Guillermo Springall Geotec.
Jaime Martínez Mier Geotec.
Este artículo trata sobre daños en un conjunto habitacional de interés social en la región del Bajío, México, cuyo proyecto y construcción se realizaron sin considerar la presencia de arcillas expansivas, por desconocimiento o por subestimación, en un afán de lograr una obra de bajo costo. Se describen las características del conjunto y del subsuelo, el comportamiento de las viviendas, las medidas tomadas por el constructor y el experimento que realizó a raíz de los daños ocurridos. Por último, se presentan las conclusiones destacables.
- INTRODUCCIÓN
Este es un caso de ingeniería forense que versa sobre numerosas viviendas de uno y dos niveles que sufrieron daños importantes por la acción de arcillas expansivas en un conjunto de interés social ubicado en Irapuato, región del Bajío.
En lo que sigue se describen los antecedentes del problema, las características del conjunto y las condiciones del subsuelo estudiado después de manifestarse los daños. También se describe el comportamiento de las casas y las medidas que implementó la empresa constructora del conjunto en un intento de salvar la situación, así como el experimento que con ese fin realizó. Finalmente, se concluye y enfatiza sobre la problemática de cimentaciones en suelos expansivos del Bajío.
- ANTECEDENTES
El conjunto habitacional se desarrolla en un área de aproximadamente 240 × 330 m, y comprende 15 manzanas distribuidas y lotificadas como se muestra en la figura 1, para casas de uno y dos niveles. Anteriormente el área era parte de un terreno de cultivo por riego, que en 1982 quedó vecina al resto. El área fue conformada y urbanizada en ese año, dejando una superficie sensiblemente plana y horizontal, con drenaje deficiente. Los pavimentos son de adoquín, permeables.
La construcción de las viviendas se inició en julio de 1986, con la sustitución de una capa de 40-50 cm de espesor de suelos superficiales por material de banco (tepetate), compactado. Un mes después fueron coladas las losas de cimentación y en marzo de 1987 se concluían las casas.
En agosto de 1987, al ocuparse las viviendas, coincidiendo con la temporada de lluvias, se presentaron agrietamientos y fisuras en los muros y pisos, principalmente en las viviendas de un nivel. En la figura 2 se da cuenta de daños y de la falta de castillos y cerramientos en muros en algunas casas.
Las calles y banquetas se agrietaron y ocurrieron roturas y fugas en las tuberías de agua potable, de PVC, así como en las tuberías de drenaje de asbesto-cemento, que aceleraron el fenómeno. En las casas de dos niveles los daños fueron menores.
De un levantamiento de daños realizado por la constructora del conjunto en septiembre de 1987, se determinó que, del total de 491 viviendas, el 38% (186 casas) tenía daños; de ellas, 168 eran de un nivel y 18 de dos niveles. En la figura 1 se muestra la ubicación de esas viviendas. Las casas que ya habían sido habitadas se desocuparon para ser reparadas.
Entre septiembre de 1987 y marzo de 1988, la constructora implementó cuatro tipos de reparaciones en las casas dañadas: a) cruces de San Andrés en muros; b) banquetas perimetrales de 1 m de ancho; c) construcción de castillos en muros de carga, y d) recorte de las losas de cimentación. Además, llegó a plantear la superposición de otra losa de cimentación a la existente, aunque no lo hizo. Todas estas reparaciones no constituían una solución definitiva.
- DESCRIPCIÓN DEL CONJUNTO
La superficie general del conjunto era sensiblemente plana y horizontal, con algunas calles pavimentadas con adocreto y otras con pobre carpeta asfáltica, permeables en consecuencia.
Por su área de construcción, las 491 viviendas estaban divididas en cuatro tipos: tipo 1 y 2 de un nivel, con áreas de 40 y 47 m2, respectivamente, y tipo 3 y 4 de dos niveles, con áreas de 70 y 60 m2. Las casas de un nivel correspondían al 80% del conjunto, con 250 del tipo 1 y 141 tipo 2; las restantes eran de dos niveles, con 75 del tipo 3 y 24 del tipo 4.
Según proyecto, la cimentación de los cuatro tipos de casas consistió en losas corridas de concreto reforzado de 10 cm de espesor, con varillas de acero de 5/16” a cada 30 cm y trabes de 30 cm de peralte (incluyendo losa) en ejes principales y perímetro, apoyadas sobre una capa de tepetate compactado de 50 cm de espesor. La cubierta de todas las casas y los pisos de planta alta de las de dos niveles eran del tipo de vigueta y bovedilla, apoyados en muros de carga de tabique, sin constituir una estructura continua y rígida.
La constructora indicó que los rellenos de tepetate procedieron de diferentes bancos próximos al sitio y que fueron compactados en capas de 15 cm de espesor. Al concluirlos, excavaron las zanjas y cepas de las tuberías de drenaje y agua potable interiores de los lotes, que luego rellenaron con el mismo material excavado, pero sin compactar.
- SUBSUELO
El proyecto de cimentación de las casas se fundamentó en un primer estudio de mecánica de suelos realizado en abril de 1986, con pozos a cielo abierto de 2 m de profundidad y ensayes de laboratorio para obtener su clasificación, algunas propiedades índice y resistencia al corte, sin ningún ensaye para conocer la expansibilidad de los suelos. El estudio, escaso y deficiente, describía al subsuelo como un “estrato de arcilla inorgánica CH, en ocasiones con arena arcillosa SC”.
A la luz del mal comportamiento de las casas, en marzo de 1988 se realizó un segundo estudio de mecánica de suelos, con cuatro sondeos (S1 a 4) de penetración de estándar de 10 a 12 m de profundidad, nueve pozos a cielo abierto de 3.2 a 4.4 m (P1 a 9), y ensayes de laboratorio de clasificación y propiedades índice en todas las muestras, y de resistencia al corte y expansibilidad en muestras inalteradas. Los sondeos y pozos se ubicaron en patios y jardines de las casas, distribuidos como se muestra en la figura 1. En ninguna de las exploraciones se encontró agua freática. En este estudio se determinó que el subsuelo estaba constituido por una capa de rellenos heterogéneos, de 0.7 a 1.4 m de espesor, de los cuales en promedio los 0.4 m superiores eran arcillo-limosos, color gris claro, y el resto arcillosos, expansivos, gris oscuro. Bajo los rellenos, hasta profundidades variables entre 2.9 y 4.0 m, se encontró una capa de arcilla expansiva, gris oscura, fisurada, típica de la región, que yace sobre suelos arcillosos y arenosos inertes, gris claro y café-amarillo. Las figuras 3 y 4 contienen dos perfiles estratigráficos y de propiedades representativos del subsuelo, correspondientes al sondeo S4 y al pozo P2. La figura 5 muestra un corte en el pozo P9.
En ensayes de saturación bajo presión, los rellenos arcillosos mostraron expansiones hasta de 4% al incrementar el contenido de agua bajo presiones de 1.2 a 2.5 t/m2. En la arcilla negra expansiva subyacente las expansiones alcanzaron 2.8% bajo una presión de 1.6 t/m2 (figura 6), reduciéndose a 0.7% al incrementar la presión a 5 t/m2.
- COMPORTAMIENTO
En nivelaciones topográficas de pisos de 11 viviendas de un nivel, se midieron desniveles entre el centro y su periferia de 15 a 35 mm; en algunos casos el centro se encontró a mayor elevación que las orillas y en otros a la inversa, sin mostrar tendencia general. En algunos puntos del conjunto sucedieron asentamientos por compresión de rellenos mal compactados al saturarse.
En calas efectuadas en el interior de varias de esas viviendas, se observó que el espesor de las losas de cimentación variaba entre 8 y 12 cm, que el acero de refuerzo estaba colocado en el lecho inferior y que en algunos casos consistía en varillas de 3/8”, en lugar de las indicadas en el proyecto. También se notó que bajo la losa existía una capa de relleno arcilloso compactado color café claro (tepetate) de 40-45 cm de espesor, que a su vez yacía sobre material arcilloso gris oscuro.
El constructor realizó, entre el 2 y el 28 de mayo de 1988, un experimento para conocer el comportamiento ante deformaciones por saturación de una casa de un nivel, que ya presentaba daños y que se había reforzado con una losa de concreto reforzado, colada sobre la losa de cubierta de vigueta y bovedilla. El 2 de mayo, inspeccionó la casa y reportó grietas en pisos y muros; además, colocó testigos de yeso y niveló topográficamente 26 puntos singulares de ella (figura 7). El 4 de mayo coló una losa de 8 cm de espesor, concreto f’c = 250 kg/cm2 y malla electrosoldada 4 × 4 / 8-8 sobre la cubierta. El 18 de mayo inundó el terreno en el jardín frontal y en el patio posterior de la casa. El 23 de mayo reportó una fisura en la losa recién colada y agrietamiento de varios testigos de yeso.
El constructor realizó otras nivelaciones en mayo 18, 26 y 28. La figura 7 contiene la ubicación de los puntos nivelados y la traza de la fisura en la nueva losa. En las nivelaciones realizadas entre el 2 y 28 de mayo, se midió una deformación máxima de 30 mm y mínima de 4 mm. La figura muestra curvas aproximadas de igual expansión según esas nivelaciones. Las mayores deformaciones se presentaban en la parte posterior de la casa; el fisuramiento observado en la nueva losa era concordante con esas deformaciones y con el cambio de rigidez estructural en el eje de los puntos 4-5-6 de la figura 7.
Cabe señalar que entre el 2 y el 18 de mayo, antes de inundar el jardín y patio, las mediciones indicaban expansiones comprendidas entre 0 mm en el punto 22, al frente de la casa, y 12 mm en el punto 3, situado en el fondo, denotando que las expansiones iniciales continuaban. En el lapso corto de 10 días que duró el experimento (18 a 28 de mayo), la expansión en el punto 22 fue de 8 mm y en el punto 3 de 18 mm.
El ensayo representó una de las varias formas en las que la saturación del terreno influía (lluvia, riego de jardines y sembradíos vecinos, rotura de tuberías y drenajes, inundación general). A pesar de que la casa ensayada ya había experimentado deformaciones con anterioridad, éstas se incrementaron durante la corta duración de la prueba y pudieron ser mayores de haberse prolongado el experimento.
La aplicación de este ensayo para reducir a valores tolerables las deformaciones y daños a las viviendas resultaba costosa y no resolvía el problema. Aun cuando se aumentara la rigidez de la losa de la cubierta, no se eliminarían los daños por deformaciones diferenciales en pisos y muros. Por otra parte, las reparaciones y refuerzos que se venían implementando (cruces de San Andrés, cerramientos y castillos en muros, banquetas perimetrales) eran medidas parciales y tampoco eliminaban la influencia del suelo expansivo, además de implicar un costo importante.
Además de la existencia de suelos expansivos, el conjunto mostraba las siguientes deficiencias: a) rellenos heterogéneos, usados para nivelar y sobreelevar la superficie original del terreno; b) fugas en instalaciones de agua potable y de drenaje en casas y calles, de baja calidad en sus materiales y construcción, que saturaron localmente los suelos y rellenos; c) infiltración de agua de riego y lluvia en jardines y pavimentos de adocreto o con carpeta asfáltica escasa, drenaje superficial deficiente; d) agua de riego en terrenos de cultivo y canales vecinos.
Por otra parte, las casas estaban formadas por elementos que no proporcionaban una estructura continua, ni al menos con una rigidez aceptable, por lo que eran más susceptibles a las deformaciones y daños. En gran número de viviendas se observó que los muros de carga carecían de castillos, dalas y cerramientos, y en algunas de ellas, donde sí se habían construido esos elementos, el concreto utilizado tenía muy baja resistencia.
El comportamiento de la arcilla, en lo que a cambios volumétricos se refiere, depende de los cambios de humedad que experimente, tanto por saturación como evaporación (Pérez, 2004; Trejo, 2004). Por otra parte, también pueden ocurrir cambios del contenido de agua a largo plazo bajo áreas cubiertas por casas, banquetas y pavimentos impermeables, donde el contenido de agua tendería a acercarse al valor de equilibrio, particularmente hacia la parte central de aquéllas, con variaciones graduales hacia las orillas. Los cambios volumétricos no llegan a eliminarse, si bien pudieran llegar a ser tolerables. Era en estos aspectos en los que podían aplicarse algunas medidas orientadas no a eliminar el problema sino a hacerlo menos severo.
Cualquier método orientado a impedir las deformaciones y daños a las casas ya construidas implicaba soluciones costosas comparativamente con el costo de las viviendas. Por tanto, aunque se requería aplicar medidas atenuantes a corto plazo y reparación de daños durante la vida útil de las viviendas, tendría que convivirse con esa problemática, difícilmente tolerable por los usuarios debido a su impacto psicológico.
- CONCLUSIONES
El conjunto de viviendas se construyó sobre rellenos y éstos sobre suelos arcillosos expansivos, con estudio, proyecto y construcción que no consideraron suficientemente este aspecto fundamental, muy probablemente por haberlo subdelegado, en el afán de lograr un proyecto de bajo costo, que en este caso resultó lo contrario.
El comportamiento de la arcilla en lo que a cambios volumétricos se refiere era causado por la saturación local de los suelos debido a fugas en las instalaciones de agua potable y drenaje de casas y calles, agua de riego y de lluvia en jardines, infiltraciones en pavimentos y, en menor medida, agua de riego en algunas fracciones vecinas a canales y tierras de cultivo; además, la evaporación influía en la contracción y agrietamiento de la arcilla.
Las soluciones de cimentación que se requerían para un comportamiento apropiado en terrenos con suelos expansivos, como son sustitución o tratamiento de ellos y profundidades de desplante mayores, suelen ser costosas y pueden estar fuera del alcance económico de un fraccionamiento de interés social. En esas condiciones, siempre será indicado efectuar estudios previos de calidad para decidir sobre la viabilidad de la construcción del fraccionamiento y de las condiciones que implicarían en sus cimentaciones
Nota
El objetivo de este artículo, como se desprende del texto, es presentar un caso en el que se hace hincapié en los daños que pueden ocurrir a obras que se construyen en suelos expansivos sin un estudio apropiado del subsuelo y sin medir las consecuencias. Es un artículo de carácter preventivo para futuras construcciones. Ante los daños ocurridos en 1988, y debido a que el conjunto habitacional estaba construido y en operación, el constructor aplicó medidas que resultaron paliativas. El conjunto persiste.
Referencias
