Suelos

INDICE INTRODUCCIÓN TIPOS DE GRAVAS LIMITACIONES EN EL ESTUDIO DE LAS GRAVAS EN EL PERÚ PROBLEMAS DE GRAVAS EN CIMENTACIONES CASOS DE GRAVAS ESPECIALES EN EL PERU ANÁLISIS DE LA DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS DE RESISTENCIA EN LA GRAVA DE LIMA GRAVA MODELO UTILIZADA EN LA INVESTIGACIÓN RESISTENCIA EN LA GRAVA DE LIMA GENERALIDADES METODOLOGÍAS EN LABORATORIO CON EL ENSAYO DE CORTE DIRECTO EN CAMPO CON EL ENSAYO DE PLACA EN CAMPO CON ENSAYO DE CORTE DIRECTO IN SITU DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO PROCEDIMIENTO DE CORTE DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE RESISTENCIA ENSAYOS IN SITU EFECTUADOS CENTRO DE LIMA – 1972 UNIVERSIDAD DE SAN MARCOS - 1996 ACANTILADOS DE LA COSTA VERDE – 1997 ANALISIS DE LOS RESULTADOS CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFÍA INTRODUCCIÓN Los suelos gravosos son materiales poco estudiados, por el gran tamaño de sus cantos y gravas que al momento de realizar su evaluación presenta dificultades además de la dificultad de conseguir muestras inalteradas y el equipamiento de laboratorio para este tipo de ensayos es limitado. La matriz presente en el conglomerado tiene una influencia fundamental en su comportamiento principalmente por las variaciones en la proporción de la matriz, el tipo de suelo y presencia de elementos cementantes, a los cuales se agrega las condiciones de saturación, compacidad, relación de vacíos, etc., propiedades que deberían permitir vislumbrar su comportamiento. En los últimos años el panorama ha empezado a cambiar especialmente en los países desarrollados, se tiene mayor interés en el estudio de estos materiales y la problemática que puede presentarse en ellos. Estudios en el Perú y el extranjero En el extranjero se han desarrollado la mayor parte de las investigaciones efectuadas en gravas; tenemos por ejemplo el estudio de la licuación en gravas en Japón, motivados por los problemas de ese tipo reportados en algunos sismos. Se tiene también los casos de colapso ocurridos en algunas presas de Estados Unidos y China. En la Universidad de Chuo de Japón, con la dirección del profesor Takaji Kokusho se vienen desarrollando investigaciones sobre las propiedades mecánicas de los suelos gravosos, tales como resistencia cíclica no drenada en aparatos triaxiales, resistencia no drenadas durante sismos, deformación volumétrica de suelos gravosos por prueba de corte simple, aplicabilidad de los ensayos de densidad máxima y minima de suelos gravosos, entre otros. La división de ingeniería geotécnica de la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles ASCE, ha publicado numerosos artículos sobre gravas de investigadores de lugares diversos como Estados Unidos, Canadá, Japón, entre otros. También hay experiencias en México y España que es importante mencionar. Actualmente, en el extranjero se observa un creciente interés por el estudio de las gravas y se está implementando el equipamiento de laboratorio y equipos de sondaje apropiados. En el Perú muchas ciudades se ubican sobre conglomerado y se han reportado casos de gravas especiales en varios lugares, siendo necesaria mayor investigación de estos materiales. Es importante la implementación de los laboratorios con equipos adecuados y el desarrollo de exploración con equipos gigantes. TIPOS DE GRAVAS SEGÚN SU ORIGEN GRAVAS DE ORIGEN FLUVIAL Son materiales depositados por los ríos, el tipo de material depende del estado de desarrollo del valle por donde discurre el río, así como del lugar de donde es arrancado el material y también del lugar donde es depositado, dependiendo también del caudal fluvial. Los materiales son transportados teniendo en cuenta la pendiente del río, quebrada, etc.; según su tamaño y peso, los grandes y pesados bloques son dejados cerca del lugar de origen y los de menor peso son llevados lejos de su origen. Las gravas de las terrazas fluviales nos dan información sobre las rocas que se erosionaron río arriba (según la composición de los cantos), sobre la fuerza del agua del río (según el tamaño de los cantos), e incluso sobre la dirección del flujo (según el sentido en que estén imbricados los cantos). GRAVAS DE ORIGEN ALUVIAL Son depósitos transportados por las corrientes de agua y depositados en las depresiones. El tamaño varía desde la matriz arenosa o fina hasta las gravas, cantos y bloques, los materiales gruesos son redondeados debido al transporte. El depósito es en forma estratificada de acuerdo al peso unitario de los componentes. Como ejemplo tenemos en Lima el depósito aluvial del río Rímac (Foto 1.1). Foto 1.1: Depósito aluvial formado por el río Rímac, perfil ubicado en el distrito de Jesús María. El conglomerado de Lima está compuesto por cantos rodados, gravas, arenas y limos, en algunos sectores se ubican boleos mayores de 12 pulgadas, superficialmente presenta una cobertura con suelo fino de espesor variable según el lugar. La compacidad relativa es variable, hay zonas de buena compacidad y en otras el conglomerado se halla semisuelto a suelto. Foto archivo Ing. Luisa Shuan GRAVAS DE ORIGEN ALUVIONAL Los depósitos aluvionales son materiales arrastrados por huaycos o aluviones y depositados en los cambios de pendiente y conos de deyección de las quebradas; están conformados por sedimentos clásticos heterogéneos en cuanto a tamaño, forma y composición. Se tienen bloques rocosos de gran tamaño y fragmentos detríticos unidos con matriz arenosa limosa, los depósitos recientes son inestables y pueden presentar asentamientos. Un ejemplo típico es el suelo de las quebradas de la subcuencas de la zona de Chosica como Quirio, Pedregal, etc. Foto 1.2: Depósito aluvional en la quebrada Quirio- Chosica cerca de la carretera Central, contiene fragmentos de roca mayores de 1m. Foto cortesía PREDES (Medidas Preventivas en la Cuenca del río Rímac, Feb. 2006) GRAVAS DE ORIGEN COLUVIAL Son materiales transportados por gravedad, acción de hielo-deshielo o agua, son producto de la alteración in situ de las rocas y posterior transporte, se les puede ubicar en la pendiente de las laderas y al pie de los cerros. Su composición depende del tipo de roca de la cuenca o subcuenca y están formadas por fragmentos angulosos en las subcuencas y subredondeados en la cuenca, englobados en matriz limo arcillosa, areno limosa o areno arcillosa. Frecuentemente están asociados a masas inestables y susceptibles de presentar asentamientos, sobre todo en los materiales poco consolidados. En Lima se tienen gravas coluviales angulosas y subangulosas en los conos que bordean la ciudad, como por ejemplo San Juan de Lurigancho, Huaycán , Comas, etc., también en algunas zonas de La Molina ( Fotos 1.3 y 1.4) Foto 1.3: Depósito coluvial ubicado en el Rincón de La Planicie en La Molina. El terreno se ha formado por el intemperismo de las rocas de los cerros circundantes y transporte por gravedad hasta depositarse en la parte plana, donde se ubican las viviendas y el pavimento. Foto archivo Ing.Luisa Shuan Foto 1.4: Grava de origen coluvial, perfil del terreno sector Rincón de La Planicie en La Molina (vista anterior), se observa la típica forma subangulosa debido al escaso transporte. Foto archivo Ing.Luisa Shuan POR LA PETROGRAFÍA DE LOS CANTOS La petrografía de los cantos de las gravas depende del tipo de afloramiento del cual proceden. En un depósito de grava se pueden encontrar cantos de roca ígnea, sedimentaria o metamórfica, la mayor o menor proporción de algún tipo de roca en especial dependerá del predominio de los afloramientos en las laderas, valles, quebradas, cárcavas, etc. de la ubicación de la roca madre y las características del agente de transporte. Los cantos del conglomerado de Lima se originan mayormente de las rocas de los contrafuertes de la cordillera occidental de Los Andes. En la zona del Infiernillo donde nace el río Rímac, predominan las calizas y en el valle rocas ígneas como granito, granodiorita y volcánicas. Sin embargo, en su recorrido el río Rímac atraviesa afloramientos sedimentarios y metamórficos de los cuales proceden una porción reducida de los cantos. De la petrografía de los cantos depende también su dureza, las gravas coluviales que proceden de rocas ígneas y metamórficas pueden ser frágiles. Las gravas aluviales con predominio de cantos de roca ígnea volcánica e intrusiva son de buena resistencia mecánica, como ejemplo tenemos la grava de Lima. Las gravas fluviales o aluviales con predominio de cantos de roca sedimentaria tienen resistencia mecánica media a baja, por ejemplo las gravas formadas por los ríos de la selva alta (Foto 1.5). Foto 1.5: Depósito fluvial del río Cacazú (Villa Rica–Pasco), cantera de agregado con predominio de cantos de rocas sedimentarias. Foto archivo Ing.Luisa Shuan POR SU DISTRIBUCIÓN GRANULOMÉTRICA Los suelos granulares gruesos comprenden la mezcla de materiales tales como fragmentos de roca o bloques, boleos, cantos rodados, gravas, arenas y finos. Sin embargo la mayoría de los sistemas de clasificación consideran la granulometría de los tamaños menores de 3”, no hay uniformidad en cuanto a la clasificación de los tamaños mayores. Para el conglomerado de Lima es frecuente utilizar la siguiente nomenclatura para describir los diversos tamaños que puede contener un suelo granular grueso: Bloques: Fragmentos rocosos mayores o iguales a 1m. Boleos: Material mayor de 12” y menor de 1m. Cantos rodados : Material mayor de 3” y menor de 12” Grava gruesa : Material que pasa la malla de 3” y retiene la malla ¾” Grava fina : Material que pasa la malla de ¾” y retiene la malla N°4 El sistema Internacional de clasificación SUCS ( ASTM D2487) no considera la fracción mayor de 3pulgadas; aun cuando sea predominante, solo se clasifica la matriz menor de 3 pulgadas del conglomerado. En la norma ASTM D2488 (Práctica Estándar para la descripción e identificación de Suelos- Procedimiento Visual Manual) se considera una apreciación global de la fracción gruesa en dos grupos: Bolones: Partículas de roca que pasan una abertura cuadrada de 12” y retiene el tamíz de 3”. Bloques: Partículas de roca que no pasan una abertura cuadrada de 12”. Bolones de origen volcánico y acarreo fluvial LIMITACIONES EN EL ESTUDIO DE LAS GRAVAS EN EL PERÚ POR EL TAMAÑO DE LAS GRAVAS, BOLEOS Y BLOQUES Un suelo granular grueso está compuesto mayormente por fracción gruesa, la fracción fina ocupa los espacios vacíos y puede estar conformada por arena limpia, arena con finos o finos arenosos. La clasificación de la fracción gruesa diferencia los tamaños menores de 3” en grava fina y grava gruesa, los tamaños comprendidos entre 3” y 12”son denominados cantos rodados, los boleos son los elementos mayores de 12” y en algunos suelos de naturaleza aluvional, se hallan fragmentos rocosos de 1m. a más. Una muestra representativa del conglomerado debería incluir los tamaños mayores de 3” para un estudio real del conglomerado; si se reduce la muestra a un tamaño menor que el presente en campo entonces los resultados de la investigación no son reales y será necesario el empleo de correcciones para una aproximación de su verdadero comportamiento. POR LA DIFICULTAD EN PRUEBAS DE CAMPO Y LABORATORIO En nuestro medio, la ejecución de pruebas de campo y laboratorio se dificultan por la carencia de equipos adecuados que permitan un análisis real del conglomerado. Si bien es cierto que existen algunos equipos para pruebas de campo, aún resulta insuficiente para el avance en el estudio de estos materiales. POR LA PRESENCIA DE LAS GRAVAS ESPECIALES En el Perú se ha identificado y estudiado la presencia de gravas especiales que han causado problemas a obras de ingeniería; por ejemplo podemos citar el caso de gravas colapsables en el Sur del país, la licuación de gravas ocurridas en presas de tierra y cimentación de puentes, la presencia de gravas cementadas como costras calcáreas superficiales, el caso de las gravas en laderas con altura y pendiente considerable como es el caso de la Costa Verde en Lima. La presencia de estas gravas especiales amerita una investigación minuciosa sobre el conglomerado, las propiedades de la matriz y su influencia en el conjunto. EQUIPOS USADOS EN NUESTRO MEDIO En nuestro medio se dispone de equipos para medición de densidades in situ, utilizando el método tradicional del cono y la arena, con diámetro de cono de hasta 12 pulgadas, con el cual se ha obtenido información de pesos específicos del conglomerado de Lima, en lugares en los cuales el tamaño máximo promedio de cantos es del orden de 8 pulgadas. El laboratorio de suelos de la Universidad Nacional de Ingeniería ha implementado la ejecución de ensayos de corte directo in situ, para tal fin ha diseñado un equipo que permite ensayar especimenes del orden de 0.70m. de ancho tomando como modelo la metodología normalizada para rocas. Los primeros ensayos con este equipo datan del año 1972 (1) y los resultados obtenidos han sido concordantes al conglomerado de Lima. El ensayo de carga directa sobre placas se ha efectuado también en diversos lugares sobre conglomerado, habiéndose observado en la mayoría de las experiencias, un reducido tamaño de la placa de transmisión de esfuerzos, motivado por la elevada carga de reacción que es necesario para registrar asentamientos en gravas. En sondajes, dada la imposibilidad del empleo del ensayo de penetración estándar, en nuestro medio se utiliza como alternativa el denominado cono “Peck” que consiste en un cono macizo de acero que permite un registro continuo de golpes sin opción de recuperar muestras. La Norma Técnica E-050 recomienda el registro de “N” para cada 0.30m. para el uso del Cono Peck y para el uso de conos superpesados DPSH con peso de martillo mayores de 60kg. Se recomienda el registro de “N” para cada 0.20m. en forma continua. El uso de estos conos es limitado en gravas de densidad relativa semisuelta a semidensa, al aumentar el tamaño máximo y la densificación de la grava se produce rechazo y los resultados obtenidos no son confiables como para ser empleados en cálculos geotécnicos. En equipos para ensayos en laboratorio, el laboratorio geotécnico del CISMID – UNI dispone de un equipo de corte directo a gran escala que permite el ensayo de especímenes de 0.60m.x0.60m.x0.60m. y con gravas de hasta 4 pulgadas de tamaño máximo (Foto 3.2). En las Fotos 3.1 y 3.3 se observa el sistema instalado en un pozo de prueba, el esfuerzo normal se aplica por reacción en un pórtico de acero de 10Tn, de capacidad y el esfuerzo tangencial por reacción en la pared del pozo de prueba. El uso de este equipo es reciente y ya se reporta resultados en especímenes de gravas remoldeados a densidades variables. Foto 3.2: Caja de corte de 0.60m.x0.60x0.60m. para especímenes de 4 pulgadas Foto 3.1: Equipo de corte directo para suelos gravosos del laboratorio Geotécnico CISMID - UNI Foto 3.3. Esquema del sistema de reacción y aplicación del esfuerzo En términos generales, en el equipamiento de los laboratorios de nuestro medio hay una seria limitación, los equipos triaxiales son de dimensiones reducidas y permite el ensayo solo hasta cierto tamaño máximo de partículas. Ante esta limitación se acostumbra efectuar ensayos en la matriz fina del conglomerado sin efectuar correcciones para el material global; Martínez Vargas en 1995 (3) propone aplicar correcciones a tales resultados. EQUIPOS USADOS EN EL EXTRANJERO En el extranjero, se tiene un mayor avance de la tecnología en equipos especiales para estos materiales. En países como Japón, Canadá y Estados Unidos se ha desarrollado pruebas de penetración dinámicas a gran escala, similares a la prueba de penetración estándar pero con variaciones en el peso del martillo, altura de caída, energía y otros, la correlación de estos métodos con la prueba de penetración estándar es materia de diversas investigaciones; el objetivo principal es poder obtener valores de “N” para el estudio de la licuación en suelos gravosos. En la Tabla 3.1: “Pruebas de Penetración Dinámica”, se presenta algunas pruebas de penetración dinámica a gran escala y su comparación con la prueba SPT (4) . Para la obtención de muestras inalteradas de gravas, en Japón (5) se ha implementado técnicas que combinan equipos de perforación y el congelamiento del material para evitar su perturbación (Fotos 3.4 y 3.5), también se emplea la protección del testigo con un recubrimiento de polímeros que se adhiere a la muestra como una funda (Fotos 3.6 y 3.7). Estas muestras se ensayan en laboratorio utilizando equipos con dimensiones adecuadas al tamaño máximo de grava. Fotos 3.4 y 3.5: Muestreo de gravas por congelación. Undrained Strength of Gravelly Soil During Earthquakes-Takaji Kokusho – Professor of Chuo Univeristy Fotos 3.6 y 3.7: Método reciente de muestreo de gravas utilizando polímeros. Undrained Strength of Gravelly Soil During Earthquakes-Takaji Kokusho – Professor of Chuo Univeristy En Chile (6) se efectúan ensayos triaxiales en condiciones drenadas y no drenadas con especímenes de 1m.de diámetro por x 2m. de altura y compresiones de confinamiento de hasta 20kg/cm2, según reporta el Centro de Investigación, Desarrollo e Innovación de Estructuras y Materiales IDIEM (Foto 3.8). Foto 3.8: Equipo triaxial gigante de la IDIEM, Chile. PROBLEMAS DE GRAVAS EN CIMENTACIONES GRAVAS LICUABLES ANTECEDENTES El fenómeno de licuación de suelos consiste en la pérdida rápida de resistencia al esfuerzo cortante, el suelo cambia de un estado firme a un estado viscoso semilíquido y fluye, como consecuencia del incremento de la presión del agua de poros. La licuación ocurre cuando el suelo es sometido a vibración como consecuencia de cargas dinámicas que actúan sobre él, como sismos, explosiones, operación de maquinarias y martillos, hincado de pilotes, tráfico intenso de vehículos pesados, etc. Cuando el depósito de grava se licua y comienza a fluir no es capaz de soportar el peso de cualquier suelo o estructura encima de él, debido a esto ocurren una serie de efectos como flujos, deslizamientos, hundimientos, surgimiento de volcanes de arena, asentamientos diferenciales, etc., tal como se ha registrado en numerosos terremotos en diferentes partes del mundo. La licuación en suelos finos se ha estudiado desde hace muchos años, por los innumerables casos ocurridos en diversas regiones; la investigación de laboratorio ha sido viable en estos materiales y se han desarrollado metodologías para su evaluación. Sin embargo la licuación también puede presentarse en suelos granulares gruesos, hay evidencias de su ocurrencia en diferentes partes del mundo como China, Japón, Canadá etc., pero era confundida con otros fenómenos; recién a partir de los años 70 se reconoce la licuación en suelos gravosos. Foto 4.2. Flujo de grava en la Quebrada Los Cazadores CAUSAS DE LICUACIÓN Magnitud del movimiento sísmico Está relacionada con la magnitud de los esfuerzos y las deformaciones inducidas en el terreno por el movimiento. La aceleración máxima sufre amplificación dependiendo de las condiciones locales del suelo hasta llegar a la superficie, la propagación de las ondas de corte a través del esqueleto del suelo produce distribución de esfuerzos de corte en función del tiempo, causando deformaciones en la masa del suelo cuya magnitud dependerá de la magnitud del movimiento sísmico. Duración del evento sísmico Normalmente la duración de un sismo es corto entre 5 a 40 segundos, pero si éste es intenso predominará la condición no drenada, se producirá el aumento de la presión de poros hasta producirse en algún momento condiciones de esfuerzo efectivo nulo y por lo tanto licuación. Granulometría del suelo La forma, tamaño y gradación de las partículas influye en la susceptibilidad a la licuación. Los suelos mal gradados son más susceptibles de presentar licuación que los suelos bien gradados; en el caso de las arenas, el problema de licuación será mayor si se tiene un coeficiente de uniformidad mayor o igual a 2. Las arenas finas uniformes son más propensas a licuarse que las arenas gruesas uniformes. Los suelos de partículas redondeadas son más susceptibles que los suelos con granos angulosos. En el caso de las gravas, se ha producido licuación en las gravas arenosas, faltando investigar la influencia de otras características granulométricas. Densidad Relativa Durante un sismo, un suelo en estado suelto es más propenso a sufrir licuación que un suelo en estado compacto o denso. En las arenas se puede determinar la densificación de un suelo a partir de la prueba de penetración estándar SPT , con valores de N igual a 20 golpes/pie se puede desarrollar grandes deformaciones por corte. En la práctica se puede identificar suelos licuables a aquellos que registren valores iguales o menores de 5 golpes/pie. Profundidad del nivel freático La saturación del suelo es condición necesaria para que ocurra licuación, por lo tanto la profundidad del nivel freático tiene influencia. La presión de poros producida por el agua debido a la posición del nivel freático se incrementa por efecto de la vibración. CAUSAS DE LA LICUACIÓN EN SUELOS GRAVOSOS En el estudio efectuado por Sy, Campanella y Stewart (2) sobre licuación en suelos gravosos, se llega a las principales conclusiones sobre los casos estudiados: Los suelos gravosos de densidad media a suelta, con valores de N del SPT menores de 20 son susceptibles a licuación. En una estructura de suelo con gravas y matriz fina de arena ó limo, la matriz fina controla la resistencia a la licuación de los depósitos gravosos. Las gravas limosas y arenosas tienen una permeabilidad significativamente menor comparadas a las gravas limpias, por consiguiente, no disipa el exceso de presión de poros rápidamente como para prevenir la licuación. Las condiciones de drenaje de las fronteras son importantes, ya que la presencia de capas superficiales impermeables puede impedir el drenaje permitiendo la licuación de los suelos gravosos subyacentes. La carta de licuación desarrollada por Seed para arenas es también aplicable a arenas gravosas. GRAVAS COLAPSABLES ANTECEDENTES El fenómeno de colapso se produce al experimentarse una súbdita pérdida de la resistencia al corte por saturación y disminución de volumen. La existencia de estos suelos y los daños ocasionados a las edificaciones cimentadas sobre ellos han sido numerosos. En nuestro medio por muchos años se tenía el concepto equivocado de que solo en los suelos finos se puede presentar el problema del colapso; sin embargo, en el año 1976 Martínez V.(4) ya había identificado el fenómeno en gravas de Pimentel Chiclayo, en 1978 y 1980 estudió otros casos en el departamento de Arequipa y en 1984 y 1985 los casos de ventanilla y Piura. Sus estudios más recientes son del año 2007 y corresponden a Pampa Melchorita en Chincha y la margen derecha del río Jequetepeque (5). A nivel mundial recién en 1994 se da a conocer varios casos en los estados Unidos, la investigación fue publicada por Rollins M. et al en el Journal of Geotechnical Engineering de la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles (6). Actualmente, con el conocimiento de los casos reportados en nuestro medio y a nivel mundial hay menos resistencia a aceptar la ocurrencia de este fenómeno en los suelos gruesos, pero falta mayor investigación que permita comprender su comportamiento. CASOS DE GRAVAS ESPECIALES EN EL PERÚ GRAVA DEL LITORAL DE LIMA – ACANTILADOS DE LA COSTA VERDE GENERALIDADES El cono de deyección del río Rímac es un material de estructura lentiforme con depósitos superpuestos de cantos rodados, arena, arcilla y limos. El área de influencia del abanico fluvial abarca desde Santa Clara al Este, el Morro Solar al Sur, Bocanegra al Norte y el borde litoral comprendido entre Chorrillos y La Punta. Las propiedades de resistencia y deformación del conglomerado de Lima para fines de cimentación es variable de acuerdo a la zona, según se ha comprobado en exploraciones efectuadas para diversos estudios de mecánica de suelos. Un caso especial es la grava ubicada en los acantilados de la Costa Verde formados por la erosión marina, cuyo desnivel con respecto al mar mide en algunas zonas hasta (Foto 5.1) 4.1.2 GEOLOGÍA El suelo de Lima es del Cuaternario, se ha depositado en la última etapa del Pleistoceno. La grava pobremente gradada del tipo GP tiene intercalaciones de lentes de arena, limos y arcillas; la parte superior del acantilado está cubierta por una capa de suelo fino de espesor variable, en otras zonas hay rellenos sobre el material fino. Según los registros de exploración de trincheras efectuadas en las laderas del acantilado por M.Cañari (1) , hay zonas con una cobertura de suelo fino de hasta 13.0m.en la zona de San Miguel considerando el relleno, los suelos finos se han clasificado como arcillas limosas, limos y arcillas de baja plasticidad, intercalados también con arenas limosas y arenas limpias. El conglomerado se caracteriza por presentar costras calcáreas que se han formado por la precipitación del carbonato cálcico presente en las aguas subterráneas que se infiltran de la cuenca del río Rímac, estas costras tienen espesores que van desde los 15 cm. hasta los 4m. En muchos sectores se observa la formación de cárcavas producto de la erosión eólica. 4.1.3 GEOMORFOLOGÍA En el Plano Geomorfológico Generalizado de Lima y Alrededores (Figura 5.1) de Martínez y Teves (2) , se observa la extensión del abanico fluvial del río Rímac y la zonificación de acantilados, zonas de costra calcárea reciente y costra calcárea antigua. En el Mapa Geomorfológico de Lima (Figura 5.2), se observan las fases de evolución de los depósitos cuaternarios llamados terrazas, el conglomerado de Lima se ubica en la terraza t2, esta terraza termina en los acantilados formando laderas casi verticales. La erosión dinámica marina al pie del acantilado desde su origen provocó grandes deslizamientos y derrumbes hasta alcanzar su perfil de equilibrio. La actividad antrópica de ganancia de playas ha acelerado la evolución natural con zonas críticas de erosión en San Miguel, Miraflores, Magdalena y la Perla, estando expuesto además a maremotos ó tsunamis. 4.1.4 ESTABILIDAD DE TALUDES El problema de la estabilidad de los taludes de la Costa Verde aún no está resuelto, en esta zona se dan fenómenos de geodinámica externa como deslizamientos, derrumbes, erosión de ladera, etc., que se agrava con la presencia de rellenos, lentes de suelos finos y costras calcáreas. Las paredes de los acantilados tienen ángulos entre 80° y 90°, cuando el ángulo de la ladera es crítico se produce el debilitamiento paulatino y puede producirse la falla por inestabilidad. En las investigaciones y estudios efectuados a la fecha por varios autores, se proponen alternativas diversas para la estabilización que van desde las más elementales como la cobertura con vegetación hasta el uso de gaviones, concreto lanzado y otros. Son muy importantes los datos geotécnicos que se tomen para los análisis de la estabilidad, los parámetros geotécnicos en la mayoría de los casos han sido asumidos ó tomados de ensayos de corte directo in situ, de placas, etc. efectuados en otros lugares, debido a la limitación existente en nuestro medio para ensayar muestras gigantes. El coeficiente sísmico asociado a los análisis de estabilidad pseudos-estáticos para el diseño de las laderas y muros de contención varía entre 0.20 y 0.25. 4.1.5 VULNERABILIDAD DE LOS ACANTILADOS En su Tesis de Grado, Cañari (1) evalúa el nivel de riesgo de los acantilados con relación al grado de estabilidad de las laderas, considerando parámetros dependientes de la topografía, volumen desplazado, velocidad del fenómeno, tipo de materiales y daños que puedan causar a los humanos y sus construcciones. Basándose en las Normas Españolas de Estabilidad de Laderas establece los siguientes niveles de riesgo teniendo como referencia el daño que causarían los derrumbes: - Riesgo bajo, conformado por los taludes que presentan poco peligro y de ocurrir la caída de gravas ó relleno éstos no pasarían de cubrir la vereda o la berma de la carretera sin causar daños humanos ni materiales (Foto 5.3). En este grupo sitúa a los taludes de corte con menos de 34 m. e inclinación de hasta 35°. - Riesgo medio, con taludes que presentan peligro moderado para la carretera o las edificaciones ubicadas al borde superior y al pie, de ocurrir derrumbes estos comprometerían una vía o hasta la berma central, sin llegar a obstruir el tránsito. Se consideran a los taludes con altura de hasta 45m. - Riesgo elevado, aquellos taludes que de ocurrir derrumbes o desprendimientos pueden interrumpir el tránsito y causar daños a las estructuras y pérdida de vidas humanas. Los taludes con este riesgo son aquellos con altura de 45m. a 65 m. e inclinación de 60° a 85°. - Riesgo muy elevado o crítico, aquellos taludes con evidencia de movimiento o formación de cárcavas que representan peligro constante, de ocurrir desprendimiento o derrumbes causarían un alto daño a las construcciones con la respectiva pérdida de vidas humanas. En su estudio del problema de los acantilados de la Costa Verde, el profesor Martínez (4) propone aplicar las Normas TC-4 (1993) del ISSMFE para los estudios del potencial de amenaza y vulnerabilidad sismo-geotécnica y considerar el impacto de los maremotos ó tsunamis, intensidad de los eventos sísmicos, la erosión e inundación de la franja litoral, etc. Entre sus principales conclusiones establece que: - El problema de la Costa Verde es de estabilidad de taludes, no es de capacidad de carga de las cimentaciones. Hay desconocimiento de las alturas críticas para corte, excavación y ladera natural. - Los proyectos y estudios requieren de información geotécnica básica como: geología, geomorfología aplicada a la erosión y sedimentación del perfil de equilibrio del litoral, mecánica y dinámica de los suelos gravosos. - Falta definir el nivel y efecto de la influencia de la matriz de las gravas, la presencia de costras calcáreas, la presencia de grietas de tensión y cárcavas. - Es necesario hacer estudios de potencial de amenaza y vulnerabilidad sismo geotécnica con equipos multidisciplinarios y efectuar la zonificación. Establece la necesidad de hacer cumplir las normas, reglamentos y guías de seguridad. 4.2 GRAVA COLAPSABLE DE VÍTOR – AREQUIPA, MOQUEGUA Y TACNA En 1980, Martínez V.(5) identificó por primera vez las gravas colapsables en el deslizamiento compuesto de la Irrigación La Cano en Vítor Arequipa, en esa oportunidad se originó entre los especialistas comentarios e incertidumbre de su existencia debido a la poca información existente, limitada al colapso en suelos finos. Años después en 1994 se difunde a nivel mundial las investigaciones de Rollins et.al(6), donde reportan casos de colapso en gravas, se conoce posteriormente casos ocurridos en otras partes del mundo. El caso del Pie de la Cuesta en Arequipa el deslizamiento compuesto arrasó un tramo de 500m. de canal y sepultó un caserío, fue un caso de presencia de gravas colapsables (Fotos 5.4 y 5.5). Martínez V. encontró que la matriz es el elemento más importante que regula la colapsabilidad, en este caso halló que el tiempo en que se produce el colapso completo de la matriz era de 1 hora, 45 minutos y 7 segundos. En el caso de La Cano se halló que con 5% de agua el conglomerado falla por su peso propio, esta hipótesis se ratifica en la Tesis de Maestría de Fernandez Sixto (7) donde investigó materiales del mismo lugar. La clasificación de la grava colapsable efectuada por Fernandez considerando la fracción mayor de 3” fue (GP-GM) + Bo, además halló que las granulometría de las muestras ensayadas caían dentro del rango de los casos reportados por Rollins, M.et. (8) La relación de vacíos hallada por Martínez (1980) fue de 0.3 y por Fernandez (1996) fue de 0.1, lo que permite establecer que las gravas colapsables no siempre son de gran porosidad tal como ocurre con los suelos finos. Valle del río Vítor, al fondo la terraza de La Joya, donde se produjo deslizamiento por colapso del conglomerado. Se tiene también el caso de las gravas colapsables halladas en Moquegua, en los canales de irrigación del proyecto Pasto Grande se detectó fracturas y filtraciones después de construido el canal sobre gravas colapsables, el caso ocurrió por estudios geotécnicos deficientes y un diseño mal concebido. En las laderas de la ciudad de Moquegua se hallan gravas angulosas con matriz arenosa arcillosa con sales y sulfatos, se les llama moro moro, habiéndose registrado problemas en reservorios y viviendas, en Piura se le llama Yapato. 4.3 LICUACIÓN DE GRAVAS EN EL PUENTE YAUCA – AREQUIPA El 12 de noviembre de 1996 ocurrió un sismo en la región Nazca-Acarí a 450 Km. al sur de Lima (9), el terremoto fue producido por la subducción de la placa de Nazca debajo de la placa sudamericana, el epicentro se localizó a 135 km. al suroeste de la ciudad de Nazca, la profundidad focal fue de 40km. y tuvo una duración 1’58”. A consecuencia de este evento ocurrieron diversos daños como derrumbes de viviendas antiguas y nuevas, caída de rocas en las carreteras, daños en presas, etc . La máxima intensidad de grado 7 (escala MSK) se observó en el estuario del río Yauca. A lo largo de la línea de la costa entre Yauca y San Nicolás se observaron grietas en las bermas de la carretera Panamericana. La licuación de suelos ocurrió en el estuario del río Yauca donde existen depósitos de suelos arenosos gravosos saturados, el Instituto Geofísico del Perú (IGP, 1997) informó licuación generalizada y se observó volcanes de arenas y eyección de lodo. También colapsaron presas de relaves ubicadas en Acarí, Jaqui y Chala debido a licuación. Un caso especial ocurrió en el Puente Yauca donde uno de los pilares del puente sufrió agrietamiento de la viga superior y columna se produjo desplazamiento del tablero del puente, la causa fue por licuación de la grava arenosa ubicada debajo del puente; Martínez V. (10), verificó que las gravas habían fluido en la matriz arenosa. 4.4 GRAVA CEMENTADA CON CARBONATO DE CALCIO EN EL RÍO HUAURA – HUACHO Y EN JAUJA En ambos casos la matriz es carbonato de calcio, cuyo origen es la disolución de calizas por las aguas ácidas ó por el afloramiento de aguas termales que llegan a los ríos. En el caso de Huacho se les encuentra a partir del puente sobre el río Huaura hasta su desembocadura, con una característica que forma oquedades haciendo este tramo peligroso. en época de avenidas, su origen son los baños termales de Churín. El profesor Martínez opina que la grava cementada de Jauja tiene su origen en la cuenca del río Cunas, de grandes formaciones geológicas donde predominan las calizas cuyos depósitos han llegado hasta Jauja y se les puede ver en los cortes de la carretera que va de Jauja a Tarma. 4.5 OTRAS MATRICES AÚN NO ESTUDIADAS Entre las otras variedades de gravas que podrían presentar problemas en cimentaciones tenemos las gravas cementadas con diversos elementos, por ejemplo las gravas cementadas con carbonato de calcio, las gravas con matriz de arcillas expansivas, con matrices dispersivas, cementadas con óxidos de fierro, etc. Son de interés también aquellas que le dan al conglomerado mayor resistencia a la matriz, como las cementadas con sílices que se les encuentra cerca de las Minas de Toromocho en la Carretera Central y las que tienen minerales de hierro. Por ejemplo, en Jauja se puede observar gravas cementadas en cortes de carreteras (Foto 5.6); un caso peculiar son los estratos de grava de la ribera izquierda del río Mantaro a la altura del paraje Uclumayo, que se mantienen fuertemente cementadas a pesar de la saturación casi permanente por ubicarse en el cauce del río (Fotos 5.7, 5.8 y 5.9) En estudios de suelos efectuados en la ciudad de Huancayo en el sector de El Tambo, se han registrado estratos de gravas cementadas de color beige blanquecino (Foto 5.10) que intercalan al típico conglomerado de Huancayo en este lugar, mayormente de matriz arcillosa y limosa clasificado como GP-GC y GP-GM. ENSAYOS DE CORTE Ensayos de corte en laboratorio Trabajos realizados en el campo  Los ensayos se realizaron en dos distintas muestras de diferentes calicatas (plano y secciones de cada una de las calicatas). Del fondo de la primera calicata o pozo obtuvimos una muestra de arcilla calichosa color rojo ladrillo de forma geométrica prismática trunca, base 0.40 x 0.40, techo 0.30 x 0.30 y 0.25 m. de altura, la muestra estuvo medianamente saturada con agua, tenía aproximadamente 30 kg de peso, marcamos su posición con una flecha (de la base al techo) ella fue clasificada como arcilla C L illitica silicato de Al, Fe, Mg y K probablemente proveniente de la erosión de la formación Casapalca, así mismo del fondo de la segunda calicata obtuvimos la segunda muestra de suelo de forma geométrica cilíndrica, su base tenía un diámetro de 0.30 x 0.25 m, h y aproximadamente 34 kg de peso, fue clasificada como arcilla limosa C L-M L de composición química compleja formada por minerales de arcilla, Al, Mg, K y Fe2 O3 (H2O)n. Se consideró arcilla C L, pues su límite líquido es menor de 59%, ambas muestras fueron protegidas con resina y plástico para evitar que pierdan humedad o sus propiedades físicas, además que lleguen inalteradas al laboratorio. Como ello sucedió, en el mismo lugar de obtención de las muestras o in sito.  Las muestras en sí fueron dos sólidos geométricos integrados por suelos arcillosos, y arcilloso-limoso, ligeramente saturados por agua, compuesto por arcillas plásticas, que expuestas al esfuerzo cortante, dieron puntos de falla diferente, las cuales guardan una relación directa con el esfuerzo normal, lo que se verificó con los resultados de los ensayos obtenidos.         2.3. Ensayos obtenidos en el laboratorio  Las muestras arcillosas obtenidas de las calicatas, ya recibidas en el laboratorio el que dio su conformidad a su estado físico, acto seguido de la primera muestra se obtuvo tres prismas o pastillas de dimensiones iguales, cada una de 0,06 x 0,06 base x 0,02 m de altura; de la segunda muestra se obtuvo 3 cilindros de 0,06f x 0,02 m de altura, a estas briquetas se les calculó su densidad húmeda y seca inicial en porcentaje, después a las mismas muestras, se calculó su densidad húmeda y seca final en porcentaje, así como también el esfuerzo normal y de corte máximo, ángulo de fricción interna como el de cohesión en kg/cm2, previa saturación de agua, para terminar a las pastillas se les aplicó fuerzas normales o axiales, esfuerzos de corte mayores, se calculó el grado de asentamiento en mm obteniendo al final los siguientes datos: 2.4. Trabajos realizados en gabinete elaboración del Informe Final  En esta fase se tomó en cuenta las dimensiones y la ubicación de las calicatas o pozos, que fueron medidas y ubicadas dentro del suelo Oeste de Lima, se consideró el análisis del plano Proyecto de la cimentación a escala 1/50, en el cual se calculó las coordenadas de los 4 puntos que delimitan los dos ejes longitudinales de las calicatas, su detalle permitió elaborar cuatro secciones (dos secciones longitudinales Este-Oeste, Norte-Sur y dos secciones transversales Norte-Sur, Este-Oeste) en ellas mostramos la litología de los estratos del suelo, cortados al excavar cada una de las calicatas (se adjunta en este Informe). Analizamos las zapatas de tres tipos (cuadradas, excéntricas, aisladas) dado en el plano de cimentación del proyecto, que forman parte del cimiento corrido o continuo, que nos permitió tener el sustento teórico, antes de decidir y poder calcular la resistencia del suelo, de una zapata de base cuadrada o continua, en dicho cálculo consideramos la influencia del factor de Seguridad tomado del Reglamento General de Construcciones Norma E.050.   Factor de Seguridad tres (3). Frente a una falla por corte, para cargas estáticas. Los cálculos se dan a continuación considerando el método de Terzaghi para determinar la capacidad de carga de una zapata en general, que es la suma de tres componentes:  A. La cohesión y fricción de un material sin peso que no lleva sobrecarga.  C  = Cohesión  qc = c N c.  B. La fricción de un suelo sin peso que soporta una sobrecarga q aplicada en la superficie.   g  = Peso volumétrico  Df = Profundidad de zapata  qq = g D f N q   C. La fricción de un material con peso que no soporta sobrecargas.  qg = ½ g B Ng  B  = Ancho de la zapata  3. Cálculos numéricos  3.1. Cálculo de resistencia muestra I, para una zapata de base cuadrada   Fórmula general de Terzaghi.  qd = 1.2 cNc + g Nq Z + 0.4 g BNg   qd = Capacidad de carga última.  c  = Cohesión.  g  = Peso específico o densidad volumétrica del suelo.  z  = Profundidad de la cimentación (zapata)  Nc, Nq, Ng = Coeficientes de carga en función del ángulo de fricción.  1.2 y 0.4  = Factores por forma de zapata (obtenidos por métodos numéricos). Parámetro dato.  Factor de seguridad (adimensional). 3 Tres.  Parámetros obtenidos en el campo.  Profundidad de cimentación 1.00 m.  Ancho de zapata 1.20 m.  Parámetros obtenidos experimentalmente resultado del ensayo de corte directo.   Ángulo de fricción interna 20°.   Densidad volumétrica del suelo (gr/cm3 ) 1.90.  Cohesión (kg/cm3) 0.31.     Parámetros calculados.   Coeficiente Nq = 6.38        ”        Nc = 14.77        ”        Ng = 2.86  Capacidad de carga final o última para una zapata cuadrada 6.97 (kg/cm2).  Capacidad de carga real admisible para una zapata cuadrada 2.32 (kg/cm2).  Cálculo de resistencia del suelo obtenido para la primera calicata, zapata continua (cimiento corrido)  Fórmula general Terzaghi.  qd = c Nc + gN q Z + 0.5 g BNg   qd = Capacidad de carga obtenida.  c  = Cohesión.  g  = Peso específico o densidad volumétrica del suelo.  z  = Profundidad de la cimentación.  Nc, Nq, Ng = Coeficientes de carga en función del ángulo de fricción. Parámetro dato normado  Factor de seguridad (adimensional)   3 Tres.  Parámetros obtenidos en el campo.   Profundidad de la cimentación 1.00 m.  Ancho de la zapata 1.20 m.  Parámetros obtenidos experimentalmente por ensayo de corte directo realizado en el laboratorio.   Ángulo de fricción interna 20°.   Densidad volumétrica del suelo 1.90 gr/cm3 .  Cohesión 0.31 kg/cm2.  Parámetros finales calculados.   Coeficiente Nq = 6.38         “        Nc = 14.77         “        Ng = 2.86  Capacidad de carga última obtenida para la zapata continua 6.12 kg/cm2.  Capacidad de carga real admisible para la zapata continua 2.04 kg/cm2. 3.3. Cálculo de resistencia del suelo para una zapata de base cuadrada, muestra 2    Fórmula general de Terzaghi.  qd = 1.2 cNc + g Nq Z + 0.4 g BNg   qd = Capacidad de carga última.  c = Cohesión.  g = Peso específico o densidad volumétrica del suelo.  z = Profundidad de la cimentación (zapata).  Nc, Nq, Ng = Coeficientes de carga en función del ángulo de fricción.  1.2 y 0.4 = Factores por forma de zapata (obtenidos por métodos numéricos).           Parámetro dato.   Factor de seguridad (adimensional) 3 Tres.  Parámetros obtenidos en campo.   Profundidad de cimentación 1.00 m.  Ancho de zapata 1.20 m.  Parámetros obtenidos experimentalmente resultado del ensayo de corte directo obtenidos.   Ángulo de fricción interna 17.9°.  Densidad volumétrica del suelo (gr/cm3) 1.90  Cohesión (kg/cm3) 0.21  Parámetros calculados   Coeficiente Nq (adimensional) 5.19         ”        Nc          ”        12.97         ”        Ng          ”          1.96  Capacidad de carga final o última para una zapata cuadrada 4.43 (kg/cm2).  Capacidad de carga real admisible para una zapata cuadrada 1.48 (kg/cm2). Cálculo de la resistencia del suelo para una zapata de cimiento corrido o continuo, MUESTRA 2   Fórmula general de Terzaghi.  qd = c Nc + gNqZ + 0.5 g BNg   qd = Capacidad de carga obtenida o última.  c = Cohesión.  g = Peso específico o densidad volumétrica del suelo.  Z = Profundidad de la cimentación.  Nc, Nq, Ng = Coeficientes de carga en función del ángulo de fricción. Parámetro dato normado.  Factor de seguridad (adimensional) 3.  Parámetros obtenidos en el campo.   Profundidad de la cimentación 1.00 m.  Ancho de la zapata 1.20 m.  Parámetros obtenidos experimentalmente por ensayo de corte directo realizado en el laboratorio.   Ángulo de fricción interna 17.9°.   Densidad volumétrica del suelo 1.90 gr/cm3.   Cohesión 0.21 kg/cm2.  Parámetros finales calculados.  Coeficiente Nq (adimensional) 5.19         ”       Nc         ”          12.97         ”       Ng         ”           1.96  Capacidad de carga final, obtenida para la zapata continua 3.93 kg/cm2.   Capacidad de carga admisible para la zapata continua 1.31 kg/cm2.  El suscrito está de acuerdo que si las propiedades mecánicas del suelo son tales, que el asentamiento que precede a la falla del suelo, por deformación plástica de las arcillas es pequeña (como nuestro caso), la zapata no se hunde en el terreno, hasta que no se haya alcanzado un estado de equilibrio plástico, la falla se produciría por deslizamiento hacia el exterior especialmente a ambos lados de la cimentación, ésta es llamada Falla por corte general.  Otra Hipótesis sería si las propiedades mecánicas del suelo son tales que, la deformación plástica de las arcillas es acompañada por un asentamiento muy importante o grande (lo que no es nuestro caso), la proximidad de la falla por corte, está acompañada por un aumento rápido en el asentamiento de la cimentación, recibiendo el nombre de Falla por corte loca. CONCLUSIONES: • El comportamiento del suelo arcilloso C L y arcilla limosa C L - M L a los trenes de ondas sísmicas es estable, si reacciona como un todo a las vibraciones elásticas de sus partículas, pues este suelo es elástico y plástico a la vez, es por ende que de darse la eventualidad, el edificio motivo de este estudio navegará sobre el suelo ya que su cimiento tendrá características homogéneas y de producirse la falla, ésta será general, originada por un sismo muy fuerte grado 6 ó 7 en la escala de Richter.  • Evitar en el futuro la creencia algo generalizada que cualquier suelo puede sostener con eficiencia una construcción liviana y, por tanto, no se requiere un estudio de suelos. Sin embargo los hechos demuestran lo contrario. Casas residenciales y otras construcciones livianas han sido muy afectadas dado el suceso sísmico, debido al desconocimiento de las características del subsuelo.  • La capacidad de carga admisible o presión de hundimiento de una cimentación directa en faja, es la que debe aplicarse sin producir desperfectos en la estructura, teniendo un margen de seguridad dado por su coeficiente que en nuestro caso es 3 (Tres).  • La capacidad de carga depende de la litología del suelo (cantos rodados, gravas, arenas, limos y arcillas o combinaciones de ellas como nuestro caso), es por ello que las características de las cimentaciones, de las estructuras y el coeficiente de seguridad adoptado es variable, influye también el conocimiento de la presencia del nivel de aguas friáticas, que son importantes porque cambia las condiciones de la resistencia del suelo.  • Las muestras de suelo fueron obtenidas de dos calicatas 3.50 m. de profundidad, inalteradas usando resina y envases plásticos, los resultados finales técnicos fueron:  Muestra 1.  Capacidad de carga admisible para una zapata cuadrada 2.32 (kg/cm2).  Capacidad de carga admisible para una zapata continua 2.04 (kg/cm2).  Muestra 2.   Capacidad de carga admisible para una zapata cuadrada 1.48 (kg/cm2).  Capacidad admisible para una zapata continua (corrida) 1.31 (kg/cm2).  • La información revisada por el suscrito, así como su experiencia profesional le permite postular que el suelo fluvio aluvial del cono deyectivo del río Rímac es estable con riesgo sísmico bajo o mínimo, en las zonas de suelo formado por cantos rodados con valores de resistencia de 5 a 8, Moderado o intermedio de riesgo sísmico fuerte, en zonas de suelos formados por gravas, limos y arcillas con resistencia de 2 a 5, e inestable de riesgo sísmico alto, marcado o muy fuerte en las zonas con suelos formados por limos, capas de sales, carbonatos, caliches y rellenos recientes con marcada humedad, de resistencia de 0.5 a 1 kg/cm2, por ende en ellos para construir obras civiles debe justificarse asumir valores aún más bajos de resistencia del suelo, que originan al titular gasto por una sobrecarga en las cimentaciones, más aún cuando carezca de valores reales, gravando su economía. RECOMENDACIÓN: • Es necesario programar más estudios de resistencia del suelo antes de edificar construcciones civiles, dentro del suelo de Lima con prioridad en las zonas de riesgo sísmico marcado, alto o muy fuerte, este estudio contribuye a comprobar que el suelo de Lima no es uniforme y varía mucho en distancias cortas, y dado el caso, para obtener datos reales sobre la resistencia del suelo, se debe considerar que es muy variable y errático, por el cambio continuo de los lechos de los ríos Chillón y Rímac. Dado en la historia geológica de la formación del cono fluvio aluvial de Lima y Callao.