Análisis de asentamientos inducidos por excavaciones bajo cimentaciones existentes, mediante modelación con software especializado en Elementos Finitos, aplicado al Edificio de la Facultad de Ciencias Biológicas de la Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo

Abstract

En el edificio de la Facultad de Ciencias Biológicas de la Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo se ha proyectado una excavación circundante y por debajo de su cimentación, con el propósito de instalar calzaduras en todo su perímetro, eliminando parte del suelo licuable y así poder transmitir esfuerzos a un estrato más firme. Sin embargo, esta intervención genera una preocupación fundamental: ¿Es lo suficientemente rígido el suelo de fundación, como para soportar las deformaciones inducidas por las diferentes etapas de excavación? Las deformaciones ocasionadas por etapas constructivas, al superar el asentamiento máximo permisible, pueden derivar en daños, como fisuras en muros y elementos estructurales, cambios en la distribución de esfuerzos internos e, incluso, comprometer la estabilidad del edificio. Además, la respuesta del suelo a la excavación es difícil de predecir con exactitud, debido a la heterogeneidad de sus propiedades geotécnicas. Por ello, se hace uso de factores de seguridad aplicando modelos numéricos como el Método de Elementos Finitos, estos permiten simular y evaluar los asentamientos a través de modelos constitutivos. Para este análisis se usó el modelo constitutivo Hardening Soil, que permite simular con buena precisión el comportamiento del suelo. En este contexto, surge la necesidad de utilizar software especializado en elementos finitos para calcular la magnitud del asentamiento del suelo de fundación y sus posibles efectos en la estabilidad de la estructura preexistente. Se analizaron modelos 2D y 3D para obtener los resultados más críticos, evaluar la estabilidad y factores de seguridad. Finalmente, se concluye que el suelo de fundación no presenta la capacidad suficiente para resistir las deformaciones producidas durante la etapa constructiva de la segunda fila de calzaduras, por lo que colapsa debido a su naturaleza de tipo blando (S3). Por ello, se propone un mejoramiento de suelo a través de la inyección de suelo-cemento (jet grouting), o cualquier otro método que mejore las propiedades geotécnicas para ejecutar las excavaciones con total seguridad.

In the building of the Faculty of Biological Sciences at the Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo, a surrounding and underlying excavation beneath its foundation has been projected to install underpinning walls (calzaduras) around its entire perimeter, thereby removing part of the liquefiable soil layer and transferring structural loads to a firmer stratum. However, this intervention raises a fundamental concern: Is the foundation soil sufficiently stiff to withstand the deformations induced by the different excavation stages? Deformations caused by construction stages, when exceeding the maximum allowable settlement, can lead to damage, such as cracking in walls and structural elements, redistributions of internal stresses, and even compromise the overall stability of the building. Furthermore, predicting the soil response to excavation with precision is challenging due to the heterogeneity of its geotechnical properties. Therefore, safety factors are evaluated using numerical models such as the Finite Element Method (FEM), which allows for the simulation and assessment of settlements through constitutive models. For this analysis, the Hardening Soil constitutive model was used, as it provides an accurate simulation of non-linear soil behavior. In this context, the need arises to utilize specialized finite element software to compute the magnitude of foundation soil settlement and its potential effects on the stability of the existing structure. Both 2D and 3D models were analyzed to determine the most critical results and to evaluate structural stability and safety factors. Finally, it is concluded that the foundation soil lacks sufficient bearing capacity to resist the deformations produced during the construction stage of the second row of underpinning walls, leading to failure due to its soft soil nature (S3 type). Consequently, soil improvement via soil-cement injection (jet grouting), or any other ground improvement technique that enhances geotechnical properties, is proposed to execute the excavations safely.