GEOTECNICA DE LOS SUELOS PERUANOS

Estabilidad y Resistencia del conglomerado de Lima metropolitana por Arnaldo Carrillo Gil, I. C. M., M. en 1.* INTRODUCCION

El anlisis de estabilidad efectuado bajo la condicin de utilizar teoras o mtodos apropiados y su comparacin con casos reales ocurridos y detectados en la ciudad nos lleva a la conclusin que no es recomendable confiar demasiado en la resistencia o soporte de estos suelos, debindose tomar las previsiones necesarias en el diseo de las obras de ingeniera ms an cuando se proyecten estructuras que transmitan cargas importantes en las cercanas de los acantilados de la Costa Verde que pueden

sufrir deterioro o colapso en caso de ocurrir un derrumbe si estas se encuentran ubicadas en la parte baja o pie del talud de los barrancos formados por el conglomerado estudiado.

La investigacin del comportamiento y estabilidad de los taludes conformados por el conglomerado de nuestra ciudad arroja una serie de respuestas tericas que es muy interesante evaluar y comprobar, dado que a menudo observamos que en la ciudad se practican excavaciones profundas o se construyen edificios cercanos a taludes sin mayores precauciones, ms an cuando stos no se protegen con adecuadas calzaduras, entibados a estructuras de retencin. permaneciendo como excavacin a cielo abierto por muchos aos y soportando efectos de sobrecargas importantes debido a la presencia de los edificios adyacentes u otras solicitaciones que muchas veces pueden originar deslizamientos, derrumbes o grietas de tensin que podran ser activadas por la ocurrencia de un sismo severo.

La falta de estudios y ensayos adecuados hacen que este primer intento de calculo de estabilidad y su divulgacin permiten al ingeniero peruano considerar ciertos limites y precauciones para disear y construir edificaciones estables y seguras sobre el conglomerado en las reas criticas de la ciudad, a fin de que puedan soportar no slo solicitaciones estticas sino tambin dinmicas o de otro tipo. * Ingeniero Consultor, Profesor Principal de la Universidad Nacional de Ingeniera ORIGEN GEOLOGICO Fisiogrficamente el conglomerado de Lima pertenece al gran cono de deyeccin del ro Rimac, formado por material acarreado por dicho ro en un tiempo geolgico muy largo durante el Cuaternario. Desde el punto de vista petrogrfico es un suelo sedimentario, de aspecto uniforme que puede clasificarse come conglomerado de cantos rodados, gravas y arenas ntimamente mezcladas; los agregados que forman este conglomerado son en su totalidad gneos. El suelo estudiado hasta el periodo geolgico correspondiente el Cretcico

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Superior estuvo debajo del mar, en el Cretcico Superior emergi sobre el nivel del mar, con una erosin profunda y un relleno del material actual por el ro Rimac en el Cuaternario formando la faja costera sometida a erosin activa por parte de los ros con acumulacin de los materiales que acarrean formando el actual cono de deyeccin. Ese cono que tenia una extensin frontal mayor ha sufrido erosin marina que ha formado las actuales acantilados del sector litoral de la ciudad, como un corte abrupto del contacto mar-tierra que forma la planicie fluvio-aluvial donde se apoyan la mayor cantidad de estructuras ingenieriles construidas en la ciudad de Lima.

PROBABLE MECANISMO DE FALLA Asumiendo que el conglomerado de Lima debe comportarse como un continuo elstico es posible adoptar tcnicas de anlisis que van desde la aplicacin de la fotoelasticidad el mtodo de los elementos finitos. Sin embargo, a pesar de haberse encontrado resultados muy interesantes con estos sistemas en trminos de Ingeniera practica, estos mtodos tienen una aplicacin muy limitada, dado que nuestros conocimientos acerca de las propiedades mecnicas de estos materiales no son totalmente completos, debido a que las condiciones naturales y de formacin geolgica del conglomerado

GEOTECNIA DE LOS SUELOS PERUANOS impiden predecir su verdadero comportamiento, adoptndose parmetros que muchas veces pueden tener poco en comn con la realidad, por lo que la aplicacin de mtodos sofisticados para estos materiales, en muchos casos, originan mas dao que beneficio por que desvan la atencin del ingeniero de los inevitables pero importantes vacos que hay en su actual conocimiento. Es por ello que la metodologa adoptada para establecer un probable mecanismo de falla acorde con la prctica ingenieril esta basada en condiciones discontinuas Idealizadas del material combinadas con sus propiedades elsticas, bajo la premisa de que la funcin del ingeniera no es siempre calcular correctamente, sino juzgar profundamente los problemas que en suelos generalmente se presentan en nuestro medio. El mecanismo utilizado considera un modelo de un solo bloque deslizndose hacia abajo en un piano inclinado, que se desprende por la presencia de una discontinuidad geolgica o por la generacin de grietas de tensin, estimando el material en condiciones de estado seco o hmedo, o con propiedades ptimas o no de resistencia el esfuerzo cortante. Se ha tomado en cuenta tambin los efectos de los movimientos ssmicos como cargas adicionales sobre la cua que se analiza, as como la presencia de sobrecargas de edificaciones tpicas adyacentes a los taludes conformados por el conglomerado, principalmente en el caso del estudio de la estabilidad de excavaciones para calzaduras, construccin de stanos u otras estructuras similares. En muchos de los casos estudiados se he encontrado que generalmente aparecen dos grietas de tensin, la primera ms cercana al borde del talud que normalmente aparece entre los 2.00 m. a 4.00 m. y origina el primer derrumbe o deslizamiento de material, detectndose en la mayora de los casos una segundas grieta de tensin ubicada entre los 10.00

m. y 20.00 m. a partir de la coronacin del talud, generando una cua que se introduce par debajo de la primera y origina un levantamiento en la parte inferior del pie del talud. En otros casos se he adoptado un modelo formado por dos discontinuidades que se producen oblicuamente a travs de la cara del talud formando una cua que se desliza hacia abajo siguiendo su lnea de intercepcin, estimndose que la inclinacin de esta lnea es significativamente mayor que el ngulo de friccin del material. Las ecuaciones que definen la estabilidad de estas cuas en un plano inclinado se toman para su estado de equilibrio lmite, esto es, condicin bajo la cual las cargas o fuerzas que tienden a inducir el deslizamiento se encuentran exactamente balanceadas por las correspondientes que las resisten, por lo que el factor de seguridad se define como cierta relacin arbitraria entre los elementos mecnicos actuantes y resistentes. Las hiptesis de clculo adoptadas en los clculos son las siguientes: a) La superficie de falla y las grietas de

tensin son paralelas a la superficie del talud.

b) La grieta de tensin es vertical y puede

estar llena o no de agua. c) Se asume que se produce un

deslizamiento de tipo planar y que no hay momentos que tiendan a causar rotacin del bloque que se moviliza.

d) La resistencia al cortante de la

superficie de deslizamiento est definida por la Ley de Coulomb.

e) Se considera un espesor unitario para

la cua de deslizamiento, asumiendo que hay libertad de movimiento y por lo tanto no hay resistencia el deslizamiento entre las fronteras laterales de la superficie de falla y la correspondiente cua o bloque.

GEOTECNIA DE LOS SUELOS PERUANOS f) Se estima que la grieta de tensin

tiene una profundidad mxima comprendida entre 2.50 m. a 5.00 m. y que se ubica a una distancia promedio de 3.00 m. considerndose para los casos generales una relacin de altura a profundidad de la grieta de tensin de 0.25.

CAUSAS DE INESTABILIDAD La estabilidad de los taludes en el conglomerado de Lima como queda establecido, ha sido estudiado bajo la consideracin de estimar una probable falla planar por deslizamiento originada por varias causas, entre las que se pueden mencionar las siguientes: El estado de compacidad y la humedad

del suelo. El efecto del retroceso del litoral debido

a erosin marina facilitada por una escasa cementacin de los materiales.

El flujo de agua a travs del medio poroso, debido a filtraciones de las partes altas, rotura de los sistemas de agua y desage u otras fuentes que originan flujo incontrolado de agua.

La presencia de materiales finos o sueltos en forma de lentes intercalados en el conglomerado.

La presencia de conos de escombros y rellenos en la coronacin de taludes o formando parte de ellos.

Los efectos de vibracin del suelo debido al transito de vehculos, cargas repetidas o sismos severos.

Las labores de excavacin de stanos profundos con efectos de sobrecarga de las edificaciones vecinas, etc.

CARACTERISTICAS GEOTECNICAS DEL CONGLOMERADO La potencia del conglomerado en la parte central del cono de deyeccin sobrepasa los 400 metros de profundidad, dado que perforaciones ejecutadas con fines de

captacin de agua practicados en diferentes lugares de la ciudad han llegado hasta ms all de los 200 m. de profundidad y no han ubicado el basamento rocoso. Este conglomerado sedimentario esta conformado por cantos rodados y piedras grandes empacadas en arenas y en algunos casos con presencia de bolsonadas de arenas limosas, materiales finos, costras calcreas, graves y gravillas en estado generalmente compactado y seco. En consecuencia es posible establecer los siguientes parmetros fsicos y mecnicos para el conglomerado de Lima:

Peso unitario seco de 1.80 a 2.20 Tn/m3. Densidad Relativa comprendida entre 70% a 95%. Dimetro efectivo (D10) de 0.15 a 0.45. Coeficiente de uniformidad (CU) de 10 a 130. Cohesin promedio (c) comprendida entre 0.40 kg/cm2 a 0.80 kg/cm2, y Angulo de friccin () interna variable entre 36 a 42.

La altura natural de los taludes en conglomerado puede estimarse como mxima en el Morro Solar donde alcanza ms de 70.00 m., frente a San Isidro y en Magdalena 60.00 m., y 40.00 m. en Chorrillos, estimndose tambin de manera general que los taludes tienen pendientes que van desde los 90 hasta 50 de inclinacin en la mayora de los casos. ANALISIS DE LA ESTABILIDAD DEL CONGLOMERADO En el anlisis se han considerado dos casos: taludes de conglomerado en las condiciones ms favorables de resistencia, esto es con: = 42 c = 0.8 kg/cm2 = 2.20 Tn/m3 y en taludes en las condiciones ms desfavorables de resistencia al cortante: = 36 c = 0.4 kg/cm2 = 1.80 Tn/m3

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Relacin entre altura e inclinacin del talud para conglomerado con grieta de tensin y efectos de humedad para las condiciones ms favorables de resistencia.

Para el caso de talud en conglomerado sin presencia de grieta de tensin en estado seco y en las condiciones ms favorables se establece que la altura mxima terica que puede alcanzarse para taludes verticales ser de 35.00 m, estimndose que conforme el ngulo de inclinacin del talud disminuye el coeficiente de seguridad aumenta. Para talud en conglomerado con grieta de tensin en seco para las mejores condiciones de resistencia se no es obtiene una altura mxima de 30.00 m, por lo cual ya no es posible tericamente considerar taludes verticales pues serian totalmente inestables. Por otro lado el lmite mximo de inclinacin para una altura de talud de 35.00 m se estima en

85 a partir de lo cual cuando hay grieta de tensin los taludes se hacen inestables. Finalmente se establece que para alturas mayores de 30.00 m a 40.00 m la profundidad de la grieta de tensin ya no influye significativamente en el valor del factor de seguridad. Para taludes en conglomerado en estado seco pero en condiciones de resistencia menos favorables se establece que los ngulos de inclinacin natural del talud deben ser ms tendidos para obtener el mismo factor de seguridad que en las condiciones de mxima resistencia. Por otra lado, los taludes verticales se hacen inestables a alturas en por lo

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Relacin entre altura e inclinacin del talud para conglomerado con grieta de tensin y efectos de sequedad para las condiciones ms favorables, de resistencia del suelo.

menos 10.00 m menores con respecto a los casos de resistencia ms favorables. Considerando como factor de seguridad promedio un valor de 1.5 para un mismo ngulo de inclinacin de talud, las alturas que se pueden alcanzar en el caso de condiciones ms desfavorables son aproximadamente la mitad de lea que pueden alcanzarse en condiciones ms favorables. Una de las formas ms prcticas de presentar los resultados de este anlisis se indica en los diagramas 1 y 2 que

muestran la relacin entre la altura del talud con los ngulos de inclinacin correspondientes a los casos ms comunes encontrados durante esta investigacin, esto es de 50 a 90 correlacionados con el respectivo factor de seguridad, establecindose lmites para las condiciones estables a inestables de los taludes en el conglomerado que forma gran parte del suelo en que se apoyan las estructuras en la ciudad. En el caso de taludes en conglomerado que reciben filtraciones de agua o

GEOTECNIA DE LOS SUELOS PERUANOS saturaciones incontroladas que llenen la grieta de tensin o se filtren a travs de su, masa se establece que los taludes verticales hmedos son inestables a partir de 15.00 m de altura para las condiciones menos favorables y 25.00 m de altura para las condiciones ms favorables de resistencia el cortante, mientras que para un factor de seguridad promedio de 1.5 para un mismo ngulo de inclinacin del talud las alturas que se pueden alcanzar son un tercio menores que las correspondientes al estado seco en condiciones ms favorables de resistencia, considerndose adems que para las condiciones menos favorables resultan tambin alturas un medio a un cuarto menores. Para el caso de excavaciones de calzaduras comunes que se practican en nuestro medio, y considerando que en la coronacin del talud existieran sobrecargas debidas a edificaciones vecinas que imponen una carga uniformemente repartida variable desde 40Tn/m2 hasta 10Tn/m2, se han calculado las condiciones de estabilidad de taludes en el conglomerado, encontrndose que para edificios convencionales que imponen la mayor carga tpica se establece que pare las condiciones ms favorables de resistencia y conglomerado en estado seco, el factor de seguridad para talud vertical en calzaduras es siempre mayor de 1.18 con efecto de grieta de tensin o sin ella. En el caso de calzaduras de mayor profundidad que los 15.00 m, el efecto de la sobrecarga ya no es significativo debido a la disminucin de las presiones verticales al transmitirse en profundidad al medio elstico. Considerndose el caso ms desfavorable, en seco y sin grieta de tensin se puede alcanzar tericamente solo una altura mxima de 5.00 m para condiciones de equilibrio critico de estabilidad; esto es con un factor de seguridad cercano a 1.00.

Para las mismas condiciones anteriores y con presencia de grieta de tensin antes de practicar la excavacin, se puede considerar que para cualquier calzadura el talud siempre ser inestable. En el caso de sobrecargas debidas a edificaciones menos pesadas adyacentes a excavaciones de calzaduras, el anlisis de estabilidad de los taludes en el conglomerado de Lima establece que para condiciones ms favorables, en estado seco el factor de seguridad es mayor de 1.00, estimndose adems que siempre ser mayor de 1.40 con o sin grieta de tensin. En condiciones menos favorables en estado seco y sin grieta de tensin, en todos los casos el factor de seguridad es mayor que 1.00; por lo tanto los taludes son estables. En caso de aparecer la grieta de tensin, la altura mxima para talud estable se estima en 14.00 metros. En condiciones de humedad o saturacin para el caso ms favorable los taludes siempre sern estables con sobrecargas livianas, sin embargo para alcanzar un factor de seguridad 1.50 promedio, slo se podr llegar a una altura de 10.50 metros. Para estimar los efectos de las solicitaciones transitorias por vibracin sobre la estabilidad de los taludes en el conglomerado, originados por efecto de un sismo severo. se han considerado aceleraciones tpicas correspondientes a los cuatro ltimos sismos ocurridos en Lima en 1940, 1966, 1970 y 1974 tomando 0.25 g como aceleracin mxima de recurrencia promedio, 0.15 g como aceleracin promedio para sismos frecuentes y 0.10 g. como aceleracin mnima a esperarse en los suelos estudiados. El anlisis correspondiente establece que para sobrecargas de 40Tn/m2 en las condiciones ms favorables, en seco y sin grieta de tensin el factor de seguridad siempre es mayor que 1.00 considerando que para un sismo de aceleracin mxima (0.25 g.) el factor de seguridad se acerca

GEOTECNIA DE LOS SUELOS PERUANOS a la unidad llegando a un mnimo de 1.01 para una altura de 15.00 metros y de 1.10 para una altura de 7.00 metros. En condiciones menos favorables de resistencia del suelo en caso de un sismo severo. el factor de seguridad es menor que 1.00 y los taludes resultaran inestables. Para 10 Tn/m2 de sobrecarga en la coronacin del talud, en estado seco y sin grieta de tensin en el caso ms favorable para un terremoto de mayor aceleracin (0.25 g), siempre el factor de seguridad es

mayor que 1.00, estimndose que para las mismas condiciones anteriores, pero en el caso de menor resistencia del suelo el factor de seguridad promedio no se alcanza y los taludes solamente son estables hasta los 9.00 metros para el terremoto ms severo, y hasta 13.00 m de altura para un sismo promedio, considerndose que en todos los casos el factor de seguridad disminuye con la altura del talud de la excavacin en caso de un sismo.