El análisis geotécnico es una parte crucial del diseño de cimentaciones. Además de verificar la estabilidad de una cimentación y la resistencia del terreno, es importante conocer cómo se distribuyen los esfuerzos en profundidad del suelo, así como también cuáles serán las deformaciones de este.

Presiones en el suelo

El suelo puede ser un medio muy complejo: múltiples estratos irregulares, tamaño de partículas heterogéneo, flujo de agua, diferentes permeabilidades, y un sinfín de fenómenos físicos. Es por esto que es importante estudiar el estado tensional del suelo, para así discriminar cuáles son los principales comportamientos a los que hay que poner atención y cómo prepararse para estos desafíos.

Presiones naturales

La presiones naturales en el suelo son las correspondientes al peso propio del terreno. En el caso más simple, de un solo estrato de suelo homogéneo, la presión varía solamente en profundidad según:

$$\sigma(z) = \gamma \cdot z$$

Un caso más complejo corresponde al de múltiples estratos de suelo regulares con diferentes densidades, donde la presión depende igualmente solo de la profundidad:

$$\sigma(z) = \int_{0}^{h} \gamma(\xi) \cdot \xi \, d\xi$$

El caso todavía más realista corresponde a un terreno con múltiples estratos de suelo irregulares, donde las presiones ya no dependen solamente de la profundidad, sino también de las coordenadas $(x, y)$ de un punto en espcífico:

$$\sigma(x, y, z) = \int_{0}^{h} \gamma(x, y, \xi) \cdot \xi \, d\xi$$

En cada caso, las presiones naturales efectivas corresponden a la resta entre las presiones naturales y la presión de poros $\sigma^\prime (z) = \sigma(z) - u(z)$. Si se tiene un nivel freático a una profundidad $z_w$, la presión de poros se calcula según:

$$u(z) = 0 \qquad \qquad si \quad z \leq z_w$$

$$u(z) = \gamma_w \cdot (z - z_w) \qquad \qquad si \quad z \geq z_w$$

A partir de los diagramas de presiones naturales efectiva en el suelo pueden obtenerse algunas observaciones interesantes. Por ejemplo, la geometría de las curvas de nivel guarda relación con la geometría de los estratos de suelo con propiedades diferentes. Además, dentro de un mismo estrato de suelo, las curvas de nivel serán más cercanas conforme mayor sea el peso específico $\gamma$ del estrato.

Presiones inducidas

Al poner una carga sobre el terreno, esta se distribuye disipándose en profundidad. Para puntos del terreno cercanos a la carga se tiene un gran cambio en el estado tensional, mientras que para un punto lo suficientemente lejano el cambio es prácticamente nulo. La forma en que se distribuyen las presiones en profundidad está bastante estudiada para una carga puntual o algunas configuraciones simples, siendo Boussinesq el acercamiento más utilizado.

Es común en la práctica estudiar estos problemas de forma gráfica, utilizando diferentes ábacos en función de la geometría estándar de una cimentación. Sin embargo, el estudio de la disipación de presiones se complica para geometrías de cimentaciones más complejas, así como también para considerar la interacción entre bulbos de presiones de cimentaciones diferentes.

Un aumento en las presiones inducidas en el terreno puede ser particularmente delicado en ciertos casos, por ejemplo cuando hay construcciones subterráneas cercanas al proyecto, así como excavaciones o taludes. No solamente es importante estudiar los bulbos de presiones de cada cimentación independientemente, sino también la superposición de estos bulbos, pues en casos inusuales podría incluso producirse una falla del terreno en profundidad. De este modo, el análisis de la disipación de presiones en profundidad del terreno pasa a ser una necesidad prioritaria en la mayoría de los proyectos.

Asentamientos del suelo

En el diseño estructural hay muchas situaciones en las que se debe controlar tanto resistencia como serviciabilidad de forma independiente. Si bien son conceptos que están estrechamente relacionados, el cumplimiento de los requerimientos mínimos en uno no implica necesariamente el cumplimiento en el otro. Un caso muy típico es el diseño de una viga de gran luz, no basta solamente que no colapse, sino también que no tenga deflexiones o vibraciones excesivas. En el caso de suelos sucede algo similar, no solamente basta con que el suello no falle, sino que también hay que verificar qué tanto se "hunde" la estructura.

Asentamientos inmediatos (o elásticos)

El asentamiento inmediato ocurre de forma prácticamente instantánea tras la aplicación de la carga, sin que exista aún un cambio en el contenido de agua del suelo. En la práctica profesional y en softwares de cálculo como Foundaxis, este fenómeno se modela usualmente mediante la teoría de la elasticidad lineal (usando el Módulo de Young $E_s$ y la Relación de Poisson $\nu_s$), asumiendo que el suelo se comporta como un medio continuo y homogéneo.

Sin embargo, desde una perspectiva física detallada, este asentamiento "elástico" es en realidad la suma de dos mecanismos distintos:

1. Reordenamiento de partículas (Componente inelástica): Es el mecanismo predominante en suelos granulares. Al aplicar la carga, los granos de suelo deslizan y rotan para buscar posiciones más estables y compactas. Este movimiento es permanente e irreversible.

2. Deformación de los granos (Componente elástica): Corresponde a la deformación infinitesimal de las partículas de suelo en sus puntos de contacto. Esta componente es la única verdaderamente reversible y representa una fracción menor (en torno al 10%) del asentamiento inmediato total.

Nota sobre la ejecución en obra:

Dado que los softwares de diseño asumen un comportamiento elástico predecible, es fundamental que la componente de reordenamiento de partículas sea "agotada" antes de la construcción. Esto se logra mediante un proceso de compactación controlado. Al compactar el terreno, forzamos mecánicamente el reacomodo de los granos; de este modo, cuando la estructura aplique sus cargas reales, el suelo ya se encontrará en un estado de densidad tal que sus deformaciones sean mínimas y se mantengan mayoritariamente dentro del rango elástico recuperable.

Es importante recordar que la estrategia de compactación debe responder a la naturaleza del suelo: para suelos granulares (arenas y gravas) se recomienda una compactación mediante vibrado, que facilita el deslizamiento entre granos; mientras que para suelos finos (arcillosos) es necesaria una compactación mediante impacto o presión, para vencer la cohesión entre partículas.

Asentamientos por consolidación

Este tipo de asentamiento en predominante en suelos finos de baja permeabilidad al agua, pues el mecanismo físico que produce este asentamiento es la liberación progesiva de presión de poros mediante la expulsión de agua. 

En suelos arcillosos de baja permeabilidad, para el agua es difícil moverse entre las partículas de suelo. Ante la aplicación de una carga externa, dado que el agua es incompresible y no puede escapar, es precisamente el agua quien toma el exceso de carga en un inicio, mendiante un aumento de la presión de poros equivalente al aumento de carga aplicada. 

Conforme pasa el tiempo, el agua puede escurrir lentamente a través de las partículas de suelo. Es mediante este proceso que la carga se transmite lentamente a el esqueleto sólido, liberándose la presión de poros. Dependiendo de las propiedades del terreno, no es de extrañar que este proceso tome décadas en llevarse a cabo de forma natural, por lo que un edificio podría seguir hundiéndose muchos años luego de su construcción.

Asentamietos absolutos v/s diferenciales

Mientras la comparación de asentamientos elásticos y por consolidación corresponde a diferentes mecanismos del suelo para deformarse, la comparación de asentamientos absolutos y diferenciales corresponde a diferentes formas de medir la deformación. Esto se debe esencialmente a que diferentes asentamientos relativos podrían inducir daños en diferentes elementos.

Cuando controlamos el asentamiento absoluto nos preocupamos principalmente del comportamiento de una estructura inserta en un entorno exterior. Es relevante para evaluar las conexiones de servicios básicos (agua, alcantarillado, luz, gas), pues un asentamiento excesivo podría dañar e incluso dejar inhabilitada alguna conexión. También es relevante en términos de serviciabilidad de una estructura, que esta pueda seguir siendo utilizada, por ejemplo, en cuanto a permitir el tránsito de personas manteniendo un desnivel razonable con las veredas y calles.

Cuando controlamos el asentamiento diferencial nos estamos preocupando principalmente de la estructura en sí misma. Cuando dos puntos de una estructura tienen un asentamiento diferencial, cualquier elemento estructural que conecte ambos puntos experimenta un aumento enorme de esfuerzos internos. El caso más tangible puede ser un marco simple, en el que dos columnas están conectadas por una viga. La diferencia de asentamiento entre las columnas induce enormes esfuerzos de corte y momento en la viga.

 

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