TEMA: PROBLEMAS DE SUELOS EN OBRAS DE INGENIERÍA CIVIL

Introducción.- En el presente trabajo de investigación es acerca de problemas de suelos en obras de ingeniería civil, el tema es bastante grande, sin embargo se hará desde distintos puntos de vista: acerca de obras terminadas en la que se producen averías por defectos en las fundaciones, obras en construcción en las cuales se producen fallas de fundaciones que se corrigen sobre la marcha, algunos casos históricos y bien conocidos de fallas de fundaciones y la forma en que se encuentran actualmente.

Todas las obras de ingeniería civil se apoyan sobre el suelo. De una u otra forma, y muchas de ellas, además, utilizan la tierra como elemento de construcción para terraplenes, diques y rellenos en general; por lo que, en consecuencia, su estabilidad y comportamiento funcional y estético estarán determinados, entre otros factores, por el desempeño del material de asiento situado dentro de las profundidades de influencia de los esfuerzos que se generan, o por el del suelo utilizado para conformar los rellenos.Si se sobrepasan los límites de la capacidad resistente del suelo o si, aun sin llegar a ellos, las deformaciones son considerables, se pueden producir esfuerzos secundarios en los miembros estructurales, quizás no tomados en consideración en el diseño, lo cual a su vez producirán deformaciones importantes, fisuras, grietas, alabeo o desplomos que pueden producir, en casos extremos, el colapso de la obra o su inutilización y abandono. En consecuencia, las condiciones del suelo como elemento de sustentación y construcción y las del cimiento como dispositivo de transición entre aquel y la supraestructura, han de ser siempre observadas, aunque esto se haga en proyectos pequeños fundados sobre suelos normales a la vista de datos estadísticos y experiencias locales, y en proyectos de mediana a gran importancia o en suelos dudosos, infaliblemente, al través de una correcta investigación de mecánica de suelos.

La Torre de Piza

Un ejemplo famoso de falla de fundaciones es el de la Torre de Pisa, además de ser un monumento de gran valor artístico, es un símbolo del país. La inclinación que presenta ha despertado mucha curiosidad desde sus inicios (durante la construcción ya incitaba inquietud a los lugareños y visitantes). Las causas del movimiento de la torre se desconocen, hay varias teorías en torno a ella y las intervenciones que se le han hecho para evitar que siga inclinándose e inclusive para enderezarla (hoy en día no se busca enderezar, sólo evitar el aumento de la inclinación) son muy numerosas.

Sin embargo, recientemente se aplicó unos nuevos trabajos en la Torre que garantizan que la inclinación no seguirá tomando cuerpo. Pero se mantienen las interrogantes referentes a las causas de la torsión.

La construcción del campanario para la catedral de la ciudad toscana de Pisa se encargó al arquitecto Bonanno Pisano hacia el año 1173. Este se propuso erigir un campanario en forma de columna y  separado de la iglesia. No obstante, muy pronto se observó que los cimientos de la torre eran demasiado débiles, lo cual provocó que empezara a inclinarse (en un primer momento se ladeó unos 5 cm. hacia el sudeste) tras la conclusión de los primeros tres pisos.

La causa del torcimiento de la obra era el inestable subsuelo sobre el que se estaba levantando la torre. Pisano temió que su fama de arquitecto se viera afectada y mandó parar las obras.

Casi 100 años más tarde, Giovanni di Simone se arriesgó a reanudar la edificación e intentó compensar la inclinación de la torre construyendo verticalmente los cuatro pisos que faltaban. Las consecuencias fueron catastróficas, pues el campanario seguía inclinándose.

ARCILLA BLANDACOMPRESIBLE Y ARENA

ARCILLA COMPRESIBLE

ARCILLA DURA ARENA

ARCILLA

ARENA SATURADA CON AGUA

Di Simone se dio cuenta de su error y ordenó detener de nuevo las obras por más que el lugar donde debían colocarse las campanas no estuviera construido. En 1298 se midió una desviación de la plomada de 1,43 m, y en 1360 esta cifra ya había aumentado a 1,63 m. Con todo. Tommaso Pisano se decidió a continuar la construcción del campanario y a terminar la obra. Para ello, dispuso el claro de forma vertical sobre el edificio inclinado. En 1372, la torre del campanario quedaba lista para su inauguración.

En los siglos sucesivos, la inclinación de la torre se ralentizó. Se supone que el peso de la misma —unas 14.500 toneladas— terminó por compactar el suelo, lo cual permitió cierta estabilización del edificio. En el año 1835, el arquitecto Alessandro Gherardesca realizó un primer intento de rehabilitación; para ello eliminó el blando suelo lodoso y lo sustituyó por una base de mármol.

En 1350 la inclinación era de 1,40 metros, en 1817 de 3,80 metros y en 1993 de 4,47 metros. Tras las obras la inclinación de la torre retrocedió a los 4,10 metros en 2001 y de ahí a los actuales 3,99 metros.

El resultado fue desatroso, ya que en lugar de proporcionar mayor solidez a la torre, la acción de Gherardesca provocó un nuevo ladeo. En 1918, la desviación de la plomada eta ya de 5,1 tn. Hasta 1990, la inclinación de la torre fue aumentando de 1 a 1,2 mm. anuales. Ante la imposibilidad de revertir esta situación y por motivos de seguridad, el símbolo de la ciudad Pisa fue cerrado a los visitantes el 7 de enero de 1990.

El gobierno italiano ha emprendido numerosas medidas para la conservación de este singular monumento. Así, en los años 1994 y 1995, se colocaron en la parte norte de la torre 690 toneladas de plomo en forma de barras y a modo de contrapeso; su fijación se realizó mediante la inserción de una serie de anclas enterradas en el suelo, a 40 m.

de profundidad. Hasta el momento, la medida funciona, por lo que se ha podido detener la inclinación de la torre. Por el contrario, otros intentos de estabilización, corno inyecciones de hormigón en los cimientos o la congelación del suelo, han resultado un fracaso. En 1998, se aseguró la parte norte de la torre mediante dos cables de acero de 100 ni de largo y 4 toneladas de peso cada uno.

La torre tiene 55 metros de altura, pero sus cimientos sólo tienen 3 de profundidad. Inmediatamente después de que se empezara a construir, el suelo empezó a ceder. Eso ocurrió en 1173, y desde entonces el suelo ha estado cediendo lentamente

Los arquitectos e historiadores del arte se llegaron a abandonar la torre a su suerte. Entre el mes de febrero de 1999 y junio de 2001 se puso en práctica una nueva técnica. En los cimientos de la parte norte se insertaron una serie de tubos que debían permitir la extracción de 30 toneladas de tierra con la máxima seguridad y, a continuación, enderezar la columna unos 50 cm. La nueva técnica dio unos resultados magníficos, de manera que en la actualidad la torre presenta una inclinación moderada, aproximadamente la que tenía hace unos 250 años. A pesar de que es posible que nunca "adopte" la posición vertical por completo, su situación actual puede considerarse como absolutamente estable.

El "paciente" está friera de peligro y podrá sobrevivir sin problemas durante los próximos 2000300 años. El 16 de junio de 2001, se abrió de nuevo el acceso al público, ya que no existe riesgo alguno en la subida a este campanario de 55 ni de altura. Incluso las siete campanas pueden volver a repicar.

Problemas cuando existen terrenos de mala calidad o con rellenos heterogéneos.- a veces analizamos más conveniente proyectar fundaciones sobre plateas de hormigón.

Se estudia el terreno en cuanto a la posibilidad de que se produzcan asientos diferenciales, lo cual deberá relacionarse con la posibilidad de que la platea pueda resistirlos, que a su vez depende de la extensión de la platea y de su resistencia a esas deformaciones diferenciales. También debe considerarse si la estructura del edificio sobre ella pudiese colaborar a resistir.

Es así que ha habido casos de edificios terminados que luego han debido ser desalojados por las grandes averías estructurales para que los ocupantes y la misma estructura no sufran daño que al tiempo se produjeron. Se corrigió posteriormente el problema general reforzando la estructura del edificio para que el conjunto de la platea y la estructura del edificio pudieran soportar las solicitaciones parásitas provocadas por las flexiones y torsiones de la platea de fundación.

Problemas de fundación.- que se han producido en edificios, se refieren a defectos en los patines o los pilotes.

En fundaciones directas.- pueden ser debidas al mal cálculo de los patines, a tener más carga que las tensiones admisibles del suelo al nivel de fundación, o por mal proyecto de los patines, que se perforaron por punzonado. Un ejemplo pueden ser: el Palacio de Bellas Artes México

Así, en Punta del Este un edificio se hundió enteramente al fallar por punzonado el apoyo de los pilares en los patines.

Es curioso observar como un edificio se puede hundir sin perder su forma, lamentablemente por una falla evitable teóricamente.

A veces hay hundimientos provocados por la lenta consolidación de todo el entorno de un edificio, como sucede en la ciudad de México.

Aquí se ve una imagen, el Museo de Bellas Artes de México, en donde el descenso en la calle de acceso y de todo el edificio alcanza a 3 metros.

En fundaciones indirectas.- con pilotes, en ocasiones se producen fallas, por distintas causas.

Para una rápida descripción de algunas de esas fallas veremos algunas fotografías de pilotes que fueron expuestos a la vista por excavación en estructuras que presentaron averías.

Discontinuidades por cortes de llenados

Armaduras sin recubrimiento por malla muy cerrada y hormigón muy seco

Pilote mal llenado por invasión de barro.-

Algunas veces la falla no es de la propia estructura de la fundación, sino del comportamiento hidrodinámico de su entorno.

Se conoce que la circulación del agua, si supera una cierta velocidad que es función de la naturaleza de cada capa del fondo, levantará y llevará en suspensión los granos del suelo que constituye ese fondo. Esa cierta velocidad es la velocidad crítica asociada a cada tipo y consistencia de ese suelo.

Por lo tanto, si en creciente se supera la velocidad crítica del material de fondo, éste se socavará, es decir, se levantará ese material hasta una profundidad que técnicamente se puede calcular en función de las capas de los distintos tipos de suelos existentes, a veces hasta llegar a la roca.

Siempre existe una profundidad de equilibrio. Una vez determinada esa profundidad, o cuando se produce en realidad una socavación, ese nivel debe haberse previsto en el proyecto.

Si se hubiera superado esa previsión, podría socavarse una fundación directa descalzándola de su apoyo, o una fundación con pilotes perderá al menos una parte de su resistencia al perder longitud de fricción.

Presentamos una socavación debida a estas razones hidráulicas en un puente de 5 tramos de 33 metros de luz en EE.UU. en una autopista entre Nueva York y Búfalo sobre el arroyo Schoharie, donde dicha socavación provocó la destrucción de la superestructura. Ello provocó la caída de varios vehículos y la pérdida de vida de 10 personas.

la naturaleza.- Hacemos referencia al caso de puentes, en donde la estructura no sólo debe resistir las cargas permanentes y sobrecargas, sino que además debe soportar otros efectos, y entre ellos uno muy importante es el del comportamiento geológico del cauce con respecto a la corriente del agua y su relación con el diseño de la fundación del puente.

Se conoce que la circulación del agua, si supera una cierta velocidad que es función de la naturaleza de cada capa del fondo, levantará y llevará en suspensión los granos del

La socavación se produce en todo el cauce, pero posteriormente se restituye en parte o en todo lo socavado, cuando la creciente disminuye, el flujo de agua se enlentece, y al disminuir su velocidad por debajo de la crítica del material que lleva en suspensión, el material se deposita manteniendo un equilibrio del cauce, en una profundidad que depende del tipo de fondo, y de la ubicación con respecto a la de las pilas del puente.

En correspondencia con las pilas del puente el proceso es distinto al de la generalidad del cauce. Allí se forman turbulencias, remolinos, que aceleran las velocidades locales y se produce una mayor socavación que en el resto del cauce.

En el dibujo aquí mostrado se esquematiza este fenómeno indicando que en el lugar donde choca el agua contra la pila se producen mayores turbulencias aguas arriba que aguas abajo, y por eso, en general, la socavación es más intensa aguas arriba de la pila que aguas abajo.

En elevación En planta

También eso se mostraba en el dibujo del Puente anterior de EE.UU. en donde la socavación mayor estuvo en puntos aguas arriba de las pilas.

Esto produce un fenómeno que, a primera vista parece curioso, pero sin embargo es lo lógico. En la foto de abajo se observa un puente en el que se produjo una fuerte socavación en la parte de aguas arriba en una de las pilas. Por ese motivo el puente se quebró y la pila se inclinó hacia el lado aguas arriba, es decir desde donde, además de

la socavación, se aplicaban fuerzas de la corriente hacia el lado contrario de la inclinación.

Estos fenómenos de socavación son una de las causas más frecuentes de fallas en otros casos.

A veces, estos fenómenos de socavación están asociados a procesos constructivos aún no terminados. Es el caso que se describe a continuación en una carretera que cruza dos cauces de un mismo arroyo.

Uno es el cauce principal. El otro es un cauce secundario que sólo recibe caudal cuando viene una creciente en el cauce principal, aumenta la cota del agua hasta que desborda en el cauce secundario y entonces corren los dos en proceso de creciente. El segundo es lo que se llama un sangrador.

El esquema de ambos perfiles de los cauces se observa en la figura adjunta.

Ambos cauces están separados 900 mts. sobre la ruta.

La primera etapa del proceso constructivo fue hacer solamente un puente en el cauce principal. Ello provocó, en una creciente, altas velocidades de flujo que provocó una socavación mayor que la prevista y el descalce de un pilote en la ubicación cercana al estribo que es la más expuesta en ese sentido.

Se decidió reparar el puente demoliendo esos tramos y posteriormente proveer de otro puente en el sangrador, con lo cual se mejoró el comportamiento hidráulico del conjunto.

Cedimiento de pilotes fue en este otro puente. Falló una pila, y la superestructura se quebró como se ve en varias de las fotos adjuntas.

Silos de Transcona en Canadá

Pasando a casos famosos de fallas de fundaciones recordamos el de los silos de Transcona en Canadá, recién terminados en 1913.

Se observa una torre con sala de máquinas, y los silos que tienen una altura de 31 mts. sobre una losa de fundación de 60 cms de espesor y un área de 23.50 x 59.00.

Se calculó una tensión de apoyo de 3 Kg/cm2.

Debajo de la fundación existe un manto de arcilla de 12 metros de espesor.

Poco después de construidos los silos, se hundieron aproximadamente un metro, produciendo los conocidos levantamientos a ambos lados de la construcción.

Se reforzó el terreno circundante con pilotes de 18 mts. de longitud que se hincaron hasta anclarse en un terreno más resistente.

A pesar de la medida tomada, cuando casi se llenaron los silos con granos se produjo primero un asentamiento vertical y en 24 horas alcanzó un ángulo de 25º. Los silos sin embargo no se averiaron mayormente. La torre de máquinas se mantuvo en su posición.

Dado este resultado se decidió enderezar los silos. Se vaciaron de granos los silos a través de agujeros y luego se procedió con gatos hidráulicos sobre pilotes apoyados en la roca, y ayudados por gatos de tornillo apoyados sobre andamiajes exteriores. Los pilotes fueron de 1.20 y 1,50 mts. de diámetro, construidos con camisas de acero y rellenos con hormigón hasta cierta altura.

En el interior de las camisas de acero se colocaron tacos de madera dura sobre los cuales se apoyaron gatos que gradualmente fueron levantando los silos de manera de ponerlos verticales.

Los tacos se iban retirando o colocando gradualmente, recuperando la carrera de los gatos hasta lograr la horizontalidad de la fundación, y por lo tanto la verticalidad de los silos.