Caracterización geotécnica del terreno, con ejemplos de Gran Canaria y Tenerife

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE ARQUITECTURA UNIVERSIDAD DE LAS PALMAS DE GRAN CANARIA CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA DEL TERRENO, CON EJEMPLOS DE GRAN CANARIA Y TENERIFE. Alejandro LOMOSCHITZ MORA-FIGUEROA Dr. en Ciencias Geológicas CURSO SOBRE DISEÑO, CÁLCULO, PATOLOGíA Y REPARACIÓN DE LAS CIMENTACIONES DE HORMIGóN (2 al 4 de Junio de 1994, Las Palmas de G.C. y 18 al 20 de Mayo de 1995, Santa Cruz de Tenerife). DEPARTAMENTO DE CONSTRUCCIÓN ARQUITECTÓNICA MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES N°] ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE ARQUITECTURA UNIVERSIDAD DE LAS PALMAS DE GRAN CANARIA CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA DEL TERRENO, CON EJEMPLOS DE GRAN CANARIA Y TENERIFE. Alejandro LOMOSCHITZ MORA-FIGUEROA Dr. en Ciencias Geológicas CURSO SOBRE DISEÑO, CALCULO, PATOLOGíA Y REPARACIÓN DE LAS CIMENTACIONES DE HORMIGÓN (2 al 4 de Junio de 1994, Las Palmas de G.e. y 18 al 20 de Mayo de 1995, Santa Cruz de Tenerife). DEPARTAMENTO DE CONSTRUCCIÓN ARQUITECTÓNICA MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES N°} .; ¡¡ l .. o @ CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA DEL TERRENO, CON EJEMPLOS DE GRAN CANARIA Y TENERIFE Dr. Alejandro LOMOSCHITZ MORA-FIGUEROA ÍNDICE 1. VARIABILIDAD NATURAL DEL TERRENO. EJEMPLOS. 1.1. Formaciones geológicas del substrato. a) Niveles de cenizas y tobas volcánicas blandas. b) Las rocas basálticas y los niveles de piroclastos. c) Formaciones e intercalaciones sedimentarias. 1.2. Formaciones geológicas superficiales. a) Los depósitos costeros de Gran Canaria. b) Suelos y sedimentos lacustres de Tenerife. c) Depósitos coluvionares. 2. RECONOCIMIENTO GEOTÉCNICO DEL TERRENO. 3. ALGUNOS TERRENOS PROBLEMÁTICOS. 3.1. Cimentaciones en arcillas. 3.2. Construcciones sobre rellenos. 3.3. Terrenos con nivel freático cercano. CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA DEL TERRENO 1 INTRODUCCIÓN El terreno natural, a diferencia de otros materiales empleados en la construcción como el hormigón o el acero, se presenta como un medio discontinuo, heterogéneo, y sus variaciones pueden llegar a ser complejas. Cuando se aplican al hormigón o al acero los principios y las leyes de la Mecánica, no caben en principio las sorpresas, pues en cierto modo controlamos sus propiedades. Sin embargo, cuando se aplican los principios de la Mecánica de Suelos al terreno, al ser un medio heterogéneo, hay que tener especial cuidado en determinar antes su configuración real. Sólo una vez conocido el tipo de rocas o de suelos y su disposición espacial, se pueden determinar las propiedades geotécnicas de los materiales; esto permitirá predecir el comportamiento del terreno frente al edificio o construcción que se quiere realizar. La caracterización geotécnica del terreno parte, por tanto, de las dos premisas siguientes: 1 o. El terreno de cimentación es un medio natural heterogéneo y en ocasiones complejo. 2 o . En la actualidad existen técnicas de reconocimiento y ensayos que permiten su adecuada caracterización; y también permiten predecir su comportamiento durante la ejecución de una obra y una vez construido el edificio, si se conocen y aplican correctamente los principios de la Mecánica de Suelos. 2 CURSO SOBRE CIMENTACIONES DE HORMIGÓN 1. VARIABILIDAD NATURAL DEL TERRENO. EJEMPLOS. El terreno se compone de estratos o niveles de muy diversa naturaleza y propiedades que, por otra parte, no son necesariamente mejores según se avanza en profundidad. Estas variaciones, además, no sólo se dan en la vertical sino que con frecuencia aparecen tambien en planta; el tipo de terreno puede cambiar en distancias cortas y no es extraño que aparezcan lentejones o bolsadas de distinta naturaleza. Sin pretender ser exhaustivos, a continuación veremos algunos ejemplos de Gran Canaria y Tenerife, atendiendo a los dos grandes grupos de formaciones geológicas: las formaciones del substrato rocoso y las formaciones superficiales. 1.1. FORMACIONES GEOLÓGICAS DEL SUBSTRATO En Canarias existen tres tipos de formaciones del substrato relevantes cara a la cimentación: a) los niveles de cenizas y tobas volcánicas blandas, b) las rocas basálticas y los niveles de piroclastos, y e) las formaciones e intercalaciones sedimentarias. a) Los niveles de cenizas y las tobas volcánicas blandas. En Gran Canaria aparecen como niveles intercalados entre paquetes de roca más potentes (coladas de basaltos, fonolitas, traquitas, ignimbritas, brechas volcánicas etc.); en general tienen espesores reducidos, de 1 m. a pocos centímetros, aunque en ocasiones pueden alcanzar varios metros de espesor. En este segundo caso tienen gran continuidad }ateral (figura 1). Estas son sus propiedades principales: son materiales poco densos, presentan una textura granular a cohesiva y son muy alterables, hasta el punto de llegar a ser amasables con la adición de agua. Esta plasticidad que adquieren algunas de estos niveles puede hacerlos peligrosos, sobre todo allí donde los niveles freáticos son altos. Con todo, debido a su matriz vítrea, en la tabla de plasticidad de Casagrande suelen figurar como CL (arcillas inorgánicas de baja plasticidad) y tienen una expansividad de baja a media, en la mayoría de los casos. En determinadas ocasiones estos niveles han sufrido una alteración química, previa o posterior a su depósito, adquieren tonalidades ocre oscuro o verdes y al tacto resultan jabonosas. Se ha comprobado que se han convertido por la alteración en arcillas expansivas. CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA DEL TERRENO A. 1 3m. 1.5 O BASALTOS ~ SONDEO _-r-""---' ,---.....,+ N.F. Figura l. L____ ......J-- ..L- - . : . . ::..--:- '. --!- • . :'.~ Disposición frecuente de los niveles de cenizas y tobas volcánicas blandas. [ ( I \ CONOS DE PI ROC LASTOS 3 Figura 2. A. Niveles de piroclastos en formaciones basálticas antiguas. CONO DE LAVAS Y PIROCLASTOS B. Tipos de conos volcánicos. GRIETA COMPORTAM lENTO BAJO CIMENTACIONES COMPORTAM lENTO EN TALUD DE TRACCION COLADAS~ ESCORIACEAS Figura 3. . ~.,.-- Comportamiento geotécníco de los niveles de piroclastos, en talud y bajo cimentaciones. 4 CURSO SOBRE CIMENTACIONES DE HORMIGÓN En el diseño de grandes excavaciones en ro~a su papel como superficie de despegue es definitivo, y pueden provocar el deslizamiento de los bloques rocosos superiores y desprendimientos importantes. Sin embargo, en el caso de pequeñas excavaciones de cimentación, una vez que estos niveles han sido localizados, basta poner los apoyos sobre los paquetes resistentes, tomando además la precaución de distanciarlos al menos 50 cm. para evitar una posible rotura por punzonamiento. En Tenerife los mantos de tobas y cenizas fueron originados por lluvias y coladas piroclásticas ácidas y se extienden sobre todo por el este y sur de la isla, desde Güimar hasta Adeje. Constituyen generalmente mantos masivos o algo estratificados de rocas blanquecinas y ligeras. Se han explotado intensamente como bloques de piedra para pequeñas edificaciones -el llamado "canto blanco"- y se emplean como puzolanas para la fabricación de cementos. b) Las rocas basálticas y los niveles de piroclastos. Las coladas de basaltos se alternan con niveles de picón; el fenómeno es frecuente en las formaciones basálticas antiguas y en los conos recientes. Se trata de materiales granulares, muy porosos, con partículas generalmente comprendidas entre los 2 mm. y los 5 cm. (lapilli), aunque también coexisten con cenizas, más finas, y escorias, más gruesas. Desde un punto de vista geotécnico interesa conocer la disposición de estos materiales y sus propiedades mecánicas. En las formaciones basálticas antiguas las coladas se disponen con ángulos bajos de inclinación, entre 2 y 6° como más frecuente, debido a su gran fluidez original; tienen espesores variables, desde unos cm. hasta una decena de metros, y a veces presentan un diaclasado vertical muy característico. Los niveles de piroclastos se alternan con las coladas de forma repetida y en general tienen menos potencia que éstas, aunque también pueden incluir conos de piroclastos enterrados de dimensiones considerables (figura 2.A). Las formaciones basálticas recientes se disponen en coladas -originalmente muy fluidaso formando conos volcánicos. En los conos pueden predominar las coladas (conos de lavas), y entonces sus perfiles son tendidos, o pueden estar constituidos casi exclusivamente por picón y escorias (conos de piroclastos); aunque sin embargo 10 más frecuente son los casos intermedios: coladas de lava que se alternan con piroclastos y se disponen de forma cónica-radial (figura 2.B). Los piroclastos se comportan mecánicamente como otros materiales granulares, no cohesivos; sin embargo las asperezas de las partículas les dan una resistencia mayor en CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA DEL TERRENO 5 banco, (con ángulos de rozamiento interno 4>=34-37° y cohesión c=l '4-1'8 kg/cm2 ). Una vez removidos pierden la cohesión aparente y pasan a tener ángulos de fricción próximos al ángulo natural de reposo (35°). Su peso especifico seco oscila entre 0'81 y 0'97 Y el real entre 1 '35 Y 1'60 g/cm3; su absorción es, por lo general elevada (25-30 por ciento). Por la textura irregular y picuda de las partículas de picón, en la ejecución de terraplenes se recomiendan tongadas no mayores de 30 cm y una compactación mayor de lo normal; esta es la forma más adecuada de romper las aristas de contacto iniciales y de provocar un asentamiento definitivo. Así se evitan efectos de "colapso" posteriores y la formación de baches en el firme. En estas condiciones admiten cargas de 2'5-5'5 kg/cm2• El soporte estructural de un cono volcánico se debe a los paquetes de coladas. Por esta razón los taludes en general admiten relaciones de pendiente lH:5V, casi verticales, siempre que la socavación de los niveles de piroclastos no los descalce. En el diseño de grandes taludes conviene estudiar la estabilidad del conjunto, pues se pueden deslizar y desprender grandes bloques de roca una vez excavados (figura 3). En este contexto el comportamiento bajo las cimentaciones se deduce fácilmente. Allí donde los apoyos coinciden con los niveles de piroclastos son previsibles asientos importantes bajo zapatas o losas; los efectos sobre la estructura son directos, las zapatas se hunden y las losas trabajan a flexión en esos puntos. Por eso es necesario que el reconocimiento geotécnico que se realice permita reconstruir la estratigrafía lo mejor posible, sobrepasando siempre los niveles de apoyo. En la geología de Tenerife las rocas basálticas y los traquibasaltos -de composición intermedia entre basaltos y traquitasson realmente predominantes, pues constituyen más del 70 % de los materiales que afloran en superficie. En las zonas de la isla donde estas formaciones alcanzan grandes espesores -Macizos de Anaga y de Tenola estabilidad de los conjuntos rocosos depende sobre todo de la continuidad y grado de diaclasamiento de las coladas de basaltos. El descalce y desprendimientos de fragmentos rocosos desde los taludes viene a coincidir con porciones de roca alterada y/o con el predominio de piroclastos; asimismo los mayores desprendimientos suelen coincidir con periodos de precipitaciones intensas. Relacionados con los conos volcánicos, existen suelos y mantos de alteración, que a veces alcanzan espesores importantes (5, 12 m.). Los piroclastos son muy alterables, sobre todo en condiciones climáticas algo diferentes de las actuales; por eso es frecuente encontrar materiales arcillosos, fragmentos de roca y coladas más ó menos continuas. 6 CURSO SOBRE CIMENTACIONES DE HORMIGÓN El comportamiento geotécnico del conjunto depende otra vez de la estratigrafía; y en estos casos conviene tratar los niveles de piroclastos como arcillas y así obtener los parámetros geotécnicos. En la vertiente norte de Gran Canaria estos suelos residuales alcanzan una gran potencia; su granulometría y plasticidad varían en un amplio rango de valores: son frecuentes los índices de plasticidad de 20-23, con Límite Liquido próximo a 45 y Limite plástico entre 15-22 %. El contenido en materia orgánica es alto y varía entre O' 6 Y 2 %; carecen prácticamente de sulfatos y el contenido de carbonatos es bajo «0'5%). En cuanto a sus características resistentes se puede indicar que la capacidad de carga oscila entre media y baja y es del orden de 1-1 '75 kg/cm2• La cohesión es muy variable (0'5-1'5 kg/cm2) y el ángulo de rozamiento interno es algo menor de 30°. En este tipo de suelos la cimentación puede precisar la adopción de medidas especiales, dada la limitada capacidad de carga de los materiales y la profundidad a que se encuentra el substrato rocoso bajo ellos. En los casos más favorables, las cimentaciones son estables trabajando con cargas medias del orden de 1 '75-2'00 kg/cm2• c) Formaciones e intercalaciones sedimentarias. También dentro del substrato rocoso, conviene hacer algunos comentarios sobre las formaciones sedimentarias de la isla de Gran Canaria y citar que no es extraño encontrar, dentro de las formaciones volcánicas, niveles sedimentarios intercalados (epiclasticos). En general, en la evolución geológica de una isla volcánica, se alternan las fases de construcción volcánica y los períodos erosivos. Durante las emisiones volcánicas el relieve se modifica y crece de forma significativa, pues el conjunto de materiales emitidos puede alcanzar grandes volúmenes. Frente a esas fases de construcción del relieve existen períodos de tranquilidad volcánica, durante los cuales los agentes erosivos (principalmente fluviales y costeros, en nuestro caso) se encargan de desmantelar el relieve preexistente. Se forman entonces profundos barrancos, plataformas costeras y un conjunto muy variado de depósitos sedimentarios. Esta es la razón que justifica la aparición de formaciones sedimentarias entre paquetes de coladas volcánicas. La realidad es aún más compleja porque, con cierta frecuencia, mientras en unas zonas de la isla se producían emisiones volcánicas, en el resto del territorio la erosión y los depósitos sedimentarios se daban de forma continuada. ATLANTlC OCEAN N cD 1.- HOLOCENE ALLUVIAL SEDIMENTS. 2.- OUATERNARY BASAL TIC LAVAS ANO PYROCLASTICS 3.- MIOCENE--PlIOCENE BASAL TIC LAVAS 4.- EXTINGUISHED VOLCANOES. 5.- DYKES. A .. A' GEOLOGICAL CROSS SECTIC1N. 500 ¡ O NW 1 lOO i 400 GfOtOOlCAl C.OSS SECTION TROUGtl LA LAGUNA ""UEY lA· A" la.· HOLOCENE LAKE SEDIMENTS. lb.· COLLUVIUM.l e.· ALLUVIUM. 2.- PlIOCENE PYROCLASTIC.3a.· UPPER MIOCENE PYROCLASTICS. 3b· UPPER MIOCENE BASAL TIC LAVAS . Figura 6. Localización y Geología general del valle de La Laguna (González de Vallejo et al., 1981), NW 545 540 555 o 2 lITHOLOGICAL CROSS SECTION THROUGH LA LAGUNA VALLEY SE ---:-:----.-:-...... - ¡ lOO ¡ 400 600 ¡ 100 i LOOO .... 1.- SAN DIEGO FORMATION: Reddish, firm c1avey silts. 2.- LAS MERCEDES FORMATION: Dark brown, firm losoft silty clays. 3.- POZO CABILDO FORMATlON: Greyish blue 50ft elays. 4.- SUBSTRATUM: Basaltic lavas and pyroclartics. MINERALOGICAL CROSS SECTlON THROUGH LA LAGUNA VALLEY 560 ... 555 545 540 535 530 ¡ o NW ¡ 200 ¡ 400 XXXX····· .. ···········KXX· " X )()( .......... "0" .... ,. .... )( x " 1()()( •••••••••• )()(~ "X)( •• ··.······xxllt ~ X X .. .. .. .. .. .... )( )( )1' )( )( )( )( le JI( .. )( )( )( x le )( X )( le .., 1 800 , 1.000 ... SE MINERALOGICAL FACIES: 1.- MONTMORILLONITES. 2.- HALLOYSITES. Figura 7. 3.- MICAS ANO SANIDINES. 4.- SUBSTAATUM. Composición litológica y mineralógica de los sedimentos de La Laguna (González de Vallejo et al., 1981). 14 CURSO SOBRE CIMENTACIONES DE HORMIGÓN Bajo el punto de vista estratigráfico se han distinguido tres formaciones: 1) Formación San Diego (limos arcillosos rojizos); 2) Formación Las Mercedes (arcillas limosas marrón oscuro); y 3) Formación Pozo Cabildo (arcillas gris-azuladas). Los minerales que componen los suelos son montmorillonitas, haloisitas, micas y sanidinas, y su distribución se representa en la figura 7. Respecto a la granulometría la fracción limo oscila entre el 40 y 60 % Y la fracción arcilla entre un 38 y 57%, destacando todas las curvas granulométricas por su gran uniformidad y semejanza dentro de cada grupo. El límite líquido va del 60 al 84%, el límite plástico oscila del 29 al 33 % Y en la carta de plasticidad de Casagrande los suelos se clasifican como CH-MH (arcillas y limos inorgánicos de alta plasticidad) (figura 8a). Los altos valores de resistencia (de 0.6 a 1.3 kg/cm2 ). de resistencia al corte sin drenaje) y baja compresibilidad (Indice de Compresión Cc= 0.13-0.24), frente a la alta plasticidad, fina granulometría y composición mineralógica activa han sido interpretados como debidos a la fábrica del suelo (tipo de agrción de las partículas minerales) la cual está relacionada con la composición mineralógica. La composición mineralógica a su vez está justificada por el origen y las transformaciones que han sufrido los materiales volcánicos; por ejemplo, las haloisitas requieren un ambiente de clima tropical con altas precipitaciones y buen drenaje, mientras que las montmorillonitas se generan en climas tropicales con drenaje deficiente. Por otro lado, la formación de la laguna original, su posterior desecación y las variaciones del nivel freático han conducido a la sobreconsolidación de los niveles superiores de los suelos situados en las zonas centrales del valle. Esto ha afectado considerablemente a la consistencia y resistencia de los citados niveles, de manera que presentan una mayor resistencia en los 4 primeros metros de profundidad (figura 8b). 2 4 E 6 .s:. - Q. • O • 10 CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA DEL TERRENO o 40 Pressures (1( Po ) IZO 160 200 240 Silty cloys Firm silty cloys k'atervol of preconsolidation pressure ____ ~ ')!toter tabl!. __ _ Pr-=onsolidation pressure 50ft clays a.ctive stresses P_trotion resistonee SPT (N) 2 40 60 W t---c !Z Ui e .s:. a • o Undroinec:l sheor strength (KPa ) 15 O 60 IZO 180 240 ~~~ ________ ~ ____________ -L~ l Figura Sa. Influencia de la sobreconsolidación sobre la resistencia de los suelos de La Laguna. 70,----------------- 60 50 o LA LAGUNA ClAYS ® JAVA LATOSOLS (WESLEY 1973) f3\ TROPICAL VOLCANIC ClAYS \:V (NIXON & SKIPP 1957) ~ I 0 KENYA RED CLAYS (NEWIU 1961) ¡ 40r-r- - --1-- ./ ./ ~ 30t--i---- -- ___ __ _1 __ ~~~::;p..L----+___r_~ ----+-------+----------1 ~ ::tt -t ~---+----------i 01 . -;, '\.~~ ---1--1------+---1 o ZO 30 40 50 60 80 90 100 110 lIQUID lIMIT (0'0) Figura 8b. Posición de los suelos de La Laguna en el cuadro de plasticidad de Casagrande en relación de otros suelos tropicales de origen volcánico. 120 16 CURSO SOBRE CIMENTACIONES DE HORMIGÓN e) Depósitos coluvionares. Desde un punto de vista geológico los coluviones son depósitos superficiales de origen gravitacional, propios de las laderas naturales; el término designa desde las acumulaciones de bloques de roca al pie de los taludes naturales, hasta los suelos y las coberteras de alteración sobre formaciones rocosas. Los rasgos más importantes de este tipo de depósitos son la estructura interna caótica y la gran variedad de tamaños en los fragmentos. Estos, dejando a un lado su estratigrafía que llega a ser muy compleja, son fragmentos de roca (por lo general bolos y bloques) con o sin matriz entre ellos. Si existe matriz ésta suele ser gruesa (gravas y arenas gruesas), aunque en ocasiones llega a ser arcillo-limosa debido a procesos de relleno o alteración posteriores. Si estos depósitos coluvionares son de espesor reducido plantean pocos problemas geotécnicos, ya que coinciden con la cobertera de suelo vegetal que se elimina en la ejecución de cualquier obra (figura 9). COMPORTAMIENTO EN TALUD COMPORTAMIENTO BAJO CIMENTACIONES Figura 9. Q ¡ ; ; S Q Q * * * S ¡ ¡ 1 S b. /"\ o '" ~ c. Q- -o ~ .' 1 ~O' :.v· . ;; "0 .. '0° ~ .. - 'O o O' ,01. o \.J_. '" '.(}Qo: . /(J'-:9.o A~O,,' Z] ~';; o,~ ff' :v.·.4· a V.O ... ". TEXTURA TEXTURA =b. MATRIZ ARCILLOSA >20-25% GRANOSOSTENIDA MATRIZSOSTENIDA Disposición y comportamiento geotécnico de los depósitos coluvionares. CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA DEL TERRENO 17 Cuando estos materiales no pueden ser eliminados debido a su gran espesor, los problemas son distintos, sobre todo si entre los fragmentos existe matriz arcillosa o limosa. Si la textura es grano-sostenida, las tensiones se transmiten a través de los fragmentos y el conjunto presenta gran resistencia, comportándose como una escollera. Cuando la textura es matriz-sostenida, la resistencia del conjunto se debe a la matriz; y si esta matriz tiene porcentajes de arcillas-limos elevados (> 20-25 %) su comportamiento geotécnico es el propio de materiales cohesivos, con asientos previsibles y susceptibles de hinchamiento. En cuanto a los taludes ejecutados en estos materiales, la disposición de los lóbulos originales del depósito influye directamente sobre la estabilidad, pues los contactos entre ellos son superficies proclives al deslizamiento. El caso extremo se encuentra en zonas ya previamente deslizadas, como ocurre en la depresión de Tirajana en Gran Canaria; el deslizamiento de Rosiana, por ejemplo, se ha activado al menos en cuatro fechas históricas (1879, 1921, 1923 y 1956) Y así 10 indican los rasgos que han dejado en el terreno yen las construcciones de la zona (figura 10). En 10 referente a las cimentaciones, los comportamientos anómalos se deben a la heterogeneidad de estos depósitos; es conveniente, por tanto, que el estudio geotécnico describa la disposición interna de los lóbulos y que también determine la existencia o no de matriz arcillosa, para asegurar que no se produzcan asientos diferenciales de importancia. -.. • ~ ~III . /, , ...... , .. ... ~ , • , " ... ~...... cicatriz superior. C· 815 . pk.S2 • S.SW. I ~ ~ , cicatrices secundarias. ~J Masas deslizadas y ~J dirección de avance. SECCION CERCANA AL PUENTE S. 800 7110 i 8!5!5m. 700 CASAS CORRIDAS 850 COWVIONES ARCILlOSOS CTRA.DE EL MORISCO .• p;j"'/ T ..... Q.q; .. ",... . .,.,. .:..a,.;.~.2. -- GC-815 ESTANQUE CTRA.DE DE LOS STA.LUCIA BETANCORES POZO T ~. \" ~ ~~.-- SJ:'·~/ '-. 0';"'- . · .• ~[~~~;:::::í:~:Jl~~~~::::~;:;:;:~~r=.'§D;jJ. 'rr-:' ,r-II •• •. '11 . __ '0' ~-'- .:. '-: lE' _. -' ,!. - ..... eco. DE 600 TI RAJANA . . . ...,;.-:- Q • • :..s' ~ I . . ~ "g .. ~ .. ~ _ ... '- - - - - - , . ..... _.0 . ..:_.:. ---- '-_ ... ..:_~J __ -- l150m. S ECCION PRINCIPAL Figura 10. Disposición en planta y secciones del deslizamiento de Rosiana de 1956. N.NE. N. .- 00 CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA DEL TERRENO 19 2. RECONOCIMIENTO GEOTÉCNICO DEL TERRENO. El problema geotécnico tal como habitualmente se plantea, consiste en proyectar la cimentación más funcional y económica para un edificio, teniendo en cuenta la naturaleza del terreno, de manera que se consiga una seguridad suficiente y unas deformaciones o asientos compatibles con las tolerancias de la estructura. Aunque en algunos casos la resolución de una cimentación resulte trivial, en otros muchos da lugar a un proceso relativamente complejo en el que se deben integrar numerosos factores para llegar a una solución correcta. En los casos más complejos se suceden las cuatro fases siguientes: 1°) Realización del estudio geotécnico, 2°) Definición de las condiciones de cimentación, 3°) Diseño y proyecto de la cimentación, y 4°) Ejecución y control de la cimentación. En este sentido, es preferible realizar el estudio geotécnico en fase de anteproyecto. El interés de un conocimiento previo de la naturaleza del terreno para las actividades de edificación es una cuestión que está generalmente admitida. Por un lado han existido accidentes muy graves y costosos motivados por una cimentación deficiente o inadecuada; además, la importancia de los edificios es cada vez mayor, y se justifican inversiones apreciables en estudios del terreno. Las campañas de reconocimiento del terreno se enmarcan dentro de Estudios Geotécnicos de diferente alcance, pero siempre se debe llegar a un compromiso entre la información necesaria y los costes de las prospecciones y ensayos. Hay diversas formas de proceder en la realización de Estudios Geotécnicos; normalmente se diferencian dos tipos: 1°) los Estudios de Evaluación Geotécnica, que sirven para determinar las características generales del terreno en áreas extensas, y 2°) Estudios Geotécnicos para Edificación, que tienen por objeto determinar la naturaleza y propiedades geotécnicas del terreno para el proyecto de una construcción concreta. En la figura 8 se muestra el procedimiento general empleado en la realización de los Estudios Geotécnicos. Para ajustar adecuadadamente un estudio geotécnico es muy eficaz realizar un reconocimiento previo del terreno, estudiar las características del proyecto y planificar los reconocimientos y ensayos necesarios; el resultado de esta fase previa es la elaborac.ión de un presupuesto que, obviamente, será distinto en cada caso. A partir de entonces el estudio geotécnico atraviesa diferentes etapas, cuyo fin es determinar los niveles de apoyo más favorables en función de la estructura a soportar y definir la tipología o tipologías de cimentación más adecuadas. 20 CURSO SOBRE CIMENTACIONES DE HORMIGÓN Estas son las cuatro fases fundamentales: ¡a) la campaña de reconocimientos, 2a) los ensayos de laboratorio, 3a) la integración de los datos de campo y laboratorio, y 4a) el encuadre de la cimentación. Cada una de ellas engloba una serie de tareas, que se detallan en la figura 11. La calidad de un informe geotécnico depende en gran medida de la realización de estas tareas; la información obtenida facilita la aplicación directa de los resultados en el proyecto de la cimentación. Así por ejemplo, cuando un informe incluye pediles geotécnicos a la escala adecuada y secciones del terreno con la cimentación ya dimensionada, las tareas posteriores de diseño de la cimentación y ejecución de la obra se facilitan bastante. No existen reglas fijas para determinar, sin un reconocimiento previo, el coste de un estudio geotécnico; depende mucho del tipo de proyecto y de las caracteósticas del terreno. En obras de cierta envergadura se suele reservar del 0'5 a12% del presupuesto de ejecución material para informes geotécnicos. En los edificios de tipo A (5 a 20 millones de presupuesto total) las cantidades que resultan de estos porcentajes son realmente insuficientes. En los edificios de tipo B (20 a 100 millones de presupuesto) resulta adecuado eI2%. Por último, en los de tipo C (más de 100 millones) suelen oscilar entre el 0'5 y el 2%. Como es lógico, las edificaciones de mayor presupuesto total absorben mejor las cantidades destinadas a estudios específicos. CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA DEL TERRENO RECONOCIMIENTO PREVIO - PRESUPUESTO. 21 RECONOCIMIENTO PREVIO DEL TERRENO ---.~ ESTUDIO DEL --l." PLANIFICACION PROYECTO DE LOS RECONOCIMIENTOS -....¡.~ PRESlPUESTO DEL ESTIDIO GEOTECNICO. ESTUDIO GEOTECNICO CAMPAÑA DE ~ RECONOCIMIENTOS ! LEVANTAMIENTO DE COLUMNAS DE SONDEO + ENSAYOS IN SITU + MUESTREO ENSAYOS DE LABORATORIO ! DESCRIPCION DE LAS MUESTRAS + ENSAYOS DE LABORATORIO + REPRESENTACION DE RESULTADOS • INTEGRACION ~ ENCUADRE DE LA DE LOS DATOS CIMENTACION DE CAMPO Y DE LABORATORIO ! ! PERFILES NIVELES DE APOYO GEOTECNICOS FAVORABLES EN F. DEL TERRENO TIPOLOGIAS + + DEFINICION DE RECOMENDACIONES LAS PROPIEDADES PARA LA GEOTECNICAS EJECUCION + DEFINICION DE LAS SECCIONES DE TERRENO - CIMENTACION. ! CONTROL DE OBRA Figura 11. Procedimiento general empleado en la realización de los Estudios Geotécnicos. 22 CURSO SOBRE CIMENTACIONES DE HORMIGÓN 3. ALGUNOS TERRENOS PROBLEMÁTICOS. Los tres apartados siguientes son de importancia tal que merecen un tratamiento monográfico. Se apuntan aquí tan sólo algunos conceptos de interés de cada uno de ellos. 3.1. CIMENTACIONES EN ARCILLAS. El comportamiento de las arcillas como terreno de cimentación ha sido extensamente estudiado por diversos autores (Terzaghi, 1925; Skempton-Bjerrum, 1957; Lambe, 1964); se han llegado a desarrollar los métodos adecuados para el cálculo de los asientos en este tipo de materiales a partir de las teorías de consolidación de las capas de arcilla de Terzaghi-Frolich. Mientras que en los terrenos granulares los asientos se producen casi simultáneamente con la aplicación de las cargas y son en general asientos de reducidas dimensiones (el asiento total se alcanza poco después· de construirse el edificio), en los terrenos arcillosos además del asiento inmediato, se producen asientos importantes por consolidación a lo largo del tiempo, especialmente si se trata de arcillas saturadas. Las características principales de las arcillas son tres: su gran compresibilidad que genera asientos elevados, su consolidación lenta, y la capacidad de hinchamiento por aumento de la humedad o por disminución de las cargas. a) Cálculo de asientos. Los métodos más generalizados en el cálculo de asientos son el método edométrico y el método elástico. El método elástico tiene la ventaja de considerar la deformación tridimensional del terreno y es de rápida aplicación; sin embargo, requiere determinar los parámetros elásticos con cuidado y no permite relacionar los asientos con el tiempo. El método edométrico (figura 12) parte de los resultados obtenidos de los ensayos edométricos y permite obtener los asientos para diversas cargas, a partir de distintos parámetros, la curva edométrica y las curvas de consolidación. Introduciendo los datos del terreno (tensiones efectivas iniciales, espesor de la capa y tipo de drenaje) y de las cargas, se obtiene el asiento total, el tiempo de consolidación y la curva de asientos de la cimentación-tiempo. CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA DEL TERRENO 29 a.ADOSADOS b. CONFINADOS c. EXENTOS EN ABANICO N.M. y RELLENOS OCULTOS ESCOLLERAS Figura 1':1. Morfología y disposición interna de distintos tipos de rellenos. RELLENOS A MEDIA LADERA .. MEJORADOS" Cuando se trata de una zona con vertidos continuados se llegan a formar auténticos terraplenes; y en sección las tongadas se disponen mas o menos paralelas entre si pero oblicuas respecto a la superficie. En estos últimos casos, a la heterogeneidad propia de estos rellenos se suma una disposición que favorece la inestabilidad del talud resultante. Con frecuencia los depósitos de relleno están ocultos y han sido terraplenados en superficie sin un tratamiento previo; la suave morfología externa no permite suponer las irregularidades internas y su desigual comportamiento geotécnico. Cascotes de diferentes tamaños, montones de arenas y gravas, y residuos urbanos de diversa naturaleza se entremezclan sin obedecer a pautas fijas. La heterogeneidad de los rellenos implica que su reconocimiento geotécnico es mucho más difícil y problemático que en el caso de terrenos naturales. 30 CURSO SOBRE CIMENTACIONES DE HORMIGÓN La investigación mediante sondeos es costosa y da poca información, aunque sirve para alcanzar el substrato, localizar el nivel freático y detectar si el vertedero también contiene componentes agresivos o restos orgánicos. Los penetrómetros, aptos para materiales granulares, no suelen pasar salvo en rellenos muy flojos y las pruebas de carga reflejan un comportamiento que puede ser diferente de punto a punto. La mayor información se suele conseguir mediante catas profundas y excavaciones, a veces con maquinaria de pilotes. Un procedimiento adecuado consiste en reconstruir, en la medida de lo posible, el contorno en planta de los rellenos y luego localizar el substrato en diferentes puntos mediante sondeos y/o métodos geofísicos. Cuando se trate de áreas extensas, es conveniente un primer estudio geotécnico de evaluación, que permita determinar las características y la morfología del conjunto del depósito. Otro tipo de rellenos artificiales, corresponde a las zonas con pedraplenes o terrenos ganados al mar por vertido de escolleras o materiales de cantera. Estos rellenos suelen tener una compresibilidad elevada y muy variable, de unos puntos a otros, lo cual hace aconsejable evitar la cimentación directa. Sin embargo, la ejecución de pilotes tropieza con grandes dificultades ya que no es posible hincar pilotes prefabricados, y tampoco se pueden atravesar los bloques de roca con las máquinas convencionales. En el reconocimiento del terreno no se puede obviar la naturaleza de los materiales del substrato y conviene atravesarlos para reconstruir su disposición interna, sobre todo si la parcela se encuentra cerca del borde de la escollera. En el caso de que se proyecten pantallas, antes de iniciar la excavación conviene comprobar en el reconocimiento la continuidad lateral y espesor de los materiales que servirán de apoyo. Esto permite evitar, o al menos prever, eventuales problemas durante la ejecución, que pueden retrasar la obra y encarecerla. Por 10 general los rellenos artificiales gruesos requieren estudios geotécnicos detallados y diseñar la cimentación de acuerdo con los materiales. Las soluciones de cimentación más frecuentes son: a) la mejora del terreno mediante inyecciones, compactación dinámica, vibroflotación, etc., colocando después una losa suficientemente rígida; b) la sustitución completa del material cuando su espesor no es muy grande; o c) la ejecución de pilotes, perforando a rotación con maquinaria especial, o la ejecución de numerosos micropilotes que tienen mayor facilidad para atravesar obstáculos. CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA DEL TERRENO 31 3.3. TERRENOS CON NIVEL FREÁTICO CERCANO. Los niveles freáticos altos constituyen un factor de gran importancia en el proyecto y ejecución de cimentaciones; sus efectos están asociados a la naturaleza del terreno y en particular a su permeabilidad. a) Influencia en diferentes terrenos. El agua influye especialmente sobre tres tipos de terrenos: * Suelos arcillosos blandos. La saturación del terreno por el agua freática les confiere una consistencia blanda o fluida y esto da lugar a una resistencia baja, que permite presiones de trabajo muy pequeñas, y a problemas de estabilidad en los taludes y fondo de excavaciones. La fluencia lateral de los taludes puede producir asientos y deformaciones en los edificios adyacentes, siendo necesario recurrir al empleo de pantallas, que se deben calcular para fuertes empujes. * Suelos arcillosos duros y consolidados. La presencia del nivel freático provoca pequeños caudales de agua hacia las excavaciones, generalmente a través de lisos y fisuras, sin llegar a afectar a taludes moderados o a la capacidad portante del terreno. Sin embargo se debe tener en cuenta que la posición del nivel freático suele marcar una zona de menor resistencia, generalmente en una franja de 1-2 m. de espesor. Es importante evitar esta zona, quedándose por encima o por debajo de la misma; es frecuente que por profundizar demasiado en busca de un terreno más firme implique un brusco empeoramiento de las condiciones de cimentación al alcanzar el nivel freático. Por el contrario en el caso en que estos suelos presenten características de expansividad, cuanto mayor sea la proximidad al nivel freático menor será el riesgo de cambio de volumen; con todo es necesario llegar a un compromiso entre esta condición y el riesgo de reducción de la capacidad portante. * Suelos arenosos. Debido a su elevada permeabilidad se debe evitar tener que cimentar bajo nivel freático. Si ello resulta necesario (por ejemplo, para construir sótanos) se impone la cons- 32 CURSO SOBRE CIMENTACIONES DE HORMIGÓN trucción de un recinto estanco (pantallas, tablestacas, etc.) y un agotamiento del agua que puede penetrar por el fondo. Si existiera riesgo de sifonamiento habría que lograr rebajar el nivel mediante pozos, zanjas drenantes, etc. Las oscilaciones de los niveles freáticos pueden ser importantes en estos suelos debido a su permeabilitdad y, por tanto, es aconsejable una determinación precisa de los mismos. La cimentación se debe colocar bien por encima del nivel máximo posible o claramente al ras del nivel más deprimido, con el fin de evitar que la inmersión posterior del terreno en la zona de influencia de las cimentaciones de lugar a fenómenos de colapso o asientos bruscos. Otros problemas derivados de la influencia del agua (por flujo permanente, filtraciones o por la cercanía del nivel freático) se producen por el lavado de las fracciones finas en terrenos granulares, que provoca asentamientos importantes e incluso el descalce parcial de la cimentación; este fenómeno es frecuente en terraplenes y en zonas mal compactadas en la periferia de edificios. Por otro lado, la existencia de limos en el terreno, favorece que el influjo del agua produzca tubificaciones por erosión interna y en ocasiones fenómenos de colapso al llegar a la saturación. b) Influencia en taludes y cimentaciones. En el cálculo y diseño de taludes la posición relativa del nivel freático es una cuestión de suma importancia. Los niveles freáticos altos inciden negativamente en la estabilidad, pues propician acciones diversas (disminución de las propiedades resistentes, cambios de consistencia en el material, sobrecargas debidas al peso del agua y aumento de las presiones intersticiales) que reducen el factor de seguridad del conjunto. Por otro lado, el control de los niveles freáticos mediante sistemas de drenaje ha resultado ser uno de los métodos más eficaces para estabilizar laderas y evitar los deslizamientos. Respecto a las cimentaciones, la acción más directa se traduce en empujes hidrostáticos sobre los muros de sótano y subpresiones sobre las obras de cimentación. En este sentido, a partir de los datos obtenidos del reconocimiento geotécnico, se pueden realizar cálculos y comprobaciones encaminadas a que el diseño y el programa de ejecución de la cimentación se ajuste lo más posible a la realidad del terreno. CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA DEL TERRENO 33 Para ello se han de considerar una serie de -cuestiones teóricas importantes, algunas de ellas triviales, que se relacionan a continuación: lOEn el cálculo de las tensiones del terreno, los pesos específicos por debajo del nivel freático han de tomarse en su estado sumergido (y sum) y por encima del mismo en su estado húmedo (y'). Se ha de considerar también la variación de las tensiones debidas al flujo del agua. 20 En caso de existir variaciones importantes en el nivel freático, se debe trabajar con el rango de subpresiones correspondiente y no con un valor único. Su acción bajo la estructura se debe considerar en las distintas fases de construcción del edificio. 3 o Cuando sea necesario el agotamiento del agua durante la excavación es conveniente comprobar la seguridad frente al sifonamiento si se atraviesan arenas o limos; y la seguridad frente al levantamiento de fondo si las pantallas o tablestacas se empotran en arcillas. 4 o Cuando se trata de obtener un recinto estanco para deprimir después el agua de la excavación, resulta práctico calcular primero el gradiente hidráulico y el caudal de filtración que se producirá. 50 Si está previsto empotrar una pantalla bajo el nivel freático, considerando como nivel de apoyo una capa de terreno resistente y/o impermeable, conviene conocer bien el espesor y la continuidad lateral de dicha capa. Estos procedimientos permiten trabajar con mayor seguridad en el cálculo de la estructura del edificio y también advertir con antelación los problemas que habitualmente se generan en la ejecución de obras bajo el nivel freático. c) Reconocimiento del nivel freático. En los reconocimientos del terreno normalmente se localiza la posición del nivel freático haciendo medidas del nivel piezométrico en los sondeos. En los casos más favorables, de nivel freático general profundo, basta comprobar durante la perforación si existen aportes naturales de agua (acuíferos colgados) o aportes provenientes de conducciones enterradas rotas, para tomarlos en consideración si estos tienen cierta entidad. Cuando el nivel freático está próximo a la superficie, o se preve que pueda alcanzar la cota de cimentación, es necesario hacer medidas con posterioridad. Para ello se instalan tubos piezométricos aprovechando los sondeos realizados. 34 CURSO SOBRE CIMENTACIONES DE HORMIGÓN Si el nivel freático está influenciado por el nivel del mar cercano se pueden hacer distintos tipos de registros en los sondeos. Las medidas mensuales permiten evaluar la influencia de las épocas de mareas vivas o muertas; y las medidas horarias reflejan la influencia de los períodos de marea alta-marea baja. La influencia del mar en una excavación será mayor o menor dependiendo de la proximidad a la costa y sobre todo de la permeabilidad del terreno. Las mareas se manifiestan en el terreno produciendo subidas y bajadas en el nivel freático aunque con cierto retraso; en ocasiones se reproducen en toda su amplitud en el interior de las excavaciones. Estas fluctuaciones van acompañadas además de corrientes de flujo y reflujo, tambien cíclicas, que en las excavaciones abiertas producen el arrastre e inestabilidad de los materiales granulares (arenas, gravas finas y limos) y otros fenómenos asociados debidos a la presión del agua. Cuando está prevista una excavación que sobrepase el nivel del mar es muy conveniente obtener las variaciones de altura del agua que se producirán en la misma. Mediante un plan de medidas y con un análisis adecuado de los datos registrados se pueden obtener el intervalo de alturas de agua que aparecerá en la excavación y el rango de subpresiones que actuará bajo la cimentación. En ocasiones, no es posible mantener los piezómetros con la obra iniciada y las medidas resultan incompletas. Sin embargo, no se deben desestimar este tipo de medidas pues la información que se obtiene es importante cara a la ejecución de la cimentación y también cara al mantenimiento posterior del edificio (filtraciones, eflorescencias, ambiente salobre en los sótanos, etc.) Si el nivel freático está influenciado por la recarga del terreno debido a las lluvias, el registro de los niveles piezométricos se debe hacer de acuerdo con las estaciones climáticas. En ocasiones, la existencia de un acuífero profundo más o menos permanente se alterna con la presencia de acuíferos más superficiales de carácter periódico. En resumen, la caracterización geotécnica del terreno debe tener en cuenta la variabilidad natural de los materiales, una "filosofía" adecuada en la planificación de los reconocimientos y de los ensayos, y siempre requiere un tratamiento específico de los terrenos problemáticos. CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA DEL TERRENO 35 BIBLIOGRAFÍA: FUSTER, 1.M. Y otros (1968). 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