introduccion a la ing geotecnica
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Introducción a la ingeniería geotécnicaTRANSCRIPT
INTRODUCCION A LAINGENIERIA GEOTECNICA
La Geotecnia es la ciencia dedicada a la investigación, estudio y solución de problemas relacionados con las propiedades mecánicas, hidráulicas e ingenieriles que surgen como resultado de la interacción entre la geología y las obras y actividades del hombre, así como a la predicción y desarrollo de medidas para la prevención o remediación de peligros geológicos.
Ing.Civil
Estructuras y ConstrucciónHidráulica
TransporteGeotécnica
Ing.Minas
Metalurgia
OperacionesMineras
GeotecniaMinera
Geología
Minería y EnergíaPaleontología
Petrología
Ambiental eHidrogeología
Aplicada
Estructural y Tectónica
Se aplica en las siguientes ramas de la ingeniería :
1)Estructuras.- Se aplica al diseño de fundaciones, edificios, puentes, etc.
2)Hidráulica.- En el diseño de Obras Hidráulicas (canales, presas, reservorios de almacenamiento, túneles, etc.), flujo a través de medios porosos, hidráulica de ríos, puertos, etc.
3)Sanitaria.- Diseño de redes de alcantarillado sanitario y pluvial (zanjas, entibados), Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales (estudio del suelo del lecho, permeabilidad de los estratos), diseño de rellenos sanitarios, etc.
4) Carreteras.- Estudios geotécnicos de suelo en general de toda el área donde se pretende construir la carretera, estabilidad de taludes, compactación de suelos, etc.
5) Medio ambiente.- Estudios para conocer el grado de contaminación del subsuelo, permeabilidad de los estratos para conocer la velocidad de difusión de contaminantes, etc.
ConstrucciónEl comportamiento de los materiales debe asegurar la evolución del proyecto según lo esperado-seguro y económico: proyectos livianos,proyectos pesados (casas, edificios pequeños)
Excavaciones y Túneles
Estabilidad de las paredes, controlar el agua y sugerir métodos de excavación
Obras de Corte y RellenoEstablecer la pendiente de un camino o trazado lineal. Identificar los materiales a lo largo del trazado. Utilización y abandono de la obra. Estabilidad de taludes en el largo plazo, etc.
FundacionesAsegurar que el medio soporte estructuras, sin asentamientos excesivos, etc.
RepresasLa elección de la ubicación y tipo de muro, estabilidad de laderas,
filtraciones, material, estribos, etc.
Materiales de Construcción
Búsqueda y evaluación del material, transporte.
Planificación Urbana y TerritorialCreciente importancia del estudio de peligros geológicos en el diseño
urbano, desastres, inundaciones, terremotos, etc.
METODOLOGIA
1. Selección del lugar 2. Investigación de la Geología =>Modelo geológico3. Evaluación de Materiales =>Modelo geomecánico4. Evaluación de las prácticas de
construcción y diseño; Monitoreo durante la operación: monitoreo
=> Modelos geotécnicos de comportamiento
La profundidad de la
investigación depende de las
necesidades del proyecto
(sondajes, ensayes, geofísica)
Incluye los estudios iniciales
(revisión bibliográfica, logística,
planificación fases siguientes),
investigación de terreno,
ensayos de terreno o laboratorio
y elaboración de informes.
INVESTIGACION DEL SITIO
La importancia de la Geotecnia se manifiesta en dos grandes campos
de actuación:
EL PRIMERO CAMPO Corresponde a los proyectos y obras de ingenieríadonde el terreno constituye el soporte, el materialde excavación, de almacenamiento o deconstrucción.Dentro de este ámbito se incluyen las principalesobras de infraestructura, edificación, obrashidráulicas, marítimas, plantas industriales,explotaciones mineras, centrales de energía, etc.La participación de la ingeniería geológica enestas actividades es fundamental al contribuir asu seguridad y economía.
EL SEGUNDO CAMPO
Se refiere a la prevención, mitigación ycontrol de los riesgos geológicos, asícomo de los impactos ambientales de lasobras públicas, actividades industrialesmineras o urbanas.
PROYECCION A 30 AÑOS E HIPOTESIS DE RIESGO MAXIMO
RATIO BENEFICIO/COSTE: PERDIDAS POR RIESGOS GEOLOGICOS MENOS LAS PERDIDAS SI SE APLICAN MEDIDAS PREVENTIVAS, DIVIDIDAS POR EL COSTE DE LAS MEDIDAS DE PREVENCION
Ambos campos tienen un peso importante en el producto bruto interno (PBI) de los países, al
estar directamente relacionados con los sectores de las infraestructura, construcción, minería y
edificación.
EN LOS ALBORES DE LA MODERNIDAD DE LA INGENIERIA CIVIL FRANCIS BACON DIJO ESTAS
PALABRAS:
OBEDESCAMOS A LA NATURALEZA SI QUEREMOS
CONTROLARLA
El medio geológico está en continua evolución y
los procesos afectan tanto a los materiales
rocosos y a los suelos como al medio natural en
su conjunto. El antrópico, representado por las
ciudades, las infraestructuras, obras publicas,
etc., irrumpe con frecuencia en regiones
geológicamente inestables modificando, e incluso
desencadenando, los procesos geológicos.
La búsqueda de soluciones armónicas entre
el medio geológico y el antrópico precisa de
la consideración previa de ciertos factores
diferenciadores entre ambos, cuyo
desconocimiento es causa de
Interpretaciones erróneas. Entre estos
factores destacan:
- La escala geológica y la ingenieril. - El tiempo geológico y el antrópico. - El lenguaje geológico y el ingenieril.
El profesional de la ingeniería
geológica tiene formación científica y
técnica aplicada a la solución de los
problemas geológicos y ambientales
que afectan a la ingeniería, dando
respuesta a las siguientes cuestiones:
1) Dónde situar una obra pública o instalación industrial para que su emplazamiento sea geológicamente seguro y constructivamente económico.
2) Por dónde trazar una vía de comunicación o una conducción para que las condiciones geológicas sean favorables.
3) En qué condiciones geológico-geotécnicas debe cimentarse un edificio.
4) Cómo excavar un talud para que sea estable y constructivamente económico.5) Cómo excavar un túnel o instalación
subterránea para que sea estable.
6) Con qué tipo de materiales geológicos puede construirse una presa, terraplén, carretera, etc.
7) A qué tratamientos debe someterse el terreno para evitar o corregir filtraciones, hundimientos, asientos, desprendimientos, etc.
8) En qué tipo de materiales geológicos pueden almacenarse residuos tóxicos, urbanos o radiactivos.
9) Cómo evitar, controlar o prevenir los riesgos geológicos (terremotos, deslizamientos, etc.).
10)Qué criterios geológicos-geotécnicos deben tenerse en cuenta en la ordenación territorial y urbana y en la mitigación de los impactos ambientales.
FACTORES GEOLOGICOS Y
PROBLEMAS GEOTECNICOS
La diversidad del medio geológico y la
complejidad de sus procesos hacen que en
las obras de ingeniería se deban resolver
situaciones donde los factores geológicos
son condicionantes de un proyecto.
En primer lugar, por su mayor importancia,
estarían los riesgos geológicos, cuya
incidencia puede afectar a la seguridad o la
viabilidad del proyecto. En segundo lugar
están todos aquellos factores geológicos
cuya presencia condicione técnica o
económicamente la obra. Estos factores
y su influencia en los problemas
geotécnicos se muestran a continuación:
1) INFLUENCIA DE LA LITOLOGIA EN EL COMPORTAMIENTO GEOTECNICO DEL TERRENO
2) ESTRUCTURAS GEOLOGICAS Y PROBLEMAS GEOTECNICOS
3) EFECTOS DE LOS PROCESOS GEOLOGICOS RELACIONADOS CON EL AGUA Y SU INFLUENCIA GEOTECNICA
4) INFLUENCIA DE LOS PROCESOS GEOLOGICOS EN LA INGENIERIA Y EL MEDIO AMBIENTE
INFLUENCIA DE LA LITOLOGIA EN EL COMPORTAMIENTO GEOTECNICO DEL TERRENO
LITOLOGIA FACTORES CARACTERISTICOS PROBLEMAS GEOTECNICOS
Rocas duras Minerales duros y abrasivos Abrasividad
GRANITOS CON CUARZO,
PLAGIOCLASAS Y MICAS
LITOLOGIA FACTORES CARACTERISTICOS PROBLEMAS GEOTECNICOS
Resistencia media a baja Roturas de Taludes
Rocas blandas Minerales alterables Deformabilidad en túneles
Cambio de propiedades con el tiempo
Rotura
en
taludes mineros
LA TORRE INCLINADA DE PISA
LITOLOGIA FACTORES CARACTERISTICOS PROBLEMAS GEOTECNICOS
Suelos Blandos Resistencia baja a muy baja Asientos en cimentaciones
LA TORRE INCLINADA
DE
PISA
Subsidencia en suelos lacustres
afectando a la Basílica de
Nª Sª de Guadalupe
(Mexico D.C.)
LITOLOGIAFACTORES
CARACTERISTICOS PROBLEMAS GEOTECNICOS
Suelos Orgánicos y Alta compresibilidad Subsidencia y colapso
biogénicos Estructuras metaestables
ESTRUCTURAS GEOLOGICAS Y PROBLEMAS GEOTECNICOS
Falla Normal
ESTRUCTURAS GEOLOGICAS
FACTORES CARACTERISTICOS
PROBLEMAS GEOTECNICOS
Fallas y FracturasSuperficies muy continuas : Espesor
variable Roturas, inestabilidades acumulación de
tensiones, filtraciones y alteraciones
FALLA NORMAL
Estratos y
Diaclasas
ESTRUCTURAS GEOLOGICAS
FACTORES CARACTERISTICOS PROBLEMAS GEOTECNICOS
Planos de EstratificaciónSuperficies continuas: poca
separación Roturas, inestabilidades y Filtraciones
Pliegues en
Cuarcitas
ESTRUCTURAS GEOLOGICAS FACTORES CARACTERISTICOS PROBLEMAS GEOTECNICOS
Pliegues Superficie de gran continuidad Inestabilidad, filtraciones y tensiones
condicionados a la orientación
ESQUISTOS REPLEGADOS
ESTRUCTURAS GEOLOGICAS FACTORES CARACTERISTICOS PROBLEMAS GEOTECNICOS
foliación, esquistosidad superficies poco continuas y cerradas Anisotropía en función de la orientación
EFECTOS DE LOS PROCESOS GEOLOGICOS RELACIONADOS CON EL AGUA Y SU INCIDENCIA GEOTECNICA
DISOLUCIONKARST YESIFERO
EROSION Y ACARCAVAMIENTO EN PIROCLASTOS
INFLUENCIA DE LOS PROCESOS GEOLOGICOS EN LA INGENIERIA Y EN EL MEDIO AMBIENTE
EDIFICIO DESTRUIDO EN EL TERREMOTO DE MEXICO
COLADAS DE LAVA EN LA ERUPCION DEL TENEGUIA EN 1971
SUBSIDENCIA DEL PALACIO DE BELLAS ARTES, MEXICO D.F.
COLMATACION DEL CAUCE QUE REBASA LA CARRETERA Y OBLIGA A ABRIR UN CAUCE ARTIFICIAL.
INFLUENCIA DE LOS PROCESOS GEOLOGICOS EN LA INGENIERIA Y EN EL MEDIO AMBIENTE
DAÑOS DE CARRETERA POR DESLIZAMIENTO
SUBSIDENCIA POR EXTRACCIÓN DE AGUA DE POZOS Y A FAVOR DE FALLAS ACTIVAS
LA ROTURA DE LA PRESA DE AZNALCOLLAR: UN EJEMPLO DE FALLO GEOLOGICO-GEOTECNICO DE GRAVES CONSECUENCIAS
ECOLÓGICAS
La presa de residuos mineros de Aznalcóllar (Sevilla), propiedad de la empresa Boliden-Apirsa,tenía 28 metros de altura cuando se produjo su rotura el 25 de abril de 1998.Tres años antes se comprobó su estado de seguridad, y tanto la propiedad como los responsables del proyectoconfirmaron que cumplía todos los requisitos,conclusión que fue reafirmada 5 días antes del desastre.
LA ROTURA DE LA PRESA DE AZNALCOLLAR: UN EJEMPLO DE FALLO GEOLOGICO-GEOTECNICO DE GRAVES CONSECUENCIAS
ECOLÓGICAS
La rotura del dique de contención produjo un vertido de 4,5 Hm3 de líquidos y Iodos hacia el río Agrio, y de ahí al Guadiamar, afluente del Guadalquivir, que anegó las tierras circundantes, ocasionando una contaminación por aguas ácidas con diversos contenidos en metales pesados, afectando a todo el ecosistema circundante, incluso el Parque Nacional de Doñana.La presa estaba apoyada sobre la formación miocenaconocida como margas azules, constituidas por arcillasde plasticidad alta, muy sobreconsolidadas y con abundantes superficies de corte o slickensides en su interior.
LA ROTURA DE LA PRESA DE AZNALCOLLAR: UN EJEMPLO DE FALLO GEOLOGICO-GEOTECNICO DE GRAVES CONSECUENCIAS
ECOLÓGICAS
Las margas azules han sido muy bien estudiadas y seconocen los problemas de inestabilidad que ocasionan,sobre todo en taludes de carreteras y ferrocarriles. Cuandoentran en contacto con el agua y se generan altas presiones intersticiales a lo largo de las citadas superficies, su resistencia puede ser muy baja. Según losinformes periciales .la rotura del dique se debió a un fallodel sustrato de margas, deslizando la cimentación de la Presa. Es evidente que los factores geológico-geotécnicosque ocasionaron la rotura no se tuvieron en cuenta adecuadamente y que tampoco los sistemas de control delsistema presa-terreno fueron operativos, cuestionesfundamentales en ingeniería geológica.
METODOS Y APLICACIONES EN INGENIERIA GEOLOGICA
La ingeniería geológica tiene sus fundamentos en
la geología y en el comportamiento mecánico de
los suelos y las rocas. Incluye el conocimiento de
las técnicas de investigación del subsuelo, tanto
mecánicas como instrumentales y geofísicas, así
como los métodos de análisis y modelación del
terreno. La metodología de estudio responde en
términos generales indicados en el Proceso
Metodológico siguiente :
Proceso metodológico
1. Identificación de materiales y procesos. Definición de la geomorfología, estructura, litología y condiciones del agua subterránea.
2. Investigación geológica-geotécnica del subsuelo.
3. Distribución espacial de materiales, estructuras y discontinuidades.
4. Condiciones hidrogeológicas, tensionales y ambientales.
5. Caracterización de propiedades geomecánicas, hidrogeológicas y químicas.
6. Caracterización de los materiales geológicos utilizados en la construcción, extracción de recursos naturales y trabajos de protección medioambiental.
7. Comportamiento geológico-geotécnico bajo las condiciones del proyecto.
8. Evaluación del comportamiento mecánico e hidráulico de suelos y macizos rocosos. Predicción de los cambios de las anteriores propiedades con el tiempo.
9. Determinación de los parámetros que deben ser utilizados en los análisis de estabilidad para excavaciones, estructuras de tierras y cimentaciones.
10. Evaluación de los tratamientos del terreno
para su mejora frente a filtraciones, asientos,
inestabilidad de taludes, desprendimientos,
hundimientos, etc.
11. Consideraciones frente a riesgos geológicos e impactos ambientales.
12. Verificación y adaptación de los resultados
del proyecto a las condiciones geológico - geotécnicas encontradas en obra. Instrumentación y auscultación.
Para el desarrollo completo de dicha
secuencia metodológica deben definirse
tres tipos de modelos :
- Modelo geológico.
- Modelo geomecánico.
- Modelo geotécnico de comportamiento.
EL MODELO GEOLÓGICORepresenta la distribución espacial de los materiales, estructuras tectónicas, datos geomorfológicos e hidrogeológicos, entre otros, presentes en el área de estudio y su entorno de influencia
EL MODELO GEOMECÁNICO
Representa la caracterización geotécnica e hidrogeológicade los materiales y su clasificación geomecánica.
EL MODELO GEOTÉCNICO DE COMPORTAMIENTO
Representa la respuesta del terreno durante la construcción
y después de la misma.
DURANTE LA CONSTRUCCION DESPUES DE LA CONSTRUCCION
Esta metodología constituye la base de las siguientes aplicaciones de la ingeniería geológicaa la ingeniería civil y al medio ambiente: - Infraestructuras para el transporte. - Obras hidráulicas, marítimas y portuarias. - Edificación urbana, industrial y de servicios. - Centrales de energía. - Minería y canteras. - Almacenamientos para residuos urbanos, industriales y radiactivos. - Ordenación del territorio y planificación urbana. - Protección civil y planes de emergencia.
SUELO
ORIGEN Y
FORMACION DE LOS SUELOS
Los suelos tienen su origen en los
macizos rocosos preexistentes que
constituyen la roca madre, sometida
a la acción ambiental disgregadora de
la erosión en sus tres facetas:
Faceta Física
Debida a cambios térmicos (lo que origina dilataciones diferenciales entre los
diferentes minerales y da lugar a acciones y fisuras internas) y a la acción del agua (arrastres de fragmentos ya erosionados; posible acción directa por congelación, que produce tensiones internas por el
aumento de volumen del hielo respecto al agua; acción alternante de humedad-sequedad a lo largo del tiempo, etc.).
Estas acciones físicas tienden a romper la roca inicial y a dividida en fragmentos de tamaño cada vez más pequeño, que pueden ser separados de la roca por
agentes activos (agua, viento, gravedad) y llevados a otros puntos en los que continúa la acción erosiva. Es decir,
tienden a crear las partículas que van a formar el suelo.
Faceta Química
Originada por fenómenos de hidratación (por ejemplo, paso de anhidrita o sulfato
hemihidratado a yeso o sulfato dihidratado), disolución (de sales, como los
sulfatos en el agua), oxidación (de minerales de hierro por efecto
ambiental), cementación (por agua conteniendo carbonatos previamente disueltos a partir de otra roca), etc.
Esta acción, por lo tanto, tiende tanto a disgregar como a cementar, lo que quiere decir que puede ayudar a la
acción física y, posteriormente, cementar los productos
formados, dando unión química a las partículas pequeñas, tamaño suelo,
que se forman, aunque la mayor parte de las veces contribuye más a destruir
y transformar que a unir.
Faceta Biológica
Producida por actividad bacteriana, induciendo putrefacciones de materiales orgánicos y mezclando el producto con
otras partículas de origen físico-químico, actuando de elemento catalizador, etc.
Todo ello da lugar a fenómenos de disgregación
(alteración o meteorización) y transformación de
la roca, creándose el perfil de meteorización
En este perfil la roca madre ocupa la parte más baja y alejada de la superficie, y el
suelo la más alta. Cuando el suelo permanece in situ sin ser transportado, se le conoce como suelo residual, y cuando
ha sufrido transporte, formando depósitos coluviales, aluviales, etc., se
denomina suelo transportado.
FERFIL DE METEORIZACION O INTEMPERIZACION
A continuación se resumen los
distintos procesos que intervienen en la
formación de los suelos, caracterizados por:
Ser un sistema particulado de sólidos de diverso origen, que pueden considerarse indeformables. Tener una granulometría de gruesos (centímetros) a finos (micras); las partículas más finas (por debajo de las 2 ó 5 micras) necesitan procesos físico-químicos para su constitución; las de mayor tamaño solo necesitan procesos físicos, aunque pueden intervenir los químicos
- Una estructura y fábrica en función del origen de los minerales, agentes cementantes, medio de deposición transformaciones químicas, etc.
- Presencia importante de huecos (o poros o intersticios), con agua (suelo saturado), aire y agua (semisaturado) o solo aire (seco), situación prácticamente inexistente en la naturaleza. El fluido intersticial se considera, a la temperaturas normales, incompresible.
- Las deformaciones del conjunto del suelo se producen por giros y deslizamientos relativos de las partículas y por expulsión de agua; solo en raras ocasiones se producen por roturas de granos.
Formación de los suelos
LOS SUELOS
La acción antrópica, en el entorno geográfico, altera las condiciones del medio natural cuando se realizanexcavaciones, explanaciones, aplicación de cargas al terreno, etc. La respuesta del terreno frente a esa alteración depende de su constitución y características,de los condicionantes geológicos del entorno, de laspropiedades que están relacionadas con las actuacioneshumanas y del acomodo de la obra realizada al entornonatural. La respuesta del terreno, por lo tanto, es compleja,dependiendo en primer lugar del material o materialespreexistentes en la zona y del tipo de acciones a que se lesometa
Si el terreno es un macizo rocoso, la respuesta
vendrá condicionada por la resistencia de la roca,
la presencia de zonas alteradas, las
discontinuidades, etc. Pero si se trata de suelos,
es decir, materiales sueltos fruto de la erosión
ejercida sobre rocas pre-existentes y depositados
por acción del agua o del aire, la respuesta
cambia sustancialmente, así :
Los suelos están formados por partículas
pequeñas (desde micras a algunos centímetros) e individualizadas que, a efectos prácticos, pueden considerarse indeformables.
Entre partículas no cementadas (o ligeramente
cementadas) quedan huecos con un volumen
total del orden de magnitud del volumen
ocupado por ellas (desde la mitad a varias veces
superior).
Un suelo es un sistema multifase (bifase
o trifase). Los huecos, poros o intersticios pueden
estar llenos de agua, suelos saturados, o
con aire y agua, suelos semisaturados, lo
que condiciona el conjunto del material.
En condiciones normales de presión: y
temperatura, el agua se considera
incompresible.
SUELO
Se le define como un agregado de minerales, unidos por fuerzas débiles de
contacto, separables por medios mecánicos de poca energía o por
agitación en agua.
DESCRIPCION Y CLASIFICACION DE SUELOS
El suelo como sistema particulado
DESCRIPCION Y CLASIFICACION DE SUELOS
El suelo como sistema particulado
DESCRIPCION Y CLASIFICACION DE SUELOS
El suelo como sistema particulado