Aspectos sismo-geotécnicos considerados en el diseño de cimentaciones

El comportamiento de los suelos bajo acción sísmica y los efectos de su interacción con las estructuras es objeto de estudio de la Ingeniería Sismo-Geotécnica.

El conocer las propiedades dinámicas de los suelos viene a ser una de las tareas más complejas en los procesos de análisis de problemas sismo-geotécnicos. La forma en la que se realice la medición de las propiedades dinámicas del terreno requiere de sumo cuidado y de comprender claramente el problema específico analizado. 

Las principales propiedades dinámicas que influencian la propagación de ondas sísmicas y los fenómenos relacionados con bajas deformaciones en suelos son las siguientes: rigidez, amortiguamiento, la relación de Poisson y la densidad del material. De estas, las más importantes son la rigidez y el amortiguamiento. Las condiciones de rigidez y amortiguamiento de suelos cargados cíclicamente son fundamentales no sólo para los casos en los cuales se manifiestan bajas deformaciones, sino también para los casos donde se exhiben medias y altas deformaciones, debido a la naturaleza no lineal de los suelos. En los casos donde se exhiben altas deformaciones es de suma importancia la velocidad de las ondas de corte, el número de ciclos de carga y las características de los cambios volumétricos del material. Modelo Típico de Respuesta Dinámica del Sistema Suelo-Cimentación 

Para la correcta aplicación de las disposiciones establecidas en los códigos de diseño internacionales es necesario disponer de estudios geotécnicos suficientemente completos y confiables, que permitan establecer los valores adecuados de los parámetros geotécnicos requeridos. El alcance de la investigación sismo-geotécnica dependerá siempre de la extensión del terreno y la complejidad del proyecto a ser desarrollado. Esta investigación abarca diferentes aspectos tales como:

• Revisión de mapas geológicos.
• Descripción geológica general de la zona, incluyendo antecedentes geológicos como fallas, fracturas, meandros, zonas de erosión, sismicidad, presencia de suelos con alto potencial de licuación, terrenos expansivos, etc.
• Datos hidrogeológicos, niveles freáticos y artesianos, sus oscilaciones, existencia de pozos. Para el caso de puentes, el nivel del agua máximo y mínimo.
• Revisión e interpretación de imágenes satelitales.
• Revisión de estudios geotécnicos realizados previamente en la zona.
• Visita al terreno que contemplará las siguientes actividades: accesos al terreno, definición de linderos, tipo de vegetación, construcciones existentes, relieve, drenajes, etc.
• Planos topográficos del terreno.
• Reconocimiento geológico superficial de la zona, incluyendo la detección de corrientes de aguas superficiales o la posible existencia subterráneas. Modelo Estratigráfico en 3D generado a partir de ensayos de penetración cónica (CPT). Software Estratigrafía GEO5.

En este sentido, deben tomarse en cuenta las posibles alteraciones que pueden sufrir las propiedades del suelo como consecuencia de la acción cíclica del sismo, lo cual incluye el posible efecto de degradación de la resistencia al corte. Esto es de suma importancia para la verificación de la seguridad de la estructura al finalizar el sismo, la cual no está garantizada con el análisis que considera las acciones sísmicas. Esta verificación se denomina análisis post-sísmico y es de suma importancia para determinar la estabilidad de cimentaciones en suelos sensibles o potencialmente licuables. Con la finalidad de establecer parámetros geotécnicos confiables, se debe tomar en consideración lo siguiente:

• Ciertas propiedades del suelo dependen del nivel de esfuerzo actuante.
• Realizar una cantidad suficiente de ensayos para determinar la variación de los parámetros geotécnicos.
• El juicio del proyectista y la experiencia son factores clave que deben ser complementados con referencias de casos reales existentes en la literatura.

Información geotécnica

La información geotécnica debe recopilar también información sobre topografía, hidrogeología, geología, datos disponibles de zonas vecinas, fotografías aéreas y cualquier otra que se considere relevante. Dicha investigación debe estar orientada hacia la determinación de la estratigrafía, propiedades de resistencia de los suelos, patrones de deformación, permeabilidad y distribución de presión de agua intersticial o de poros. 

El alcance de la exploración del subsuelo para definir los parámetros geotécnicos debe tomar en consideración las características e importancia de la estructura por construir. El número y la distancia entre las perforaciones deben seleccionarse de acuerdo con la información geológica y el área de la edificación proyectada. Las perforaciones deben incluir las unidades litológicas que tengan influencia en el comportamiento de la estructura. Los ensayos de campo y laboratorio deben realizarse conforme a procedimientos normalizados internacionalmente. 

En vista de la corta duración de los sismos que afectan los terrenos de cimentación, los suelos cohesivos saturados se comportarán como materiales en condición no drenada, es decir, que la rápida aplicación de la carga no propiciará el drenaje del terreno, traduciéndose este efecto en incrementos en las presiones de poros según como se generen las vibraciones debido a la acción sísmica. Es importante destacar que este comportamiento tiende a generarse incluso en suelos granulares en función de la velocidad de aplicación de carga sísmica. Es por ello que en suelos cohesivos es fundamental la determinación de la resistencia al corte no drenada (). 

Para la determinación de la resistencia al corte no drenada () de este tipo de suelos, se recomienda la realización de ensayos de corte triaxial o corte directo, en condición no drenada, con medición de presión de poros, de acuerdo con las normas ASTM D4767 y ASTM D3080, respectivamente, o en su defecto la ejecución del ensayo de compresión axial sin confinar, el cual es considerado una prueba rápida donde no se favorece el drenaje y se considera su comportamiento equivalente al de = 0. 

Para la determinación de la resistencia al corte no drenada de los suelos cohesivos blandos, se pueden realizar de igual forma ensayos de veleta directamente en el sitio o con muestras en el laboratorio. Estos ensayos se deberán realizar conforme a especificaciones dadas en las normas ASTM vigentes, así como la realización de ensayos en sitio para evaluar la resistencia pico de los suelos cohesivos. Se debe tener presente que al momento de determinar propiedades dinámicas en suelos es inevitable la incertidumbre en los valores obtenidos debido a diferentes fenómenos tales como: la inherente variabilidad de los suelos debido a que son producto de complejos procesos de formación geológica, la presencia de la anisotropía natural del terreno, así como, de la anisotropía inducida ocasionada por condiciones de esfuerzos anisotrópicos, perturbación de muestras en procesos de muestreo, limitaciones de equipos de campo y laboratorio, errores en los ensayos e interpretación de errores. Algunos pueden ser evitados, otros minimizados y otros simplemente siempre van a estar allí presentes.