Contexto y Muestreo en la Investigación del subsuelo

CONTEXTO Y MUESTREO EN LA INVESTIGACI Ó N DEL SUBSUELO Art í culo de revisi ó n

Rub é n D. Aguilar Collazo 1, Universidad Nacional de Colombia, sede Bogot á Maestr í a en Ingenier í a - Geotecnia

1 Ingeniero Civil (IC), Esp. Gerencia de Proyectos de Construcción, Candidato a Magíster en Ingeniería - Geotecnia de la Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá

RESUMEN

Este documento es un resumen integrado de diecisiete (17) artículos científicos suministrados en la asignatura de Investigación del subsuelo e Instrumentación de la Maestría en Ingeniería - Geotecnia cursada en la Universidad Nacional de Colombia en el año 2012 y dirigida por el Docente XY - IC, M.Sc. Estos artículos se relacionan con la temática de contextos y procesos de muestreo en la investigación geotécnica y son un fundamento en el buen suceso de muchos proyectos civiles en la ingeniería civil.

El desarrollo de un profesional de la Geotecnia trae consigo muchos retos y dificultades en su devenir, por ello es importante obtener una experiencia laboral que resulte significativa para las metas y objetivos que se buscan. Todos los ingenieros deberían formular su propio plan para el desarrollo de su carrera, teniendo en cuenta que en el camino hay múltiples factores que cambian, por lo tanto el plan propuesto debe ser flexible y evaluado continuamente. Del mismo modo deben formularse los planes para la investigación del subsuelo, en los cuales el ingeniero geotecnista necesita responderse interrogantes tales como ¿qué tipo de investigación se necesita?, ¿por qué se necesita?, ¿el alcance de la investigación es suficiente o es demasiado?, establecer un modelo geológico-geotécnico del subsuelo (preferiblemente en 3D) y evaluar la posibilidad de utilizar el método observacional (MO) para introducir modificaciones.

Dentro del documento además se tocan conceptos teóricos relacionados con el proceso de muestreo en suelos y rocas bajo ciertas circunstancias (efecto del diseño del muestreador, alteraciones de las muestras, muestreo de arcillas y congelación de arenas), con la resistencia a la licuefacción en muestras de arenas gruesas, resistencia de muestras de limo y arena limosa y tomografía de arenas sueltas.

1. Investigación del sitio

El ejercicio profesional de un Ingeniero geotecnista demanda una excelente planificación de la investigación del sitio como primer paso. Usualmente la investigación del sitio que se requiere en un proyecto de construcción se lleva a cabo antes de comenzar la etapa de diseño, sin embargo en muchos países no existen códigos y/o requerimientos detallados que establezcan adecuadamente cual debe ser el alcance de la extensión y calidad de la investigación del sitio, por lo tanto a menudo ocurren diversas fallas geotécnicas que en algunos casos conllevan a desastres catastróficos e imponen amenazas serias a la seguridad pública. La investigación del sitio estudia las características físicas de sitio por medio del análisis de documentos, reconocimiento del sitio e investigación del subsuelo; también incluye el estudio de la historia y el ambiente del sitio, la interpretación y análisis de toda la información disponible, para presentar recomendaciones sobre la ubicación de proyecto y por ende diseños seguros y económicos que reduzcan riesgos potenciales 2.

En cualquier trabajo de investigación, las preguntas a ser resueltas son: (1) ¿qué tipo de investigación se necesita?, (2) ¿porqué se necesita?, (3) ¿dónde se debe realizar el trabajo? (4) ¿cómo se debe hacer el trabajo? (5) ¿el alcance de la investigación es suficiente o es demasiado?. También se deben definir las etapas de investigación, el tipo de trabajo en campo, el número y ubicación de las perforaciones, tipo y número de muestras, tipo y número de ensayos, entre otros aspectos relacionados. Una investigación del sitio adecuada debe ser llevada a cabo a través de un esfuerzo combinado del consultor geotecnista y el contratista a cargo de la investigación del subsuelo. El primero debe ser el responsable de la planeación y ejecución del programa de investigación, la interpretación y análisis de resultados, y las recomendaciones apropiadas para garantizar un diseño seguro, mientras que el segundo es el responsable de proporcionar datos geotécnicos confiables. Para garantizar la calidad y confiabilidad en los resultados de cualquier estudio de investigación del subsuelo, se requiere una supervisión de tiempo completo por parte de un profesional calificado de la rama de la geotecnia 2 .

En países asiáticos como Singapur y Malasia no hay códigos que reglamenten los trabajos de investigación del sitio (Al año 2004), a diferencia de China, Hong Kong y Taiwán; aunque en general el criterio que predomina cuando se adjudican contratos de este tipo es el elemento costo, lo que en algunos casos compromete la calidad de los trabajos de investigación. Desafortunadamente se han presentado casos de fallas geotécnicas es lo que el elemento costo ha sido factor determinante y esto algunas veces se traduce en reportes inadecuados de investigación, selección incorrecta de parámetros geotécnicos de diseño, la no identificación de condiciones desfavorables de sitio, falta de supervisión por parte de un especialista y toma equivocada de decisiones.

Cabe mencionar que en general los códigos o normas que se establecen suelen estipular la mínima cantidad de trabajo requerido; la investigación del sitio es una operación de cuidado que requiere organización y personal especializado; la magnitud y costo de la investigación del sitio debe ser tal que el riesgo se encuentre en un nivel aceptable para el diseñador y que cumpla la norma 2 ; Finalmente la selección del personal que realice la investigación del sitio debe basarse en sus competencias y capacidad para tal fin y no solamente en el criterio de la oferta más económica.

2. Modelo geológico - geotécnico del subsuelo en 3D 3

Un modelo geológico - geotécnico tridimensional proporciona una representación espacial de la variabilidad geológica de una zona particular y puede constituir una base para la planificación del subsuelo y para la implementación de diversos proyectos de ingeniería, sin embargo los mapas geológicos tradicionales en 2D son menos representativos en los ámbitos de la ciudad y también dificultan llevar a cabo un estudio detallado. En la literatura hay varias obras sobre el uso de modelos en 3D, pero poco acerca de la metodología general que se debe seguir para establecer un modelo geológico que represente una herramienta de apoyo en un área urbana, por ello Rienzo et al. (2006) proponen una metodología para realizar un modelo geológico-geotécnico en 3D adecuado para apoyar la planificación futura a nivel subterráneo, en este caso de la ciudad de Turín (Italia). En los últimos años, la gestión estratégica del subsuelo se ha usado para optimizar la planificación y desarrollo de estructuras subterráneas, lo cual ha generado un nuevo campo interdisciplinario conocido como "Geociencia Urbana".

La planificación y realización de este tipo de trabajos, requiere de un modelo geológico que sea capaz de mostrar la distribución espacial de las sucesiones estratigráficas y la variación espacial cuando se vayan a excavar los materiales y, por esta razón, este trabajo se enfoca sobre el modelo en 3D de la cementación y las unidades estratigráficas. Por ello se realizó un análisis estratigráfico, una evaluación de los parámetros geotécnicos, un retro-análisis de desplazamientos medidos y la gestión del modelo por medio de un sistema de información geográfico (SIG).

El primer aspecto a considerar es la elección de las unidades (lito-estratigráfica, hidrogeológica, litológica, geotécnica, etc) que deben ser consideradas para representar la porción del subsuelo en función de los requerimientos del proyecto (sucesiones estratigráficas y distribución espacial de la cementación). En el análisis estratigráfico se debe considerar la interpretación de las facies a través de unidades estratigráficas, las cuales permiten que la geometría de las capas pueda ser interpretada incluso cuando falten datos. Una vez se realiza un modelo estratigráfico preliminar, los datos tienen que ser organizados en un formato compatible con el software para modelado en 3D.

El retro-análisis se llevó a cabo utilizando el código de cálculo del FLAC 2D. El procedimiento fue creado por Oreste (2005) y consiste en la variación de los parámetros geotécnicos del suelo en un modelo numérico hasta que los desplazamientos obtenidos por el cálculo son iguales a los desplazamientos medidos. Los parámetros usados en la fase de diseño se utilizaron como punto de partida de este procedimiento.

El modelado del subsuelo en 3D requiere la evaluación de parámetros geotécnicos; en las zonas urbanas se ve limitado por las dificultades en la obtención de datos suficientes para describir las propiedades de un "volumen significativo" de suelo y sus variaciones espaciales. Los resultados en Turín muestran una cierta confiabilidad del modelo y su potencial para seleccionar las máquinas perforadoras óptimas para el futuro desarrollo del sistema de Metro de la ciudad, mediante una comparación entre los pronósticos del grado de cementación que suministra el modelo 3D a lo largo de 1 m de tramo del túnel, y la energía específica de excavación efectivamente absorbida por la cabeza de la maquina tuneladora. La energía está definida como la cantidad de energía requerida por una máquina de perforación para romper o quitar una unidad de volumen de suelo o roca.

Uno de los resultados más interesantes del modelo geológico-geotécnico en 3D son los mapas que fueron obtenidos a partir del grado de cementación a distintas profundidades de la superficie.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Figura 1. Mapa de clases de cementación a 20 m (izq.) y 30 m de prof. (der.), área central Turín 3

3. El Método de Observación (MO)

Es un proceso dirigido, continuo e integrado de diseño, control de construcción, seguimiento y revisión, que permite que modificaciones previamente definidas sean incorporadas a una obra durante o después de su construcción, según resulte conveniente y donde todos los elementos mencionados deben ser sólidos. El objetivo de la aplicación del método es lograr mayor economía, sin comprometer la seguridad (CIRIA, 1999). El método de observación ha sido implementado en múltiples proyectos, sin embargo existe una falta general de comprensión en los principios de utilización, su uso dentro del marco contractual de un proyecto de ingeniería y las responsabilidades que incumben al cliente, diseñador y equipo de contratación cuando se aplica el enfoque del MO en un proyecto 4.

Los proyectos tradicionales se basan generalmente en un solo diseño completamente desarrollado y robusto ("Diseño predefinido"); no hay intención de modificar el diseño durante la construcción. Si se llevan a cabo procesos de instrumentación y control tienen un papel pasivo. Por otro lado en el MO los procesos de monitoreo juegan un papel muy activo en el diseño y la construcción, permitiendo modificaciones previstas para llevar a cabo dentro de un marco de acuerdo contractual que involucre a los principales participantes (cliente, diseñador y contratista). En el año de 1969 Peck establece dos enfoques MO:

(a) Enfoque "ab initio", adoptado desde el inicio del proyecto y (b) Enfoque "Best Way Out", adoptado después de que el proyecto comienza y algún evento inesperado que es diferente al diseño predefinido ocurre o se produce una falla, entonces el MO se utiliza para establecer una forma de salir de la dificultad 4.

En el MO, la modificación del diseño predefinido (moderadamente conservador) al "más probable" reduce el margen contra fallas estructurales y por lo tanto es necesario un mayor control del sitio, equilibrado por un monitoreo riguroso y el establecimiento de planes de contingencia adecuados antes de implementar el MO. Las obras de construcción también tienen que ser flexibles y ser capaz de adaptarse fácilmente a cualquier cambio en el diseño o el programa, exigido por cualquier implementación de planes de contingencia 4.

El MO es más efectivo cuando hay un amplio margen de incertidumbre y se usan términos como "más probable", y "más desfavorable" para describir el rango de condición del suelo 4. El marco operacional para la aplicación del MO se aprecia en la figura 2, mientras que algunos beneficios potenciales se muestran en la figura 3.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Figura 2. El Método de Observación (CIRIA, 1999) Figura 3. Beneficios del MO (CIRIA, 1999)

Según Powderham 5 la simplicidad es el corazón del MO, su base es sencilla y su enfoque es natural para hacer frente a la incertidumbre. El MO supera las limitaciones del diseño convencional mediante la evaluación de la retroalimentación en condiciones reales, de este modo facilita los cambios de diseño durante la construcción y establece un marco para la gestión de riesgos. Según Powderham 5 no es de sorprenderse que los cambios que se proponen tiendan a crear preocupaciones en materia de seguridad y certeza. Es lamentable que el método pueda ser inapropiadamente asociado con márgenes de seguridad demasiado bajos debido a costos potenciales y demoras en las medidas de contingencia. La modificación progresiva de un proyecto permite restricciones de carácter técnico o contractual que deben ser abordadas por todas las partes involucradas en el proyecto para aclarar las preocupaciones. Tales limitaciones han desalentado la aplicación amplia y frecuente del método de observación, aunque Powderham 5 menciona algunos casos particulares de implementación del MO localizados en la ciudad de Londres como son la construcción del Enlace Limehouse y su influencia en la estabilidad de la Mansión House y la ataguía Heathrow.

En conclusión el MO el logro de los objetivos principales con éxito, reduciendo costos y/o tiempo o garantizando un nivel de seguridad aceptable. Sin embargo, hay importantes limitaciones. Las condiciones generales para aplicar el método deben ser adecuadas. Los requerimientos claves deben ser entendidos y aplicados con cuidado. Es importante identificar las tendencias. El rigor que exigen estos requerimientos es oneroso. Imponen penalidades en relación al tiempo y costo que al menos deben ser compensadas con los beneficios obtenidos. Los beneficios directos de un proyecto puede ser considerables. El método de observación en geotecnia promueve la innovación a través del (1) fortalecimiento de la relación diseño-construcción, (2) aumento de la seguridad durante la construcción, (3) una mejor comprensión del suelo y su interacción con la estructura, (4) las mejoras en el uso y el rendimiento de los instrumentos, (5) mayor calidad de los datos de casos históricos y (6) una mayor motivación y trabajo en equipo.

4. Aspectos Geológicos en la Geotecnia

La geología y los procesos de la tierra son una parte inherente del diseño y construcción en la ingeniería civil. El termino Geología abarca desde la geología clásica hasta disciplinas relacionadas como la hidrología, geomorfología, y petrología. A continuación se citan algunos ejemplos específicos para ilustrar cómo los factores geológicos pueden dominar el comportamiento de un proyecto 6.

(4.1) Pista Pegasus, Antartida: En el aeródromo Williams Field en la década de los 90's las operaciones aéreas eran suspendidas durante el verano austral debido al deterioro del hielo de las pistas. Se propuso un nuevo aeródromo cuya pista en hielo (Pegasus) era producto de glaciares flotantes. Sin embargo durante la temporada de Luz solar la pista se podía debilitar, por lo tanto la nieve que transporta el viento se utilizó como solución, cubriendo la pista durante dicha temporada y quitando la nieve al final de la misma para permitir la operación aérea, es decir se utilizó un proceso natural del viento al transportar nieve para proporcionar una solución de ingeniería.

(4.2) Campo de Aviaci ó n Militar, Medio oriente de EEUU: En la década de los 80's se construyó una pista de aterrizaje y vías de acceso a lo largo de una llanura circundada por varias colinas erosionadas, sin embargo antes de ejecutarlas, el proyecto fue sometido a varios rediseños debido a limitantes en el presupuesto. Al presentarse las primeras lluvias fuertes la obra se inundó debido a un drenaje insuficiente, puesto que el análisis de los registros locales de lluvias se hizo de modo incompleto y no identificó que el área de proyecto era susceptible de inundarse máxime cuando se localizaba sobre una playa. En los diseños se utilizó una resistencia de la subrasante equivocada. Desde su construcción las instalaciones de la pista y obras adyacentes fueron cerradas por inundación hasta que en el año 2002 - 2003 se instalaron sistemas de drenaje subterráneo y superficial.

(4.3) Travis AFB, California: A principios de la década de los 90's una pista de aterrizaje fue reconstruida, sin embargo un año después se presentaron desprendimientos graves, a lo largo de las juntas del pavimento. Al realizar ensayos detallados sobre muestras de concreto se detectó arcilla tipo esmectita en los agregados gruesos de la matriz de concreto. La investigación arrojó que la geología de la cantera donde se extrajeron los agregados era compleja y aunque la mayoría de basalto era de buena calidad, al almacenarse se transformó parcialmente disminuyendo su calidad. Es importante mencionar que a menudo hay un desfase en los materiales entre el muestreo, finalización de los ensayos requeridos e inicio de la producción.

Los casos ilustran el impacto de la geología en proyectos de ingeniería. Si no se tiene en cuenta las condiciones geológicas, el resultado final de tales errores de juicio puede ser desastroso para un proyecto. Sin embargo, al ser demasiado temeroso y/o conservador se pueden generar diseños poco prácticos y despilfarros. La interacción entre la geología y geotecnia es un sello distintivo del ejercicio profesional, el cual debería ser apreciado por todos los ingenieros geotécnicos 6.

5. Requerimientos de Muestreo 7

El objetivo de una investigación del subsuelo es definir características geotécnicas tales como permeabilidad, compresibilidad y resistencia al corte, de cada estrato identificable de suelo o roca dentro de un área limitada y profundidad, dependiendo del tamaño de la estructura propuesta y adicionalmente tratar de identificar y correlacionar la geología y estratigrafía de los materiales. Para cumplir con el objeto de la investigación del sitio, el estudio se divide en cinco (5) fases: (1) Estudios preliminares, (2) investigación del subsuelo en campo, (3) pruebas de laboratorio, (4) informes y (5) propuestas.

La investigación del subsuelo en campo se puede ejecutar mediante métodos geofísicos, por observaciones indirectas, que incluyen ensayos in situ y por observaciones directas que incluyen toma de núcleos, así como por reconocimiento de campo. La observación directa de las condiciones del subsuelo se puede obtener mediante la examinación de formaciones a través del uso de excavaciones de acceso, ( pozos, túneles, apiques o trincheras) o por perforación y muestreo para obtener núcleos o cortes. Los apiques y trincheras probablemente ofrecen el mejor método para observar condiciones in situ y obtener muestras de alta calidad inalteradas. Las muestras alteradas pueden ser obtenidas por medio de barrenos, percusión y a través de sondeos con inyección de lodos. Las muestras inalteradas se pueden obtener por métodos de muestreo sin perturbaciones tales como muestras de tubo hincado y muestras con saca núcleos por rotación.

Hvorslev (1949) definió la calidad de las muestras en representativas o no representativas. Definió muestras no representativas como las mezclas de suelo y roca de diferentes capas y muestras representativas como aquellos materiales que pueden haber sido remoldeados o que la humedad pudo haberlos cambiado, pero en ningún caso que los materiales hayan sido alterados químicamente o estén contaminados por las partículas de otras capas. Las muestras alteradas se pueden obtener por taladros, cucharas de muestreo y tubos de muestreo de pared delgada y se utilizan principalmente para determinar las propiedades índices de los materiales. En algunos casos los ensayos de resistencia y deformación pueden llevarse a cabo en muestras reconstituidas (remoldeadas) de material alterado. Las muestras inalteradas han sido sometidas a una perturbación relativamente pequeña y se pueden obtener de perforaciones usando muestreadores hincados o de saca núcleos (barrenos) por rotación. Las muestras inalteradas de alta calidad se pueden obtener haciendo cortes manuales para toma de muestras de bloques en apiques y trincheras. Las muestras inalteradas son útiles para las pruebas de tracción, compresión, y la permeabilidad de los materiales de fundación.

[...]