Este documento introduce la ingeniería geotécnica y explica su importancia en varias ramas de la ingeniería civil. La geotecnia estudia las propiedades mecánicas e hidráulicas de los suelos y rocas y cómo interactúan con las obras de ingeniería. Se aplica en estructuras, obras hidráulicas, transporte, entre otros. Factores geológicos como la litología, estructuras geológicas y procesos relacionados con el agua influyen en problemas geotécnicos.
2. La Geotecnia es la ciencia dedicada a la
investigación, estudio y solución de
problemas relacionados con las
propiedades mecánicas, hidráulicas e
ingenieriles que surgen como resultado de
la interacción entre la geología y las obras y
actividades del hombre, así como a la
predicción y desarrollo de medidas para la
prevención o remediación de peligros
geológicos.
4. Se aplica en las siguientes ramas de la ingeniería :
•Estructuras.- Se aplica al diseño de fundaciones,
edificios, puentes, etc.
•Hidráulica.- En el diseño de Obras Hidráulicas
(canales, presas, reservorios de almacenamiento,
túneles, etc.), flujo a través de medios porosos,
hidráulica de ríos, puertos, etc.
•Sanitaria.- Diseño de redes de alcantarillado
sanitario y pluvial (zanjas, entibados), Diseño de
plantas de tratamiento de aguas residuales (estudio
del suelo del lecho, permeabilidad de los estratos),
diseño de rellenos sanitarios, etc.
5. • Carreteras.- Estudios geotécnicos de suelo
en general de toda el área donde se
pretende construir la carretera, estabilidad
de taludes, compactación de suelos, etc.
• Medio ambiente.- Estudios para conocer el
grado de contaminación del subsuelo,
permeabilidad de los estratos para conocer
la velocidad de difusión de contaminantes,
etc.
6. Construcción
El comportamiento de los materiales debe asegurar la evolución del
proyecto según lo esperado-seguro y económico: proyectos livianos,
proyectos pesados (casas, edificios pequeños)
Excavaciones y Túneles
Estabilidad de las paredes, controlar el agua y sugerir métodos de excavación
7. Obras de Corte y Relleno
Establecer la pendiente de un camino o trazado lineal. Identificar los
materiales a lo largo del trazado. Utilización y abandono de la obra.
Estabilidad de taludes en el largo plazo, etc.
Fundaciones
Asegurar que el medio soporte estructuras, sin asentamientos excesivos, etc.
8. Represas
La elección de la ubicación y tipo de muro, estabilidad de laderas,
filtraciones, material, estribos, etc.
Materiales de Construcción
Búsqueda y evaluación del material, transporte.
9. Planificación Urbana y Territorial
Creciente importancia del estudio de peligros geológicos en el diseño
urbano, desastres, inundaciones, terremotos, etc.
10. METODOLOGIA
1. Selección del lugar
2. Investigación de la Geología
=>Modelo geológico
4. Evaluación de Materiales
=>Modelo geomecánico
6. Evaluación de las prácticas de
construcción y diseño; Monitoreo
durante la operación: monitoreo
=> Modelos geotécnicos de
comportamiento
11. La profundidad de la
investigación depende de las
necesidades del proyecto
(sondajes, ensayes, geofísica)
Incluye los estudios iniciales
(revisión bibliográfica, logística,
planificación fases siguientes),
investigación de terreno,
ensayos de terreno o laboratorio
y elaboración de informes.
INVESTIGACION DEL SITIO
12. La importancia de la
Geotecnia se manifiesta
en dos grandes campos
de actuación:
13. EL PRIMERO CAMPO
Corresponde a los proyectos y obras de ingeniería
donde el terreno constituye el soporte, el material
de excavación, de almacenamiento o de
construcción.
Dentro de este ámbito se incluyen las principales
obras de infraestructura, edificación, obras
hidráulicas, marítimas, plantas industriales,
explotaciones mineras, centrales de energía, etc.
La participación de la ingeniería geológica en
estas actividades es fundamental al contribuir a
su seguridad y economía.
14. EL SEGUNDO CAMPO
Se refiere a la prevención, mitigación y
control de los riesgos geológicos, así
como de los impactos ambientales de las
obras públicas, actividades industriales
mineras o urbanas.
15. PROYECCION A 30 AÑOS E HIPOTESIS DE RIESGO MAXIMO
RATIO BENEFICIO/COSTE: PERDIDAS POR RIESGOS GEOLOGICOS MENOS LAS PERDIDAS SI SE
APLICAN MEDIDAS PREVENTIVAS, DIVIDIDAS POR EL COSTE DE LAS MEDIDAS DE PREVENCION
16. Ambos campos tienen un peso importante en el
producto bruto interno (PBI) de los países, al
estar directamente relacionados con los sectores
de las infraestructura, construcción, minería y
edificación.
17. EN LOS ALBORES DE LA MODERNIDAD DE LA
INGENIERIA CIVIL FRANCIS BACON DIJO ESTAS
PALABRAS:
OBEDESCAMOS A LA
NATURALEZA SI QUEREMOS
CONTROLARLA
18. El medio geológico está en continua evolución y
los procesos afectan tanto a los materiales
rocosos y a los suelos como al medio natural en
su conjunto. El antrópico, representado por las
ciudades, las infraestructuras, obras publicas,
etc., irrumpe con frecuencia en regiones
geológicamente inestables modificando, e incluso
desencadenando, los procesos geológicos.
19. La búsqueda de soluciones armónicas entre
el medio geológico y el antrópico precisa de
la consideración previa de ciertos factores
diferenciadores entre ambos, cuyo
desconocimiento es causa de
Interpretaciones erróneas. Entre estos
factores destacan:
- La escala geológica y la ingenieril.
- El tiempo geológico y el antrópico.
- El lenguaje geológico y el ingenieril.
20. El profesional de la ingeniería
geológica tiene formación científica y
técnica aplicada a la solución de los
problemas geológicos y ambientales
que afectan a la ingeniería, dando
respuesta a las siguientes cuestiones:
21. 1) Dónde situar una obra pública o instalación
industrial para que su emplazamiento sea
geológicamente seguro y constructivamente
económico.
2) Por dónde trazar una vía de comunicación o
una conducción para que las condiciones
geológicas sean favorables.
3) En qué condiciones geológico-geotécnicas
debe cimentarse un edificio.
4) Cómo excavar un talud para que sea estable y
constructivamente económico.
6) Cómo excavar un túnel o instalación
subterránea para que sea estable.
22. 1) Con qué tipo de materiales geológicos puede
construirse una presa, terraplén, carretera, etc.
2) A qué tratamientos debe someterse el terreno
para evitar o corregir filtraciones,
hundimientos, asientos, desprendimientos, etc.
3) En qué tipo de materiales geológicos pueden
almacenarse residuos tóxicos, urbanos o
radiactivos.
4) Cómo evitar, controlar o prevenir los riesgos
geológicos (terremotos, deslizamientos, etc.).
5) Qué criterios geológicos-geotécnicos deben
tenerse en cuenta en la ordenación territorial y
urbana y en la mitigación de los impactos
ambientales.
24. La diversidad del medio geológico y la
complejidad de sus procesos hacen que en
las obras de ingeniería se deban resolver
situaciones donde los factores geológicos
son condicionantes de un proyecto.
25. En primer lugar, por su mayor importancia,
estarían los riesgos geológicos, cuya
incidencia puede afectar a la seguridad o la
viabilidad del proyecto. En segundo lugar
están todos aquellos factores geológicos
cuya presencia condicione técnica o
económicamente la obra. Estos factores
y su influencia en los problemas
geotécnicos se muestran a continuación:
26. 1) INFLUENCIA DE LA LITOLOGIA EN EL
COMPORTAMIENTO GEOTECNICO DEL TERRENO
3) ESTRUCTURAS GEOLOGICAS Y PROBLEMAS
GEOTECNICOS
5) EFECTOS DE LOS PROCESOS GEOLOGICOS
RELACIONADOS CON EL AGUA Y SU INFLUENCIA
GEOTECNICA
7) INFLUENCIA DE LOS PROCESOS GEOLOGICOS EN
LA INGENIERIA Y EL MEDIO AMBIENTE
27. INFLUENCIA DE LA LITOLOGIA EN EL COMPORTAMIENTO
GEOTECNICO DEL TERRENO
28. LITOLOGIA FACTORES CARACTERISTICOS PROBLEMAS GEOTECNICOS
Rocas duras Minerales duros y abrasivos Abrasividad
GRANITOS CON
CUARZO,
PLAGIOCLASAS
Y MICAS
29. LITOLOGIA FACTORES CARACTERISTICOS PROBLEMAS GEOTECNICOS
Resistencia media a baja Roturas de Taludes
Rocas blandas Minerales alterables Deformabilidad en túneles
Cambio de propiedades con el tiempo
Rotura
en
taludes
mineros
30. LA TORRE INCLINADA DE PISA
LITOLOGIA FACTORES CARACTERISTICOS PROBLEMAS GEOTECNICOS
Suelos Blandos Resistencia baja a muy baja Asientos en cimentaciones
LA TORRE
INCLINADA
DE
PISA
31. Subsidencia
en suelos
lacustres
afectando a
la Basílica de
Nª Sª de
Guadalupe
(Mexico D.C.)
LITOLOGIA
FACTORES
CARACTERISTICOS PROBLEMAS GEOTECNICOS
Suelos Orgánicos y Alta compresibilidad Subsidencia y colapso
biogénicos Estructuras metaestables
48. LA ROTURA DE LA PRESA DE AZNALCOLLAR: UN EJEMPLO DE
FALLO GEOLOGICO-GEOTECNICO DE GRAVES CONSECUENCIAS
ECOLÓGICAS
La presa de residuos mineros de Aznalcóllar
(Sevilla), propiedad de la empresa Boliden-Apirsa,
tenía 28 metros de altura cuando se produjo su
rotura el 25 de abril de 1998.Tres años antes se
comprobó su estado de seguridad, y tanto la
propiedad como los responsables del proyecto
confirmaron que cumplía todos los requisitos,
conclusión que fue reafirmada 5 días antes del
desastre.
49. LA ROTURA DE LA PRESA DE AZNALCOLLAR: UN EJEMPLO DE
FALLO GEOLOGICO-GEOTECNICO DE GRAVES CONSECUENCIAS
ECOLÓGICAS
La rotura del dique de contención produjo un vertido de
4,5 Hm3
de líquidos y Iodos hacia el río Agrio, y de ahí al
Guadiamar, afluente del Guadalquivir, que anegó las
tierras
circundantes, ocasionando una contaminación por aguas
ácidas con diversos contenidos en metales pesados,
afectando a todo el ecosistema circundante, incluso el
Parque Nacional de Doñana.
La presa estaba apoyada sobre la formación miocena
conocida como margas azules, constituidas por arcillas
de plasticidad alta, muy sobreconsolidadas y con
abundantes superficies de corte o slickensides en su
interior.
50.
51. LA ROTURA DE LA PRESA DE AZNALCOLLAR: UN EJEMPLO DE
FALLO GEOLOGICO-GEOTECNICO DE GRAVES CONSECUENCIAS
ECOLÓGICAS
Las margas azules han sido muy bien estudiadas y se
conocen los problemas de inestabilidad que ocasionan,
sobre todo en taludes de carreteras y ferrocarriles. Cuando
entran en contacto con el agua y se generan altas
presiones intersticiales a lo largo de las citadas
superficies, su resistencia puede ser muy baja. Según los
informes periciales .la rotura del dique se debió a un fallo
del sustrato de margas, deslizando la cimentación de la
Presa. Es evidente que los factores geológico-geotécnicos
que ocasionaron la rotura no se tuvieron en cuenta
adecuadamente y que tampoco los sistemas de control del
sistema presa-terreno fueron operativos, cuestiones
fundamentales en ingeniería geológica.
54. La ingeniería geológica tiene sus fundamentos en
la geología y en el comportamiento mecánico de
los suelos y las rocas. Incluye el conocimiento de
las técnicas de investigación del subsuelo, tanto
mecánicas como instrumentales y geofísicas, así
como los métodos de análisis y modelación del
terreno. La metodología de estudio responde en
términos generales indicados en el Proceso
Metodológico siguiente :
56. 1. Identificación de materiales y procesos.
Definición de la geomorfología,
estructura, litología y condiciones del
agua subterránea.
2. Investigación geológica-geotécnica del
subsuelo.
3. Distribución espacial de materiales,
estructuras y discontinuidades.
4. Condiciones hidrogeológicas,
tensionales y ambientales.
57. 1. Caracterización de propiedades
geomecánicas, hidrogeológicas y
químicas.
3. Caracterización de los materiales
geológicos utilizados en la construcción,
extracción de recursos naturales y
trabajos de protección medioambiental.
5. Comportamiento geológico-geotécnico
bajo las condiciones del proyecto.
58. 1. Evaluación del comportamiento
mecánico e hidráulico de suelos y
macizos rocosos. Predicción de los
cambios de las anteriores propiedades
con el tiempo.
3. Determinación de los parámetros que
deben ser utilizados en los análisis de
estabilidad para excavaciones,
estructuras de tierras y cimentaciones.
59. 1. Evaluación de los tratamientos del terreno
para su mejora frente a filtraciones, asientos,
inestabilidad de taludes, desprendimientos,
hundimientos, etc.
11. Consideraciones frente a riesgos geológicos
e impactos ambientales.
12. Verificación y adaptación de los resultados
del proyecto a las condiciones geológico -
geotécnicas encontradas en obra.
Instrumentación y auscultación.
60. Para el desarrollo completo de dicha
secuencia metodológica deben definirse
tres tipos de modelos :
- Modelo geológico.
- Modelo geomecánico.
- Modelo geotécnico de comportamiento.
61. EL MODELO GEOLÓGICO
Representa la distribución espacial de los materiales, estructuras
tectónicas, datos geomorfológicos e hidrogeológicos, entre otros,
presentes en el área de estudio y su entorno de influencia
62. EL MODELO GEOMECÁNICO
Representa la caracterización geotécnica e hidrogeológica
de los materiales y su clasificación geomecánica.
63. EL MODELO GEOTÉCNICO DE COMPORTAMIENTO
Representa la respuesta del terreno durante la construcción
y después de la misma.
DURANTE LA CONSTRUCCION DESPUES DE LA CONSTRUCCION
64. Esta metodología constituye la base de las
siguientes aplicaciones de la ingeniería geológica
a la ingeniería civil y al medio ambiente:
- Infraestructuras para el transporte.
- Obras hidráulicas, marítimas y portuarias.
- Edificación urbana, industrial y de servicios.
- Centrales de energía.
- Minería y canteras.
- Almacenamientos para residuos urbanos,
industriales y radiactivos.
- Ordenación del territorio y planificación
urbana.
- Protección civil y planes de emergencia.
67. Los suelos tienen su origen en los
macizos rocosos preexistentes que
constituyen la roca madre, sometida
a la acción ambiental disgregadora de
la erosión en sus tres facetas:
68. Faceta Física
Debida a cambios térmicos (lo que origina
dilataciones diferenciales entre los
diferentes minerales y da lugar a acciones
y fisuras internas) y a la acción del agua
(arrastres de fragmentos ya erosionados;
posible acción directa por congelación,
que produce tensiones internas por el
aumento de volumen del hielo respecto al
agua; acción alternante de humedad-
sequedad a lo largo del tiempo, etc.).
69. Estas acciones físicas tienden a romper
la roca inicial y a dividida en fragmentos
de tamaño cada vez más pequeño, que
pueden ser separados de la roca por
agentes activos (agua, viento,
gravedad) y llevados a otros puntos en
los que continúa la acción erosiva. Es
decir, tienden a crear las partículas que
van a formar el suelo.
70. Faceta Química
Originada por fenómenos de hidratación
(por ejemplo, paso de anhidrita o sulfato
hemihidratado a yeso o sulfato
dihidratado), disolución (de sales, como los
sulfatos en el agua), oxidación (de
minerales de hierro por efecto
ambiental), cementación (por agua
conteniendo carbonatos previamente
disueltos a partir de otra roca), etc.
71. Esta acción, por lo tanto, tiende tanto a
disgregar como a cementar, lo que
quiere decir que puede ayudar a la
acción física y, posteriormente,
cementar los productos
formados, dando unión química a las
partículas pequeñas, tamaño suelo,
que se forman, aunque la mayor parte
de las veces contribuye más a destruir
y transformar que a unir.
72. Faceta Biológica
Producida por actividad bacteriana,
induciendo putrefacciones de materiales
orgánicos y mezclando el producto con
otras partículas de origen físico-químico,
actuando de elemento catalizador, etc.
73. Todo ello da lugar a fenómenos de
disgregación
(alteración o meteorización) y
transformación de
la roca, creándose el perfil de
meteorización
74. En este perfil la roca madre ocupa la parte
más baja y alejada de la superficie, y el
suelo la más alta. Cuando el suelo
permanece in situ sin ser transportado, se
le conoce como suelo residual, y cuando
ha sufrido transporte, formando
depósitos coluviales, aluviales, etc., se
denomina suelo transportado.
76. A continuación se resumen los
distintos procesos que intervienen en la
formación de los suelos, caracterizados
por:
77. Ser un sistema particulado de sólidos de
diverso origen, que pueden considerarse
indeformables.
Tener una granulometría de gruesos
(centímetros) a finos (micras); las
partículas más finas (por debajo de las 2 ó
5 micras) necesitan procesos
físico-químicos para su constitución; las
de mayor tamaño solo necesitan
procesos físicos, aunque pueden
intervenir los químicos
78. - Una estructura y fábrica en función del origen de
los minerales, agentes cementantes, medio de
deposición transformaciones químicas, etc.
- Presencia importante de huecos (o poros o
intersticios), con agua (suelo saturado), aire y
agua (semisaturado) o solo aire (seco), situación
prácticamente inexistente en la naturaleza. El
fluido intersticial se considera, a la temperaturas
normales, incompresible.
- Las deformaciones del conjunto del suelo se
producen por giros y deslizamientos relativos de
las partículas y por expulsión de agua; solo en
raras ocasiones se producen por roturas de
granos.
80. LOS SUELOS
La acción antrópica, en el entorno geográfico, altera
las condiciones del medio natural cuando se realizan
excavaciones, explanaciones, aplicación de cargas al
terreno, etc. La respuesta del terreno frente a esa
alteración depende de su constitución y características,
de los condicionantes geológicos del entorno, de las
propiedades que están relacionadas con las actuaciones
humanas y del acomodo de la obra realizada al entorno
natural. La respuesta del terreno, por lo tanto, es compleja,
dependiendo en primer lugar del material o materiales
preexistentes en la zona y del tipo de acciones a que se le
someta
81. Si el terreno es un macizo rocoso, la respuesta
vendrá condicionada por la resistencia de la roca,
la presencia de zonas alteradas, las
discontinuidades, etc. Pero si se trata de suelos,
es decir, materiales sueltos fruto de la erosión
ejercida sobre rocas pre-existentes y depositados
por acción del agua o del aire, la respuesta
cambia sustancialmente, así :
82. Los suelos están formados por partículas
pequeñas (desde micras a algunos centímetros)
e individualizadas que, a efectos prácticos,
pueden considerarse indeformables.
Entre partículas no cementadas (o ligeramente
cementadas) quedan huecos con un volumen
total del orden de magnitud del volumen
ocupado por ellas (desde la mitad a varias veces
superior).
83. Un suelo es un sistema multifase (bifase
o trifase).
Los huecos, poros o intersticios pueden
estar llenos de agua, suelos saturados, o
con aire y agua, suelos semisaturados,
lo
que condiciona el conjunto del material.
En condiciones normales de presión: y
temperatura, el agua se considera
incompresible.
84. SUELO
Se le define como un agregado de
minerales, unidos por fuerzas débiles de
contacto, separables por medios
mecánicos de poca energía o por
agitación en agua.
