplearse en el extremo de la barra?- (Un método de anclaje es emplear un gran macizo de concreto, o muerto. Otro sistema consiste en una serie de pilotes incluyendo algunos pilotes inclinados).
6. ¿Cuál es la distribución de presiones sobre el tablestacado?

7. ¿Qué tipo de drenaje debe colocarse para evitar que se desarrolle una importante presión hidrostática diferencial a ambos lados del tablestacado?
8. ¿Cual es la mínima distancia permisible entre el tablestacado y la grúa cargada? (59,000 kg de carga total).
9. ¿Qué limitaciones, si proceden, deben imponerse al almacenamiento de cargas sobre la superficie sostenida por el tablestacado?

Figura 1.5 Tablestacado anclado.

Estructuras Enterradas y de Retención.

Cualquier estructura construida bajo la  superficie del terreno está sometida a las fuerzas que ejerce el suelo en contacto con la misma. El proyecto y construcción de estructuras enterradas o de sostenimiento constituye una faceta importante de la ingeniería civil. En las páginas anteriores ya se han presentado ejemplos de estructuras de este tipo; entre ellas están los pilotes metálicos colocados para la cimentación de la Fig. 1.2, los muros de cerramiento de la ¡parte enterrada de los edificios que aparecen en las Figs. 1.4 y 1.5, la pantalla de concreto que sirve de recinto a la isla artificial de la Fig. 1.9 y el apuntalamiento de la excavación que muestra la Fig. 1.

12b. Otros ejemplos habituales son los túneles de ferrocarril o carretera, los edificios subterráneos como centrales hidroeléctricas, las obras de drenaje, los muros de retención y los oleoductos.

La determinación de las fuerzas que actúan sobre la estructura enterrada no se puede hacer en forma correcta, considerando únicamente la estructura o el terreno circundante, ya que el comportamiento de aquélla dependerá del comportamiento de éste. Por tanto, el ingeniero debe tener conocimientos sobre la interacción suelo-estructura para proyectar adecuadamente las estructuras sometidas a cargas de tierras.

Ejemplo de Pavimento de Carretera.

Uno de los usos mas comunes y extendidos del suelo como material de construcción es en pavimentos (*) de carreteras y aeropuertos. Los pavimentos pueden ser flexibles o rígidos. La función principal de un pavimento flexible es repartir las cargas de rueda concentradas en una superficie suficientemente grande para que no se produzcan esfuerzos excesivos sobre el terreno de cimentación. El pavimento rígido, formado por una loza de concreto armado posee suficiente resistencia a flexión para hacer de puente sobre las partes blandas de la cimentación. El pavimento más adecuado para cada caso particular depende de la naturaleza del terreno, de los materiales de construcción disponibles y de las funciones de la carretera.

Fig. 1.11. Pavimento de carretera.

La Fig. 1.1 1 muestra un pavimento flexible de carretera proyectado para 100 pasadas por día y por carril de un vehículo con una carga máxima por rueda de 6,750 kg. El pavimento elegido está formado por una subrasante mejorada, conseguida al compactar los 15 cm superiores el terreno natural; una capa de base formada por 15 cm de suelo del lugar, estabilizado con un 7 % en peso de cemento portland y regado hasta la humedad conveniente el cual se compactó posteriormente; y una superficie de rodamiento constituida por 5 cm de mezcla asfáltica fina, en caliente.

En general, la base de un pavimento está formada por grava o piedra triturada. En el desierto en que se cons truyó el pavimento de la Fig. 1. 11 había escasez de grava, pero existía gran abundancia de arena de médano. En este caso fue más económico mejorar las propiedades de la arena local (estabilización) que transportar grava o piedra desde distancias mayores. El agente estabilizante más económico y el método de ejecución de la base estabilizada se definieron, a partir de un programa de pruebas o en sayos de laboratorio, considerando diversos productos y métodos constructivos.

En el proyecto y construcción de esta carretera, el ingeniero debió tener en cuenta las siguientes cuestiones:

1 ¿Qué espesores deberían darse a las distintas capas del pavimento para soportar las cargas previstas?
2. ¿Qué porcentaje óptimo de producto estabilizante debería emplearse con la arena de médano?
3. ¿Es aceptable la arena de médano para la mezcla asfáltica?
4. ¿Qué tipo y qué porcentaje de asfalto proporcionaría el pavimento más económico y satisfactorio?
5. ¿Qué tipo y grado de compactación debería aplicarse? 

Ejemplo de una Estructura de Recuperación de Tierras.

En muchas partes del mundo ya no quedan lugares adecuados dónde construir. Esto resulta particularmente cierto en las instalaciones portuarias y marítimas, que, evidentemente, deben situarse en la costa. Para remediar esta escasez se realiza un número cada vez mayor de obras en las que se forman grandes sitios de construcción con relleno de tierra. El suelo para estas obras se obtiene generalmente dragándolo del cauce de un río adyacente, un lago o el fondo del mar y colocándolo en el emplazamiento deseado. Este proceso se denominada relleno hidráulico.

Las Figs. 1.9 y 1.10 muestran una obra realizada con éxito en el lago Maracaibo, Venezuela. Se construyó una isla artificial hincando una pantalla de pilotes de concreto que cercaba un recinto de 850 m de longitud por 60 m de anchura. A continuación se dragó tierra del fondo del lago Maracaibo, transportándola por bombeo al recinto protegido por la pantalla, hasta que el nivel del relleno hidráulico, alcanzó la altura deseada. Se combinaron tres factores, la falta de terreno en la costa, el calado requerido para el atraque de grandes buques y la necesidad de dragar un canal en el lago, para que esta construcción de una isla artificial resultara una solución excelente para suplir las necesidades de puntos de atraque en esta zona.

Figura 1.9  Estación Maritima construida por relleno hidráulico.

Sobre la isla artificial se construyeron depósitos de almacenamiento para diversos productos derivados del petróleo. Estos productos se transportan por tubería desde la costa hasta los depósitos de la isla y después, se bombean desde éstos a los petroleros anclados en los dos atracaderos que aparecen en la Fig. 1.9.

Se realizaron numerosos sondeos de reconocimiento, en la zona a dragar, con el fin de poder estimar el tipo de relleno que se usaría para la formación de la isla. Este relleno estaba formado principalmente por arcilla en forma de terrones duros, de tamaño variable entre 2 y 15 cm, junto con un barro ligero de agua con limo y partículas arcillosas en suspensión. Al salir de la tubería de bombeo, las partículas más grandes se depositaban en primer lugar, mientras que las más finas eran arrastradas a considerable distancia de la descarga de la tubería. En un ángulo de la isla se dispuso un vertedero para permitir que volviera al lago el exceso de agua arrastrada en la operación de dragado.

Para el proyecto de esta obra, el ingeniero debió resolver entre otras, las siguientes cuestiones:

1. ¿Hasta qué profundidad debía penetrar la pantalla en el terreno de cimentación?
2. ¿Cómo debían arriostrarse lateralmente los pilotes?
3. ¿Cuál sería el método más conveniente para la colocación del relleno? , es decir, ¿cómo debía colocarse la salida de la tubería de dragado con objeto de conseguir que la parte más firme del relleno estuviera en los lugares donde se producirían las mayores cargas sobre la cimentación?
4. ¿Qué valores de resistencia y compresibilidad del relleno hidráulico debían emplearse para el proyecto de las cimentaciones de los depósitos, edificios e instalaciones de bombeo que se iban a colocar en la isla?
5. ¿Dónde se depositarían los finos del suelo que salían del recinto de la isla por encima del vertedero?

Ejemplo de Presa de Tierra.

La Fig. 1.8 es una sección transversal de una presa de tierra construida para crear un embalse. Las dos zonas principales de la presa son el nucleo o corazon de arcilla y el pie de enrocamiento  el núcleo con su arcilla impermeable hace que las filtraciones sean escasas; y el pie de bloques de roca pesados y muy permeables, proporciona una estabilidad considerable a la presa. Entre ambas zonas se coloca un filtro de grava para evitar el arrastre de las partículas del suelo del núcleo hacia los huecos del enrocamiento. 

Figura 1.8  Presa de Tierra.

Entre el núcleo y el embalse se coloca un manto de bloques sobre un lecho de grava. Este manto evita la erosión del núcleo por la lluvia o el agua del embalse. El lecho de grava impide la penetración de grandes bloques de roca del manto en la arcilla. Este tipo de presa se denomina mixta o graduada para diferenciarla de la presa de tierra homogénea en la que se utiliza un solo tipo de material en toda la sección.

La popularidad de las presas de tierra, en comparación con las de concreto, aumenta de manera constante por dos razones principales. En primer lugar, la presa de tierra puede resistir mejor los desplazamientos de la cimentación y de los estribos que una estructura de concreto más rígida. En segundo lugar, el costo de las obras de tierra por unidad de volumen se ha mantenido aproximadamente constante durante los últimos 50 arios (el aumento del costo de la mano de obra ha sido contrarrestado por las mejoras en los equipos de movimiento de tierras), mientras que el costo del concreto ha aumentado continuamente. Por tanto, las presas de tierra tienen cada vez más aceptación. 

Los tamaños relativos de cada zona en una presa de tierra y los materiales de las mismas dependen mucho de los materiales disponibles en el lugar. En el caso de la presa de la Fig. 1.8 los volúmenes respectivos de arcilla y roca que se extrajeron de la excavación para el embalse fueron prácticamente equivalentes a los que se usaron para la presa. De esta forma no se desperdició nada del material excavado. El único material escaso en la zona era la grava empleada para el filtro y el lecho de apoyo del enrocamiento. Este material se obtuvo de graveras fluviales a cierta distancia de la zona, y se transportó en camiones hasta la presa.

La construcción de la presa se realizó en toda su longitud y ancho simultáneamente; es decir, se intentó mantener la superficie de la presa aproximadamente horizontal en todas las fases de la construcción. El pie de la misma, formado por bloques de roca con tamaños desde 0.15 a 0.90 m, se vertía directamente desde los camiones y la piedra se regaba con agua a presión elevada a medida que se descargaba. La arcilla y la grava se colocaron por capas horizontales de 015 a 0.30 m de espesor, regándolas hasta obtener una humedad determinada y, finalmente se compactaron, en toda la superficie, mediante rodillos.

Durante el diseño y construcción de la presa de tierra, los ingenieros civiles debieron tener en cuenta las cuestiones siguientes:

1. ¿Qué dimensiones debería tener la presa para obtener la estructura más económica y segura?
2. ¿Cuál es el espesor mínimo seguro de las capas de grava?
3. ¿Qué espesores de grava y bloques de roca serian necesarios en el manto para limitar el hinchamiento del núcleo de arcilla a un valor admisible?
4. ¿Qué humedad y método de compactación deberían emplearse en la colocación de la grava y arcilla?
5. ¿Cuáles serian las características de resistencia y permeabilidad de la presa construida?
6. ¿Cómo variaría la resistencia y la permeabilidad de la presa con el tiempo y la altura de agua en el embalse?
7. ¿Qué pérdidas por filtración podrían producirse bajo la presa y a través de la misma?
8. Si es el caso, ¿qué restricciones especiales deberían imponerse en el funcionamiento del embalse?