Sociedad Mexicana de

Ingeniería Geotécnica, A.C.

XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos e

Ingeniería Geotécnica Noviembre 14 a 16, 2012 – Cancún, Quintana Roo

SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.

Elementos colados in situ en suelos conformados con material a volteo sin control

Casting elements formed in situ in soils with uncontrolled tumbling material

Roberto Avelar Cajiga1

1Ingeniería Especializada en Cimentaciones, S.A. de C.V. RESUMEN. Fabricación de elementos de cimentación profunda colados in-situ, atravesando rellenos heterogéneos conformados por cascajo, basura, boleos, arena, grava, en una matriz sin cohesión y sin presencia de agua. ABSTRACT. Manufacture of deep foundation cast in-situ, through heterogeneous fillers comprised of gravel, trash, sand, gravel, in an array without cohesion and without the presence of water. 1 INTRODUCCIÓN El gran dinamismo y crecimiento demográfico de la Zona Metropolitana del Valle de México (ZMVM) no se ha detenido, considerándose actualmente como la segunda o tercera aglomeración humana más poblada del mundo. Se ha registrado una transición demográfica de 350,000 habitantes en el año de 1900 a 2'000,000 de habitantes en 1950, incrementándose sensiblemente en el año de 1960 a 6'000,000 de habitantes, llegando a poco más de 20'000,000 de habitantes en 2010, según el reporte del censo de ese año (Figura 1).

Figura 1. Crecimiento de la población en la ZMVM. La ZMVM ocupaba 23,000 ha en el año de 1950, 41,000 ha en 1960, 145,000 ha en el 2000, y en el año 2010 se calcula que el área ocupada es de 163,000 ha, conformada por 16 delegaciones del Distrito Federal, 59 municipios del Estado de México y 1 municipio del Estado de Hidalgo (Figura 2).

El crecimiento de la población de 1900 a 1950 fue de 3.6% anual, sin embargo de 1950 a 1960 su incremento fue del 11.6% anual, siendo este periodo el de mayor crecimiento de la población con tasas superiores a los promedios nacionales; en el año de 1980 inicia una desaceleración de la población con una tasa de crecimiento anual del 1.2%, ya que las actividades manufactureras en el país se redujeron debido a la recesión económica, generando consecuencias sociales más severas en los medios urbanos.

Figura 2. Crecimiento del área de la ZMVM. En la actualidad, la progresiva concentración de la población entre los 15 y 40 años de edad, que influyen en la formación de nuevos hogares, así como el descenso de la fecundidad que propicia la reducción del tamaño de las nuevas familias, han originado un crecimiento más rápido de las viviendas que de la población, esperándose una reducción de casi un ocupante promedio por vivienda en el mediano plazo.

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Considerando la información anterior, ha sido necesario ampliar el parque inmobiliario habitacional, dotándolo además de infraestructura urbana básica, por lo que con mayor frecuencia se están realizando desarrollos en áreas que en años anteriores se ubicaban en la periferia de la ZMVM, en las que en algunos lugares se depositaban sin control los desperdicios generados por la actividad diaria de sus habitantes, lo que ha obligado a transmitir las cargas de las nuevas estructuras a los estratos de suelo identificados como resistentes con elementos de cimentación profunda, atravesando rellenos artificiales heterogéneos. 2 REQUISITOS PARA SOLUCIONAR UNA CIMENTACIÓN

Las principales actividades que deben realizarse para determinar el tipo de cimentación que requerirá un proyecto, son el estudio y diseño geotécnico, el diseño estructural y la construcción. Los conocimientos, la ética y la experiencia del responsable del estudio geotécnico es indispensable para que las demás actividades tengan éxito, porque una equivocada selección en el procedimiento de la exploración y muestreo del subsuelo, así como una deficiente recopilación e interpretación de la información geológica y geotécnica disponible del sitio en estudio, pueden desorientar a los participantes en la toma de decisiones con resultados lamentables. En los casos como los que se plantean en este artículo, en donde algunos proyectos se han desarrollado sobre rellenos heterogéneos conformados por cascajo, basura, boleos, arena, grava, en una matriz sin cohesión y sin presencia de agua, se ha recurrido a la fotografía aérea histórica, con el propósito de interpretar con mejor pronóstico la composición de dichos rellenos, así como el espesor de los mismos en diferentes secciones. Los posibles errores que se pueden generar cuando no se realiza un adecuado estudio del subsuelo, son el identificar un estrato como resistente, cuya capacidad de carga y deformación serán valores determinantes en el diseño geotécnico y estructural, siendo que en realidad se trata de un obstáculo que desafortunadamente se presentó en el trayecto de un sondeo, o bien definir la profundidad de los elementos de cimentación con una longitud promedio, especificación que determinará el diseño del procedimiento constructivo, sin inferir que puede tratarse de una cañada natural que fue rellenada. La información contenida en un estudio de mecánica de suelos es utilizada con diferentes propósitos por las ingenierías geotécnica, estructural

y de construcción; la ingeniería geotécnica diseñará en función de las capacidades de carga de los diferentes estratos del subsuelo, determinando también su comportamiento durante la vida útil del proyecto que se analiza; la ingeniería estructural diseñará los elementos de cimentación que transmitirán las cargas a los estratos resistentes del subsuelo, en función del tipo de cargas que genere el uso del proyecto, evaluando las deformaciones tolerables; la ingeniería de construcción diseñará el procedimiento constructivo que dé certidumbre a la calidad de los elementos de cimentación, cumpliendo con las especificaciones establecidas por los diseños geotécnicos y estructurales, sin olvidar que la ingeniería de construcción también requiere de que se cumplan sus especificaciones. Con el propósito de que se logren los objetivos y que se defina la viabilidad del proyecto de referencia, es importante la comunicación oportuna entre las disciplinas de la ingeniería mencionadas, lo que permitirá su factibilidad técnica y económica, o su cancelación, por lo que también es recomendable la participación de los inversionistas en la toma de decisiones (Figura 3).

Geotecnista Estructurista

Constructor

Inversionista

Figura 3. Participantes requeridos en una cimentación. La falta de experiencia de las ingenierías participantes en la construcción de una cimentación, que puede interpretarse también como falta de ética al no aceptar su condición, puede provocar la pérdida de recursos, la mala calidad de los elementos de cimentación con sus consecuencias, y el retraso de un programa de obra afectando el desarrollo de otras actividades, entre otros. Es imprescindible reconocer que la construcción de una cimentación no debe convertirse en un experimento para solventar el desconocimiento y satisfacer las inquietudes de los consultores y constructores, recurriendo al proceso de prueba y error, considerando que los recursos económicos que se invierten se basan en la confianza depositada por terceros.

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3 PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO APLICADO EN LA CONSTRUCCIÓN DE PILAS DE CIMENTACIÓN EN SUELOS CONFORMADOS CON MARTERIAL A VOLTEO SIN CONTROL

Recientemente durante la construcción de una importante vialidad elevada en la Ciudad de México, se decidió utilizar en dos de sus apoyos el mismo procedimiento constructivo empleado en la construcción de las pilas de cimentación del resto de los apoyos, siendo que la composición del subsuelo era diferente, el cual estaba conformado por rellenos sin control, con presencia de boleos en una matriz de arenas y gravas sueltas, encontrándose también basura, con espesores irregulares, sin detectarse nivel de aguas freáticas. Lamentablemente dos empresas constructoras con el aval de los consultores y supervisores, incurrieron en el mismo error perdiendo los barretones de las perforadoras, al quedarse anclados en el subsuelo por el derrumbe de las perforaciones, debido a que se pretendió perforar los rellenos descritos con un diámetro de 80 cm sin ningún tipo de ademe, despreciando la inestabilidad del subsuelo así como la calidad de los elementos de cimentación. Paradójicamente esta situación percibida como un fracaso, evitó que los derrumbes sucedieran durante el proceso de la colocación de los materiales dentro de la perforación, lo que probablemente no hubiera permitido el percatarse de que los elementos de cimentación no cumpli-rían con las especificaciones afectando todo el proyecto. Para resolver la cimentación de la vialidad mencionada, se diseñó un procedimiento constructivo que permitiera perforar el subsuelo con diámetros de 120 cm y 150 cm hasta una profundidad de 40 m en forma estable durante todo el proceso de fabricación de las pilas de cimentación (Figura 4).

Figura 4. Construcción de pilas en una vialidad de la Ciudad de México.

El procedimiento constructivo consistió básicamente en introducir en el subsuelo en el trazo correspondiente, un ademe metálico recuperable con el diámetro de la pila especificada, utilizando una osciladora hidráulica, equipo que con un sistema de gatos sujeta el ademe metálico y con movimientos oscilatorios horizontales y presión vertical descendente, hace penetrar la tubería en el subsuelo, la cual está estructurada con dos paredes de placa de acero concéntricas provistas de refuerzo entre ellas para que el ademe metálico soporte los esfuerzos de torsión; la longitud de los tramos del ademe es de 5.00 m, con conexiones especiales en sus extremos para poderse unir a los otros tramos, aclarando que el primer tramo tiene en su extremo inferior una corona dentada. En forma simultánea a la penetración del ademe metálico, se realizó la perforación del subsuelo en su interior para permitir su avance; al encontrar obstáculos, éstos fueron triturados con un trépano con peso de 4 ton y extraídos con una herramienta especial conocida como "hammer-grab" (Figura 5), la cual opera como una almeja de excavación pero con sección circular; las actividades relacionadas a la extracción del subsuelo inestable se llevaron a cabo sin rebasar la parte inferior del ademe para evitar caídos.

Figura 5. Extracción del boleo con hammer-grab. Una vez concluida la perforación hasta la cota de desplante, se procedió a colocar el acero de refuerzo dentro de la perforación (Figura 6) y posteriormente se introdujo la tubería tremie para realizar el vaciado del concreto, mezcla que se elaboró con un revenimiento de 20 cm con aditivo retardante del fraguado inicial de 4 horas, para permitir que fluyera adecuadamente el concreto recordando que éste no se vibra, y que durante el colado pudiera retirarse el ademe metálico, verificando que el nivel superior del concreto siempre estuviera dentro de éste.

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Con el procedimiento constructivo descrito, se garantizó la geometría de las pilas en todo su fuste, se alcanzó la cota de desplante especificada, se redujo el volumen de concreto adicional al teórico debido a la estabilidad lograda en la pared de las perforaciones, cumpliéndose el programa de obra.

Figura 6. Introducción del acero de refuerzo a través de tubería metálica recuperable. Otro proyecto que requirió de un procedimiento constructivo similar al descrito anteriormente, cuyo subsuelo presentaba también una conformación similar (Figura 7), obligó a realizar sondeos en cada uno de los trazos en donde se ubicarían los elementos colados insitu, debido a que la topografía del estrato resistente era muy variable y los rellenos artificiales con presencia de cascajo y basura se habían depositado con el propósito de nivelar la superficie del terreno, por lo que algunos sondeos no eran suficientes para determinar tanto la composición de los rellenos como el espesor de los mismos (Figura 8).

Fig.7 - Conformación del subsuelo con presencia de cascajo,

basura y boleo. Las pilas se fabricaron con diámetros de 100 cm, 120 cm y 150 cm, con longitudes que variaron de 20 m a 60 m, con el propósito de alcanzar el estrato de apoyo. El procedimiento utilizado para realizar el colado de las pilas más profundas fue necesario modificarlo, ya que el sistema convencional provocaba que la presión de la columna de concreto en estado fluido hasta de 120 ton/m2, desplazará al subsuelo haciéndolo fallar en la parte inferior del fuste de la pila, y cuando la falla del subsuelo era súbita por existir una caverna cercana, se percibía que el nivel superior del concreto descendía rápidamente en gran volumen, arrastrando y deformando al acero de refuerzo por la tracción generada entre los dos materiales. Para evitar que el fenómeno anterior se presentara, se decidió realizar el colado en dos etapas con volúmenes iguales de concreto, esperando que en la primera etapa fraguara hasta que perdiera su fluidez, con lo que se disminuyó la presión generada por su altura.

Figura 8. Construcción de pilas en subsuelo heterogéneo inestable, con sondeos previos en cada trazo.

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El no interpretar adecuadamente la conformación y comportamiento del subsuelo, no permite diseñar y aplicar un procedimiento constructivo que resuelva eficientemente una cimentación, como fue el caso de un proyecto que se desarrolló sobre suelos conformados con los materiales descritos anteriormente, cuyas pilas se fabricaron considerando que el subsuelo no requeriría de su contención por suponerse estable. Se concluyó la totalidad de la cimentación profunda así como la construcción del edificio correspondiente a esa cimentación, incluyendo los acabados del mismo. Posteriormente se decidió excavar debajo del edificio para alojar un estacionamiento, aprovechando que la longitud de las pilas de cimentación lo permitían, sin embargo se encontró que en la mayoría de los elementos el concreto no tenía continuidad, y que aunque el volumen depositado coincidía con el esperado, éste se había desviado de la perforación ocupando los espacios generados por los caídos adyacentes que no fueron percibidos durante los colados, quedando expuesto el armado en su totalidad en algunos tramos del fuste de las pilas (Figura 9). Si no se hubiera decidido construir el estacionamiento mencionado, no hubiera sido posible detectar la falta de calidad de los elementos colados in situ, los cuales evidentemente no cumplían con las especificaciones geotécnicas, estructurales y de construcción. Para rescatar la inversión, fue necesario apuntalar el edificio recién construido, así como reforzar su cimentación con elementos adicionales que permitieran la redistribución de los esfuerzos en forma estable. Con esta experiencia se justificó la aplicación del procedimiento constructivo adecuado para la fabricación de las pilas de los siguientes edificios, utilizando los equipos y accesorios descritos en los casos anteriores, obteniéndose resultados satisfactorios.

Figura 9. Discontinuidad de pilas de cimentación por aplicar un procedimiento constructivo equivocado. 4 CONCLUSIÓN. Los procedimientos constructivos de las cimentaciones profundas a base de pilas coladas in situ descritos anteriormente, seguirán siendo la solución para los futuros proyectos que se desarrollen en las áreas que fueron utilizadas como tiraderos de las grandes ciudades, por ubicarse en su momento en zonas externas a las concentraciones urbanas, en donde el valor de los terrenos se ha incrementado por la demanda habitacional y de centros de trabajo, que aunque son rentables para los inversionistas, es importante que en sus análisis financieros incluyan los costos reales que den viabilidad técnica y económica a la construcción de los elementos que transmitirán en forma estable las cargas de la estructura a los estratos resistentes del subsuelo durante la vida útil del proyecto.