Geotécnica y esfuerzo aplicada a la masa de suelo.

1. Unidad de aprendizaje 1:
Introducción a la
Ingeniería Geotécnica y
esfuerzo aplicada a la masa de
suelo.
Logro específico de aprendizaje:
Al finalizar la unidad, el estudiante define los
principios fundamentales vigente para el
desarrollo de estudios geotécnicos haciendo
uso de las teorías y parámetros establecidos
para tales fines.
Importancia:
Es necesario que el profesional en ingeniería
civil conozca los problemas qué se presentan
en la geotecnia, para un adecuado diseño de
las obras civiles teniendo en cuenta las
características del suelo, además se debe
contar con un leguaje técnico universal.

2. 1.1 Conceptos fundamentales de la Ingeniería Geotécnica
Definición de Ingeniería Geotécnica
La Ingeniería Geotécnica es la rama de la Ingeniería Civil que se encarga de estudiar las
propiedades mecánicas, hidráulicas e ingenieriles de esencialmente los suelos y rocas.
Mediante las investigaciones geotécnicas de los suelos y las rocas, se diseñan sistemas
geotécnicos tales como cimentaciones para edificios, puentes, plantas hidroeléctricas,
pavimentos, muelles; túneles de conducción y viales; obras de estabilización de taludes;
muros de contención entre otros, que son primordiales para el desenvolvimiento de la vida
humana en su quehacer diario.

3. Funciones de la Ingeniería Geotécnica
Determinación de la capacidad de carga,
las deformaciones de las fundaciones, y posibles
interacciones entre el suelo, cimientos y la
estructura. En su trabajo práctico el ingeniero civil
ha de enfrentarse con muy diversos e importantes
problemas planteados por el terreno.
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.

4. Cuando el terreno firme está
próximo a la superficie, una
forma viable de transmitir al terreno
las cargas concentradas de los muros o
pilares de un edificio es mediante
zapatas. Un sistema de zapatas se
denomina cimentación superficial.
Cuando el terreno firme no está
próximo a la superficie, un sistema
habitual para transmitir el peso de una
estructura al terreno es mediante
elementos verticales como pilotes o
caissons.

5. Evaluación de la presión de la tierra y la
realización de muros de contención.
Evaluación de riesgos geotécnicos, incluyendo el
potencial de deslizamientos de tierra. Otro problema
común es cuando la superficie del terreno no es
horizontal y existe una componente del peso que tiende
a provocar el deslizamiento del suelo. Si a lo largo de
una superficie potencial de deslizamiento, los esfuerzos
tangenciales debidos al peso o cualquier otra causa
(como agua de filtración, peso de una estructura o de
un terremoto) superan la resistencia al corte del suelo,
se produce el deslizamiento de una parte del terreno.

6. El suelo es el material de construcción más
abundante del mundo y en muchas zonas
constituye, de hecho, el único material disponible
localmente. 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 obra. Ejemplos de suelo
como material de construcción son las presas en tierra,
rellenos para urbanizaciones o vías.

7. Las otras estructuras muy
ligadas a la mecánica de suelos
son aquellas construidas bajo la
superficie del terreno como las
alcantarillas y túneles, entre otros, y que
está sometida a las fuerzas que ejerce el
suelo en contacto con la misma. Las
estructuras de contención son otro
problema a resolver con el apoyo de la
mecánica de suelo entre las más
comunes están los muros de gravedad,
los tablestacados, las pantallas ancladas y
los muros en tierra armada.

8. Resistencia de los suelos .
• La resistencia de un suelo es el mayor
esfuerzo al que puede ser sometido.
• La geometría de la mayoría de los problemas
geotécnicos es de tal manera que prácticamente
todo el suelo se encuentra en compresión.
• Aún cuando el suelo pueda fallar debido a la
aplicación de grandes esfuerzos de compresión,
el suelo falla realmente al corte.
• Muchos problemas geotécnicos requieren de
una evaluación de la resistencia al corte del suelo,
tales como: taludes, presas de tierra, fundaciones
de estructuras, muros de contención, etc.
Estabilidad de taludes: cuando la superficie del
suelo esta inclinada, la fuerza de gravedad
produce esfuerzos de corte geostáticos. Si estos
esfuerzos exceden la resistencia al corte, se
produce un deslizamiento.
Fundaciones de estructuras: las cargas de una
estructura son transferidas al terreno a través de
las fundaciones, produciendo esfuerzos de
compresión y de corte. Si el ultimo excede la
resistencia al corte se produce una falla a lo largo
de una superficie.

9. Muros de contención: el peso del suelo
retenido por un muro de contención produce
esfuerzos de corte en ese suelo. La resistencia al corte
del suelo toma parte de los esfuerzos y el muro resiste
el resto. Por lo tanto la carga que tome el muro
depende de la resistencia al corte del suelo retenido.
La resistencia a tracción de los suelos es prácticamente
nula. Solamente en los casos especiales de suelos
cementados (que constituyen un caso de transición
hacia el comportamiento de las rocas) y, en menor
medida, en suelos parcialmente saturados (con
uniones entre partículas por meniscos capilares),
tienen relevancia práctica los estados de tracción.
Por ello, el interés se centra en la rotura o deformación
por deslizamiento relativo o rodadura entre partículas,
que macroscópicamente se traduce en deformaciones
de corte. Por ello, cuando se habla de resistencia de los
suelos, se entiende implícitamente "resistencia al
corte".
• La resistencia al corte es el resultado de la resistencia
al movimiento entre partículas.
• La resistencia al corte se deriva de:
- Resistencia a la fricción entre partículas
- Cohesión entre partículas

10. Tipos de suelos.

11. 1.2 Problemas especiales en los suelos
Un problema geotécnico se define como cualquier evento
que cause deformaciones y daños a un terreno y a las obras civiles
circunvecinas.
Estos problemas geotécnicos podrían presentarse de diferente forma:
Asentamientos del terreno.
Expansión del terreno.
Agrietamientos del terreno y las estructuras.
Deslizamientos.
Erosión del terreno.
Los anteriores problemas pueden inducir en:
Pérdida de vidas.
Cierre y daños a vías de comunicación.
Daños a edificaciones y vehículos.
Daños graves a servicios públicos.

12. Indicios de problemas geotécnicos:
Descuadre de puertas y ventanas,
complicaciones al intentar abrir y cerrar.
Aparición de nuevas grietas o visiblemente
reparadas en la estructura o exteriores.
Desniveles entre el piso de la edificación y el
terreno, pudiendo dejar al aire algunos sectores.
Depresiones en el terreno. Un jardín de área plana
o en pendiente no debería tener formas
onduladas.
Levantamientos del terreno o aceras.
Grietas en el terreno en forma de media luna.
Terreno con topografía escalonada. Tanto
movimientos antiguos que pueden reactivarse
como actuales.
Pendiente o ladera que muestra suelo “fresco”,
posibles evidencias de deslizamientos.
Estos tipos de problemática causados entre otras
cosas por un inadecuado estudio geotécnico afecta
no solo a viviendas unifamiliares sino también a
grandes construcciones. Pudiendo aparecer tanto
en obras actuales como históricas y causando en
ellas consecuencias relevantes que mostraremos
en esta lista de grandes errores épicos.

13. Estudio de equilibrio de la Torre de Pisa
La Torre de Pisa es un cilindro hueco de 14.500 toneladas de caliza y mármol,
con más de 58 m de altura y casi 13 m de diámetro exterior. Sus muros, de 4,09 m de
espesor, alojan a la escalera espiral con la que se accede al campanario.
La torre comenzó a inclinarse a los 5 años de comenzar su construcción, en 1174.
Afortunadamente no se derrumbó pues cesaron las obras al acabarse el dinero.
La construcción se reanudó en 1272 y en vistas que la torre se inclinaba hacia el norte, los
albañiles cambiaron el tamaño de los bloques de mármol para compensar el fallo. Así, en
los primeros pisos al lado norte los bloques tienen 1 cm menos que los del lado sur, y al
llegar al cuarto piso la diferencia es de 10 cm menos.
La torre estaba casi corregida, pero ahora se inclinaba ligeramente hacia el sur. Al llegar al
séptimo piso los trabajos se suspendieron nuevamente durante casi 8 años.
Un último intento por enderezar la torre se abordó al construir el campanario
descentrado, con cuatro escalones hacia el lado norte, haciendo que la torre se hunda de
ese lado.

14. La Torre se levanta sobre un suelo limo-arenoso de muy baja plasticidad bajo el que
hay un estrato de arcillas de Pancone de unos 12 m, seguido un depósito de arena limosa de
alta densidad de unos 2 m de espesor, para acabar finalmente con otro substrato de arcilla.
Los esfuerzos trasmitidos en el subsuelo provocaron deformaciones importantes en los limos
arenosos superficiales. Investigaciones del profesor Burland demuestran que el centro de giro
de la torre (aproximadamente al nivel de la 1ª cornisa) hace que, al girar la torre, el extremo S.
de su cimentación penetre dentro del terreno mientras que su extremo N. emerge lentamente.
El estudio de estabilidad se aborda como si se tratase de un péndulo invertido con la masa
concentrada en el centro de gravedad (CG) que se idealiza como un elemento rígido apoyado
en un resorte cuya rigidez rotacional depende de las características elástico-plásticas del suelo
así como de la evolución de estas características con el tiempo.

15. Últimos intentos de estabilización:
1934- Mussolini intentó salvar la torre vertiendo toneladas de
cemento en 361 pozos en los cimientos. El esfuerzo fue fallido y ese año la
torre se tambaleo más que en los 15 precedentes.
1935- Estabilización mediante extracción de agua e impermeabilización de la
cimentación
1969- Instalación de electro niveles y detectores de alta sensibilidad en los
cimientos. La torre se mueve cada hora y los cimientos se cimbrean
reaccionando al calor del sol.
1985- Sondeos geotécnicos, con lo cual el centro de giro se alejó del cd.g,
aumentando el momento de giro y por tanto la velocidad de inclinación en
más de 2 mm al año.
1992- Circundaron el segundo piso con cables recubiertos de plástico, al ser
esté el punto por el que podría comenzar un posible derrumbe.
1993- 600 Tm. de plomo junto a la pared N. redujeron la inclinación en 1 cm.
1995- Se congela el terreno con nitrógeno líquido para retirar el contrapeso
de la pared norte, pero la torre empieza a inclinarse y tienen que poner 200
Tm. más de plomo en la pared norte.
1998- Anclado de la torre a un contrafuerte de hormigón armado para
asegurarla e inicio de trabajos de subexcavación para intentar enderezarla.
1999- Los trabajos de excavación que se realizan con un equipo situado a 20
metros de distancia logran que el terreno ceda del lado norte y se corrija
para el 2001 la inclinación en 43,8 cm volviendo al desvío de 4,1 m respecto a
la perpendicular que había en 1838.

16. Se cae un edificio de 13 pisos en Shangai
El edificio, de 13 alturas y 629 apartamentos en el que
empezarían a vivir a partir de mayo del próximo año, se venía
abajo. La construcción estaba prácticamente acabada -ventanas
incluidas-, a la espera de los últimos retoques. De hecho, en el
momento del colapso (en torno a las 5.30 de la madrugada, hora
local), seis decoradores trabajaban en el interior del edificio. Uno
de ellos falleció.
Las causas que llevaron al edificio a desplomarse de esta forma
fueron debidas a un error en la cimentación, los pilares de la
estructura no cumplieron su labor en un terreno que se
encontraba además muy anegado de agua.

17. (1) Se excavó un garaje de 4.6
metros en la cara sur del terreno.
(2) La tierra del boquete se amontonó en la cara
norte, a una altura de 10 metros
(3) Con una presión lateral de 3000 toneladas, los
pilares de la cimentación se partieron como
picos!

18. Hundimiento del palacio de Bellas Artes
La construcción del Teatro Nacional, actual Palacio Nacional de Bellas Artes, se inició en 1904, se detuvo durante 12 años y reanudó en
1932, para ser inaugurado dos años después. El diseño original de la cimentación fue del Ing. Gonzalo Garita, pero despertó incertidumbres que
justificaron la participación del Ing. William H. Birkmire. La estructura empezó a sufrir asentamientos casi desde el inicio de su construcción,
Birkmire los trató de aminorar recomendando colocar perimetralmente una tablestaca de acero, pero como su influencia fue despreciableAdamo
Boari decidió inyectar el subsuelo con morteros, afirmando que se hacía en París y en Nueva York, lo que era incierto; de seguro supo que era una
práctica usual en la ciudad de México, quizá el primer caso de ese ingenio fue en 1881 para corregir el comportamiento de la Estación del
Ferrocarril Mexicano, en Buenavista. La inyección del subsuelo del se realizó en 5 etapas, sus resultados fueron confusamente interpretados y se
juzgó como un trabajo sin consecuencias, no se comprendió que continuó hundiéndose, pero que se logró la uniformidad, lo que explica el buen
comportamiento que ha tenido el Palacio.

21. Otro caso importante de inclinación por consolidación del terreno de cimentación se
presentó en la torre del campanario de la catedral del siglo XV (año 1450) de la
población alemana de Suurhusen, un pueblo en la región de Frisia Oriental en el noroeste de
Alemania. De acuerdo con los Guinness World Records fue la torre más inclinada del mundo,
hasta el año 2010 cuando la recién erigida torre Capital Gate en Abu Dhabi, reclamó este record.
El campanario de Suurhusen sigue siendo la torre más inclinada del mundo involuntariamente
desplomada, superando a la Torre Inclinada de Pisa por 1.22°.
Oude Kerk (Iglesia Vieja), conocida también como la iglesia de Oude
Jan ("Viejo Juan"), es una iglesia protestante de estilo gótico situada
en el antiguo centro de la ciudad de Delft, Holanda. Con una altura de
75 metros, su desplome es de 1,98 metros respecto a la vertical.

22. Fallas de muros de contención

23. PRESA DE TETON
Junio 5 de 1976: La presa Teton falló produciendo la
inundación de las ciudades de Sugar y Reburg.
Fue construida atravesando un profundo cañón sobre el río Teton,
en la cuenca del río Sanke, alrededor de 12 millas al nordeste de
Rexburg, al sureste de Idaho.
El embalse comenzó a llenarse el 3 de octubre de 1975 y continuó
hasta que la presa falló el 5 de junio de 1976.
En el momento de la falla el embalse tenía 92,05 m de
profundidad, con su superficie a 1616,05 m de elevación; 1,01 m
por debajo del vertedero.
Las filtraciones por debajo de la presa se detectaron por primera
vez el 3 de junio de 1976, pero no fueron consideradas causa de
alarma. No obstante, iniciadas las 7 de la mañana del 5 de junio el
personal de la presa detectó filtraciones en ambos estribos de roca
en la orilla norte del río en la base de la presa y alrededor de 30,48
m desde el tope de la presa. Estas filtraciones empeoraron y a la
mitad de la mañana, se advirtió que la presa podría fallar. Esta
liberó cerca de 300.000 acre - feet de agua (unos 8 billones de
galones), que inundaron fincas y pueblos aguas abajo con la
eventual pérdida de 14 vidas, directa e indirectamente y con un
costo estimado de cerca de 1 billón de dólares.
El agua se veía fluir por debajo de la cara aguas abajo de la presa.
La grieta se expandió formando un gran hueco, el cual pronto
condujo a la ruptura de la presa.
Se encontraron como principales causas de la falla: erosión del
suelo subyacente, asentamiento (settlement) del suelo y filtración.