La mecánica de suelos nació en el siglo pasado como una especialidad de la ingeniería civil, y con ello comenzó una era en el análisis y diseño geotécnico. En el último cuarto del siglo pasado, con la creación de la Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos (ahora llamada Sociedad Mexicana de Ingeniería Geotécnica), se han podido caracterizar ciudades y regiones del país que sirven de guía al ingeniero civil en el análisis y diseño geotécnico de cimentaciones.
La corteza terrestre está formada por materiales como rocas y suelos, cuya formación obedece a la acción de una serie de larguísimos procesos geológicos. De ahí que, cualquiera que tenga el propósito de construir obras civiles deba tomar en cuenta el estudio sistemático de estos materiales, además de conocer las características geológicas del sitio de la obra.
En la Tabla 1 se ilustra esquemáticamente la relación entre la geotecnia y la geología, ayudando a comprender la importancia de considerar el origen geológico de las rocas y los suelos en su clasificación, con el objetivo de aplicar los estudios geotécnicos a la ingeniería civil.
Propiedades mecánicas de los suelos
Este es el campo de interés de la geotecnia aplicada, disciplina que se auxilia de la geología para comprender los fenómenos naturales que dieron origen a la formación de los materiales que constituyen el terreno de cimentación. De la acción de este tipo de fenómenos dependerá la textura y la estructura de dichos materiales; y estas dos determinarán, a su vez, las características y las propiedades físicas de las que dependerá el comportamiento futuro de la estructura.
Son muchos los factores que conducen a la creación de asentamientos humanos —generalmente irregulares— en suelos no aptos. Sin embargo, las consecuencias casi siempre son las mismas: daños a las viviendas que ponen en peligro tanto el patrimonio como la salud y la seguridad de quienes las habitan.
Propiedades físicas de los suelos y las rocas
De acuerdo con el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (USCS, por sus siglas en inglés), a nivel internacional se identifican 15 tipos de suelos. Se les divide en gruesos y finos a partir de diferentes grupos que se designan por un símbolo formado por literales que tienen los siguientes significados:
Los suelos son materiales con partículas de tamaño menor a 7.5 cm (3”), y se clasifican con base en su composición granulométrica y en sus características de plasticidad, representada por los límites de consistencia. Se definen como suelos gruesos cuando más de 50 % de sus partículas es de tamaño mayor a 0.075 mm (malla No. 200), y como suelos finos cuando 50 % de sus partículas o más es de tamaño menor. Ambos se subdividen como sigue:
- Suelos gruesos
- Grava: más de 50 % de las partículas de la fracción gruesa tiene un tamaño mayor a 4.75 mm (malla No. 4).
- Arena: más de 50 % de las partículas de la fracción gruesa es de tamaño menor.
- Suelos finos: de acuerdo con sus características de plasticidad —establecidas en la carta de plasticidad—, se clasifican en Limos y Arcillas; si presentan material orgánico recibirán esta identificación. El limo se identifica con la letra M (Mo o Mjala), en tanto que la arcilla con la letra C (Clay). Cuando el suelo tiene presencia de materia orgánica se le asigna la letra O. En el caso de ser altamente orgánico, se identifica como turba (Peat-Pt), con base en su color, olor, sensación esponjosa, y, con frecuencia, por su textura fibrosa.
(Peat-Pt), con base en su color, olor, sensación esponjosa, y, con frecuencia, por su textura fibrosa.
Con base en el USCS, Tamez propuso la siguiente tabla, en la que se agrupan los suelos calificándolos según una escala relativa a su adaptabilidad como materiales de cimentación. Se emplean términos que van de Excelente a Muy malo, correspondiendo con la calificación dada a las propiedades mecánicas de compresibilidad y resistencia al esfuerzo cortante:
Suelos inestables
Existen otros tipos de suelos, conocidos como suelos estructuralmente inestables, que no pueden valorarse según causas mecánicas (resistencia y deformación), pues muchas veces intervienen factores de otra índole (químicos, ambientales, etc.), provocando un comportamiento singular del terreno. Por la importancia de su comportamiento, estos suelos son objeto de un estudio particular. Los principales suelos inestables se denominan como sigue:
- Suelos expansivos
- Suelos licuables
- Suelos colapsables
- Rellenos heterogéneos no controlados
Mecánica de suelos, la especialidad para el diseño geotécnico de cimentaciones
A nivel ingenieril, para los fines del empleo de los suelos como apoyo de las estructuras, donde deben usarse en su estado natural, la estratigrafía y la compacidad o consistencia natural son características estructurales de gran importancia práctica, ya que tanto la capacidad de carga como la deformabilidad de los suelos de cimentación están íntimamente relacionadas con sus características estructurales y estas, a su vez, con el origen geológico de los suelos y el modo en que fueron transportados y depositados.
Los aspectos estructurales de las rocas que suelen tener importancia práctica en las obras civiles son, principalmente, las discontinuidades, tales como: grietas, fallas, cavernas y zonas de alteración.
Asimismo, la presencia del nivel de agua freática es de interés tanto en los suelos como en las rocas, especialmente si se tienen que realizar excavaciones bajo este nivel. En todo caso, es clara la relación que existe entre la estructura de un depósito de suelo o roca y los procesos geológicos que los formaron.
¿Qué pasa cuando se construye en suelos no adecuados?
Son muchos los factores que conducen a la creación de asentamientos humanos —generalmente irregulares— en suelos no aptos. Sin embargo, las consecuencias casi siempre son las mismas: daños a las viviendas que ponen en peligro tanto el patrimonio como la salud y la seguridad de quienes las habitan.
La Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos ha desarrollado diversos métodos para estabilizar suelos que presentan baja resistencia al esfuerzo cortante, alta compresibilidad y que, adicionalmente, se encuentran en suelos de alta sismicidad y de riesgo de agrietamiento. Sin embargo, la mejor solución (y la más económica) continúa siendo la elección adecuada del terreno para construcción tomando en cuenta el perfil del suelo. A continuación se ilustran los daños provocados por distintos tipos de suelo sobre los que no se debería levantar edificaciones:
Ejemplos de viviendas desplantadas en suelos inestables y zonas de alto riesgo
Vivienda desplantada en suelo colapsable.
Vivienda desplantada en suelos expansivos.
Vivienda multifamiliar en zona sísmica.
Vivienda desplantada en zona de agrietamiento.
Fuente: Cortesía de Abel Guzmán Solís.
Este conocimiento cualitativo y cuantitativo, auxiliado por métodos analíticos, permite predecir, con razonable aproximación práctica, el comportamiento de las cimentaciones durante y después de la construcción, factor imprescindible para la estabilidad de las viviendas mexicanas.
la aplicación de las leyes de la mecánica y la hidráulica a los problemas de ingeniería que tratan con sedimentos y otras acumulaciones no consolidadas de partículas sólidas, producidas por la desintegración mecánica o descomposición química de las rocas, independientemente de que tengan o no contenido de materia orgánica (s.p.).
Así, la mecánica de suelos incluye:
- Teorías sobre el comportamiento de los suelos sujetos a cargas, basadas en simplificaciones necesarias dado el estado actual de la técnica.
- Investigación de las propiedades físicas de los suelos reales.
- Aplicación del conocimiento teórico y empírico a los problemas prácticos.
Este conocimiento cualitativo y cuantitativo, auxiliado por métodos analíticos, permite predecir, con razonable aproximación práctica, el comportamiento de las cimentaciones durante y después de la construcción, factor imprescindible para la estabilidad de las viviendas mexicanas.
Reglamentación en el diseño geotécnico de cimentaciones
En la Ciudad de México y en varias partes del país se utiliza el Reglamento de Construcciones del Distrito Federal 2004; en especial las Normas Técnicas Complementarias para el Diseño Geotécnico de Cimentaciones de la Ciudad de México 2017, para el análisis y diseño geotécnico de una cimentación.
Este reglamento se actualiza permanentemente a través de varios comités que estudian, sobre todo, la revisión geotécnica-estructural de las viviendas. De la ingeniería geotécnica se examina la capacidad de carga (estado límite de falla) y asentamientos totales y diferenciales (estado límite de servicio), en condiciones estáticas y sísmicas. Recientemente se incluyó una nueva problemática: la presencia de agrietamientos en viviendas.
La Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos
En 1957 se constituyó formalmente la Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos, A. C., la cual recientemente cambió su nombre a Sociedad Mexicana de Ingeniería Geotécnica, A. C. (SMIG). Su labor consiste en proveer elementos científicos que permitan a profesionales de la geotecnia mantenerse actualizados en esta ciencia, así como formar parte de una organización que promueve y mantiene vigente a la ingeniería geotécnica en México.
Al interior de la sociedad existe un Comité Técnico denominado Caracterización Geotécnica de Ciudades y Regiones, donde es posible consultar la caracterización de los suelos existentes en cada ciudad o región. A través de este soporte —creado por la SMIG— se pretende apoyar a las y los ingenieros geotecnistas, con el fin de que puedan analizar y diseñar la cimentación de su obra, y se construyan viviendas estables y seguras a través de la infraestructura.
Cuando se contemplan estructuras habitacionales, muchas veces parecen estables y seguras. Se piensa que nunca tendrán problemas relacionados con el subsuelo. Sin embargo, esto no es así si la vivienda se encuentra en un suelo inestable o en zonas de alto riesgo. Por desgracia, los casos no son pocos y se siguen incrementando ante el crecimiento demográfico de ciudades y regiones, lo que obliga a las familias a habitar zonas más alejadas y peligrosas que ponen en riesgo su seguridad.
Actualmente, la Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos (SMIG), apoyada en sus miembros investigadores pertenecientes a las instituciones de educación superior más importantes del país, han desarrollado diversos métodos para estabilizar suelos que presentan baja resistencia al esfuerzo cortante, alta compresibilidad, y que, adicionalmente, se encuentran en suelos de alta sismicidad y en riesgo de agrietamiento. Por ello, es fundamental considerar la seguridad de las cimentaciones de las viviendas en el aspecto estructural y geotécnico.
Referencias
Juárez Badillo, E., Rico Rodríguez, A. (2010). Mecánica de Suelos. Fundamentos de la Mecánica de Suelos (1.a ed.). Limusa Noriega. Ver fuente
Támez González, E. (2001). Ingeniería de cimentaciones. Conceptos básicos de la práctica (1.a ed.). TGC Geotecnia.
Notas
- La sociedad se fundó con la participación de 10 miembros: Leonardo Zeevaert, Nabor Carrillo Flores, Enrique Tamez González, José A. Cuevas, Héctor M. Calderón, Juan J. Correa Rachó, Manuel González Flores, Francisco Zamora, Eulalio Juárez Badillo y Enrique Ríos Lazcano; todos ellos distinguidos ingenieros que engrandecieron a la ingeniería geotécnica mexicana a nivel nacional e internacional.
