La ingeniería geotécnica , también conocida como geotecnia , es la rama de la ingeniería civil y la ingeniería geológica que se ocupa del comportamiento técnico de los materiales terrestres . Utiliza los principios de la mecánica de suelos y de rocas para resolver sus problemas de ingeniería . También se apoya en conocimientos de geología , hidrología , geofísica y otras ciencias afines.
La ingeniería geotécnica tiene aplicaciones en ingeniería militar , ingeniería minera , ingeniería petrolera , ingeniería costera y construcción costa afuera . Los campos de la ingeniería geotécnica y la ingeniería geológica tienen áreas de conocimiento superpuestas. Sin embargo, mientras que la ingeniería geotécnica es una especialidad de la ingeniería civil , la ingeniería geológica es una especialidad de la geología .
Históricamente, los seres humanos han utilizado el suelo como material para el control de inundaciones, irrigación, sitios de enterramiento, cimientos de edificios y materiales de construcción para edificios. Los diques, presas y canales que datan al menos del año 2000 a. C., encontrados en partes del antiguo Egipto , la antigua Mesopotamia , la Media Luna Fértil y los primeros asentamientos de Mohenjo Daro y Harappa en el valle del Indo , proporcionan evidencia de actividades tempranas relacionadas con el riego. y control de inundaciones . A medida que las ciudades se expandieron, se erigieron estructuras sostenidas por cimientos formalizados. Los antiguos griegos construyeron principalmente zapatas y cimientos de tiras y balsas. Sin embargo, hasta el siglo XVIII no se había desarrollado ninguna base teórica para el diseño de suelos, y la disciplina era más un arte que una ciencia, basada en la experiencia. [1]
Varios problemas de ingeniería relacionados con los cimientos, como la Torre Inclinada de Pisa , impulsaron a los científicos a comenzar a adoptar un enfoque más científico para examinar el subsuelo. Los primeros avances se produjeron en el desarrollo de teorías de presión del suelo para la construcción de muros de contención . Henri Gautier, un ingeniero real francés, reconoció la "pendiente natural" de diferentes suelos en 1717, idea que más tarde se conoció como ángulo de reposo del suelo . Casi al mismo tiempo, también se desarrolló un sistema rudimentario de clasificación de suelos basado en el peso unitario de un material, que ya no se considera una buena indicación del tipo de suelo. [1] [2]
La aplicación de los principios de la mecánica a los suelos se documentó ya en 1773, cuando Charles Coulomb , físico e ingeniero, desarrolló métodos mejorados para determinar las presiones del suelo contra las murallas militares. Coulomb observó que, en caso de falla, se formaría un plano de deslizamiento distinto detrás de un muro de contención deslizante y sugirió que el esfuerzo cortante máximo en el plano de deslizamiento, para propósitos de diseño, era la suma de la cohesión del suelo, y la fricción , donde es la normal. tensión en el plano de deslizamiento y es el ángulo de fricción del suelo. Al combinar la teoría de Coulomb con el estado de tensión 2D de Christian Otto Mohr , la teoría pasó a ser conocida como teoría de Mohr-Coulomb . Aunque ahora se reconoce que la determinación precisa de la cohesión es imposible porque no es una propiedad fundamental del suelo, la teoría de Mohr-Coulomb todavía se utiliza en la práctica hoy. [3]
En el siglo XIX, Henry Darcy desarrolló lo que hoy se conoce como Ley de Darcy , que describe el flujo de fluidos en un medio poroso . Joseph Boussinesq , matemático y físico, desarrolló teorías de distribución de tensiones en sólidos elásticos que resultaron útiles para estimar las tensiones en las profundidades del suelo. William Rankine , ingeniero y físico, desarrolló una alternativa a la teoría de la presión de la tierra de Coulomb. Albert Atterberg desarrolló los índices de consistencia de la arcilla que todavía se utilizan hoy en día para la clasificación de suelos. [1] [2] En 1885, Osborne Reynolds reconoció que el cizallamiento causa dilatación volumétrica de materiales densos y contracción de materiales granulares sueltos .
Se dice que la ingeniería geotécnica moderna comenzó en 1925 con la publicación de Erdbaumechanik de Karl von Terzaghi , ingeniero mecánico y geólogo. Considerado por muchos como el padre de la mecánica de suelos y la ingeniería geotécnica modernas, Terzaghi desarrolló el principio de tensión efectiva y demostró que la resistencia al corte del suelo está controlada por la tensión efectiva. [4] Terzaghi también desarrolló el marco para las teorías de la capacidad de carga de los cimientos y la teoría para la predicción de la tasa de asentamiento de las capas de arcilla debido a la consolidación . [1] [3] [5] Posteriormente, Maurice Biot desarrolló plenamente la teoría de consolidación tridimensional del suelo, extendiendo el modelo unidimensional previamente desarrollado por Terzaghi a hipótesis más generales e introduciendo el conjunto de ecuaciones básicas de Poroelasticidad .
En su libro de 1948, Donald Taylor reconoció que el entrelazamiento y la dilatación de partículas densamente empaquetadas contribuían a la resistencia máxima del suelo. Roscoe, Schofield y Wroth, con la publicación de On the Yielding of Soils en 1958, establecieron las interrelaciones entre el comportamiento de cambio de volumen (dilatación, contracción y consolidación) y el comportamiento de corte con la teoría de la plasticidad utilizando la mecánica de suelos en estado crítico. La mecánica del suelo en estado crítico es la base de muchos modelos constitutivos avanzados contemporáneos que describen el comportamiento del suelo. [6]
En 1960, Alec Skempton llevó a cabo una extensa revisión de las formulaciones y datos experimentales disponibles en la literatura sobre la validez de tensiones efectivas en suelo, hormigón y roca con el fin de rechazar algunas de estas expresiones, así como aclarar qué expresiones eran apropiadas según a varias hipótesis de trabajo, como el comportamiento tensión-deformación o resistencia, medios saturados o no saturados y comportamiento de rocas, hormigón o suelos.
Los ingenieros geotécnicos investigan y determinan las propiedades de las condiciones y materiales del subsuelo. También diseñan los correspondientes movimientos de tierras y estructuras de contención , túneles y cimientos de estructuras , y pueden supervisar y evaluar los sitios, lo que puede implicar además el monitoreo del sitio, así como la evaluación de riesgos y la mitigación de peligros naturales . [7] [8]
Los ingenieros geotécnicos y los geólogos de ingeniería realizan investigaciones geotécnicas para obtener información sobre las propiedades físicas del suelo y la roca subyacente y adyacente a un sitio para diseñar movimientos de tierra y cimientos para estructuras propuestas y para la reparación de daños a movimientos de tierra y estructuras causados por las condiciones del subsuelo. Las investigaciones geotécnicas implican la exploración tanto de la superficie como del subsuelo de un sitio, y a menudo incluyen muestreo del subsuelo y pruebas de laboratorio de las muestras de suelo recuperadas. A veces, también se utilizan métodos geofísicos para obtener datos, que incluyen la medición de ondas sísmicas (ondas de presión, de corte y de Rayleigh ), métodos de ondas superficiales y métodos de fondo de pozo, y estudios electromagnéticos (magnetómetro, resistividad y radar de penetración terrestre ). La tomografía eléctrica se puede utilizar para estudiar las propiedades del suelo y las rocas y la infraestructura subterránea existente en proyectos de construcción. [9]
La exploración de la superficie puede incluir estudios a pie, mapeo geológico , métodos geofísicos y fotogrametría . El mapeo geológico y la interpretación de la geomorfología generalmente se completan en consulta con un geólogo o un geólogo ingeniero . La exploración del subsuelo generalmente implica pruebas in situ (por ejemplo, la prueba de penetración estándar y la prueba de penetración de cono ). La excavación de pozos de prueba y la excavación de zanjas (particularmente para localizar fallas y planos de deslizamiento ) también se pueden utilizar para conocer las condiciones del suelo en profundidad. Las perforaciones de gran diámetro rara vez se utilizan debido a preocupaciones de seguridad y gastos, pero a veces se utilizan para permitir que un geólogo o ingeniero baje al pozo para realizar un examen visual y manual directo de la estratigrafía del suelo y la roca .
Existe una variedad de muestreadores de suelo para satisfacer las necesidades de diferentes proyectos de ingeniería. La prueba de penetración estándar , que utiliza un muestreador de cuchara dividida de paredes gruesas, es la forma más común de recolectar muestras perturbadas. Los muestreadores de pistón, que emplean un tubo de pared delgada, se utilizan más comúnmente para la recolección de muestras menos perturbadas. Los métodos más avanzados, como el muestreador de bloques Sherbrooke, son superiores, pero costosos. La extracción de muestras de suelo congelado proporciona muestras intactas de alta calidad de cualquier condición del suelo, como relleno, arena, morrena y zonas de fractura de roca. [10]
El modelado geotécnico centrífugo es otro método para probar modelos a escala física de problemas geotécnicos. El uso de una centrífuga mejora la similitud de las pruebas con modelos a escala que involucran suelo porque la resistencia y rigidez del suelo son muy sensibles a la presión de confinamiento . La aceleración centrífuga permite al investigador obtener tensiones grandes (a escala de prototipo) en modelos físicos pequeños.
Los cimientos de la infraestructura de una estructura transmiten cargas desde la estructura a la tierra. Los ingenieros geotécnicos diseñan cimientos en función de las características de carga de la estructura y las propiedades de los suelos y el lecho rocoso del sitio. En general, los ingenieros geotécnicos primero estiman la magnitud y ubicación de las cargas que se soportarán, antes de desarrollar un plan de investigación para explorar el subsuelo y también determinar los parámetros necesarios del suelo mediante pruebas de campo y de laboratorio. Después de lo cual, podrán comenzar el diseño de una base de ingeniería. Las principales consideraciones para un ingeniero geotécnico en el diseño de cimientos son la capacidad de carga , el asentamiento y el movimiento del suelo debajo de los cimientos. [11]
Los ingenieros geotécnicos también participan en la planificación y ejecución de movimientos de tierras , que incluyen mejora del terreno, [11] estabilización de taludes y análisis de estabilidad de rebajes.
Se pueden utilizar varios métodos de ingeniería geotécnica para mejorar el suelo, incluidos geosintéticos de refuerzo , como geoceldas y geomallas, que dispersan las cargas en un área más grande, aumentando la capacidad de carga del suelo. Mediante estos métodos, los ingenieros geotécnicos pueden reducir los costos directos y a largo plazo. [12]
Los ingenieros geotécnicos pueden analizar y mejorar la estabilidad de taludes utilizando métodos de ingeniería. La estabilidad de la pendiente está determinada por el equilibrio entre el esfuerzo cortante y la resistencia al corte . Una pendiente previamente estable puede verse afectada inicialmente por varios factores, haciendo que la pendiente sea inestable. No obstante, los ingenieros geotécnicos pueden diseñar e implementar pendientes diseñadas para aumentar la estabilidad.
El análisis de estabilidad es necesario para el diseño de taludes diseñados y para estimar el riesgo de falla de taludes en taludes naturales o diseñados mediante la determinación de las condiciones bajo las cuales la masa superior de suelo se deslizará en relación con la base del suelo y conducirá a la falla del talud. [13] Si la interfaz entre la masa y la base de un talud tiene una geometría compleja, el análisis de la estabilidad del talud es difícil y se requieren métodos de solución numérica . Normalmente, no se conoce la geometría exacta de la interfaz y se supone una geometría de interfaz simplificada. Las pendientes finitas requieren el análisis de modelos tridimensionales, por lo que la mayoría de las pendientes se analizan suponiendo que son infinitamente anchas y pueden representarse mediante modelos bidimensionales.
Los geosintéticos son un tipo de productos de polímeros plásticos utilizados en ingeniería geotécnica que mejoran el rendimiento de la ingeniería y reducen los costos. Esto incluye geotextiles , geomallas , geomembranas , geoceldas y geocompuestos . La naturaleza sintética de los productos los hace adecuados para su uso en terrenos donde se requieren altos niveles de durabilidad. Entre sus principales funciones se encuentran el drenaje , la filtración , el refuerzo, la separación y la contención.
Los geosintéticos están disponibles en una amplia gama de formas y materiales, cada uno de los cuales se adapta a un uso final ligeramente diferente, aunque frecuentemente se usan juntos. Algunos geosintéticos de refuerzo, como las geomallas y, más recientemente, los sistemas de confinamiento celular , han demostrado mejorar la capacidad de carga, los factores de módulo y la rigidez y resistencia del suelo. [14] Estos productos tienen una amplia gama de aplicaciones y actualmente se utilizan en muchas aplicaciones de ingeniería civil y geotécnica, incluidas carreteras, aeródromos, ferrocarriles, terraplenes , terraplenes apilados, estructuras de contención, embalses , canales, presas, vertederos , protección de riberas e ingeniería costera. . [15]
La ingeniería geotécnica costa afuera (o marina ) se ocupa del diseño de cimientos para estructuras artificiales en el mar , lejos de la costa (a diferencia de la ingeniería terrestre o cercana a la costa ). Plataformas petroleras , islas artificiales y oleoductos submarinos son ejemplos de este tipo de estructuras. [dieciséis]
Existen una serie de diferencias significativas entre la ingeniería geotécnica terrestre y marina. [16] [17] En particular, la investigación del sitio y la mejora del terreno en el fondo marino son más costosas; las estructuras marinas están expuestas a una gama más amplia de riesgos geológicos ; y las consecuencias medioambientales y financieras son mayores en caso de fallo. Las estructuras marinas están expuestas a diversas cargas ambientales, en particular viento , olas y corrientes . Estos fenómenos pueden afectar la integridad o la capacidad de servicio de la estructura y sus cimientos durante su vida operativa y deben tenerse en cuenta en el diseño marino.
En ingeniería geotécnica submarina , los materiales del fondo marino se consideran un material de dos fases compuesto de roca o partículas minerales y agua. [18] [19] Las estructuras pueden estar fijadas en el lecho marino, como es el caso de los muelles , embarcaderos y turbinas eólicas de fondo fijo, o pueden comprender una estructura flotante que permanece aproximadamente fija en relación con su punto de anclaje geotécnico. El amarre submarino de estructuras flotantes diseñadas por humanos incluye una gran cantidad de plataformas marinas de petróleo y gas y, desde 2008, algunas turbinas eólicas flotantes . Dos tipos comunes de diseño de ingeniería para anclar estructuras flotantes incluyen sistemas de amarre suelto de catenaria y patas tensadas . [20]
Propuesto por primera vez por Karl Terzaghi y posteriormente analizado en un artículo de Ralph B. Peck , el método de observación es un proceso gestionado de control, seguimiento y revisión de la construcción, que permite incorporar modificaciones durante y después de la construcción. El objetivo del método es lograr una mayor economía global, sin comprometer la seguridad , creando diseños basados en las condiciones más probables y no en las más desfavorables. [21] Utilizando el método de observación, los vacíos en la información disponible se llenan mediante mediciones e investigaciones, que ayudan a evaluar el comportamiento de la estructura durante la construcción , que a su vez puede modificarse de acuerdo con los hallazgos. Peck describió el método como "aprende sobre la marcha". [22]
El método de observación puede describirse de la siguiente manera: [22]
El método de observación es adecuado para la construcción que ya ha comenzado cuando ocurre un desarrollo inesperado, o cuando se avecina o ya ha ocurrido una falla o accidente . No es adecuado para proyectos cuyo diseño no pueda modificarse durante la construcción. [22]
