Este documento describe los aspectos geotécnicos que deben considerarse en la caracterización de terrenos para diferentes tipos de obras civiles. Explica que la caracterización geotécnica consiste en determinar las propiedades físicas, mecánicas, hídricas y químicas del terreno, y describe brevemente los aspectos a considerar para excavaciones, rellenos, taludes, obras de contención, pavimentos, túneles y puentes. También cubre las etapas de un proyecto vial y los mé

1. CARACTERIZACIÓN GEOTECNICA ING. RICARDO OCHOA DIAZ
CARACTERIZACIÓN GEOTECNICA
La caracterización geotécnica consiste en determinar la composición y propiedades
físicas, mecánicas, hídricas, químicas del terreno donde se proyecta una obra o se
extrae material para construcción.
1. EXCAVACIONES.
En este tipo de obras es necesario conocer la clase de material donde se realizan
los trabajos. Para esto se requiere clasificar el material, de acuerdo con alguna de
las clasificaciones existentes. La clasificación debe hacerse para los diferentes
estratos que se presenten.
También es necesario conocer las propiedades físicas del suelo como por ejemplo:
granulometría y límites de plasticidad.
Dado que el agua es uno de los elementos que mas afectan una excavación, es
necesario conocer los niveles de agua subterránea y los posibles flujos hacia la
obra. También es muy importante la definición de los flujos de agua superficial.
Para evaluar los sistemas constructivos y de transporte es importante conocer datos
sobre humedad del suelo, grado de saturación, peso unitario total y factor de
expansión por efecto de la remoción del material.
Es también evidente la necesidad de establecer su dureza cualitativamente,
dependiendo de su litología, clasificación y contenido de agua.
2. RELLENOS Y TERRAPLENES..
Es importante conocer las características del material de fundación y del material de
conformación del relleno o el terraplén.
Suelo de fundación
Es importante conocer el ángulo de inclinación del terreno, pues es evidente que en
fundaciones muy inclinadas el terraplén puede desligarse de la fundación y fallar, la
capacidad portante del terreno y sus propiedades deformativas. Para tal efecto es
necesario determinar los parámetros de resistencia al corte (c y φ), lo mismo que su
porosidad y contenido de agua.
También en este tipo de obras es necesario conocer la estratigrafía del suelo con su
clasificación y niveles de agua subterránea.
Material de conformación
Es importante conocer su clasificación, los parámetros de compactación, esto es,
peso unitario seco máximo y humedad óptima.
En caso de que el material sea arcilloso, es necesario caracterizarlo desde el punto
de vista de la potencialidad de expansión, dependiendo de los contenidos de
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minerales o componentes químicos calificado como expansivo, y si es poroso,
confirmarlo mediante ensayos de laboratorio.
3. TALUDES.
Cuando se trata de conformar un talud es necesario conocer del terreno su
naturaleza y clasificación, lo mismo que las propiedades físicas y mecánicas par
evaluar su estabilidad. Estas propiedades son: Peso unitario, c y φ, humedad, grado
de saturación. En la misma forma es necesario investigar los niveles de agua
subterránea del terreno.
Si el talud es en roca es importante definir la litología, orientación del fracturamiento
y estratificación, así como la potencialidad de meteorización. Es importante
presentar en cada talud los estereogramas de los sistemas principales de
fracturamiento.
4. OBRAS DE CONTENCIÓN.
Las obras de contención están constituidas principalmente por muros y anclajes.
Muros
Es necesario conocer propiedades del terreno de fundación y del relleno que se
coloca tras la estructura, determinando en ambos casos la clasificación del suelo.
Del terreno de fundación es importante determinar la capacidad portante y
propiedades deformativas del material, siendo necesario conocerle los parámetros
de resistencia al corte (c y φ), junto con la porosidad del material, humedad y
profundidad de niveles de agua,
Del relleno es necesario conocer su peso unitario y parámetros de resistencia al
corte. Si el relleno es significativo es necesario conocer la humedad óptima y el peso
unitario seco máximo, si el material es arcilloso se debe determinar el potencial
expansivo.
Anclajes
La caracterización debe enfocarse hacia el tipo de material donde se anclan los
elementos.
Si es suelo debe hacerse la correspondiente clasificación y los parámetros de
resistencia al corte.
Si es roca es necesario determinar el coeficiente de rozamiento entre las rocas y el
mortero de anclaje, caracterización litológica del material, niveles de agua
subterránea y humedad del terreno.
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5. ESTRUCTURA DE PAVIMENTO.
La estructura de pavimento la conforman: La subrasante, sub-base, base y carpeta
de rodadura. Todos los elementos interactúan. Razón por la cual su estudio requiere
especial atención, siendo necesario hacer la caracterización geotécnica en base a
los grados de interacción que se establezcan.
6. TUNELES.
Estas obras se clasifican como especiales en el conjunto de construcciones de una
vía. En la caracterización geotécnica del terreno para un túnel intervienen todas las
propiedades del material, incluyendo geología, propiedades físicas, mecánicas,
hídricas y hasta químicas de los materiales.
En el aspecto geológico, es necesario conocer litología, estructuras, fallas,
fracturamientos. En el aspecto de propiedades físicas se requiere conocer
profundidad, peso unitario, porosidad. En las propiedades mecánicas es importante
la resistencia a la compresión, modulo de deformación, coeficiente de presión lateral,
parámetros de resistencia al corte. De las propiedades hídricas es necesario
conocer los niveles de agua subterránea, coeficiente de permeabilidad, flujos de
agua.
Es necesario clasificar el terreno ya que de esto depende el método constructivo. Si
es suelo por los sistemas apropiados y si es roca mediante alguna clasificación
geomecánica.
7. PUENTES.
La caracterización del terreno esta enfocada hacia el diseño y construcción de los
cimientos apropiados para sostener la superestructura.
Por tal razón es necesario ante todo conocer la estratigrafía de la sección
transversal del río o fuente superficial para definir los apoyos y niveles de
cimentación. A cada estrato encontrado es necesario hacerle la clasificación. A los
estratos mas competentes o que sirvan para nivel de cimentación es necesario
conocer parámetros de resistencia al corte, porosidad, humedad, compresibilidad y
si es material arcilloso y saturado es fundamental determinar los parámetros de
consolidación para determinar posibles asentamientos.
Si la cimentación es profunda, es necesario conocer la capacidad portante del
terreno en la punta del pilote y los parámetros de resistencia al corte del material que
atraviesa el elemento.
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8. EDIFICIOS.
Las carreteras principales requieren edificios administrativos, peajes, etc.
Para construir estas obras se debe hacer las exploraciones para caracterizar los
materiales de fundación desde el punto de vista de su clasificación, estratigrafía,
propiedades físicas y mecánicas tales como peso unitario, porosidad, parámetros de
resistencia al corte, compresibilidad.
Si el nivel de cimentación es roca no se requiere caracterización diferente a su
descripción, pues las cargas que se presentan por el peso de la edificación son muy
inferiores a la resistencia de la roca.
9. FUENTES DE MATERIAL.
Las fuentes de material pueden ser: material de arrastre ubicado en los lechos de los
ríos, terrazas aluviales, canteras de roca, compensación de cortes, prestamos
laterales.
Dependiendo del destino de la fuente y el tipo, la caracterización geotécnica se hace
teniendo en cuenta los criterios de calidad definidos para el material y los
procedimientos de explotación.
En cuanto al parámetro de calidad, será necesario caracterizar el material desde el
punto de vista de clasificación, granulometría, desgaste, durabilidad.
En cuanto al procedimiento de explotación, será necesario conocer la geología,
volúmenes, contenido de estériles, necesidad de procesamiento, niveles de agua
subterránea.
ETAPAS DEL PROYECTO
En el proyecto de una vía normalmente se cumplen 5 etapas. Para las cuales el
estudio geotécnico tiene sus particularidades.
1. Prefactibilidad (Fase I)
Esta etapa es la de evaluación de alternativas de trazado de la vía. En esta etapa la
caracterización geotécnica de los materiales donde se ubican las diferentes
alternativas se realiza sobre fotografías aéreas y planos. El estudio geotécnico tiene
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un alto contenido geológico, pues las características de los materiales se definen en
un ámbito macro.
En los planos se ubican las formaciones geológicas encontradas, las zonas
inestables captadas, lineamientos de falla, zonas de pantanos, zonas de inundación.
En esta etapa, para la caracterización del terreno se requieren documentos escritos
y gráficos hechos en lugares similares, tratando de encontrar relaciones entre las
descripciones y las propiedades que se deseen conocer.
En la fase I no es posible llegar a detalle de obras. Solo se puede llegar hasta
encontrar las mínimas longitudes posibles, haciendo predimensionamientos
aproximados, de acuerdo con las descripciones de los materiales que
probablemente se encuentren en el lugar.
2. Factibilidad (Fase II)
En esta etapa el trazado se acomoda al corredor aprobado, acomodando el
alineamiento de acuerdo con las condiciones del relieve y las características
geológicas del terreno.
En esta fase la caracterización geotécnica se ejecuta mediante exploración
superficial y algunas investigaciones del subsuelo. Se determinan in-situ los sitios
que mas se justen a los puentes y túneles, buscando la mejor solución a cada una
de las obras de la carretera.
Teniendo en cuenta que las investigaciones del subsuelo y ensayos de laboratorio
son muy limitados, es necesario establecer muchas propiedades mediante
bibliografía.
En esta etapa es posible establecer el primer perfil estratigráfico, Haciendo
exploraciones y formulando hipótesis en aquellos sitios donde no hay conocimiento
del subsuelo, se hace también la primera sectorización geotécnica de la vía.
3. Diseño (Fase III)
En esta etapa se conforman los planos de construcción del proyecto, realizando el
diseño de las diferentes obras, junto con las especificaciones técnicas de
construcción. Las obras respectivas se presentan en los planos como diseños
típicos, siendo necesario durante la construcción comprobar los supuestos e
hipótesis formulados en los diseños típicos.
En esta fase se realizan las investigaciones del subsuelo requeridas para
caracterizar el trazado de la vía y conocer las propiedades del terreno. Se realiza
exploración del subsuelo y se hacen os ensayos para diseñar puentes, túneles,
obras de contención, taludes, cortes, terraplenes, etc.
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Aquí se debe conformar los perfiles geológicos y geotécnicos, realizando la
sectorización por áreas homogéneas, junto con la caracterización de cada sector.
En las obras significativas como: túneles, puentes, cortes, terraplenes fuentes de
materiales, botaderos, es necesario hacer la caracterización particular con perfiles
geológicos y geotécnicos en diferentes direcciones, para que la construcción se
pueda realizar con el mínimo de incertidumbres.
En las especificaciones técnicas de construcción se establecen los procedimientos
constructivos y los cuidados que se deben tener para que las obras sean estables.
4. Construcción.
Por mas que el estudio en las anteriores etapas hubiera sido muy completo, en la
etapa de construcción es necesario continuar los estudios geotécnicos, haciendo
investigaciones en aquellos lugares que no fueron tenidos en cuenta , ya sea por
que se modifico el sitio de alguna obra, o bien porque en la localización en el terreno
se encontró la necesidad de construir obras adicionales o por que el terreno no se
presento tal como se indicaba en los estudios previos. También es necesario
comprobar los supuestos tomados en los diseños tipitos u otras obras que no fueron
investigar en los estudios previos.
En este caso la caracterización geotécnica se realiza siguiendo los mismos
procedimientos. Sin embargo, teniendo en cuenta que muchas veces los problemas
que se presentan son de solución inmediata, debido a que la construcción puede
tener trastornos, los conceptos geotécnicos en la mayoría de los casos debe
emitirse basados en las investigaciones precedentes, ayudados de consulta
bibliográfica y buen criterio de los profesionales.
5. Operación.
En esta etapa los aspectos geotécnicos tienen carácter observacional, realizando
investigaciones solo en aquellos lugares que presentan problemas de estabilidad.
DETERMINACIÓN DE PROPIEDADES GEOTÉCNICAS
En los estudios geotécnicos la caracterización de los materiales se hace mediante
diferentes formas, dependiendo del nivel del proyecto, disponibilidad de recursos,
grado de detalle, etc. Las principales formas para determinar propiedades de los
materiales son:
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1. Caracterización visual y táctil.
Mediante observación es posible determinar color, olor, textura, granulometría,
plasticidad, dureza, grado de alteración, fracturamiento, inclinación de estratos,
estratigrafías, relieve, presencia de agua. Esta primera caracterización es
fundamental y necesaria para adelantar posteriores investigaciones, formando parte
de todos los estudios, desde el nivel más general hasta el mas detallado.
2. Caracterización por bibliografía.
Teniendo la caracterización visual y táctil de los materiales es posible evaluar en
forma aproximada algunas propiedades cuantitativas recurriendo a informes y
escritos donde se presentan resultados de ensayos en materiales similares.
También en libros de mecánica de rocas y mecánica de suelos aparecen con
frecuencia tablas y gráficas en que se relacionan caracterizaciones con rangos de
valores límites de algunas propiedades.
Los valores obtenidos por este método tienen un carácter orientador y solo puede
ser utilizado para análisis y cálculos preliminares.
3. Ensayos de laboratorio.
Los ensayos de laboratorio se hacen sobre muestras representativas obtenidas del
material estudiado. Dichas muestras deben reunir ciertas condiciones de geometría
y dimensiones. La cantidad de ensayos no están estandarizados pero vale la pena
tener en cuenta la siguiente tabla que relaciona la cantidad de ensayos con la
seguridad en los parámetros obtenidos.
Cantidad de ensayos 2 3 4 5 6 16
Seguridad 0.61 0.77 0.86 0.91 0.94 0.99
Los ensayos se programan de tal manera que se determinen las propiedades que
realmente se requieran para caracterizar adecuadamente el material, dependiendo
de la obra a construir.
Es recomendable, antes de iniciar los trabajos de exploración hacer un análisis
teórico preliminar con el fin de identificar las propiedades que se requieren del suelo
para diseñar la obra.
4. Ensayos in-situ.
Estos ensayos, aunque son más costosos y dispendiosos, se han desarrollado por
que los resultados obtenidos se ajustan más a las reales condiciones del terreno.
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Con estos ensayos es posible obtener propiedades mecánicas que consultan mejor
las propiedades del terreno, ya que allí permanecen las condiciones de
confinamiento, humedad, y estado físico del material donde se ejecutara la obra.
En cuanto a la permeabilidad, con estos ensayos se consiguen los mejores
resultados, ya que en el laboratorio es imposible reproducir las condiciones
naturales.
5. Exploración del subsuelo.
El subsuelo se puede explorar mediante diferentes forma:
- Apiques y trincheras
- Geofísica (geosísmica y geoeléctrica)
- Sondeos mecánicos
- Galerías de exploración
Mediante estos métodos, adecuadamente combinados y técnicamente aplicados es
posible obtener el perfil estratilografico del lugar y algunas propiedades físicas,
mecánicas e hídricas.
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