Perspectivas
Los profesionales de la geotecnia suelen centrarse en tres factores: geología, aguas subterráneas y geometría. La interconexión de estos tres factores es responsable de aspectos fundamentales de la composición y de los procesos hidrológicos de la Tierra. Comprender las relaciones entre los tres factores es crucial para diversos campos, como la ciencia ambiental, la ingeniería y el desarrollo de infraestructuras, y la gestión de recursos. Desde influir históricamente en dónde y cómo se forman los asentamientos humanos hasta controlar el diseño de ingeniería y la construcción de nuevos desarrollos, el hecho de no respetar estos tres factores puede conllevar riesgos.
Los cimientos de toda construcción y desarrollo humanos se apoyan en la tierra debajo de nuestros pies. Es necesario comprender la geología, el comportamiento de las aguas subterráneas y la geometría de las condiciones de la superficie y del subsuelo antes de que la humanidad se disponga a construir, atravesar, excavar, contener o sostener el suelo. Las condiciones geológicas determinan la forma en que diseñamos y construimos los cimientos, la maquinaria necesaria para excavar y, en algunos casos, los lugares donde decidimos construir. Asimismo, la geometría tanto del paisaje como de las capas subterráneas de suelo y roca influye considerablemente en el diseño y en el costo de desarrollo de un emplazamiento. Por último, la comprensión de las condiciones de las aguas subterráneas es esencial tanto si la intención es desarrollar una fuente de abastecimiento de agua, evitar la contaminación y proteger los sistemas ambientales, como diseñar y construir eficazmente edificios o infraestructuras.
En este artículo, exponemos ejemplos de cómo los tres factores han dictado el desarrollo humano, presentamos soluciones creativas que muestran cómo los tres factores pueden utilizarse en beneficio humano y, en sentido contrario, analizamos cómo los tres factores pueden causar daños materiales multimillonarios, retrasos en las obras de construcción o lesiones y pérdida de vidas humanas si no se tienen debidamente en cuenta. La siguiente información puede ser de especial interés para propietarios, desarrolladores inmobiliarios, ingenieros, arquitectos, profesionales de seguros inmobiliarios y abogados que trabajan en el ámbito de los defectos de construcción.
La laguna de Venecia, en Italia, es un ejemplo de cómo los tres factores, geología, aguas subterráneas y geometría, han dado forma al mundo en que vivimos hoy. La actual laguna de Venecia, salpicada de canales y vías que se utilizan como principal medio de transporte, es principalmente el resultado del avance humano tras el retroceso de los glaciares y el consiguiente desarrollo de la línea costera hace unos 6,000 a 7,000 años. Desde la antigua Roma, los venecianos comprendieron enseguida la importancia estratégica de la laguna. Rodeada de agua, funcionaba como barrera natural contra los enemigos invasores y como centro del comercio marítimo.
Figura 1: vista aérea de la Venecia actual.
Sin embargo, la geología de la zona suponía un reto para la construcción y el desarrollo. La zona era principalmente un humedal compuesto por marismas salinas, llanuras y bajíos mareales, con una parte minoritaria de la laguna cubierta por aguas abiertas o tierra seca. Los suelos poco profundos de la zona consistían principalmente en turba, que es un material orgánico que no es adecuado para el apoyo de cimientos, debido a su alta compresibilidad o asentamiento bajo carga y a su potencial para descomponerse con el tiempo. Para evitar daños en sus edificios, los venecianos desarrollaron un método para instalar cimientos profundos similares a los pilotes de madera actuales. Recogían árboles altos de los bosques cercanos y los hundían en el suelo hasta la profundidad de la capa de arcilla dura que subyace a la turba orgánica. La capa de arcilla dura ayudaba a sostener los pilotes mediante la capacidad de soporte en los extremos y la resistencia friccional. Se colocaban capas horizontales de maderos sobre los pilotes verticales y, a continuación, se colocaba piedra caliza sobre los maderos para crear una plataforma de construcción.
Hay una gran variedad de suelos que siguen siendo un desafío tanto para los ingenieros como para los contratistas, y los suelos orgánicos no son una excepción. Si no se identifican los suelos orgánicos antes de la construcción, los costos pueden aumentar y, a menudo, tanto el diseño como el calendario quedan sujetos a modificaciones. Si los suelos orgánicos no se identifican hasta después de finalizada la construcción y se han producido daños provocados por los asentamientos, los costos de reparación y los impactos en el calendario dominarán el proyecto. Un programa de investigación geotécnica exhaustiva, junto con el desarrollo de un punto de referencia o modelo geotécnico, es esencial para evitar que este tipo de problemas repercutan negativamente en un proyecto. El costo de una investigación geotécnica exhaustiva y del desarrollo de un modelo de referencia es bajo en comparación con el costo de remediar este tipo de problemas durante o después de la construcción.
Figura 2: representación histórica de la instalación de pilotes de madera para cimentaciones en suelos poco profundos (Fuente: https://theconstructor.org/case-study/venice-foundation-details/224185/).
Los suelos orgánicos son solo una de las muchas condiciones geológicas que pueden causar complicaciones para la construcción. Los socavones son otra característica geológica que suele causar daños costosos relacionados con el asentamiento de edificios, o retrasos costosos en la construcción. Son frecuentes en zonas de lecho rocoso carbonatado, como la caliza y la dolomita. Los socavones se forman por la migración de las aguas subterráneas y la disolución del lecho rocoso con el paso del tiempo. La disolución provoca la formación de vacíos, que normalmente no se descubren si el suelo situado encima tiene la resistencia y el espesor suficientes para recubrir el vacío. Sin embargo, si el vacío en el lecho rocoso es lo bastante grande o el espesor de los suelos situados encima es relativamente fino, se forman socavones a medida que los suelos de sobrecarga se arrastran o colapsan en el vacío. Esto puede causar depresiones o agujeros en la superficie del suelo. Las estructuras que dependen del suelo o de la roca subyacentes pueden verse afectadas.
Los socavones pueden causar daños en edificios residenciales, comerciales e industriales, y también se sabe que han provocado daños o retrasos significativos en obras de construcción. A menudo, el desarrollo puede desencadenar la actividad de los socavones debido a la concentración de agua en una zona aislada, como un estanque de aguas pluviales o un sistema de captación de aguas subterráneas, o debido a modificaciones del nivel freático a causa del desagüe. Llevar a cabo investigaciones y una planificación adecuadas antes de la construcción puede limitar la posibilidad de que los socavones tengan efectos perjudiciales en un proyecto de construcción.
Figura 3: vista general de un socavón que se formó cerca de una residencia en el centro de Florida.
La reparación de los socavones puede llevarse a cabo mediante la inyección de lechada o un filtro de roca invertido, en el que el terreno se excava hasta la profundidad del lecho rocoso y luego se rellena con bloques de piedra, cantos rodados y grava, en una secuencia cuidadosamente diseñada con un tejido filtrante geosintético para llenar los vacíos restantes, lo que evita la migración de los suelos debido a la gravedad y a las aguas subterráneas. Este tipo de reparación solo puede efectuarse si el socavón se identifica antes de la construcción.
Los daños causados a los edificios por los socavones tras la construcción suelen solucionarse mediante la inyección de lechada o los sistemas de apuntalamiento. La inyección de lechada consiste en instalar un revestimiento de acero hasta la profundidad del lecho rocoso e inyectar lechada de compactación en los suelos situados encima a medida que se retira el revestimiento para mejorar los suelos erosionados o aflojados. El apuntalamiento implica la transferencia directa de las cargas estructurales al lecho rocoso competente. Suele consistir en la instalación de pilotes de acero de diámetro pequeño que se perforan o se introducen en el suelo y luego se fijan a los cimientos del edificio.
Los Ángeles, California, establecida a fines de la década de 1700, es otro ejemplo de desarrollo histórico moldeado por la geometría del paisaje natural, así como por la geología y las condiciones de las aguas subterráneas. Al estar situada en una llanura costera semiárida, no era posible contar con el agua de lluvia para el suministro constante de agua dulce. El río de Los Ángeles era conocido por desbordarse durante los períodos de lluvias intensas, pero las precipitaciones se reducían a un mero goteo en otras épocas del año. Para satisfacer las necesidades de agua dulce, los primeros colonos recurrieron al subsuelo. Los agricultores descubrieron múltiples acuíferos naturales perforando pozos de los que se podía obtener un suministro aparentemente interminable de agua dulce.
Perforando pozos en el suelo, los agricultores podían acceder al agua dulce de los acuíferos (capas subterráneas de roca o suelo permeable que contienen o transmiten agua). Los pozos perforados en los acuíferos de arena y lecho rocoso producían condiciones artesianas, en las que el agua subterránea está bajo suficiente presión —generada por la geometría o por las diferencias de elevación— para hacer que el agua salga de los pozos sin necesidad de bombeo. La presión del agua subterránea empuja el agua hacia arriba a través de la superficie del suelo cuando se rompe la capa de confinamiento, por ejemplo mediante un pozo. En la figura 4, se muestra una ilustración de un pozo artesiano.
Figura 4: gráfico que representa las condiciones artesianas. Obsérvese que el nivel del agua subterránea en el acuífero confinado es superior al nivel del suelo en el pozo.
Si bien las condiciones artesianas resultaron beneficiosas para los primeros agricultores de Los Ángeles, así como en muchos otros lugares del mundo, estas condiciones pueden generar problemas durante el diseño y la construcción de elementos del subsuelo, además de daños potencialmente importantes si no se identifican y se tienen en cuenta con antelación. Las canalizaciones y la erosión del suelo, la falla de taludes o excavaciones arriostradas o amarradas y la alteración de suelos más competentes son algunos de los mecanismos que pueden producirse si no se tienen debidamente en cuenta las condiciones artesianas antes del diseño, la licitación o la construcción, por no hablar de los costos adicionales de desagüe que serán necesarios para evitar que se inunde una obra de construcción. Invertir en un programa de investigación exhaustiva del emplazamiento, que incluya estudios geotécnicos e hidrogeológicos, puede ayudar a evitar aumentos significativos de los costos de construcción y otros costos accesorios, como la interrupción de la actividad empresarial, los costos legales y de peritaje, que pueden derivarse si no se identifican las condiciones artesianas antes de iniciar la construcción.
Cuando se construyen cimientos o instalaciones de servicios públicos por debajo del nivel freático, los contratistas suelen tener que desaguar el lugar para construir en seco. El desagüe consiste en bajar el nivel freático mediante el uso de bombas. Si solo se requiere un desagüe limitado, se puede excavar una fosa y colocar una bomba dentro para extraer el agua. Con la bomba en marcha, el agua fluirá desde la zona circundante a través del suelo hasta la fosa, o el agua puede desviarse a la fosa mediante bermas y zanjas. Si se requiere un desagüe más profundo, suelen ser necesarios pozos de desagüe para bajar el nivel freático.
Si la obra de construcción que se va a desaguar presenta condiciones homogéneas de suelo arenoso o de grava, el desagüe puede ser relativamente sencillo, con algunas excepciones. Las arenas y gravas tienen espacios vacíos conectados más grandes que los limos y arcillas y pueden desaguarse mediante bombeo en menos tiempo. El desafío que plantean estos suelos es el volumen y el caudal de bombeo necesarios para lograr un desagüe y una despresurización eficaces. A menudo, es más difícil desaguar suelos de grano más fino, como limos y arcillas, o limos y arcillas que están intercalados entre arena y grava, y se necesita más tiempo para lograr un desagüe eficaz. En este tipo de depósitos de suelo, el caudal medio de las aguas subterráneas en dirección vertical es tan lento como el del suelo de drenaje más lento. En dirección horizontal, el agua subterránea, en promedio, fluye tan rápido como el suelo de drenaje más rápido. Esto se debe a que las capas de suelo poco permeables, como la arcilla, funcionan como una capa de confinamiento, que ralentiza o impide el flujo descendente del agua. El agua subterránea queda "suspendida" y fluye lateralmente por encima de la capa de limo y arcilla. En todos los casos, el desagüe de una obra de construcción también puede influir en la capa freática fuera de la obra. Hay que tener en cuenta las instalaciones de terceros que puedan depender de las aguas subterráneas para el suministro de agua, o que puedan verse afectadas negativamente por la consolidación y el asentamiento del suelo provocados por el desagüe.
A principios de la década de 1900, las aguas subterráneas de los ríos y acuíferos no bastaban por sí solas para abastecer a la creciente población de Los Ángeles. El agua dulce se convirtió en un bien escaso, y el ingeniero de la ciudad desarrolló un plan para construir un acueducto que proporcionara agua dulce del río Owens, situado a 233 millas de distancia en las montañas de Sierra Nevada. El acueducto consta de una serie de presas, embalses, sifones, túneles, canales y conductos. El relieve topográfico a lo largo del acueducto es de aproximadamente 3,500 pies. Esto significa que el acueducto depende de la topografía del terreno y de la gravedad, lo que permite que el agua fluya cuesta abajo desde las montañas hasta Los Ángeles. Es este mismo relieve topográfico el que ayudó a presurizar o alimentar el acuífero y los pozos artesianos, como se comentó anteriormente.
Muchos consideran que la construcción del acueducto de Los Ángeles es una de las mayores hazañas de la ingeniería de nuestro tiempo. Se trata de un sistema robusto, pero sencillo, que se basa en la geometría del paisaje circundante para abastecer de agua dulce a la ciudad desde cientos de millas de distancia.
Figura 5: el agua fluye por el acueducto de Los Ángeles, dependiendo de la geometría del paisaje para fluir por gravedad hacia la ciudad de Los Ángeles. (Foto de Dean Musgrove, Los Angeles Daily News/SCNG; Fuente: https://www.dailynews.com/2022/11/04/proposal-to-place-solar-panels-over-la-aqueduct-advances/).
Aunque el acueducto de Los Ángeles es un ejemplo de utilización de la geometría de la superficie del suelo en beneficio del desarrollo humano, las pendientes y los terrenos montañosos también pueden plantear desafíos que deben tenerse en cuenta para urbanizar con éxito este tipo de paisajes.
Por último, junto con la geología y las aguas subterráneas, la geometría del emplazamiento desempeña un papel importante en el desarrollo urbano. Aunque construir en un terreno inclinado puede tener ventajas estéticas en comparación con un terreno llano, las dificultades y los costos pueden ser mayores. Es necesario conocer bien los cimientos para garantizar que los suelos puedan proporcionar suficiente capacidad portante. En función del tamaño de la urbanización y del ángulo de inclinación del terreno, puede ser necesario realizar taludes de desmonte y terraplén. Las urbanizaciones también pueden estar en la parte superior o inferior de las laderas, lo que plantea ciertos riesgos. Hay muchas ciudades en todo el mundo en las que construir sobre o cerca de terrenos escarpados y montañosos es la norma, y Hong Kong es uno de los ejemplos más famosos.
El rápido crecimiento demográfico y la considerable expansión económica de Hong Kong desde la década de 1960 han ido acompañados de grandes obras de ingeniería civil y edificación. Para albergar a aproximadamente 7.4 millones de personas en un territorio de unas 680 millas cuadradas (1100 km2) con más de 140 montañas o picos que se elevan más de 980 pies (300 m) sobre el nivel del mar, con diez (10) de más de 2,300 pies (700 m) sobre el nivel del mar, fue necesario construir un número considerable de taludes artificiales y muros de contención en un territorio muy montañoso. Sin embargo, desde la década de 1960, hubo un control geotécnico limitado del diseño de los taludes y de los permisos, lo que dio lugar a una construcción y estabilidad cuestionables de muchos de estos taludes y muros de contención. La vulnerabilidad de estos taludes y muros de contención ha quedado al descubierto debido a la creciente urbanización, la inclinación del terreno existente y las fuertes tormentas.
A medida que aumentaban el desarrollo y la población, los deslizamientos de tierra y las víctimas mortales eran cada vez mayores. Los deslizamientos catastróficos de 1972 y 1976 que se muestran en la figura 6 derivaron en la creación de la Oficina de Control Geotécnico (GCO) en 1977, que en 1991 pasó a llamarse Oficina de Ingeniería Geotécnica (GEO) (Wong, 2017).
Figura 6: deslizamiento de tierra en la calle Po Shan de la zona Mid-Levels de Hong Kong en 1972 que derribó un edificio de 12 plantas y causó 67 víctimas mortales (Fuente: https://www.scmp.com/magazines/post-magazine/short-reads/article/2098525/deadly-1972-twin-landslides-hong-kong-claimed).
La figura 7 muestra cómo el número de deslizamientos y de víctimas mortales asociadas aumentó y luego disminuyó tras la creación de la GEO. La disminución del número de víctimas mortales debido a deslizamientos se atribuye a la introducción y al establecimiento de un enfoque más riguroso para catalogar los taludes y muros de contención artificiales existentes (ahora alrededor de 60,000 en la región), llevar a cabo investigaciones exhaustivas para caracterizar los suelos, realizar evaluaciones de las aguas subterráneas y, a continuación, reparar los taludes existentes o diseñar y construir nuevos taludes, utilizando diseños robustos.
Figura 7: historial de víctimas mortales por deslizamientos de tierra en Hong Kong de 1948 a 2016 (Morgenstern 2021).
Estas implementaciones y otras, incluido el desarrollo del análisis de riesgo cuantitativo para taludes que también tiene en cuenta el cambio climático y las cambiantes (crecientes) cargas de precipitación en Hong Kong, han conducido a la casi eliminación de víctimas mortales debido a deslizamientos de tierra en Hong Kong. Los autores han tenido la oportunidad de investigar, diseñar y construir proyectos de estabilización de taludes en Hong Kong, así como de investigar las barreras de defensa contra la inestabilidad de los taludes como parte de una iniciativa de evaluación cuantitativa del riesgo, en situaciones en las que las pendientes naturales se extienden de decenas a cientos de metros ladera arriba desde una urbanización.
La interacción de los tres factores ha dado forma al mundo donde vivimos hoy y tiene repercusiones inevitables en las actividades humanas de construcción que tienen lugar en todo el planeta. Comprender las relaciones entre la geología, las aguas subterráneas y la geometría es crucial a la hora de emprender proyectos, tanto nuevos como antiguos. Es especialmente importante tener en cuenta estos factores para evitar complicaciones innecesarias y costosas durante o después de la construcción de edificios. A la hora de emprender nuevos proyectos, especialmente en zonas con formaciones complejas de suelo y roca, niveles freáticos inusuales o impredecibles, pendientes difíciles, etc., las partes interesadas deben considerar la posibilidad de recurrir a la ayuda de ingenieros y geólogos expertos que puedan aportar ideas y orientación pertinentes y valiosas.
Nos gustaría agradecer a W. Sharkey Bowers, PE, Scott Hollingsworth, PG, y Richard Stahl por aportar ideas y conocimientos que han sido de gran ayuda en esta investigación.
W. Sharkey Bowers es ingeniero sénior del Departamento de Ingeniería y Arquitectura Forense de J.S. Held. Emite dictámenes profesionales de ingeniería sobre la causa, el origen y la duración de los daños a las propiedades. Tiene experiencia en la dirección de personal de campo de pruebas geotécnicas y de materiales para evaluar las condiciones del subsuelo de futuros sitios de urbanización a fin de dar recomendaciones sobre la preparación del emplazamiento, la recuperación del suelo y la cimentación. También ha brindado servicios de monitoreo de vibraciones para proyectos de construcción a fin de evitar daños a las estructuras cercanas, ha evaluado estructuras para conocer los posibles daños por vibración de actividades cercanas de construcción o minería, y ha evaluado estructuras y propiedades para detectar la presencia de actividad de socavones y daño estructural. En J.S. Held, Sharkey asesora habitualmente a propietarios, abogados y aseguradoras en reclamaciones por defectos de construcción y daños a la propiedad que superan decenas de millones de dólares.
Comuníquese con Sharkey [email protected] o llamando al +1 813 460 4648.
J. Scott Hollingsworth es geólogo profesional y trabaja en el Departamento de Ingeniería y Arquitectura Forense de J.S. Held. Scott tiene amplia experiencia en investigaciones geotécnicas, incluida la supervisión de operaciones de perforación SPT y CPT para sitios de construcción propuestos, recomendaciones sobre cimentaciones, actividad kárstica, hundimiento del suelo y evaluaciones ambientales de fase II. Es experto en muestreo/exploración de suelos mediante barrena manual y en pruebas de laboratorio de ingeniería de suelos, como pruebas de compactación proctor, distribución granulométrica, análisis de finos del suelo mediante lavado con tamiz n.°200 e hidrómetro, contenido total de carbono orgánico, límites de Atterberg e índices de capacidad portante de rocas calcáreas.
Puede contactarse con Scott enviando un correo electrónico a [email protected] o llamando al +1 813 676 1071.
Richard Stahl es vicepresidente sénior del Departamento de Ingeniería y Arquitectura Forense de J.S. Held. Richard cuenta con más de 30 años de experiencia internacional como ingeniero geotécnico e investigador forense. Dirigió equipos multidisciplinarios para el desarrollo de proyectos a gran escala e investigaciones forenses y prestó testimonio como experto en juicios, arbitrajes y mediaciones. Richard participó en proyectos multimillonarios en diversos sectores, como minería, energía, recursos naturales, industria, comercio, infraestructura civil pesada, marina, transporte y distribución, bienes raíces, hotelería y turismo/recreación en América y Asia. Entre los encargos más destacados figuran investigaciones y recuperación tras inundaciones en las Bahamas, excavaciones superficiales y profundas en Norteamérica, construcción de túneles en Asia y Norteamérica y pendientes, recursos hídricos y presas de relaves mineros en Norteamérica, Sudamérica y Australasia.
Puede contactarse con Richard enviando un correo electrónico a [email protected] o llamando al +44 20 7072 5135.
[1] Brambati, A., Carbognin, L., Quaia, T., Teatini, P. y Tosi, L. "The Lagoon of Venice: geological setting, evolution and land subsidence" (La laguna de Venecia: marco geológico, evolución y hundimiento del terreno). Unión Internacional de Ciencias Geológicas (IUGS). Septiembre de 2003.
[2] Página web donde se encuentra la biografía de William Mulholland. Sitio web de Water and Power Associates. https://waterandpower.org/ museum/Mulholland_Biography.html.
[3] Página web sobre el agua en los primeros años de Los Ángeles. Sitio web de Water and Power Associates. https://waterandpower.org/ museum/Water_in_Early_Los_Angeles.html.
[4] Página web sobre el impredecible río de Los Ángeles. Sitio web de Water and Power Associates. https://waterandpower.org/ museum/Los_Angeles_River_The_Unpredictable!.html.
[5] Peck, Ralph B, Hanson, Walter E. y Thornburn, Thomas H. "Foundation Engineering, Second Edition" (Ingeniería de cimentaciones, segunda edición). John Wiley & Sons. 1974.
[6] Morgenstern, N.R., 2021. "Geotechnical Risk, Regulation, and Public Policy" (Riesgo geotécnico, reglamentación y política pública), sexta conferencia Victor de Mello, 2021, 48 páginas.
[7] Wong, H.N, "Forty Years of Slope Engineering in Hong Kong" (Cuarenta años de ingeniería de taludes en Hong Kong), seminario de la División Geotécnica de HKI 2017, 10 páginas.
En las últimas cuatro décadas, se han realizado una gran cantidad de investigaciones y se ha logrado un progreso significativo en el estudio de los terremotos, la minería y la ingeniería marítima. Gracias a estos avances, los ingenieros tienen un mejor entendimiento de...