Mecánica de suelos.

El ensayo SPT proporciona la «cuenta de golpes» (valor N), que es el número de golpes requeridos para que un muestreador estándar penetre 30 cm en el suelo. Esta información es crucial para:

• Clasificación preliminar del suelo.
• Estimación de la densidad relativa en suelos granulares. 
• Estimación de la resistencia no drenada en suelos cohesivos. 
• Cálculo de la capacidad portante de cimentaciones. 
• Evaluación del potencial de licuefacción sísmica. Es un indicador clave de la compacidad y resistencia del suelo. 

Las muestras inalteradas son cruciales porque conservan la estructura natural del suelo, su contenido de humedad y su densidad de campo. Permiten realizar ensayos de laboratorio que miden directamente propiedades mecánicas reales como la resistencia al corte, la compresibilidad y la permeabilidad, sin la distorsión que sufrirían las muestras alteradas. Esto es fundamental para obtener parámetros de diseño precisos y realizar una evaluación de riesgos confiable.

Los ensayos esenciales incluyen:

• Ensayo Triaxial: Para determinar la resistencia al corte (cohesión y ángulo de fricción) bajo diferentes condiciones de esfuerzo
• Ensayo de Corte Directo: También para determinar la resistencia al corte, útil para suelos con baja cohesión.
• Ensayo de Consolidación Unidimensional (Edómetro): Para medir la compresibilidad del suelo y predecir asentamientos por consolidación.

• Ensayo de Compresión No Confinada (UCS): Para determinar la resistencia a la compresión en suelos cohesivos. Estos ensayos proporcionan los parámetros fundamentales para el diseño geotécnico y la evaluación de la estabilidad.

La capacidad portante es la máxima presión promedio que el suelo puede soportar sin experimentar una falla por corte. Se determina considerando la resistencia al corte del suelo, la geometría de la cimentación, la profundidad de desplante y el tipo de carga. Se calcula a partir de fórmulas teóricas (e.g., Terzaghi, Meyerhof), resultados de ensayos de campo (SPT, CPT) y ensayos de laboratorio (triaxial). Es un factor crítico para la seguridad estructural y la gestión de riesgos de colapso.

Cimentaciones superficiales (zapatas, losas): Transmiten la carga a una capa superficial del suelo que tiene suficiente capacidad portante. Se usan cuando los suelos competentes se encuentran a poca profundidad.

Cimentaciones profundas (pilotes, pilotes prefabricados, pilas): Transmiten la carga a estratos más profundos y resistentes del suelo o roca, o la transfieren por fricción lateral. Se usan cuando los suelos superficiales son débiles, las cargas son muy altas, o cuando hay riesgo de licuefacción o asentamientos excesivos en la superficie. La elección depende de las condiciones del subsuelo y la magnitud de las cargas.

Los asentamientos diferenciales son movimientos desiguales del terreno bajo diferentes partes de una misma estructura. Son un riesgo grave porque inducen esfuerzos y deformaciones adicionales en la superestructura que no fueron considerados en el diseño original, pudiendo causar fisuras, grietas, deformaciones excesivas, o incluso el colapso de elementos estructurales. Prevenirlos es un objetivo primordial en la gestión de riesgos geotécnicos.

La presencia de agua subterránea reduce significativamente la resistencia al corte efectiva de los suelos (especialmente en arenas), incrementa las presiones de poros, y puede causar problemas como la licuefacción, el levantamiento por subpresión (flotación), la erosión interna (piping) y el ablandamiento de arcillas. Un nivel freático alto aumenta los riesgos de inestabilidad de taludes, capacidad portante reducida y dificultades en la excavación, siendo un factor clave a considerar en el diseño y la gestión de riesgos.

Los muros de contención son estructuras diseñadas para soportar y retener masas de suelo o roca en taludes o excavaciones, previniendo deslizamientos y la erosión. Juegan un papel crucial en la gestión de riesgos al estabilizar zonas inestables, proteger infraestructuras críticas y garantizar la seguridad de propiedades y personas. Su diseño requiere un análisis geotécnico detallado de las presiones de tierra, resistencia del suelo y estabilidad general.

La licuefacción es un fenómeno en el que un suelo granular saturado (generalmente arenas sueltas y limos no plásticos) pierde súbitamente su resistencia al corte y se comporta como un líquido debido a un aumento drástico de la presión de poros, comúnmente inducido por sismos. Es un riesgo mayor en suelos finos arenosos y limosos, saturados y poco densos. Puede causar el colapso de estructuras, flotación de tuberías subterráneas y hundimientos generalizados del terreno.

El potencial de licuefacción se evalúa a partir de datos de sondajes SPT o CPT, midiendo la resistencia del suelo y correlacionándola con la magnitud sísmica esperada y el nivel freático. Las medidas de mitigación incluyen:

• Densidad del suelo: Compactación dinámica, vibroflotación, columnas de grava.
• Drenaje: Reducción del nivel freático.
• Mejora del suelo: Inyección de lechadas, congelación.
• Diseño de cimentaciones: Pilotes profundos que traspasen la capa licuable.

Los suelos expansivos son arcillas con alto contenido de minerales esmectíticos (como la montmorillonita) que tienen la capacidad de absorber grandes cantidades de agua y expandirse significativamente, y contraerse al secarse. Sus riesgos asociados incluyen: 

• Levantamiento diferencial: Daño a cimentaciones, losas, pavimentos.
• Fisuras y grietas: En muros y elementos estructurales.
• Deformaciones: En tuberías y pavimentos.

Estos movimientos cíclicos de expansión-contracción pueden causar daños severos y costosos a la infraestructura.

La gestión de riesgos de suelos expansivos incluye:

• Identificación y caracterización: Mediante ensayos de laboratorio (límites de Atterberg, expansión libre).
• Diseño de cimentaciones adecuadas: Cimentaciones profundas que traspasen la capa expansiva, losas rígidas postensadas.
• Control de la humedad: Barreras de humedad, drenajes, riego controlado.
• Estabilización del suelo: Adición de cal, cemento o cenizas volantes para reducir la plasticidad.
• Precarga: En algunos casos, para inducir la expansión antes de la construcción.

Los factores que contribuyen a los deslizamientos incluyen:

• Geología desfavorable: Estratos inclinados, planos de debilidad.
• Pendientes pronunciadas: Taludes inestables.
• Agua: Saturación del suelo, aumento de la presión de poros, erosión.
• Actividad sísmica: Induce fuerzas inerciales y licuefacción.
• Cargas adicionales: Edificaciones en la cresta del talud.
• Deforestación: Pérdida de anclaje de raíces.

Prevención / Mitigación: 

• Diseño de taludes estables: Reducción de la pendiente, banqueos.
• Drenaje: Zanjas, subdrenes, pozos de alivio de presión.
• Muros de contención y anclajes.
• Mejora del suelo: Columnas de grava,
  inyecciones.
• Reforestación y control de la erosión. 
• Monitoreo geotécnico. 

La mejora de suelos es un conjunto de técnicas que modifican las propiedades físicas o mecánicas del terreno para hacerlo más adecuado para la construcción. Se aplica en la gestión de riesgos cuando el suelo natural no posee las características requeridas (baja capacidad portante, alta compresibilidad, potencial de licuefacción) y removerlo sería antieconómico. Permite reducir asentamientos, aumentar la resistencia al corte, controlar la permeabilidad y mitigar riesgos específicos.

Las técnicas comunes incluyen:

• Compactación: Para aumentar la densidad y resistencia.
• Preconsolidación / Precarga: Para reducir asentamientos futuros.
• Drenes de arena / mecha: Para acelerar la consolidación.
• Columnas de grava / stone columns: Para mejorar la capacidad portante y reducir el potencial de licuefacción.
• Inyecciones: De cemento, lechadas, o químicos para consolidar o impermeabilizar.
• Estabilización química: Con cal o cemento para suelos cohesivos.

El monitoreo geotécnico es la medición y observación continua del comportamiento del suelo, estructuras y movimientos del terreno durante y después de la construcción. Es crucial en proyectos de alto riesgo (ej. grandes excavaciones, túneles, presas, taludes inestables) porque permite:

• Verificar el comportamiento previsto: Comparar con modelos de diseño.
• Detectar movimientos o deformaciones anómalas: Alerta temprana de fallas.
• Ajustar el diseño o los métodos constructivos: En tiempo real si es necesario.
• Evaluar la efectividad de las medidas de mitigación. Es una herramienta esencial para la gestión activa y reactiva de riesgos.

Los instrumentos comunes incluyen:

• Inclinómetros: Para medir deformaciones laterales del terreno.
• Piezómetros: Para medir la presión de poros del agua.
• Extensómetros: Para medir desplazamientos verticales o convergencia en túneles.
• Medidores de asentamiento: Para cuantificar la subsidencia.
• Celdas de carga: Para medir presiones y cargas en anclajes o estructuras.
• Sensores de fibra óptica y sistemas de topografía de precisión (GPS, estaciones, totales).