En este artículo se aborda de manera general la problemática para el diseño y construcción de obras de ingeniería civil en la CDMX y zona conurbada.
Alberto Jaime P. Ingeniero consultor.
Moisés Juárez Camarena Ingeniero de proyecto, IIUNAM.
Motivos históricos, políticos, sociales y económicos han provocado el crecimiento de la Ciudad de México en una región donde se tienen grandes retos para el diseño y construcción de obras civiles. 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 en los basaltos en las zonas de los pedregales al sur de la ciudad.
Una buena parte de la Ciudad de México está asentada en el fondo de un antiguo lago, sobre depósitos de espesores variables 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, a calles y vialidades, entre otras estructuras.
Geotecnia y sismicidad de la CDMX
Zonificación del suelo
En el extremo sur del altiplano mexicano (mesa de Anáhuac o Central) se localiza el Valle de México, en la provincia fisiográfica del Eje Neovolcánico. Se trata de una cuenca cerrada que por costumbre se conoce indistintamente como cuenca o Valle de México (véase figura 1).
Desde el punto de vista geológico, las formaciones más superficiales de la cuenca se dividen en: Tarango, Tacubaya, Becerra y Reciente. La formación Tarango, del Pleistoceno superior, está constituida por brechas andesíticas, arenas y limos. Esta formación aflora al oeste y suroeste, se prolonga hasta el fondo de la cuenca y constituye la base de los depósitos más recientes.
La formación Tacubaya (Marsal y Mazari, 1959) está constituida por arcillas producto de la deposición de cenizas volcánicas muy finas que fueron transportadas por aire o agua hacia los lagos de la cuenca. La formación Becerra contiene estratos de aluvión y polvo volcánico con abundancia de fósiles.
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 (véase figura 2).
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 errátil. 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 ríos; por ello, se pueden encontrar alternancias de materiales limosos y arenosos compactos con estratos de arcilla muy blanda.
La Zona del Lago de Texcoco está compuesta por un manto superficial duro; una secuencia de arcillas blandas intercaladas con estratos delgados de arena, vidrio volcánico y fósiles, llamada Formación Arcillosa Superior (FAS); una Capa Dura de limo arenoso cementado de espesor variable hasta un máximo de 5 m; una Formación Arcillosa Inferior (FAI), con espesor variable entre 4 y 14 m; y finalmente los llamados Depósitos Profundos, en los que subyace una tercera formación de arcilla muy consolidada y de baja compresibilidad que eventualmente aparece.
La Zona de Xochimilco-Chalco se distingue por tener capas de arcillas blandas de gran espesor; en algunas partes alcanza profundidades superiores a los 110 metros.
Comportamiento sísmico
El Valle de México se encuentra ubicado en una zona de alta sismicidad. Los sismos con registros que han causado mayores afectaciones ocurrieron en los años 1957, 1979, 1985 y, recientemente, en 2017. Estos sismos provocaron colapsos y severos daños a edificios; perjudicaron tuberías del sistema de agua potable y drenaje, calles y otras estructuras de los servicios municipales.
Los sismos que principalmente afectan al Valle de México tienen su origen en diferentes partes de la República mexicana: a) costa del Pacífico, sismos por subducción de las placas de Cocos y de Rivera por debajo de la placa de Norteamérica (Jalisco, Colima, Michoacán, Guerrero y Oaxaca); b) Oaxaca, Puebla, Morelos, sismos de falla normal de las placas de Cocos, hacia el este, sur y sureste del valle; c) sistema de fallas de Acambay, al norte; y d) locales, generados en el interior de la cuenca y en sus inmediaciones.
Los diferentes suelos que se hallan distribuidos por zonas en la CDMX 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 de retorno dominantes entre 2 y 4 s; esta variación corresponde con el 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 segundos.
Diferentes investigaciones han demostrado que los sismos provocan asentamientos súbitos. Marsal y Mazari (1959) identificaron estos asentamientos provocados por el sismo de julio de 1957 en diversas construcciones. Posteriormente, Zeevaert (1972) y Jaime et al. (1987) documentaron la ocurrencia de asentamientos súbitos del suelo después de un sismo. 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 una deformación mayor de grietas anteriores.
Hundimiento regional y agrietamiento
El hundimiento regional de la Ciudad de México fue estudiado por Téllez Pizarro (finales del siglo XIX, 1899), Roberto Gayol (1925) y por José A. Cuevas entre 1920 y 1930 (cit. por Hiriart y Marsal, 1969; Zeevaert, 1973). N. Carrillo (1947) señaló como su causa la consolidación de las arcillas debida a incrementos de esfuerzos efectivos provocados por la extracción del agua subterránea para abastecimiento de la ciudad (Jaime, 1987).
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 (Juárez-Badillo, 1961; Marsal y Mazari, 1969 y 1990; Figueroa, 1976; Zeevaert, 1983; 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, Iztapalapa, etc. También hay en los límites del antiguo lago con las sierras y los volcanes que se encuentran en el Valle de México.
De los estudios realizados, en la zona del Aeropuerto Internacional Benito Juárez la velocidad de hundimiento alcanza 25 cm/año, y en la zona federal del ex Lago de Texcoco se alcanza una velocidad de 15 cm/año.
En Iztapalapa, Coapa y Chalco se alcanzan hundimientos variables de 10 a 25 cm/año. Otras zonas, como el Centro Histórico de la ciudad, se hunden, aproximadamente, entre 6 y 15 cm por año.
Los daños más importantes que provoca el hundimiento regional de la ciudad ocurren en las cimentaciones y en la red de servicios municipales (drenaje, agua potable, metro, metrobús, calles, etc.).
Debido a la extracción de agua del subsuelo, las propiedades de la arcilla del Valle de México están en constante evolución en lo que se refiere a contenido de agua, resistencia al esfuerzo cortante, compresibilidad y características dinámicas (Jaime, 1988; Jaime y Méndez, 2002; Ovando et al., 2007; Aguilar, 2008; Mayoral et al., 2019).
También el asentamiento regional ha provocado una disminución de los espesores de arcilla, en algunos casos de varios metros. Esto y el cambio en las propiedades dinámicas de los suelos blandos modifican la respuesta sísmica del suelo. Entre otros efectos, disminuye el periodo dominante del suelo, lo cual puede perjudicar edificaciones cuyos periodos naturales de vibración estén cerca del nuevo periodo.
Zonas minadas y oquedades
En la Zona de Lomas, al poniente de la CDMX 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. Las arenas rosas y azules se utilizaron como agregados de concreto y mortero en la construcción de la CDMX, se explotaron desde épocas remotas. Muchas minas se hicieron por tuneleo y se accedía a ellas por las laderas de barrancas y cañadas del poniente de la ciudad; en algunos casos se explotaron a cielo abierto (la zona de Santa Fe). Se dejaban pilares del mismo material para sostener los techos de túneles y en especial de las galerías (véase figura 3). La longitud de los túneles y galerías es variable entre unas centenas y miles de metros.
En las zonas minadas de la CDMX 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 CDMX, a menudo se encuentran oquedades. Tienen forma de túneles, grietas abiertas y cavernas. Se formaron durante la deposición de la lava arrojada por varios volcanes recientes, como el Xitle. Es recomendable en estos lugares asegurar que los techos de los túneles y cavernas tengan el suficiente espesor para soportar las cargas impuestas por nuevas estructuras. También, las plataformas y rellenos para nivelar el terreno deben diseñarse para evitar la aparición de socavones, los cuales se pueden formar por arrastre del suelo (por agua de lluvia o rotura de ductos de drenaje o agua potable) hacia grietas o cavernas de los basaltos.
Consecuencias del hundimiento regional en las cimentaciones y en los servicios municipales
Emersión de edificios cimentados en pilotes de punta
En cimentaciones en pilotes de punta apoyados en la Primera Capa Dura o en los Depósitos Profundos, se observa el fenómeno de fricción negativa. Es decir, el suelo blando se cuelga del fuste de los pilotes por el desplazamiento vertical de consolidación que sufren por el hundimiento regional.
En las NTC-Cimentaciones (2017) se establece que la fricción negativa no se considerará como parte de las acciones para la revisión del estado límite de falla (capacidad de carga), solamente para el diseño estructural. En algunos casos se puede observar este comportamiento en pilotes de fricción, los cuales, por los asentamientos de la arcilla debajo de sus puntas y la consolidación de estas, pasan a trabajar como pilotes de punta y por tanto comienzan a experimentar una emersión aparente.
Además de lo anterior, se presentan deformaciones diferenciales entre estructuras vecinas. Por ejemplo, la presencia de un edificio cimentado con pilotes de punta provoca que estructuras ligeras vecinas sufran asentamientos diferenciales tan grandes que llegan a destruirlas. Esto se produce porque alrededor de los pilotes el suelo se asienta menos que fuera del radio de acción de ellos, lo cual produce el asentamiento desigual. Las conexiones de agua y drenaje de estos edificios se dañan por asentamiento diferencial.
Inclinación de edificios cimentados con losa, cajón o pilotes de fricción
En cimentaciones parcial o totalmente compensadas, el continuo abatimiento de la presión de poro (por el bombeo del agua subterránea) incrementa los esfuerzos efectivos en el suelo. Tales incrementos, sumados a los esfuerzos inducidos por la cimentación, provocan que se exceda la presión de preconsolidación de la arcilla. Esto hace que pase a trabajar en la rama virgen de la curva de compresibilidad, con el consecuente incremento en desplazamientos verticales. Algo similar se presenta en cimentaciones sobre pilotes de fricción.
También ocurre que edificios pesados sobre losas o cajón de cimentación dañen a estructuras ligeras colindantes. Los primeros se hunden más.
En cambio, cimentaciones sobrecompensadas “emergen» con respecto al terreno circundante debido al alivio de esfuerzos provocado en el suelo.
También se observan desplomos de edificios cuyo centro de cargas no coincide con el de reacciones de su cimentación; en caso de sismo, el problema se agrava.
A lo anterior hay que añadir que durante sismos intensos algunos edificios pueden inclinarse debido al incremento de esfuerzos cortantes en el suelo, producido por el paso de las ondas sísmicas y el balanceo de la estructura.
Formación de grietas y asentamientos diferenciales
El hundimiento regional provoca también la formación de grietas, en especial en aquellas zonas de la ciudad donde hay cambios abruptos en el espesor de los suelos blandos. También en las cercanías de las sierras y cerros se observa este fenómeno.
Las grietas pueden tener profundidades mayores de 10 m y longitudes de varios kilómetros. Han afectado tuberías de agua potable y drenaje, calles, casas, edificios y unidades habitacionales. Provocan socavones y hundimientos diferenciales, y ponen en riesgo la estabilidad de edificios y casas; incluso pueden provocar su colapso (Auvinet et al., 2014). Sin embargo, las grietas algunas veces aparecen sin previo aviso.
Otros daños
Los asentamientos diferenciales provocados por la subsidencia de la ciudad causan con frecuencia roturas de las tuberías de agua potable y de drenaje.
Las tuberías de agua potable trabajan a presión; al momento de romperse generan chorros de agua o chiflones que arrastran el suelo alrededor del tubo hacia la superficie u otras oquedades, y evolucionan en socavones. Estos aparecen súbitamente; algunas veces hay señales en la superficie y en otras ocasiones no. También pueden ocurrir socavones por colapso estructural de tubos de drenaje, colectores y sifones o fallas de excavaciones.
Los socavones provocados por fugas de agua de tuberías de drenaje se producen cuando estas pasan de trabajar como canales a hacerlo a tubo lleno, por tanto, a presión. A diferencia de las tuberías de agua potable, que tienen sellos herméticos y aguantan presión interna, las tuberías de drenaje se diseñan para trabajar como canales. Las juntas entre tubos de drenaje tienen sellos que soportan bajas presiones y se dislocan o rompen con relativa facilidad cuando se presenta un hundimiento diferencial. Esto induce fugas del tubo de drenaje y erosión lenta del suelo que lo envuelve, el cual es arrastrado por el agua hacia el propio conducto, a los pozos de visita o hacia la superficie.
También es frecuente que haya fugas de agua por mala conexión de los tubos de drenaje con los pozos de visita, lo que provoca erosión del suelo y se manifiesta con baches alrededor de las coladeras de los pozos. Esto se observa frecuentemente en las calles de la ciudad. Además, cuando hay una lluvia intensa que provoca la inundación de la calle, la tubería de drenaje pasa a trabajar a tubo lleno, es decir, a presión, lo cual puede generar rotura de los sellos entre tubos o en la conexión con pozos de visita. Esto propicia, a su vez, arrastre del suelo, que puede provocar un socavón.
Conclusiones
En el Valle de México existen condiciones peculiares de diseño y construcción de obras civiles debido a las causas siguientes: 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 en los basaltos en las zonas de los pedregales al sur de la ciudad.
La extracción de agua de los acuíferos del valle para abastecimiento de la población provoca abatimientos piezométricos. Estos, a su vez, inducen incrementos de esfuerzos efectivos que provocan, además del hundimiento regional de la Ciudad de México, los efectos siguientes: a) agrietamiento por enjutamiento diferencial de los depósitos de suelo; b) problemas de asentamientos no controlados en edificios cimentados sobre zapatas o cajones total o parcialmente compensados; c) en estructuras apoyadas sobre pilotes de punta se tiene el fenómeno de fricción negativa actuando en estos , lo cual disminuye notablemente su capacidad portante; d) afectaciones entre edificios (o casas) vecinos soportados por cimentaciones diferentes, debido a distintas magnitudes o velocidades de asentamiento entre unos y otros; y e) evolución constante de las propiedades índice, mecánicas y dinámicas de las arcillas del valle.
A diferencia de otros sitios en el mundo, en los cuales sismos con magnitudes de entre 6 y 7 generados a distancias mayores de 100 km prácticamente pasan desapercibidos, en el Valle de México sismos con magnitudes de 6 y con distancias epicentrales hasta de 400 km pueden producir movimientos muy intensos.
Cuando las frecuencias dominantes de los temblores que llegan al valle están entre 0.25 y 1 Hz, se sienten con gran intensidad en las zonas de los lagos de Texcoco y de Xochimilco-Chalco y en algunas partes de la Zona de Transición. Si se comparan los espectros de aceleraciones de las zonas de los Lagos con los de las Lomas hay un factor de amplificación entre 10 y 15. Con frecuencia es muy importante el efecto de interacción dinámica suelo-estructura.
Los túneles y galerías en zonas minadas de la CDMX y el Estado de México pueden ser detectados para su tratamiento o evitados, mediante inspecciones detalladas para su mapeo. Es aconsejable continuar con la zonificación de las minas abandonadas.
Los problemas de cimentación en la zona de basaltos de la CDMX pueden ser disminuidos y eludidos con una buena exploración y soluciones de cimentación ad hoc.
Los socavones por fuga de agua son impredecibles, así como aquellos provocados por colapso estructural de tuberías y colectores
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.
Auvinet, G., et al. (2017). El subsuelo de la Ciudad de México. Vol. III. México: Instituto de Ingeniería, UNAM.
Jaime, A. (1988). Geotecnia y sismicidad en el Valle de México. Series del Instituto de Ingeniería, UNAM D-29.
Jaime, A., et al. (2021). 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.
Marsal, R. J., y Mazari, M. (1959) El subsuelo de la Ciudad de México. 2ª ed. (1969) México: UNAM.
Mooser, F. (1976). Geología. Memorias del Simposio Cimentaciones en Zonas Minadas de la Ciudad de México. Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos.
Springall, G. (1976). Implicaciones de las minas subterráneas. Memorias del Simposio Cimentaciones en Zonas Minadas de la Ciudad de México. Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos.
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