28 marzo, 2024 11:48 pm

Evaluación del mecanismo de agrietamiento del suelo en el sur-oriente de la Ciudad de México

Gabriel Auvinet Guichard

Moisés Juárez Camarena

Édgar Méndez Sánchez

Francisco Hernández Vizcarra

Sergio Antonio Martínez Galván

Marcos Edgardo Delgado Muñiz

Marco Antonio Pérez Ángeles

Instituto de Ingeniería, UNAM.

El agrietamiento del suelo constituye un importante factor de riesgo que debe ser evaluado para definir las medidas protectoras y de coexistencia requeridas para evitar, o por lo menos disminuir, el daño que puedan ocasionar las grietas a las vialidades, edificaciones y servicios públicos existentes, y para poder tomar en cuenta su presencia real o potencial en el diseño de nuevas construcciones.

1. INTRODUCCIÓN

El fenómeno del agrietamiento del suelo se puede manifestar a consecuencia de cualquier condición que genere esfuerzos de tensión o cortante importantes en el suelo (Auvinet, 2010; Auvinet et al., 2013 y 2015). Sin embargo, en el Valle de México las grietas más importantes y destructivas son una consecuencia directa del hundimiento regional que se presenta por efecto del bombeo de agua de estratos profundos. Este tipo de grietas ha sido ampliamente estudiado en los últimos decenios (Auvinet et al., 2017).

Se ha observado, por otra parte, que los sismos pueden alterar la geometría de las grietas existentes y generar discontinuidades adicionales. El agrietamiento del suelo que se observa en la periferia de la Sierra de Santa Catarina llamó considerablemente la atención de los medios de comunicación al ocurrir el sismo del 19 de septiembre de 2017. Se tuvo que aclarar que las grietas existían en su gran mayoría previamente al sismo, y que sólo habían sufrido cambios geométricos (apertura, aumento del escarpe), a veces significativos (véase figura 1), durante este evento.

Para entender la generación y propagación de grietas en el suelo, se consideró necesario conocer con detalle las características estratigráficas y propiedades del subsuelo. Para ello, se realizó una campaña de exploración e instrumentación geotécnica de detalle en varios sitios donde se ubican grietas consideradas como representativas de diferentes de zonas de transición abrupta entre suelos blandos y firmes en la zona sureste de la Ciudad de México (Auvinet et al., 2019).

2. ÁREA DE ESTUDIO

El área de estudio corresponde a la zona sureste de la Ciudad de México y particularmente a varios sitios de las alcaldías Tláhuac (colonia Del Mar) e Iztapalapa (Deportivo Cananea, colonia La Planta y colonia El Molino Tezonco) (véase figura 2).

3. TRABAJOS DE EXPLORACIÓN GEOTÉCNICA PROFUNDA

Las características geotécnicas de la zona de interés se conocen con cierto detalle por los numerosos sondeos geotécnicos realizados para diferentes obras en la zona, entre las cuales destacan las líneas 12 y A del Sistema de Transporte Colectivo Metro. Esta información ha sido plasmada en diferentes trabajos de tesis (Flores Tapia, 2000; Aguilar Ortega, 2001; Morales de la Cruz, 2001; Barranco Eyssautier, 2016) y resumida en Auvinet et al. (2017).

Con el propósito de avanzar en el entendimiento del fenómeno de agrietamiento a gran escala, así como para obtener datos útiles para modelaciones numéricas enfocadas en evaluar su evolución a mediano y largo plazo, se realizó una campaña de exploración e instrumentación geotécnica profunda de detalle en cuatro sitios donde se detectó la presencia de grietas consideradas como representativas en la zona de estudio.

Como parte del programa de exploración profunda, se propuso realizar sondeos mixtos (SM) con recuperación de muestras alteradas e inalteradas para definir la estratigrafía local y sondeos de piezocono (CPTu) con pruebas de disipación de presión de poro para determinar el perfil piezométrico. Se sugirió que los sondeos exploratorios alcanzaran los materiales conocidos como Depósitos Profundos. Asimismo, se indicaron las pruebas de laboratorio a realizar para clasificar los materiales de los estratos del subsuelo y determinar los correspondientes parámetros de resistencia y de compresibilidad. En el sitio de la colonia Del Mar se instaló un banco de nivel profundo (BNP) desplantado en los Depósitos Profundos; adicionalmente, en el mismo sitio, el II-UNAM realizó una prueba de sonda suspendida (SVs).

La exploración y la instrumentación geotécnica fueron realizadas por cuatro empresas diferentes; los trabajos fueron asignados por la Comisión para la Reconstrucción como se indica en la tabla 1. En la figura 3 se muestra la ubicación en planta de los sondeos y de la instrumentación respecto a las grietas.

4. INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS DE LA CAMPAÑA DE EXPLORACIÓN GEOTÉCNICA

Una vez concluidos los trabajos de campo y laboratorio, las empresas ejecutoras entregaron sendos informes. A partir de los resultados de la campaña de exploración geotécnica profunda, el II-UNAM realizó la interpretación que a continuación se presenta.

4.1. Colonia Del Mar

En la colonia Del Mar, la empresa ejecutora realizó tres sondeos mixtos (SM-01, SM-02 y SM-03), combinando las técnicas de penetración de cono (CPT) y penetración estándar (SPT); las profundidades máximas de exploración de cada sondeo son de 75.0, 76.3 y 51.3 m, respectivamente (TGC-Geotecnia, 2019). La misma empresa instaló un banco de nivel profundo (BNP-1) a 100 m de profundidad, ubicado al interior de las instalaciones del Instituto de Educación Media Superior (IEMS Tláhuac) “José María Morelos y Pavón”. Además, realizó una perforación para permitir que el Instituto de Ingeniería realizara un ensaye de sonda suspendida (SVs-1) a un costado del sondeo SM-02.

Para instalar el BNP-1, la empresa ejecutora realizó la perforación mediante avance controlado (SAC-1), midiendo los tiempos necesarios para penetrar el suelo cada 10 cm. La ubicación de sondeos e instrumentación se muestra en la figura 4.

Los resultados de la exploración geotécnica indican que existe un desnivel de los Depósitos Profundos correspondiente a un diferencial de 25 m de espesor de arcilla entre el banco de nivel profundo y el sondeo SM-01. El espesor de arcilla es mayor hacia el suroeste. El espesor de arcilla entre los sondeos SM-01 y SM-02 es aproximadamente constante, mientras que entre los sondeos SM-02 y SM-03 el espesor de arcilla presenta un diferencial de 32 m. En la figura 5 se presenta la sección estratigráfica en el sitio de la colonia Del Mar.

Para definir las condiciones hidráulicas prevalecientes en el sitio, en los tramos donde se empleó la técnica CPTu se realizaron algunas pruebas de disipación de la presión de poro en estratos permeables y arcillosos a diferentes profundidades. Los resultados de estas pruebas indican que en el sitio del sondeo SM-01 la presión de poro permanece en condición hidrostática hasta los 52 m de profundidad, es decir, solamente se detectó abatimiento de presión de poro por debajo de esta profundidad. En el sondeo SM-03, la condición de presión hidrostática se detectó hasta los 20 m de profundidad, siendo la presión de poro prácticamente nula a los 40 m de profundidad. En la figura 6 se muestran los resultados de las pruebas de disipación de presión de poro sobrepuestos a los perfiles de resistencia de punta de cono eléctrico (qc) de los sondeos SM-01 a SM-03.

Durante la exploración, la obtención de muestras con la técnica SPT no fue continua, por lo que el perfil de contenido de agua tampoco es continuo a lo largo de la profundidad.

4.2. Deportivo Cananea

La empresa ejecutora realizó tres sondeos mixtos con recuperación de muestras alteradas e inalteradas (sondeos SM-04, SM-05 y SM-06), con profundidad máxima explorada de 74.8, 83.0 y 83.0 m, respectivamente, así como tres sondeos de cono eléctrico con medición de presión de poro CPTu-04, CPTu-05 y CPTu-06 con profundidad máxima explorada de 57.78, 63.0 y 39.28 m, respectivamente. Adicionalmente, la empresa ejecutora instaló dos tubos de observación TO-04 y TO-05 a un costado de los sondeos SM para monitorear el nivel de aguas freáticas (NAF) durante el periodo de ejecución de los trabajos de exploración (InGeum, 2019).

En la figura 7 se indica la ubicación de los sondeos. Como se observa, se realizaron dentro y fuera de la zona de grietas. La separación entre las dos grietas principales es de aproximadamente 23 m; la parte central presenta un hundimiento (graben) del orden de 0.70 m. En la figura 8 se presenta una vista panorámica del sitio.

En la figura 9 se presenta una sección geotécnica de los estratos superficiales. Como se observa, primero se encuentran materiales de relleno predominantemente de tipo limoarenoso con espesor de hasta 0.60 m, y bajo este relleno se halla una capa de arcilla arenosa y arena arcillosa que en conjunto con el relleno forman una capa rígida o costra superficial (CS), la cual actualmente presenta grietas que forman dos escalones encontrados de aproximadamente 0.70 m de alto.

En la figura 10 se presenta una sección estratigráfica hasta la profundidad alcanzada por los sondeos; se observa que el espesor de arcilla, con intercalaciones de lentes de arena, es menor en el sondeo SM-04 que en los sondeos SM-05 y SM-06. Fue posible definir de manera aproximada la configuración de los Depósitos Profundos y del basalto. Entre los sondeos SM-04 y SM-05 se observa una diferencia de profundidad de los materiales resistentes del orden de 8.0 m.

En el sitio, se realizaron 10 pruebas de disipación de presión de poro en estratos permeables y arcillosos a diferentes profundidades. En la figura 11 se presenta la interpretación de los datos de las pruebas de disipación de presión de poro y el perfil de abatimiento piezométrico.

4.3. Colonia La Planta

La empresa ejecutora realizó dos sondeos mixtos (SM-07 y SM-08) con recuperación de muestras alteradas e inalteradas, con profundidad máxima explorada de 61.5 y 55.9 m, respectivamente, y dos sondeos de cono eléctrico con medición de la presión de poro (CPTu-07 y CPTu-08), con profundidad máxima explorada de 48.4 y 44.1 m, respectivamente. Además, la empresa ejecutora instaló dos tubos de observación (TO-07 y TO-08) a un costado de los sondeos SM para monitorear el nivel de aguas freáticas (NAF) durante el periodo de ejecución de los trabajos de exploración. Los sondeos se ubican en la calle El Molino, con una separación aproximada de 33 m, a ambos lados de una grieta que presenta un escalón del orden de 1.0 m (IEC, 2019). En la figura 12 se indica la ubicación de los sondeos y en la figura 13 se presenta una vista de la grieta con escalón.

En la figura 14 se presenta una sección estratigráfica construida a partir de los resultados de la exploración geotécnica. Se observa que el espesor de arcilla lacustre, con intercalaciones de lentes de arena, es de 48 m en el SM-07 y de 40 m en el SM-08. Con base en los sondeos, fue posible definir de manera aproximada la configuración de los Depósitos Profundos y del basalto encontrados a una profundidad de 56.5 m en el SM-07 y de 48.7 m en el SM-08. Entre los sondeos SM-07 y SM-08 existe un escalón en los materiales resistentes del orden de 8 m. La exploración geotécnica indica que, superficialmente, se encuentran materiales de relleno de tipo arenolimoso con espesor de hasta 2.5 m, y bajo este relleno se halla una capa de arena fina de color negro de 1.0 a 2.0 m de espesor.

La empresa ejecutora llevó a cabo 14 pruebas de disipación de presión de poro en los sondeos CPTu, en estratos permeables y arcillosos a diferentes profundidades. En la figura 15 se presenta la interpretación de los datos de las pruebas de disipación de presión de poro y el correspondiente perfil de abatimiento piezométrico. Los perfiles de presión de poro muestran ciertas diferencias que pueden atribuirse a posibles errores de calibración del equipo utilizado.

4.4. Colonia El Molino Tezonco

La empresa ejecutora realizó tres sondeos mixtos con recuperación de muestras alteradas e inalteradas (sondeos SM-09, SM-10 y SM-11) con profundidad máxima explorada de 68.3, 66.0 y 100.2 m, respectivamente, y dos sondeos de cono eléctrico con medición de presión de poro CPTu-09 y CPTu-10, con profundidad máxima explorada de 58.14 y 55.86 m, respectivamente. Los sondeos se ubicaron sobre la calle Alcanfor, dentro y fuera de la zona de grietas, a lo largo de un eje de aproximadamente 55 m de longitud (GEOVISA, 2019). En este sitio, la grieta más crítica presenta un escalón del orden de 0.60 m. En la figura 16 se indica la ubicación de los sondeos.

En la figura 17 se presenta una sección estratigráfica construida a partir de los resultados de la exploración geotécnica; se observa que, superficialmente, se encuentran materiales de relleno predominantemente de tipo arenolimoso de espesor variable (de hasta 2.5 m); bajo este relleno se halla una capa de arena fina de color negro de espesor variable de 1.0 a 2.0 m.

Bajo la capa de arena se encuentra una capa de arcilla, con intercalaciones de lentes de arena, con un espesor aproximado de 56.0 m (sondeos SM-09 y SM-10) y de 90 m (sondeo SM-11). Con base en los sondeos, fue posible definir de manera aproximada la configuración de los Depósitos Profundos y del basalto encontrados a una profundidad aproximada de 63.0 m en los sondeos SM-09 y SM-10, y de 95.0 m en el sondeo SM-11. El basalto se encontró únicamente en el sondeo SM-09 a una profundidad de 65.0 m. Se observa que entre los sondeos SM-09 y SM-11 se forma un escalón en los materiales resistentes del orden de 35 m.

La empresa ejecutora realizó cinco pruebas de disipación de presión de poro en los sondeos CPTu, en estratos permeables y arcillosos a diferentes profundidades. En la figura 18 se presenta la interpretación de los resultados de las pruebas de disipación de presión de poro y el perfil de abatimiento piezométrico en el sitio.

4.5. Interpretación geoestadística

Para contribuir a la interpretación de los datos de la exploración geotécnica, se realizó un análisis de la distribución espacial del contenido de agua. Como resultado, para cada sitio se construyó una sección transversal del contenido de agua estimado, presentadas en las figuras 19 a 22.

5. ENSAYE DE SONDA SUSPENDIDA EN LA COLONIA DEL MAR, TLÁHUAC, CDMX

Con el propósito de complementar la exploración geotécnica profunda, el II-UNAM realizó un ensaye dinámico de tipo “sonda suspendida (Sds) en la colonia del Mar, Tláhuac, para medir la velocidad de propagación de ondas de cortante (Vs) en el subsuelo (Flores Castrellón y Flores Guzmán, 2019). El ensaye se realizó hasta una profundidad de 81.0 m.

En la figura 23 se presenta el perfil de Vs. De acuerdo con los resultados experimentales obtenidos en campo, se pueden apreciar las siguientes variaciones de la velocidad:

De 2.5 a 4.0 m, velocidades variables de 40 a 88 m/s

De 4 a 35 m, incremento de velocidad con la profundidad, de 40 a 75 m/s

De 35 a 40.5 m, incremento gradual, de 75 a 194 m/s

De 40.5 a 45 m, decremento de 194 m/s a 101 m/s

De 45 a 57 m, valores medios de velocidad de 103 m/s, con saltos de 76 a 187 m/s

De 57 a 81 m, valores medios de velocidad de 100 m/s, con dos picos, a 60 m con una velocidad de 161 m/s y a 75.5 m con una velocidad de 181 m/s

6. MECANISMO DE AGRIETAMIENTO

Los resultados de la exploración geotécnica profunda presentados permitieron confirmar que la causa principal del agrietamiento del suelo en la zona de estudio es el cambio del espesor de arcilla en proceso de consolidación en la zona de transición donde se han detectado las grietas.

El proceso de consolidación del estrato de suelo arcilloso lacustre en estas condiciones geométricas conduce a asentamientos diferenciales pronunciados, a la generación de tensiones y esfuerzos cortantes en el suelo y a su agrietamiento. Este mecanismo puede ser reproducido mediante análisis de elemento finito (figura 24) y corresponde al definido como de Tipo II por Auvinet et al. (2017, p. 108) (véase figura 25).

Considerando la condición de la figura 5 (colonia Del Mar) como representativa de las existentes en la zona, por la presencia de un escalón abrupto correspondiente al frente vertical de una colada de basalto sepultada, se realizó un análisis del comportamiento del suelo en este sitio específico. En la tabla 2 se presenta el modelo geotécnico definido a partir de los resultados de la exploración geotécnica. La figura 25 muestra que el modelo matemático de elemento finito tiene una extensión horizontal de 400 m y una profundidad de 80 m, y que también incluye, en profundidad, el frente de la colada de basalto. El modelo está constituido por 12,295 elementos triangulares de 15 nodos y 12 puntos de integración cada elemento, y 99,187 puntos nodales totales.

La deformada calculada (figura 26a) para el abatimiento piezométrico profundo, definido a partir de la condición hidrostática y hasta los perfiles abatidos a la condición actual (2019), muestra mayor asentamiento hacia el sur-poniente de la calle Piraña, como es de esperarse por el relativo mayor espesor de la formación de arcilla. Los contornos de desplazamiento vertical (hundimiento) y de desplazamiento lateral calculados (figura 26b y c) permiten visualizar el movimiento de la formación de arcilla que genera la consolidación regional en el sitio de estudio. La misma arcilla somera vierte hacia la zona con espesor. En superficie, el hundimiento diferencial es 2.5 m, con pendiente similar al perfil de elevación superficial del terreno (figura 26a) y el desplazamiento lateral máximo es de 0.66 m hacia el sur-poniente (figura 26d).

La magnitud de los desplazamientos diferenciales verticales y horizontales así calculados y asociados a la presencia de un frente de colada de basalto sepultado dentro de los materiales arcillosos en proceso de consolidación explica que la colonia Del Mar haya sido sujeta a agrietamientos particularmente notables y destructivos.

El grupo de Geoinformática del Instituto de Ingeniería de la UNAM ha realizado modelaciones adicionales de la generación y propagación del agrietamiento para este sitio recurriendo a la mecánica de fracturas (Pineda y Auvinet, 2021). Por otra parte, se ha analizado el comportamiento sísmico del suelo agrietado para las condiciones prevalecientes en este mismo sitio (Martínez et al., 2021), y se observa amplificación local de las aceleraciones sísmicas y desplazamientos permanentes del suelo como los registrados en 2017.

7. PRINCIPALES MECANISMOS DE GENERACIÓN DE GRIETAS

En el Valle de México se han podido distinguir los siguientes mecanismos principales de fracturamiento del suelo:

Tipo I: Agrietamiento por fracturamiento hidráulico en zonas de encharcamientos

Al iniciarse la época de lluvias, se generan encharcamientos de agua en áreas considerables que producen presiones internas en la punta de grietas por secado preexistentes, lo que facilita su propagación (Auvinet, 2008). Las grietas así formadas se encuentran sometidas a un intenso proceso de erosión.

Este tipo de agrietamiento se presenta con particular intensidad en la planicie seca del antiguo Lago de Texcoco (Auvinet et al., 2017).

En el mapa de la figura 27 se muestran las zonas (en color naranja) que han experimentado agrietamiento por fracturamiento hidráulico por encharcamientos (Auvinet et al., 2017).

Tipo II: Agrietamiento asociado a la consolidación regional en zonas de transición abrupta

Este mecanismo de agrietamiento es el responsable de generar y propagar las grietas más importantes y destructivas; es una consecuencia directa de la consolidación regional que se presenta en el Valle de México por efecto del bombeo de agua en estratos profundos. Las grietas Tipo II se manifiestan cuando los depósitos de suelos blandos son sometidos al proceso de consolidación regional, también llamado subsidencia. Se presentan en las zonas de transición abrupta entre los contactos de materiales de suelos firmes a suelos blandos y se caracterizan por presentar un escalón hacia la zona de mayor asentamiento. Generalmente son paralelas a las curvas de nivel que se ubican al pie de las laderas rodeando las sierras, cerros, afloramientos de rocas o cuerpos de materiales rígidos (Auvinet et al., 2017).

El fenómeno de agrietamiento asociado a la consolidación regional en zonas de transición abrupta toma una importancia particular al pie de las laderas que circundan la Sierra de Santa Catarina y la Sierra Peñón Viejo-Cerro del Marqués; al pie de la ladera oriente del Cerro Guerrero, al pie de las laderas que circundan al Cerro del Peñón de los Baños; al pie de la ladera sur del Cerro de Chimalhuacán; al pie de la laderas de los cerros del Volcán Xico y al pie de la ladera norte de la Sierra del Chichinautzin. En el mapa de la figura 27 se muestra las zonas (en color rojo) más susceptibles a este tipo de agrietamiento.

Además de presentarse por alguno de los dos mecanismos principales anteriores, las grietas pueden aparecer por efecto de otros factores, y en particular por evapotranspiración. Algunas grietas que se han observado en zonas donde el nivel freático se encuentra abatido se atribuyen al incipiente secado de las arcillas facilitado por la presencia de árboles (Auvinet et al., 2017). Este proceso podría resultar crítico a largo plazo, por lo menos localmente, debido a que el contenido de agua de las arcillas podría, teóricamente, seguir disminuyendo de manera paulatina, después del abatimiento piezométrico total, hacia el límite de contracción, con reducciones de volumen drásticas.

9. CONCLUSIONES

Los resultados de la exploración geotécnica profunda realizada en varios sitios de las alcaldías de Tláhuac e Iztapalapa en el sur de la Ciudad de México permitieron establecer que la generación de grietas en el suelo de la zona de interés debe atribuirse a los asentamientos diferenciales que presenta la formación arcillosa lacustre en proceso de consolidación, ante cambios bruscos de espesor asociados a variaciones abruptas de la configuración de los materiales firmes subyacentes

Agradecimientos

Los autores agradecen a la Comisión para la Reconstrucción del Gobierno de la Ciudad de México su invitación a coordinar el programa de exploración y a disponer de la información obtenida para su publicación; al Instituto para la Seguridad de las Construcciones de la Ciudad de México, su patrocinio para la interpretación de los resultados de la exploración, y a las empresas ejecutoras de los trabajos de campo y laboratorio su empeñosa labor.

Referencias

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