La ingeniería geotécnica , también conocida como geotecnia , es la rama de la ingeniería civil que se ocupa del comportamiento ingenieril de los materiales terrestres . Utiliza los principios de la mecánica de suelos y de la mecánica de rocas para resolver sus problemas de ingeniería . También se basa en el conocimiento de la geología , la hidrología , la geofísica y otras ciencias relacionadas.
La ingeniería geotécnica tiene aplicaciones en la ingeniería militar , la ingeniería minera , la ingeniería petrolera , la ingeniería costera y la construcción en alta mar . Los campos de la ingeniería geotécnica y la geología de ingeniería tienen áreas de conocimiento superpuestas. Sin embargo, mientras que la ingeniería geotécnica es una especialidad de la ingeniería civil , la geología de ingeniería es una especialidad de la geología .
Los seres humanos han utilizado históricamente el suelo como material para el control de inundaciones, con fines de irrigación, lugares de enterramiento, cimientos de edificios y materiales de construcción para edificios. Diques, presas y canales que datan de al menos el 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 , brindan evidencia de actividades tempranas vinculadas con la irrigación y el control de inundaciones . A medida que las ciudades se expandieron, se erigieron estructuras y se apoyaron en cimientos formalizados. Los antiguos griegos construyeron notablemente cimientos de losas y cimientos de listones y losas. Sin embargo, hasta el siglo XVIII, no se había desarrollado una base teórica para el diseño de suelos, y la disciplina era más un arte que una ciencia, que se basaba 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 de tierra para la construcción de muros de contención . Henri Gautier, un ingeniero real francés, reconoció la "pendiente natural" de diferentes suelos en 1717, una idea que más tarde se conoció como el 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 un buen indicador 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 de la tierra 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 la tensión cortante máxima en el plano de deslizamiento, para fines de diseño, era la suma de la cohesión del suelo, y la fricción , donde es la tensión normal 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 se conoció 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 usa en la práctica hoy en día. [3]
En el siglo XIX, Henry Darcy desarrolló lo que hoy se conoce como la 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 tensiones en profundidad en el suelo. William Rankine , ingeniero y físico, desarrolló una alternativa a la teoría de presión de tierras de Coulomb. Albert Atterberg desarrolló los índices de consistencia de la arcilla que todavía se utilizan hoy en día para la clasificación del suelo. [1] [2] En 1885, Osborne Reynolds reconoció que el cizallamiento provoca la dilatación volumétrica de materiales densos y la contracción de materiales granulares sueltos .
Se dice que la ingeniería geotécnica moderna comenzó en 1925 con la publicación de Erdbaumechanik por Karl von Terzaghi , ingeniero mecánico y geólogo. Considerado por muchos como el padre de la mecánica de suelos moderna y la ingeniería geotécnica, 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 portante de las cimentaciones 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 completamente la teoría de consolidación de suelos tridimensional, extendiendo el modelo unidimensional desarrollado previamente 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 compactadas 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 del cambio de volumen (dilatación, contracción y consolidación) y el comportamiento de cizallamiento con la teoría de la plasticidad utilizando la mecánica de suelos en estado crítico. La mecánica de suelos en estado crítico es la base de muchos modelos constitutivos avanzados contemporáneos que describen el comportamiento del suelo. [6]
En 1960, Alec Skempton realizó una revisión extensa de las formulaciones disponibles y datos experimentales en la literatura acerca de la validez del esfuerzo efectivo en suelo, concreto y roca con el fin de rechazar algunas de estas expresiones, así como aclarar qué expresiones eran apropiadas de acuerdo a varias hipótesis de trabajo, tales como comportamiento esfuerzo-deformación o resistencia, medios saturados o no saturados y comportamiento de roca, concreto o suelo.
Los ingenieros geotécnicos investigan y determinan las propiedades de las condiciones y los materiales del subsuelo. También diseñan los correspondientes movimientos de tierra y estructuras de contención , túneles y cimientos de estructuras , y pueden supervisar y evaluar los sitios, lo que puede implicar además la supervisión del sitio, así como la evaluación de riesgos y la mitigación de peligros naturales . [7] [8]
Los ingenieros geotécnicos y los geólogos ingenieros 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 las estructuras propuestas y para la reparación de los daños a los movimientos de tierra y las estructuras causados por las condiciones del subsuelo. Las investigaciones geotécnicas implican la exploración de la superficie y el subsuelo de un sitio, que a menudo incluye el muestreo del subsuelo y las 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 la roca 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 se realizan normalmente en consulta con un geólogo o un geólogo ingeniero . La exploración del subsuelo suele implicar pruebas in situ (por ejemplo, la prueba de penetración estándar y la prueba de penetración de cono ). La excavación de pozos de prueba y zanjas (en particular 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 cuestiones de seguridad y a los costes. Aun así, 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 .
Existen varios muestreadores de suelo para satisfacer las necesidades de diferentes proyectos de ingeniería. La prueba de penetración estándar , que utiliza un muestreador de cuchara partida de paredes gruesas, es la forma más común de recolectar muestras alteradas. Los muestreadores de pistón, que emplean un tubo de paredes delgadas, son los más utilizados para recolectar muestras menos alteradas. Los métodos más avanzados, como el muestreador de bloques Sherbrooke, son superiores pero costosos. La extracción de muestras de suelo congelado proporciona muestras inalteradas de alta calidad de las condiciones del suelo, como relleno, arena, morrena y zonas de fractura de roca. [10]
El modelado centrífugo geotécnico es otro método para probar modelos a escala física de problemas geotécnicos. El uso de una centrífuga mejora la similitud de las pruebas de modelos a escala que involucran el suelo porque la resistencia y la rigidez del suelo son susceptibles a la presión de confinamiento . La aceleración centrífuga permite que un investigador obtenga tensiones grandes (a escala de prototipo) en modelos físicos pequeños.
La base de la infraestructura de una estructura transmite cargas desde la estructura hasta la tierra. Los ingenieros geotécnicos diseñan las bases basándose en las características de carga de la estructura y las propiedades de los suelos y el lecho de roca del lugar. Generalmente, los ingenieros geotécnicos primero estiman la magnitud y la ubicación de las cargas que se deben soportar antes de desarrollar un plan de investigación para explorar el subsuelo y determinar los parámetros necesarios del suelo mediante pruebas de campo y de laboratorio. Después de esto, pueden comenzar el diseño de una base de ingeniería. Las consideraciones principales para un ingeniero geotécnico en el diseño de bases son la capacidad de carga , el asentamiento y el movimiento del suelo debajo de las bases. [11]
Los ingenieros geotécnicos también participan en la planificación y ejecución de movimientos de tierra , que incluyen la mejora del suelo, [11] la estabilización de taludes y el análisis de estabilidad de taludes.
Se pueden utilizar diversos métodos de ingeniería geotécnica para mejorar el suelo, incluidos los geosintéticos de refuerzo , como las geoceldas y las geomallas, que dispersan las cargas sobre un área más grande, aumentando la capacidad de carga del suelo. A través de 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 los taludes mediante métodos de ingeniería. La estabilidad de los taludes se determina mediante el equilibrio entre la tensión de corte y la resistencia al corte . Un talud que antes era estable puede verse afectado inicialmente por diversos factores, lo que lo vuelve inestable. No obstante, los ingenieros geotécnicos pueden diseñar e implementar taludes diseñados para aumentar la estabilidad.
El análisis de estabilidad es necesario para diseñar pendientes de ingeniería y estimar el riesgo de falla de pendientes en pendientes naturales o diseñadas al determinar las condiciones bajo las cuales la masa superior del suelo se deslizará con respecto a la base del suelo y provocará la falla de la pendiente. [13] Si la interfaz entre la masa y la base de una pendiente tiene una geometría compleja, el análisis de estabilidad de la pendiente es difícil y se requieren métodos de solución numérica . Por lo general, se desconoce la geometría exacta de la interfaz y se supone una geometría de interfaz simplificada. Las pendientes finitas requieren modelos tridimensionales para ser analizadas, por lo que la mayoría de las pendientes se analizan asumiendo 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 al tiempo que reducen los costos. Esto incluye geotextiles , geomallas , geomembranas , geoceldas y geocompuestos . La naturaleza sintética de los productos los hace adecuados para su uso en el suelo donde se requieren altos niveles de durabilidad. Sus principales funciones incluyen drenaje , filtración , refuerzo, separación y contención.
Los geosintéticos están disponibles en una amplia gama de formas y materiales, cada uno para adaptarse a un uso final ligeramente diferente, aunque con frecuencia se utilizan 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 bancos e ingeniería costera. [15]
La ingeniería geotécnica marina (o offshore ) se ocupa del diseño de cimientos para estructuras artificiales en el mar , alejadas de la costa (en oposición a la ingeniería terrestre o cercana a la costa ). Las plataformas petrolíferas , las islas artificiales y los oleoductos submarinos son ejemplos de tales estructuras. [16]
Existen varias diferencias significativas entre la ingeniería geotécnica terrestre y marina. [16] [17] En particular, la investigación del sitio y la mejora del suelo en el lecho marino son más costosas; las estructuras marinas están expuestas a una gama más amplia de georiesgos ; y las consecuencias ambientales y financieras son mayores en caso de falla. Las estructuras marinas están expuestas a diversas cargas ambientales, en particular el viento , las olas y las corrientes . Estos fenómenos pueden afectar la integridad o la capacidad de servicio de la estructura y su base durante su vida útil operativa y deben tenerse en cuenta en el diseño marino.
En la ingeniería geotécnica submarina , los materiales del lecho marino se consideran un material de dos fases compuesto de partículas de roca o minerales y agua. [18] [19] Las estructuras pueden estar fijadas en su lugar 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 el hombre incluye una gran cantidad de plataformas petroleras y de gas en alta mar 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 de piernas de tensión . [20]
Propuesto por primera vez por Karl Terzaghi y luego 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 método tiene como objetivo lograr una mayor economía general sin comprometer la seguridad mediante la creación de diseños basados en las condiciones más probables en lugar de las más desfavorables. [21] Al utilizar el método de observación, las lagunas en la información disponible se llenan con mediciones e investigaciones, que ayudan a evaluar el comportamiento de la estructura durante la construcción , que a su vez se puede modificar según los hallazgos. Peck describió el método como "aprender sobre la marcha". [22]
El método de observación puede describirse de la siguiente manera: [22]
El método de observación es adecuado para las obras que ya han comenzado cuando se produce un acontecimiento inesperado o cuando se avecina o ya se ha producido un fallo o un accidente . No es adecuado para proyectos cuyo diseño no se puede modificar durante la construcción. [22]
