Mecánica de suelos aplicada.

En ingeniería civil se trata de construir, y para construir es necesario tener buenos cimientos. Y dichos cimientos se apoyan en el suelo.
Estas situaciones no se dan todos los días en todas las disciplinas de la ciencia, nononó.

En resumidas cuentas, la ingeniería civil descansa en la mecánica de suelos. Sin mecánica de suelos, la ingeniería civil se hunde irremediablemente. Así, la mecánica de suelos nos permite diseñar, calcular y construir obras de ingeniería civil.

Todo tiene su origen en alguna cosa, y en el caso de la mecánica de suelos esto viene de la física clásica.
De la física clásica surge la mecánica, rama que se dubdivide en otras tres de interés para nosotros: el estudio de los cuerpos rígios, de los cuerpos deformables y de los fluídos. Los cuerpos rígidos son idealizaciones, pero nos sirven para comprender la operación de la naturaleza. El estudio de los cuerpos rígidos lo dividimos en dos: estática y dinámica. La estática es el estudio de los objetos que se mantienen quietos, en cambio, la dinámica es el estudio de objetos que se desplazan a través del tiempo y el espacio. La dinámica está, a su vez, subdividida en cinemática y cinética, esto es, lo que hace que se muevan los cuerpos y lo que pasa con esos cuerpos que se mueven.

Sin embargo, en el mundo real los cuerpos no son rígidos sino deformables. Alejándonos de las idealizaciones de los cuerpos rígidos pero aún así beneficiándose de su análisis, nos encontramos con la mecánica de cuerpos deformables, de donde deriva la resistencia de materiales, entre los cuales el suelo es un material formado por partículas discretas y cuyo análisis será, por naturaleza, más estadístico que exacto. También nos encontramos con la mecánica de fluídos, la cual se divide en dos grandes ramas, la de líquidos y la de gases, cuya principal diferencia es la compresibilidad. Los líquidos, para todo efecto práctico, no se comprimen; en cambio, los gases sí pueden ser comprimidos. En la realidad los sólidos y los líquidos también son compresibles pero no en la misma medida que los gases, : comprimir aire, por ejemplo, requiere una presión de 1.01*10^5 pascales, en tanto que comprimir el agua requiere 2.2*10^9 pascales, y comprimir cristal (el cual, como sabemos, es bastante frágil) requiere 35*10^9 pascales. La diferencia es apreciable a simple vista. De esta manera, los suelos, que están formados por partículas sólidas, líquidas y gaseosas, deben ser estudiados por las tres grandes ramas de la física mecánica.

Ahora bien, los suelos, como ya he dicho antes, no son componentes continuos sino discretos. Llamamos suelo a la capa superior de la superficie terrestre que no es roca ni agua, sujeta a la acción biológica y química, y que es producto de la desintegración mecánica, química o biológica de rocas. En un sentido práctico consideramos roca a cualquier partícula con un tamaño superior a 12 centímetros, y suelo a cualquier partícula con un tamaño menor a 12 centímetros. El suelo se forma por medio del trabajo de agentes generadores, los cuales existen en dos grandes categorías: físicos y químicos. Los agentes físicos se encuentran en ambientes marinos, fluviales, volcánicos y desérticos; tienden a operar de manera meramente mecánica y forman partículas con tendencia adoptar una forma tridimensional. Los agentes físicos son, pues, los encargados de formar fragmentos de roca, boleos, gravas, arenas y limos no plásticos.

Los agentes químicos, en cambio, suelen encontrarse en zonas lacustres y estuarios, y son primordialmente químicos. Tienden a formar partículas de forma laminar bidimensional ,lo que les otorga una gran capacidad de interacción con líquidos. Los agentes físicos son los encargados de formar limos plásticos y arcillas. Existe una zona de transición al pie de las laderas, donde se juntan al mismo tiempo los agentes físicos y químicos, provocando boleos empacados. Las partículas arrastradas, muy grandes para ser transportadas por el agua, acumulan humedad al pie de las laderas de cerros y montes, y la acción química del agua permite la creación de limos plásticos o arcillas de baja plasticidad, que en sucesivas lavadas termina cubriendo los boleos formando a estructura que semeja al turrón o a una palanqueta.

Podemos dividir entonces el suelo en dos grandes grupos: los suelos gruesos, que son suelos no plásticos y no cohesivos, es decir, friccionantes, y van desde limos hasta fragmentos de roca; y los suelos finos, plásticos o cohesivos ,que van de lomos plásticos hasta arcillas. La superficie específica de la partícula es lo que le da sus características en relación al agua: es la superficie de la partícula con respecto a su peso y a su forma. Los suelos con una mayor superficie específica retienen y atraen al agua en mayor capacidad. De esta manera un gramo de caolinita, que es una arcilla relativamente gruesa, puede cubrir, con suficiente humedad, una superficie de hasta doce metros cuadrados. Un gramo de linita, que es una arcilla de textura media, puede cubrir hasta 40 metros cuadrados. Y un gramo de montmorillonita puede cubrir desde 80 hasta 300 metros cuadrados sin romperse.

La superficie específica en las arcillas es mayor porque sus partículas adoptan una forma de lámina, por lo que presentan mucha superficie a la cual el agua se puede adherir en relación a su peso. En cambio, los suelos friccionantes, con una forma de partícula ridimensional, presentan menos superficie en relación a su peso; la excepción es evidente en el caso de los limos plásticos, los cuales tienen partículas tan pequeñas que las fuerzas del agua dominan.

El agua actúa formando tres capas alrededor de las partículas del suelo. La primera es una capa dura, formada por agua adsorbida que se adhiere a la partícula. Una vez que el agua se adhiere es muy difícil retirarla por medios mecánicos. La segunda es una capa saturada, formada por agua absorbida que se aloja en los vacíos entre las partículas. El agua que se aloja en los capilares puede ser removida por medios mecánicos pero no necesariamente al ritmo deseado. La tercer capa es agua libre o gravitacional, se aloja en poros, huecos, cavidades y vacíos, y se almacena sólo hasta que la gravedad o acción mecánica la saca.

Tomando en cuenta estas características podemos observar que la adsorción y la absorción son características fundamentales en los suelos finos y arcillas, en tanto que en los suelos gruesos el agua gravitacional es lo que más influye, cuando influye. Podemos entonces centrar el análisis del suelo existente en una zona gráfica de acuerdo a las características físicas que lo originaron, lo cual nos permite sistematizar la exploración del suelo. De esta manera, la exploración del suelo puede ser dividida en dos grandes gruposÑ la exploración preliminar y la exploración detallada.

La exploración preliminar es aquella que permite conocer las características esenciales del suelo de una manera rápida y sencilla, lo que permitirá elegir la forma de atacar el problema de su exploración detallada con mayor facilidad al reducir la búsqueda de acuerdo a un cierto número de variables esenciales. La primera es la localización del sitio. Esto nos permite erducir los tipos de suelo existentes relacionando la geografía del lugar con los agentes generadores de suelo: un sitio desértico, por ejemplo, tiene una probabilidad ínfima de tener arcillas. Conociendo la localización podemos acudir a las cartas geológicas, topográficas, hidrológicas y satelitales que se encuentren disponibles. Esto nos permitirá deducir el tipo de suelo que nos encontraremos en nuestro análisis de campo.

Es necesario conocer también las condiciones de sismicidad existentes, pues la acción mecánica vibratoria de los terremotos también contribuye a la generación de suelos, pues no es lo mismo un terremoto tectónico o volcánico que un terremoto ambiental, producido por tráfico, maquinaria, rupturas y caídas de roca. También es necesario conocer las condiciones socioeconómicas del lugar, pues un lugar con alta población humana tiene una tendencia a cambiar el tipo inmediato de suelo que un sitio sin población. Las condiciones socioeconómicas nos permiten también deducir mucha información tan solo por observar las edificaciones existentes, la topografía local y el nivel de aguas freáticas. Incluso una entrevista con los vecinos del lugar nos permitirá conocer características del suelo sin necesidad de escarbar nada.

La exploración preliminar nos permitirá conocer, entonces, qué tipo de suelo será el más probable que nos encontremos en un sitio dado, y entonces podremos elegir las pruebas detalladas que realizaremos en ese lugar: por ejemplo, no tiene sentido hacer pruebas de plasticidad a un suelo formado primordialmente por gravas. Las pruebas definitivas que le haremos a un suelo se pueden clasificar en dos grandes grupos: las pruebas indirectas o geofísicas y las pruebas directas. Cada una tiene sus pros y sus contras.

Las pruebas ndirectas son las geosísmicas, geoeléctricas, gravimétricas y de radas. No requieren muestrear el suelo para conocer sus características, pero no pueden ofrecer un panorama detallado de sus componentes. La prueba geosísmica, por ejemplo, nos permite conocer la localización aproximada de las diferentes capas de roca, pero no con exactitud. La prueba geoeléctrica nos permite conocer la humedad del suelo y correlacionarla con diversos tipos de suelos, pero no el tipo de material con exactitud. La prueba gravimétrica nos permite conocer la existencia de una capa de roca firme, pero no la composición de las capas anteriores. El radar nos permitirá conocer los tipos de capas debajo de la superficie, pero, no su contenido de humedad. Uno o en conjunto nos permiten conocer de una manera estadística y aproximada el suelo existente sin necesidad de obtener muestras, como paso previo a decidir si el suelo es apto o no para construir sobre él.

Para conocer específicamente las características de un suelo es necesario hacerle pruebas directas que nos permitan concoer las propiedades físicas del suelo y su comportamiento. Estas pruebas se pueden obtener por medio de muestreos alterados, muestreos inalterados y sondeos sin muestras. Hay diversas formas de realizar estos muestreos, y su utilidad dependerá también de la habilidad de quien realize las pruebas. Nonguna prueba es infalible, porque, para conocer detalladamente a un tipo de suelo, sería necesario realizar las pruebas sobre cada una de las partículas que lo forman, lo cual es imposible. Como ya hemos visto con anterioridad, al ser el suelo un material formado por partículas discretas su tratamiento no puede ser más que estadístico, aunque eso sí, muy confiable.

El muestreo alterado consiste en obtener una muestra de suelo representativa del total y ealizar pruebas en condiciones controladas. La muestra se llama alterada porque no conocemos exactamente qué condiciones tenía en el momento de extraerla del suelo. Los principales métodos son el pozo a cielo abierto, la pala posteadora, los helicoides y el ensaye de penetración estándar. El pozo a cielo abierto implica remover una gran cantidad de material, lo que permite obtener una muestra abundante y nos facilita el trabajo, pero es difícil de excavar y a partir de una cierta profundidad, la excavación se vuelve peligrosa, en especial si nos topamos con el nivel de aguas freáticas. El uso de la pala posteadora nos permite alcanzar una mayor profundidad, atravesar el manto freático, y una mayor velocidad de exploración. A cambio, la pala sólo puede remover una muestra menor en cantidad y confundir el nivel de humedad. El uso del helicoide, que es el equivalente electromecánico de una pala posteadora, nos permite obtener una muestra en gran cantidad y con rapidez, pero, a cambio, disminuye la confiabilidad de las fronteras entre las diversas capas de material geológico. La prueba de penetración estándar nos permite comparar la resistencia del suelo con base en muestras normalizadas, nos permite obtener una muestra del suelo, aunque no en cantidad, y es muy rápida; en cambio, la prueba está sujeta a la destreza del operador.

La prueba de penetración cónica es una variación del ensay de penetración estándar, pero en este caso, sin muestreo. Nos permite comparar la resistencia de un suelo y es muy rápida, pero al no obtener una muestra no conocemos exacamente qué tipo de material se encuentra. Una excepción es cuando conocemis que en las capas inferiores se encuentran gravas y boleos, los cuales dañarían irremediablemente las palas de penetración estándar, y por tanto, son suelos bastante resistentes de por sí.

Los muestreos inalterados requieren tomar una muestra en las mismas condiciones que se encontraba en la naturaleza. Las muestras inalteradas casi siempre se aplican a suelos arcillosos, pues los demás tipos de suelos se destruyen con facilidad al intentar obtener una muestra. El proceso de toma de muestra se realiza por tres métodos diferentes. En suelos superficiales se puede usar un pozo a cielo abierto: se delimita una zona donde se realizará la excavación y e marca con cuidado la muestra, se procede a retirar todo el material a su alrededor, y se retira, teniendo cuidado de aislarla de los elementos y de marcar exactamente su posición y orientación. Es un proceso lento y tardado pero muy efectivo. Para facilitar el proceso se puede utilizar un tubo Shelby, el cual es un tubo de pared delgada que trata de no modificar el suelo en la medida de lo posible y extrae una muestra con la cual se puede trabajar. Es efectivo en arcillas, limos y arenas finas, pero tardado y requiere de tiempo, paciencia y habilidad mientras más grueso se vuelve el suelo. En el caso de boleos y gravas se suele utilizar el barril Denisson, el cual es un tubo de gran diámetro con una broca en los bordes, que permite obtener una muestra completa del suelo, pero no es tan confiable como los otros métodos.

El objetivo de la muestra es conocer las propiedades físicas y químicas del suelo. Estas propiedades podemos separarlas como propiedades índice, mecánicas e hidráulicas. Las propiedades índice nos permiten conocer las características inmediatas para clasificar un suelo. Podemos encontrarlas tanto en campo como en laboratorio, la diferencia principal siendo que las de campo pueden determinarse de manera rápida y económica, con poco o ningún material especializado: color, olor, textura y apariencia son las cuatro características principales.

El color nos permite identificar el tipo de suelo; su olor, el contenido de materia orgánica; la textura nos permite distinguir entre arenas, limos y arcillas y su apariencia nos permite identificar sus características físicas. La textura requiere saturar una pequeña muestra del suelo, pues en condiciones secas es difícil distinguir un fragmento de roca de una arcilla. Se satura una muestra, y se siente su textura: una arena tendrá una consistencia rugosa, en tanto que un limo tiene una consistencia harinosa y una arcilla una textura jabonosa. Al golpear la muestra la arena y el limo expulsan agua, en tanto que la arcilla se deforma pero no expulsa agua. Finalmente, una arcilla conservará la forma que se le dé, en tanto que una arena no lo hace, y un limo lo hará sólo mientras está húmedo.

La apariencia del suelo también proporciona valiosa información sobre el mismo, pero no necesariamente específica para un estrato en particular. Aquí debe observarse si el suelo es homogéneo o heterogéneo; si presenta estratificaciones, la profundidad de cada una y las curvas de nivel que siguen, la presencia de vetas o manchas de otros suelos o materiales, y el rompimiento prismático o agrietamiento, estos últimos elativos a la cantidad de agua en la zona: un rompimiento prismático es señal de inundaciones anuales, en tanto que un agrietado es señal de alta plasticidad en el suelo y presencia de agua más o menos constante. Resumiendo, las propiedades índice se pueden encontrar viendo, oliendo, tocando, calificando y relacionando.

Las propiedades índice en laboratorio son igualmente sencillas de obtener pero requieren material más elaborado para obtener resultados precisos. Estas propiedades son la relación volumétrica, la relación gravimétrica, la composición granulométrica y la plasticidad. La relación volumétrica nos permite conocer la relación entre los tres componentes del suelo, sólidos, líquidos y gaseosos. Se mide fundamentalmente por su densidad, la relación de vacíos presentes, su porosidad y su saturación; llamamos vacío a cualquier cosa que no sea sólido, esto es, líquidos y gases. La gravimetría mide, en cambio, el peso de ese mismo volumen y la relación entre sólidos, líquidos y gases, con el peso de los gases siendo cero para propósitos de cálculo.

La composición granulométrica nos permite conocer la composición promedio de los tamaños de partículas presentes en el suelo, y con esto, clasificar el tipo de suelo. Los suelos presentes en la naturaleza casi siempre entran en la categoría de bien graduados, excepto en circunstancias específicas, en tanto que los suelos comerciales se separan por tamaño y son, por definición mal graduados. Un suelo debe contener fragmentos grandes, medianos, chicos, finos y arcillosos para ser un suelo bien graduado, de tal manera que todos los tamaños de pertículas estén presentes en cierta proporción. Un suelo formado específicamente por arenas carece de gruesos y arcillas; un suelo de grava carece de arenas y arcillas; un suelo arcilloso carece de gravas y arenas. La composición granulométrica puede ser identificada mecánicamente para gravas y arenas, simplemente separando los distintos tamaños de partículas presentes en una muestra, mientras que para limos y arcillas, que son partículas muy finas, se requiere hacer pruebas con un hidrómetro para conocer, de nueva cuenta, el contenido de los diversos tamaños de partículas de manera estadística.

Para propósitos de la mecánica de suelos las gravas están comprendidas por partículas con un tamaño máximo de 50 milímetros y un tamaño mínimo de 5 milímetros; las arenas tienen tamaños de menos de 5 milímetros a 0.07 milímetros, y cualquier cosa por debajo de este tamaño, donde ya no se puede identificar un grano a simple vista, es considerado suelo fino, es decir, limo o arcilla. con base en estos tamaños podremos establecer la graduación del suelo: el coeficiente de uniformidad es el cociente entre el tamaño máximo de partícula que forma el 60 porciento del total y el tamaño máximo del 10 porciento del suelo debe ser superior a tres; el coeficiente de curvatura es aquel en que el cuadrado del 30% de la masa del suelo retenido por tamaño, entre la suma del 60 y 10 por ciento del suelo, se encuentra entre 1 y 3.

Las arcillas, en cambio, tienen otras propiedades, las cuales dependen del tamaño y forma de su partícula, pero también de su estructura química. En este caso, podemos hablar de cinco estados del suelo: un estado líquido, en el que el suelo tiene tanta agua que no se autocontiene y no resiste ningún esfuerzo cortante; un estado semilíquido, en el que ya empieza a autocontenerse y resiste un esfuerzo cortante poco significativo; un estado plástico, en el cual ya se autocontiene y puede cambiar de forma sin agrietarse, desmoronarse o cambiar su volumen; un estado semisólido, en el que se comporta como un cuerpo rígido pero puede perder peso y volumen al evaporarse el agua o bajo presión, siendo aún flexible pero en menor medida; y un estado sólido en el que se comporta como un cuerpo rígido pero no pierde peso ni volumen por evaporación.Lo que interesa, desde el punto de vista de la ingeniería civil, es el índice plástico, el cual marca la frontera entre el límite líquido y el límite plástico, donde el suelo no se agrieta, desmorona ni cambia de volumen. La prueba de contracción volumétrica nos permite encontrar este límite, al medir la cantidad de humedad presente en un suelo justo en el estado plástico y compararla con la que se encuentra en el estado sólido: la pérdida de agua contraerá la muestra de suelo arcilloso, y la diferencia en peso y volumen nos permite encontrar la cantidad de agua requerida para que el suelo retome la consistencia plástica.

Además de las propiedades índice debemos encontrar las propiedades hidráulicas del suelo, las cuales sólo pueden encontrarse por pruebas de laboratorio. Éstas son la capilaridad y la permeabilidad, lo que nos permite predecir (que no conocer) el comportamiento de un suelo en función del flujo de agua en su masa. La capilaridad es el movimiento de agua en los canalículos presentes en todo suelo, pequeños tubos formados por los vacíos entre las partículas discretas del suelo. Mientras más pequeños sean los canalículos, la tensión superficial del agua será lo bastante fuerte como para ascender por sus paredes; esta propiedad es especialmente útil para suelos gruesos, pues el agua no tiene posibilidad de ascender por los canales tan grandes, formando una capa rompedora de capilaridad que permite nrutar al agua fuera de una estructura, especialmente útil si hay un manto freático muy sercano, o una corriente de agua cercana o incluso subterránea. Debido a que los canalículos son muy difíciles de observar, se emplean diversas pruebas para deducirlos y calcular la velocidad con la cual el agua atraviesa el suelo de manera tanto horizontal como vertical, con lo que se obtiene el coeficiente de permeabilidad. Estas pruebas generalmente requieren la presencia de muestras inalteradas, pero también pueden realizarse con pruebas alteradas como guía de lo que sucederá después de una compactación, por ejemplo.

El coeficiente de permeabilidad puede obtenerse utilizando métodos directos o indirectos. Los métodos directos son el uso de un permeámetro de carga variable o de carga constante y la prueba directa en el lugar, mientras que los indirectos son la curva de distribución granulométrica, la correlación Allen-Hazen, la prueba de capilaridad horizontal y la prueba de consolidación unidimensional. Evidentemente, un suelo muy grueso será muy permeable, pero más resistente que un suelo arcilloso, el cual será más impermeable. La arcilla es impermeable no porque no permita el paso del agua sino porque dificulta demasiado el paso de la misma. Así, la cortina de una presa de tierra está formada por un núcleo de arcilla protegido por dos respaldos de gravas y arenas, a su vez protegidos por enrocamientos. Aunque las rocas, las gravas y las arenas son permeables, la arcilla contendrá el agua; los respaldos son para proteger a la arcilla de la fuerza mecánica del agua.

El último grupo de propiedades mecánicas es la deformabilidad, que es la resistencia del suelo a los procesos de consolidación, compactación y compresibilidad. La consolidación es el proceso mecánico que obliga a la masa de suelo a perder volumen; en cambio, la compactación es el proceso constructivo que obliga a la masa a perder vacíos. Aunque ambas definiciones pueden parecer similares, es necesario hacer notar que son procesos diferentes: la consolidación es el cambio de volumen con respecto al tiempo mientras que la compactación es el cambio de volumen con respecto a una fuerza. La compresibilidad, asímismo, es la diferencia de volumen con respecto a una presión.

En la consolidación misma podemos distinguir dos clases de consolidaciones: la consolidación primaria es aquella que ha recibido el suelo a lo largo de su historia; la secundaria, aquella que el suelo experimentará al aplicársele una presión grande constante después de la consolidación primaria. El suelo tiende a recuperar su volumen inicial después de una consolidación secundaria, pero no completamente. Esta deformación puede medirse y clasificarse: la deformación plástica es cuando el volumen del suelo disminuye al aplicársele presión; la elástica, es cuando el suelo trata de recuperar su volumen anterior. El punto donde se tocan ambas deformaciones es el punto de deformación elastoplástica y es el punto que le interesa encontrar a la ingeniería civil. Las curvas generadas por el suelo son logarítmicas, lo que las vuelve difíciles de ver de manera normal; además, varían tanto en función de la presión como en función del tiempo, lo que las vuelve muy grandes y hace que las pruebas de laboratorio sean muy tardadas.

Sin embargo, si se conocen todos los factores involucrados en la consolidación (el punto de consolidación, el índice de compresibilidad, el coeficiente de compresibilidad y la presión) es posible predecir el asentamiento, en función de la carga que recibirá el suelo y si esta carga es menor a su límite de preconsolidación. Si la carga es menor a la que el suelo recibió alguna vez, el suelo no se asentará más; en cambio, si la carga es mayor se presentará un hundimiento de la estructura que puede ser comprendido y previsto antes de la etapa de construcción. Esto es posible gracias a la teoría de distribución de esfuerzos en la masa del suelo desarrollada por Boussinesq, la cual se basa en cuatro hipótesis: el suelo es homogéneo; el suelo es isótropo; el suelo es linealmente elástico y el suelo es una masa semiinfinita. Por sí mismas las hipótesis son fácilmente falseables; sin embargo, dentro de un cierto rango práctico la teoría proporciona resultados prácticos.

Bien sabemos que el suelo no es homogéneo sino que está formado por partículas de diferentes tamaños y que la distribución de estas partículas variará dependiendo de su ubicación geográfica; sin embargo, al ser analizado por medios estadísticos, se puede asumir que el suelo se comportará de una manera homogénea en un volumen relativamente pequeño, También es cierto que el suelo no es un isótropo, porque no se comporta igual en la misma dirección siempre; sin embargo, como de cualquier manera el suelo sólo recibirá una presión artificial desde una sola dirección (arriba) podemos considerar que no tine mayor importancia en el área en la que se realizará la obra civil. El suelo tampoco es linealmente elástico, pero, de nueva cuenta y analizado estadísticamente, l rango en el que variará es lo suficientemente pequeño como para ser tratado de manera lineal.Finalmente, la masa de suelo tampoco es semiinfinita, y de nueva cuenta, al alcanzar una cierta profundidad la variación de presión que recibirá es lo bastante pequeña como para ser despreciable.

La teoría de Boussinesq se aplica exclusivamente al estrato deformable del suelo, lo que corresponde a la gran mayoría de los suelos existentes. La deformación es igual a tres veces la presión a la que se someterá el suelo, dividido entre dos veces pi, multiplicando al cociente del cubo de la profundidad del estrato entre la distancia radial elevada a la quinta potencia, donde la distancia rdial es la hipotenusa del triángulo formado por las distancias horizontales y verticales donde se aplicará la presión con respecto al punto donde se medirá la deformación. Esto nos permite calcular el asentamiento diferencial, que no es otra cosa que la diferencia entre asentamientos. Es importante controlar este asentamiento diferencial, porque, a pesar de ser robustos, los muros pueden presentar agrietamientos y fallas por esfuerzos cortantes, los cuales pueden llevar al colapso del edificio.

Los asentamientos son más fáciles de calcular cuando se tienen exclusivamente columnas discretas, las cuales, efectivamente, son pilotes de cimentación. La mayor parte de las estructuras, sin embargo, no pueden ser calculadas de manera puntual, o incluso esto no es deseable. En este caso se pueden calcular los asentamientos con elementos semejantes a vigas, con elementos semejantes a placas, o con elementos redondos. El cálculo es similar para todos los casos y se diferencia exclusivamente en la curva de presiones que se forma bajo el o donde se aplica la carga, por medio de la hipótesis de superposición de presiones. De esta manera podemos calcular que la presión en el suelo producida por un cuerpo en su superficie se extiende no sólo hacia abajo, sino también hacia los lados, siendo ésta menor mientras más alejado del punto de apoyo esté y mientras más cercano a la superficie se encuentre, formando, efectivamente, curvas. Estas curvas son el resultado de integrar una diferencial de área correspondiente a una figura que representa la forma en que se aplicará la presión, y utilizando esta diferencial en la fórmula de Boussinesq. El cálculo de ésta integral se puede hacer por medio de tablas de aplicación o por medio de cherramientas de cálculo; no es necesario que sea precisa porque el suelo tampoco responde de modo exacto, más bien, el cálculo debería tomar en cuenta un factor de seguridad para proteger a la construcción. Terzaghi, padre de la Mecánica de Suelos, consideraba que este factor de seguridad debía ser al menos 3, es decir, que sólo se cargara al suelo con un 33% de la carga calculada. Hoy tenemos mejores formas de calcular la resistencia del suelo, pero se sigue aplicando este factor de seguridad. Este factor se explica debido a la incapacidad que tenemos, en medios normales, de probar todas y cada una de las partículas de un suelo para probar su resistencia.

a resistencia del suelo a los asentamientos nos permite una correlación rápida por medio de las pruebas de penetración estándar, lo que a su vez nos lleva a comprender que el suelo presenta una resistencia natural al esfuerzo cortante. Esta resistencia varía en función a la cohesión que tenga el suelo, su ángulo de fricción interno, y la resistencia al esfuerzo normal al plano cortante. Calcular el parámetro de cohesión nos conlleva a la realización de pruebas para obtener las propiedades fisicoquímicas del suelo, en tanto que el ángulo de fricción interna requiere de estudios granulométricos, la forma de la partícula, y la resistencia de la partícula. En esencia, el ángulo de fricción interno es el ángulo por el cual un bloque de suelo presentará una fractura al aplicársele una fuerza normal, y puede determinarse por métodos de campo y métodos de laboratorio.

Los métodos de campo son el método de penetración, que es muy confiable para suelos friccionantes; de veleta o torcómetro, que es indicativo en suelos friccionantes y un poco más confiable en suelos arcillosos, y en corte directo, que es aceptable para todo suelo. Es preferible obtener una muestra inalterada de suelo para realizar ensayos de laboratorio, dependiendo del tipo, se puede realizr una prueba de corte directo con la muestra, que es aceptablemente confiable, o la prueba de compresión triaxial, la cual es la más confiable.

En este caso, los suelos se evalúan por su tipo: los suelos friccionantes se evalúan de acuerdo a su compacidad como muy compacto, compacto, medio, suelto o muy suelto; en cambio, los suelos cohesivos se evalúan por su consistencia como dura, muy firme, firme, media, blanda y muy blanda. La esencia de la prueba triaxial consiste en confinar la muestra por todos sus ejes y aplicar una presión exclusivamente en el mismo sentido en que la recibiría estando en el lugar. El confinamiento en los ejes X y Y es equivalente al que recibiría del resto del suelo y el eje Z simulará la presión de la construcción. De esta manera la muestra inalterada fallará de la misma manera en que fallaría en el tereno natural, y podemos conocer entonces el ángulo de fricción ya que los valores de cohesión y presión os generará el equipo de prueba. Esta prueba puede realizarse en varias combinaciones de dos etapas principales: confinamiento y ruptura. El confinamiento se refiere a la consolidación previa de la muestra. La ruptura se refiere al drenado o no drenado previo de la muestra. Tenemos entonces tres diferentes pruebas: una masa no consolidada y no drenada, o prueba rápida; una muestra consolidada y no drenada, o prueba rápida consolidada, y una muestra consolidada y drenada, o prueba lenta. Evidentemente, la prueba lenta ofrecerá los mejores resultados, pero también toma mucho más trabajo y tiempo de ejecución y muchas veces no es necesaria para construcciones normales: una casa, por ejemplo, no alcanzará casi nunca un peso que haga fallar una cimentación por asentamientos excesivos, lo que no se puede asumir de un rascacielos o un puente de varios carriles.

Esta prueba tiene os principios que nos permiten detectar el empuje lateral que sufre un suelo al aplicársele una presión. Ya hemos visto atrás que el suelo genera curvas de presión, y estas curvas son las que permiten deducir el empuje horizontal de un suelo. Si asumimos que el suelo es semiinfinito esto no tendría relevancia, pero, en el caso de un suelo inclinado o cortado, de pronto la relevancia nos salta a la cara. Si asumimos un corte y aplicamos una presión en su borde superior, el suelo tratará de expandirse para resistir a la presión, y esta expansión se desarrollará a lo largo de la superficie de las curvas de presión. Al alcanzar el ángulo de fractura el suelo fallará. Con un corte lo suficientemente largo el peso propio del suelo alcanzará el punto de falla. Es entonces que el suelo alcanza lo que se denomina el estado plástico activo y pasivo. El estado plástico activo se alcanza cuando la fuerza o la presión se le aplican al suelo de manera instantánea: los poros no alcanzan a erducir su volumen y la masa de suelo busca un lugar por dónde fallar. En cambio, el estado plástico pasivo es una presión continua de alta magnitud que ocasiona una consolidación inicial y un esfuerzo en los otros dos ejes del suelo para expandirse de manera más violenta, como Popeye apretando su lata de espinacas. El empuje de tierras es, por tanto, un factor a tener en cuenta al construir cualquier obra civil.

A partir de aquí podemos desarrollar un empuje igual y opuesto para retener al suelo. Partimos del supuesto que el empuje será lineal y constante (y, en términos generales y estadísticamente hablando, es correcto) por lo que para retener al suelo en su lugar bastará con construir un elemento que ofrezca un empuje igual contrario, lineal y constante, es decir, un plano inclinado. Este plano inclinado será sólido a lo largo, ancho y alto de su estructura, con una inclinación o talud constante. Esto permite que pueda calcularse el momento de volcamiento del suelo, es decir, aquel que ejerce la tierra que se busca retener, y el punto de volcamiento que utilizaremos para impedir que eso suceda. Para ofrecer una mayor seguridad los muros de retención sueles tener una pared en voladizo y un talud gravitacional, lo que añade fuerza y aleja el punto de volcamiento, al mismo tiempo que reduce costos de construcción. También tenemos que añadir un factor de seguridad al volcamiento, pues, de otra manera, una presión aplicada en la parte superior del suelo excederá nuestro diseño calculado y volcaría el talud. Este factor de seguridad suele estar entre 1.5 y 2, y también se deberá tener en cuenta al momento de calcular el peso propio de la estructura que queremos construir encimaÑ si no vamos a construir nada entonces estamos ante un corte y no un muro de retención, aunque en la práctica se calculen igual. La regla general es que mientras mayor sea el peso del suelo a retener, mayor será el ángulo de las paredes del talud. La misma teoría se utiliza para calcular muros en voladizo, aunque en este caso la forma varía. El muro también se ve afectado por un factor de seguridad al deslizamiento de una carga aplicada.

En el caso de los muros en voladizo, es necesario tener en cuenta el tipo de suelo en el que se construirá, pues cada uno de ellos ofrece una resistencia al deslizamiento del muro que puede ser aprovechada en su construcción, siendo este factor el menor en arcillas de alta plasticidad y mayor en suelo altamente cementado o roca viva. También debemos tomar en cuenta que mientras más compacto y cementado esté el suelo, puede no ser necesaria la construcción de un muro de retención, en especial a alturas cortas, siempre y cuando se calcule también el factor de seguridad. Así, en un suelo cohesivo, si se calcula la altura crítica, se aplica un factor de seguridad, y ésta construcción es mucho más elevada que el corte, no requiere construcción. Un muro de nueve metros que retenga un suelo de cinco metros no tiene sentido; en cambio, la construcción de un muro de cinco metros que retenga un corte de nueve puede estar justificada. En un suelo cohesivo friccionante se vuelve más necesaria la construcción del muro, pues su ángulo interno de corte varía mucho con la humedad, y el agua tiende a funcionar como lubricante para las partículas de menor tamaño. Sin embargo, la construcción de muros en voladizo es factible. En suelos puramente friccionantes se requiere, de manera forzosa, de un relleno inclinado que impida el deslizamiento del suelo. aquí deberemos calcular tanto la altura como la fuerza que deberá oponerse al momento motor, y por tanto, el ángulo que requerirá el talud opuesto al muro.

Los empujes laterales también permiten calcular las cimentaciones que deberán usarse en una obra civil. La cimentación puede ser superficial, con una losa continua o con zapatas aisladas, continaus o ligadas; o pueden ser profundas, con cajones, pilas o pilotes, los cuales pueden ser de punta, fricción o mixto. Una zapata no es mas que la ampliación de la bas de una cimentación, con el objetivo de proporcionarle una estabilidad mayor a la superestructura ante movimientos cortantes de tierra. Las zapatas corridas, que son las más comunes en construcciones pequeñas, cortan al suelo hacia adelante o hacia atrás; las zapatas cuadradas cortan al suelo en cualquiera de los cuatro ejes, y las zapatas circulares cortan al suelo en cualquier dirección. Esto implica que el tamaño de las zapatas debe ajustarse, con un factor de seguridad, para impedir que se deslicen por cortante y mantengan a la superestructura en su mismo sitio. Dependiendo, pues, del tipo de suelo, será la cimentación que se requerirá calcular.

Sirva esto como introducción a la mecánica de suelos aplicada, y si puedo, complementaré este texto con ejemplos y ecuaciones.

Saludos cordiales.

El Inge Ese.