EL ROL CRUCIAL DE LAS EXPLORACIONES GEOTÉCNICAS EN LAS CIMENTACIONES

En su artículo de 2007 “Medición del riesgo de investigaciones de sitios geotécnicos”, Goldsworthy et al. demostró que el uso del SPT puede conducir a un diseño de cimentación más conservador con costos más altos, en gran parte debido a la mayor incertidumbre asignada al SPT en comparación con otros métodos de investigación del sitio como la prueba de penetrómetro de cono (CPT) o la prueba de dilatómetro (DMT). Sin embargo, con un mejor control del SPT, y especialmente con el uso de un martillo automático calibrado, esta incertidumbre se ha reducido sustancialmente en los últimos 15 años.

Si bien las prácticas de campo varían un poco geográficamente y algunas áreas tienden a promover técnicas de investigación de sitios más avanzadas, la economía a menudo dicta que se opte por este enfoque simple y tradicional. Sin embargo, "simple" no tiene por qué significar menos confiable o de menor calidad. Algunos ingenieros pueden tratar los proyectos de rutina con cierta informalidad, ya que generalmente enfrentan menos desafíos técnicos y pueden solo plantear preocupaciones con respecto al cumplimiento del código de construcción, la posibilidad de problemas de construcción o la posibilidad de litigios. El enfoque elegido para las investigaciones del sitio y la caracterización geotécnica a menudo depende del riesgo percibido y, aunque todos los proyectos son importantes, no todos tienen las mismas consecuencias de fracaso.

El Manual de Cimentaciones Canadiense ha sugerido que los proyectos se clasifiquen como riesgo bajo, riesgo moderado o riesgo alto. La estrategia de investigación del sitio será y debería ser diferente para cada categoría (Figura 1). La mayoría de los proyectos de rutina entran en la categoría de Bajo Riesgo. Probablemente todos somos conscientes de la tendencia hacia que las investigaciones geotécnicas de rutina se adjudiquen sobre la base de licitaciones competitivas, donde la selección del ingeniero y el alcance de la investigación del sitio propuesto se basan únicamente en el precio. En muchos casos, el alcance de la investigación, incluido el número, la ubicación y la profundidad de las perforaciones de prueba, lo define a priori el cliente, sin la participación de un profesional geotécnico.

¿Son suficientes las perforaciones en cada esquina y en el centro de una estructura propuesta? ¡Quizás en realidad sean demasiado! Más bien, depende de la geología del sitio del proyecto, las necesidades del proyecto y la experiencia y el criterio profesional del ingeniero.

En 2004, el profesor Jorj Osterberg hizo una serie de observaciones sobre el proceso de realización de investigaciones de sitios para la práctica geotécnica en su artículo "Ingenieros geotécnicos, despiértense: el proceso de exploración de suelos necesita un cambio drástico". En él, Osterberg dice que debido a que los contratos de perforación de suelos generalmente se otorgan al postor más bajo, “no hay incentivo para hacer un trabajo de buena calidad, y hay muchos incentivos para de alguna manera hacer un pozo lo más rápido posible sin tener en cuenta obtener la mejor muestra de suelo y rocas, lecturas del nivel del agua e información colateral. Como resultado, a menudo se pasan por alto los niveles freáticos elevados, las capas importantes del suelo y otra información importante”. A continuación, se detallan las deficiencias señaladas por Osterberg:

1. Los métodos de perforación del suelo, el muestreo de suelos y rocas y la calidad del trabajo no han cambiado mucho en los últimos 50 años, a pesar de la disponibilidad de más y mejores herramientas y de técnicas más nuevas y mejores. Esto se debe principalmente al proceso casi universal de adjudicar contratos de exploración al postor más bajo. Además, el ingeniero geotécnico no parece exigir nada mejor.

2. Gran parte de la ingeniería geotécnica involucrada en la caracterización del subsuelo la realizan empresas de ingeniería no geotécnica que en su mayoría no están calificadas.

3. Los ingenieros geotécnicos a menudo hacen sólo lo que se les pide y no se imponen en asuntos y decisiones que son claramente geotécnicos.

4. Los perforadores a menudo carecen de la formación adecuada y no están informados sobre lo que se espera de ellos y lo que deben buscar. No registran información importante en sus hojas de registro diario, información que posiblemente podría ser importante y útil para el ingeniero geotécnico.

5. Las muestras de suelo y rocas frecuentemente son clasificadas por personal no calificado. El ingeniero geotécnico a menudo no verifica ni inspecciona las muestras y clasificaciones del suelo.

6. Los ingenieros geotécnicos pueden desconocer los procedimientos de prueba de laboratorio y rara vez visitan el laboratorio para observar las pruebas reales.

7. Se subestima la importancia de la redundancia en la exploración del subsuelo.

8. Los “problemas de la gente” se subestiman y a menudo se ignoran. Los ejemplos incluyen una falta general de comunicación entre el personal de campo y de oficina; el personal de diseño no comparte información importante que el personal de campo necesita para llevar a cabo sus responsabilidades; y el personal de campo no comparte observaciones de campo importantes con los responsables.

9. Los ingenieros geotécnicos generalmente carecen de conocimientos suficientes de geología. Además, según mis observaciones de los últimos 45 años, añadiría una deficiencia más común:

10. Muchos ingenieros geotécnicos carecen de suficiente conocimiento y experiencia de campo en los métodos de investigación del sitio, y dejan gran parte del trabajo y las decisiones importantes al perforador. Desafortunadamente, hasta donde puedo determinar, los problemas que Osterberg planteó hace muchos años todavía prevalecen en gran medida en la mayor parte de la práctica geotécnica rutinaria actual. Para algunos proyectos de rutina, es posible que el ingeniero geotécnico no pueda observar la investigación del sitio debido a consideraciones presupuestarias, lo que significa que debe confiar en las observaciones y notas del perforador. En este caso, los registros de perforación del perforador deben ser precisos y completos.

Los contratistas especializados suelen ser conscientes de que una mala investigación del sitio conduce a malos resultados. Una encuesta realizada en el Reino Unido en 2006 entre los miembros de la Federación de Especialistas en Pilotes, un grupo industrial de contratistas de pilotes, mostró que:

En casi un tercio de todos los contratos de pilotes y geotécnicos especializados examinados, la información de la investigación del sitio proporcionada fue deficiente, lo que impidió la optimización de la solución de cimentación. El costo para los clientes que surge de una mala investigación del sitio excede con creces los ahorros que se podrían lograr si se siguieran buenas prácticas al invertir en una investigación del sitio. La encuesta indica que no se siguen las directrices de buenas prácticas, lo que da lugar a investigaciones que no están diseñadas, especificadas o supervisadas adecuadamente.

Sin embargo, a pesar de los resultados de esta encuesta y de muchas otras anteriores, en 2023 seguimos enfrentando muchos de los mismos problemas. En los EE. UU., una encuesta de 2018 de agencias gubernamentales realizada por la Junta de Investigación del Transporte debería servir como una llamada de atención para nuestra profesión e industria. Los resultados de la encuesta se publicaron en NCHRP Synthesis 484 – Influencia de las investigaciones geotécnicas y las condiciones del subsuelo en las reclamaciones, los cambios y los sobrecostos. Esta encuesta de 55 agencias de transporte examinó el problema desde la perspectiva del propietario de la infraestructura.

El estudio identificó posibles deficiencias de las inversiones en investigación del sitio y la necesidad de mejores datos del subsuelo para optimizar nuestros programas. La mayoría de las agencias encuestadas no pudieron proporcionar datos brutos sobre la cantidad de fondos asignados a las investigaciones del subsuelo versus el costo general de la construcción, o el crecimiento de los costos, lo que indica que los propietarios generalmente no rastrean ni comparan el crecimiento de los costos del proyecto con su cartera de proyectos basándose en cantidad gastada en investigaciones del sitio. No es que estos datos no existan; más bien, están almacenados en múltiples ubicaciones en una variedad de formas.

Por lo tanto, se requiere un gran esfuerzo para compilar y analizar estos datos, lo que dificulta mucho los análisis de costos y riesgos basados en la cartera. De las cinco agencias que pudieron proporcionar datos, el crecimiento de los costos de los proyectos individuales asociados con las órdenes de cambio del subsuelo osciló entre aproximadamente 1 millón de dólares y 10 millones de dólares. En general, el crecimiento de los costos relacionados con el subsuelo representó alrededor del 17 por ciento de las órdenes de cambio de construcción de las agencias.

Si bien algunas de estas órdenes de cambio relacionadas con el subsuelo no se pudieron evitar, muchas podrían haberse reducido o eliminado si se hubiera realizado una caracterización suficiente del subsuelo antes de la construcción. La encuesta determinó cualitativamente que los reclamos del subsuelo, las órdenes de cambio y los sobrecostos eran problemáticos y una “preocupación prioritaria” para la mayoría de las agencias. Por lo tanto, el estudio reivindica la creencia generalizada entre los geoprofesionales de que se pagará por una investigación del sitio antes de la construcción o se pagará más durante y después de la construcción. El gráfico que se muestra en la Figura 2 también proviene de NCHRP Synthesis 484. Muestra una relación entre el crecimiento de costos y el porcentaje del costo total del proyecto asignado para investigaciones geotécnicas del subsuelo.

En general, un aumento en el costo de las investigaciones del sitio resultó en un menor crecimiento de los costos de los proyectos. Sin embargo, como nos indicará el buen juicio, se debe lograr un equilibrio para lograr la eficiencia general. Llega un punto en el que investigaciones adicionales no producirán beneficios adicionales. La Comunidad de Práctica de Geotecnia, Geología y Materiales del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de EE. UU. (USACE) está actualmente recopilando datos similares, y algunos de esos datos se han agregado en rojo a la Figura 2. Si bien el dinero gastado versus los aumentos de costos durante la construcción es una métrica útil para la salud general de un programa, la dispersión en la Figura 2 hace obvio que hay otros factores en juego. También debemos considerar:

• Incógnitas en el suelo

• Cómo afectarán estas incógnitas al diseño general.

• Qué se necesitará para definir mejor estas incógnitas (costo y tiempo).

• Las consecuencias de estas incógnitas durante la construcción. En otras palabras, debemos considerar los riesgos relacionados con las condiciones desconocidas del terreno para el éxito, el costo y el diseño eficiente del proyecto.

En primer lugar, los ingenieros deben comprender la geología del sitio para poder identificar y abordar rápidamente cualquier condición inusual en el programa de exploración del subsuelo planificado. Esto requiere tanto formación como experiencia. ¿Qué capas se esperan en el sitio y cuáles son sus variabilidades intrínsecas? ¿Pueden los ingenieros geotécnicos mejorar sus servicios en el trabajo de rutina para maximizar el resultado de la investigación del sitio sin salirse del presupuesto del proyecto? ¿Pueden todavía sentirse cómodos pensando que se puede lograr una investigación confiable sin una recomendación demasiado conservadora como resultado de una investigación limitada?

No todos los proyectos tienen el presupuesto para soportar el uso de CPT o DMT, los cuales son excelentes herramientas. La mayoría de las veces, los ingenieros simplemente deben confiar en el SPT. Esto significa que las pruebas SPT deben realizarse de manera correcta y consistente. Las mejores prácticas de SPT se pueden resumir como:

1. Utilice únicamente un martillo automático que se calibre anualmente.

2. Registre el número de serie del martillo para poder rastrear la calibración de energía.

3. Registre el tamaño de las barras de perforación utilizadas.

4. Siempre registre e informe 6 pulgadas. recuentos incrementales de golpes porque en realidad ayudan a mostrar el desarrollo de la resistencia a la penetración del SPT.

5. Mida e informe siempre la recuperación de la muestra porque puede identificar condiciones inusuales, como partículas de grava que a menudo resultan en una recuperación deficiente. La recuperación debe trazarse y mostrarse gráficamente en el informe. Además de estas prácticas, los datos del SPT se pueden mejorar sustancialmente mediante dos modificaciones simples que no tienen impacto en el procedimiento estándar:

5.1. Después de conducir la cuchara, incorpore el procedimiento SPT-Torque (SPT-T) para todos los SPT. La prueba proporciona una medición cuasiestática adicional después de la conducción SPT tradicional sin modificar el procedimiento SPT. Con un equipo mínimo, la prueba es rápida y agrega solo unos dos minutos adicionales después de completar el SPT. Se ha demostrado que los resultados proporcionan información muy útil sobre el comportamiento del suelo y la resistencia del lado de la unidad suelo-acero, y es probable que el uso de SPT-T continúe expandiéndose en el futuro.

5.2. Para algunos proyectos, registre el registro de penetración de la cuchara SPT en algunas unidades, es decir, registre la penetración de cada caída del martillo para obtener un registro de la distancia acumulada de la unidad versus el número acumulado de gotas. Estos resultados han sido útiles para estimar algunos parámetros importantes de suelos y rocas y se han utilizado para estimar la capacidad de cimentaciones profundas.

Ambas prácticas son sencillas de realizar y ayudan a proporcionar información útil sobre la uniformidad del suelo dentro del recorrido y algunas propiedades básicas del suelo. Aquí hay algunas sugerencias simples adicionales que he usado en el pasado en proyectos de rutina para mejorar la calidad de la práctica de investigación del sitio con un gasto adicional mínimo:

• Determine el contenido de agua en cada muestra. De todas las pruebas de laboratorio geotécnico, el contenido de agua es uno de los más fáciles, menos costosos y menos propensos a errores. Luego, los resultados deben presentarse gráficamente en el informe (Figura 3). El contenido de agua se puede utilizar para proporcionar una evaluación sencilla de la variabilidad vertical y lateral en todo el sitio. La figura muestra la variación en el contenido de agua obtenida en dos perforaciones poco profundas y dos profundas para un proyecto de rutina, que consiste en una estructura comercial de un solo piso, con carga ligera y una base de losa sobre el nivel del suelo. El proyecto se encuentra en una zona donde la geología es bien conocida por el ingeniero y donde se han realizado una serie de investigaciones previas. Los datos provienen de una combinación de SPT y muestras de tubos de paredes delgadas. Los resultados muestran la variabilidad en los 20 pies superiores y el cambio con la profundidad. En este caso, se produjo una ruptura estratigráfica a una profundidad de aproximadamente 21 pies.

• Considere el uso de un penetrómetro de cono dinámico (DCP) para mejorar el valor de las perforaciones de prueba. Cuando se realiza utilizando un equipo de perforación, no se necesita equipo especial excepto un cono de 60° y 2,5 pulgadas de diámetro que se coloca en el extremo de las barras de perforación AW estándar. Usando un martillo automático SPT, el número de golpes por cada 6 pulgadas. Se cuentan los intervalos de conducción, comenzando normalmente la conducción en la superficie del suelo. La Figura 4 muestra algunos resultados típicos obtenidos en un depósito aluvial de arena estratificada y arena limosa en Windsor, VT. El recorrido de 40 pies duró aproximadamente 20 minutos y ayudó a mejorar el perfilado de las muestras SPT tomadas a intervalos de 5 pies, mostrando varias capas dentro del depósito. Los resultados se pueden utilizar para mostrar rápidamente variaciones verticales en la resistencia a la conducción y también se pueden utilizar para estimar una serie de parámetros y comportamiento del suelo, como el potencial de licuefacción en suelos de grano grueso.

• Para mediciones rápidas del índice inicial de resistencia al corte en suelos de grano fino, la prueba de paleta de bolsillo parece ser más precisa y confiable que el penetrómetro de bolsillo, que existe desde al menos 1957. La paleta de bolsillo también tiene un rango más amplio de aplicabilidad y puede usarse para obtener una medida de sensibilidad colocando una muestra remodelada de suelo en un pequeño vaso de plástico y realizando una prueba remodelada. Siempre que se realiza una prueba de paleta de bolsillo, se debe tomar una muestra del contenido de agua. En conjunto, estos datos pueden ayudar a definir una relación general entre la resistencia al corte no drenado y el contenido de agua dentro de una capa determinada.

• En suelos de grano grueso, los análisis de tamiz en muestras seleccionadas pueden ser útiles para estimar otros parámetros geotécnicos, utilizando porcentajes de finos, D50 y coeficientes de uniformidad.

• En suelos de grano fino, los límites líquidos y plásticos de Atterberg (LL y PL) deben realizarse en muestras seleccionadas. Se puede utilizar el procedimiento de límite líquido de un punto utilizando la copa de Casagrande o el cono de caída para reducir el tiempo de prueba. Junto con el contenido de agua, LL y PL se pueden utilizar para calcular el índice de liquidez (LI), que es útil para estimar el historial de tensiones y la resistencia al corte no drenado.

• Los niveles de agua siempre deben registrarse en el registro de perforación de campo e, idealmente, las mediciones deben tomarse al final de la perforación, al final del día y, si es posible, al día siguiente. Con datos limitados, los ingenieros a menudo deben confiar en correlaciones empíricas de alta calidad en materiales similares para estimar algunos parámetros geotécnicos que pueden no medirse directamente en el laboratorio debido a restricciones presupuestarias. Pero los ingenieros también deben comprender las limitaciones del enfoque empírico. Recursos como las correlaciones actualizadas presentadas en la edición más reciente de la Circular de Ingeniería Geotécnica (GEC) No. 5 (2017) de la FHWA se pueden utilizar para verificar la validez de las pruebas que se realizan y para estimar los parámetros para los cuales no se han realizado pruebas. Las correlaciones presentadas en las décadas de 1950 y 1960 generalmente no son confiables y no deberían usarse.

Los proyectos de rutina representan el trabajo más frecuente realizado por muchos ingenieros geotécnicos y deben realizarse con el mismo nivel de cuidado y calidad que cada investigación. El ingeniero geotécnico puede utilizar algunas prácticas simples para mejorar y potenciar el trabajo y al mismo tiempo proporcionar información útil adicional del subsuelo con un mínimo esfuerzo y costo adicional. Si no se realizan con el mismo nivel de cuidado que los proyectos más grandes, es probable que los proyectos pequeños generen problemas posteriores a la construcción más frecuentes. Desde la investigación del sitio hasta el informe geotécnico, es necesario involucrar personal calificado en todos los niveles del trabajo.