Ingeniería geotécnica

La ingeniería geotécnica 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 la mecánica de rocas para la solución de sus respectivos problemas de ingeniería. También se basa en conocimientos de geología, hidrología, geofísica y otras ciencias afines. La ingeniería geotécnica (de rocas) es una subdisciplina de la ingeniería geológica.

Además de la ingeniería civil, la ingeniería geotécnica también tiene aplicaciones en la construcción militar, minera, petrolera, costera y en alta mar. Los campos de la ingeniería geotécnica y la geología de la ingeniería tienen áreas de conocimiento que se superponen. Sin embargo, mientras que la ingeniería geotécnica es una especialidad de la ingeniería civil, la ingeniería geológica es una especialidad de la geología. Comparten los mismos principios de mecánica de suelos y mecánica de rocas, pero difieren en la aplicación.

Historia

Históricamente, los seres humanos han utilizado la tierra como material para el control de inundaciones, fines de riego, sitios de entierro, cimientos de edificios y material de construcción para edificios. Las primeras actividades estaban relacionadas con el riego y el control de inundaciones, como lo demuestran los rastros de diques, represas y canales que datan de al menos 2000 a. C. que se encontraron en el antiguo Egipto, la antigua Mesopotamia y la Media Luna Fértil, así como alrededor de los primeros asentamientos. de Mohenjo Daro y Harappa en el valle del Indo. A medida que las ciudades se expandieron, se erigieron estructuras y se apoyaron en cimientos formalizados. Los antiguos griegos construyeron en particular zapatas y cimientos de listones y balsas. Sin embargo, hasta el siglo XVIII, no se había desarrollado ninguna base teórica para el diseño de suelos, y la disciplina era más un arte que una ciencia, y se basaba en experiencias pasadas.

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 ocurrieron 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 más tarde conocida como el ángulo de reposo del suelo. 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.

La aplicación de los principios de la mecánica a los suelos se documentó a principios de 1773 cuando Charles Coulomb (físico, ingeniero y capitán del ejército) desarrolló métodos mejorados para determinar las presiones terrestres contra las murallas militares. Coulomb observó que, en el fracaso, un avión deslizante distinto se formaría detrás de una pared de retención deslizante y sugirió que el máximo estrés en el plano de deslizamiento, con fines de diseño, era la suma de la cohesión del suelo, c{displaystyle c}, y fricción σ σ {displaystyle sigma ,!} #⁡ ⁡ ()φ φ ){displaystyle tan(phi ,!)}, donde σ σ {displaystyle sigma ,!} es el estrés normal en el plano de deslizamiento y φ φ {displaystyle phi ,!} es el ángulo de fricción del suelo. Al combinar la teoría de Coulomb con el estado de estrés 2D de Christian Otto Mohr, la teoría se hizo conocida como la teoría del Mohr-Coulomb. Aunque ahora se reconoce que la determinación precisa de la cohesión es imposible porque c{displaystyle c} no es una propiedad fundamental del suelo, la teoría del Mohr-Coulomb todavía se utiliza en la práctica hoy.

En el siglo XIX, Henry Darcy desarrolló lo que ahora 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 a profundidad en el suelo. William Rankine, ingeniero y físico, desarrolló una alternativa a la teoría de la presión de tierras de Coulomb. Albert Atterberg desarrolló los índices de consistencia de las arcillas que todavía se utilizan hoy en día para la clasificación de suelos. En 1885, Osborne Reynolds reconoció que el cizallamiento provoca la dilatación volumétrica de los materiales densos y la contracción de los materiales granulares sueltos.

Se dice que la ingeniería geotécnica moderna comenzó en 1925 con la publicación de Erdbaumechanik por Karl Terzaghi (ingeniero mecánico y geólogo). Considerado por muchos como el padre de la mecánica de suelos y la ingeniería geotécnica modernas, Terzaghi desarrolló el principio de la tensión efectiva y demostró que la resistencia al corte del suelo está controlada por la tensión efectiva. Terzaghi también desarrolló el marco para las teorías de la capacidad de carga de los cimientos y la teoría para la predicción de la tasa de asentamiento de las capas de arcilla debido a la consolidación. Posteriormente, Maurice Biot desarrolló completamente la teoría de la consolidación tridimensional del suelo, extendiendo el modelo unidimensional previamente desarrollado por Terzaghi a hipótesis más generales e introduciendo el conjunto de ecuaciones básicas de Poroelasticidad. En 1960, Alec Skempton llevó a cabo una extensa revisión de las formulaciones disponibles y de los datos experimentales en la literatura sobre la validez de la tensión efectiva en suelo, hormigón y roca con el fin de rechazar algunas de estas expresiones, así como aclarar qué expresión era apropiada según a varias hipótesis de trabajo, como el comportamiento de tensión-deformación o resistencia, medios saturados o no saturados, y comportamiento de roca/hormigón o suelo. En su libro de 1948, Donald Taylor reconoció que el entrelazamiento y la dilatación de partículas densamente empaquetadas contribuían a la fuerza máxima de un suelo. Las interrelaciones entre el comportamiento de cambio de volumen (dilatación, contracción y consolidación) y el comportamiento de cizallamiento se conectaron a través de la teoría de la plasticidad utilizando la mecánica del suelo en estado crítico de Roscoe, Schofield y Wroth con la publicación de "On the Yielding of Suelos" en 1958. La mecánica del suelo en estado crítico es la base de muchos modelos constitutivos avanzados contemporáneos que describen el comportamiento del suelo.

El modelado centrífugo geotécnico es un método para probar modelos físicos a escala de problemas geotécnicos. El uso de una centrífuga mejora la similitud de las pruebas de modelos a escala que involucran suelo porque la resistencia y la rigidez del suelo son muy sensibles a la presión de confinamiento. La aceleración centrífuga permite a un investigador obtener grandes tensiones (a escala de prototipo) en pequeños modelos físicos.

Mecánica de suelos

En ingeniería geotécnica, los suelos se consideran un material trifásico compuesto por roca o partículas minerales, agua y aire. Los vacíos de un suelo, los espacios entre partículas minerales, contienen agua y aire.

Las propiedades de ingeniería de los suelos se ven afectadas por cuatro factores principales: el tamaño predominante de las partículas minerales, el tipo de partículas minerales, la distribución del tamaño de los granos y las cantidades relativas de minerales, agua y aire presentes en la matriz del suelo.. Las partículas finas (fines) se definen como partículas de menos de 0,075 mm de diámetro.

Propiedades del suelo

Algunas de las propiedades importantes de los suelos que utilizan los ingenieros geotécnicos para analizar las condiciones del sitio y diseñar movimientos de tierra, estructuras de contención y cimientos son:

Peso específico o peso de unidad

Peso acumulativo de las partículas sólidas, agua y aire del volumen unitario de suelo. Tenga en cuenta que la fase de aire a menudo se supone que no tiene peso.

Porosidad

Relación del volumen de vacíos (conteniendo aire, agua u otros fluidos) en un suelo al volumen total del suelo. La porosidad está matemáticamente relacionada con la relación de vacío como se muestra a continuación

n=e1+e{displaystyle n={frac {e}{1+e}}

Aquí. e es ratio de vacío y n es porosidad

Tasa de vacantes

La relación del volumen de vacíos con el volumen de partículas sólidas en una masa del suelo. La relación vóida está matemáticamente relacionada con la porosidad por

e=n1− − n{displaystyle e={frac {n}{1-n}}

Permeability

Una medida de la capacidad del agua para fluir a través del suelo. Se expresa en unidades de darcies (d). Permeabilidad de 1 d permite el flujo de 1 cm³ por segundo de fluido con viscosidad de 1 cP (centipoise) a través de un área transversal de 1 cm² cuando se aplica un gradiente de presión de 1 atm/cm.

Compresibilidad

La tasa de cambio de volumen con estrés efectivo. Si los poros están llenos de agua, entonces el agua debe ser exprimida de los poros para permitir la compresión volumétrica del suelo; este proceso se llama consolidación.

Fuerza de almacenamiento

El máximo estrés del tinte que se puede aplicar en una masa de suelo sin causar rotura.

Límites de Atterberg

Límite líquido, límite de plástico y límite de rociado. Estos índices se utilizan para la estimación de otras propiedades de ingeniería y para la clasificación del suelo.

Investigación geotécnica

Las tareas de un ingeniero geotécnico comprenden la investigación de las condiciones y materiales del subsuelo; la determinación de las propiedades físicas, mecánicas y químicas relevantes de estos materiales; el diseño de movimientos de tierra y estructuras de contención (incluyendo presas, terraplenes, rellenos sanitarios, depósitos de residuos peligrosos), túneles y cimentaciones de estructuras; el monitoreo de las condiciones del sitio, movimiento de tierras y construcción de cimientos; la evaluación de la estabilidad de taludes naturales y depósitos de suelo hechos por el hombre; la evaluación de los riesgos planteados por las condiciones del sitio; y la predicción, prevención y mitigación de daños causados por peligros naturales (como avalanchas, flujos de lodo, deslizamientos de tierra, desprendimientos de rocas, sumideros y erupciones volcánicas).

Los ingenieros geotécnicos y los geólogos ingenieros realizan investigaciones geotécnicas para obtener información sobre las propiedades físicas del suelo y la roca subyacente (y, a veces, adyacente a) un sitio para diseñar movimientos de tierra y cimientos para las estructuras propuestas, y para la reparación de fallas en movimientos de tierra y estructuras. causado por las condiciones del subsuelo. Una investigación geotécnica incluirá la exploración de la superficie y la exploración del subsuelo de un sitio. A veces, los métodos geofísicos se utilizan para obtener datos sobre los sitios. La exploración del subsuelo generalmente implica pruebas in situ (dos ejemplos comunes de pruebas in situ son la prueba de penetración estándar y la prueba de penetración de cono). Además, la investigación del sitio a menudo incluirá muestreo del subsuelo y pruebas de laboratorio de las muestras de suelo recuperadas. La excavación de pozos de prueba y la excavación de zanjas (particularmente para localizar fallas y planos de deslizamiento) también se pueden usar para conocer las condiciones del suelo en profundidad. Las perforaciones de gran diámetro rara vez se utilizan debido a preocupaciones de seguridad y costos, pero a veces se utilizan para permitir que un geólogo o ingeniero baje al pozo para un examen visual y manual directo de la estratigrafía del suelo y la roca.

Existe una variedad de muestreadores de suelo para satisfacer las necesidades de diferentes proyectos de ingeniería. La prueba de penetración estándar (SPT), que utiliza un muestreador de cuchara dividida de paredes gruesas, es la forma más común de recolectar muestras perturbadas. Los muestreadores de pistón, que emplean un tubo de pared delgada, se usan más comúnmente para la recolección de muestras menos alteradas. Los métodos más avanzados, como el muestreador de bloques de Sherbrooke, son superiores, pero incluso más costosos. La extracción de muestras de suelo congelado proporciona muestras inalteradas de alta calidad de cualquier condición del suelo, como zonas de relleno, arena, morrena y fractura de roca.

Las pruebas de límites de Atterberg, las mediciones del contenido de agua y el análisis del tamaño de grano, por ejemplo, se pueden realizar en muestras perturbadas obtenidas de muestreadores de suelo de paredes gruesas. Las propiedades como la resistencia al corte, la rigidez, la conductividad hidráulica y el coeficiente de consolidación pueden verse significativamente alteradas por la perturbación de la muestra. Para medir estas propiedades en el laboratorio, se requiere un muestreo de alta calidad. Las pruebas comunes para medir la resistencia y la rigidez incluyen el corte triaxial y la prueba de compresión no confinada. Todo esto se puede hacer a través de una empresa de pruebas de terceros como Intertek.

La exploración de la superficie puede incluir mapeo geológico, métodos geofísicos y fotogrametría; o puede ser tan simple como un ingeniero caminando para observar las condiciones físicas en el sitio. El mapeo geológico y la interpretación de la geomorfología generalmente se completan en consulta con un geólogo o un geólogo ingeniero.

A veces también se utiliza la exploración geofísica. Las técnicas geofísicas utilizadas para la exploración del subsuelo incluyen la medición de ondas sísmicas (presión, corte y ondas de Rayleigh), métodos de ondas superficiales y/o métodos de fondo de pozo, y estudios electromagnéticos (magnetómetro, resistividad y radar de penetración terrestre).

Infraestructura

1. Ganchos de perforación de percusión medio / pesado.
2. Máquina de perforación de núcleo de diamante rotativa de alta resistencia.
3. Geomáquina de servicio ligero.
4. Ganches manuales con trípode.
5. Máquina de ensayo de penetración de cono dinámico.
6. Máquina de penetración de cono estática.
7. Máquina de prueba de medidor de presión.
8. Máquina de ensayo de vaina de campo.
9. Máquina de ensayo CBR (California Bearing Ratio).
10. Máquina de prueba de vibración del bloque.
11. Máquina de medidor de humedad rápida.
12. En la máquina de cortador de núcleo de densidad Situ.
13. Penetración estándar Máquina de ensayo.
14. Permeabilidad de campo simple y doble máquina de empaquetado.

Solicitud

1. DESIGN OF BRIDGES: Foundation type and Depth Recommendation.
2. DESIGN OF TUNNEL: cálculo de valor RMR y Q.
3. STRUCTURAL DESIGN OF BUILDINGs: Saca la carga del rodamiento seguro.
4. DESIGN OF RETAINING STRUCTURES: Recommendation of Ground improvement technique.

Estructuras

Cimentaciones

Los cimientos de un edificio o infraestructura de transporte transmiten cargas desde las estructuras a la tierra. Los ingenieros geotécnicos diseñan cimientos en función de las características de carga de la estructura y las propiedades de los suelos y/o lecho rocoso en el sitio. En general, los ingenieros geotécnicos:

1. Estimar la magnitud y ubicación de las cargas a ser soportadas.
2. Elaborar un plan de investigación para explorar la subsuperficie.
3. Determinar los parámetros necesarios del suelo a través de pruebas de campo y laboratorio (por ejemplo, prueba de consolidación, prueba triaxial de tijera, prueba de tijeras, prueba de penetración estándar).
4. Diseñar la fundación de la manera más segura y económica.

Las consideraciones principales para el soporte de los cimientos son la capacidad de carga, el asentamiento y el movimiento del suelo debajo de los cimientos. La capacidad de carga es la capacidad de los suelos del sitio para soportar las cargas impuestas por edificios o estructuras. El asentamiento ocurre bajo todos los cimientos en todas las condiciones del suelo, aunque las estructuras con poca carga o los sitios rocosos pueden experimentar asentamientos insignificantes. Para estructuras más pesadas y/o suelos más blandos, tanto el asentamiento general en relación con áreas no construidas o edificios vecinos, como el asentamiento diferencial bajo una sola estructura pueden ser motivo de preocupación. De particular preocupación es un asentamiento que ocurre con el tiempo, ya que el asentamiento inmediato generalmente se puede compensar durante la construcción. El movimiento del suelo debajo de los cimientos de una estructura puede ocurrir debido a suelos de baja capacidad de carga (arcilla blanda, limo, arena suelta orgánica), cambios volumétricos de suelos expansivos debido a la humedad o ciclos de congelación-descongelación o derretimiento del permafrost, o debido a material de relleno inadecuado con baja resistencia, altamente comprimible y alto contenido de agua. Todos estos factores deben ser considerados durante el diseño de cimientos.

En áreas de lecho rocoso poco profundo, la mayoría de los cimientos pueden apoyarse directamente sobre el lecho rocoso; en otras áreas, el suelo puede proporcionar la fuerza suficiente para el soporte de las estructuras. En áreas de lecho rocoso más profundo con suelos blandos suprayacentes, se utilizan cimientos profundos para soportar estructuras directamente sobre el lecho rocoso; en áreas donde el lecho rocoso no está disponible económicamente, las "capas de apoyo" se utilizan para soportar cimientos profundos en su lugar.

Poco profundo

Los cimientos poco profundos son un tipo de cimiento que transfiere la carga del edificio muy cerca de la superficie, en lugar de a una capa subterránea. Los cimientos poco profundos suelen tener una relación de profundidad a ancho de menos de 1.

Cimentaciones

Las cimentaciones (a menudo denominadas "cimentaciones extendidas" porque distribuyen la carga) son elementos estructurales que transfieren las cargas de la estructura al suelo por contacto superficial directo. Las zapatas pueden ser zapatas aisladas para cargas puntuales o de columna o zapatas continuas para paredes u otras cargas largas (lineales). Las zapatas normalmente se construyen con concreto reforzado colado directamente sobre el suelo y generalmente se incrustan en el suelo para penetrar a través de la zona de movimiento de escarcha y/o para obtener una capacidad de carga adicional.

Losa

Una variante de las zapatas extendidas es hacer que toda la estructura se apoye sobre una sola losa de hormigón subyacente a toda el área de la estructura. Las losas deben ser lo suficientemente gruesas para proporcionar la rigidez suficiente para distribuir las cargas de apoyo de manera algo uniforme y para minimizar el asentamiento diferencial a lo largo de la cimentación. En algunos casos, se permite la flexión y, en cambio, el edificio se construye para tolerar pequeños movimientos de los cimientos. Para estructuras pequeñas, como casas unifamiliares, la losa puede tener menos de 300 mm de espesor; para estructuras más grandes, la losa de cimentación puede tener varios metros de espesor.

Los cimientos de losa pueden ser cimientos de losa a nivel del suelo o cimientos empotrados, generalmente en edificios con sótanos. Los cimientos de losa a nivel del suelo deben diseñarse para permitir el posible movimiento del suelo debido a las condiciones cambiantes del suelo.

Profundo

Los cimientos profundos se utilizan para estructuras o cargas pesadas cuando los cimientos poco profundos no pueden proporcionar la capacidad adecuada debido al tamaño y las limitaciones estructurales. También se pueden usar para transferir cargas de construcción a través de capas de suelo débiles o comprimibles. Mientras que los cimientos poco profundos dependen únicamente de la capacidad de carga del suelo debajo de ellos, los cimientos profundos pueden depender de la resistencia portante de los extremos, la resistencia por fricción a lo largo de su longitud o ambas para desarrollar la capacidad requerida. Los ingenieros geotécnicos utilizan herramientas especializadas, como la prueba de penetración del cono, para estimar la cantidad de superficie y la resistencia portante de los extremos disponible en el subsuelo.

Hay muchos tipos de cimientos profundos, incluidos pilotes, pozos perforados, cajones, pilares y columnas estabilizadas con tierra. Los edificios grandes, como los rascacielos, generalmente requieren cimientos profundos. Por ejemplo, la Torre Jin Mao en China utiliza pilotes tubulares de acero de aproximadamente 1 m (3,3 pies) hincados a una profundidad de 83,5 m (274 pies) para soportar su peso.

En edificios que se construyen y se encuentra que se asentaron, se pueden usar pilotes de apuntalamiento para estabilizar el edificio existente.

Hay tres formas de colocar pilotes para una base profunda. Se pueden impulsar, perforar o instalar mediante el uso de una barrena. Los pilotes hincados se extienden a la profundidad necesaria con la aplicación de energía externa de la misma manera que se martilla un clavo. Hay cuatro martillos típicos que se utilizan para hincar este tipo de pilotes: martillos de caída, martillos diésel, martillos hidráulicos y martillos neumáticos. Los martillos de caída simplemente dejan caer un peso pesado sobre el pilote para impulsarlo, mientras que los martillos diesel usan un motor diesel de un solo cilindro para empujar los pilotes a través de la tierra. De manera similar, los martillos neumáticos e hidráulicos suministran energía a los pilotes a través de fuerzas hidráulicas y aéreas. La energía impartida por una cabeza de martillo varía según el tipo de martillo elegido y puede ser tan alta como un millón de libras-pie para martillos diesel a gran escala, una cabeza de martillo muy común que se usa en la práctica. Las pilas están hechas de una variedad de materiales que incluyen acero, madera y hormigón. Los pilotes perforados se crean perforando primero un agujero a la profundidad adecuada y rellenándolo con hormigón. Por lo general, los pilotes perforados pueden transportar más carga que los pilotes hincados, simplemente debido a un pilote de mayor diámetro. El método de instalación de pilotes con barrena es similar a la instalación de pilotes perforados, pero se bombea hormigón en el orificio a medida que se retira la barrena.

Estructuras laterales de soporte de tierra

Un muro de contención es una estructura que retiene la tierra. Los muros de contención estabilizan el suelo y la roca del movimiento cuesta abajo o la erosión y brindan apoyo para los cambios de pendiente verticales o casi verticales. Los ataguías y los mamparos, estructuras para retener el agua, a veces también se consideran muros de contención.

La principal preocupación geotécnica en el diseño y la instalación de muros de contención es que el peso del material retenido crea una presión lateral del suelo detrás del muro, lo que puede causar que el muro se deforme o falle. La presión lateral de la tierra depende de la altura del muro, la densidad del suelo, la resistencia del suelo y la cantidad de movimiento permisible del muro. Esta presión es menor en la parte superior y aumenta hacia la parte inferior de manera similar a la presión hidráulica, y tiende a empujar el muro lejos del relleno. El agua subterránea detrás del muro que no es disipada por un sistema de drenaje genera una presión hidráulica horizontal adicional sobre el muro.

Paredes de gravedad

Los muros de gravedad dependen del tamaño y el peso de la masa del muro para resistir las presiones desde atrás. Las paredes de gravedad a menudo tendrán un ligero retroceso para mejorar la estabilidad de la pared. Para muros cortos ajardinados, se utilizan comúnmente muros de gravedad hechos de geoceldas, piedra apilada en seco (sin mortero) o unidades de hormigón segmentado (unidades de mampostería).

A principios del siglo XX, los muros de contención más altos solían ser muros de gravedad hechos de grandes masas de hormigón o piedra. Hoy en día, los muros de contención más altos se construyen cada vez más como muros de gravedad compuestos, como los muros de contención de geoceldas, el suelo de relleno reforzado con acero con revestimiento prefabricado; gaviones (canastas de alambre de acero apiladas llenas de rocas), paredes de cuna (celdas construidas al estilo de cabañas de troncos con hormigón prefabricado o madera y rellenas con tierra o grava de drenaje libre) o paredes clavadas en tierra (tierra reforzada en el lugar con varillas de acero y hormigón).

Para muros de gravedad de suelo reforzado, el refuerzo del suelo se coloca en capas horizontales a lo largo de la altura del muro. Comúnmente, el refuerzo del suelo es geomalla, una malla de polímero de alta resistencia, que proporciona resistencia a la tracción para mantener unido el suelo. La cara del muro suele ser una geocelda o unidades de hormigón segmentadas prefabricadas que pueden tolerar algún movimiento diferencial. La masa del suelo reforzado, junto con el paramento, se convierte en el muro de gravedad. La masa reforzada debe construirse lo suficientemente grande como para retener las presiones del suelo detrás de ella. Las paredes de gravedad generalmente deben tener un mínimo de 30 a 40 por ciento de la profundidad (grosor) de la altura de la pared y pueden tener que ser más grandes si hay una pendiente o una sobrecarga en la pared.

Muros en voladizo

Antes de la introducción de los muros de gravedad modernos de suelo reforzado, los muros en voladizo eran el tipo más común de muro de contención más alto. Los muros en voladizo están hechos de un vástago relativamente delgado de mampostería con mortero o concreto colado en el lugar reforzado con acero (a menudo en forma de T invertida). Estas paredes cargan en voladizo (como una viga) a una base estructural grande; convirtiendo las presiones horizontales desde detrás de la pared en presiones verticales en el suelo debajo. A veces, los muros en voladizo tienen contrafuertes en la parte delantera o incluyen un contrafuerte en la parte posterior para mejorar su estabilidad frente a cargas elevadas. Los contrafuertes son muros de alas cortas en ángulo recto con respecto a la tendencia principal del muro. Estos muros requieren cimientos de hormigón rígido por debajo de la profundidad de las heladas estacionales. Este tipo de muro utiliza mucho menos material que un muro de gravedad tradicional.

Los muros en voladizo resisten las presiones laterales por fricción en la base del muro y/o presión pasiva de la tierra, la tendencia del suelo a resistir el movimiento lateral.

Los sótanos son una forma de muros en voladizo, pero las fuerzas en los muros del sótano son mayores que en los muros convencionales porque el muro del sótano no tiene libertad de movimiento.

Apuntalamiento de excavación

Con frecuencia, el apuntalamiento de excavaciones temporales requiere un diseño de muro que no se extienda lateralmente más allá del muro, por lo que el apuntalamiento se extiende por debajo de la base planificada de la excavación. Los métodos comunes de apuntalamiento son el uso de tablestacas o vigas de refuerzo y revestimiento. Tablestacas son una forma de pilotes hincados que utilizan delgadas láminas de acero entrelazadas para obtener una barrera continua en el suelo y se hincan antes de la excavación. Las vigas soldadas se construyen con secciones en H de acero de ala ancha separadas entre sí unos 2 a 3 m, hincadas antes de la excavación. A medida que avanza la excavación, se inserta madera horizontal o láminas de acero (revestimiento) detrás de las alas de los pilotes en H.

El uso del espacio subterráneo requiere excavación, lo que puede provocar un desplazamiento grande y peligroso de la masa del suelo alrededor de la excavación. Dado que el espacio para la excavación de taludes es limitado en las zonas urbanas, el corte se realiza verticalmente. Los muros de contención están hechos para evitar desplazamientos inseguros del suelo alrededor de las excavaciones. Los muros pantalla son un tipo de muros de contención muy rígidos y generalmente estancos. Los movimientos horizontales de los muros pantalla suelen ser evitados por apoyos laterales. Los muros pantalla son muros caros, pero ahorran tiempo y espacio y además son seguros, por lo que se utilizan mucho en excavaciones urbanas profundas.

En algunos casos, el apoyo lateral que puede proporcionar el muro de cimbra por sí solo es insuficiente para resistir las cargas laterales previstas; en este caso, se proporciona apoyo adicional mediante largueros o amarres. Los largueros son elementos estructurales que se conectan a través de la excavación para que las cargas del suelo a cada lado de la excavación se utilicen para resistirse entre sí, o que transfieren cargas horizontales desde el muro de apuntalamiento hasta la base de la excavación. Los amarres son tendones de acero perforados en la cara del muro que se extienden más allá del suelo que aplica presión al muro, para proporcionar resistencia lateral adicional al muro.

Movimientos de tierra

• La excavación es el proceso de entrenamiento de la tierra según el requisito al eliminar el suelo del sitio, ya sea para nivelar la tierra o sustituir subgrado inferior por un suelo con mayor capacidad de rodamiento.
• El relleno es el proceso de entrenamiento de la tierra según el requisito colocando el suelo en el sitio y nivelando o agregando geomateriales naturales o procesados (por ejemplo, agregado de piedra triturada) para aumentar la fuerza del suelo y las capas de apoyo de la estructura.
• La compactación es el proceso por el cual se aumenta la densidad del suelo y disminuye la permeabilidad del suelo. El trabajo de colocación de relleno a menudo tiene especificaciones que requieren un grado específico de compactación, o alternativamente, propiedades específicas del suelo compacto. Los suelos in-situ se pueden compactar mediante laminado, compactación dinámica profunda, vibración, explosión, giro, amasamiento, grout de compactación, etc.

Mejora del terreno

La mejora o modificación del suelo se define como la alteración de los suelos de los cimientos del sitio o de las estructuras de tierra del proyecto para proporcionar un mejor rendimiento en condiciones de carga operativas o de diseño. Por lo general, las propiedades modificadas son la resistencia al corte, la rigidez y la permeabilidad. El mejoramiento del suelo ha desarrollado métodos sofisticados para apoyar los cimientos de una amplia variedad de edificios e infraestructura de transporte, a medida que la urbanización y la infraestructura se extienden a áreas con condiciones geotécnicas desafiantes. El refuerzo del suelo es una de las técnicas de mejora del suelo más populares que se utilizan para mejorar la rigidez y la resistencia del suelo. Esto se puede lograr a través de diferentes materiales y técnicas, por ejemplo, geosintéticos de refuerzo como geoceldas y geomallas, que dispersan las cargas en un área más grande, aumentando así la capacidad de carga del suelo. Aplicados correctamente, es decir, después de tener debidamente en cuenta la naturaleza del suelo que se está mejorando y el tipo y la carga de las estructuras que se están construyendo, los métodos de mejora del suelo hidráulicos, mecánicos, químicos y/o biológicos reducen los costes directos y a largo plazo.

Estabilización de taludes

La estabilidad de taludes es el potencial de los taludes cubiertos de suelo para resistir y sufrir movimientos. La estabilidad está determinada por el equilibrio del esfuerzo cortante y la resistencia al corte. Una pendiente previamente estable puede verse inicialmente afectada por factores preparatorios, haciendo que la pendiente sea condicionalmente inestable. Los factores desencadenantes de la falla de una pendiente pueden ser eventos climáticos que luego pueden hacer que una pendiente sea activamente inestable, lo que lleva a movimientos masivos. Los movimientos de masa pueden ser causados por aumentos en el esfuerzo cortante, como carga, presión lateral y fuerzas transitorias. Alternativamente, la resistencia al corte puede disminuir por la meteorización, los cambios en la presión del agua intersticial y el material orgánico.

Varios modos de falla para taludes de tierra incluyen caídas, derrumbes, deslizamientos y flujos. En laderas con suelo de grano grueso o rocas, las caídas ocurren típicamente como el descenso rápido de rocas y otros materiales de ladera suelta. Una pendiente se derrumba cuando una gran columna de suelo se inclina sobre su eje vertical al fallar. El análisis típico de estabilidad de taludes considera fallas por deslizamiento, categorizadas principalmente como deslizamientos rotacionales o deslizamientos traslacionales. Como implica el nombre, los deslizamientos de rotación fallan a lo largo de una superficie generalmente curva, mientras que los deslizamientos de traslación fallan a lo largo de una superficie más plana. Una pendiente que falla como flujo se parecería a un fluido que fluye cuesta abajo.

Análisis de estabilidad de taludes

El análisis de estabilidad es necesario para el diseño de taludes diseñados y para estimar el riesgo de falla de taludes en taludes naturales o diseñados. Una suposición común es que una pendiente consiste en una capa de suelo que se asienta sobre una base rígida. Se supone que la masa y la base interactúan a través de la fricción. La interfaz entre la masa y la base puede ser plana, curva o tener alguna otra geometría compleja. El objetivo de un análisis de estabilidad de taludes es determinar las condiciones bajo las cuales la masa se deslizará en relación con la base y conducirá a la falla del talud.

Si la interfaz entre la masa y la base de un talud tiene una geometría compleja, el análisis de estabilidad de taludes es difícil y se requieren métodos de solución numérica. Por lo general, no se conoce la geometría exacta de la interfaz y se asume una geometría de interfaz simplificada. Las pendientes finitas requieren el análisis de modelos tridimensionales. Para simplificar el problema, la mayoría de las pendientes se analizan asumiendo que las pendientes son infinitamente anchas y, por lo tanto, pueden representarse mediante modelos bidimensionales. Una pendiente puede estar drenada o no drenada. La condición no drenada se usa en los cálculos para producir estimaciones conservadoras del riesgo.

Un enfoque de análisis de estabilidad popular se basa en principios pertenecientes al concepto de equilibrio límite. Este método analiza una pendiente finita o infinita como si estuviera a punto de fallar a lo largo de su superficie de falla deslizante. Las tensiones de equilibrio se calculan a lo largo del plano de falla y se comparan con la resistencia al corte del suelo determinada por la ecuación de resistencia al corte de Terzaghi. La estabilidad se decide en última instancia por un factor de seguridad igual a la relación entre la resistencia al corte y las tensiones de equilibrio a lo largo de la superficie de falla. Un factor de seguridad mayor que uno generalmente implica una pendiente estable, cuya falla no debería ocurrir suponiendo que la pendiente no esté perturbada. En la práctica, se suele utilizar un factor de seguridad de 1,5 para condiciones estáticas.

Geosintéticos

Los geosintéticos son un tipo de productos de polímeros plásticos utilizados en la ingeniería geotécnica que mejoran el rendimiento de la ingeniería y reducen los costos. Esto incluye geotextiles, geomallas, geomembranas, geoceldas y geocompuestos. La naturaleza sintética de los productos los hace aptos para su uso en suelos donde se requieren altos niveles de durabilidad; sus funciones principales 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 usan juntos. Se ha demostrado que algunos geosintéticos de refuerzo, como las geomallas y, más recientemente, los sistemas de confinamiento celular, mejoran la capacidad de carga, los factores de módulo y la rigidez y resistencia del suelo. Estos productos tienen una amplia gama de aplicaciones y actualmente se utilizan en muchas aplicaciones de ingeniería civil y geotécnica, incluidas carreteras, aeródromos, vías férreas, terraplenes, terraplenes pilotados, estructuras de contención, embalses, canales, presas, rellenos sanitarios, protección de bancos e ingeniería costera.

Mar adentro

La ingeniería geotécnica mar adentro (o marina) se ocupa del diseño de cimientos para estructuras hechas por el hombre en el mar, lejos de la costa (en oposición a onshore o nearshore). Las plataformas petrolíferas, las islas artificiales y los oleoductos submarinos son ejemplos de este tipo de estructuras. Hay una serie de diferencias significativas entre la ingeniería geotécnica en tierra y en alta mar. En particular, la mejora del suelo (en el lecho marino) y la investigación del sitio son más costosas, las estructuras en alta mar están expuestas a una gama más amplia de riesgos geológicos y las consecuencias ambientales y financieras son mayores en caso de falla. Las estructuras en alta mar están expuestas a diversas cargas ambientales, en particular viento, olas y corrientes. Estos fenómenos pueden afectar la integridad o la capacidad de servicio de la estructura y sus cimientos durante su vida útil operativa; deben tenerse en cuenta en el diseño en alta mar.

En ingeniería geotécnica submarina, los materiales del lecho marino se consideran un material de dos fases compuesto por 1) roca o partículas minerales y 2) agua. Las estructuras pueden estar fijas en el lecho marino, como es el caso de los muelles, los embarcaderos y las turbinas eólicas de fondo fijo, o tal vez una estructura flotante que permanece aproximadamente fija en relación con su punto de anclaje geotécnico. El amarre submarino de estructuras flotantes diseñadas por humanos incluye una gran cantidad de plataformas de petróleo y 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 patas de tensión. "Tensión Los sistemas de amarre de patas tienen ataduras verticales bajo tensión que brindan grandes momentos de restauración en cabeceo y balanceo. Los sistemas de amarre de catenaria proporcionan mantenimiento de la posición para una estructura en alta mar, pero proporcionan poca rigidez a bajas tensiones."

Método de observación

En ingeniería geotécnica, durante la construcción de estructuras de tierra (presas y túneles, por ejemplo), el método de observación es un proceso continuo, gestionado e integrado de diseño, control de construcción, seguimiento y revisión que permite, modificaciones previamente definidas a ser incorporadas durante (o después) de la construcción. Todos estos aspectos deben ser demostrablemente robustos. El objetivo es lograr una mayor economía global, sin comprometer la seguridad.

El método de observación fue propuesto por Karl Terzaghi y discutido en un artículo de Ralph B. Peck (1969). Esto fue en un esfuerzo por reducir los costos durante la construcción incurridos al diseñar estructuras de tierra basadas en los supuestos más desfavorables (en otras palabras, condiciones geológicas, propiedades de ingeniería del suelo, etc.). En cambio, el diseño se basa en las condiciones más probables en lugar de las más desfavorables. Los vacíos en la información disponible se llenan con observaciones: mediciones de instrumentación geotécnica (por ejemplo, inclinómetros y piezómetros) e investigación geotécnica del sitio (por ejemplo, perforación de pozos y un CPT). Estas observaciones ayudan a evaluar el comportamiento de la estructura durante la construcción, que luego puede modificarse de acuerdo con los hallazgos. El método puede describirse como "aprender sobre la marcha".

El método de observación se puede describir de la siguiente manera:

• Exploración suficiente para establecer la naturaleza general, el patrón y las propiedades de los depósitos (no necesariamente en detalle).
• Evaluación de las condiciones más probables, y las desviaciones concebibles más desfavorables de estas condiciones. La geología juega un papel importante.
• Crear el diseño, basado en una hipótesis de trabajo de comportamiento anticipada bajo las condiciones más favorables.
• Selección de cantidades a observar como producto de construcción, y cálculo de sus valores anticipados basado en la hipótesis de trabajo.
• Cálculo de los valores de las mismas cantidades en las condiciones más desfavorables compatible con los datos disponibles sobre las condiciones de subsuperficie.
• Selección (de antemano) de un curso de acción o modificación de diseño para cada desviación significativa previsible de los hallazgos observacionales de los predichos sobre la base de la hipótesis de trabajo.
• Medición de las cantidades a observar y evaluación de las condiciones reales.
• Modificación de diseño de acuerdo con las condiciones reales

El método de observación es adecuado para la construcción que ya ha comenzado cuando ocurre un desarrollo inesperado, o cuando una falla o accidente amenaza o ya ha ocurrido. El método no es adecuado para proyectos cuyo diseño no puede modificarse durante la construcción.

El error más grave al aplicar el método de observación es no seleccionar (por adelantado) un curso de acción apropiado para todas las desviaciones previsibles (reveladas por la observación) de las asumidas en el diseño. El ingeniero debe idear soluciones a todos los problemas que puedan surgir en las condiciones menos favorables. Si no puede resolver estos problemas hipotéticos (incluso si la probabilidad de que ocurran es muy baja), debe volver a un diseño basado en las condiciones menos favorables.