Estudio de Mecánica de Suelos: Claves para Cimentaciones Exitosas

Aspectos Clave en un Estudio de Mecánica de Suelos para Cimentaciones

Un estudio de mecánica de suelos es fundamental para el diseño y construcción de cimentaciones seguras y eficientes. A continuación, se detallan los aspectos más importantes a considerar:

Conocimiento del Proyecto y Ubicación: Definir el tipo de proyecto y su ubicación es crucial. Las cartas geológicas y el historial de la zona (ej., Earth Engine) pueden proporcionar información valiosa para determinar el tipo de cimentación adecuado.
Análisis de Condiciones Previas y Actuales: Evaluar las condiciones del terreno en el sitio de estudio.
Selección del Método de Exploración Adecuado: Elegir el método de exploración que mejor se adapte a las características del suelo y los objetivos del estudio.
Definición de Métodos para Obtener Parámetros Mecánicos: Indicar los métodos que se utilizarán para determinar los parámetros mecánicos del suelo.
Obtención de Perfiles Estratigráficos: Determinar los perfiles estratigráficos del suelo, que describen las diferentes capas y sus propiedades.
Selección del Tipo de Cimentación Adecuado: Elegir el tipo de cimentación que mejor se adapte a las condiciones del suelo y las cargas del proyecto.
Cálculo de Capacidad de Carga y Asentamientos: Utilizar metodologías aplicables al tipo de suelo y cimentación para calcular la capacidad de carga y los asentamientos esperados.
Recomendaciones para el Desplante de Cimentaciones: Emitir recomendaciones claras y precisas para el desplante adecuado de las cimentaciones.
Limitantes del Estudio Geotécnico: Definir las limitantes del estudio, como la profundidad de perforación necesaria para alcanzar los estratos relevantes. Es fundamental dejar esto claramente establecido.

Métodos de Exploración de Suelos

Existen diversos métodos para la exploración de suelos, que se pueden clasificar en cualitativos y cuantitativos:

Métodos Cualitativos

Estos métodos son útiles para clasificar y catalogar el material, pero no para obtener parámetros mecánicos precisos. El uso de torquímetro y penetrómetro puede ayudar a obtener parámetros más cuantitativos. La retroexcavadora permite excavar hasta 3 metros de profundidad.

Pozo a Cielo Abierto: Permite la observación directa del suelo, su descripción física (estado, humedad, color) y la medición con cinta métrica. Se pueden obtener muestras alteradas e inalteradas.

Método de Penetración Estándar (SPT)

(Cuantitativo, solo en suelos) Se utiliza una broca helicoidal para avanzar en el terreno hasta la profundidad deseada. Luego, se introduce un muestreador y se golpea con un martillo de 63.5 kg que se deja caer desde 76 centímetros (30 pulgadas). Se cuenta el número de golpes necesarios para introducir 30 cm (1 pie) del muestreador. Este valor (N) se relaciona con la cohesión y el ángulo de fricción interna del suelo.

Herramienta de Muestreo: Se utilizan muestreadores alterados (tubo de caña) e inalterados (tubo de pared delgada).
Penetrómetro: Se introduce el penetrómetro y se cuenta el número de golpes necesarios para introducir 15 cm (6 pulgadas). Se eliminan el primer y último golpe, y se suman los dos restantes para obtener el número de golpes por pie.
Torquímetro: Puede utilizarse en pozos a cielo abierto para obtener parámetros más cuantitativos.

Cono Estático (CPT)

Equipo de Exploración Directa en Campo: Compuesto por una punta cónica, sensores y un sensor en el fuste que mide la fricción del tubo con el suelo.
Datos Continuos: Arroja datos de manera constante, tomando lecturas cada 2 centímetros. Se requiere conocer la presión necesaria para introducir el cono para clasificar el material y definir la estratigrafía.
Sensores Adicionales: Se le puede agregar un geófono y un sensor de presión de poro.
Presión de Poro: Empuje debido al retorno de las aguas freáticas.

Pruebas de Laboratorio

Compresión Simple

Permite obtener el esfuerzo con el área del cilindro de suelo. La única diferencia es el rango de resultados que podemos esperar.

Prueba Triaxial y Círculos de Mohr

Sigma 3: Es el confinamiento.
Sigma 1: Compresión simple.
Esfuerzo Desviador: El diámetro del círculo de Mohr representa el esfuerzo desviador (incremento de esfuerzo que se le añade al suelo).
Círculo de Mohr: Representa la zona de resistencia del material. El perímetro del círculo indica los esfuerzos de cedencia, y cada coordenada implica un (sigma, tao) envueltos por el envolvente de falla, simétricamente se conoce como el cono de resistencia de Mohr-Coulomb.
Cohesión: Es la intersección de la recta de falla en el eje Y.
Ángulo de Fricción Interna: La pendiente de la recta de falla es el ángulo de fricción interna.
Tao: Es el cortante.

Comportamiento de Materiales Según los Círculos de Mohr

Tao = C + Sigma’ * Tang(Ángulo): Es posible obtener esfuerzos normales y cortantes de esta prueba.
Suelo Friccionante: No tiene cohesión.
Suelo Cohesivo: Tiene cohesión y no un ángulo de fricción.
Suelo Cohesivo-Friccionante: Tiene ambos (cohesión y ángulo de fricción).
Ángulo de Fricción: Depende de vacíos, fricciones internas, granulometrías y formas de partículas.
Sigma 3: Da el confinamiento.
Esfuerzos Desviadores Idénticos: Implican un ángulo de fricción nulo.
Suelos No Cohesivos: Al incrementar la profundidad de desplante, puede mejorar la capacidad de carga.
Suelos Cohesivos: Aunque exista mayor confinamiento, el esfuerzo cortante será el mismo y no incrementaría la capacidad de carga.
Pruebas Triaxiales: Pueden indicar que, ante un suelo cohesivo, lo óptimo podría ser incrementar el área de la cimentación.
Compresión Simple: El esfuerzo desviador sería idéntico a la carga. Gráficamente, se obtendría solamente un solo círculo, y únicamente esta prueba aplica para suelos cohesivos cerca de la superficie y no en grandes profundidades.

Prueba de Corte Directo (Caja de Terzhagui)

Procedimiento: Se coloca el material dentro de la caja, se coloca una tapa metálica y la máquina desplaza las dos mitades (superior e inferior) en sentidos opuestos, recibiendo un esfuerzo normal por la parte inferior y un esfuerzo cortante en las superficies friccionantes existentes en ambas cajas al desplazarse. Se debe ir midiendo el desplazamiento de la caja.
Esfuerzo Normal: Es constante en toda la prueba.
Esfuerzo Cortante: Debe considerar el desplazamiento, y en función de ello entrega los esfuerzos cortantes. Al tabularse y graficarse, se determina el esfuerzo último en la deflexión de la gráfica.
Repetición de la Prueba: Se repite la prueba con un esfuerzo normal mayor, obteniéndose 3 combinaciones (3 coordenadas) que conforman la envolvente de falla.
Área de Contacto: Al irse desplazando la caja de Terzhagui, el área de contacto disminuye con el desplazamiento simultáneamente que la fuerza normal es la misma. Sin embargo esta prueba si mantiene constante la carga, pero no el esfuerzo, pues este aumentara.

Tipos de Cimentaciones

Superficiales: Zapatas aisladas, corridas y combinadas.
Profundas: Pilas y pilotes.