Retos geotécnicos en la arcilla de la Ciudad de México" Dr. Gabriel Auvinet Guichard.

Retos Geotécnicos en la Arcilla de la Ciudad de México

Introducción al Webinar

• El webinar es presentado por la Sociedad Mexicana de Ingeniería Geotécnica, marcando el inicio de una serie de conferencias en línea.

• El Dr. Gabriel Ovin Guichard, ingeniero civil y doctor en ingeniería, es el ponente principal del evento.

Trayectoria del Dr. Gabriel Ovin

• Ha tenido una extensa carrera académica desde 1968 y ha sido profesor invitado en varias universidades francesas.

• Es autor de aproximadamente 330 artículos y ha dirigido numerosas tesis a nivel licenciatura, maestría y doctorado.

• Ha recibido varios premios importantes en su campo, incluyendo el premio La Rivière y el premio Javier Barrio Sierra.

Contexto Geológico de la Cuenca de México

• La conferencia se centra en los retos geotécnicos relacionados con las arcillas del Valle de México, un tema relevante para la comunidad geotécnica.

• La Cuenca de México está situada dentro del eje neovolcánico transversal; su contexto geológico es completamente volcánico.

Historia Geológica

• Originalmente un valle abierto que fue cerrado por erupciones volcánicas hace aproximadamente un millón de años.

• La ciudad actual se construyó sobre sedimentos lacustres que fueron rellenados con cenizas volcánicas.

Problemas Históricos con Inundaciones

• A lo largo del tiempo, la ciudad enfrentó inundaciones severas que llevaron a la construcción del Tajo de Nochistongo para controlar los niveles del agua.

• A finales del siglo XIX se construyó un gran canal para drenar aguas hacia el túnel Tequisquiac, lo cual ayudó a secar los lagos.

Propiedades Geotécnicas de las Arcillas

• Las arcillas blandas sobre las cuales se asienta gran parte de la Ciudad son heterogéneas y complejas debido a su composición mineralógica.

• Estas arcillas tienen un alto contenido de agua y están compuestas por microfósiles que influyen en sus propiedades mecánicas.

Características del Suelo en el Valle de México

Estratificación y Composición del Suelo

• A una profundidad de 30 m, se encuentra una segunda formación arcillosa de 5 a 10 m de espesor con menor contenido de agua. Las capas más profundas son consideradas depósitos profundos, menos relevantes para la ingeniería de cimentación.

• La baja resistencia a la penetración en pruebas CPT indica un nivel freático comúnmente entre 1 y 2 metros. Se presentan propiedades mecánicas e índice que reflejan esta situación.

Propiedades Mecánicas del Suelo

• La relación de vacíos en las arcillas del Valle es alta (entre 5 y 10), lo que corresponde a porosidades entre 0.83 y valores superiores. El contenido de agua varía entre 220 y 420, pudiendo alcanzar hasta 800.

• Los límites líquido y plástico oscilan entre valores típicos: límite líquido (110 a 458), límite plástico (37 a 116), e índice plástico (73 a 342). La permeabilidad es baja, mientras que la compresibilidad es alta.

Resistencia y Sensibilidad del Material

• El módulo no drenado es bajo, variando entre 4000 y 7000 kPa; la resistencia también es baja, con intervalos típicos entre 15 y 35 kPa. Esto sugiere que el material tiene características sensibles.

• La sensibilidad típica del material es alrededor de ocho, indicando que su resistencia remoldeada es significativamente menor que en estado inalterado.

Modelos Comportamentales

• Se han propuesto modelos elastoplásticos para describir el comportamiento de las arcillas en el Valle. Estos modelos consideran la anisotropía del material tras estudios post-sismos como el macrosismo de1985.

• Resultados obtenidos por Jesús Alberro muestran ángulos de fricción interna sorprendentes (34 a 41 grados), medidos mediante pruebas triaxiales con presión de poro.

Variaciones Espaciales y Base de Datos Geotécnica

• Se realizaron numerosos ensayos para medir velocidades sísmicas en campo, contribuyendo al entendimiento dinámico del suelo.

• Con aproximadamente 10,000 sondeos incorporados en un sistema geográfico, se ha podido estudiar la variación espacial de las propiedades del suelo en diferentes obras públicas.

• Para interpolar datos entre sondeos se utilizan campos aleatorios matemáticos, considerando propiedades como contenido hídrico y resistencia a la penetración como variables aleatorias correlacionadas dentro del material.

Análisis de la Formación Aiosa y sus Propiedades

Proceso de Sedimentación y Cambios en el Suelo

• La formación ariosa se caracteriza por un proceso de sedimentación que ocurre en el lago, destacando su disposición horizontal en comparación con la vertical.

• Es crucial considerar que las propiedades del suelo cambian con el tiempo debido a la consolidación de la arcilla, influenciada por el bombeo profundo en los acuíferos del Valle.

• Se observan diferencias significativas en las propiedades del suelo entre 1952 y 1986, especialmente en la parte inferior donde más se consolida debido al bombeo.

• Los sondeos realizados anteriormente se vuelven obsoletos para proyectos actuales, ya que no reflejan las condiciones actuales del terreno.

Estimaciones Espaciales y Técnicas Geoestadísticas

• Para estimar variaciones espaciales de propiedades del suelo, se utilizan técnicas inspiradas en la geoestadística, apoyándose en sondeos cercanos para obtener valores esperados.

• Las simulaciones condicionales permiten generar configuraciones compatibles con los sondeos existentes, proporcionando una variedad de valores posibles alrededor de un valor esperado.

• El método geoestadístico permite estimar profundidades de capas duras basándose en datos obtenidos de varios sondeos previos.

Anomalías Geológicas y Efectos Urbanos

• La profundidad de la capa dura aumenta hacia el este y sur, afectada por anomalías geológicas como rellenos urbanos históricos que han causado asentamientos significativos.

• Un ejemplo notable es la anomalía cerca del antiguo Tenochtitlán, donde los rellenos importantes han generado deformaciones que afectan a la capa dura subyacente.

Estudios sobre Anomalías Lacustres

• Se han realizado estudios sobre anomalías dentro de la zona lacustre utilizando bases de datos geográficas e históricas para identificar islotes y diques construidos tras el secado del lago.

• Las zonas lacustres presentan diversas anomalías naturales como abanicos aluviales; sin embargo, muchas son artificiales debido a actividades humanas pasadas.

Modelado Tridimensional y Variaciones Espaciales

• Usando metodología geoestadística, se han definido contornos de igual espesor para los rellenos superficiales mediante un modelo tridimensional que muestra variaciones espaciales significativas.

• Con estadísticas avanzadas es posible crear sondeos virtuales donde no hay información directa, permitiendo cortes transversales que ilustran variaciones específicas como contenido hídrico.

Modelos Geotécnicos y su Aplicación en Proyectos de Ingeniería

Importancia de los Modelos Geotécnicos

• Los modelos geotécnicos son útiles para proyectos de gran envergadura, como drenajes y aeropuertos. Se han realizado estudios en la zona del lago de Texcoco que permiten crear cartografía del espesor de las capas.

• En el caso del nuevo aeropuerto internacional de la Ciudad de México, se han llevado a cabo más de 350 sondeos, lo que facilita la creación de modelos estratigráficos precisos.

Zonificación Geotécnica

• La zonificación geotécnica se basa en tres zonas principales: Lomas, transición y costra. Esta clasificación es fundamental para el diseño y construcción de cimentaciones.

• A medida que se recopila más información, es posible afinar la zonificación con subzonas dentro de cada categoría, aunque por razones reglamentarias se ha optado por mantener una estructura sencilla.

Relación entre Zonificación Sísmica y Geotécnica

• La zonificación sísmica está alineada con la zonificación geotécnica y pruebas geofísicas. Sin embargo, en la zona costra se han creado subdivisiones debido a características diferentes en los depósitos profundos.

• La geoestadística permite definir contornos sobre la profundidad alcanzada por los depósitos profundos, lo cual es relevante para las normas técnicas relacionadas con el diseño sismo-resistente.

Subsidencia en la Ciudad

• El hundimiento de la ciudad ha sido atribuido inicialmente al peso de las construcciones; sin embargo, investigaciones indican que el bombeo excesivo en acuíferos profundos es el principal causante.

• Este bombeo provoca un abatimiento del perfil piezométrico que aumenta los esfuerzos efectivos dentro del suelo, resultando en subsidencia observable en superficie.

Monitoreo y Efectos del Bombeo

• Aunque el peso de las construcciones tiene un efecto secundario sobre el hundimiento, no puede considerarse como causa principal. El monitoreo desde finales del siglo XIX muestra asentamientos significativos en estructuras emblemáticas.

• Las velocidades variables del hundimiento dependen directamente de las políticas de bombeo implementadas a lo largo del tiempo. Ejemplos incluyen asentamientos superiores a 10 metros acumulados durante 110 años.

Evidencias Históricas y Futuras Implicaciones

• Se observa una clara evidencia histórica del hundimiento mediante comparaciones fotográficas entre 1950 y 2007. Esto resalta cómo ciertas estructuras han emergido debido al fenómeno subsiguiente al bombeo excesivo.

• Durante el siglo XIX, tras dejarse sin rendimiento adecuado los pozos artesianos, se instalaron nuevos pozos con bombas superiores que también contribuyeron al problema actual.

Monitoreo del Hundimiento en la Ciudad de México

Sistemas de Monitoreo y Datos Históricos

• Las lumbreras se instalan generalmente sobre la capa dura, lo que permite que se apoyen en materiales resistentes mientras el resto de la ciudad experimenta hundimientos.

• Se ha desarrollado un sistema llamado "Simo" para monitorear los hundimientos, utilizando datos de instituciones como Conagua y el Sistema de Aguas de la Ciudad de México.

• Desde 1862, algunos puntos han mostrado hundimientos significativos, alcanzando hasta 14.5 metros cerca del Cerro del Marqués y el lago de Chalco.

Velocidades y Métodos de Medición

• El mapa muestra velocidades de hundimiento que pueden llegar a 40 cm al año en ciertas áreas; otras zonas presentan velocidades mucho menores.

• Se utilizan redes de bancos de nivel para medir el hundimiento, aunque se están explorando métodos indirectos como la interferometría satelital.

Limitaciones y Efectos Sísmicos

• La interferometría es prometedora pero tiene limitaciones en áreas con grandes cuerpos de agua, como el lago de Texcoco.

• Las arcillas del Valle presentan efectos significativos durante eventos sísmicos; las respuestas varían entre terrenos firmes y blandos.

Amplificación Sísmica y Cambios Futuro

• La amplificación del suelo durante sismos ha sido documentada desde antes del sismo de 1985, mostrando diferencias dramáticas en respuesta según las condiciones del terreno.

• Los modelos actuales permiten reproducir efectos sísmicos basados en la rigidez y espesor del suelo, lo cual es crucial para diseños sísmicos futuros.

Fracturamiento e Interacción con el Suelo

• La subsidencia afecta cómo evoluciona la respuesta sísmica; se anticipa que las normas para diseño sísmico deberán adaptarse a estos cambios.

• Existen grietas atribuibles al fracturamiento hidráulico que aparecen al inicio de las lluvias; estas son diferentes a aquellas causadas por anomalías estratigráficas.

• Las grietas pueden ser destructivas para construcciones si no se manejan adecuadamente; su formación está relacionada con tensiones generadas por el hundimiento.

Problemas de Erosión y Drenaje en la Ciudad de México

Seguimiento de Grietas

• Se han identificado grietas que pueden erosionarse, generando problemas mayores. El Instituto de Ingeniería ha desarrollado un sistema para seguir su evolución.

• Existen levantamientos sistemáticos en zonas como Iztapalapa y Texcoco, permitiendo crear mapas precisos sobre la ubicación y apertura de las grietas.

• Los sistemas se actualizan constantemente con nueva información sobre el fracturamiento en el Valle de México y Toluca.

Problemas del Drenaje

• La Ciudad de México enfrenta serios problemas de drenaje, exacerbados por obras históricas como el Gran Canal y el túnel emisor Oriente.

• La subsidencia regional ha afectado la pendiente del Gran Canal, requiriendo estaciones de bombeo para canalizar agua hacia los túneles.

Construcción del Sistema de Drenaje

• El sistema profundo fue diseñado para mejorar la eficiencia del drenaje ante nuevas necesidades urbanas entre 1967 y 1975.

• Se desarrolló una red avanzada utilizando maquinaria moderna, destacando el emisor central construido en 1975.

Riesgo de Inundaciones

• A pesar del sistema implementado, el riesgo de inundación sigue siendo significativo; un aumento en los niveles podría causar inundaciones severas en áreas críticas.

• Se considera necesario complementar el drenaje profundo con nuevos túneles emisores para manejar mejor las aguas pluviales.

Desafíos Estructurales

• El Túnel Emisor Oriente está actualmente en construcción; es uno de los más largos del mundo con un diámetro considerable.

• Las lumbreras son esenciales para acceder a los túneles y realizar mantenimiento; algunas alcanzan profundidades cercanas a 200 m.

Asentamientos Históricos

• Las construcciones pesadas han causado asentamientos significativos desde tiempos aztecas hasta la Nueva España, evidenciados por estructuras como el Templo Mayor.

• Ejemplos notables incluyen la iglesia Santísima Trinidad, que sufrió hundimientos considerables debido a su peso.

Problemas Modernos con Cimentaciones

• La Catedral Metropolitana también presenta desafíos estructurales por asentamientos no uniformes debido a su cimentación sobre construcciones prehispánicas.

• Se realizaron operaciones geométricas complejas para corregir estos asentamientos, destacando la labor del ingeniero Enrique Santoyo.

Problemas de Cimentación en el Valle de México

Formación Arcosa Superior y Soluciones Intermedias

• La formación arcosa superior presenta efectos de fricción negativa, lo que puede causar pérdida de contacto entre la losa y el suelo. Esto ha llevado a la popularidad de soluciones intermedias como la compensación y los pilotes de fricción, que permiten seguir el hundimiento de la ciudad si se diseñan adecuadamente.

Ejemplo Famoso: Columna a la Independencia

• Un caso notable es el de la columna a la independencia, construida sobre una losa que luego se asentó sobre pilotes de madera. Este diseño resultó en una versión aparente de cimentación debido a problemas iniciales con su comportamiento.

Algoritmos para Calcular Hundimientos

• Existen algoritmos conocidos para calcular hundimientos e inmersiones en cimentaciones, como un modelo desarrollado por el Dr. Resis en 1973, que considera fricción negativa y positiva, así como esfuerzos equivalentes distribuidos a diferentes niveles.

Herramientas Modernas para Modelado

• Actualmente se dispone de herramientas más sofisticadas como el método del elemento finito en tres dimensiones, permitiendo modelar cimentaciones piloto por piloto y considerando fenómenos regionales como el hundimiento. Esto mejora significativamente las predicciones sobre comportamientos estructurales.

Nuevas Soluciones: Inclusiones Circulares

• Se han implementado nuevas soluciones como inclusiones circulares (pilotes sin refuerzo) que transmiten esfuerzos a través de una losa hacia capas superficiales del suelo, reduciendo asentamientos hasta valores aceptables; sin embargo, son aplicables solo a construcciones bajas debido al riesgo sísmico asociado.

Problemas Asociados al Transporte Público

• La problemática relacionada con las arcillas del Valle afecta sistemas de transporte como la línea A del metro, donde hay grandes diferencias en asentamientos entre zonas lacustres y materiales firmes, generando deformaciones peligrosas en estructuras y rieles. Esto requiere mantenimiento frecuente para garantizar seguridad operativa.

Análisis Geoestadístico del Subsuelo

• Se han realizado estudios geoestadísticos para obtener perfiles del contenido hídrico y otras características del subsuelo a lo largo de toda la red del metro; esto es crucial para entender mejor las condiciones geológicas y planificar adecuadamente futuras construcciones o mantenimientos necesarios.