suelo conglomerado geologia

1. GEOTECNIA DE LOS SUELOS PERUANOS
“INVESTIGACIONES RECIENTES EN EL SUELO
GRANULAR GRUESO DE LIMA”
ARNALDO CARRILLO GIL, MSc
Profesor Emérito de la Universidad Nacional de Ingeniería
Profesor de Ingeniería Civil de la Universidad Ricardo Palma
EDUARDO CARRILLO DELGADO
OSCAR DONAYRE CORDOVA
Miembros de A. Carrillo Gil S.A., Ingenieros Consultores
Tel. 433 9591-Fax 433 0299-E mail: arnaldo@amauta.rcp.net.pe
RESUMEN:
Se presentan los resultados preliminares de las investigaciones llevadas a cabo en los
suelos gravo arenosos de Lima Metropolitana, donde se han practicado excavaciones
importantes para alojar sótanos profundos. Los ensayos de campo ejecutados han tenido
por objetivo determinar valores de la cohesión y ángulo de fricción interna de estos suelos
para complementar resultados obtenidos anteriormente por medio de pruebas de carga
vertical y ensayos de corte directo tallados en el sitio.
Los ensayos efectuados son principalmente pruebas de carga horizontal y ensayos de
rotura progresiva. Los primeros consisten en aplicar carga a una placa colocada en la
pared del pozo de prueba, utilizando la pared opuesta para ejercer la reacción de carga
correspondiente. El segundo ensayo consiste en preparar un espécimen prismático en el
sitio y aplicar una carga horizontal para originar una rotura que se extiende gradualmente
sobre la superficie potencial de deslizamiento desde un punto o una línea hacia los límites
o bordes de dicha superficie.
Se hace una evaluación de los resultados obtenidos comparándolos con los resultados
anteriores colectados, para en el futuro llegar a conclusiones que permitan disponer de
parámetros geotécnicos válidos para establecer el comportamiento de los suelos
granulares gruesos del "Conglomerado de Lima".

2. GEOTECNIA DE LOS SUELOS PERUANOS
I. INTRODUCCION
La excavación profunda de sótanos principalmente, con el retiro de pesos substanciales
de suelo, modifica de manera importante las tensiones existentes en el espacio
circundante. Estos cambios de tensiones han producido en los suelos granulares gruesos
de Lima Metropolitana levantamiento imperceptible del fondo de las excavaciones y
desplazamientos horizontales importantes hacia el interior de las paredes de la misma,
para ocasionar finalmente derrumbes que en algunos casos han cobrado vidas humanas
y en otros han originado daños en las estructuras cercanas cuyo costo en muchos casos
se acerca y aún sobrepasa el costo de construcción de la misma cimentación (Ref. 1).
Para evitar problemas y adoptar criterios geotécnicos bien fundados, es recomendable
tomar en consideración el probable comportamiento del suelo, que por encontrarse en
estado compacto y estar conformado por piedras y grava empacadas en arena gruesa, se
ha confiado en el pasado demasiado en su resistencia y soporte lateral, sin estimar la
magnitud de sus movimientos y las probables consecuencias que puede acarrear no
prever estudios serios y bien documentados que establezcan valores confiables de los
parámetros geotécnicos de resistencia al cortante de estos suelos, valores que aún se
toman de referencias pasadas o en base a los pocos ensayos realizados anteriormente
(Ref. 2). Esto nos ha llevado a elaborar un programa de investigación a mediano y largo
plazo que nos permita en el futuro evaluar empujes, soporte y capacidad de carga mas
cercanos a la realidad y con ello diseñar nuestras obras de ingeniería con mayor
economía y seguridad, sea en excavaciones, calzaduras, cimentaciones y cualquier otra
obra en la que sea necesario utilizar los parámetros más relevantes de la resistencia del
suelo que corresponden a la cohesión y al ángulo de fricción interna de estos suelos
granulares gruesos (Ref. 3).
II. ANTECEDENTES GEOTECNICOS
Desde hace muchos años venimos estudiando las gravas arenosas limpias denominadas
“El Conglomerado de Lima” procedentes del abanico fluvial depositado por el Río Rimac
en la mayor parte del área que actualmente ocupa Lima Metropolitana y que es la que
soporta las mayores cargas de los obras de ingeniería construidas hasta la fecha (Ref. 4).
Formaciones geológicas similares también han sido estudiadas en otros países, “La
Grava de Santiago” tiene estudios relevantes sobre comportamiento y determinación de
sus parámetros geotécnicos (Ref. 5). Como queda dicho, la construcción de excavaciones
para sótanos profundos con taludes próximos a la vertical plantea la necesidad de

3. GEOTECNIA DE LOS SUELOS PERUANOS
considerar los parámetros de resistencia al corte del suelo a muy bajas presiones de
confinamiento, estimándose que existe una cohesión que no se debe a ninguna adhesión
entre las partículas o algún cementante que las una, sino mas bien a un entrampamiento
mecánico entre las partículas grandes y pequeñas que constituyen el suelo granular
grueso, es por ello que cuando este efecto se destruye las propiedades resistentes
disminuyen o se anulan, produciéndose derrumbes, pérdida de soporte o deformaciones
inadmisibles(Ref. 6). Investigaciones llevadas a cabo en la “Grava de Santiago”,
establecen que el parámetro mas importante en el diseño de taludes de excavaciones es
la cohesión, siendo de importancia secundaria el valor del ángulo de fricción interna. ( Ref.
7). Por el contrario, en el cálculo de capacidad portante de cimentaciones, el ángulo de
fricción interna es lo mas relevante. Se puntualiza también que para que un suelo movilice
su resistencia al corte necesita deformarse, la movilización de c y ϕ depende de la
deformación unitaria del suelo.
En el Programa de investigación iniciado hemos considerado tomar en cuenta los estudios
que hemos realizado por mas de 18 años en los taludes de los acantilados de la Costa
Verde (Ref. 8), utilizando sus resultados para evaluaciones de retroanálisis o cálculo
retrospectivo (back-analysis) de los valores de c y ϕ, así como los ensayos tradicionales
de Pruebas de Carga Directa en Placa Rígida, introduciendo además los ensayos de
Rotura Progresiva que más adelante comentamos.
III. PROPIEDADES DEL SUELO
Ensayos de caracterización de las gravas arenosas limpias del “Conglomerado de Lima”
han sido realizados en muchas oportunidades (Ref. 9), encontrándose los siguientes
rangos de variación:
Ensayo Variación
Peso Unitario 18 kN/m3
a 22 kN/m3
Densidad Relativa 70% a 98%
Diámetro Efectivo 0.15 a 0.45
Coeficiente de Uniformidad 10 a 130
Clasificación Unificada GW/SP

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En los ensayos efectuados para esta parte de la investigación, las características del
material geotécnico fueron las siguientes:
N° γ
(Ton/m3)
% de
Grava
Diámt.
Máximo
w% SS Sin
Conf.
Con
Conf.
1 2.44 76.2 10 3.59 2.68 PRP-01 -.-
2 2.39 77.6 12 2.36 2.71 PRP-02 -.-
3 2.42 79.0 14 6.37 2.64 PRP-03 -.-
4 2.06 60.0 10 2.93 2.65 -.- PRPC-01
5 2.35 75.7 11 2.89 2.65 -.- PRPC-02
6 2.39 78.5 12 3.39 2.70 -.- PRPC-03
7 2.05 63.8 10 2.77 2.63 -.- PRPC-04
IV. ENSAYOS DE CARGA DIRECTA
Durante muchos años, quizá mucho antes del año 1963 que la Universidad Nacional de
Ingeniería adquirió su equipo de Prueba de Carga Directa, se han practicado numerosos
ensayos de Placa sobre los suelos del “Conglomerado de Lima” tanto en condiciones
húmedas como secas, logrando envolventes de ensayos similares que muestran, para
cargas mayores de 10 kg/cm2
, deformaciones no mayores de 3 mm ( Ref. 10 ).
La metodología para los ensayos de Placa convencionales realizados indica aplicar carga
vertical directamente al suelo con el fin de medir las deformaciones correspondientes a
estas cargas, para ello se requiere implementar un adecuado sistema de reacción de
carga, el mismo que resulta costoso y en algunos casos imposible de acondicionar en los
lugares de prueba, lo que dificulta la ejecución del ensayo o reduce la cantidad de
pruebas programadas. En la investigación en curso estamos utilizando ensayos de Placa
con carga horizontal, disponiendo la placa activa en una de las paredes del pozo y la
reacción de carga se logra en la pared opuesta, logrando en algunos casos similitud con
los ensayos de carga vertical. En Chile estos ensayos se están aplicando hace algún
tiempo y se han encontrado resultados comparables con los de carga vertical (Ref. 11).
La Figura 1, muestra la ejecución de los ensayos con carga horizontal y la implementación
de los equipos correspondientes.

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FIGURA 1.- EQUIPO UTILIZADO EN LA PRUEBA DE CARGA HORIZONTAL

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V. ENSAYOS DE ROTURA PROGRESIVA
Tomando en consideración la teoría de Terzaghi para el cálculo del empuje pasivo sin
necesidad de fijar una superficie plana de deslizamiento, tomando en cuenta una
superficie de contacto empujada hacia una masa de suelo cohesivo-friccionante ideal
cuya resistencia al cortante cumple con la Ley de Coulomb, se ha supuesto la aplicación
de cargas sobre un prisma de suelo granular grueso tallado en un pozo de prueba unido
por su parte inferior y posterior al depósito de suelo por ensayar de manera que al ser
solicitado al suelo se le haga llegar hasta la falla con la carga aplicada progresivamente
(Ref. 12). Con ello se determina la superficie de falla y el empuje pasivo necesario para
que ésta se produzca y por interacciones sucesivas encontrar los parámetros geotécnicos
de resistencia, esto es, la cohesión y el ángulo de fricción interna. Le hemos llamado
“ensayo de rotura progresiva” por que durante la prueba la rotura del suelo ensayado se
extiende gradualmente sobre la superficie potencial de deslizamiento desde la placa hacia
los límites o bordes de dicha superficie.
Los ensayos fueron llevados a cabo en pozos de prueba ejecutados dentro de las
excavaciones preparadas para alojar sótanos a diferentes niveles con respecto al de la
calle, tallándose prismas de suelo gravo arenoso cuyas dimensiones correlacionen con el
tamaño de las partículas grandes, que como cantos rodados conforman el suelo,
manteniendo una sección cuadrada y un largo aproximado a tres veces el lado de la
sección ensayada. Como queda dicho, el prisma permanece unido al suelo natural por
medio de su base y de la cara opuesta al frente cargado. Por facilidad de visualización del
avance del agrietamiento que se produce conforme se carga al suelo, toda la superficie
visible de los prismas fueron recubiertos con una capa de yeso que a su vez mantenía
cierta verticalidad en sus paredes, ensayándose en algunos casos sin ningún
confinamiento y en otros con la presencia de paredes laterales de madera. La carga fue
transmitida por medio de un celda de carga accionada por un sistema hidráulico instalado
a un tercio de la altura de la placa de acero que cubre todo el frente del prisma de
ensayo. Las deformaciones producidas fueron medidas por medio de extensómetros de
carátula. La carga fue incrementada progresivamente, dejando pasar el tiempo suficiente
para efectuar las lecturas finales de la deformación así como de las anotaciones de
fisuras y grietas que se produzcan, reiterándose el proceso hasta llegar de una manera
gradual a la carga de rotura o falla del prisma ensayado.
La figura 2, muestra fotografías que indican el ensamble y conducción de los ensayos
mencionados.

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FIGURA 2.- EQUIPO UTILIZADO EN LOS ENSAYOS DE ROTURA PROGRESIVA

8. GEOTECNIA DE LOS SUELOS PERUANOS
DISCUSION DE RESULTADOS
Los resultados de los ensayos de carga directa y de rotura progresiva conducidos para
obtener los parámetros geotécnicos correspondientes al “Conglomerado de Lima” indican
registros de un número considerable de ensayos de carga directa vertical comparados
con algunos ensayos recientes de carga directa horizontal en los que se encuentra que,
los primeros exhiben cargas mas altas para deformaciones mas pequeñas, mientras que
los otros indican estar más cercanos a aquellos que se ensayaron con carga directa
vertical pero con un cierto contenido de humedad, encontrándose que el último tiene
menor carga y mayor deformación, sin embargo los ensayos practicados en Chile,
comparados entre carga vertical y horizontal en la Zona de Proterillos, aparecen con
mayores cargas y mejor aproximación (Ref. 13).
Los resultados de los ensayos de rotura progresiva han sido efectuados para desarrollar
un modelo para predecir los valores de la cohesión y el ángulo de fricción interna de las
gravas arenosas limpias del Conglomerado de Lima. La comparación de las envolventes
de corte disponibles con anterioridad efectuadas por corte directo “in situ”, en las que el
valor del ángulo de fricción interna varía de 25º
hasta 42º
y la cohesión desde 44 kPa
hasta 84 kPa con las correspondientes a los ensayos de rotura progresiva efectuados
recientemente ( 28º
< ϕ < 38º
, 29 kPa <c< 47 kPa ) indican valores obtenidos con el
ensayo de rotura progresiva siempre por debajo de los valores de corte directo, aunque si
se toman los promedios de todos los ensayos efectuados en cada una de las modalidades
se encuentran valores comprendidos entre 34º
y 38º
, y con respecto a la cohesión de 33
kPa a 47 kPa.
VII. COMENTARIOS FINALES
El objeto de esta investigación en progreso, ha sido el de establecer la posibilidad de
estimar parámetros geotécnicos más reales de la resistencia al cortante de los suelos
granulares gruesos del “Conglomerado de Lima”. Para ello se está llevando a cabo este
programa experimental en las excavaciones que para sótanos profundos se practican en
la ciudad, efectuando en algunos casos ensayos de carga directa horizontal y en otros
ensayos de rotura progresiva de prismas de suelos tallados dentro de pozos de prueba
convenientes. La evaluación de la aplicabilidad de estos ensayos para determinar
económicamente los parámetros de resistencia necesarios para cálculo de cimentaciones,
empujes laterales, calzaduras, anclajes, y otras obras similares indica que es factible
utilizarlos, sin embargo será necesario seguir buscando modelos y su calibración

9. GEOTECNIA DE LOS SUELOS PERUANOS
apropiada para obtener mayor número de resultados y por lo tanto mayor aproximación en
sus conclusiones finales. Nuestra Empresa seguirá trabajando en este objetivo, como lo
viene haciendo hace mas de 18 años con estos suelos, para llegar a presentar a la
comunidad geotécnica peruana resultados que permitan su utilización segura en los
diseños geotécnicos que en el futuro se realicen en el suelo gravo arenoso de la ciudad
de Lima.
RECONOCIMIENTOS
Se hace un sincero agradecimiento a nuestros alumnos de la Universidad Ricardo Palma,
que llevan el curso de Cimentaciones que se dicta en la Escuela profesional de Ingeniería
Civil, por su colaboración en los trabajos que hasta le fecha se han realizado. De igual
manera, se hace un merecido reconocimiento a las firmas H & V Contratistas S.A. y
Gessa S.A., por habernos proporcionado todas las facilidades necesarias para la
conducción de las pruebas en sus numerosas obras de ingeniería realizadas en Lima
Metropolitana.
REFERENCIAS
1- Carrillo Gil, A., 1981, “Geotechnical aspects in the stability and excavation on coarse-
grained soils”, Proc. Symposium on Engineering Behavior of Coarse Grained Soils,
Boulders and Rocks, GEOMECH-81, India.
2- Carrillo Gil, A., 1991, “Propiedades geotécnicas de los suelos de América”, Panelista,
IX Congreso Panamericano de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Cimentaciones,
Vol. IV, Viña del Mar, Chile
3- Carrillo Gil, A., 1982, “Excavaciones profundas y calzaduras en suelos granulares
gruesos”, Memorias del I Congreso Chileno de Ingeniería Geotécnica, Chile.
4- Carrillo Gil, A., 1979, “Estabilidad y resistencia del Conglomerado de Lima
Metropolitana”, Revista El Ingeniero Civil, Vol. I, Lima, Perú.
5- Kort, I., Musante, H., Fahrenkrog, G., 1979, “In situ mechanical properties
measurement of Gravely Soil used in an interaction and foundation model for the
Santiago Metro”, VI PCSMFE, Lima, Perú.

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6- Carrillo Gil, A., Garcia, E., 1985, “A study on stability of natural cliff with seismic
effects”, Proc. XI International Conference on Soil Mechanics and Foundation
Engineering, San Francisco, USA
7- Retamal, E.,1984, “El Suelo de Fundación y algunas experiencias en las gravas y
suelos expansibles de Santiago, Chile”, Memorias VII Congreso Nacional de Mecánica
de Suelos, Lima, Perú.
8- Carrillo Gil, A., 1994, “Estabilidad y tratamiento de taludes en la Costa Verde”, Forum
Plan Maestro de Desarrollo de la Costa Verde, Lima, Perú.
9- Carrillo Gil, A., Ríos, R.,1982, “Problemas de excavaciones profundas en la ciudad de
Lima”, Memorias del IV Congreso Nacional de Ingeniería Civil, Chiclayo, Perú.
10-Carrillo Gil, A., 1987, “Gravas y arena del conglomerado de Lima: Una predicción de
su comportamiento”, Estudio de las Gravas del Comité Regional de la Sociedad
Internacional de Mecánica de Suelos, Cartagena, Colombia.
11-Ortigosa, P., Retamal, E., Musante, H., 1987, “Ensayos de Placa en Gravas”
Memorias del VIII CPMSIF, Cartagena, Colombia.
12-Cesani, P.B., 1982, “Análisis de Estabilidad de Taludes en la Grava de Santiago”,
Tesis Profesional, Universidad de Chile, Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas,
Chile.
13-Ortigosa, O., 1987, “Ensayos de Placa Horizontal en Grava”, Memorias del VIII
CPMSIF- PCSMFE, Cartagena, Colombia.