ERRORES GEOTÉCNICOS EN PROYECTOS DE INFRAESTRUCTURA CIVIL

INTRODUCCIÓN

La Ingeniería Civil, tiene 5 grandes especialidades, Estructuras, Transporte, Hidráulica, Construcción y Geotecnia, que de alguna manera intervienen con mayor o menor intensidad en los proyectos de Infraestructura Civil (Carreteras, Metros, Edificaciones, O. Hidráulicas, etc.). Por otro lado, después de haber intervenido/revisado, durante más de 35 años, numerosos proyectos de infraestructura civil, tanto en el Perú como en el extranjero, en el Estado (MTC, Sedapal) como en empresas privadas, me he podido dar cuenta, que la Geotecnia es quizás, la especialidad menos conocida, para los ingenieros civiles no-especialista. Quizás esta sea la razón por la que he encontrado varios errores geotécnicos, que se repiten cada cierto tiempo, lo que me induce a sugerir que se debiera exigir en los ingenieros, mayor nivel de formación en esta especialidad, para poder intervenir en los proyectos, sobre todo, en los más importantes y/o complejos. En este Articulo se hace una descripción de algunos de estos errores y omisiones, un diagnostico de sus causas y consecuencia en los proyectos, así como recomendaciones para intentar mejorar la situación actual de la calidad de los Estudios.

DESCRIPCIÓN DE ERRORES Y OMISIONES TÍPICOS EN LA ESPECIALIDAD DE GEOTECNIA

En las descripciones que a continuación se desarrollan, se omitirán por razones obvias, la mención al proyecto y los autores correspondientes, salvo en los casos públicamente conocidos.

INSUFICIENTE Y/O DEFICIENTE INVESTIGACIÓN GEOTÉCNICA

Este quizás sea el problema más frecuente, pues ocurre muchas veces cuando un ingeniero especialista está en la etapa de diseño, se encuentra con que la información de las propiedades geotécnicas es insuficiente y/o deficiente, de tal manera que no queda otra cosa, que ser conservador en el diseño; es decir, las obras terminan siendo más caras de lo que debían. Por ejemplo, de acuerdo al estudio que hicieron en la Ref.1, los proyectos de túneles a los que se dedica para la investigación geotécnica, menos de 1% del monto de la obra civil, terminan teniendo adicionales de más de 20%, si es que la licitación es a precios unitarios, o si es a suma alzada, los postores terminan ofertando más alto, para cubrirse de las incertidumbres; por lo que de cualquier forma, el dueño del proyecto termina perjudicándose a sí mismo, por haber escatimado en la etapa de investigación geotécnica, como ocurrió con el MTC, por ejemplo, cuando se dedicó a la investigación geotécnica para el estudio de preinversión de la L2 del Metro, del orden del 0.1% de la obra civil, y además, se licitó a suma alzada. También ocurre que se programa investigaciones inadecuadas para el tipo de suelo, como por ejemplo, la ejecución de ensayos SPT en el conglomerado de Lima, también de parte del MTC, para la L2 del Metro. Cabe mencionar que los ensayos SPT no se recomiendan para gravas, según la Norma E.050 de Suelos y Cimentaciones, por lo que menos aún, sería recomendable para el conglomerado.

DISEÑOS CON DEFICIENTE SISTEMAS DE DRENAJE INTERNO EN LOS MUROS DE CONTENCIÓN

Se ha detectado en zonas de alta precipitación (Selva alta), casos de muros de contención que han fallado por colapso del sistema de drenaje interno en el trasdós del muro (foto 1), debido a detalles como los mostrados en la figura 1, en los que no hay suficientes elementos que impidan el ingreso del agua superficial en el dren interno, además de que el sistema de evacuación a través de lloradores es insuficiente, o se colmata debido a que no se ha verificado el diseño de los sistemas de filtrado. Como error adicional en el diseño de estos muros, se asume un bajo nivel freático en el trasdós, lo que no es correcto para el caso de suelos finos, pues el dren pegado a la pared del trasdós no deprime suficientemente los niveles freáticos. Los sistemas de drenaje en el trasdós de los muros de contención, además que deben ser generosamente diseñados y con el sistema de filtración verificado, debieran en lo posible diseñarse en una disposición tal, que permita mayor depresión del nivel freático (figura 2).

EROSIÓN AL PIE DE MUROS DE CONTENCIÓN APOYADOS EN TALUDES INFERIORES Y EROSIÓN EN TALUDES

Se ha detectado varios casos de muros de contención en la Selva alta, que han fallado por la pérdida de su capacidad de soporte al erosionarse el suelo por debajo del pie del muro, como consecuencia de que se ha permitido que el agua superficial que discurre en la plataforma del trasdós, drene y caiga hacia el pie del muro, sin ningún sistema de disipación de energía, facilitando de esta manera la erosión regresiva del talud inferior (foto 1) y la posterior perdida de sustentación del pie del muro.

También ha habido varios casos de taludes conformados durante la construcción de carreteras, que inicialmente son relativamente estables, pero que debido a la falta de bermas, drenes de pie, mantenimiento de la vegetación, etc., han ocasionado la pérdida de suelo por erosión con la consecuente erosión regresiva y su posterior falla por la pérdida de sustentación, como el conocido caso de las cárcavas de Las Vegas (foto 2) en el km 23 a 25 de la carretera Tingo María – Aguaytía.

En ambos casos descritos, es usual no tener en cuenta los conceptos reflejados en la ecuación universal del volumen de suelo perdido por erosión, sugerida por US Agricultural Research (Ref.2), según el cual, este volumen por unidad de área y por unidad de tiempo, es proporcional a una función de la suma de las intensidades de los eventos pluviométricos, a una función de las propiedades geométricas del talud (longitud y pendiente), al factor de erosionabilidad del suelo, a las prácticas de mantenimiento y tipo de la vegetación y sobretodo, inversamente proporcional al porcentaje de cobertura de la vegetatación.

DISEÑO DE SISTEMAS DE DRENAJE RÍGIDOS EN ZONAS POTENCIALMENTE INESTABLES

En la mayoría de las veces, el sistema de drenaje superficial está formado de elementos rígidos (concreto) en taludes y rellenos potencialmente inestables, que finalmente fallaron y resultaron contraproducentes para la estabilidad de los taludes, por las mayores infiltraciones provocadas (foto 3).

Ante la duda de la estabilidad de los taludes, sería preferible optar por drenes flexibles, como por ejemplo, canales a base de colchones de gaviones protegidos con geomembranas y geotextiles, además de la ayuda adicional de subdrenes.

DISEÑOS DE PAVIMENTOS CON DEFICIENTE CAPACIDAD DE SUB-DRENAJE

Para el diseño de un pavimento, es común solo considerar la función estructural de la base y subbase, sin embargo la función sub-drenante debiera merecer una consideración especial en zonas de alta pluviometría donde la subrasante está conformada por suelos finos, lo que es casi el común de los casos en las carreteras de la selva. Así por ejemplo, el caso de la falla presentada en la foto 4 es consecuencia de un deficiente sub-drenaje.

En la Ref.3 se explica el procedimiento para el diseño de la función sub-drenante de la base y subbase de los pavimentos, procedimiento que no suele ser aplicado en los estudios presentados.

En cuanto al diseño de los subdrenes longitudinales, los estudios no suelen presentar el proceso de diseño, el mismo que debiera verificar que se cumplan las dos importantes funciones opuestas, es decir: (1) la función de dren con los intersticios suficientemente grandes para asegurar una suficiente capacidad drenante, y (2) la función de filtro, con los intersticios suficientemente pequeños, para evitar la colmatación. Este proceso de diseño se detalla en la Ref. 4.

INDEBIDO USO DEL RELLENO EN EL TRASDÓS DE MUROS DE GAVIONES (FIGURA 3)

A veces ocurre que los rellenos colocados en el trasdós de los muros de gaviones usados como defensas ribereñas, son menos permeables que los taludes que pretenden proteger, pudiendo provocar la acumulación de humedad en el talud, y por lo tanto, la disminución de su estabilidad. Por ello es importante conocer las permeabilidades relativas de los diversos materiales que conforman una defensa ribereña. El diseño de esta, por cierto, depende la velocidad del rio, y del tamaño del material que está en la primera línea de defensa (figura 4), criterios que no siempre se cumple (foto 5).

INDEBIDO USO DEL RETROANÁLISIS (BACK ANALYSIS) PARA LA ESTABILIDAD DE TALUDES

Este método es de suma utilidad siempre y cuando se conozcan la mayoría de los factores que han contribuido a la falla de los taludes (Ref.5); sin embargo en numerosas oportunidades se hacen estos análisis sin una adecuada información sobre el modo de falla o las presiones del agua de poros, que dieron lugar a la falla, o cualquier otra información relevante. Incluso ha habido varias situaciones de abuso en el método, en el sentido de usarlo sin conocer casi ninguno de los factores que dieron lugar a la falla.

INDEBIDO ANÁLISIS DE PILOTES SOMETIDOS A CARGA LATERAL

En una oportunidad se propuso usar una muro pantalla apoyado en pilotes empotrados, para estabilizar un talud (Fig.5); sin embargo en el proceso de análisis se consideró entre las fuerzas resistentes, el empuje pasivo resultante de un pilote empotrado en un terreno horizontal, pues la formula es fácilmente disponible en la literatura técnica. Es decir, no se tuvo en cuenta que el efecto del talud inferior (Fig.5) disminuye apreciablemente aquel empuje pasivo (Refs. 6 y 7).

DESCONOCIMIENTO DEL PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS DE UNA CIMENTACIÓN APOYADA EN TALUD

Las ecuaciones de capacidad de carga de una cimentación superficial, como las de Terzaghi, Brich-Hansen, Meyehof, etc., son ampliamente conocidas. Estas ecuaciones representan la capacidad de carga para un medio homogéneo, y dependen de las propiedades geomecánicas del subsuelo, la forma y dimensiones de la geometría en planta de la cimentación, la excentricidad e inclinación de la carga, la profundidad de desplante, etc. (Ref.6). Pero, sucede que en la práctica se presenta varias veces, casos de estribos de puentes apoyados en un talud, y además en un medio no homogéneo, por lo que en estos casos se tiene que recurrir a un análisis de equilibrio límite, con la ayuda de un software, como en el caso de los análisis de estabilidad de taludes; sin embargo, se ha detectado numerosas oportunidades en que riesgosamente, simplemente no se toma en cuenta el efecto del talud cercano en la capacidad de carga de la cimentación. Otro problema también es el caso de los edificios diseñados sobre el talud de la Costa Verde (Lima), sin considerar las inestabilidades que pudieran ocurrir ante el sismo de diseño. Se sabe por ejemplo, de los grandes desmoronamientos, además de la falla de un talud (tierra adentro) en Chorrillos, que ocurrieron en el terremoto de 1940.

INCORRECTO MODELAJE DE LAS CONDICIONES DE CARGA EN ENSAYOS DE CORTE EN SUELOS FINOS

En las carreteras, la mayoría de los taludes de corte en suelo, fallan por la acumulación de importantes eventos pluviométricos, sobre todo en la sierra y la selva. Esta acumulación de eventos pluviométricos va humedeciendo los suelos finos y por lo tanto va disminuyendo la cohesión aparente en los suelos finos parcialmente saturados, que dicho sea de paso, representan la mayoría de los casos en la naturaleza, pues los casos de suelo seco o saturado, a los que se suele limitar la mecánica de suelos, no son, sino casos extremos de los suelos parcialmente saturados. Esta disminución de la cohesión aparente y por lo tanto de la resistencia al corte, puede ocasionar la inestabilidad del talud. El ensayo drenado en laboratorio, es más razonable, pues la disminución de la resistencia al corte ocurre poco a poco, así es que, es mejor modelar con el ángulo de fricción efectivo, y si es posible con la cohesión aparente para la situación de mayor humedad. Esto ultimo es difícil determinar, por lo que, o bien se ignora cualquier cohesión aparente lo que puede ser caro para el diseño del talud, o bien se asegura con drenes y subdrenes un nivel freático suficientemente bajo que garantice la estabilidad provisional del talud; para luego proceder a un programa de monitoreo de su comportamiento durante suficientes estaciones lluviosas, de tal manera de poder finalmente adoptar un diseño definitivo, mediante el aumento de los sistemas de refuerzos y/o el alivio de las cargas actuantes (como un aumento de la capacidad de subdrenaje que suele ser el más efectivo). Sin embargo, ha habido casos en que se ha pretendido modelar el comportamiento de estos taludes con ensayos de carga rápida (no consolidados y no drenados) y con las muestras tomadas quizás hasta en la estación de menos lluvia.

Por el contrario, hay casos en que se debieron hacer ensayos de carga rápida, y quizás no consolidados, para modelar adecuadamente el análisis, como es por ejemplo el caso mostrado en la foto 6, que se trata de un terraplén conformado por material drenante de buena calidad, que falló, debido a la gran altura del terraplén construido rápidamente sobre un suelo fino muy húmedo.

También ha habido varios casos de ensayos de resistencia al corte en suelos no representativos, debido al tamaño de la muestra, o a la heterogeneidad del medio, o a que la zona relevante al plano de falla es profunda y por lo tanto costosa de muestrear.

DESCONOCIMIENTO DE LA MECÁNICA DE ROCAS

Quizás esta sea la disciplina en la ingeniería civil geotécnica, en que existe la mayor brecha de lo que se requiere conocer para los diseños y lo que realmente se conoce. Así por ejemplo, sucede que el diseño de los taludes apenas se basan en clasificaciones visuales empíricas, definiendo los macizos rocosos, simplemente desde buenos a malos y sin tener en cuenta la disposición de las diaclasas (Fig.6). En ocasiones se avanza hacia clasificaciones semi-empíricas, como la de Beniawski, llegando en pocos casos a la de Romana-Beniawski (SMR, Slope Mass Ratio), sistema de clasificación esta última, en la que se tiene en cuenta los buzamientos y rumbos de los planos de las diaclasas respecto al rumbo y buzamiento de la superficie del talud, como debe ser.

Casi nunca se presenta mapeos de las diaclasas en proyecciones estereográficas, de tal manera de que luego del tratamiento estadístico correspondiente, poder proceder al análisis cinemático que permita determinar la potencialidad para las fallas idealizadas de cuña, planar y volcamiento (Ref.8).

Casi nunca se presentan los procedimientos de análisis y diseño de elementos para la guía y contención de caída de bloques.

Un conjunto completo de softwares para todos estos análisis, se puede encontrar en www.rocscience.com, así como un libro digital en mecánica de rocas.

INTERPRETACIÓN INCORRECTA DEL POTENCIAL DE LICUACIÓN EN SUELOS PROFUNDOS

Según el Artículo “10.5.4.2 — Requerimientos de Diseño por Licuación” de la AASHTO-LRFD-2012: “Los métodos empíricos simplificados son adecuados para usarlos a una profundidad máxima del orden de 22m. Esta profundidad límite está relacionada con la base de datos con la que se desarrollaron los métodos empíricos originales. La mayor parte de la base de datos proviene de observaciones de licuación a profundidades menores que 15 a 18m. La extrapolación del método simplificado, más allá de 22m, es por consiguiente, de una validez incierta. Esta limitación no debiera ser interpretada como que la licuación no ocurre más allá de 22m. Más bien, debiera usarse métodos diferentes a mayores profundidades, incluyendo el uso de modelos de respuesta de movimiento del terreno específico al sitio, en combinación con ensayos de licuación en laboratorio”. Sin embargo, en el diseño del puente pilotado, sobre el rio Quilca, se asumió incorrectamente, que no ocurriría licuación por debajo de 20m de profundidad, a pesar de que hay continuidad de arena suelta hasta 50m de profundidad, y con valores de SPT tan bajos como 8. En la edición del mes de Setiembre de la Revista COOVIAS, se presenta el articulo: “Estado del Arte en la Evaluación de la Licuación del Suelo Inducido por el Sismo y la Situación en Perú”, en cuyo Anexo se explica el caso del Puente Quilca.

IGNORAR LA INFLUENCIA DEL TAMAÑO DE LA PARTÍCULA EN ENSAYOS DE CORTE DIRECTO IN-SITU

De acuerdo a la Ref.9, y a la envolvente de curvas granulométricas del conglomerado de Lima, los ensayos de corte directo se debieran ejecutar con probetas entre 70cm a 200cm por lado, para obtener valores confiables; sin embargo, desde hace más de 4 décadas, se viene ejecutando en el conglomerado de Lima, ensayos de corte directo in-situ, sobre probetas de 70cm (Fig.7), sin buscar alguna relación con el tamaño de la bolonería en el plano falla, dando por tanto, un rango amplio de valores de resistencia al corte. Quizás como consecuencia de ello, los Consorcios consultores de los estudios de la L3 y L4 del Metro, proponen soluciones diferentes para las diversas obras subterráneas (Estaciones y túneles). En la edición del mes de Julio de la Revista COOVIAS, se presenta un articulo relacionado a este tema: “Propuesta de Investigación Geotécnica para el Metro de Lima”.

INCORRECTO DISEÑO DE PILOTES EN SUELOS EN PROCESO DE CONSOLIDACIÓN

Hay situaciones en donde hay presencia de estratos gruesos de suelos arcillosos blandos, por debajo del nivel freático, sobre los cuales se tiene que colocar terraplenes, y encima de los terraplenes, se tiene que colocar alguna edificación o apoyar un puente. En estas situaciones he visto propuestas erróneas consistente en cimentar sobre pilotes, embebidos dentro de un suelo en proceso de consolidación; pues en esta situación, se genera fricción negativa, es decir, el suelo ejerce carga sobre el fuste del pilote, en vez de que sirva de resistencia por el fuste. Además, como el estrato es grueso, es antieconómico pretender que el pilote resista solo por punta, al no encontrarse estratos mucho más resistentes, a profundidades razonables. En estas situaciones se puede recomendar drenes verticales para acelerar el proceso de asentamiento y consolidación del subsuelo, y para el caso del soporte de la estructura, se puede usar columnas de grava, pues a la vez sirve de dren vertical (Fig.8). Si aun así, los asentamientos son altos, entonces se puede diseñar estructuras flexibles, con cimientos flotantes.

CASO DE CANAL SOBRE SUELOS EXPANSIVOS

En estos casos, puede bastar pequeños cambios en los diseños a fin de evitar las fallas por cambio de humedad, como se muestra en la figura 9; similar a la solución que fue adoptada con éxito, en los canales de la cuenca del Daule, en Ecuador.

INCORRECTA CONSIDERACIÓN DE LOS ASENTAMIENTOS DIFERENCIALES EN EL DISEÑO DE CIMENTACIONES

En numerosas ocasiones he detectado que para el cálculo de los asentamientos diferenciales que podrían ocurrir en las cimentaciones superficiales, solo se considera los asentamientos impuestos por los diferentes esfuerzos verticales aplicados a las diferentes zapatas, debido a las cargas de la estructura; sin considerar el asentamientos diferenciales debido a las heterogeneidades del subsuelo. Esto quiere decir que si los esfuerzos verticales aplicados en 2 zapatas vecinas, fueran iguales, entonces no habría ningun asentamiento diferencial. Esto no es correcto, pues se tiene que tener en cuenta el aspecto estadístico de la heterogeneidad del subsuelo, según el tipo de suelo, conforme se puede ver en la Fig.10, para el caso de arcillas.

RECOMENDACIONES PARA MEJORAR LA CALIDAD DE LOS ESTUDIOS

• Los presupuestos para las Investigaciones geotécnicas debieran pagarse como “gastos reembolsables”, es decir se debe permitir que se investigue lo que se necesite según las condiciones del terreno y que se pague según lo realmente ejecutado y que además tengan un presupuesto suficiente en caso de que las condiciones del terreno sean difíciles; sin embargo, para que se investigue lo que realmente se necesite, se requiere una estrecha coordinación de los Ejecutores de la Investigación Geotécnica con los Diseñadores.
• Se requiere mayor número de especialistas de buen nivel en ingeniería geotécnica, y mejor aún, con experiencia laboral en proyectos en el exterior, pues los proyectos en el país son insuficientes.
• Las escuelas de postgrado en geotecnia, cuando menos deben considerar las siguientes disciplinas: Mecánica de Suelos avanzada (incluyendo la mecánica de los suelos no-saturados), Mecánica de Rocas, Medición de las Propiedades Geotécnicas, Dinámica de Suelos, Ingeniería Geotécnica Sísmica, Hidrogeología y Geotecnia Ambiental, Consolidación y Asentamientos, Presas de Tierra y Enrocamiento, Estructuras de Contención de Tierras, Estabilidad de Taludes, Cimentaciones, Interacción Suelo-Estructura, Modelos Numéricos, Diseño con Geosintéticos, Sistemas de Pavimentos, Ingeniería Geológica.

REFERENCIAS

1. USNCTT, 1984. Geotechnical Site Investigations for Underground Projects. Washington DC: USNCTT.
2. Gray and Sotir, Biotechnical and Soil Engineering Slope Stabilization, Ed. John Wiley & Sons, Inc., 1995
3. Yang H. Huang, Pavement, Analysis and Design, Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1993
4. R.M.Koerner, Designing with Geosynthetics, Ed. Prentice Hall, 1998
5. L. Abramson, T.Lee, S. Sharma, G.Boyce, Slope Stability and Stabilization Methods, Ed. John Wiley & Sons, Inc., 1995
6. D. Coduto, Foundation Design, Ed. Prentice Hall, Inc., 1994
7. L. Reese, Behavior of Piles and Pile Groups under Lateral Load, U.S. Dept. of Transportation Federal Highway Administration, Office of Research, Washington, D.C., 1983
8. E. Hoek, J.Bray, Rock Slope Engineering, Ed. The Institution of Mining and Metallurgy, London, 1981
9. Vallerga, Seed, Monismith, and Cooper, R. S., 1957, “Effect of Shape Size and Surface Roughness of Aggregate Particles on the Strength of Granular Materials”, Special Technical Publication No. 212, ASTM.