¿Qué son los depósitos profundos en la estratigrafía de la cuenca del Valle de México?
José Luis Rangel Núñez Doctor en Ingeniería.
En este trabajo se pretende dar una visión general de los Depósitos Profundos a partir de la información que actualmente existe, principalmente desde el punto de vista de su origen, su composición y del impacto que tienen en aspectos del diseño y proceso constructivo de la cimentación.
La estratigrafía típica de la Ciudad de México para las zonas geotécnicas II (Transición) y III (Lago) consiste en cinco unidades geotécnicas (citadas a partir de la superficie): la Costra Superficial (CS), la Serie Arcillosa Superior (SAS), la Capa Dura (CD), la Serie Arcillosa Inferior (SAI) y los Depósitos Profundos (DP). A este modelo estratigráfico se le puede nombrar original y, en principio, define a los Depósitos Profundos como aquellos estratos muy competentes pero que aún no se consideran macizos rocosos, que se localizan por debajo de las series arcillosas de las zonas geotécnicas II y III.
El modelo estratigráfico original supone que los Depósitos Profundos son el basamento de todas las unidades deformables que se tienen por arriba y, por tanto, si la cimentación de un edificio se apoya en ellos se pueden evitar los problemas de capacidad de carga, amplificación dinámica, agrietamiento y asentamientos absolutos y diferenciales a corto y largo plazo. Sin embargo, esta idea podría ser incorrecta –al menos parcialmente– a la luz de la información recientemente generada en las campañas de investigación geotécnica.
En efecto, de acuerdo con las necesidades actuales de los proyectos de edificación de la Ciudad de México, en los que se requieren excavaciones más profundas a fin de alojar los sótanos de los estacionamientos, y en casos extremos ha sido necesario remover todo el espesor de las series arcillosas, se opta por desplantar la cimentación a alguna profundidad dentro de los Depósitos Profundos, lo que provoca que las campañas de investigación sean profundas, del orden de 150 m. Los resultados de estas campañas de exploración revelan aspectos sobresalientes de los DP: son heterogéneos lateralmente y a profundidad, contienen capas de poco a muy deformables y agrietadas, sus condiciones hidráulicas son distintas de las existentes en los depósitos arcillosos superiores, su resistencia y deformabilidad difieren de las encontradas en los depósitos volcánicos competentes que se localizan en la Zona de Lomas al poniente de la ciudad y, finalmente, los DP también participan en el hundimiento regional.
Aspectos geológico-geotécnicos generales
Castillo (1978), Murillo (1978) y Zeevaert (1983) fueron de los primeros en documentar los DP. En el modelo del subsuelo indicado por Zeevaert (1983), que se presenta en la figura 1, se observa que la CS y la SAS forman parte de las formaciones Becerra (8,000 a 16,000 años) y Tacubaya (30,000 a 45,000 años), respectivamente, y que pertenecen al Pleistoceno (tabla 1). Por su parte, la CD, la SAI y los DP –a consideración del autor– son parte de la Formación Tarango, del Plioceno medio y superior, y esta descansa sobre la Sierra de las Cruces del Plioceno inferior. Sin embargo, dado que el origen de las series arcillosas (SAS y SAI) es lacustre y el de los DP es fluvial, aluvial, lacustre o alguna combinación de ellos –es decir, en ambos casos el origen es sedimentario, con edades fluctuantes entre 120,000 a 430,000 años–, no es posible considerar que alguna de estas unidades pertenezca a la Sierra de las Cruces, ya que su origen es volcánico (tobas, lahares, basaltos, riolitas, andesitas, etc.); asimismo, es conveniente destacar que la Sierra de las Cruces ya existía cuando se formaron la SAI y los DP, debido a que su edad oscila entre 2.6 y 5 millones de años.
Otro aspecto por destacar de los DP es que contienen capas cuyo origen es francamente lacustre; en efecto, existen dos capas de arcillas blandas, la primera entre 36 y 45 m de profundidad y la segunda entre 61 y 72 m, cuyas humedades son menores que las de las series arcillosas superiores. Finalmente, los DP están sumergidos y con diferentes niveles de abatimiento en las presiones de poro, mientras que en las tobas del poniente no existe un nivel de aguas freáticas superficial.
En el modelo estratigráfico de Zeevaert (1983) se indica que los DP se componen por depósitos arenolimosos con dos capas arcillosas y los niveles piezométricos ligeramente abatidos. Murillo (1978) divide y detalla aún más a los DP de la manera siguiente:
- Depósitos Profundos Superiores (DPS). Limos, arenas finas y limosas muy compactas con contenidos de agua cercanos a 50%.
- Tercera Formación Arcillosa (FA-3). Depósitos de arcillas y limos de espesor superior a 6 m con contenidos de agua de 147% en promedio y máximos de 280%.
- Depósitos Profundos Inferiores (DPI). Estratos arenosos, limosos y limoarenosos que en ocasiones contienen arcillas y gravas con un contenido medio de agua del 37%.
- Cuarta Formación Arcillosa (FA-4). Depósitos arcillosos localizados entre 145 y 160 m de profundidad.
Un aspecto importante que resalta Murillo es que en los DP se presenta una cuarta capa de arcilla localizada entre 145 y 160 m de profundidad. La presencia de las capas arcillosas en los DP y los respectivos abatimientos de las presiones de poro observados refuerzan la idea de que los DP participan en el hundimiento regional.
A partir del modelo de Zeevaert (1983) se han producido diferentes interpretaciones de cortes estratigráficos oeste-este de la Ciudad de México, como el mostrado en la figura 2, donde se observa que al poniente de la ciudad los DP van disminuyendo de espesor, y se sugiere que debajo de ellos podrían encontrarse las tobas de la Formación Tarango, y hacia el oriente el basamento de los DP está formado por coladas de basalto. Es conveniente recordar que al sur de la Ciudad de México, casi en la frontera entre las zonas del Lago y Lomas, es común encontrar coladas de basalto dentro de las series arcillosas.
Por otra parte, Federico Mooser modificó algunos aspectos del modelo de Zeevaert, proponiendo que la Formación Tarango no se encuentra por debajo de los DP en la Zona del Lago de la ciudad, dadas las edades (figura 3), y que el origen de las series arcillosas y de los DP es lacustre, fluvial o aluvial, y no volcánico.
En la figura 4 se muestra el modelo propuesto por F. Mooser (Santoyo et al. 2005), que se basa en información obtenida de sondeos geotécnicos cortos realizados en toda la ciudad y de los sondeos profundos Roma, Mixhuca y Texcoco (SHCP, 1969). En este perfil estratigráfico se indica que el contacto entre los depósitos sedimentarios de la Ciudad de México y los volcánicos de la Sierra de las Cruces es discordante a través de los suelos de pradera, que son depósitos que se encuentran sobre la Formación Tarango, y que esta última no se encuentra por debajo de los DP (denominados ahora Depósitos Aluviales, DAL), sino que más bien la base de los DP podrían ser los Depósitos Lacustres Taxhimay, los aglomerados del Tepozteco o las lavas y lahares del Tepozteco (Mioceno).
Recientemente, Mooser (2018) presentó un corte estratigráfico que se desarrolla a lo largo de la línea 12 del metro de la CDMX y que se muestra en la figura 5. En este corte, en la Zona del Lago de la Ciudad de México, la Formación Tarango se coloca por debajo de los DP (aquí nombrados Depósitos Arenosos Fluviales, DAF), y los DAF y las series arcillosas (SAS y SAI) se encuentran en contacto lateral discordante, en la Zona de Pradera. Al parecer, aún está en discusión qué se encuentra debajo de los DP en la Zona del Lago y si la Formación Tarango o los DP que se indican en la figura 5 están en contacto lateral discordante con las series arcillosas.
Caracterización geomecánica de los Depósitos Profundos
A partir de los resultados de las campañas actuales de investigación de los DP (campañas de exploración e instrumentación), el modelo estratigráfico original de la Ciudad de México se transforma en uno más detallado donde se incluye la subdivisión de los DP, es decir: Costra Superficial (CS), Serie Arcillosa Superior (SAS), varias Capas Duras (CD), Serie Arcillosa Inferior (SAI) y los Depósitos Profundos (DP o DAL), que hasta 100 m de profundidad se encuentran subdivididos en:
- Depósitos aluvio y fluviolacustres, formados por arenas arcillosas (DP-AF1 y 2).
- Series arcillosas profundas, constituidas por arcillas lacustres (DP-SAP1 y 2).
- Depósitos aluvio y fluviolacustres formados por arenas arcillosas lacustres (DP-AF3 y 4).
- En la figura 6 se presenta un corte estratigráfico poniente-oriente que va desde la Estela de Luz (cerca del cerro de Chapultepec) hasta la glorieta Colón, con una longitud de 2.5 km, y que se localiza en la Zona del Lago de la Ciudad de México. En este corte también se muestra la variación con la profundidad de la presión de poro medida con piezoconos y con piezómetros eléctricos, así como la presión hidrostática de referencia, que en este caso particular inicia donde se midió el NAF (inicialmente la hidrostática empezaba algunos metros por arriba del nivel del terreno debido a la existencia del lago).
Con base en la figura 6, surgen los siguientes comentarios:
Heterogeneidad. Si bien se aprecia homogeneidad vertical y lateral en cada una de las unidades de DAL (o DP), esto es aparente, pues cada una de las capas DP-AF 1 a 4 presenta una interestratificación importante entre lentes duros y suaves, como se aprecia en la variación del número de golpes.
Abatimiento de las presiones de poro. Se distingue claramente el abatimiento de las presiones de poro, tanto en los DAS, incluyendo la CD (SAS, CD y SAI) como en los DP (DP-AF 1 a 5 y DP-SAP), y estos abatimientos crecen hacia el poniente. En los depósitos arcillosos el abatimiento es variable y en general se observan presiones nulas en los lentes arenosos. A partir de los DP, las presiones de poro crecen linealmente desde cero con una tendencia paralela a la hidrostática que se indica en la figura.
Propiedades mecánicas. Se realizaron mediciones de las propiedades mecánicas principales en los DP utilizando el presiómetro (PMT) y el ficómetro (PHI) en estratos duros, y piezoconos (sCPTu), dilatómetros (sDMT) y pruebas de laboratorio rutinarias en estratos suaves. Los valores promedio obtenidos, que son representativos de cada una de las unidades, se indican en la tabla 2.
Esfuerzo cortante resistente. Se observa en los depósitos duros que los esfuerzos cortantes resistentes son altos, mayores para las unidades DP-3 y DP-4. Los estratos suaves también tienen valores altos de cohesión. Es importante comentar que, si bien son valores altos, el agrietamiento que existe en estas unidades hace que estos valores en la práctica tiendan a ser menores. En efecto, en los barrenos de perforación y en las excavaciones que se han realizado para la construcción de las pilas y barretes es frecuente que las paredes sean inestables, lo que conduce al empleo de fluidos de estabilización, como lodos de bentonita o de polímero.
Velocidades de onda cortante. Los valores de la velocidad de onda cortante para los DP se ubican en el intervalo de 200 m/s ≤ Vs,DP ≤ 600 m/s, con un valor promedio de Vs,DP-prom = 350 m/s. Comparando estos valores con los de las series arcillosas (60 m/s ≤ Vs,SAS-SAI ≤ 120 m/s y valor promedio de Vs,SAS-SAI-prom = 80 m/s) y con la Formación Tarango (320 m/s ≤ Vs,Tarango ≤ 850 m/s y Vs,Tarango-prom = 500 m/s), se puede comentar lo siguiente:
- Las velocidades de los DP son mayores que las de las series arcillosas, pero menores que las de la Formación Tarango.
- El valor promedio de la velocidad cortante en los DP es menor de 720 m/s, por lo que estrictamente no podría considerarse que los DP sean el basamento sísmico de la Ciudad de México; sin embargo, el valor promedio de la Formación Tarango, donde prácticamente no existen efectos de sitio y se considera como terreno firme, también es menor de 720 m/s, por lo que cabalmente tampoco se cumple con el criterio de terreno firme o basamento. Lo anterior sugiere que el valor límite de 720 m/s debería ser menor para la Ciudad de México, por ejemplo, 350 m/s. Por tanto, resulta conveniente llevar a cabo una discusión más amplia sobre la frontera del basamento sísmico.
- Hundimiento regional. En mediciones del hundimiento regional a diferentes profundidades en la Catedral Metropolitana (Santoyo et al., 2005) se determina que la participación de los DP en el hundimiento regional fluctúa entre el 32 y el 38% del observado en superficie.
Impacto en el diseño y proceso constructivo de las cimentaciones profundas
Si bien la resistencia y deformabilidad en los DP y la Formación Tarango son sustancialmente mejores que las de los depósitos lacustres superiores (SAS y SAI), se ha observado que en los DP pueden presentarse problemas durante la construcción de las cimentaciones profundas (pilas o barretes), y esto repercutir en una reducción importante de su capacidad de carga.
Las soluciones de cimentación de edificios muy altos en los DP y en la Formación Tarango se limitan al empleo de pilas o barretes, debido a la imposibilidad de hincar un pilote. Durante la construcción de estos elementos en el centro de la Ciudad de México suelen presentarse problemas de estabilidad de las paredes de la excavación, por lo que es necesario emplear lodos, ya sea de bentonita o poliméricos, pero, debido al preagrietamiento existente en estos materiales, se producen fugas de importancia de los lodos de perforación, ya sea por la reactivación del agrietamiento o porque se produjo el fracturamiento hidráulico. Igualmente, durante el colado de las pilas se presentan fugas del concreto. Para resolver esta problemática, actualmente se llevan a cabo –de manera previa a la construcción de la cimentación– campañas de mejoramiento del subsuelo, principalmente con inyecciones de lechadas de cemento-arena.
Debido a la alteración generada en las paredes de las excavaciones por el empleo de lodos durante la construcción de las pilas o barretes (ya sea por una penetración importante del lodo en el suelo o por la falla local de las paredes de las excavaciones), ha sido difícil alcanzar los esfuerzos teóricos resistentes por fuste y punta de la cimentación profunda (fs y σp, respectivamente), que teóricamente deberían obtenerse al considerar los parámetros mecánicos medidos en los DP (tabla 2). Este aspecto constructivo es crítico en el caso de las cimentaciones profundas ubicadas en los DP, ya que es común que los valores de resistencia del fuste y punta medidos en pruebas de carga sean sustancialmente menores, del orden de 36 ≤ fs ≤ 150 kN/m2 y 2,000 ≤ σp ≤ 12,000 kN/m2.
En la figura 7 se presentan los resultados de pruebas de carga de pilas de 1 m de diámetro (excepto la prueba con línea de color negro, que fue de 1.2 m, y la amarilla, de 0.8 m)
llevadas a cabo en DP y en la Formación Tarango. Obsérvese que en las pruebas de carga realizadas en los DP se generan deformaciones mayores, así como una capacidad de carga menor, lo que sugiere que las propiedades mecánicas de los DP son bajas, y menores a las que se pueden obtener al utilizar las propiedades indicadas en la tabla 2, pero en realidad lo que sucede es que en los DP el procedimiento constructivo de las cimentaciones profundas se dificulta a profundidades mayores de 50 m, debido a que se afecta el mecanismo de transferencia de carga de la pila al suelo, principalmente por la alteración generada en la resistencia cortante por fuste (fs) y en el esfuerzo máximo de la punta (σp), como previamente se mencionó. En efecto, a tales profundidades la presencia del agrietamiento del depósito y las condiciones de saturación de los estratos hacen necesario emplear lodos para estabilizar las paredes de la excavación, particularmente los de bentonita, dependiendo del tiempo que esté expuesto este lodo a las paredes del suelo. Para pilas a profundidades mayores de 50 m este tiempo se incrementa de manera importante; llega a ser del orden de días. A mayor tiempo de exposición del lodo en las paredes de la excavación, mayor será su penetración en el suelo de las paredes, que formará un mayor espesor de enjarre, o cake; ocasionará una disminución importante del esfuerzo resistente por fricción (fs) y por consiguiente el descenso de la capacidad por fuste de la pila. Asimismo, para la punta de la pila es común que se generen azolves de importancia en la base de la excavación, aun después de haber teóricamente limpiado de forma adecuada el fondo de la excavación, por lo que se producirá una reducción de la capacidad por punta de la pila. En estas condiciones inadecuadas para el trabajo por punta de la pila, la solución más común ha sido llevar a cabo una postinyección de la punta, y así eliminar este defecto, al menos parcialmente. Todo lo anterior también puede ocurrir en la Formación Tarango, pero en una escala menor, pues generalmente la excavación se hace en seco y se tienen problemas mínimos de inestabilidad en las paredes.
Conclusiones
Los DP son aquellas capas que se localizan en las zonas del Lago y de Transición de la Ciudad de México por debajo de la SAI y que presentan una alta resistencia y baja deformabilidad. Están constituidos por suelos granulares, principalmente arenolimosos con o sin gravas, intercalados con estratos de arcilla o limo, y en general están afectados por agrietamiento y son heterogéneos tanto lateralmente como a profundidad. Se observan reducciones importantes en la presión de poro, pues inicialmente su nivel del agua coincidía con el de la superficie del terreno, pero actualmente este nivel ha descendido a la parte superior del depósito.
Anteriormente se consideraba que los DP eran una continuación de la Formación Tarango, pero esta última es de origen volcánico, mientras que los DP son de origen sedimentario. Las diferencias están no solo en el origen de estas unidades sino también en que los DP tienen menor rigidez y resistencia; asimismo, presentan mayor inestabilidad al ser excavados, y en general la capacidad de carga de las cimentaciones profundas es menor y se producen mayores deformaciones.
Los DP participan con entre el 32 y el 38% del hundimiento regional de la Ciudad de México, y si bien su velocidad de onda cortante es menor de 720 m/s, pueden considerarse, para fines prácticos, el basamento sísmico de la ciudad.
Referencias
Castillo M., R. (1978). El subsuelo y la ingeniería de cimentaciones en el área urbana del Valle de México. Cap. 3. México: SMMS.
Gutiérrez, C. (1996). Comunicación personal.
Mooser, F. (2018). Geología del valle y otras regiones del país. Vol. I. México: Colegio de Ingenieros Civiles de México.
Murillo F., R. (1978). El subsuelo y la ingeniería de cimentaciones en el área urbana del Valle de México. Cap. 4, Ex-Lago de Texcoco. México: SMMS.
Santoyo, E., et al. (2005). Síntesis geotécnica de la cuenca del Valle de México. México: TGC.
Secretaría de Hacienda y Crédito Público, SHCP (1969). El hundimiento de la Ciudad de México. Vol. Nabor Carrillo. México.
Zeevaert, L. (1983). Foundation engineering for difficult subsoil conditions. Van Nostrand Reinhold.
