Este documento introduce la ingeniería geotécnica, que estudia las propiedades mecánicas e hidráulicas de la interacción entre la geología y las obras de ingeniería. Se aplica en estructuras, hidráulica, carreteras y más, para asegurar la seguridad y economía de proyectos considerando factores geológicos. La metodología incluye investigación geológica, caracterización de materiales y evaluación del comportamiento mecánico e hidráulico del terreno.

1. INTRODUCCION A LA INGENIERIA GEOTECNICA

2. La Geotecnia es la ciencia dedicada a la investigación, estudio y solución de problemas relacionados con las propiedades mecánicas, hidráulicas e ingenieriles que surgen como resultado de la interacción entre la geología y las obras y actividades del hombre, así como a la predicción y desarrollo de medidas para la prevención o remediación de peligros geológicos.

3. Geología Minería y Energía Paleontología Petrología Ambiental e Hidrogeología Aplicada Estructural y Tectónica Ing.Civil Estructuras y Construcción Hidráulica Transporte Geotécnica Ing.Minas Metalurgia Operaciones Mineras Geotecnia Minera

4. Se aplica en las siguientes ramas de la ingeniería : Estructuras .- Se aplica al diseño de fundaciones, edificios, puentes, etc. Hidráulica .- En el diseño de Obras Hidráulicas (canales, presas, reservorios de almacenamiento, túneles, etc.), flujo a través de medios porosos, hidráulica de ríos, puertos, etc. Sanitaria .- Diseño de redes de alcantarillado sanitario y pluvial (zanjas, entibados), Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales (estudio del suelo del lecho, permeabilidad de los estratos), diseño de rellenos sanitarios, etc.

5. Carreteras .- Estudios geotécnicos de suelo en general de toda el área donde se pretende construir la carretera, estabilidad de taludes, compactación de suelos, etc. Medio ambiente .- Estudios para conocer el grado de contaminación del subsuelo, permeabilidad de los estratos para conocer la velocidad de difusión de contaminantes, etc.

6. Construcción El comportamiento de los materiales debe asegurar la evolución del proyecto según lo esperado-seguro y económico: proyectos livianos, proyectos pesados (casas, edificios pequeños) Excavaciones y Túneles Estabilidad de las paredes, controlar el agua y sugerir métodos de excavación

7. Obras de Corte y Relleno Establecer la pendiente de un camino o trazado lineal. Identificar los materiales a lo largo del trazado. Utilización y abandono de la obra. Estabilidad de taludes en el largo plazo, etc. Fundaciones Asegurar que el medio soporte estructuras, sin asentamientos excesivos, etc.

8. Represas La elección de la ubicación y tipo de muro, estabilidad de laderas, filtraciones, material, estribos, etc. Materiales de Construcción Búsqueda y evaluación del material, transporte .

9. Planificación Urbana y Territorial Creciente importancia del estudio de peligros geológicos en el diseño urbano, desastres, inundaciones, terremotos, etc.

10. METODOLOGIA Selección del lugar Investigación de la Geología =>Modelo geológico Evaluación de Materiales =>Modelo geomecánico Evaluación de las prácticas de construcción y diseño; Monitoreo durante la operación: monitoreo => Modelos geotécnicos de comportamiento

11. La profundidad de la investigación depende de las necesidades del proyecto (sondajes, ensayes, geofísica) Incluye los estudios iniciales (revisión bibliográfica, logística, planificación fases siguientes), investigación de terreno, ensayos de terreno o laboratorio y elaboración de informes. INVESTIGACION DEL SITIO

12. La importancia de la Geotecnia se manifiesta en dos grandes campos de actuación:

13. EL PRIMERO CAMPO Corresponde a los proyectos y obras de ingeniería donde el terreno constituye el soporte, el material de excavación, de almacenamiento o de construcción. Dentro de este ámbito se incluyen las principales obras de infraestructura, edificación, obras hidráulicas, marítimas, plantas industriales, explotaciones mineras, centrales de energía, etc. La participación de la ingeniería geológica en estas actividades es fundamental al contribuir a su seguridad y economía.

14. EL SEGUNDO CAMPO Se refiere a la prevención, mitigación y control de los riesgos geológicos, así como de los impactos ambientales de las obras públicas, actividades industriales mineras o urbanas.

15. PROYECCION A 30 AÑOS E HIPOTESIS DE RIESGO MAXIMO RATIO BENEFICIO/COSTE: PERDIDAS POR RIESGOS GEOLOGICOS MENOS LAS PERDIDAS SI SE APLICAN MEDIDAS PREVENTIVAS, DIVIDIDAS POR EL COSTE DE LAS MEDIDAS DE PREVENCION

16. Ambos campos tienen un peso importante en el producto bruto interno (PBI) de los países, al estar directamente relacionados con los sectores de las infraestructura, construcción, minería y edificación.

17. EN LOS ALBORES DE LA MODERNIDAD DE LA INGENIERIA CIVIL FRANCIS BACON DIJO ESTAS PALABRAS: OBEDESCAMOS A LA NATURALEZA SI QUEREMOS CONTROLARLA

18. El medio geológico está en continua evolución y los procesos afectan tanto a los materiales rocosos y a los suelos como al medio natural en su conjunto. El antrópico, representado por las ciudades, las infraestructuras, obras publicas, etc., irrumpe con frecuencia en regiones geológicamente inestables modificando, e incluso desencadenando, los procesos geológicos.

19. La búsqueda de soluciones armónicas entre el medio geológico y el antrópico precisa de la consideración previa de ciertos factores diferenciadores entre ambos, cuyo desconocimiento es causa de Interpretaciones erróneas. Entre estos factores destacan: - La escala geológica y la ingenieril. - El tiempo geológico y el antrópico. - El lenguaje geológico y el ingenieril.

20. El profesional de la ingeniería geológica tiene formación científica y técnica aplicada a la solución de los problemas geológicos y ambientales que afectan a la ingeniería, dando respuesta a las siguientes cuestiones:

21. Dónde situar una obra pública o instalación industrial para que su emplazamiento sea geológicamente seguro y constructivamente económico. Por dónde trazar una vía de comunicación o una conducción para que las condiciones geológicas sean favorables. En qué condiciones geológico-geotécnicas debe cimentarse un edificio. Cómo excavar un talud para que sea estable y constructivamente económico. Cómo excavar un túnel o instalación subterránea para que sea estable.

22. Con qué tipo de materiales geológicos puede construirse una presa, terraplén, carretera, etc. A qué tratamientos debe someterse el terreno para evitar o corregir filtraciones, hundimientos, asientos, desprendimientos, etc. En qué tipo de materiales geológicos pueden almacenarse residuos tóxicos, urbanos o radiactivos. Cómo evitar, controlar o prevenir los riesgos geológicos (terremotos, deslizamientos, etc.). Qué criterios geológicos-geotécnicos deben tenerse en cuenta en la ordenación territorial y urbana y en la mitigación de los impactos ambientales.

23. FACTORES GEOLOGICOS Y PROBLEMAS GEOTECNICOS

24. La diversidad del medio geológico y la complejidad de sus procesos hacen que en las obras de ingeniería se deban resolver situaciones donde los factores geológicos son condicionantes de un proyecto.

25. En primer lugar, por su mayor importancia, estarían los riesgos geológicos, cuya incidencia puede afectar a la seguridad o la viabilidad del proyecto. En segundo lugar están todos aquellos factores geológicos cuya presencia condicione técnica o económicamente la obra. Estos factores y su influencia en los problemas geotécnicos se muestran a continuación:

26. INFLUENCIA DE LA LITOLOGIA EN EL COMPORTAMIENTO GEOTECNICO DEL TERRENO ESTRUCTURAS GEOLOGICAS Y PROBLEMAS GEOTECNICOS EFECTOS DE LOS PROCESOS GEOLOGICOS RELACIONADOS CON EL AGUA Y SU INFLUENCIA GEOTECNICA INFLUENCIA DE LOS PROCESOS GEOLOGICOS EN LA INGENIERIA Y EL MEDIO AMBIENTE

27. INFLUENCIA DE LA LITOLOGIA EN EL COMPORTAMIENTO GEOTECNICO DEL TERRENO

28. GRANITOS CON CUARZO, PLAGIOCLASAS Y MICAS LITOLOGIA FACTORES CARACTERISTICOS PROBLEMAS GEOTECNICOS Rocas duras Minerales duros y abrasivos Abrasividad

29. Rotura en taludes mineros LITOLOGIA FACTORES CARACTERISTICOS PROBLEMAS GEOTECNICOS Resistencia media a baja Roturas de Taludes Rocas blandas Minerales alterables Deformabilidad en túneles Cambio de propiedades con el tiempo

30. LA TORRE INCLINADA DE PISA LA TORRE INCLINADA DE PISA LITOLOGIA FACTORES CARACTERISTICOS PROBLEMAS GEOTECNICOS Suelos Blandos Resistencia baja a muy baja Asientos en cimentaciones

31. Subsidencia en suelos lacustres afectando a la Basílica de Nª Sª de Guadalupe (Mexico D.C.) LITOLOGIA FACTORES CARACTERISTICOS PROBLEMAS GEOTECNICOS Suelos Orgánicos y Alta compresibilidad Subsidencia y colapso biogénicos Estructuras metaestables

32. ESTRUCTURAS GEOLOGICAS Y PROBLEMAS GEOTECNICOS

33. Falla Normal FALLA NORMAL ESTRUCTURAS GEOLOGICAS FACTORES CARACTERISTICOS PROBLEMAS GEOTECNICOS Fallas y Fracturas Superficies muy continuas : Espesor variable Roturas, inestabilidades acumulación de tensiones, filtraciones y alteraciones

34. Estratos y Diaclasas ESTRUCTURAS GEOLOGICAS FACTORES CARACTERISTICOS PROBLEMAS GEOTECNICOS Planos de Estratificación Superficies continuas: poca separación Roturas, inestabilidades y Filtraciones

35. Pliegues en Cuarcitas ESTRUCTURAS GEOLOGICAS FACTORES CARACTERISTICOS PROBLEMAS GEOTECNICOS Pliegues Superficie de gran continuidad Inestabilidad, filtraciones y tensiones condicionados a la orientación

36. ESQUISTOS REPLEGADOS ESTRUCTURAS GEOLOGICAS FACTORES CARACTERISTICOS PROBLEMAS GEOTECNICOS foliación, esquistosidad superficies poco continuas y cerradas Anisotropía en función de la orientación

37. EFECTOS DE LOS PROCESOS GEOLOGICOS RELACIONADOS CON EL AGUA Y SU INCIDENCIA GEOTECNICA

38. DISOLUCION KARST YESIFERO

39. EROSION Y ACARCAVAMIENTO EN PIROCLASTOS

40. INFLUENCIA DE LOS PROCESOS GEOLOGICOS EN LA INGENIERIA Y EN EL MEDIO AMBIENTE

41. EDIFICIO DESTRUIDO EN EL TERREMOTO DE MEXICO

42. COLADAS DE LAVA EN LA ERUPCION DEL TENEGUIA EN 1971

43. SUBSIDENCIA DEL PALACIO DE BELLAS ARTES, MEXICO D.F.

44. COLMATACION DEL CAUCE QUE REBASA LA CARRETERA Y OBLIGA A ABRIR UN CAUCE ARTIFICIAL.

45. INFLUENCIA DE LOS PROCESOS GEOLOGICOS EN LA INGENIERIA Y EN EL MEDIO AMBIENTE

46. DAÑOS DE CARRETERA POR DESLIZAMIENTO

47. SUBSIDENCIA POR EXTRACCIÓN DE AGUA DE POZOS Y A FAVOR DE FALLAS ACTIVAS

48. LA ROTURA DE LA PRESA DE AZNALCOLLAR: UN EJEMPLO DE FALLO GEOLOGICO-GEOTECNICO DE GRAVES CONSECUENCIAS ECOLÓGICAS La presa de residuos mineros de Aznalcóllar (Sevilla), propiedad de la empresa Boliden-Apirsa, tenía 28 metros de altura cuando se produjo su rotura el 25 de abril de 1998.Tres años antes se comprobó su estado de seguridad, y tanto la propiedad como los responsables del proyecto confirmaron que cumplía todos los requisitos, conclusión que fue reafirmada 5 días antes del desastre.

49. LA ROTURA DE LA PRESA DE AZNALCOLLAR: UN EJEMPLO DE FALLO GEOLOGICO-GEOTECNICO DE GRAVES CONSECUENCIAS ECOLÓGICAS La rotura del dique de contención produjo un vertido de 4,5 Hm 3 de líquidos y Iodos hacia el río Agrio, y de ahí al Guadiamar, afluente del Guadalquivir, que anegó las tierras circundantes, ocasionando una contaminación por aguas ácidas con diversos contenidos en metales pesados, afectando a todo el ecosistema circundante, incluso el Parque Nacional de Doñana. La presa estaba apoyada sobre la formación miocena conocida como margas azules, constituidas por arcillas de plasticidad alta, muy sobreconsolidadas y con abundantes superficies de corte o slickensides en su interior.

51. LA ROTURA DE LA PRESA DE AZNALCOLLAR: UN EJEMPLO DE FALLO GEOLOGICO-GEOTECNICO DE GRAVES CONSECUENCIAS ECOLÓGICAS Las margas azules han sido muy bien estudiadas y se conocen los problemas de inestabilidad que ocasionan, sobre todo en taludes de carreteras y ferrocarriles. Cuando entran en contacto con el agua y se generan altas presiones intersticiales a lo largo de las citadas superficies, su resistencia puede ser muy baja. Según los informes periciales .la rotura del dique se debió a un fallo del sustrato de margas, deslizando la cimentación de la Presa. Es evidente que los factores geológico-geotécnicos que ocasionaron la rotura no se tuvieron en cuenta adecuadamente y que tampoco los sistemas de control del sistema presa-terreno fueron operativos, cuestiones fundamentales en ingeniería geológica.

53. METODOS Y APLICACIONES EN INGENIERIA GEOLOGICA

54. La ingeniería geológica tiene sus fundamentos en la geología y en el comportamiento mecánico de los suelos y las rocas. Incluye el conocimiento de las técnicas de investigación del subsuelo, tanto mecánicas como instrumentales y geofísicas, así como los métodos de análisis y modelación del terreno. La metodología de estudio responde en términos generales indicados en el Proceso Metodológico siguiente :

55. Proceso metodológico

56. Identificación de materiales y procesos. Definición de la geomorfología, estructura, litología y condiciones del agua subterránea. Investigación geológica-geotécnica del subsuelo. Distribución espacial de materiales, estructuras y discontinuidades. Condiciones hidrogeológicas, tensionales y ambientales.

57. Caracterización de propiedades geomecánicas, hidrogeológicas y químicas. Caracterización de los materiales geológicos utilizados en la construcción, extracción de recursos naturales y trabajos de protección medioambiental. Comportamiento geológico-geotécnico bajo las condiciones del proyecto.

58. Evaluación del comportamiento mecánico e hidráulico de suelos y macizos rocosos. Predicción de los cambios de las anteriores propiedades con el tiempo. Determinación de los parámetros que deben ser utilizados en los análisis de estabilidad para excavaciones, estructuras de tierras y cimentaciones.

59. Evaluación de los tratamientos del terreno para su mejora frente a filtraciones, asientos, inestabilidad de taludes, desprendimientos, hundimientos, etc. 11. Consideraciones frente a riesgos geológicos e impactos ambientales. 12. Verificación y adaptación de los resultados del proyecto a las condiciones geológico - geotécnicas encontradas en obra. Instrumentación y auscultación.

60. Para el desarrollo completo de dicha secuencia metodológica deben definirse tres tipos de modelos : - Modelo geológico. - Modelo geomecánico. - Modelo geotécnico de comportamiento .

61. EL MODELO GEOLÓGICO Representa la distribución espacial de los materiales, estructuras tectónicas, datos geomorfológicos e hidrogeológicos, entre otros, presentes en el área de estudio y su entorno de influencia

62. EL MODELO GEOMECÁNICO Representa la caracterización geotécnica e hidrogeológica de los materiales y su clasificación geomecánica.

63. EL MODELO GEOTÉCNICO DE COMPORTAMIENTO Representa la respuesta del terreno durante la construcción y después de la misma. DURANTE LA CONSTRUCCION DESPUES DE LA CONSTRUCCION

64. Esta metodología constituye la base de las siguientes aplicaciones de la ingeniería geológica a la ingeniería civil y al medio ambiente: - Infraestructuras para el transporte. - Obras hidráulicas, marítimas y portuarias. - Edificación urbana, industrial y de servicios. - Centrales de energía. - Minería y canteras. - Almacenamientos para residuos urbanos, industriales y radiactivos. - Ordenación del territorio y planificación urbana. - Protección civil y planes de emergencia .

65. SUELO

66. ORIGEN Y FORMACION DE LOS SUELOS

67. Los suelos tienen su origen en los macizos rocosos preexistentes que constituyen la roca madre, sometida a la acción ambiental disgregadora de la erosión en sus tres facetas:

68. Faceta Física Debida a cambios térmicos (lo que origina dilataciones diferenciales entre los diferentes minerales y da lugar a acciones y fisuras internas) y a la acción del agua (arrastres de fragmentos ya erosionados; posible acción directa por congelación, que produce tensiones internas por el aumento de volumen del hielo respecto al agua; acción alternante de humedad-sequedad a lo largo del tiempo, etc.).

69. Estas acciones físicas tienden a romper la roca inicial y a dividida en fragmentos de tamaño cada vez más pequeño, que pueden ser separados de la roca por agentes activos (agua, viento, gravedad) y llevados a otros puntos en los que continúa la acción erosiva. Es decir, tienden a crear las partículas que van a formar el suelo.

70. Faceta Química Originada por fenómenos de hidratación (por ejemplo, paso de anhidrita o sulfato hemihidratado a yeso o sulfato dihidratado), disolución (de sales, como los sulfatos en el agua), oxidación (de minerales de hierro por efecto ambiental), cementación (por agua conteniendo carbonatos previamente disueltos a partir de otra roca), etc.

71. Esta acción, por lo tanto, tiende tanto a disgregar como a cementar, lo que quiere decir que puede ayudar a la acción física y, posteriormente, cementar los productos formados, dando unión química a las partículas pequeñas, tamaño suelo, que se forman, aunque la mayor parte de las veces contribuye más a destruir y transformar que a unir .

72. Faceta Biológica Producida por actividad bacteriana, induciendo putrefacciones de materiales orgánicos y mezclando el producto con otras partículas de origen físico-químico, actuando de elemento catalizador, etc.

73. Todo ello da lugar a fenómenos de disgregación (alteración o meteorización) y transformación de la roca, creándose el perfil de meteorización

74. En este perfil la roca madre ocupa la parte más baja y alejada de la superficie, y el suelo la más alta. Cuando el suelo permanece in situ sin ser transportado, se le conoce como suelo residual, y cuando ha sufrido transporte, formando depósitos coluviales, aluviales, etc., se denomina suelo transportado.

75. FERFIL DE METEORIZACION O INTEMPERIZACION

76. A continuación se resumen los distintos procesos que intervienen en la formación de los suelos, caracterizados por :

77. Ser un sistema particulado de sólidos de diverso origen, que pueden considerarse indeformables. Tener una granulometría de gruesos (centímetros) a finos (micras); las partículas más finas (por debajo de las 2 ó 5 micras) necesitan procesos físico-químicos para su constitución; las de mayor tamaño solo necesitan procesos físicos, aunque pueden intervenir los químicos

78. Una estructura y fábrica en función del origen de los minerales, agentes cementantes, medio de deposición transformaciones químicas, etc. Presencia importante de huecos (o poros o intersticios), con agua (suelo saturado), aire y agua (semisaturado) o solo aire (seco), situación prácticamente inexistente en la naturaleza. El fluido intersticial se considera, a la temperaturas normales, incompresible. - Las deformaciones del conjunto del suelo se producen por giros y deslizamientos relativos de las partículas y por expulsión de agua; solo en raras ocasiones se producen por roturas de granos.

79. Formación de los suelos

80. LOS SUELOS La acción antrópica, en el entorno geográfico, altera las condiciones del medio natural cuando se realizan excavaciones, explanaciones, aplicación de cargas al terreno, etc. La respuesta del terreno frente a esa alteración depende de su constitución y características, de los condicionantes geológicos del entorno, de las propiedades que están relacionadas con las actuaciones humanas y del acomodo de la obra realizada al entorno natural. La respuesta del terreno, por lo tanto, es compleja, dependiendo en primer lugar del material o materiales preexistentes en la zona y del tipo de acciones a que se le someta

81. Si el terreno es un macizo rocoso, la respuesta vendrá condicionada por la resistencia de la roca, la presencia de zonas alteradas, las discontinuidades, etc. Pero si se trata de suelos, es decir, materiales sueltos fruto de la erosión ejercida sobre rocas pre-existentes y depositados por acción del agua o del aire, la respuesta cambia sustancialmente, así :

82. Los suelos están formados por partículas pequeñas (desde micras a algunos centímetros) e individualizadas que, a efectos prácticos, pueden considerarse indeformables. Entre partículas no cementadas (o ligeramente cementadas) quedan huecos con un volumen total del orden de magnitud del volumen ocupado por ellas (desde la mitad a varias veces superior).

83. Un suelo es un sistema multifase (bifase o trifase). Los huecos, poros o intersticios pueden estar llenos de agua, suelos saturados, o con aire y agua, suelos semisaturados, lo que condiciona el conjunto del material. En condiciones normales de presión: y temperatura, el agua se considera incompresible.

84. SUELO Se le define como un agregado de minerales, unidos por fuerzas débiles de contacto, separables por medios mecánicos de poca energía o por agitación en agua .

85. DESCRIPCION Y CLASIFICACION DE SUELOS El suelo como sistema particulado

86. DESCRIPCION Y CLASIFICACION DE SUELOS El suelo como sistema particulado

87. DESCRIPCION Y CLASIFICACION DE SUELOS El suelo como sistema particulado