Informe Geotécnico Final de Interpretación Estratigráfica para la PTAR Atotonilco, Hgo.

Informe Nº 09-29-SGM/S

Área de Responsabilidad: KB4T5

México, D. F. a 16 de abril de 2009

1         ANTECEDENTES

Personal de la Comisión Nacional del Agua (CONAGUA), solicitó de la Gerencia de Estudios de Ingeniería Civil (GEIC), la realización de estudios de mecánica de suelos complementarios para la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR) “Atotonilco”, que se encuentra actualmente en etapa de anteproyecto, y se localizará en el municipio de Atotonilco de Tula del estado de Hidalgo.

Los estudios complementarios de la PTAR Atotonilco, son necesarios para llevar a cabo la licitación del proyecto ejecutivo y su construcción como parte del Programa de Sustentabilidad Hidráulica de la Cuenca del Valle de México.

Cabe mencionar que se presentó el informe No. 09-28-SGM/S, con las características del suelo en el predio de la PTAR conocidas con base en los trabajos de laboratorio realizados al 27 febrero de 2009 en el laboratorio de Mecánica de Suelos de CFE.

En el presente informe, realizado por personal del Departamento de Mecánica de Suelos (DMS), de la Subgerencia de Geotecnia y Materiales (SGM), se describen los trabajos de campo y laboratorio, su interpretación, así como las recomendaciones correspondientes al Estudio geotécnico final de interpretación estratigráfica para la PTAR Atotonilco, Hgo.

2         OBJETIVOS

• Ejecutar pruebas de laboratorio para la determinación de propiedades índice de suelo y roca en muestras obtenidas en la exploración geotécnica.
• Reportar las condiciones estratigráficas generales del sitio con base en los sondeos exploratorios y pruebas índice de laboratorio.

3         DESCRIPCIÓN DEL SITIO

La Planta de Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR) “Atotonilco”, que se encuentra actualmente en etapa de anteproyecto, se localizará en el municipio de Atotonilco de Tula, estado de Hidalgo (Fig. 1).  El predio donde se ubicará dicha PTAR está formado por dos partes separadas por unas vías de ferrocarril, con superficies de 33 Ha (parte baja) y 126 Ha (parte alta) aproximadamente.

Cabe mencionar que la parte baja del predio colinda con el Río Tula y se divide en dos áreas, separadas por un canal artificial.  La parte alta de la zona en estudio fue explotada a su vez como banco de materiales para cementeras, teniendo una vegetación poco abundante.

4         CONDICIONES GEOTÉCNICAS

4.1  Trabajos de exploración

Personal especializado de la GEIC, se trasladó a la futura PTAR Atotonilco a partir del mes de enero de 2009 para iniciar los trabajos de exploración consistentes en la ejecución de sondeos (S) y pozos a cielo abierto (PCA).

Se realizaron 10 sondeos (S-1 al S-10), la profundidad de exploración para los sondeos fue de aproximadamente 30,00 m, a excepción del S-3 el cual se llevó a 20,35m.  Los sondeos S-1 y S-10 se ensayaron mediante la prueba de penetración estándar (SPT).  Para los otros ocho sondeos, se alternó la prueba de penetración estándar (SPT) con el muestreo inalterado mediante el muestreador de pared delgada “Shelby”, barril Denison o NQ, dependiendo de la dureza de los materiales.

El Nivel de Aguas Freáticas (NAF) fue monitoreado en el sondeo mixto S-3, ubicándolo a una profundidad media de 16,30 m.

Los 10 pozos a cielo abierto (PCA-1 al PCA-10) excavados dentro del predio de la PTAR  se llevaron a profundidades entre 2,40m (PCA-8) y 3,80m (PCA-3).  En la Figura 2 se muestra la ubicación de los sondeos y PCA´s ejecutados.

4.2  Trabajos de laboratorio

La totalidad de las muestras obtenidas durante los trabajos de exploración se etiquetaron, se protegieron y se trasladaron al laboratorio de mecánica de suelos en la ciudad de México, donde de acuerdo con los alcances de este estudio y del material detectado, se programaron las pruebas y análisis que se enlistan a continuación junto con las normas aplicadas:

Los resultados de las pruebas índice se muestran en los perfiles estratigráficos del Anexo A, además en las Tablas 1 a la 11 se muestra el resumen de los resultados obtenidos de estas pruebas. En las figuras del Anexo B se muestran los resultados obtenidos de las pruebas mecánicas.

4.3  Descripción estratigráfica

Se identificaron 3 Unidades geotécnicas básicas (U), compuestas principalmente de arenas arcillosas o limosas, y limos y arcillas arenosas, de compacidades, consistencias y espesores variables, en la mayoría de los casos con grumos bien cementados y/o con gravas.

La Unidad 1 (U1) está constituida de arena arcillosa de compacidad media y de arcillas y limos de alta y baja plasticidad con arena.  La consistencia de los materiales va de media a dura.  Los colores que predominan en estos materiales son el negro, café grisáceo o gris verdoso, con un peso volumétrico medio de 1,47 g/cm³ (~14,7 kN/m³).  Los espesores de esta Unidad varían de 2,0 m (S-4 y S-6) y hasta 13,0 m de espesor (S-1).

La Unidad 2 (U2) subyace de manera general a la Unidad 1 y está constituida por arena de compacidad media a muy compacta, con arcilla o limo y por arcillas de consistencia dura a durísima de alta plasticidad con arena.  Los colores que predominan en estos materiales son el café grisáceo o verdoso, con un peso volumétrico medio de 1,48 g/cm³ (~14,8 kN/m³).  Los espesores de esta Unidad varían de 4,0 m (S-2 y S-3) y hasta 9,0 m de espesor (S-5).

Finalmente, se identificó una Unidad 3 (U3), la cual subyace a la Unidad 2 y comienza de las profundidades de 0,5 m (S-7, S-8, S-9 y S-10) a 18,0 m (S-1), encontrándola hasta la profundidad máxima de exploración. Está constituida por arena muy compacta con arcilla o limo y por arcillas de consistencia durísima de alta y baja plasticidad con arena.  También se pueden encontrar gravas empacadas en arcilla con arena y grumos cementados del mismo material.  Los colores que predominan en estos materiales son el verde olivo, gris verdoso y el café grisáceo, con un peso volumétrico medio de 1,9 g/cm³ (~19,0 kN/m³).

De acuerdo con los resultados de campo y laboratorio, la Unidad 1 (U1) es la que presenta menor resistencia al esfuerzo cortante y mayor deformabilidad, en comparación con las demás unidades. Asimismo, se tiene variabilidad en su espesor, siendo mayor en la parte baja del predio, en dirección suroeste.

Con base en lo anterior, se definieron dos zonas geotécnicas que atienden principalmente a la presencia y espesor de la Unidad 1.  La Zona I corresponde a espesores menores de 3,0 m de la Unidad 1; la Zona II a espesores mayores de 3,0m de la Unidad 1.  En las figuras 3, 4, 5 y 6 se muestran los cortes estratigráficos a lo largo del predio. Asimismo en la figura 7 se presenta una propuesta de zonificación geotécnica del predio.

Cabe mencionar que de acuerdo con la información proporcionada por el área de Geología, el área de estudio se encuentra dentro de la Provincia Fisiográfica de la Faja Volcánica Transmexicana (FVTM).  La poligonal de PTAR se encuentra proyectada en depósitos piroclásticos del Terciario, que se encuentran constituidos por acumulaciones de tobas que fueron depositados en un medio lacustre somero, así como depósitos de aluviales del Cuaternario, que han rellenado parte de los bajos topográficos; las acumulaciones se encuentran rodeadas por estructuras volcánicas que forman parte de la evolución magmática de la FVTM.

5         CONCLUSIONES

En cumplimiento con los objetivos de este informe se concluye lo siguiente:

a)       El Modelo Geotécnico se compone de manera superficial por la U1 constituida por arenas de compacidad media y de finos con arena de consistencia media a dura, los espesores de esta Unidad varían de 2,0 m (S-4 y S-6) a 13,0 m (S-1) de profundidad. Subyacente a la anterior se ubica la U2, constituida por arenas con finos de compacidad media a muy compacta y de finos con arena de consistencia dura a durísima, el espesor de esta Unidad varía entre 4,0 y 9,0 m aproximadamente. A partir de la Unidad 2 y hasta la máxima profundidad de exploración se encuentra la U3 formada por arenas y gravas con finos de compacidad muy compacta y de finos con arena de consistencia durísima.

b)       El Nivel de Aguas Freáticas (NAF) fue monitoreado en el S-3, ubicándolo a 16,3 m aproximadamente.

c)       El predio se dividió en dos Zonas geotécnicas (Zona I y Zona II) y en tres Unidades geotécnicas básicas (U1, U2 y U3). De acuerdo con los resultados de campo y laboratorio, la Unidad 1 (U1) es la que presenta menor resistencia al esfuerzo cortante y mayor deformabilidad, en comparación con las otras dos unidades.  La Zona I corresponde a espesores menores a 3,0 m de la U1 y la Zona II a espesores mayores de 3,0 m de la misma.

d)       El diseño definitivo de las cimentaciones de todas las estructuras, deberá basarse en el cumplimiento de los estados límite de falla y de servicio correspondientes a cada estructura, así como de las facilidades constructivas para cada caso, considerando además los factores de costo y tiempo para cada cimentación elegida y método constructivo.

6         RECOMENDACIONES GEOTÉCNICAS

6.1  Recomendaciones constructivas

Se recomienda que las cimentaciones para las diferentes estructuras que compondrán la PTAR sean de cualquiera de los dos tipos siguientes:

A continuación se exponen algunas recomendaciones geotécnicas para la construcción de las cimentaciones; sin embargo, las normas y criterios que regirán en la construcción serán los que se indiquen en el diseño definitivo.

Zapatas o losas

·          La construcción de zapatas o losas se llevará a cabo excavando estrictamente la cepa que las alojará, ajustándose a las dimensiones especificadas para el proyecto, garantizando el empotramiento mínimo dentro del estrato correspondiente.

·          Las excavaciones de las cepas para zapatas o losas podrán efectuarse con cortes verticales, siempre y cuando no permanezcan abiertas por un largo tiempo (algunos días).

·          La excavación se deberá realizar de manera ordenada, rápida y deberán permanecer abiertas el menor tiempo posible evitando que escurra agua hacia ellas.

·          En caso de que por necesidades constructivas, la excavación permanezca abierta por un largo periodo (meses), con una altura menor que 3,0 m, conviene que las paredes se abatan en razón de 0,5:1 (H:V).

·          Terminada la excavación se colocará una plantilla de concreto pobre de f’c = 10 MPa de 5 cm de espesor en el fondo de las cepas, con la finalidad de proteger el terreno y nivelar la superficie de desplante de las zapatas y/o losas, para posteriormente armar y colar el elemento de cimentación.

·          Una vez construidas las cimentaciones, se podrá utilizar como relleno el material producto de la excavación (con excepción de la capa vegetal), se compactará al 95 % de su peso volumétrico seco máximo determinado por la prueba Proctor Estándar. La compactación se realizará en capas de 20 cm de espesor máximo en estado suelto con el contenido de agua óptimo y con el número de pasadas del equipo de compactación (bailarina o pisón), necesarios para alcanzar el grado de compactación mencionado.

Pilas

·          Las excavaciones para las pilas se deberán ejecutar estabilizando sus paredes con ademe para evitar caídos de material hacia su interior. Se podrá utilizar lodo bentonítico para la estabilización de la perforación siempre y cuando se asegure que la viscosidad y peso volumétrico de los lodos eviten caídos durante el proceso.

·          Durante cada perforación se deberá verificar la verticalidad de las paredes. Se pueden hacer comprobaciones rápidas colocando un nivel sobre la barra perforadora.

·          Se evitará dejar cualquier tipo de azolve en el fondo de la perforación, se introducirá el armado con los aditamentos necesarios para garantizar el recubrimiento mínimo.

·          Con el fin de evitar reblandecimiento de las paredes, es recomendable que el tiempo entre la perforación y el colado de la pila sea menor a 2 horas.

·          El colado se hará con Tubo Tremie, iniciando desde el fondo de la excavación y verificando que en todo momento el tubo se encuentre sumergido al menos 1 m en concreto fresco.

·          Deberá llevarse un registro cuidadoso de la construcción de las pilas, anotando principalmente: la ubicación de la pila, fecha de colado, volumen de concreto vaciado, verificación de verticalidad en intervalos regulares y profundidad de desplante. El volumen de concreto utilizado deberá ser ligeramente mayor o igual al volumen teórico calculado.

·          Es recomendable que la separación mínima, centro a centro, entre pilas sea de al menos 3 veces el diámetro de éstas; sin embargo, si la separación entre pilas es menor a tres veces el diámetro deberá revisarse la capacidad de carga de pilas en su conjunto.

·          Se deberá efectuar al menos una prueba de carga en pilas en cada zona de estudio para corroborar la estimación teórica de la capacidad de carga y asentamiento.

·          Como alternativa para este tipo de elementos se encuentran las pilas de barrena continua, donde se excava y se cuela de manera simultánea.

Pilotes

·          Deberá contemplarse la traza en planta de la distribución de pilotes de cimentación indicadas en el proyecto final. El área para alojar la cimentación deberá tener las dimensiones necesarias para asegurar la libre operación de personal y maquinaria.

·          Los pilotes para esta propuesta deberán ser prefabricados en la sección que se seleccione. Para la longitud de estos pilotes debe tenerse en cuenta el descabezamiento posterior al hincado.

·          En todos los casos los pilotes deberán hincarse después de una perforación previa de un diámetro igual al 80% de la sección del pilote. Lo anterior tiene la intención de reducir los desplazamientos horizontales del suelo alrededor del pilote y facilitar el proceso de hincado de éstos.

·          Para el hincado de los pilotes se utilizarán martinetes de peso semejante al pilote.

·          Es necesario dejar la cabeza del pilote aproximadamente al nivel de proyecto, para posteriormente descubrir el acero (pilotes de concreto) y realizar la liga con las estructuras correspondientes.

·          Se deberá supervisar la verticalidad del pilote durante el proceso de hincado y la adecuada conexión estructural pilotes – superestructura.

6.2  Recomendaciones generales

a)        Es necesario llevar un control de nivelaciones periódica para verificar el comportamiento de la cimentación de las diferentes estructuras.

b)        Para el caso de las zapatas, la profundidad de desplante deberá ser la necesaria para garantizar que el peso del cimiento más relleno sea suficiente para contrarrestar las fuerzas de tensión.

c)        Una vez que se cuente con los arreglos finales y con los elementos mecánicos de todas las estructuras, será necesario que en el diseño definitivo se realice la revisión del estado límite de falla y estado límite de servicio de la cimentación que se elija.

d)        Es recomendable que se realice al menos una visita de supervisión geotécnica durante el proceso constructivo, a efecto de descartar cualquier condición no contemplada en este estudio y/o en el diseño definitivo, así como verificar el cumplimiento adecuado del diseño y los procesos constructivos correspondientes.

El presente documento es un estudio realizado en la etapa de anteproyecto, por lo que en las siguientes etapas del proyecto deberán confirmarse las conclusiones emitidas en este informe, a efecto de evitar problemas futuros que pongan en riesgo la estabilidad de las estructuras.

REFERENCIAS

1.          E. Juárez B. (2000), “Mecánica de Suelos”. Tomo 1, Limusa, México.

2.          E. Juárez B. (2000), “Mecánica de Suelos”. Tomo 2, Limusa, México.

3.          Comisión Federal de Electricidad, (1993), “Manual de diseño de obras civiles. B.2.1” México.

NOTAS ACLARATORIAS

Los datos que aparecen en este informe se proporcionan únicamente con carácter informativo, por lo que CFE no se hace responsable del uso que de ella hagan los concursantes en la licitación del diseño y construcción de la obra.

AGRADECIMIENTOS

Se agradece el apoyo del personal del Departamento de Mecánica de Suelos, D.G. Erika Navarro a Enrique Bonilla, al Sr. Joaquín Lara y al laboratorio de Mecánica de Suelos, por sus comentarios, aportaciones y apoyo para la realización de este documento.

FIGURAS

TABLAS

ANEXO A

Perfiles estratigráficos de los sondeos

y pozos a cielo abierto

ANEXO B

Pruebas de laboratorio

ANEXO C

Reporte Fotográfico