Suelos Tropicales Aplicadas a Obras Viales

SUELOS TROPICALES APLICADOS A OBRAS VIALES

I. RESUMEN

Los suelos en las zonas tropicales son suelos que están altamente influenciados por factores tales como el clima, la temperatura, la vegetación, entre otros, lo que genera una amplia variedad de perfiles con propiedades ingenieriles particulares, que difieren de las características de los suelos de regiones templadas. En este informe se presenta un análisis geotécnico descriptivo de un suelo tropical laterítico y de un suelo saprolítico.

El análisis se centra en la caracterización del estrato superior del perfil, determinando sus propiedades físicas, mecánicas, mineralógicas y estructurales a partir de ensayos más adecuados y específicos para este tipo de suelos (clasificación miniatura compactada tropical), que permitan definir la influencia que la laterización tiene en el comportamiento geotécnico del mismo.

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II. INTRODUCCIÓN

Recientes revisiones sobre el comportamiento de suelos tropicales han concluido que, a diferencia de otros materiales geotécnicos, no es posible todavía hacer generalizaciones que sean válidas universalmente, hay razones importantes para esto: no existe todavía suficiente conocimiento fundamental del suelo tropical, en especial con respecto a sus propiedades físicas y químicas y mineralógicas, y a su comportamiento mecánico y por otro lado, los métodos de análisis de estabilidad aceptados por la comunidad geotécnica no conducen aun a resultados satisfactorios para estos materiales.

Es importante notar que la extensión de los principios científicos de la Mecánica de Suelos clásica a los suelos tropicales recién se está formalizando y que la inclusión de estos nuevos principios en la práctica de la geotecnia yace todavía en el futuro. Los mecanismos que controlan el comportamiento de estos suelos transportados. Su mineralogía parece ser más dinámica que la de otros materiales geotécnicos. Los procesos científicos de humedecimiento y desecación tienden a generar rápidos e importantes cambios en el contenido de agua absorbida en los minerales componentes, los cuales afectan el tamaño de los granos así como grado de cementación.

Aunque las técnicas de muestreo y de prueba hacen posible determinar las propiedades micro-estructurales de una pequeña muestra, no existe una manera completamente satisfactoria de cuantificar las propiedades macro-estructurales de una masa grande de material. Corresponde al diseñador, sin embargo, medir o evaluar las propiedades de “macro-escala” de su material de tierra tanto como sea posible. Para poder hacer esto con los suelos tropicales, es de particular importancia una investigación apropiada del lugar, y ella debe ser generalmente más extensa y más costosa que para materiales e suelos más homogéneos.

Los suelos tropicales son, en esencia, producto de una meteorización climática (humedad y temperatura). La composición química y las características morfológicas de estos productos, están influenciados por el grado de meteorización al cual ha sido sometido el material madre. Russel (1889) de la U.S. Geological Survey, fue probablemente el primero en enfatizar que en climas cálidos, húmedos y tropicales, el agua percollada a través de la roca tiene un fuerte poder disolvente, siendo la meteorización

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más rápida en las regiones cálidas que en las frías y mayor en climas húmedos que en áridos. Holland (1903) indico, que durante la meteorización de los silicatos aluminosos en los trópicos, la sílice y el álcalis son retirados en solución, mientras la albúmina y el óxido férrico se deshidratan. Por otra parte para poder ubicar y ver como se distribuyen en el mundo, nos referimos al aspecto global, el cual hace referencia a aquella región de la tierra comprendida en los paralelos 23°27´ Norte y Sur. En esta forma de distribución propuesta por Euverte (1967) podemos observar que la Amazonía peruana se encuentra ubicada en la región de los suelos tropicales.

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III. ASPECTOS GEOLÓGICOS

Después de haber hecho una recopilación de las características geológicas de las rocas predominantes en la selva peruana, que han dado paso a la formación de los diversos suelos tropicales encontrados, se observa que el mayor número de formaciones reconocidas se encuentran en el mesozoico y en cenozoico-terciario, de origen relativamente reciente. Al respecto, se refiere que en la Amazonía de otros países como la brasileña, se encuentran formaciones que datan desde el Pre-cámbrico, en el límite de las eras Paleozoica y Arcaica.

Estas formaciones se encuentran en la parte central de la Amazonía brasileña y las Guayanas y están constituidas por granitos, gneises y esquistos micáceos, mientras que en los límites con los Andes, hay formaciones más jóvenes, de las eras Paleozoica y Mesozoica y constituidas por rocas sedimentarias.

En resumen, se puede concluir que en la selva alta y en los límites con la selva baja se encuentran tanto rocas ígneas como rocas sedimentarias, mientras que en la selva baja predominan las rocas sedimentarias del terciario y cuaternario y están constituidas principalmente por areniscas, lutitas y arcillas. En cambio, las rocas ígneas encontradas en la selva alta son: granito, andesita, y tipos volcánicos, mientras que las de tipo sedimentario son las areniscas, pizarras, shales, calizas y dolomitas.

La composición química y mineralógica de las rocas es una de las principales características de la formación del suelo tropical, pues sus propiedades están relacionadas con su contenido de metales o metaloides. Los materiales que han formado los suelos tropicales tienen orígenes muy diversos. Al agrupar los elementos que se encuentran en las rocas, de acuerdo a si han sufrido o no transporte se establece que en la selva alta predominan tanto materiales residuales como los transportados, mientras que en la selva baja se encuentra el predominio de los materiales residuales. Entre las rocas originales que han generado estos materiales residuales, se tiene el calcáreo, las arcillas y lutitas, las areniscas y algunas rocas ígneas del tipo de los granitos, andesitas y tufos volcánicos.

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IV. FORMACION DE LOS SUELOS DE LA SELVA

El proceso de transformación de la materia de origen o “roca madre” en el suelo, es lo que se conoce como “formación de suelo”. Esta transformación no alcanza un estado de equilibrio permanente, pues continuamente interfieren agentes o “factores de formación” que van transformando o cambiando las características físicas y químicas del suelo. La roca madre que se va transformando en suelo puede ser de origen ígneo, sedimentario o metamórfico. Dos procesos importantes intervienen en la transformación de una roca en suelo: la desintegración mecánica y la descomposición química.

La desintegración mecánica, se debe a fuerzas externas y a expansiones térmicas de los minerales que componen las rocas. La descomposición química de la roca se debe a los agentes erosivos superficiales que están en reacción con los minerales primarios de la roca incluyendo agua, oxigeno, dióxido de carbono y ácidos orgánicos derivadas de la vegetación. Los diversos procesos pueden actuar simultáneamente, algunos más rápidamente que otros y algunos más efectivamente en la alteración de un mineral a otro.

Los suelos que provienen de la desintegración y desposicion química de la roca madre que se encuentra en el sitio y que no han sido transportados por agente alguno se llaman “suelos residuales”; siendo estos los que predominan en la Selva Amazónica Peruana. Si la velocidad de descomposición de la roca supera a la de arrastre de los productos de descomposición, se produce una acumulación de suelo residual. Entre los factores que influyen en la velocidad de alteración en la naturaleza de los productos de meteorización se encuentra el clima, el tiempo, la naturaleza de la roca original, la vegetación, el drenaje y la actividad bacteriana.

Con respecto al clima se establece que los principales agentes en la formación del suelo son la lluvia y la temperatura. La primera determina la humedad del suelo, la aireación y el grado de lavaje del perfil, mientras que la segunda tiene acción directa sobre la formación del suelo e influye en la velocidad de las reacciones químicas, que se duplican por cada 10°C de incremento de temperatura. Otros agentes el clima, además de la precipitación y de la temperatura, son la humedad relativa, la radiación solar, el número de horas de sol, la nubosidad, la evaporación y la evapotranspiración, principalmente. Dentro de un mismo agente existen

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muchas causas que hacen que su forma de acción varié notablemente. El nivel pluviométrico regional a su vez depende de la temperatura, densidad, humedad absoluta y otras características de la masa de aire, y una vez que se produce la lluvia, su efectividad en meteorizar el material estará en función de su duración, intensidad, cantidad total de caída, así como la cobertura del tipo de material y relieve (plano, quebrado, o de vertientes abruptas). Es decir que el clima puede actuar en la descomposición del material original del suelo o de este mismo, a través de numerosos agentes, los cuales a su vez actuaran en condiciones muy variables, lo que determinaran una amplia gama de tipos de suelos que se forman en estas condiciones.

El conocimiento del Clima, es decir de la cantidad y distribución estacional de las precipitaciones pluviales, permite una comprensión fundamental en el proceso de transformación de la roca (meteorización tropical). Este proceso de meteorización es complejo debido a que toma millones de años y además porque durante este proceso los principales agentes que afectan el desarrollo del suelo, digamos la fisiografía, geología geomorfología y el clima también sufren cambios. Esta complejidad se demuestra por el hecho de que a pesar que los suelos están formados a unos pocos metros unos de otros, las propiedades que estos poseen pueden ser muy diferentes y, sin embargo, cada uno de estos pueden ser similares a otros ubicados a miles de kilómetros de distancia. Las similitudes y diferencias entre todos los suelos son medidas comúnmente en términos de sus propiedades químicas, mineralógicas y físicas.

V. METEORIZACIÓN EN LOS SUELOS DE SELVA

La composición y textura de las rocas madres son importantes en las etapas iniciales de la meteorización, pero se vuelven menos importantes con el tiempo. Las características climáticas tales como la cantidad de precipitación pluviométrica y particularmente, la distribución estacional de esta, determinan la intensidad del proceso de meteorización. La topografía afecta el movimiento vertical del agua y, por consiguiente, a la velocidad de remoción de los materiales solubles.

En taludes escarpados, el escurrimiento puede ser tan activo en la erosión del material meteorizado como lo es la filtración en su formación. El tipo y cantidad de vegetación pueden ser importantes en la formación de

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ácidos orgánicos y en la asimilación de sílice. Finalmente el tiempo es un factor decisivo, ya que, por ejemplo en climas húmedos y calientes, típicos de los trópicos, el tiempo que se requiere para alternar un material rocos es considerablemente menor que en los climas templados. La alteración de la roca a través de los procesos de meteorización se lleva a cabo en forma progresiva por medio de una serie de acontecimientos y etapas, los cuales dan como resultado u perfil residual meteorizado tropicalmente.

Se define como perfil de meteorización de un suelo tropical a la secuencia de materiales con diferentes propiedades físicas formadas en el sitio donde se encuentra y el cual yace sobre la roca meteorizada. Los perfiles de meteorización cambian de un lugar a otro, debido a variaciones locales en el tipo y estructura de la roca madre, la topografía, la velocidad de erosión y las condiciones de agua subterráneas además de las variaciones climáticas regionales, particularmente la pluviosidad. La clasificación en términos de zonas de intemperización y grados de intemperización es esencial para el diseño de ingeniería, y ha habido varios intentos para proporcionar un sistema satisfactorio de descripción y clasificación para propósitos de ingeniería. Deere & Patton (1971) así corno De Mello (1972), dieron un valioso resumen comparativo de los sistemas de clasificación disponibles en ese momento. La Sociedad Geológica de Londres (1970, 1977) hizo propuestas para el “registro” de “núcleos” que han sido más o menos seguidos de cerca por la Asociación de Geólogos de Ingeniería (1978). Dearman (1974) describió el sistema de clasificación de intemperización utilizado en la práctica británica, y esto fue luego totalmente documentado por la Sociedad Geológica de Londres (1977). Un perfil de intemperización de la selva amazónica peruana ha sido obtenido sobre la base de una adecuada correlación de muchas perforaciones practicadas en el sitio, y es factible de utilizarlo para prediseños de obras de ingeniería.

VI. SUELOS SAPROLÍTICOS Y LATERÍTICOS

En los últimos años se ha observado un aumento en el número de investigaciones con respecto a la clasificación de los suelos tropicales, todos ellos contribuyen a desarrollar criterios adecuados para establecer su posible comportamiento, tomando en consideración que los suelos tropicales han mostrado diferentes conductas cuando han sido comparados con suelos de otros orígenes, y además no están convenientemente representados en el sistema de clasificación clásico

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conocido en la ingeniería geotécnica. Así se han hecho muchos intensos (usando factores objetivos o subjetivos), que han sid elaborados para identificar las características intrínsecas de los suelos tropicales y para prever sus propiedades geotécnicas. Uno de los proyectos desarrollados en Brasil fue denominado MCT (Miniatura Compacto Tropical) que permite la determinación de conductas lateríticas y no lateríticas (saprolíticas), que toman en cuenta sus propiedades con relación a sus características genéticas.

De todas las clasificaciones propuestas hasta la fecha, se puede considerar como más representativa la de considerar estos dos tipos de suelos: saprolíticos y lateríticos. Los suelos saprolíticos son aquellos originados por la intemperización de la roca en el lugar, conservando sus condiciones de macro estructura, mineralogía y granulometría. Debido a que aparecen como el residuo de la roca origen y presentan un apropiado perfil de intemperización, también se les llama suelos residuales jóvenes. Normalmente constituyen estratos subyacentes al horizonte superficial de estos depósitos y suprayacentes a la roca matriz, caracterizándose por la presencia de estructuras heredadas de la roca madre, grandes espesores del estrato, mineralogía compleja con diferentes grados de intemperismo y estratigrafía en algunos casos compleja con heterogeneidad, y en otros muy homogéneas con estructuras simples.

Llamamos lateríticos a los suelos tropicales que sufren durante su formación un proceso pedológico intenso denominado laterización, cuyas características son: lixiviación de los catones alcalinos y alcalinos terrosos (Na, Kl, Ca y Mg), empobrecimiento de sílica, existencia de minerales arcillosos en grados avanzados de transformación y aumento del porcentaje de óxidos de fierro y aluminio hidratado. Los suelos lateríticos pueden ser residuales maduros o transportados y constituyen un horizonte superficial de origen esencialmente pedogenético recubriendo normalmente áreas bien drenadas, formando estratos con límites graduales poco perceptivos. Los suelos lateríticos presentan como características genéticas principales una constitución mineralógica o microestructura de apariencia homogénea e isotrópica, elevada resistencia a la erosión, alta contracción, buena adhesividad a los materiales bituminosos, pero presentan mucha porosidad, son altamente permeables, poco expansivos y de baja plasticidad.

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En nuestro país, después de analizar estadísticamente miles de resultados de ensayos efectuados, principalmente durante la construcción de carreteras y aeródromos, así como también cimentación de edificios, puertos y problemas de derrumbes en las riberas de los principales ríos tanto en la selva alta como en la llanura amazónica, se han establecido algunas correlaciones típicas de comportamiento para luego lograr un primer intento de zonificación y clasificación de nuestros suelos tropicales, utilizando además la información geomorfológica, de clima, pedológica, y tomando en cuenta la roca madre subyacente a cada región, desde el punto de vista práctico se ha logrado establecer ciertas correlaciones empíricas entre las características de plasticidad de los suelos tropicales y su probable clasificación que pueden utilizarse para diseños preliminares con los suelos de la amazonia peruana.

VII. METODOLOGÍA Y RESULTADOS

Para la realización de los diferentes ensayos que permitan obtener una caracterización geotécnica más adecuada del suelo, se deberá tomar muestras alteradas en bolsa para la caracterización física, química y mineralógica; y muestras inalteradas en tubo shelby y cajón, para la caracterización estructural y mecánica.

Sobre las muestras que se recolectan en campo, se realizan ensayos de caracterización física como:

Contenido de Humedad Límites de Consistencia Gravedad Especifica de los Sólidos Granulometría por Malla y por Hidrómetro, con y sin defloculante Ensayo de Miniatura Compactada Tropical (MCT) rápida.

De igual forma se efectúan ensayos de clasificación canica como:

Resistencia al Corte Directo (consolidado – drenado). Consolidación Saturada y Sin Saturar. Ensayo de Succión con papel filtro en Trayectoria Mixta y

desagregación.

Adicionalmente se efectúan ensayos de:

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Identificación Mineralógica (difracción de rayos x) Reconocimiento Microestructural (microscopia electrónica de

barrido)

VIII. MCT (MINIATURA, COMPACTADO, TROPICAL)

La clasificación MCT surgió con el objetivo de hacer una identificación rápida de los suelos. El ensayo consiste en medir la contracción radial (ct) de pastillas moldeadas en anillos de 20 mm. De diámetro por 5 mm de espesor, su penetración después de la absorción de agua. Este método permite clasificar el suelo dentro de uno de los siguientes grupos:

LATERÍTICOS NO LATERÍTICOS O SAPROLÍTICOS

Y a su vez estos se dividen sub-grupos:

LG´ Arcillas Lateríticas y Arcillas Lateríticas ArenosasLA´ Arenas Arcillosas LateríticasLA Arenas con poca Arcilla LateríticaNG´ Arcillas, Arcillas Limosas y Arcillas Arenosas No Lateríticas

NS´ Limos Caoliníticos y Micáceos, Limos Arenosos y Limos Arcillosos No Lateríticos

NA´ Arenas Limosas y Arenas Arcillosas No Lateríticos

NA Arenas Limosas con Limos Cuarzosos y Limos Arcillosos No Lateríticos

IX. MÉTODO DE LAS PASTILLAS, CLASIFICACION MCT RAPIDA, EXPEDITA

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Procedimiento:

Se colocan en anillos de PVC, pequeñas bolas de suelo (pastillas) que se desea analizar.

Se procede a la penetración de las pastillas con el penetrómetro.

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Gráfico de Clasificación MCT:

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X. ALCANCES FUNDAMENTALES Y PRÁCTICOS DE COMPORTAMIENTO

De los trabajos efectuados en el campo y en el laboratorio como parte de esta investigación y de la recopilación de un gran número de datos de obras de ingeniería efectuadas en la región amazónica peruana, así como investigaciones realizadas en otros países, se infiere que en general, los problemas geotécnicos en estos suelos residuales ocurren en la zona que no está saturada, donde la resistencia al cortante del suelo está íntimamente ligada a la presión de succión del agua. Por tanto, a diferencia de otros materiales geotécnicos, la evaluación de parámetros de resistencia al corte requiere el uso combinado de condiciones de saturación y de confinamiento similares a las existentes en el momento que ocurre la falla, o de lo contrario se obtienen valores de resistencia muy lejanos a los que existieron en la naturaleza ( Carrillo y de Campos,1994).

En general, se observa una acentuada no-linealidad en la envolvente de resistencia en relación a la succión de los materiales tropicales. En algunos casos se ha encontrado que esta no-linealidad está influenciada por la succión en la resistencia al cortante. Por consiguiente se establece que la medición de la resistencia al corte en suelos no saturados con equipo convencional de laboratorio presenta problemas experimentales considerables debido a que los equipos no permiten el control directo del grado de saturación en la naturaleza del suelo. Se han desarrollado equipos e investigaciones que miden presiones de succión en las muestras (Carrillo, Fonseca y De Campos, 1994) así como también se han utilizado métodos que controlan el grado de saturación por medios químicos.

Sin embargo, la complejidad de estos métodos, en muchos casos, los hace de difícil aplicación en la práctica ingenieril. De otro lado, desde el punto de vista práctico se ha logrado establecer correlaciones empíricas entre las características de plasticidad de estos suelos tropicales y su probable clasificación para diseños preliminares de obras de ingeniería en la Amazonía peruana.

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CORRELACIÓN EMPÍRICA ENTRE LOS LÍMITES DE CONSISTENCIA Y EL PROBABLE COMPORTAMIENTO DEL SUELO

TROPICAL PERUANO

Analizando estadísticamente miles de resultados de ensayos efectuados, principalmente durante la construcción de carreteras y aeródromos, así como también cimentación de edificios, puertos y problemas de derrumbes en las riberas de los principales ríos tanto en la selva alta como en la selva baja o llanura amazónica, se han establecido algunas características típicas de comportamiento que se muestran en la Tabla I, para más adelante lograr un primer intento de zonificación de los suelos tropicales del territorio peruano, utilizando la información geomorfológica, de clima, pedológica, etc., recopilada y tomando en cuenta la roca madre subyacente a cada región ( CarrilloGil,1994).

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XI. ESTABILIZACIÓN DE LOS SUELOS TROPICALES PERUANOS

De numerosos estudios realizados para estabilizar los suelos tropicales con cal, se establece que las mezclas de suelos saprolíticos con este estabilizante presentan sistemáticamente mejores resistencias que con el suelo laterítico para iguales porcentajes de cal y tiempo de cura (Giménez, 1990). En los suelos tropicales mezclados con cal la resistencia aumenta con el tiempo de curado, aumentando más en el suelo saprolítico que en el laterítico. La influencia del porcentaje de cal en la resistencia es semejante tanto en los suelos saprolíticos como Lateríticos. La resistencia de los suelos prácticamente no disminuye como consecuencia del tiempo transcurrido entre la mezcla y su compactación en las primeras cuatro horas, sin embargo, el suelo saprolítico sufre cierta disminución de resistencia entre cuatro y veinticuatro horas.

Características Típicas de Comportamiento

* Clasificación MCT** Clasificación SUCS

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De la investigación llevada a cabo con fines de estabilización con cal para algunos suelos saprolíticos de la Amazonía peruana que permanentemente presentan contenidos de humedad natural mucho mayores que el óptimo de compactación, se han encontrado algunos resultados de laboratorio para especímenes que presentan portancia tan baja como CBR de 1% a 5% en promedio, y que al mezclarse con cal se obtiene un aumento substancial en el valor del CBR para diferentes tiempos de curado, probablemente debido al desarrollo de la reacción puzolánica en el suelo, estableciéndose que con 5% a 6% de cal hidratada en peso es posible obtener un mínimo de 15% de CBR como resistencia inicial para las arcillas saprolíticas de la selva baja, y si se continua el curado, se encontró que después de un buen tiempo el CBR aumentó considerablemente llegando hasta valores mayores del 29% en 140 horas (Carrillo-Gil, et al, 1993). En la mayoría de los casos, la adición de 5%, a 6% de cal hidratada fue suficiente para lograr resistencias adecuadas para el diseño de pavimentos de carreteras, calles y aeródromos para aviones medianamente pesados que normalmente hacen servicio en las áreas selváticas del Perú.

XII. MINERALOGÍA Y MICROESTRUCTURA

El ensayo de difracción de rayos x (DRX), es un ensayo que permite, a partir de un difractograma, identificar los minerales que componen una muestra de suelo.

XIII. CORTE DIRECTO (CD)

Se ejecutan ensayos de corte directo de tipo consolidado drenado

XIV. CONSOLIDACIÓN

El ensayo de consolidación se efectúa con el fin determinar el índice de colapso (I) del suelo. Cuando el suelo es cargado y el contenido de humedad crítico es excedido, los puentes de grano fino alcanzan un estado donde no pueden resistir por mucho tiempo las fuerzas de deformación, colapsando la estructura. Para el cálculo de este índice se realiza el ensayo de consolidación duplo edómetro, en el cual se consolidan bajo las mismas cargas dos especímenes, uno con la humedad natural y el otro en estado saturado.

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XV. SUCCIÓN MATRICIAL CON PAPEL FILTRO, TRAYECTORIA MIXTA

El ensayo de succión se realiza por el método de papel filtro por trayectoria mixta con el objeto de determinar la succión matricial de la muestra. Este ensayo consiste en utilizar cuerpos de prueba con diámetro de 50 mm y altura de 20 mm, aproximadamente, en el cual se distribuyen las humedades desde la mínima hasta la máxima partiendo de la humedad natural, lo cual se logra dejando secar o humedeciendo con agua destilada los cuerpos. Luego se coloca el papel filtro y se deja equilibrar la humedad por un mínimo de 15 días. Después de este tiempo es determinada la humedad del papel asociada a un valor de succión matricial, que es el mismo del cuerpo de prueba. Como el valor de succión es determinado a través de una curva de calibración, este método es conocido como indirecto.

XVI. DESAGREGACIÓN

La prueba de desagregación es un ensayo cualitativo que consiste en someter cubos de suelo de 6 cm de lado a inmersión parcial y total en agua destilada, pretendiendo examinar la estabilidad de una muestra indeformada de suelo ante la inmersión en agua, lo cual puede ser directamente asociado a fases del proceso erosivo o a mecanismos importantes en el estudio de la erosión.

XVII. DISEÑO EN LOS SUELOS DE SELVA

En el Perú, los suelos tropicales en un gran porcentaje son de tipo saprolíticos, esto es, suelos arcillosos intercalados con limo y arena principalmente. Algunos resultados de ensayos de resistencia al cortante efectuados en los suelos de nuestro país agrupan del lado conservador a los ensayos de laboratorio convencionales efectuados en estado saturado, esto es ensayos triaxiales consolidado no-drenados o no-consolidados no- drenados; y del lado más real a los ensayos de campo que arrojan siempre valores mucho más confiables que los ensayos de laboratorio, comprobándose que entre estos dos grupos podemos ubicar una línea promedio, evaluada por medio de métodos estadísticos, que podría representar valores más cercanos a la realidad y tomar efectos de la influencia de la succión correspondiente.

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Para el diseño en los suelos tropicales de selva los análisis clásicos de mecánica de suelos y de rocas necesitan combinarse con un conocimiento de la geología de ingeniería en cada situación y con un sólido discernimiento y experiencia de la ingeniería geotécnica. Es desafortunado que el enfoque analítico sea muchas veces sobre enfatizado en la ingeniería geotécnica sin tener suficiente de los otros dos ingredientes que están presentes como base para el diseño. De otro lado, existen situaciones en que la complejidad de la geología local confunde el análisis y, por lo tanto, la práctica local se fía totalmente de los precedentes, del juicio profesional y experiencias de diseño del lugar o de otros lugares que tengan condiciones geológicas similares.

En esta Conferencia tendremos que hacer énfasis inevitable sobre los problemas de estabilidad de taludes en los suelos de selva, ya que éstos quizá sean los problemas más y mejor estudiados en nuestro medio, pero también nos referiremos de manera breve a algunos aspectos del diseño de pavimentos en algunas obras construidas en la selva peruana.

Aparte de la confianza total en la experiencia y los precedentes para el diseño de taludes, pavimentos y cimentaciones que se observa en la comunidad técnica mundial, parecería existir tres enfoques básicos que se le presentan al ingeniero que debe tomar decisiones de diseño con relación a los suelos tropicales. Cada uno de estos enfoques tiene una base lógica y puede decirse que abarca tanto el análisis como el diseño (Brand, 1982).

(a) Métodos clásicos de análisis de estabilidad más conocidos como análisis de equilibrio limite, de los cuales se obtienen factores de seguridad numéricos.

(b) Métodos de diseño semi-empíricos (o de precedente modificado) que dependen de un conocimiento profundo de la performance de taludes o cimentaciones existentes relacionados con las condiciones relevantes prevalecientes.

(c) Enfoque de evaluación del terreno, que depende mucho del levantamiento de planos basados en fotografía aérea, para clasificar las formas de la tierra desde el punto de vista de su estabilidad y que pueden llevarnos a una zonificación del suelo en términos de riesgo y peligro potencial.

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Estos tres enfoques bastante diferentes para el “análisis y el diseño” han sido todos aplicados con éxito igualmente mixtos a los suelos de selva. El enfoque clásico tiene la ventaja de que cuantifica el grado de seguridad, mientras que esta cuantificación muchas veces no es posible hacerla con los otros dos métodos. El método semi-empírico y el enfoque de evaluación del terreno están estrechamente relacionados porque ambos se basan en la asunción explícita de que las características de estabilidad de un suelo tropical pueden ser evaluadas en base a las observaciones de la performance de otras consideraciones de similares características.

En muchos casos se ha mencionado que los factores teóricos de seguridad para taludes estables en suelos residuales son frecuentemente menores que la unidad. Algunos piensan que este error proviene de la omisión de la contribución de la succión en la resistencia al esfuerzo cortante del suelo. En el Perú y otros países de clima tropical, como queda dicho tenemos, una vasta área cubierta por suelos residuales de diferentes formaciones geológicas que pueden encontrase en estado no saturado, estando estos materiales geotécnicos sujetos a sufrir variaciones de humedad con el transcurso del tiempo. Es por lo tanto de suma importancia tomar en consideración la influencia que ejerce la succión sobre los parámetros de resistencia del suelo, en especial cuando se trata de análisis de estabilidad de taludes. Fredlund et al, (1978) presentaron una expresión de resistencia para los suelos no-saturados, considerando el concepto de variables del estado tensional. La expresión propuesta es la siguiente:

τ = c´ + (σn – ua) tag φ´ + (ua – uw) tag φbdonde:τ = Esfuerzo cortante c´ = Cohesión(σn – ua) = Esfuerzo normal aplicado(ua – uw) = Succiónφ´ = Angulo de fricción interna con relación a (σn – ua)φb = Angulo de fricción interna con relación a (ua –

uw)

Esta expresión, cuando es ploteada en el espacio tridimensional forma una superficie de ruptura plana, esto por que asume tag φb como constante. Si las resultados del ensayo son ploteados en un gráfico bidimensional, manteniendo la succión como tercera variables

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Se observa que la cohesión sufre variación con el cambio de succión, siendo que el ángulo φ´ permanece constante, pudiendo decirse que (ua – uw) tag φb es una contribución a la cohesión como resultado de un aumento de la succión, por lo que ángulo

φb puede ser determinado analíticamente como lo indica Fredlund et at (1978), o gráficamente, ploteando los resultados en el espacio bidimensional (τ,σn – ua).

Posteriormente, Escario y Saez (198ó) observaron que en algunos casos existe un valor máximo de resistencia entre el estado total de saturación y el estado seco, de tal forma que la tag φb no es constante pues varía desde un valor aproximado de φ´, con succión nula (material saturado) hasta cero para un valor máximo de succión, resultando en una envolvente de resistencia no lineal. Esta no linealidad fue también observada por Gan et al (1988) al ensayar un till glaciar en el equipo de corte directo con succión controlada.

En la Pontificia Universidad Católica de Rió de Janeiro, Brasil, Carrillo Delgado y Tacio de Campos (1994), han desarrollado equipo de laboratorio y estudios para evaluar los mecanismos de falla asociados a los deslizamientos de suelos coluvionares sobrepuestos a saprolitas de biotita-gneiss, utilizando comparaciones entre ensayos de corte directo convencionales y con succión controlada en un equipo especialmente preparado para esto caso, tomando en cuenta los efectos del grado de saturación variable de los materiales geotécnicos ensayados.

Lamentablemente en nuestro país, aún no contamos con el equipamiento necesario para medir efectos de succión en los suelos de selva que se encuentran parcialmente saturados. Esto conduciría a proyectos de ingeriría más económicos que las actuales soluciones conservadoras. Sin embargo es posible considerar a los efectos de la succión de forma indirecta e nuestros diseños, a través de la comparación de resultados de resistencia al cortante obtenidos de ensayos en cuerpos de prueba previamente inundados o saturados y en condiciones de humedad natural.

En algunos casos se presentan problemas de estabilidad de taludes en los suelos de selva condicionados a la precipitación pluvial, por lo que los deslizamientos ocurren durante la temporada de lluvias, admitiéndose que el suelo se encuentra completamente saturado, observándose, como

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en el caso de la ciudad de El Salvador en Brasil, (Campos, et al, 1994), que en la mayoría de los casos, los planos de falla son superficiales, localizándose encima del nivel freático. El procedimiento sugerido consiste en verificar la estabilidad del talud en sus condiciones extremas: una condición de humedad natural y otra en condición saturada, para luego considerar una situación intermedia de succión, con la que se obtienen los valores extremos del Factor de Seguridad correspondientes a las dos situaciones mencionadas, debiendo utilizarse un valor intermedio como Factor de Seguridad correspondiente a un determinado nivel de succión. Por lo tanto, para los casos en que el mecanismo de ruptura este asociado a perdida de resistencia por humedecimiento descendente y no por la generación o elevación de presiones neutras positivas, los procedimientos convencionales utilizando ensayos de corte en estado saturado llevan a resultados conservadores, lo que implica siempre soluciones costosas. En estos casos es posible tomar en consideración la succión, para viabilizar obras de estabilización de taludes naturales en suelos de selva, cambiando el concepto del proyecto, de modo de garantizar un determinado nivel mínimo de succión, mediante obras de drenaje o protección superficial adecuadas.

En otros casos, las propiedades de resistencia al esfuerzo cortante en los suelos residuales están íntimamente relacionadas a la presión de poros por medio del principio de presiones efectivas. Para determinar en el laboratorio las propiedades de resistencia al cortante apropiadas para el diseño y el análisis de taludes que fallan por efecto de las lluvias, es necesario modelar el mecanismo de falla tan exactamente como sea posible. Por muchas razones, la prueba triaxial es comúnmente utilizada para estudiar estas propiedades de los suelos, para esto se realiza ya sea una prueba “drenada” o se lleva a cabo una “prueba no drenada”, durante la cual se mide la presión de poros. Sin embargo, la trayectoria de la tensión seguida en el campo durante una falla inducida por lluvia es muy diferente a esto, ya que σ1 y σ3 son sensiblemente constantes y la presión de poros se incrementa (esto es, la succión disminuye) conforme llueve según Brand, (1982). El mecanismo correcto de falla sólo puede ser modelado en el laboratorio por medio de una prueba de carga constante en la cual se incrementa la presión de poros desde un factor negativo inicial hasta que ocurre la falla. También es posible seguir la trayectoria de tensión correcta simplemente disminuyendo la presión de la “celda o cedula”, pero esto no simula el mecanismo de falla correcto que ocurre en el campo.

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El caso más común que ocurre en nuestro medio se presenta en las orillas de los grandes ríos de la selva peruana, especialmente en las riberas del Río Amazonas, la falla de taludes en suelos tropicales subyacentes se debe a la acción del movimiento de ascenso y descenso del agua durante la etapa de avenidas y estiaje. Estos ríos discurren formando meandros sobre un suelo blando de potencia variable. Los meandros se desplazan agua abajo originando erosión y sedimentación. La continuación de la deformación del meandro aguas arriba modifica el cauce y origina efectos sobre las riberas durante las etapas de vaciante produciendo graves deslizamientos, que consideramos como un fenómeno de vaciamiento rápido que afecta al talud, pues en muy poco tiempo el río baja, un promedio de 12 m (Carrillo-Dominguez, 1996).

El vaciamiento rápido es interpretado en la geotecnia corno un proceso que aumenta la deformación no-drenada de la zona saturada en los taludes afectados. En otras palabras, la respuesta de la estabilidad de los taludes al movimiento rápido del agua en el descenso, es similar a la respuesta ocurrida en una excavación en la que se produce un aligeramiento forzado, debido al material que previamente ofrecía un apoyo lateral y que rápidamente es removido, En este caso el desequilibrio producido por el vaciado rápido del rió hace quedar agua contenida dentro de la estructura porosa del suelo pues su nivel no baja a la misma velocidad que el nivel de agua del río, lo que origina mayor peso del cuerpo del talud y aumento de la presión intersticial dentro del suelo, efecto que hace disminuir la resistencia al esfuerzo cortante del suelo que conforma el talud y que aunado a los efectos del río ya indicados, hace que se originen los deslizamientos cuando no ha sido posible evacuar o disipar rápidamente el agua que quedó entrampada dentro del suelo que conforma el talud (Carrillo, 1997). Contrariamente a los efectos del descenso del agua, la subida del nivel de agua en el río origina confinamiento del pie del talud por las presiones de la masa de agua y la coincidencia de los niveles futuros con el nivel del río equilibran las cargas hidrostáticas y por lo tanto se anula el desequilibrio que causa inestabilidad en los taludes estudiados. Es por esto que a esta etapa la consideramos como no-crítica con respecto a la anterior de bajada del agua en el río que coincidentemente es en la que se han producido el mayor número de deslizamientos importantes. En el Río Amazonas, frente a la ciudad de Iquitos, el descenso del nivel de agua ocurre entre los meses de Junio y Septiembre de cada año, considerándose que el último gran deslizamiento se produjo por etapas, la primera en Julio de 1991, la segunda en Junio de

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1992, la tercera en Agosto de 1993, para finalmente colapsar totalmente en 1994.

Todos estos problemas los hemos venido estudiando desde antes del año 1948, sobre todo en las riberas del Río Amazonas frente a la ciudad de Iquitos. En los últimos años, para estudiar estos problemas, se instaló una adecuada instrumentación geotécnica en las áreas críticas donde ocurren los graves deslizamientos ya mencionados. Con el fin de establecer los movimientos laterales y/o generación de presiones de agua indeseables en el suelo tropical involucrado en estos taludes naturales, se colocaron numerosas estaciones inclinométricas y piezométricas con aparatos de tecnología reciente que han permitido definir automáticamente perfiles de desplazamiento y presiones de poro que afectan a estos suelos de selva durante los periodos críticos de descenso de nivel del río. De las medidas tomadas entre 1996 a 1997 y entre 1998 y 1999, se puede apreciar que ahora los movimientos en promedio no son muy significativos y que comparados con el movimiento del Río se puede establecer que en la etapa crítica de descenso del nivel de agua se produce un movimiento hacia adelante en dirección del Río, mientras que en el ascenso o subida del nivel de agua ocurre lo contrario como si se produjera un movimiento basculante del talud. Esto nos indica que cualquier obra de defensa o sostenimiento debe diseñarse lo más flexible posible y no muy rígida pues esto último determinará mayores costos para que la obra sea estable.

Con respecto a las medidas piezométricas los resultados del monitoreo geotécnico en zonas donde se han instalado sistemas de subdrenaie en taludes de suelos saprolíticos, indican que en general la disipación de las presiones intersticiales en la mayor parte de casos se ha efectuado en correspondencia con el descenso y ascenso del nivel de agua, determinándose así un buen comportamiento del sistema de drenaje que fuera instalado en las zonas críticas. Los piezómetros que fueron instalados en la zona del deslizamiento mas reciente (1994) en riberas del Río Amazonas, donde no se practicó ningún sistema de drenaje profundo ni tratamiento para sostenimiento, desde el inicio sus lecturas mostraron irregularidades con respecto a la disipación delas presiones de poro acumuladas después del descenso del río. Los resultados indican que en los estratos arenosos durante la etapa crítica, las presiones intersticiales medidas en esta zona arrojan un máximo de hasta 111 kPa, medido en el periodo 1998-1999 y un mínimo de 12 kPa medido en el

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periodo 1996-1997, considerándose un promedio de todas las lecturas en 59 kPa. Para las arcillas, durante la etapa crítica se midieron máximos hasta de 106 kPa en el periodo 1998-1999, y de 50 kPa como mínimo para el periodo 1996-1997, ocurriendo un promedio de medidas de 77 kPa para las presiones neutras generadas por el descenso del agua en el Río Amazonas, Los análisis de estabilidad de taludes efectuados en condiciones de presión de poro alta arrojan factores de seguridad menores que la unidad, sin embargo, cuando se instala un sistema de subdrenaje adecuado, los cálculos en el mismo talud pero con presiones neutras disipadas y por lo tanto más bajas, los factores de seguridad son superiores y en este caso aseguran la estabilidad del conjunto, lo que indica que la mejor solución no necesariamente son las estructuras de retención de cualquier tipo, sino la inclusión de un buen sistema de drenaje.

Para el cálculo de estabilidad de estos taludes pueden tomarse las condiciones especiales ya mencionadas del mecanismo de falla probable, esto es, un efecto de vaciamiento rápido similar al de una presa de berra. Para ello será necesario estimar la resistencia al esfuerzo cortante reproduciendo en el laboratorio el fenómeno ocurrido en el campo por medio de ensayos triaxiales tipo consolidado no-drenado (rápido consolidado) o bien siguiendo las recomendaciones de Lowe y Karafiath (1960), que indican compactar el espécimen con su peso unitario y humedad de campo. Después se satura y es colocado en el aparato triaxial y se aplica un σ3 igual a la presión de campo con el nivel del Río al máximo y al mismo tiempo se aplica un σ1 = 2 σ3 que representa la condición del suelo arcilloso en su vida anterior al momento del descenso del nivel del río. De manera que en la primera etapa de la prueba triaxial el espécimen se consolida en condiciones un tanto diferentes a las hidrostáticas usuales (σ1 = σ3) utilizando un estado de esfuerzos en que σ1 = 2 σ3. A continuación, en la segunda etapa el espécimen se lleva a la falla sin permitir drenaje adicional, obteniéndose resultados aceptables para el proyecto correspondiente.

Otra forma de obtener los valores probables de resistencia al cortante puede hacerse por medio de retroanálisis (back analysis) siempre que las condiciones prevalecientes antes del deslizamiento sean reproducidas adecuadamente y permitan obtener valores aproximados de los parámetros geotécnicos para evaluar la estabilidad de los taludes.

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El análisis de taludes naturales y el diseño de taludes en cortes, en base a los métodos clásicos, requiere del establecimiento de valores aceptables del factor de seguridad. Frecuentemente es necesario, en terrenos de suelo residual, trabajar a valores del Factor de Seguridad muy bajos, debido a lo empinado del terreno o el costo excesivo para adoptar valores más altos. El diseño “standard” de seguridad de taludes (esto es, la probabilidad de falla) debe por lo tanto estar lógicamente gobernada por las consecuencias de falla en términos de pérdida de vida, daño a la propiedad, y la interrupción de comunicaciones y servicios.

La práctica adoptada en Hong Kong (Oficina de Control Geotécnico, 1979) es que el factor de seguridad del diseño está relacionado con la categoría de riesgo (Tabla I). La categoría de riesgo para un talud en particular se tasa en términos de la posibilidad de pérdidas de vida en caso de falla del talud. Típico de taludes de alto riesgo son los taludes cortados inmediatamente adyacentes a escuelas y bloques de departamentos ocupados. Un ejemplo de un talud de bajo riesgo es uno que sólo amenaza un camino secundario. En el caso de los taludes de las riberas del Río Amazonas podemos tomar un riesgo intermedio, con categoría de significativa.

Tabla IFactores de seguridad aceptables para taludes en Hong Kong (Geotechnical Control Office, 1979)

Otra de las preocupaciones del ingeniero geotécnico de carreteras y pistas de aeropuertos apoyadas sobre suelos tropicales, es el diseño adecuado de sus pavimentos. Existen muchos casos históricos en los que se han aplicado condiciones de diseño inadecuadas o tomadas de especificaciones foráneas exigidas para casos donde el soporte del suelo de subrasante es débil, sin embargo estas especificaciones son

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Categoría de Riesgo

Mínimo Factor de

Significativo 1.3

Alto 1.4


aplicables a otras regiones del mundo donde los suelos no son del tipo encontrado en la selva peruana. A menudo estas recomendaciones indican la estabilización del suelo con cemento, lo que ha originado, debido en algunos casos a un mal diseño del suelo- cemento o a un procedimiento de construcción inadecuado; que la retracción de fragua, la dosificación no uniforme del cemento con el suelo o el espesor insuficiente de la base estabilizada, haya originado la formación de grietas que se ha reflejado en la capa de rodadura, que en muchos casos era de tipo flexible, agrietándose apreciablemente y en muchos casos alterando el normal funcionamiento de pistas de aterrizaje. Es conveniente tomar en cuenta que cuando un suelo es deformable, siempre será mas conveniente colocar bases y productos también flexibles de manera de lograr un comportamiento eficiente. Por el contrario, si la estructura del pavimento es rígida o semi rígida, apoyada sobre un suelo flexible, pueden esperarse deformaciones que más tarde redundarán en agrietamientos y fracturamientos no sólo de la estructura inferior sino también de la capa de rodadura correspondiente. En estos casos es mucho mas recomendable utilizar como elemento estabilizante la cal, que en nuestra selva existe de manera abundante, con bancos que pueden ser explotados económicamente para lograr un producto de calidad.

El principal objetivo de la estabilización de los suelos saprolíticos con cal es el de incrementar su resistencia y disminuir su sensibilidad a los cambios volumétricos debidos a variaciones en el contenido de humedad del suelo.

El conocimiento de los mecanismos responsables de las modificaciones que se llevan a cabo durante la estabilización de una arcilla con cal es muy importante. Es indispensable por otro lado, la previa determinación de los tipos de minerales arcillosos que se encuentran presentes en el suelo que se pretende estabilizar, ya que esto permite adoptar el tratamiento a efectuar y prever el mejoramiento que se puede esperar con la estabilización, así como su presencia con el tiempo.

De numerosos estudios realizados para estabilizar los suelos tropicales con cal, se establece que las mezclas de suelos saprolíticos con cal presentan sistemáticamente mejores resistencias que con el suelo laterítico con cal para iguales porcentajes y tiempos de cura (Gimenez,1990). En los suelos tropicales mezclados con cal la resistencia aumenta con el tiempo de curado, aumentando más en el suelo saprolítico

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que en el laterítico. La influencia del porcentaje de cal en la resistencia es semejante tanto en los suelos saprolíticos como Lateríticos. La resistencia de los suelos prácticamente no disminuye como consecuencia del tiempo transcurrido entre la mezcla y su compactación en las primeras 4 horas, sin embargo, el suelo saprolítico sufre cierta disminución de resistencia entre 4 y 24 horas.

De la investigación que hemos efectuado con respecto a estabilización con cal para algunos suelos saprolíticos de la Amazonía peruana que permanentemente presentan contenidos de humedad natural hasta de 30% a 40% mucho mayores que el óptimo de compactación, hemos obtenido algunos resultados de laboratorio para suelos que presentan portancia tan baja como CBR de 1% a 5% en promedio. Para estos suelos se han empleado diferentes criterios para la selección del contenido óptimo de cal ya que son muy diversos los factores que influyen, destacándose entre otros el contenido de materia orgánica, porcentaje de minerales arcillosos presentes en el suelo, tipo de cal, porcentaje de finos, etc. Para establecer el CBR de diseño de la arcilla de apoyo estabilizada con cal, se efectuaron numerosos ensayos, obteniéndose un aumento en el valor del CBR para diferentes tiempos de curado, de acuerdo al desarrollo de la reacción puzolánica en el suelo, estableciéndose que con 5% a 6% de cal hidratada en peso es posible obtener un mínimo de 15 % de CBR para arcillas saprolíticas, en comparación al 1% ó 6% que tiene en condiciones naturales, tomándose este promedio y bajo la consideración de que los suelos saprolíticos normalmente presentan variaciones muy importantes de comportamiento mecánico, sin embargo después de un buen tiempo de curado el CBR aumento considerablemente llegando hasta más del 29% en 140 horas (Carrillo, te al, 1993).

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XVIII. CONCLUSIONES

- Los resultados mostrados en este trabajo proporcionan una visión global de las características geotécnicas de los suelos del trópico húmedo peruano,

- Este estudio permitirá en el futuro el desarrollo de nuevos patrones de comportamiento considerando su evaluación experimental y tratamiento adecuado para llegar a una determinación real de las propiedades ingenieriles de los Suelos Tropicales.

- Este estudio creará la necesidad de elaborar criterios geotécnicos selectivos más adecuados para estos materiales, que en la selva baja principalmente, son los únicos disponibles para la construcción de obras de ingeniería civil.

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XIX. RECOMENDACIONES

Como bien sabemos que la Amazonía Peruana es una región muy singular en vista de sus ocurrencias geológicas y de clima que crean suelos tropicales húmedos muy difíciles de predecir y manejar en la construcción de obras de tierra como la Pavimentación de carreteras, por lo tanto recomendamos:

- Se realicen todos los estudios y análisis mencionados en este informe para la pavimentación dentro de la Provincia de Leoncio Prado y en general de toda la Selva del Perú, esto llevara a permitir que más adelante la utilización racional de estos suelos especiales, nos ayude a mejorar la calidad de trabajos de obras civiles, dejando de lado especificaciones y recomendaciones foráneas que resultan incompatibles con la realidad y que muchas veces han sido utilizadas y aplicadas en proyectos desarrollados en la región amazónica, lo que ha originado fallas y daños importantes en ellas, con la consiguiente pérdida material y económica,

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Suelos Tropicales Aplicadas a Obras Viales

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