PROPUESTA DE INVESTIGACIÓN GEOTÉCNICA PARA EL METRO DE LIMA Y DATOS PRELIMINARES

INTRODUCCIÓN

El Conglomerado de Lima es por mucho, el tipo de suelo predominante en los valles por donde discurriría la mayor parte de la futura red del metro de Lima (Fig.1). Las propiedades mecánicas del conglomerado no han sido correctamente estudiadas, en parte por desconocimiento, y en parte, porque es oneroso la ejecución de los ensayos de campo y laboratorio que son necesarios para caracterizar estas propiedades.

Hay varios procedimientos estándar de ensayos de campo y laboratorio para determinar las propiedades mecánicas de los suelos que se pueden clasificar dentro del SUCS (Sistema Unificado de Clasificación de Suelos); pero ocurre que el material geotécnico predominante y más relevante para efectos del diseño de las estructuras subterráneas del Metro de Lima, contiene grava de gran tamaño en la que no son apropiados esos procedimientos estándar, pues este conglomerado puede contener más de 50% de partículas mayor a 3”. Se recuerda que se define como grava a la partícula entre 4.75mm a 75mm (3”), como canto rodado a la partícula entre 75mm a 256mm, y por tanto, podríamos definir como bolón, a la partícula mayor a 256mm. La fracción correspondiente a la grava, en el Conglomerado de Lima, es predominantemente grava pobremente graduada (GP) según el SUCS (ver Fig.2).

INVESTIGACIÓN GEOTÉCNICA EN EL CONGLOMERADO REALIZADA EN EL PASADO Y LAS CONSECUENCIAS DE SUS RESULTADOS DISPERSOS PARA LAS PROPIEDADES MECÁNICAS Y LOS DISEÑOS CORRESPONDIENTES

En diversos estudios realizados en el pasado, se ha intentado determinar las propiedades mecánicas del conglomerado y de la grava, de diferentes formas, pero sin éxito, debido a las siguientes razones:

1. Ensayos SPT (Fig.3-a)

Hay correlaciones para gravas, en la literatura geotécnica, del ángulo de fricción, con los valores normalizados (por presión de confinamiento) del ensayo SPT; sin embargo, el diámetro del hueco inferior del muestreador SPT, es de 35mm; por ello es por lo que la Norma E-030 de Suelos y Cimentaciones no recomienda su aplicación para gravas; y mucho menos sería recomendable para el Conglomerado de Lima. De hecho, la gran mayoría de los ensayos SPT dieron rechazo, en el conglomerado de Lima (Estudios de la L2 del Metro). Por ello es por lo que, a lo más, se podría recomendar para determinar la consistencia de la matriz, en base a los resultados parciales de los ensayos SPT; sin embargo, no se recomienda para determinar la resistencia al corte, y menos, para la determinación de los Módulos de Deformación del conglomerado.

2. Ensayos del Presiómetro (Fig.3-b)

Los propios fabricantes de presiómetros consideran que la aplicación en gravas es restringida; así es que, con mayor razón estaría restringida para el conglomerado. De hecho, en el estudio de la L2 del Metro, se obtuvo resultados muy dispersos del Módulo de Elasticidad (en función de la profundidad) en los ensayos presiométricos, para el Conglomerado de Lima; y algo menos dispersos, para el Conglomerado de Callao. Como hubo algunos puntos a lo largo de la L2 del Metro, en el Conglomerado de Callao, en que coincidieron los Ensayos MASW-1D y los ensayos presiométricos dentro de los sondeos, entonces se pudo obtener para las gravas (GW, GP, GM) una correlación algo dispersa, del Módulo de Elasticidad dinámico (Ed) obtenido indirectamente de los ensayos MASW-1D, con el Módulo de Elasticidad medio E₅₀ obtenido con los ensayos presiométricos, obteniéndose valores de Ed/E₅₀, entre 3 a 10.

3. Ensayos de Corte Directo In-Situ en caja grande (Fig.3-c)

Los resultados de los ensayos de Corte directo In-Situ en caja grande (70cm x 70cm) en el Conglomerado de Lima, que se vienen realizando desde hace 4 décadas, han dado resultados de resistencia al corte (en términos de cohesión y ángulo de fricción) muy dispersos (C = 0.15 a 0.9 kg/cm², y φ=34° a 51°). Una razón importante para que esto haya ocurrido, es que para obtener resultados representativos, es necesario que el diámetro máximo equivalente de la partícula sobre el tamaño de la probeta (D_max/Dp) sea del orden de 1/6 o menos, para suelos bien graduados, y del orden de 1/20 o menos, para suelos pobremente graduados (Vallerga, Seed, Monismith, and Cooper, R. S., 1957, “Effect of Shape Size and Surface Roughness of Aggregate Particles on the Strength of Granular Materials”, Special Technical Publication No. 212, ASTM). Pues ocurre que, en el Conglomerado de Lima, la grava se clasifica con las justas como GP, por lo que, de manera algo arbitraria, se podría decir que se requiere que (D_max/Dp) < 1/10; por lo tanto, de acuerdo con los análisis granulométricos, se hubiera requerido que las cajas para los ensayos de Corte directo In-Situ, sea de al menos 200cm para el Conglomerado (Fig.2), y no, de 70cm. Otra razón de la dispersión de los resultados, es porque realmente son diferentes para las diferentes zonas de la ciudad, pero no se ha estudiado su sectorización, ni su dependencia de otras variables índice. Es posible que como consecuencia de esta dispersión e incertidumbre sobre las reales propiedades mecánicas del Conglomerado, los Consorcios Consultores de los Estudios a nivel de preinversión de las Líneas 3 y 4, llegaron a conclusiones diferentes, recomendando para el caso de los túneles, la construcción con tuneladora (TBM) para la L3, y la construcción tipo mina (NATM) para la L4; y para el caso de las Estaciones, la construcción tipo trinchera con muros-pantalla para la L3, y la construcción tipo Caverna, para la L4; todo ello, a pesar de ser el mismo Conglomerado del valle de Lima.

A continuación se demuestra la incertidumbre que genera en los diseños, al considerar el amplio rango de resistencia al corte, obtenido en el pasado, de los ensayos de corte directo in-situ a gran escala (Fig.3-c), tanto para el caso del diseño de un túnel, como para el caso del diseño de una estación de metro, construida entre muros-pantalla:

Caso de Túnel:

En la Fig.4 se muestra el diámetro permisible (D) que se puede excavar un túnel a sección llena, con presión nula (p=0) en el frente de excavación, es decir, como en una excavación tipo mina. Estos resultados están basados en el método de Anagnostou & Kovari, y considera el suelo homogéneo (con cobertura H=20m) y la estabilidad global del frente de ataque, más no, las posibles fallas locales que pudieran ocurrir, con la corona del túnel descubierta, en el momento de la excavación, con una longitud de pase “P”.

Caso de Estación de metro entre muros-pantalla

En la Fig.5 se muestra las diferentes dimensiones requeridas (empotramiento, momento flector, etc.) para la estructura de muro-pantalla, para las diferentes posibles resistencia al corte.

MARCO TEÓRICO DEL COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LA GRAVA Y EL CONGLOMERADO

El ángulo de fricción de los medios incoherentes, como la grava, dependen principalmente (Coster J, y Sanglerat, 1975) de la Compacidad (o Densidad seca, Υ_d) con variaciones de ±6° dependiendo como varía esta última variable; de la forma y rugosidad de los granos (±3°); del grosor de los granos (D), con variaciones de ±2°; y de la granulometría sea uniforme o abierta, quizás representado por el coeficiente de uniformidad (Cu), con variaciones de ±3°. Las partículas del Conglomerado de Lima tienen aproximadamente, la misma forma (misma esfericidad) y rugosidad, y el mismo origen geológico, por lo que estas variables se pueden obviar. Las formas de las curvas granulométricas son parecidas (Fig.2), por lo que se puede considerar una variable secundaria. Por lo tanto, se puede buscar correlaciones de la resistencia al corte con las propiedades índice que más influencian (Υ_d, D₅₀, y tal vez Cu). Es conveniente buscar estas correlaciones en el laboratorio, para poder controlar las variables. Para ello se podría ejecutar ensayos de compresión triaxial en cámara grande (digamos, D=1m y H=2m), como la que se muestra en la Fig.6, para así obtener la resistencia al corte y la información del comportamiento deformacional. Como se requiere que D_max/Dp<1/10, entonces para este caso se debe cumplir, D_max<10cm.

Mientras no se disponga de esta cámara triaxial grande, se puede intentar buscar estas correlaciones con la ayuda de ensayos de corte directo en caja grande, pues en el CISMID-UNI y otros laboratorios en Lima, se dispone de equipos con dimensiones 60cmx60cm. Para esta caso, se debe cumplir D_max<6cm. Para que las partículas del conglomerado no roten en el contacto con las planchas metálicas que provoquen dilataciones que falseen los resultados, conviene adherirlas con mortero en sus contactos superior e inferior. Este ensayo de corte directo permitirá determinar la resistencia al corte pico, pero no permitirá determinar las propiedades deformacionales.

Como el tamaño máximo de partícula real (D_max-r, ver Fig.2) suele ser mayor que el tamaño máximo de partícula (D_max) permitido en el ensayo de corte en el laboratorio, entonces se retira el material mayor a D_max, y se reemplaza el mismo peso del material retirado, por material entre, digamos, D_max/2 y D_max, procurando que se mantenga el mismo D₅₀, para ambas curvas granulométricas (la real, y la recortada). De esta forma, es mínima la afectación de la resistencia al corte del Conglomerado con la “curva granulométrica recortada”, respecto a la resistencia al corte del material con la “curva granulométrica completa” (ver demonstración en: “Impact of gradation on the shear strength-relation behavior of well-graded sand-gravel mixtures”, por A. Hamidi, E. Azini, B. Masoudi – Shariff University of Technology, 2011).

Finalmente, con los datos de la resistencia al corte pico se tiene que buscar las correlaciones con la densidad seca, y con la curva granulométrica, representada por el “D₅₀” y el Coeficiente de Uniformidad (Cu). Esta investigación geotécnica especial (que es onerosa) deber ser suficientemente abundante para poder obtener correlaciones confiables, de tal manera que a futuro, en la investigación geotécnica rutinaria, solo se requiera la determinación de las propiedades índice (ϒ_d, D₅₀, Cu) que son mucho más económicas, para así obtener las propiedades mecánicas, de manera indirecta.

El comportamiento esfuerzo-deformación de un suelo granular (como la grava y el conglomerado) depende de la gama de densidades relativas y de presiones de confinamiento en la que se encuentra. Cuando el conglomerado tiene una densidad relativa alta y está bajo condiciones de bajas presiones de confinamiento, tiene un comportamiento frágil, es decir, una resistencia pico, mayor que la residual, resistencia pico que se alcanza a bajas deformaciones. El comportamiento es más frágil, cuanto mayor sea la relación de la resistencia pico sobre la resistencia residual (Fig.7). La mayoría del conglomerado de Lima tiene densidades relativas altas, y las paredes del túnel, en el momento de la excavación, tiene presiones de confinamiento bajas y nulas, por lo tanto, el comportamiento se torna más frágil; es decir, la falla, si ocurre, es de manera brusca, prácticamente sin un aviso de su ocurrencia. Por ello sería complicada el control de convergencias, y en consecuencia el uso de la metodología constructiva NATM que solo asume un comportamiento 2D. Podría intentarse el método ADECO-RD¹ (analysis and controlled deformation in rock and soils) que considera el comportamiento 3D.

Cuando el conglomerado tiene una densidad relativa baja, tiene un comportamiento dúctil, es decir, no se manifiesta ninguna resistencia pico, y las deformaciones son mayores que para suelos densos, para un mismo nivel de esfuerzos.

En la Fig.8, se ilustra estos diferentes tipos de comportamiento:

Según todas las referencias bibliográficas, la envolvente de la resistencia al corte residual es curvada, para el caso de gravas y conglomerados densos y muy densos. Para la resistencia al corte pico quizás la envolvente sea más recta (como en Mohr-Coulomb). En general, a presiones de confinamiento bajas, el efecto de la dilatancia tiene mucha importancia en el ángulo de fricción; mientras que, a presiones de confinamiento altas, la trituración de los granos empieza a adquirir importancia en el ángulo de fricción. En la Fig.8 se ilustra la forma de las envolventes de la resistencia al corte pico y residual.

Si no hay presencia de cementación, entonces la grava y el conglomerado no tienen cohesión residual, pero si tienen cohesión para la resistencia pico, si es que está en estado denso. Por ello es por lo que el conglomerado del acantilado de Lima puede soportar taludes empinados y altos, a pesar de que no está cementado (salvo costras de caliche muy aisladas). Por ejemplo, en la Foto 1 se distingue la zona del talud empinado en la que el estado de esfuerzos no ha alcanzado la resistencia pico, y que por tanto, mantiene su cohesión para la resistencia pico; y también se distingue la zona del coluvial, resultado de la falla progresiva del talud, y sector donde ya ocurrió la falla tras alcanzar la resistencia pico, y por tanto, el conglomerado pierde su cohesión, pues está cerca del estado de falla residual.

BÚSQUEDA DE CORRELACIONES CON LA VELOCIDAD DE ONDA DE CORTE (Vs) PARA EL CONGLOMERADO

Se define la Velocidad de onda de corte normalizada, como: V_s1 = Vs.(p_a/σ’_v)^0.25; donde Vs es la Velocidad de Onda de Corte obtenida con los ensayos MASW (Multichannel Analysis of Surface Waves) o MAM (Microtremor array method), σ’_v, es el esfuerzo efectivo vertical, y p_a es la presión atmosférica.

La correlación V_s1 – I_d (densidad relativa) – D₅₀, ha sido verificada, propuesta y mostrada en la literatura geotécnica, (M. Hussein, M. Karray, “Shear wave velocity as a geotechnical parameter: an overview”, Can. Geotechnical J.53: 256-272 (2016)), pero para valores de D₅₀ entre 0.2mm a 5mm (ver Fig.9). Sin embargo, el conglomerado de Lima tiene valores de D₅₀ entre 25mm y 65mm; por lo que conviene buscar una correlación similar.

Para el Conglomerado del nuevo Aeropuerto de Lima, se ha obtenido una correlación similar de la Velocidad de Onda de Corte normalizada (V_s1), con la Densidad Seca (γ_d) y el valor de D₅₀, obteniendo una correlación con mediano ajuste (R²=0.59), y de la forma: ϒ_d-c = (1.934 + 0.0009.V_s1). (0.922 + 0.05.Log(D₅₀)), donde ϒ_d-c es la densidad seca calculada y está en ton/m³, V_s1 en m/seg, y D₅₀, en mm. En la Tabla 1 se muestra la base de datos usada, de donde se puede observar que se excluyeron los datos superficiales (Z<1.8m), pues así mejoró la correlación que posteriormente se obtuvo. En la Fig.10 se muestra la dispersión de los datos y la correlación obtenida para la densidad seca calculada vs densidad seca real (R²=0.59).

BÚSQUEDA DE CORRELACIÓN PARA LA RESISTENCIA AL CORTE OBTENIDA DE ENSAYOS DE CORTE DIRECTO EN CAJA GRANDE (60cm x 60cm)

Se usaron muestras con granulometría recortada, de tal manera que se retiraron las partículas con D_p>2” que se reemplazaron con su mismo peso, pero con partículas entre 1 ½” a 2”, de tal manera que D_max/Dp<1/12. Si el reemplazo es menor a 50%, entonces se mantiene el valor de D50. Los resultados se muestran en la Tabla 2.

Las densidades de GW realmente fueron γ_d-i=2.10 y γ_d-f=2.06, pero en la tabla se muestra los valores equivalentes a GP, reducidos a: γ_d-i=2.00 y γ_d-f=1.96.

De acuerdo con la tabla, no hay una clara correlación de la resistencia al corte pico con Υ_d or D₅₀. Hay una ligera correlación de la resistencia al corte pico con el porcentaje de gravas.

Se cree que los vacíos más grandes de lo normal en el contacto de las partículas con las planchas superiores e inferiores de la caja, generaron durante el corte, una dilatación mayor a lo normal. Esto podría corregirse colocando un geotextil por encima y por debajo de las partículas, y un relleno de mortero entre el geotextil y las planchas (ver Fig.11).

PROPUESTA PROVISIONAL DE CORRELACIÓN PARA LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL CONGLOMERADO DE LIMA

De acuerdo con la correlación de la resistencia al corte con la densidad seca mostrada para suelos granulares, en la Tabla 3, se puede observar que específicamente para el suelo GP, que cuando hay un incremento de Δγ_d=0.10 ton/m³, entonces ocurre un incremento de ΔΦ=3°. Esta correlación asume que los valores CU y D₅₀, no tienen influencia para el suelo GP, lo que no es cierto, pero que en realidad, podría tener poca influencia.

En cuanto a las propiedades deformacionales, hacemos uso de la correlación más conservadora, obtenida para el estudio de la L2 del Metro, entre el módulo de elasticidad obtenido de los ensayos presiométricos (E₅₀) y el modulo dinámico (Ed) obtenido indirectamente de los datos de la velocidad de onda de corte:

E₅₀ ≈1/10.Ed = 2.5/10.Gd = 0.25.(γ/g).Vs² = 0.25.(γ/g).V_s1².(σ’_v/p_a)^0.50

Por otro lado: E₅₀/p_a ≈ K.(σ’_v/p_a)^0.50 → K = 0.25.(γ/g).(V_s1²/p_a)

Se puede obtener la densidad total, de acuerdo con los datos ensayados, de tal manera que: γ≈1.03.γd. Por lo tanto: K≈ 0.26.(γ_d / g).(V_s1²/p_a)

De acuerdo con los ensayos de carga sobre placa (D=60cm), realizados en el Terminal del nuevo aeropuerto, se puede asegurar que E₅₀>135 kg/cm².

Asumimos para el conglomerado, que D₅₀=20mm, lo que es conservador; consideramos que la fracción con partículas menores a 2”, tienen clasificación SUCS GP, GP-GM y GM; y recordando la correlación obtenida:

ϒ_d = (1.934 + 0.0009.V_s1). (0.922 + 0.05.Log(D₅₀));

Se puede entonces conformar la Tabla 4, para las propiedades mecánicas del conglomerado, como una propuesta inicial a ser revisada cuando se hayan realizado más ensayos de campo y laboratorio con las correcciones aquí recomendadas.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

1. Hasta la fecha, y después de varias décadas, no ha sido posible proponer propiedades mecánicas racionales, para el aparentemente homogéneo Conglomerado de Lima. Posiblemente esto se deba en parte, a que las situaciones más retadoras, hasta ahora, han sido edificios hasta de 40 pisos que transmiten principalmente carga vertical, situación para la que el Conglomerado de Lima tiene un comportamiento muy satisfactorio, de tal manera que cualquier afinamiento en la definición de sus propiedades mecánicas, poco ayudan a una mayor economía en el diseño de las fundaciones.
2. Sin embargo, la futura expansión de la Red del Metro de Lima, de forma subterránea, ha conducido a que los Consorcios Consultores de los Estudios a nivel de Preinversión de las Líneas 3 y 4, propongan soluciones diferentes tanto para los túneles como para las estaciones, a pesar de que estas líneas discurrirán a lo largo de aparentemente, el mismo suelo. Las obras subterráneas para el Metro de Lima, someten al suelo, a una situación de descarga (desconfinamiento), por lo que se requiere conocer las propiedades mecánicas del Conglomerado, de manera más precisa, sobre todo la cohesión, a fin de permitir diseños óptimos (económicos). También se requiere conocer las propiedades mecánicas deformacionales (PMD), sobre todo, para el control de asentamientos en superficie por la construcción de estaciones en caverna.
   • Por lo tanto, en este Informe, se propone determinar las PMD del Conglomerado con equipos especiales de gran tamaño (Cámaras Triaxiales), en laboratorio (‌ para poder controlar las variables), y que permitan la ejecución sobre probetas de tamaños ad-hoc (Dp>≈1m), en los que se tenga en cuenta el tamaño máximo de las partículas (D_max) y el tamaño de la probeta (Dp), de tal manera que como primera aproximación, se mantenga D_max/Dp<1/10. Se espera que con estos ensayos se pueda obtener buenas correlaciones de las PMD, con la Densidad Seca (ϒ_d), el tamaño de la partícula (D₅₀), y secundariamente, el Coeficiente de Uniformidad (Cu). En los ensayos sobre el Conglomerado, para el diseño del Nuevo Terminal del Aeropuerto Jorge Chavez (NTAJCh), se obtuvo correlaciones, solo regulares, por problemas con la metodología de los ensayos de corte directo, y por los insuficientes ensayos.
3. La obtención de las PMD del Conglomerado con los equipos especiales mencionados, es caro; por lo que con la ejecución de esta investigación geotécnica especial, se debiera obtener las correlaciones mencionadas, de tal manera que una vez que se tenga la suficiente confianza, se pueda proceder con la investigación geotécnica rutinaria, solo con la determinación de la Densidad Seca (ϒ_d) y el tamaño promedio de las partículas (D₅₀), para así, indirectamente, poder obtener las PMD.
4. También se propone en este Informe, buscar con abundante ensayos, la correlación de la Velocidad de Onda de Corte normalizada (V_s1 = Vs.(p_a/σ’_v)^0.25) con la Densidad Seca (ϒ_d), y el tamaño de la partícula (D₅₀). En los ensayos sobre el Conglomerado para el diseño del NTAJCh, se obtuvo correlaciones aceptables; sin embargo, conviene continuar con la investigación basada en mucho más información.
5. La determinación de la Velocidad de Onda de Corte (Vs) con los equipos MASW o MAM, puede llegar hasta profundidades de 30m y 80m, respectivamente; y sin una afectación, en caso de que haya presencia de nivel freático (NF). Por lo tanto, este procedimiento permitiría una rápida sectorización del Conglomerado, según sus PMDs, pues de seguro que no es homogéneo, en cuanto a estas propiedades.
6. En resumen, una vez obtenida correlaciones confiables “PMD-ϒ_d-D₅₀-Cu” y “Vs-ϒ_d-D₅₀”, se puede proceder de la siguiente forma en la investigación geotécnica rutinaria del Conglomerado, para el diseño de una línea de Metro:
   • Ejecución de sondeos a las profundidades de interés, principalmente para la determinación del perfil estratigráfico, identificación de posible NF, e intento de ensayos SUCS en el Conglomerado (obtención directa de “D₅₀” y “Cu”, pero solo aproximado, pues hay que considerar que con la perforación se fracturaría el canto rodado y los bolones).
   • Ejecución de ensayos MASW y MAM, para la determinación indirecta de “Vs”.
   • En base las investigaciones realizadas, y con la obtención indirecta de “Vs”, de “D₅₀” y “Cu”, se puede obtener por correlación, “ϒ_d” y las PMDs.
   • Ejecución de calicatas profundas, pero con el suficiente espacio, como para determinar con certeza, ϒd in-situ, sea por el método del cono de arena, o de reemplazo de agua, pero con anillos de diámetro grande (>1m), que permita tener en cuenta la presencia de bolones. También se determinaría en laboratorio, “D₅₀” y “Cu”, esta vez, con precisión. Con esta información se puede obtener por correlación los valores de las PMDs.

NOTAS

1. Pietro Lunardi, Design and Construction of Tunnels (ADECO-RD), Ed. Springer, 2008