Alberto Jaime Paredes Doctor en Ingeniería. Consultor privado.
Walter Iván Paniagua Zavala Doctor en Ingeniería. Director de Pilotec, S.A. de C.V. Académico de posgrado en la FI UNAM.
Moisés Juárez Camarena Doctor en Ingeniería. Coordinador del Comité Técnico de Seguridad Estructural, CICM.
Alberto Cuevas Rivas Maestro en Ingeniería. Director técnico de Ingenieros Cuevas, S. C. Miembro del Comité Técnico de Seguridad Estructural del CICM.
La actividad sísmica, la extracción de agua subterránea y las características geotécnicas del suelo de la Ciudad de México inducen, con alguna frecuencia, a que las cimentaciones de edificios y las obras en general tengan un mal comportamiento. Esto se puede determinar al detectar desplomos, hundimientos diferenciales, emersiones aparentes o un hundimiento total excesivo. En este trabajo se propone una metodología para realizar la inspección de cimentaciones.
La inspección geotécnica de cimentaciones en el Valle de México se enfoca particularmente, en verificar y documentar su comportamiento después de un sismo. Para ello, el personal especializado que haga la inspección debe estar familiarizado con el Reglamento para Construcciones de la CDMX (RCCDMX, 2023) y sus Normas Técnicas Complementarias (NTC-2023). Además, debe conocer las características geotécnicas y sísmicas de la región y los tipos de cimentaciones más empleadas en el sitio para estructuras similares a la investigada. A tal efecto, en la primera parte de este escrito se hace una descripción general de las condiciones geotécnicas y sísmicas y de las cimentaciones más empleadas en función del tipo de construcción y de la estratigrafía del sitio. En la segunda y última parte se proponen tres niveles de inspección de cimentaciones, sus características y los pasos para realizarlas. Finalmente, se plantean algunas conclusiones.
Condiciones geotécnicas y sísmicas en el Valle de México
La Zona Metropolitana de la Ciudad de México (ZMCM) se ha desarrollado en una región donde se tienen graves problemas geotécnicos y sísmicos que inciden en el comportamiento de edificios, casas y, en general, de la infraestructura municipal Las causas principales de estos problemas son: a) características del suelo (blando y compresible), b) hundimiento regional, c) alta sismicidad proveniente de diversas fuentes, d) agrietamiento en varias zonas del valle, e) minas a cielo abierto y subterráneas abandonadas al oeste de la ciudad, y f) oquedades y agrietamientos en los basaltos en las zonas de los pedregales, al sur y oriente de la ciudad (Jaime y Juárez, 2023).
Zonificación de suelos de la ZMCM
Una buena parte de la ZMCM está asentada en el fondo de un antiguo lago, sobre depósitos de espesores variables (de 3 a 100 m) de suelo arcilloso muy blando y compresible.
En la ciudad, el hundimiento regional del suelo (subsidencia) es provocado por la extracción de agua de los acuíferos para abastecimiento de la población. La subsidencia provoca asentamientos diferenciales, los cuales ocasionan diversos daños a edificios, a los sistemas de abastecimiento de agua y de drenaje, al sistema de transporte colectivo, y a calles y vialidades, entre otras estructuras.
Marsal y Mazari (1959) dividieron en tres zonas el área urbana de la ciudad: del Lago, de Transición y de Lomas. Posteriormente (1987) se agregó la Zona del Lago Xochimilco-Chalco. Actualmente, el Reglamento de Construcciones para la Ciudad de México, en su NTC-Cimentaciones 202⭐⭐⭐, zonifica el suelo de la CDMX como se aprecia en la figura 1.
La Zona de Lomas del oeste de la ciudad está caracterizada por suelos compactos, arenolimosos, con alto contenido de gravas y por tobas pumíticas bien cementadas. Al sur se tiene el derrame basáltico del Pedregal con espesor máximo de unos 20 m, y en general variable. Al oriente, en las faldas de la sierra de Santa Catarina y alrededor de Chimalhuacán, también se encuentra basalto.
La Zona de Transición presenta variaciones estratigráficas muy marcadas. Se encuentra entre la Zona de Lomas y las zonas de los Lagos. Se distingue también una transición entre la Zona del Lago de Texcoco y la del de Xochimilco-Chalco, cuya frontera irregular está entre Mexicaltzingo y Coyoacán. La Zona de Transición representa seguramente los avances y retrocesos de las riberas de los lagos de Texcoco y Xochimilco-Chalco, y en otros casos deltas de los ríos del poniente; por ello, se pueden encontrar alternancias de materiales limosos y arenosos compactos con estratos de arcilla muy blanda.
Comportamiento sísmico
Los diferentes suelos que se hallan distribuidos por zonas en la Ciudad de México tienen comportamientos distintos bajo la acción de un sismo (Jaime, 1987). Así, en la Zona de Lagos ocurre una gran amplificación de los movimientos sísmicos con respecto a los movimientos en roca basal. En campo libre exhibe periodos dominantes entre 2 y 4 s; esta variación corresponde al espesor de los estratos blandos de menor a mayor profundidad.
En la Zona de Transición también ocurre amplificación del movimiento, con periodos dominantes, nuevamente en función del espesor de la arcilla, de entre 0.5 y 2 s.
Diferentes investigaciones han demostrado que los sismos provocan asentamientos súbitos, es decir, los sismos en el Valle de México inducen asentamientos inmediatos tanto en campo libre como en la zona de influencia de edificios y estructuras (Jaime et al., 2022). También provocan la aparición súbita de grietas que no se habían manifestado y un movimiento mayor de grietas anteriores.
Efectos del bombeo de pozos para agua potable
Además del hundimiento de la ciudad, la extracción del agua subterránea da lugar a la formación de grietas y fisuras verticales en los estratos de arcilla que conforman la parte más superficial del suelo del Valle de México (Auvinet et al., 2014). Estos estratos arcillosos se encogen de manera diferencial; las grietas se encuentran superficialmente en el Lago de Texcoco, Ecatepec, colonia Roma, Coapa, Tláhuac, Xochimilco e Iztapalapa (figura 2). También hay en los límites del antiguo lago con las sierras y los volcanes que se encuentran en el Valle de México.
Con base en estudios realizados, se estima una tasa de hundimiento anual de 15 cm por año en algunas zonas de la ciudad (aeropuerto y hacia el Lago de Texcoco, Iztapalapa, Coapa, Chalco). Otras zonas, como el Centro Histórico, se hunden entre 6 y 15 cm por año, aproximadamente (figura 3).
Zonas minadas y oquedades en basaltos
En la Zona de Lomas, al poniente de la Ciudad de México y en dirección sur-norte, incluyendo los municipios conurbados del Estado de México, es frecuente encontrar minas abandonadas de pómez, tezontle y arenas, especialmente en las alcaldías Álvaro Obregón y Cuajimalpa, y en el Estado de México, en Huixquilucan.
En las zonas minadas de la Ciudad de México y el Estado de México se producen socavones por el colapso del techo de las minas. Esto se debe a: aumento de la carga en la superficie por construcciones nuevas; vibración de vehículos por incremento de tránsito; intemperización de las tobas por pérdida de humedad; anegamiento de las tobas por fugas en las redes de agua potable y drenaje (de las viviendas o municipales); riego de jardines y sismos fuertes.
En la zona de derrames basálticos, especialmente en la de los pedregales al sur de la Ciudad de México, a menudo se encuentran oquedades con forma de túneles, grietas abiertas y cavernas; en estas zonas puede haber colapso de estructuras por falla de techos de túneles y cavernas y aparecer socavones en predios y vialidades.
Tipos de cimentación más empleadas en el Valle de México
En las figuras 4 y 5 se ilustran los tipos de cimentaciones más usados en la Ciudad de México. En general, el tipo de cimentación depende del número de pisos de edificios y casas y de las características de los suelos en los que se desplantan (tabla 1).
Inspecciones geotécnicas de casas, edificios e infraestructura municipal
Inspección Nivel 1
La inspección Nivel 1 consiste en una visita de inspección ocular a la obra de que se trate y sus alrededores. Las más de las veces, esta revisión se hace por fuera de la obra, con poca información técnica. Tiene el propósito de determinar las condiciones de estabilidad y comportamiento de la cimentación, taludes, excavaciones y su posible influencia en la respuesta sísmica de la obra civil.
Para la visita es necesario un equipo mínimo, que consiste en: cinta métrica (flexómetro); carrete de hilo de albañil; nivel tipo carpintero; plomada; marcadores indelebles o crayolas, lápices y plumas; cámara fotográfica, brújula; copia de las figuras 1 a 3 y de la tabla 1. Una libreta y tableta electrónica para apuntar y dibujar. Los teléfonos celulares cuentan con aplicaciones que pueden sustituir algunos de estos instrumentos. Los pasos para realizarla son:
Identificar la zona geotécnica en la que se encuentra la obra civil y velocidad de hundimiento (figuras 1 y 2).
Número de niveles de la construcción, tipo y material (concreto, acero, mampostería, o mixta); croquis de la construcción en elevación y planta.
Probable cimentación (tabla 1).
Observar con detenimiento la obra (desde la acera de enfrente, o a una distancia mayor de 10 m) para distinguir daños como: desplomos, grietas por asentamientos diferenciales, abultamiento o hundimiento de banquetas y calle, afectaciones a estructuras vecinas o de estas a la obra.
Tomar fotografías de la obra y estructuras vecinas desde diversos ángulos.
Hacer un recorrido alrededor del sitio observando el comportamiento de estructuras similares, postes de luz y de teléfono, deterioro en banquetas y calles y presencia de grietas en el terreno (figura 3), recientes o antiguas; vibraciones al paso de autobuses o camiones pesados.
Pedir autorización para visitar la obra e inspeccionarla por dentro. Identificar al propietario para solicitarle información técnica del edificio, planos, remodelaciones, incremento en el número de pisos, cambio de uso (vivienda, almacén, oficinas, etc.).
Los daños más comunes pueden ser: desplomo del edificio (medido con la plomada desde la azotea o un nivel intermedio); asentamientos diferenciales (medidos con hilo, nivel de burbuja y flexómetro); emersión aparente (medida con flexómetro); posible inestabilidad de talud (inclinación y altura del talud); oquedades o socavación (dimensiones); grietas en el terreno y otros.
Es de particular importancia la inspección de cajones y celdas de cimentación, para detectar posibles daños estructurales en muros y losa de fondo. En su caso, revisar el comportamiento de los marcos de pilotes de control.
En caso de existir grietas en el suelo, se determinará si tienen o no escalón; rumbo; longitud dentro del predio; escalón al interior del predio; abertura; profundidad; escalón en calle o área colindante.
Fotografías de las grietas y daños a las edificaciones asociados a las grietas.
Con base en la abertura y la altura del escalón se podrá clasificar la grieta como sigue: Nivel I (escalón < 1 cm y abertura < 3 cm); Nivel II (1 cm < escalón < 10 cm y/o 3 cm < abertura < 5 cm); Nivel III (10 cm < escalón < 30 cm y/o 5 cm < abertura < 10 cm); Nivel IV (escalón > 30 cm y/o abertura > 10 cm). De esta manera se puede determinar si las grietas son de carácter regional o producto de la inestabilidad de la cimentación o de un talud.
Como resultado de la inspección nivel 1, en conjunto con el ingeniero estructural y el dueño de la obra se podrá decidir si es necesario llevar a cabo una inspección Nivel 2.
Inspección Nivel 2
Esta inspección consiste en recopilar toda la información de la obra civil, es decir: a) planos arquitectónicos, plantas y cortes; b) planos estructurales; c) memoria de cálculo estructural; d) espectro sísmico de diseño; e) informe de mecánica de suelos con el que se diseñó la cimentación; y, de ser posible, f) información de estudios geotécnicos cercanos y recientes. Esta información proporcionará
las cargas estáticas y sísmicas de diseño de la estructura. Los pasos para realizar la inspección Nivel 2 son:
Hundimientos diferenciales. Se realizarán mediciones topográficas para determinarlos.
Cargas estáticas y excentricidades. Se estimarán cargas para cada uno de los niveles. Con esta información y con la geometría de la edificación, se determinará el centroide de cargas (acciones) y el centroide de la cimentación (reacciones), para calcular las excentricidades existentes y su efecto en el comportamiento de la obra; por ejemplo, desplomo y agrietamientos en la estructura.
Se determinará el momento de volteo sísmico tomando en cuenta las excentricidades de carga estática. También se analizará el posible momento torsionante del edificio y su efecto en la respuesta de la obra.
Estados límite de falla. De preferencia, con la información del estudio geotécnico del edificio –o, a falta de este, con algún estudio reciente cercano al sitio–, se determinarán los estados límite de falla de la obra, tomando en consideración el Reglamento de Construcciones para la Ciudad de México vigente cuando se diseñó la estructura y se compararán con el actual (2023).
Estados límite de servicio. Con las mediciones de los asentamientos totales y diferenciales de la estructura, así como de su desplomo, se harán las comparaciones con lo permitido en el reglamento vigente cuando se diseñó la obra y se comparará con el actual (2023).
Con los resultados de esta inspección nivel 2, en colaboración con el ingeniero estructural se generarán las conclusiones relativas a la estabilidad de la estructura y el posible riesgo de su ocupación. Además, se podrá determinar si se requiere una inspección de nivel 3, o bien una recimentación de la estructura.
Inspección Nivel 3
Si después de realizar la inspección nivel 2 persisten dudas respecto de las condiciones del suelo en el sitio, será necesario realizar una exploración geotécnica nueva para, de esta manera, determinar la estratigrafía del sitio, así como las propiedades mecánicas y dinámicas necesarias para hacer una revisión de la cimentación por medio de modelos analíticos o numéricos. Esta etapa puede requerir también la investigación de las condiciones piezométricas en el sitio.
En muchas ocasiones se desconoce el tipo de cimentación y su geometría o se tienen dudas sobre ello, por lo cual se requerirá efectuar calas en el contacto de la cimentación con el suelo, así como pruebas geofísicas para determinar la longitud de pilas o pilotes, como pruebas de baja deformación (pile integrity test) o de pozos cruzados. Con estos ensayes también se podrá evaluar la integridad de los elementos, en caso de que hayan sufrido una falla estructural, por ejemplo, por esbeltez como columna larga, al perder confinamiento, o por corte en la conexión con la estructura o en el contacto entre estratos de diferente rigidez.
En caso de que se requiera determinar el comportamiento carga-desplazamiento de pilas o pilotes, se podrán ejecutar pruebas de carga estática con carga axial a compresión o carga lateral; para la planeación y desarrollo de las pruebas de carga, se sugiere seguir las recomendaciones de la NTCDCC-2023.
Si la cimentación existente no satisface el estado límite de falla o de servicio, será necesario aplicar uno o varios de los procedimientos siguientes:
Recimentación. Se añaden elementos adicionales a los existentes, que pueden ser micropilotes, pilas o pilotes. En todos los casos, se tendrán limitaciones de espacio para el acceso a los equipos. Un aspecto importante es que, previamente a la liga de la cimentación existente a los elementos nuevos, es necesario aplicarles una precarga, con el propósito de que su trabajo se desarrolle de inmediato.
Renivelación. Se podrán utilizar elementos como los descritos en el párrafo anterior, que se conectarán y desconectarán a la cimentación una vez efectuada la renivelación. Un caso particular para este propósito son los pilotes de control, que requieren un seguimiento especial durante la etapa de renivelación. Cuando se trate de una cimentación somera, será factible utilizar técnicas complementarias, como la de subexcavación u otras similares.
Mejoramiento del suelo. Las técnicas para el mejoramiento pueden ser con base en inclusiones rígidas o flexibles, inyecciones de penetración, de compactación o de chorro (jet grouting). Con estas técnicas se puede incrementar la resistencia del suelo al corte, así como disminuir su compresibilidad y permeabilidad.
En todos los casos, es necesario adoptar un programa de instrumentación y monitoreo de la cimentación y la estructura, para darle seguimiento al comportamiento de la edificación y asegurar el objetivo deseado.
Conclusiones
La inspección de cimentaciones después de un sismo debe ser realizada por personal familiarizado con el Reglamento de Construcciones de la Ciudad de México y sus Normas Técnicas Complementarias, y con conocimientos de geotecnia, cimentaciones, ingeniería sísmica y de las condiciones de la zona y el sitio de la estructura a investigar.
Los tres niveles de inspección propuestos permiten acotar de manera adecuada el comportamiento de la cimentación con información técnica acumulativa y de complejidad de menor a mayor. Cimentaciones francamente en falla se detectan con la inspección nivel 1 (con pocos recursos económicos y en un lapso corto). La necesidad de hacer las revisiones 2 y 3 (que requieren recursos económicos de importancia) también la proporciona la revisión de nivel 1.
Debe insistirse en la necesidad de la colaboración estrecha entre el especialista en geotecnia y el estructurista
Referencias
Auvinet, G., et al. (2014). Avances sobre el agrietamiento del suelo asociado al hundimiento regional en el Valle de México. XXVII Reunión Nacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica. Sociedad Mexicana de Ingeniería Geotécnica.
Jaime, A. (1987). Características dinámicas de la arcilla del Valle de México. Tesis doctoral. División de Estudios de Posgrado de la Facultad de Ingeniería, UNAM, México.
Jaime, A., et al. (2022). Análisis de asentamientos súbitos por sismo y subsidencia en la Ciudad de México, por medio de imágenes satelitales. Revista de Ingeniería Sísmica 108: 23-52. Sociedad Mexicana de Ingeniería Sísmica.
Jaime, A., y M. Juárez (2023). Retos para el diseño y construcción de obras en el Valle de México. IC Ingeniería Civil 643. Colegio de Ingenieros Civiles de México.
Marsal, R. J., y M. Mazari (1959). El subsuelo de la Ciudad de México. Facultad de Ingeniería, UNAM.
Mendoza, M. y G. Auvinet (1988). The Mexico earthquake of September 19, 1985 – Behavior of building foundations in Mexico City. Earthquake Engineering Research Institute 4 (4).
Norma Técnica Complementaria para el Diseño y Construcción de Cimentaciones (NTC-Cimentaciones). Tamez, E. (2001). Ingeniería de cimentaciones; conceptos básicos de la práctica. México: TGC.
