Cimentación Sobre Rellenos

XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003 Capítulo De Ingeniería Civil del Consejo Departamental de Loreto del Colegio de Ingenieros del Perú

XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL IQUITOS – PERU DEL 07 AL 11 DE OCTUBRE DEL 2,003 CIMENTACION SOBRE RELLENOS Autor: Ing° Germán Vivar Romero∗ “No hagamos ahora lo que Terzaghi hizo hace 50 años. Hagamos ahora lo que Terzaghi haría ahora” J-P. Giroud. Atlanta, Marzo 2003 RESUMEN En esta ponencia se analizan las implicancias del item 4.4. Cimentación sobre Rellenos de la Norma Técnica de Edificaciones (NTE) E.050: Suelos y Cimentaciones (en revisión por el Comité Técnico Especializado, bajo la Presidencia del SENCICO), a la luz de los últimos acontecimientos ocurridos respecto a la falla de edificaciones cimentadas sobre rellenos artificiales. Se presentan dos casos de construcción sobre rellenos, en los que el autor ha tenido participación: a) la falla del Espesador de Relaves de Cobriza, construido sobre un relleno controlado, colocado sobre rellenos artificiales sin controlar, que a su vez iban colocados sobre el terreno natural sin desbrozar; y b) la construcción de la Nueva Catedral de Pucallpa, sobre rellenos controlados de materiales seleccionados, colocados sobre el terreno natural arcilloso. Se concluye en que tan malo como cimentar sobre un relleno artificial sin verificarlo, es descartarlo para su empleo, sin haber efectuado un estudio previo.

INTRODUCCIÓN La antigua norma sobre Suelos y Cimentaciones que estaba contenida en el Título VI del Reglamento Nacional de Construcciones (D.S. N° 039-70-VC), proscribía (artículo VI.IV.1.1) la ∗

Consultor. Director Gerente de GEOTECNIA & PAVIMENTOS. Presidente de la Sociedad Peruana de Geosinteticos (IGS-PERU). Miembro del Comité Técnico Especializado de la Norma Técnica E.050 Suelos y Cimentaciones.

Gerencia XIV CONIC: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia Calle Nueve 1056 Urb. Corpac San Isidro, LIMA – PERU / (51 – 1) 225-9066 / www.construccion.org.pe / [email protected]

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cimentación superficial sobre tierra de cultivo, rellenos de suelos o desechos, suelos orgánicos y turbas...;. y por otro lado aceptaba la cimentación sobre rellenos sólo cuando se demostrara fehacientemente con los estudios y pruebas requeridas, que el suelo de fundación resultante soportaría adecuadamente las cargas previstas, dentro de las deformaciones permitidas; para lo cual, los rellenos deberían ser adecuadamente compactados artificialmente para un mínimo del 95% del grado de compactación por la densidad Proctor Modificado. Este articulo fue ampliado en la NTE E.050 vigente (R.M. N° 048-97-MTC/15.VC), incorporando la clasificación de los rellenos por su naturaleza en: Materiales Seleccionados (MS) y Materiales No Seleccionados (MNS); y por las condiciones bajo las que son colocados en: Rellenos Controlados (RC) y Rellenos No Controlados (RNC). La NTE E.050 solo permite cimentar sobre RC hechos con MS. El objetivo de esta ponencia es llamar la atención en los diferentes tipos de rellenos artificiales que se pueden encontrar al momento de cimentar una obra, los que en nuestra opinión no deberían ser tratados siempre por igual. Para tal fin, se presentan dos casos diferentes de cimentación sobre rellenos ocurridos en diferentes épocas y en diferentes lugares del Perú, que sirven para llamar la atención en la necesidad de aplicar con criterio la normatividad vigente, además de la experiencia profesional, ambas importantes en una especialidad de la ingeniería, que tiene tanto de arte como de ciencia.

DESARROLLO CASO I: ESPESADOR DE RELAVES DE LA MINA COBRIZA 1) El 9 de mayo de 1982 se probó el tanque espesador de relaves de concreto armado y 90 m de diámetro interior, de Centromin Perú (CP) construido en la Pampa de Coris (# 1 en la Fotografía 1), en Junín, llenándolo con agua hasta la cota 2289.34. A los 8 días de llenado se notó que las paletas estaban tocando fondo y que el nivel del agua había descendido hasta la cota 2286.80, lo que indicaba que el pilar central había descendido 5 cm, perdiéndose 1381 m3 de agua hacia el terreno de fundación. CP contrató casi simultáneamente a dos Consultores Especialistas nacionales y a una Consultora extranjera para investigar las causas de falla y proponer alternativas de solución. Uno de los Consultores nacionales, a quien llamaremos CN-1 indicaba en su reporte entre otras cosas que: a)

cuatro meses después de originado el problema, se había producido “el 100% de la consolidación primaria”;


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b)

las máximas presiones de contacto al momento de la prueba fueron de 1.41 kg/cm2 debajo del pilar central y 0.08 kg/cm2 bajo el área total del tanque. En servicio (agua con relaves), esas cargas aumentarían a 1.97 kg/cm2 y 0.47 kg/cm2, respectivamente, por lo que era “razonable asumir que la base del pilar central no sufrirá asentamientos considerables adicionales”.

c)

“el curso de una de las quebradas pasaba muy cerca del tanque espesador”.

d)

su Programa de Solución y Alternativas consideraba “realizar trabajos de impermeabilización y llenar el tanque para que durante la estación de lluvias tenga la oportunidad de ejercer esa mayor carga al suelo y pueda asentarse en la forma que disponga la naturaleza (¿?), luego se rectificarían los defectos, se armarían los brazos y pasarela del espesador, se probaría la estructura y se pondría en funcionamiento con cierta certidumbre que no molestaría por un tiempo razonable y solo para ajustes de poca monta”.

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Fotografía 1. Vista general de la Pampa de Coris mostrando la ubicación de las obras.


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2) Un segundo Consultor Especialista nacional, a quien llamaremos CN-2, fue contratado para opinar sobre el problema del espesador y acerca de los asentamientos producidos en un almacén aledaño de un piso (# 2 en la Fotografía 1). Los aspectos más saltantes de su informe fueron: a) ambas obras están ubicadas en “una quebrada que había sido rellenada”. b) “el espesador de relaves había sido construido parcialmente en suelo natural y parcialmente en relleno”, mientras que “la cimentación del almacén se encontraba íntegramente apoyada sobre relleno granular compactado”. c) “la presión admisible utilizada – en el almacén - era de 1.5 kg/cm2 para una profundidad de cimentación de 1.0 m”. Sin embargo, la presión de contacto “en condiciones estáticas era de 0.25 kg/cm2”. d) los perfiles de refracción sísmica efectuados 5 años antes por terceros le permitieron estimar que el suelo natural “constituido por suelo granular proveniente de la descomposición de granito,........alcanza una profundidad de 50 m en el área del espesador y almacén”. e) los planos de secciones transversales y los registros semanales del control de la compactación para la construcción del relleno, le permitieron concluir en que “los rellenos efectuados en dichas zonas presentan espesores que varían aproximadamente entre 0 y 11.5 m en el área del espesador y entre 5 y 14.3 m en el área del almacén, encontrándose en ambos casos el mayor espesor de relleno en la zona de la quebrada”. Sin embargo, C-2 solamente daba fe de que el “espesor y grado de compactación de las capas 18 a 54 en la zona del espesador y de las capas 14 a 62 en la zona del almacén, han sido los adecuados”, en tanto que “no se dispone de controles de las capas inferiores del relleno”. f) dentro de sus Conclusiones se destacan: •

Los asentamientos pueden deberse a varias causas combinadas, siendo las principales: -

Compresibilidad propia de los rellenos

-

Efecto de filtraciones a través de los rellenos

-

Efecto de la sobrecarga producida por los rellenos en el suelo natural y densificación de estos por flujo de agua a través de ellos.

•

“La parte del almacén que ha sufrido mayor asentamiento coincide con la ubicación de la quebrada que ha sido rellenada con la mayor altura de relleno”.


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•

Para resolver el problema recomendó renivelar la zapata del pilar central y reparar el espesador, tomando en cuenta que “la solución que se adopte debe permitir que ocurran ciertos asentamientos adicionales del perímetro y del fondo”.

La empresa Consultora extranjera a la que denominaremos CE-3, fue contratada por Centromín Perú para estudiar la posibilidad de la influencia de un deslizamiento masivo en la ocurrencia de los asentamientos en el espesador, almacén, terraplén de soporte de un tanque de almacenamiento de combustible diesel (# 3 en la Fotografía 1) y soportes de una faja transportadora (# 4 en la Fotografía 1). Los aspectos más importantes de su informe son: a) La geología superficial del sitio muestra rocas de la Formación Copacabana (limolitas y esquistos grises y negros), granito intrusivo, materiales graníticos coluviales y residuales, terrazas aluviales y deslizamientos de escombros, con profundidades probables mayores de 100 m. b) El terreno en la zona del emplazamiento del espesador está parcialmente en corte y parcialmente en relleno. Los rellenos se colocaron en la primera mitad de 1980. “La construcción del relleno fue detenida antes de alcanzar la cota final de rasante y fue completada por otro contratista”. Las primeras grietas en las losas del espesador de concreto armado se notaron en mayo de 1982, “muchas de las cuales, con un patrón normalmente asociado con las grietas de contracción, fueron rellenadas con mastic.........”, luego de lo cual el espesador se llenó de agua hasta una profundidad de 6 m medidos en el pilar central. Se reportó que “en unas pocas horas drenó toda el agua hacia los suelos subyacentes, apareciendo un número adicional de grietas en las losas del espesador”. c) Los materiales de relleno se obtuvieron de las excavaciones para otras obras y se colocaron por capas compactadas con equipo vibratorio en espesores finales de 3 a 9 m en la zona del almacén y de hasta 15 m en la parte sur del espesador. Los controles de la compactación fueron hechos por CN-2 durante la ejecución de los rellenos usando el Cono de Arena de 6”. “.....debido al elevado porcentaje de grava presente en el relleno, generalmente entre el 50% y el 70%, es cuestionable la confiabilidad del método” utilizado por C-2 para el control de la compactación, “debiendo haberse tratado el material de relleno como un relleno rocoso para presas, controlado mediante ensayos de densidad a gran escala”.


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d) El almacén de 30 m x 128 m y un piso, fue construido íntegramente sobre relleno, entre agosto de 1980 y marzo de 1981. Tenía columnas centrales y vigas de cimentación perimetrales, ensanchadas en las columnas. La presión de contacto era de 1 kg/cm2 y los rellenos tenían espesores entre 3 y 9 m. No se notaron daños hasta marzo de 1982 ( es decir dos meses antes de producirse las fugas en el espesador), en que se observaron distorsiones del tijeral y asentamientos totales de 1.8 a 12 cm. Los mayores asentamientos se registraron donde había mayor espesor de relleno. e) El tanque de almacenamiento de combustible diesel estaba asentado sobre un terraplén que se asentó y agrietó sin que “las grietas fueran consistentes con los asentamientos medidos, estando aparentemente no relacionadas” y estando el tanque vacío. f) En enero de 1982 (es decir cuatro meses antes de producirse las fugas en el espesador), “tres cimentaciones de una faja transportadora, aparentemente construidas en un área excavada en los deslizamientos de escombros, sufrieron asentamientos. Se excavaron las cimentaciones y se removieron suelos blandos, húmedos hasta aproximadamente 3 m de profundidad, los que se reemplazaron con rellenos compactados, sin que se hubieran registrado movimientos posteriormente a la reparación”. g) “No se sabe de ninguna otra estructura dentro del lugar de la planta que hubiera sufrido asentamientos. Muy pocas, si alguna de las otras estructuras de la planta están soportadas sobre rellenos compactados”. h) Las conclusiones de C-3 para el espesador y el almacén indican que “los asentamientos ocurrieron durante la estación lluviosa, debido a que el agua saturó los rellenos y produjo asentamientos debido al peso de los rellenos”. C-3 no encontró “explicación posible a los asentamientos.......” del anillo de cimentación del tanque de diesel. Nuestra intervención como parte del Contratista fue en agosto de 1982, cuando se habían retirado las losas de concreto armado y se estaba considerando muy seriamente la posibilidad de colocar planchas de acero soldadas como fondo del espesador. La revisión de la información anterior, así como la contenida en los Informes Geotécnicos previos hechos de una Consultora extranjera (CE-4) en octubre de 1974 y los Estudios de Suelos hechos por una Consultora nacional (CN-5) en diciembre de 1977, nos llevó a la conclusión de que el único punto común en todos los casos en que se habían producido asentamientos, era la ubicación de las obras sobre un antiguo curso de agua (Figura 1). Otro punto que llamó nuestra atención fue la discrepancia en la información consignada por CN-2 y CE-3, sobre las alturas de los rellenos. Había una diferencia de Gerencia XIV CONIC: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia Calle Nueve 1056 Urb. Corpac San Isidro, LIMA – PERU / (51 – 1) 225-9066 / www.construccion.org.pe / [email protected]

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aproximadamente 3 m (entre 2 y 4 m para el almacén y de 3.50 m para el espesador), coincidente con el espesor de 3 m de suelos blandos y húmedos que debieron reemplazarse en la ubicación de los apoyos de la faja transportadora fallada previamente y reportado por CE-3. La referencia de C-3 a dos tipos de rellenos hechos por dos contratistas diferentes: un relleno “grueso” en la parte inferior, colocado directamente sobre el terreno natural y uno “fino” en la parte superior, como apoyo directo de las obras, acrecentaron nuestras sospechas de que la causa del problema se podía encontrar debajo entre el relleno “fino” y el terreno natural. Al no haberse previsto un sistema de evacuación de aguas pluviales en reemplazo de los cursos naturales (quebradas), al haberse producido las primeras fallas con anterioridad a la falla del espesador y encontrándose este ubicado aguas abajo de las otras obras falladas, era lógico pensar que el agua filtrada del espesador a través de las grietas en la losa no era la principal causa de falla en todos los casos. Por esta razón propusimos el reemplazo de todo el relleno hasta el terreno natural, pero el Cliente ordenó retirar solamente un par de metros del relleno “fino” saturado y reemplazarlos por rellenos nuevos compactados. En vista de que su negativa y por la falta de tiempo para efectuar estudios adicionales, concordamos en seguir las instrucciones del Cliente, con la condición de que se reemplazarían todas las zonas donde se produjeran “acolchonamientos” durante la compactación. Esto obligó a retirar, metro a metro, prácticamente todos los rellenos, hasta 15 m de profundidad, en que se descubrió que no se había desbrozado el terreno natural previamente a la construcción de los “rellenos gruesos” y que en el contacto entre ambos habían troncos de gran diámetro, raíces gruesas e incluso tubérculos, lo que era prueba categórica de que no se había efectuado la limpieza y desbroce previos, permitiendo además verificar que los rellenos “gruesos”, estaban constituidos no por material seleccionado, sino por grandes bloques de hasta 1 m de diámetro, que por el peso de los rellenos se habían introducido en el terreno natural, arrastrando consigo a los rellenos y a las obras construidas sobre ellos.


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Fig. 1 Distribución de las obras sobre la topografía original, donde se muestra el antiguo curso de agua. Los números indican el orden de aparición de las fallas: I) faja transportadora (enero de 1982); II) tanque de diesel (febrero de 1982); III) almacén (marzo de 1982); y IV) espesador de relaves (mayo de 1982).

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La lección que se extrae de esta experiencia es que antes de construir sobre rellenos artificiales existentes, se debe verificar su naturaleza y las condiciones de apoyo del terreno natural, independientemente del tipo de obra, de quienes hayan participado en la construcción de los rellenos, e incluso de la existencia de registros de su compactación.

CASO II: LA NUEVA CATEDRAL DE PUCALLPA En abril del 2,002, se solicitó nuestros servicios para efectuar el diseño de los rellenos de arena para el plataformado de la Nueva Catedral de Pucallpa (Fotografía 2). El Estudio de Suelos previo establecía una Presión Admisible de 1.0 kg/cm2 sobre el terreno natural arcilloso, a una Profundidad de Cimentación de 2.00 m y empleando zapatas cuadradas conectadas mediante vigas de cimentación, excepto en el Altar Mayor, donde llevaría una cimentación corrida. Considerando que el terreno tenía una desnivel de 3 m entre el frente y el fondo y que por razones de Arquitectura se requería un relleno mínimo de 1.0 m de altura en el frente (y por lo Gerencia XIV CONIC: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia Calle Nueve 1056 Urb. Corpac San Isidro, LIMA – PERU / (51 – 1) 225-9066 / www.construccion.org.pe / [email protected]

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tanto de 4 m en el fondo), se precisaba emplear sub-zapatas de concreto pobre de hasta 4.50 m de altura. En tales circunstancias, se decidió que los Rellenos Controlados hechos con arena del río Ucayali, no solamente sirvieran de apoyo a los pisos, sino también a las estructuras de la Nueva Catedral, siempre que el Bulbo de Presiones de las zapatas dentro de la Profundidad Activa, estuviera íntegramente contenido en la arena compactada. Para tal fin, se tuvieron que excavar zanjas en el suelo natural arcilloso, las que se rellenaron con arena compactada al 100% de su Máxima Densidad Seca Teórica Proctor Modificado (MDST PM), previamente a la ejecución del relleno masivo. Para evitar la acumulación de agua dentro de estas zanjas rellenas con arena fina durante el proceso constructivo (las precipitaciones pluviales medias en Pucallpa son de 1,500 mm/año, con máximas de hasta 120 mm/día), se colocó encima de ellas una geomembrana de 1.5 mm de espesor como soporte impermeable de un geocompuesto de drenaje conformado por una capa de geonet entre dos geotextiles, el que evacuaba hacia el Altar Mayor en el lado opuesto a la Plaza de Armas.

Fotografía 2. Vista general de las obras (septiembre del 2002). Sobre el lado derecho la Plaza de Armas. Las zapatas delanteras y laterales han sido construidas sobre el relleno con arenas compactado al 100% de su Máxima Densidad Proctor Modificado.


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Fotografía 3. Excavación de las “cajas” que albergarán al Bulbo de Presiones de las zapatas frontales.

Fotografía 4. Colocación de una geomembrana de 1.5 mm sobre la zanja excavada en el suelo natural arcilloso (Fotografía anterior) y rellenada con arena fina compactada al 100% de su MDST, P.M.


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Fotografía 5. Colocación del geocompuesto de drenaje encima de la geomembrana de la Fotografía anterior.

Los controles de la compactación se hicieron por los métodos convencionales de Densidad de Campo y Proctor Modificado, así como por medio de un penetrómetro dinámico ligero de punta cónica (DPL). Los resultados obtenidos fueron satisfactorios aunque dispersos (Figura 2), debido probablemente a la variabilidad en la granulometría de la arena y al procedimiento de compactación seguido. Adicionalmente, se midieron mensualmente los controles topográficos de asentamientos en cada zapata, desde setiembre del 2002 hasta julio del 2003 en que se terminó de colocar la cobertura del techo, encontrándose valores estabilizados desde el primer mes, comprendidos entre 3 y 5 mm (Figura 4).


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Fig. 2. Ensayos de Penetración Dinámica Ligera (DPL) sobre los rellenos de arena. Se aprecia que todos superan el mínimo número de golpes necesario para lograr la Presión Admisible de diseño. φ = 32° qa= 1 kg/cm2

Fig. 3. Reporte típico de obra mostrando los asentamientos medidos mensualmente sobre la cara superior de las zapatas.

La lección que se extrae de esta experiencia es que la construcción de un RCMS implica tomar precauciones adicionales como son en este caso, el análisis de asentamientos por consolidación en el suelo natural arcilloso y el control de las aguas pluviales durante el proceso constructivo. CONCLUSIONES •

Esta ponencia intenta demostrar que la cimentación sobre rellenos requiere no solamente de un conocimiento cabal de la calidad de los rellenos (tipo y grado de compactación), si no también de los demás parámetros involucrados como son las características geotecnicas de los suelos de apoyo y condiciones particulares de posibles solicitaciones adicionales propias del sitio (agua, sismo, heladas, etc).


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La NTE E.050 establece los requisitos para la ejecución de los Estudios de Mecánica de Suelos (EMS) en el Perú, con fines de cimentación de edificaciones y otras obras, lo que no significa un “recetario” que el Profesional Responsable (PR) debe seguir ciegamente sin criterio técnico ni conocimientos especializados adquiridos por la experiencia, el estudio y la actualización permanente. En tal virtud y particularmente en el caso de cimentación sobre rellenos, el PR es libre de aplicar soluciones particulares que no se contrapongan con las directivas vigentes de la NTE E.050.

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Se recomienda que las operaciones de compra-venta, cesión y transferencia de terrenos cuenten como requisito obligatorio para esos fines, con un Estudio de Mecánica de Suelos desarrollado según las directivas contenidas en la Norma Técnica de Edificación NTE E-050: Suelos y Cimentaciones, el que permitirá dilucidar sobre la existencia de peligros potenciales por causa del suelo, a las edificaciones y consecuentemente a sus moradores.

AGRADECIMIENTOS El autor agradece la colaboración del Ingeniero LUIS ALEJANDRO HOYOS TINCOPA, por la información fotográfica y técnica sobre el diseño y construcción de la Nueva Catedral de Pucallpa, sin la cual no habría sido posible el desarrollo de la presente ponencia.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 1. Terzaghi, K., Peck R. Y Mesri, G. (1996) Soil Mechanics in Engineering Practice. John Wiley & Sons. USA. 2. Koerner, R.. (1999) Design with Geosynthetics. Prentice Hall. Fourth edition.


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