Proceso Geotécnico y Factores Influyentes
El proceso geotécnico comprende las siguientes etapas:
- Investigación y modelo geológico.
- Caracterización y modelo geotécnico.
- Evaluación de construcción y diseño.
- Monitoreo de la construcción.
Factores Clave en Geotecnia
Existen dos factores principales que influyen en el comportamiento geotécnico:
- Factor geológico: En continua evolución.
- Factor antrópico (actividades civiles): Puede desencadenar procesos geológicos.
Para lograr soluciones armónicas, es crucial considerar las interpretaciones y diferencias críticas. Para ello, se debe tener en cuenta:
- Escala geológica e ingenieril.
- Tiempo geológico y antrópico.
- Lenguaje geológico e ingenieril.
Mecánica de Suelos: Conceptos Fundamentales
La Mecánica de Suelos es una rama de la ingeniería civil que estudia el comportamiento del suelo. Su objetivo es analizar sus propiedades físicas y mecánicas para el diseño, evaluación y garantía de obras civiles.
Características Estudiadas en Mecánica de Suelos
Entre las características que se estudian se incluyen:
- Clasificación de suelos.
- Permeabilidad.
- Tensiones efectivas.
- Consolidación.
- Texturas y fábricas.
Origen y Formación del Suelo
El origen del suelo se basa en macizos rocosos preexistentes, conocidos como roca madre.
Acción Ambiental Disgregadora
La disgregación de la roca madre ocurre en tres fases principales:
- Física (Meteorización):
- Erosión / Glaciación.
- Humedad / Viento.
- Gravedad.
- Química:
- Hidratación.
- Disolución / Oxidación.
- Cementación.
- Biológica:
- Actividad microbiana.
- Putrefacción de materiales.
- Generación de ácidos.
Tipos Clásicos de Suelos
Se identifican dos tipos principales de suelos:
- Suelo residual: Aquel que se forma in situ o próximo a la roca madre.
- Suelo transportado: Aquel que fue movilizado de su lugar de origen.
Textura de los Suelos
La textura del suelo se refiere a su aspecto visual, más que a las características petrográficas de sus componentes. Se relaciona con:
- El aspecto general del suelo.
- El tamaño y forma relativa de los componentes.
- La caracterización en función de los rangos de tamaño de las partículas.
Límites de Atterberg
La presencia de agua en suelos finos produce cambios significativos en su comportamiento geomecánico y en su consolidación.
El límite líquido es crucial, ya que indica el punto en el que el suelo pierde su capacidad de mantener la forma y comienza a fluir como un líquido.
Índice de Plasticidad (IP)
El Índice de Plasticidad se calcula restando el límite plástico (LP) del límite líquido (LL) del suelo.
- Un valor de IP alto indica un suelo con mayor contenido de arcilla y, por ende, mayor plasticidad.
- Un valor bajo sugiere un suelo con menor contenido de arcilla o limo.
Estructura de los Suelos
La estructura del suelo describe cómo se agrupan sus partículas. Algunos tipos comunes incluyen:
- Homogéneo: Presenta una respuesta equivalente en todo el suelo.
- Heterogéneo: Muestra variabilidad en su respuesta.
- En panel de abeja: Asociado a ambientes secos.
- Fisurado: Con mayores espacios y rellenos de limos/arcillas.
- Laminado: Ordenado en pequeñas láminas.
- Estratificado: Ordenado en capas horizontales.
- Bandeado: Suelo estratificado con variación de colores.
- Foliado: Suelo con fisibilidad.
- Estriado: Con estrías de fallas o glaciar.
- Lenticular: Capas horizontalmente separadas.
- Costras: Suelo fisurado con una capa depositada sobre él.
- Margoso: Suelos carbonatados finos.
Hidráulica de Suelos
Carga Hidráulica y Teorema de Bernoulli
La carga hidráulica representa el potencial de circulación de fluidos dentro del suelo.
El Teorema de Bernoulli es una expresión que describe la energía de un flujo desde un punto determinado.
En la ecuación, los componentes son:
- H = Carga hidráulica total.
- Z = Altura geográfica considerada desde un plano de referencia.
- u/Yw = Altura de presión, donde “u” es la presión del agua en un punto de interés e “Yw” es el peso específico del agua.
- v²/2g = Altura de velocidad, donde “v” es la velocidad del flujo en un punto y “g” es la gravedad.
Coeficiente de Permeabilidad (k)
El coeficiente de permeabilidad (k) indica la facilidad con la que el agua puede circular a través del suelo, y depende de las características del mismo. A mayor granulometría, mayor permeabilidad.
Factores que Influyen en la Permeabilidad
- Granulometría.
- Densidad del suelo.
- Forma y orientación de las partículas del suelo.
Macizos Rocosos: Propiedades y Discontinuidades
Un macizo rocoso es el conjunto de bloques de roca y las discontinuidades de diverso tipo que lo afectan.
Características de los Macizos Rocosos
- Anisotropía: La presencia de planos de debilidad con orientaciones preferentes implica un comportamiento mecánico que varía en función de la dirección.
- Discontinuidad: Rompe la continuidad de las propiedades mecánicas de los bloques, generando una respuesta discontinua y compartimentada.
- Heterogeneidad: Variabilidad en litología, alteración, porcentaje de agua, meteorización, etc.
Tipos de Discontinuidades
Una discontinuidad es cualquier plano de separación en el macizo rocoso, independientemente de su origen. Los tipos incluyen:
- Estratificación.
- Zonas de daño estructural (fallas).
- Estrías y diaclasas.
- Contactos litológicos.
- Exfoliación/esquistosidad.
- Diques/sills.
- Pliegues.
Propiedades de las Discontinuidades
- Orientación: Posición de la discontinuidad en el espacio, comúnmente descrita con rumbo y buzamiento.
- Persistencia: Extensión en área o tamaño de una discontinuidad.
- Rugosidad: Aspereza o irregularidad de la superficie de la discontinuidad.
- Apertura: Separación entre las paredes rocosas de una discontinuidad o el grado de apertura que presenta.
- Relleno: Materiales que se encuentran dentro de la discontinuidad.
- Espaciamiento: Distancia perpendicular entre discontinuidades adyacentes, que determina el tamaño de los bloques de roca intacta.
Discontinuidades Clásicas: Diaclasas
Las diaclasas son la discontinuidad más frecuente. Se definen como una fractura o rotura de la roca en la que no ha habido desplazamiento.
Tipos de Diaclasas
- Diaclasas tectónicas.
- Diaclasas por fallas.
- Diaclasas por enfriamiento.
Definiciones Clave en Macizos Rocosos
- Discontinuidades: Cualquier plano de debilidad y/o anisotropía en la roca.
- Macizo rocoso: Conjunto de matriz rocosa y discontinuidades.
- Matriz rocosa: Material rocoso sólido y continuo, sin discontinuidades o limitado por estas.
Caracterización del Macizo Rocoso (MR)
La caracterización de un macizo rocoso incluye:
- Composición litológica.
- Estado de la roca.
- Estructura primaria.
- Estructura secundaria.
Tipos de Alteración en Macizos Rocosos
- Disolución: Reacción química que afecta a los componentes principales.
- Hidratación: Proceso donde el agua se integra a la estructura interna.
- Oxidación: Acción del oxígeno cuando es liberado por el agua.
- Hidrólisis: Descomposición química por acción del agua.
- Carbonatación: Proceso de transformación del CO2 en ácido carbónico.
- Acción biológica: Descomposición de los minerales y la estructura interna debido a la acción de sustancias liberadas por organismos vivos.
Resistencia y Deformabilidad del Macizo Rocoso
Según el grado de fracturamiento, el comportamiento y las propiedades del macizo rocoso se definirán por:
- Resistencia de la matriz rocosa (isótropa o anisótropa).
- Resistencia al corte de una familia de discontinuidades.
- Resistencia al corte de dos o tres familias de discontinuidades.
- Resistencia global de un sistema de bloques con comportamiento isótropo.
Ensayos de Deformabilidad del Macizo
Para evaluar la deformabilidad del macizo, se utilizan diversos ensayos:
- Placa de carga: Determina la capacidad de carga y deformabilidad de un suelo.
- Gato plano: Mide tensiones y deformaciones de estructuras/discontinuidades.
- Dilatómetro plano: Mide las propiedades mecánicas de la roca in situ.
- Sondeos geotécnicos: Analiza el comportamiento del suelo y/o roca, midiendo composición, resistencia y presencia de agua.
- Calicatas: Excavaciones poco profundas realizadas mediante excavación mecánica convencional.
- Esclerómetro o martillo de Schmidt: Evaluación in situ de la resistencia de la roca, específicamente de la matriz rocosa.
Clasificaciones Geomecánicas
Sistema GSI (Geological Strength Index)
El Sistema GSI es un criterio válido para macizos rocosos isótropos, que analiza la rotura a gran escala dependiendo de:
- La no linealidad con el nivel de tensiones.
- El tipo y estado de la roca.
- La relación resistencia a la compresión y tracción.
- La disminución del ángulo de rozamiento.
Asume que la matriz rocosa está en contacto y que la resistencia del macizo está controlada por la resistencia de las discontinuidades.
La clasificación GSI se basa en dos ejes:
- Estructura de la roca (desde masiva hasta muy fracturada).
- Condición superficial de las discontinuidades (desde poco hasta muy alteradas).
Los valores del GSI varían de 10 a 100.
Clasificación Geomecánica General
La clasificación geomecánica implica:
- Observación directa de las características del macizo rocoso.
- Realización de ensayos simples.
- Uso de índices de calidad relacionados con parámetros geomecánicos del macizo.
Las clasificaciones más utilizadas actualmente son:
- RMR (Rock Mass Rating): Para caracterización y propiedades de macizos rocosos.
- Q de Barton: Se emplea casi exclusivamente para túneles.
Las características de los macizos rocosos consideradas en las distintas clasificaciones incluyen:
- Resistencia del material rocoso.
- Índice RQD (Rock Quality Designation).
- Espaciado de discontinuidades.
- Condiciones de las discontinuidades.
- Estructuras geológicas.
- Filtraciones y presencia de agua.
- Estado tensional.
Esfuerzos y Resistencia en Rocas
- Esfuerzo: Reacción interna al aplicar una fuerza o serie de fuerzas.
- Tensores de esfuerzos: Cualquier punto sometido a esfuerzo se representa en tres planos ortogonales. Los esfuerzos normales que actúan sobre ellos corresponden a los tensores de esfuerzos principales, donde se cumple que sigma 1 > sigma 2 > sigma 3. Los distintos estados de esfuerzos son representados por el círculo de Mohr.
- Resistencia al corte máxima: Máxima cantidad de esfuerzos que soporta la roca antes de fallar.
- Resistencia residual: Resistencia que permanece tras el fallo, después del reordenamiento interno de la roca.
La rotura puede ser frágil (instantánea) o dúctil (progresiva), dependiendo de la aplicación de fuerzas y las anisotropías presentes.
Criterio de Barton y Choubey
- JRC (Joint Roughness Coefficient): Coeficiente de rugosidad de la discontinuidad. Es un parámetro geotécnico que describe la aspereza de las superficies de una discontinuidad e influye directamente en la resistencia al corte.
- JCS (Joint Wall Compressive Strength): Resistencia a la compresión en las paredes. Es un parámetro que representa la resistencia a la compresión del material que forma los bordes de una discontinuidad, indicando la «fuerza» del material en sus discontinuidades.
Análisis y Estado de Suelos
El principal problema en el análisis de suelos es la deformación de estos, producto de cargas y acciones externas. Esto puede generar:
- Esfuerzos normales y tangenciales.
- Movimiento horizontal del suelo.
- Situaciones extremas de deformación.
- Rotura del suelo.
- El flujo del agua controla la respuesta del suelo.
Metodología de Análisis del Estado de Suelos
La metodología de análisis incluye:
- Identificación del tipo de suelo:
- Granulometría.
- Plasticidad.
- Cantidad de carbonatos y sílice.
- Cantidad de materia orgánica.
- Condición del estado real:
- Determinación de las proporciones relativas de agua, sólidos, gases, etc.
Definición del Estado Inicial del Suelo
Para cada suelo, es fundamental estudiar:
- Porcentaje relativo de sólidos.
- Volumen relativo de los poros.
- Contenido relativo de agua.
Las principales variables son:
- Porosidad en roca (n).
- Índice de porosidad (e).
Porcentaje Relativo del Suelo
Se consideran los siguientes parámetros:
- Peso específico de partículas (γ).
- Peso específico aparentemente seco.
- Peso específico del agua.
- Grado de saturación.