En su trabajo, el ingeniero civil se enfrenta a diversos e importantes desafíos planteados por el terreno. Este le sirve de cimentación para soportar estructuras y terraplenes; se emplea el suelo como material de construcción; se deben proyectar estructuras para la retención o sostenimiento del terreno en excavaciones y cavidades subterráneas, y el suelo interviene en gran número de problemas particulares. El ingeniero debe buscar y estudiar la manera de poder resolver los problemas al trabajar con suelos.
Cimentaciones
Prácticamente todas las estructuras de ingeniería civil (edificios, puentes, carreteras, túneles, muros, torres, canales o presas) deben cimentarse sobre la superficie de la tierra o dentro de ella. Para que una estructura se comporte satisfactoriamente, debe poseer una cimentación adecuada.
Cuando el terreno firme está próximo a la superficie, una forma viable de transmitir al terreno las cargas concentradas es mediante zapatas.
El problema de proyectar con éxito una cimentación es mucho más amplio que la simple fijación de tamaños para las zapatas o la elección del número correcto y el tamaño de los pilotes.
¿Qué es una cimentación?
Una cimentación es todo aquello cuyo comportamiento estudia el ingeniero con el fin de proporcionar un apoyo satisfactorio y económico a una estructura, y se puede referir tanto al terreno situado bajo la estructura como a cualquier elemento que sirva para transmitir las cargas. (Whitman, 1976)
¿Cómo se puede emplear la palabra cimentación?
Según Lambe y Whitman (1976), la palabra cimentación se emplea para describir el material que soporta cualquier tipo de estructura, como un edificio, presa, terraplén de carretera o aeropista.
En la actualidad, el término cimentación superficial se emplea para describir un sistema constructivo en el que las cargas de la estructura se transmiten directamente al terreno situado bajo la misma, y el de cimentación profunda se aplica a aquellos casos en los que se emplean pilotes, cajones o pilas para transmitir las cargas a un terreno firme situado a cierta profundidad.
Desarrollo y Uso de los Pilotes
Los pilotes son anteriores a la historia que conocemos. Hace 12,000 años, los habitantes neolíticos de Suiza hincaron postes de madera en los blandos fondos de lagos poco profundos para construir sus casas sobre ellos, a una altura suficiente para protegerlos de los animales y de los guerreros vecinos. Estructuras similares están actualmente en uso en las junglas del sudeste de Asia y de América del Sur. Venecia fue construida sobre pilotes de madera en el delta pantanoso del río Po, para proteger a los primeros italianos de los invasores del este de Europa y, al mismo tiempo, para estar cerca del mar y de sus fuentes de subsistencia. Los descubridores españoles dieron a Venezuela ese nombre, que significa «pequeña Venecia», porque los indios vivían en chozas construidas sobre pilotes en las lagunas que rodean las costas del lago Maracaibo. En la actualidad, las cimentaciones de pilotes tienen el mismo propósito: hacer posible la construcción de casas y mantener industrias y comercios en lugares donde las condiciones del suelo no son favorables.
Uso de los Pilotes
Los pilotes se usan de muchas maneras. Los pilotes de carga que soportan las cimentaciones son los más comunes. Estos pilotes transmiten la carga de la estructura a través de estratos blandos a suelos más fuertes e incompresibles o a la roca que se encuentre debajo, o distribuyen la carga a través de los estratos blandos que no son capaces de resistir la concentración de la carga de un cimiento poco profundo. Los pilotes de carga se usan cuando hay peligro de que los estratos superiores del suelo puedan ser socavados por la acción de las corrientes o las olas, o en los muelles y puentes que se construyen en el agua.
Mecánica de Suelos
En la actualidad, el estudio de la Mecánica de Suelos está orientado en dos direcciones mundialmente conocidas: mecánica de suelos no saturados y mecánica de suelos saturados. El propósito es conocer el comportamiento de cada uno de ellos y buscar las mejores soluciones que resuelvan los problemas que comúnmente se presentan.
La Mecánica de Suelos Saturados y No Saturados se basa en términos, teorías y formulaciones que se aplican a la gran mayoría de las condiciones del suelo encontradas en las prácticas ingenieriles. Las teorías y formulaciones que abarcan la parte no saturada del perfil del suelo consideran a los suelos no saturados como un caso especial.
El desarrollo de una aproximación racional para la comprensión del comportamiento de los Suelos No Saturados tiene su principal basamento en el hecho de que en las ciudades de clima árido se presentan problemas asociados con cambios de volumen en respuesta a cambios en el contenido de agua, lo que conduce a daños en las estructuras cimentadas sobre estos suelos.
En regiones húmedas, el nivel freático puede estar cercano a la superficie del terreno, mientras que en las regiones áridas puede estar muy profundo.
Bajo el nivel freático, la presión poro-agua es positiva y los suelos son saturados, mientras que sobre el nivel freático la presión poro-agua es negativa y los suelos son no saturados.
La Mecánica de Suelos Saturados y No Saturados está categorizada según el tipo de problema ingenieril presentado, pero siempre englobando las áreas tradicionalmente clásicas y de vital importancia, como el esfuerzo cortante, las filtraciones y los cambios de volumen.
En la Mecánica de Suelos Saturados, el principio de esfuerzo efectivo (σ- uw) es un elemento clave para entender el comportamiento de estos suelos, mientras que en los Suelos No Saturados, son la succión matricial (ua – uw) y el esfuerzo normal neto (σ– ua) las variables independientes de los cambios volumétricos. Ellas, en conjunto, para cada tipo de suelo, generan superficies constitutivas que relacionan las propiedades del mismo.
Definición de la Mecánica de Suelos Saturados o Tradicional
Badillo y Rico (1976) señalan la definición según Terzaghi, como la aplicación de las leyes de la mecánica y la hidráulica a los problemas de ingeniería que tratan con sedimentos y otras acumulaciones no consolidadas de partículas sólidas, producidas por la desintegración mecánica y descomposición química de las rocas, independientemente de que tengan o no contenido de materia orgánica.
Ejemplo de Problemas Causados por el Terreno en la Ingeniería Civil
Este podría ser uno de los casos más clásicos de malas condiciones de cimentación en la Ciudad de México. El edificio de Bellas Artes, por ejemplo, se mantiene en servicio aunque se ha hundido 3.60 m respecto al terreno circundante. Los visitantes que antiguamente tenían que subir escaleras hasta la planta baja, deben bajarlas ahora hasta la misma, debido a los grandes asentamientos.
Ejemplo de Cimentación Superficial
El Centro de Estudiantes del Massachusetts Institute of Technology (M.I.T.) tiene una cimentación superficial formada por una placa continua bajo todo el edificio. Es lo que se denomina una cimentación por placa o por losa corrida.
Si se hubiera construido este edificio con su carga total de 37,000 toneladas sobre la superficie del terreno, se habría producido un asentamiento de aproximadamente 0.30 m debido a la consolidación del terreno blando superior.
Ejemplo de Cimentación por Pilotes
El Centro de Materiales de M.I.T. tiene una cimentación profunda sobre pilotes. El terreno de la zona es semejante al del Centro de Estudiantes, con la importante excepción de que, en este caso, existe muy poca o ninguna arena y grava.
Las razones principales por las cuales el Centro de Materiales se cimentó sobre pilotes apoyados en el terreno firme, en lugar de recurrir a una cimentación flotante, fueron:
- La función a que estaba destinado el Centro de Materiales era tal que no resultaba aconsejable que la planta baja quedara por debajo de la superficie del terreno.
- No existía prácticamente arena y grava sobre la cual colocar la placa.
- Los múltiples servicios subterráneos, en especial un gran túnel de vapor que atravesaba la zona, habrían hecho la construcción de la placa cara y difícil.
Ejemplo de un Terraplén sobre Terreno Blando
Se muestra un terraplén de 10 m de altura colocado sobre una capa de suelo blando de 9.60 m de espesor. La idea original era colocar un depósito de 15 m de diámetro y 17 m de altura. Si se hubiera colocado el depósito sobre el terreno blando, sin una cimentación especial, se habría producido un asentamiento superior a 1.50 m. Aunque un depósito metálico es una estructura flexible, un asentamiento de 1.50 m es demasiado grande para que sea admisible.
Ejemplo de Levantamiento de una Cimentación
El ingeniero no solo se enfrenta con problemas referentes a asentamientos, sino también con casos de movimiento ascensional (levantamiento) de estructuras. Los problemas de levantamiento se producen cuando el terreno se expande (suelos expansivos), al disminuir la presión de las tierras que lo confinan superiormente y/o cuando aumenta la humedad del suelo.
Los problemas de levantamiento o hinchamiento son bastante generales y de importancia económica en aquellos países que tienen regiones áridas, como 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, hinchándose al existir nuevamente humedad.