¿Por qué se dice que los taludes en arcillas se caen con el tiempo?

Entre las peculiaridades más “molestas” de la geotecnia destacan los suelos cohesivos, las arcillas, cuyas propiedades resistentes varían con el grado de humedad y la rapidez con la que se aplican los esfuerzos.

Son suelos conflictivos, si están muy húmedos no son capaces de soportar esfuerzos y fluyen (barro, lodo, fango…); por el contrario, secos aguantan mucho, pero se desmoronan sin avisar, resultando poco fiables. Eso por no hablar de lo distinta que puede ser su respuesta dependiendo de la rapidez de la carga, si los cargamos poco a poco se deforman pero, más o menos, aguantan; sin embargo, si los cargamos de forma rápida pueden romper cuando menos te lo esperas.

(No es un comportamiento tan extraño, después de todo, los humanos funcionamos igual, aguantamos menos cuando se nos acaba la paciencia y somos más o menos resistentes dependiendo de lo que hemos comido pero, analogías biológicas aparte, es indudable que, a nivel ingenieril es mucho más fácil, cómodo y fiable trabajar con materiales cuyas propiedades se pueden considerar estables, como el hormigón o el acero)

Al grano. En su forma más simple, el factor de seguridad frente a rotura de un talud vertical, un caso muy habitual en las excavaciones, se define como:

Esta fórmula es el resultado de imponer tres condiciones o hipótesis:

  • Criterio de rotura de Mohr-Coulomb.
  • Rotura planar, es decir, que toda la cuña de material se “desgaja” y desliza a lo largo de un plano.
  • Y que la rotura se supera en todos los puntos al mismo tiempo.

Ninguna de las tres condiciones se cumple en la realidad pero el modelo es lo bastante aproximado para comentar un par de cosas relativas a los materiales cohesivos, las arcillas:

1) A corto plazo, una arcilla saturada normalmente consolidada (NC) tiene un ángulo de rozamiento nulo, por lo que la expresión quedará como:

Si ahora buscamos un factor de seguridad estricto F=1, obtendríamos una altura crítica para el talud de:

Esta sería la máxima altura que podría mantener el talud sin deslizar, con un factor de seguridad estricto F=1.

2) A largo plazo, pasado el tiempo, esa misma arcilla saturada normalmente consolidada presentará una cohesión efectiva nula (c’=0), con lo que, aplicando la misma fórmula, se obtendría un factor de seguridad F=0, es decir, que el talud se caería.

Se trata de dos casos extremos y teóricos. En realidad la superficie de rotura es curva (circular o en espiral logarítmica), con lo que la altura crítica a corto plazo Hc oscila entre:

Pero la cuestión más importante sigue ahí, a largo plazo, una arcilla saturada normalmente consolidada es incapaz de mantener un talud vertical, o como también se suele decir los taludes en arcilla se caen con el tiempo.

Nos guste o no, un talud perfectamente estable en el momento de excavar puede no serlo minutos, días, o meses después, cuando ya todos nos hemos olvidado, el típico “pues llevaba ahí toda la vida y nunca había pasado nada”, y eso no es algo imprevisible, se sabe muy bien  y desde hace muchos años,  y por eso las normativas obligan a entibar las excavaciones y a tomar factores de seguridad elevados, pero claro, eso cuesta dinero y, si nadie mira…

Una breve historia de la mecánica de rocas

El comportamiento de un macizo rocoso es muy distinto del comportamiento de un suelo. En un macizo rocoso los esfuerzos actuantes se rigen por fenómenos muy complejos y de muy difícil modelización, hay tensiones litoestáticas, tensiones de membrana, tensiones tectónicas, microtectónicas, de fracturación local, sísmicas, de decompresión, paleoesfuerzos, efectos térmicos, etc.

Además, puesto que el terreno se va a excavar de todos modos, es habitual no hacer ensayos in situ (gato plano, doostopper, célula CSIR) y proceder directamente a la excavación… a ver qué sale y qué pinta tiene.

Pongamos como ejemplo la distribución teórica de tensiones en un macizo rocoso debido a la excavación de un túnel. Es un problema conocido y estudiado en profundidad… y en teoría, porque las ecuaciones están muy bien, pero en el mundo real el terreno nunca es homogéneo, la fracturación siempre es errática y en túneles someros, en los que predominan los efectos de la fracturación sobre las tensiones, el sostenimiento tiene más problemas por caídas de cuñas y filtraciones que por las propias tensiones naturales.

En 1962, la Mecánica de Rocas, bajo la insistencia de la Escuela Austriaca, con Stini y Müller al frente, se desvincula de la Sociedad Internacional de Mecánica del Suelo, con la pública oposición del fundador de la ciencia geotécnica, Karl Terzaghi.

Y justamente en esta época se producen dos hechos desafortunados:

– Diciembre de 1959, falla la cimentación de la presa bóveda de Malpasset, en Francia, provocando 450 muertos.

El ingeniero proyectista A. Coyne, presidente de la International Comission on Large Dams y profesor de la École Nationale des Ponts et Chaussées de París explicaba en sus clases sólo unos meses antes:

“Es raro y probablemente un caso único en ingeniería [encontrar] un tipo de estructura que no haya colapsado nunca. Pero, a pesar de las apariencias, a pesar de su forma esbelta y líneas elegantes y fuertes tensiones, es un hecho que la presa bóveda es la más segura de las estructuras. Esto es simplemente una confirmación adicional de lo que se ha conocido durante miles de años sobre la estabilidad de los arcos. […] nada serio le puede pasar a una presa bóveda […] con tal de que sus estribos resistan.”

Y falló el estribo… el reconocimiento de campo posterior mostró que la presa había fallado por el deslizamiento de una cuña sobre una falla (no detectada antes) en la cimentación del estribo izquierdo, en un terreno formado por gneises foliados muy fracturados pero impermeables bajo el efecto de las subpresiones.

Para terminar de arreglarlo, los ensayos in situ mostraron una elevada disparidad entre los datos reales y los considerados para el dimensionamiento de la cimentación, para la que apenas se realizaron ensayos de campo.

En octubre de 1963, un deslizamiento en la presa de Vajont (Italia) provoca la total destrucción, aguas abajo, de la población de Longarone, con un saldo aproximado de 2.000 muertos.

Tras unos días de fuertes lluvias la auscultación indicaba la posibilidad de movimientos en la ladera izquierda, por lo que se decidió rebajar la cota de embalse. Problemas en las compuertas retrasaron la operación, momento en el que se produjo el movimiento sísmico que desencadenó la caída de una masa aproximada de 300 millones de m³ de tierras a un embalse que acumulaba en aquellos momentos 150 millones de m³ de agua.

Vajont en el Corriere della SeraLos estudios realizados desde entonces sugieren que la caída vino gobernada por parámetros residuales bajo cargas dinámicas (algo que no se tenía en cuenta en aquellas fechas) y fenómenos de tipo termodinámico (el rozamiento en la caída provocó temperaturas de hasta 120 ºC) que ni siquiera hoy se tienen en cuenta. Pasados los años el mecanismo del deslizamiento aún no ha sido explicado satisfactoriamente.

Tras estudiar el desastre de Vajont, Terzaghi escribe:

“[…] las curvas de frecuencia de diaclasas no pueden construirse con ningún grado de seguridad si no se realizan cientos de mediciones, […] si los expertos en Mecánica de Rocas no resisten la tentación de hacer pocos ensayos por razones económicas, los riesgos envueltos en la construcción de presas de fabrica cimentadas en roca aumentarán fuertemente.”

 

El problema de la mecánica de rocas es evidente. El suelo es un medio más o menos continuo y, hasta cierto punto, sus propiedades pueden ser “extrapolables”, pero hacen falta muchos, muchísimos ensayos de campo para caracterizar de un modo fiable las propiedades geomecánicas de un macizo rocoso y, francamente, que el “Nuevo Método Austriaco o NATM” se defina más como una filosofía que como un método constructivo no ayuda (por si acaso, el autor lo patentó, es la Patentschrift Nr. 165573, Österreichisches Patentamt).

Siguiendo con la historia, hay que decir que la actitud de los expertos en mecánica de rocas de aquella primera época seguía siendo dogmática incluso después de los accidentes, con métodos basados en principios de la mecánica de medios continuos bajo consideraciones estáticas, opiniones personales y subjetivos coeficientes correctores.

“Después de 25 años viendo túneles, puedo sentir el comportamiento de las rocas, puedo hablar con las rocas y entender su geología. ¡Yo no necesito ensayos!”

Müller en 1970, citado por Bieniawski.

– Entre 1973 y 1989, Bieniawski utiliza cinco parámetros básicos (resistencia a compresión simple, RQD, estado de las juntas, frecuencia de las juntas y presencia de agua) para desarrollar  el RMR (Rock Mass Rating) como sistema de caracterización del terreno,  presentando las primeras correlaciones entre el RMR y el módulo de deformación, permitiendo así hacer cálculos basados en teorías elásticas.

– En 1980, Hoek y Brown enuncian un criterio de rotura a partir de ensayos de laboratorio sobre muestras de la matriz rocosa y correcciones en función del RMR obtenidas mediante estadísticas (a partir de seis tipos de calidad del macizo -desde roca intacta a roca de mala calidad- y cinco tipos de composición de la roca -desde metamórficas hasta carbonatadas).

También estudian la variación de las propiedades del macizo con la orientación de las juntas y el número de familias, lo que permite introducir en el criterio macizos rocosos estratificados.

Se trata de un criterio cuadrático, pero para un cierto rango de tensiones puede asimilarse a la formulación lineal de Mohr-Coulomb, lo que populariza su uso al permitir aplicar las fórmulas clásicas de la mecánica de suelos.

– Entre 1994 y 1997, Hoek introduce un nuevo parámetro, el GSI (Geological Strength Index), para poder tener en cuenta otros factores, como la foliación, los rellenos, la forma de los bloques y el contenido en finos, entre otros, lo que permite incluir en el criterio macizos ¿rocosos? de mala calidad, con un comportamiento intermedio entre suelo duro y roca blanda, no contemplados en el criterio inicial de Hoek y Brown.

 

A día de hoy, no hay ningún método analítico en mecánica de rocas que no incluya el RMR, el GSI o el criterio de Hoek y Brown. Algo que conviene tener en cuenta porque, dado su origen, son métodos que se hallan en constante revisión (Hoek modifica su criterio periódicamente) que no deben ser utilizados fuera del rango de valores en el que fueron obtenidos…. pero claro, ya se sabe, el ordenador es tan cómodo…

 

El planteamiento que se sigue habitualmente a la hora de predimensionar un macizo rocoso parte de un reconocimiento de campo, una recopilación de datos geomecánicos y la realización de clasificaciones geomecánicas, dejando formulaciones más exactas, mediante elementos finitos (PLAXIS) o diferencias finitas (FLAC), para proyectos “grandes” o instrumentación.

En los túneles, el procedimiento de campo tampoco ha variado mucho, lo habitual sigue siendo tomar varios puntos de observación (sondeos) a lo largo de la traza, cada 75/100 metros, e interpolar el terreno entre ellos para establecer un perfil tipo del macizo, perfil que únicamente será válido (y tampoco mucho) en caso de que no varíe la traza a última hora por caprichos políticos…

Y luego vienen los sobrecostes, claro…

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Los manuales técnicos del US Army Corps of Engineers

Aunque hoy en día es fácil encontrar buenos (y también malos) textos en la red, los manuales técnicos del USACE siguen siendo una fuente de información muy válida.

Los enlaces apuntan directamente al archivo pdf con el manual completo, para evitar que el archivo pdf se abra en el navegador, botón derecho y “guardar destino como”.

EM 1110-1-1802 – Geophysical Exploration (31-08-95)

EM 1110-1-1804 – Geotechnical Investigations (01-01-01)

EM 1110-1-1904 – Settlement Analysis (30-09-90)

EM 1110-1-1905 – Bearing Capacity of Soils (30-10-92)

EM 1110-1-2907 – Rock Reinforcement (15-02-80)

EM 1110-1-2908 – Rock Foundations (30-11-94)

EM 1110-2-1421 – Groundwater Hydrology (28-02-99)

EM 1110-2-1810 – Coastal Geology (31-01-95)

EM 1110-2-1901 – Seepage Analysis and Control for Dams (30-09-86 & 30-04-93)

EM 1110-2-1902 – Slope Stability (31-10-03)

EM 1110-2-1906 – Laboratory Soils Testing (30-11-70 & 20-08-86)

EM 1110-2-1911 – Construction Control – Earth & Rock-Fill Dams (30-09-95)

EM 1110-2-2300 – Engineering and Design – Earth & Rock-Fill Dams (30-07-04)

EM 1110-2-2502 – Retaining and Flood Walls (29-09-89)

EM 1110-2-2503 – Sheet Pile Cellular Structures Cofferdams & Retaining Structures (29-09-89)

EM 1110-2-2504 – Design of Sheet Pile Walls (31-03-94)

EM 1110-2-2901 – Tunnels and Shafts in Rock (30-05-97)

EM 1110-2-2906 – Design of Pile Foundations (15-01-91)

La lista completa con todos los manuales está aquí .

Los Cimientos en el Código Técnico de la Edificación

En febrero de 2007, por mediación de GEOSUPORT, tuve el placer de dar una charla para el Colegio Oficial de Aparejadores y Arquitectos Técnicos de Valencia (CAATV) en el Palacio de Congresos.

El tema de las jornadas era, como no, el Código Técnico de la Edificación, a punto ya de entrar en vigor por aquellas fechas, y a mi me tocó presentar la parte de cimientos, con la que torturé a los asistentes (muchos, por cierto) durante más de una hora.

Dejo aquí la presentación de aquella charla por si a alguien le interesa pegarle un vistazo:

Los cimientos en el código técnico de la edificación

Los Cimientos en el nuevo Código Técnico de la Edificación (pdf – 2,68 MB)

Para los más curiosos, en una de las diapositivas, la de los anclajes al terreno, hay una fotografía de la excavación de El Corte Inglés de la Avenida de Francia, en Valencia, en la que se aprecia un edificio que, posteriormente, ha sufrido “ciertos daños”.

Según unos, la culpa es del centro comercial, algo posterior, pero según otros, la culpa es del edificio (mejor dicho, su arquitecto) que no respetó lo que indicaba el informe geotécnico… cosas que pasan.