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 una estructura entenada 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.

Fig. 1.2 Edificio cimentado sobre pilotes.



Fig. 1.4 Edificio con cimentación superficial por placa.



Fig. 1.5 Edificio con cimentación profunda por pilotes.
 

Fig. 1.9  Estación marítima construida por relleno hidráulico.
 

Fig. 1.12 Taludes y excavaciones a) Talud Natural b) Excavación para un edificio c) Zanja para una conducción d) canal
 

TALUDES Y EXCAVACIONES.

Cuando la superficie del terreno no es horizontal existe una componente del peso que tiende a provocar deslizamientos mientos del suelo, como se aprecia en el diagrama d fuerzas cte la Fig. 1 .12a. Si, a lo largo de una superficie potencial de deslizamiento, tos esfuerzos tangenciales debidos al peso propio o a cualquier otra causa (como agua de filtración, peso de una estructura o de un terremoto) superan la resistencia al corte del suelo, se produce un deslizamiento de una parte del terreno. Existen muchos casos en los taludes naturales, terraplenes compactados y excavaciones, en que el ingeniero debe estudiar la estabilidad de un talud, comparando los esfuerzos tangendales con la resistencia al corte a lo largo de una superficie de deslizamiento potencial, es decir, deberá realizar un edículo de estabilidad.

La Fig. 1.1 2a muestra un talud natural sobre el cual se ha construido un edificio. El incremento de esfuerzos tangenciaies próvocado por el edificio y la posible disminución de la resistencia al corte del terreno por el agua infiltrada desde aquel puede ocasionar una falla del talud, el cual pudo ser estable durante muchos años antes de la construcción. Deslizamientos de este tipo son frecuentes en la zona de Los Angeles, Cal.

La presa de tierra que aparece en la Fig. 1.8 tiene un núcleo de tierra compactado cuya estabilidad fue necesario estudiar. Durante el proyecto de esta presa se compararon los esfuerzos tangenciales con la resistencia al corte para diversas superficies potenciales de deslizamiento que pasan por el núcleo arcilloso.

Las Figs. l.12b y e muestran excavaciones para un edificio y una conducción. Ii excavación para el edificio es una excavación apuntalada o entibada y la de la conducción es una excavación sin apuntalar en zanja. Al proyectar debe comprobarse que no se supera la resistencia al corte del talud, ya que esto daría lugar a un derrumbe hacia el interior.


La Fig. 1.1 2d muestra el esquema de un canal. Genes ralmente los canales se construyen excavando el terreno natural, aunque a veces se construyen con bordos compactados. Los taludes laterales del canal deben tener suficiente seguridad contra un deslizamiento del tipo ya descrito y contra los efectos del agua que circula por el interior. Si no se dispone de una protección adecuada contra la corriente de agua, los costeros del canal pueden sufrir erosión, lo cual hace necesario eliminar continuamente el azolve del canal y puede originar un deslizamiento general de los taludes.

La Fig. 1.13 muestra un espectacular corrimiento de un talud natural en ardua sensible (*). La arcilla sensible procede de un depósito marino lixiviado posteriormente por el agua freática. La eliminación de las sales de los poros del suelo causa una gran pérdida de resistencia a cualquier perturbación de este suelo. El terreno del deslizamiento de la Fig. 1.13 habría sido lavado durante miles de años hasta que su resistencia fue insuficiente para soportar el talud natural. Cualquier excavación al pie del talud o la adición de cargas habría acelerado el deslizamiento. Deslizamientos de este tipo son frecuentes en Escandinavia y Canadá.



Fig. 1.12 Taludes y excavaciones a) Talud Natural b) Excavación para un edificio c) Zanja para una conducción d) canal



Fig. 1.13 Deslizamiento en arcilla marina muy sensible


Fig. 1.8 Presa de tierra.


Ejemplo de Pavimento de Carretera.

Uno de los usos más 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 par. ticular depende de la naturaleza del terreno, de los materiales de construcción disponibles y de las funciones de la carretera.

La Fig. 1.11 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 fonnado por una su brasante meforada, conseguida al compactar los 15 cm superiores del 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 construyó 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 estabiizante más económico y el método de ejecución de la base estabilizada se definieron, a partir de un programa de pruebas o ensayos 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. 6Qué 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?

* En algunos países es más habitual hablar de firmes. (N.T.)


Fig. 1.11. Pavimento de carretera.

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 reile no 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 denoimna 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.

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, mentras 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 opera ción de dragado.

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

1. ¿Hasta qu 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 mí firme del relleno estuviera en los lugares donde se producirían las mayores cargas sobre la cimentación?
4. ¿Qué valores de resistenci 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?

Fig. 1.9  Estación marítima construida por relleno hidráulico.



Fig. 1.10 Estación marítima La Salina.

Ejemplo de una 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 núcleo o corazón y el pie de enrocamiento: el núcleo con su arcila 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. 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 arcila. 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 rí gida. En segundo lugar, el costo de las obras de tierra por unidad de volumen se ha mantenido aproximadamente constante durante los últimos 50 años (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 desperdicié nada del material excavado. El único material escaso en la zona era la grava empleada para el filtro y el lecho de apoyo del enrocarniento. Este material se obtuvo de graveras fluviales a cierta distancia de la zona, y se transporté 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 0.15 a 030 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. ¿Cmii es el espesor mínimo seguro de las capas de grava?
3. Qué espesores de rava y bloques de roca serían 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 serían 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?


Fig. 1.8 Presa de tierra.

EL SUELO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN.

El suelo es el material de construcción más abundante del mundo y en muchas zonas constituye, de hecho, el único material disponible localmente. Desde el período neolítico, la tierra se ha utilizado para la construcción de monumentos, tumbas, viviendas, vías de comunicación y estructuras para retención de agua. En este apartado se describen tres estructuras construidas con tierra.

Cuando el ingeniero emplea el suelo como material de construcción debe seleccionar el tipo adecuado de suelo, así como el método de colocación y, luego, controlar su colocación en la obra. Una masa de suelo colocada por el hombre constituye un relleno y el proceso se suele denominar rellenado. Uno de los problemas más habituales en este tipo de construcción se debe a la gran diversidad de los puntos de extracción, denominados zonas de préstamo. Una parte esencial de la tarea del ingeniero es cerciorarse que las propiedades del material colocado correspondan a las supuestas en el proyecto, o modificar el proyecto durante la construcción, teniendo en cuenta cualquier diferencia entre las propiedades de la obra construida y las que se consideraron en el proyecto.

Ejemplo de Leventamiento de una Cimentación.

El ingeniero no sólo se enfrenta con problemas referentes a asentamiento sino también con casos de movimiento ascensional (levantainiento de estructuras. Los problemas de levantamiento se producen cuando el terreno se expande al disminuir la presión de las tierras que le confinan superiormente y/o cuando aumenta la humedad del suelo. Algunos suelos; denominados expansivos, poseen propiedades de hinchamiento en grado relativamente elevado.

Los problemas de levantamiento o hinchamiento son bastante generales y de importancia económica en aquellos países que tienen regiones áridas, como por ejemplo Egipto, Israel, África del Sur, España, el Suroeste de los Estados Unidos y Venezuela. En tales zonas, los suelos se secan y contraen con el clima árido, hincándose al existir nuevamente humedad. El agua necesaria puede proceder de la lluvia o drenaje o por efecto de capilaridad, cuand0 una capa impermeable se cóloa sobre la superficie del terreno, evitando así la evaporación. Evidentemente, cuanto más ligera sea una estructura tanto más la levantará el terreno expansivo. Así pues, los problemas de hinchamiento suelen estar asociados con estructuras, ligeras como pequeños edificios (especialmente almacenes), vertedores de presas y pavimentos de carreteras.

La Fig. 1.7 muestra una estructura ligera construida en Coro, Venezuela. En la zona de Coro el terreno es muy expansivo, conteniendo el mineral denominado montmorilonita. Bastantes edificios de Coro han sufrido daños por levantamiento. Por ejemplo, la solera y la losa de acceso a un hotel local, situadas sobre la superficie del terreno, al sufrir un levantamiento importante, se agrietaron severamente y quedaron muy irregulares. En el edificio de la Fig. 1.7 se utilizó un sistema que evita los daños por hinchamiento del terreno, pero que resulta mucho más caro que una simple placa superficial. En primer lugar, se abrían agujeros en el suelo, donde se colocaban revestimientos de acero para formar, a continuación tapones y pilotes de concreto. Bajo el edificio y en torno a los pilotes quedaba un hueco que servía para reducir el hinchamiento del suelo (al permitir la evaporación) y, a la vez, dejaba espacio para que tal hinchamiento se produjera sin perturbación para el edificio.

El problema principal del ingeniero consistió en seleccionar el tamaño, capacidad, longitud, y separación de los pilotes. Los pilotes tenian suficiente longitud para llegar por debajo de la capa del suelo susceptible de hincharse por la presencia de humedad. La profundidad elegidad era tal, que la presión de confinamiento, debia a la sobrecarga de tierras más de la carga mínima del edificio, era suficiente para impedir la expansión.

Fig. 1.7  Edificio cimentado en un terreno expansivo.