Cimientos de madera, un campanario inclinado y una gigamachine: la ciencia que oculta el suelo

El casco antiguo de Ámsterdam se levanta sobre 11 millones de pilotes de madera. Durante siglos, esta fue la única manera de construir sobre el terreno blando que se extiende en los márgenes del río Amstel. El edificio del ayuntamiento de la capital neerlandesa reposa, por ejemplo, sobre más de 13.600 pilotes de madera. Su mítica estación central, inaugurada en la década de 1880, se eleva sobre más de 8.600.

Este método de cimentación no era novedoso cuando se empezó a utilizar en Ámsterdam. Ni tampoco ha caído en desuso. A día de hoy, todavía hay grandes obras como puentes y carreteras que utilizan pilotes de madera para transmitir la carga de la estructura a las capas sólidas más profundas de terreno y salvar así las dificultades de construir sobre suelos blandos.

“La problemática que concierne a la cimentación de estructuras en terrenos blandos, en los que la cimentación directa no resulta posible, ha ocupado la mente de los constructores a lo largo de la historia”, explica Juan Carlos Guerra Torralbo, jefe de proyectos del área de geotecnia de Ferrovial Agroman, quien profundiza en la naturaleza y el comportamiento del terreno en su último libro, ‘Mecánica de suelos. Conceptos básicos y aplicaciones’.

La composición del suelo marca su comportamiento a la hora de soportar tensiones externas. | Fuente: Pxhere

El suelo y sus elementos

Desde que el ser humano empezó a ingeniar las primeras viviendas y las primeras vías de comunicación, el suelo se convirtió en un elemento más en su mente constructora. Ya no era solo el plano sobre el que se asentaba su mundo, sino una pieza más de la construcción, un elemento que moldear y cambiar a su antojo (siempre y cuando las técnicas y la física lo permitieran).

“El suelo es un material compuesto por un conjunto de partículas sólidas entre las que existen huecos y poros. De este carácter multifásico se deriva la principal dificultad para comprender el comportamiento del suelo frente a solicitaciones externas, ya que la respuesta depende de la interacción compleja entre las fases que lo componen”, explica Guerra Torralbo.

Tradicionalmente, los suelos se dividen en dos grandes grupos: granulares (arenas) y cohesivos (arcillas). Entre ellos, claro, hay una amplia gama de terrenos de transición. Así que, a la hora de planificar y ejecutar una obra, lo primero es identificar los elementos y las características del suelo. Se suelen estudiar el tamaño de los granos y su distribución y los límites de Atterberg (relacionados con la cantidad de agua y la plasticidad del suelo).

Además, se llevan a cabo ensayos químicos para establecer el contenido de materia orgánica, la cantidad de sulfatos y sales solubles, la presencia de yesos y la acidez para determinar la agresividad del suelo. También se pueden estudiar las propiedades de estado del suelo (como humedad y peso específico). Y, cuando se excava bajo el nivel freático (marcado por la profundidad que alcanza la capa superior del agua acumulada en el subsuelo) puede ser necesario conocer la permeabilidad del suelo.

“Es obvio que toda estructura ha de apoyarse en el terreno, que puede considerarse como un material más: estructura, cimiento y terreno. Ahora bien, el terreno es menos resistente y más deformable que el resto de los componentes manufacturados por el hombre. Es por ello que hay que dotar a la estructura de unos apoyos o cimentaciones que transmitan y repartan al terreno las cargas recibidas de la estructura”, señala el ingeniero de Ferrovial Agroman. Y aquí es cuando regresamos a los pilotes de Ámsterdam.

El casco antiguo de Ámsterdam se levanta sobre 11 millones de pilotes de madera. | Fuente: Unsplash | Autor: Wendel Hilário

La ciencia de cambiar el suelo

A priori, es posible construir en cualquier tipo de suelo. Solo es necesario escoger el tratamiento del terreno adecuado, la mejor solución estructural y el proceso constructivo óptimo. Durante siglos, la técnica más utilizada fue la hinca de elementos prefabricados en suelo, como los pilotes de madera.

“El desarrollo industrial del último siglo ha permitido el auge de nuevas técnicas de tratamiento del terreno, como la vibroflotación o vibrocompactación, es decir, el uso de un elemento vibratorio profundo penetrante en el terreno”. Según explica Guerra Torralbo, el sistema de vibración se origina siempre por una masa que gira dentro de un cilindro metálico. La primera máquina de vibroflotación fue desarrollada en Alemania por W. Degen y S. Steuerman al principio de los años 30.

“La mejora de las características de un suelo mediante los impactos controlados de alta energía es un procedimiento que tiene un origen antiguo, existen referencias históricas de su uso desde la época de los romanos”, continúa el ingeniero. Básicamente, esta otra técnica consiste en actuar sobre la superficie del terreno con una pesada maza que se deja caer libremente mediante una grúa especialmente adaptada.

Este método se popularizó en los años 70 del siglo XX en Francia, Gran Bretaña y Estados Unidos.  La gigamachine, diseñada por Louis Menard y capaz de elevar y soltar 200 toneladas desde 25 metros de altura, es uno de los grandes ejemplos de esta técnica. Esta maza de proporciones gigantescas fue utilizada en las obras del aeropuerto de Niza.

Hoy en día, los tratamientos que pueden recibir los suelos para adaptarlos a las necesidades de la obra son variados. A grandes rasgos, son métodos que persiguen incrementar la cohesión de conjunto del terreno, aumentar la resistencia al corte, movilizar la resistencia efectiva o actuar en el interior del terreno, formando barreras activas o pasivas, para reducir los movimientos de la estructura.

Los cimientos de una construcción se diseñan en función de la composición del suelo y su comportamiento. | Fuente: Unsplash | Autor: valor kopeny

De tensiones, partículas y cimientos

“En general, el esqueleto mineral del suelo es bastante deformable. De hecho, si se observase a escala microscópica el proceso de sedimentación natural de un suelo se comprobaría que sus granos tienden a agruparse formando cadenas”, explica Juan Carlos Guerra Torralbo. Sin embargo, la mecánica clásica del suelo tiende a estudiar el comportamiento del suelo desde un punto de vista macroscópico, como si fuese un medio continuo.

Normalmente, las tensiones en el interior de un suelo están provocadas por el peso del propio suelo y por las cargas exteriores. El sistema de tensiones es, de hecho, bastante complicado. Existe un caso habitual sencillo, sin embargo, cuando la superficie del terreno es horizontal y cuando la naturaleza del suelo varía muy poco en dirección horizontal. Habitualmente, este caso se presenta en suelos sedimentarios.

“En este caso encontramos tensiones geostáticas verticales y tensiones geostáticas horizontales”, señala el ingeniero de Ferrovial Agromán. La primera se calcula en base al peso del suelo por encima de dicha profundidad. La segunda puede variar entre amplios límites, según que el suelo resulte comprimido o expandido en la dirección horizontal, ya sea por las fuerzas de la naturaleza o por los trabajos del hombre.

En función de la composición del suelo y su comportamiento, se diseñan, o al menos se deberían diseñar, los cimientos de una construcción. “La función de la cimentación es lograr que las fuerzas que se presentan en la base de la estructura se transmitan de forma adecuada al suelo en que esta se apoya”, dice Guerra Torralbo. “Por ello, el diseño y proyecto de cimentaciones es un arte en el que se solapan diversas ciencias: la geología, la geotecnia y las estructuras”.

Para el ingeniero de Ferrovial, muchos edificios se proyectan atendiendo a criterios funcionales y solo al final se define la estructura y la cimentación. “Ahora bien, en situaciones especiales es obligado que la cimentación se considere como factor influyente en el diseño de la estructura. A la hora de pensar en la concepción estructural de un edificio se debe tener en cuenta la respuesta del terreno ante las futuras cargas que va a recibir”, añade.

La torre de Pisa se ha inclinado debido a la diferencia en la consistencia del suelo entre sus lados este y oeste. | Fuente : Unsplash | Autor: Yeo Khee

La geotecnia y una torre famosa

Empezó a construirse en 1173 y antes de que estuviese terminada los habitantes de Pisa se habían dado cuenta de que había empezado a inclinarse. La torre de esta famosa ciudad toscana no sería tan conocida sin su inclinación. Y es que el campanario del Duomo de Pisa, una de las joyas del románico, le debe la fama (además de a sus 14.500 toneladas de caliza y mármol) a la diferencia en la consistencia del suelo entre los lados este y oeste.

“A menudo nos reímos con esa imagen de dos ingenieros al pie de la torre de Pisa diciendo: he escatimado un poco en la cimentación, pero nadie lo notará nunca. Cabe preguntarnos si es procedente escatimar en la cimentación cuando de ella depende el futuro de la estructura cuyo coste es muchísimo más elevado que el de los propios cimientos”, reflexiona Juan Carlos Guerra Torralbo.

En el siglo XII de nuestra era, ni la geotecnia estaba tan desarrollada ni se tomaba tan en serio. “Una buena investigación geotécnica previene cometer errores en la elección de soluciones constructivas y estructurales y, en consecuencia, gastos y plazos innecesarios”, continúa Guerra Torralbo. Toda inspección empieza por la fase de campo para conocer las propiedades físicas y mecánicas del suelo, para continuar con el estudio de muestras en laboratorio y la redacción del informe final.

Hoy, la geotecnia ha avanzado tanto que, tras un buen trabajo de campo y un estudio de laboratorio completo, es posible predecir con exactitud el comportamiento futuro del suelo. De haberse construido hoy, probablemente, ni la Torre de Pisa estaría inclinada, ni habrían sido necesarias las actuaciones para frenar su deterioro. Aunque quizá unos cimientos sólidos le habrían restado una buena dosis de fama.