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• Ximena Mayo

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO

DISEÑO GEOTÉCNICO DE LA ESTACIÓN MEXICALTZINGO, LÍNEA 12 DEL METROPOLITANO. UBICADA EN LA INTERSECCIÓN DEL EJE 8 SUR Y CALZADA DE LA VIGA, IZTAPALAPA, MÉXICO D.F.

T E S I S QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE

INGENIERO CIVIL P R E S E N T A: MIGUEL ANGEL ORTEGA CERVANTES

ASESOR Y DIRECTOR: ING. FELIPE SÁNCHEZ OCAMPO

MÉXICO, D. F., JUNIO 2010

A mis padres, Virginia y José Antonio, por ser mi mayor inspiración y el soporte moral de mi vida;

A mis hermanos, por el cariño, el respeto y la amistad que me han ofrecido en todo momento;

A mis abuelos, por el amor que me han dado durante todos estos años;

A mi Yosgores y amigos, por todos los momentos inolvidables;

Al Ing. José Luís García Rubio, por el apoyo y la paciencia en mis primeros años en la práctica de la Ingeniería;

Al Ing. Felipe Sánchez Ocampo, por el apoyo incondicional durante el proceso de gestación de este trabajo;

A ICA, por ser parte fundamental de mi desarrollo profesional y por la información proporcionada para esta tesis.

ÍNDICE GENERAL

ÍNDICE GENERAL Pág. INTRODUCCIÓN

i

I. ANTECEDENTES

1

I.1. Historia

1

I.2. Red

2

I.3. Descripción General del Proyecto de Estación

3

II. MARCO GEOLÓGICO II.1.

Marco Geológico Regional

9 9

II.1.1. Zona I. Lomas

9

II.1.2. Zona II. Transición

9

II.1.3. Zona III. Lacustre

9

II.2.

Marco Geológico Local

9

II.2.1. Lago Virgen

9

II.2.2. Lago Centro I

10

II.2.3. Lago Centro II

10

III. ESTUDIOS GEOTÉCNICOS

11

III.1.

Sondeo de cono eléctrico

12

III.2.

Sondeo de tipo Mixto

12

III.3.

Trabajos de Laboratorio

12

III.3.1. Pruebas Índice

13

III.3.2. Pruebas Mecánicas

14

IV. DISEÑO GEOTÉCNICO IV.1.

Falla General de Fondo

17 17

IV.1.1.Criterio NTC-DF

17

IV.1.2.Fórmula COVITUR

17

ÍNDICE GENERAL

Pág. IV.2.

Falla de Fondo por Subpresión

18

IV.3.

Falla por Pateo

19

IV.4.

Cálculo de Flotabilidad y Compensación

20

IV.5.

Empuje de Tierras

20

IV.5.1.Corto Plazo

20

IV.5.2.Largo Plazo

21

IV.6.

Capacidad de Carga de los Muros Milán

21

IV.7.

Cálculo de Deformaciones

22

IV.7.1.Deformaciones por disipación de presión de poro

22

IV.7.2.Deformaciones Elásticas

22

IV.7.3.Resultados

23

IV.8.

Sistema de Bombeo

24

IV.9.

Estabilidad de Taludes

24

V. PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO

25

CONCLUSIONES

iii

BIBLIOGRAFÍA

v

ANEXOS A. Gráficas de la Exploración Geotécnica.

vi

B. Cálculos Geotécnicos

lv

ÍNDICE DE FIGURAS

lxvii

ÍNDICE DE TABLAS

lxx

INTRODUCCIÓN

DISEÑO GEOTÉCNICO DE LA ESTACIÓN MEXICALTZINGO, LÍNEA 12 DEL METROPOLITANO. UBICADA EN LA INTERSECCIÓN DEL EJE 8 SUR Y CALZADA DE LA VIGA, IZTAPALAPA, MÉXICO D.F. 

INTRODUCCIÓN.

En esta tesis se presenta el procedimiento de análisis y diseño geotécnico de la estación Mexicaltzingo. En el Capítulo I se hace una breve reseña histórica del diseño y construcción de Metro en la ciudad de México. En el Capítulo II se describen a grandes rasgos los marcos geológico-regional y geológico-local del sitio en estudio. En el Capítulo III se explica la metodología empleada y los estudios de campo realizados para la construcción de la estratigrafía. El Anexo A contiene las gráficas y resultados de laboratorio de la exploración geotécnica. Se presenta en el Capítulo IV el procedimiento de análisis geotécnico de la cimentación y de la excavación para alojarla. En el Anexo B se muestra el desglose de los cálculos hechos para dicho análisis. Finalmente en el Capítulo V se resumen los aspectos constructivos más relevantes de la edificación. o Objetivo General. Describir el procedimiento de diseño geotécnico de la Estación Mexicaltzingo de la Línea 12 del Metro del Sistema de Transporte Colectivo de la Ciudad de México. o Objetivos Específicos. Describir los antecedentes históricos de las líneas de Metro en la Ciudad de México, las características de cada una de ellas y dar una descripción general del proyecto en estudio. Enmarcar regional y localmente los aspectos geológicos más relevantes del sitio. Integrar los estudios geotécnicos que se llevaron a cabo para el conocimiento y construcción de la estratigrafía del sitio, que es parte fundamental para el diseño geotécnico. Detallar el procedimiento de cálculo realizado para el diseño geotécnico de la estación Mexicaltzingo. Mostrar las teorías, fórmulas y criterios utilizados para satisfacer dicho procedimiento de cálculo. Describir ampliamente el procedimiento constructivo de Subexcavación Mixta. o Planteamiento del Problema. Después de una serie de minuciosos estudios de origen – destino entre otros, se determinó la necesidad de la construcción de una nueva línea de Tren Metropolitano “Metro”. Esta, contempla en su recorrido, una estación en la zona de Mexicaltzingo localizada entre las delegaciones Coyoacán e Iztapalapa. El problema consiste en el Diseño Geotécnico de una estación subterránea bajo las difíciles condiciones geológicas y geotécnicas de la cuenca del Valle de México. i

INTRODUCCIÓN

o Justificación. A lo largo de la carrera de Ingeniería Civil se imparten asignaturas correspondientes a las áreas de Geotecnia y Mecánica de Suelos, que sirven como base para el diseño y revisión geotécnica de cimentaciones, excavaciones, etc. Este es un buen ejemplo práctico de la aplicación de lo visto en dichas asignaturas, pues se describe el procedimiento de diseño geotécnico de una estación subterránea de Metro y servirá como antecedente para trabajos futuros. o Hipótesis. Para una estructura de cajón subterráneo como la que se trata en esta tesis, la solución de diseño geotécnico de la cimentación consiste en revisar por algunas teorías o métodos la estabilidad de la excavación y de la estructura. Dicha revisión tiene esta secuencia:       

Falla General del Fondo Falla de Fondo por Subpresión Falla por Pateo Cálculo de Flotabilidad y Compensación Empuje de Tierras Capacidad de Carga de los Muros Milán Cálculo de Deformaciones o Metodología.

Para cumplir con los objetivos planteados al inicio de esta tesis, se lleva esta secuencia:   

Recopilación de Información Consulta con especialistas en el tema de diseño de obras para Metro, como personal de ICA (Ingeniería en Sistemas de Transporte Metropolitano), PMDF, el Instituto de Ingeniería de la UNAM, etc. Una vez recopilada la información, se procedió al análisis geotécnico de la estación Mexicaltzingo, que como antes se menciona, consiste en:       

 

Falla General del Fondo Falla de Fondo por Subpresión Falla por Pateo Cálculo de Flotabilidad y Compensación Empuje de Tierras Capacidad de Carga de los Muros Milán Cálculo de Deformaciones

Comparación y comprobación de resultados. Presentación de resultados. ii

CAPÍTULO I. ANTECEDENTES

I. ANTECEDENTES. El Metro de la Ciudad de México, es un sistema de transporte público que sirve a extensas áreas del Distrito Federal y parte del Estado de México. Su construcción, operación y explotación está a cargo del organismo público descentralizado: Sistema de Transporte Colectivo. Se conoce coloquialmente como Metro. La palabra metro es una contracción de metropolitano o tren metropolitano. En 2006 ocupó el tercer lugar a nivel mundial en captación de usuarios al transportar a un promedio de 3,9 millones de pasajeros al día (en ocasiones superado por los metros de: Nueva York, Moscú y Tokio). También en ese año logró el quinto lugar a nivel mundial por la extensión de su red. I.1. Historia Las grandes ciudades se caracterizan por conflictos viales debidos a la elevada demanda de transporte e intensa actividad económica. El Distrito Federal inició el siglo XX con aproximadamente 540 mil habitantes y 800 vehículos para satisfacer su demanda de transporte. Para 1953 la población se había incrementado a 3,5 millones y en 1960 la cifra superaba los 4,5 millones. Para 1964 había una fuerte tendencia hacia los 5 millones de habitantes en contraste con las 7 200 unidades de transporte público que circulaban por la capital (casi un 40% de los viajes totales se hacían en el centro de la ciudad). Existen antecedentes poco documentados sobre las propuestas de trenes metropolitanos en la Ciudad de México: estudiantes de la Universidad Nacional Autónoma de México, en 1958, presentaron el proyecto de un monorriel para la Ciudad de México como tema de tesis; en 1960 Vicente S. Pedrero y Ramón C. Aguado presentaron al Departamento del Distrito Federal estudios de factibilidad para la construcción de un monorriel; y en 1965 José María Fernández desarrolló un proyecto para la construcción de un sistema de transporte elevado y subterráneo. El ingeniero Bernardo Quintana Arrioja (1919-1984), fundador de la empresa mexicana Ingenieros Civiles y Asociados, SA de CV, elaboró estudios que permitieron la creación de un anteproyecto, y posteriormente un proyecto, para la construcción de un sistema de transporte masivo en la Ciudad de México. La propuesta del proyecto se presentó en 1958 a Ernesto P. Uruchurtu, Regente de la Ciudad de México de 1952 a 1966, quien la rechazó al considerarla económicamente costosa. Además, el 28 de julio de 1957, un sismo de 7 grados en la escala Richter dañó diversos edificios del centro de la ciudad, hecho que provocó la desconfianza entre las autoridades para construir proyectos de grandes dimensiones como el presentado por Quintana. Quintana presentó nuevamente su proyecto de transporte en el sexenio de Gustavo Díaz Ordaz, Presidente de México de 1964 a 1970. De nueva cuenta el obstáculo resultó el costo elevado de la obra. Gustavo Díaz Ordaz decidió 1

CAPÍTULO I. ANTECEDENTES

aprovechar el acercamiento del presidente francés Charles de Gaulle hacia Latinoamérica. Alex Berger, empresario francés, entonces esposo de la actriz María Félix, amigo de Quintana, fungió como mediador entre los gobiernos francés y mexicano para la obtención del crédito. Como resultado de la negociación el gobierno mexicano cubrió el costo de la obra civil, estudios de geotecnia, diseño de estaciones, entre otros, y el gobierno francés la obra electromecánica. El 29 de abril de 1967 se publicó en el Diario Oficial de la Federación el decreto presidencial que crea el Sistema de Transporte Colectivo, organismo público descentralizado, para construir, operar y explotar un tren rápido subterráneo como parte del transporte público del Distrito Federal. En el cruce de Av. Chapultepec con la calle de Bucareli, el 19 de junio de 1967, se realizó la ceremonia de inicio de la obra para construir la línea 1 del Sistema de Transporte Colectivo. El 4 de septiembre de 1969 Gustavo Díaz Ordaz y Alfonso Corona del Rosal, Regente del Distrito Federal de 1966 a 1970, inauguraron formalmente el servicio entre las estaciones Chapultepec y Zaragoza. I.2. Red El Metro de la Ciudad de México cuenta con 11 líneas. Cada línea tiene asignado un número y un color distintivo (números del 1 al 9 y las letras A, B). El parque vehicular está formado por trenes de rodadura neumática de caucho a excepción de la línea A que emplea trenes de rodadura férrea. La extensión total de la red es de 201.388 kilómetros y posee un total de 175 estaciones de las cuales: 112 son de paso, 41 de transbordo y 22 terminales (11 de las terminales son de transbordo). El metro está construido de forma subterránea, superficial y viaducto elevado: 106 estaciones son subterráneas, 53 superficiales y 16 en viaducto elevado. 164 estaciones se encuentran en la Ciudad de México y 11 en el Estado de México. La línea 1 está integrada por 20 estaciones y su color distintivo es el rosa. Corre de Observatorio a Pantitlán. La línea 2 está integrada por 24 estaciones y su color distintivo es el azul. Está construida al centro de la Ciudad de México con dirección sur-norte de Taxqueña a Zócalo y dirección oriente-poniente de Allende a Cuatro Caminos. La línea 3 posee 21 estaciones y su color distintivo es el verde olivo. Corre de Indios Verdes a Universidad. La línea 4 está integrada por 10 estaciones y su identidad gráfica utiliza el color cian. Corre de Martín Carrera a Santa Anita.

2

CAPÍTULO I. ANTECEDENTES

La línea 5 está integrada por 13 estaciones y su color distintivo es el amarillo. Corre de Politécnico a Pantitlán. A la línea 6 la integran 11 estaciones y su color distintivo es el rojo. Corre del Rosario a Martín Carrera. La línea 7 está integrada por 14 estaciones y su color distintivo es el naranja. Corre del Rosario a Barranca del Muerto. La línea 8 está integrada por 19 estaciones y su color distintivo es el verde. Tiene dirección oriente-poniente entre las estaciones Constitución de 1917 y Atlalilco, y dirección norte-sur entre Escuadrón 201 y Garibaldi-Lagunilla. La línea 9 está integrada por 12 estaciones y su color distintivo es el café. Corre de Tacubaya a Pantitlán. La línea A está integrada por 10 estaciones y su color distintivo es el morado. Se distingue del resto de las líneas por tener trenes de 6 carros de rodadura férrea alimentados por catenaria. Por ese motivo también se le conoce como metro férreo o metro ligero. Corre de Pantitlán a La Paz. La línea B está integrada por 21 estaciones y es la única del sistema en utilizar en su identidad gráfica dos colores: verde y gris. Su trazo se localiza en el centro y nororiente de la Ciudad de México con dirección oriente-poniente de Buenavista a San Lázaro y dirección sur-norte de Ricardo Flores Magón a Ciudad Azteca. El proyecto de la Línea 12 considera la construcción de una vía de longitud total de 25 km, 20.278 km para servicio de pasajeros y lo restante para talleres y maniobras. Se localiza al sur de la Ciudad de México con dirección predominante oriente-poniente. Propone el color oro como identidad gráfica para celebrar el Bicentenario de la Independencia de México y el Centenario de la Revolución Mexicana, el uso de trenes (de 8 vagones) de rodadura férrea alimentados por catenaria y 20 estaciones, que son : Tláhuac, Tlaltenco, Zapotitlán, Nopalera, Olivos, San Lorenzo, Periférico Oriente, Calle 11, Santa María Tomatlán, San Andrés Tomatlán, Pueblo Culhuacán, Atlalilco, Mexicaltzingo, Ermita, Eje Central, Parque de los Venados, Zapata, 20 de Noviembre, Insurgentes sur y Mixcoac. El trazo de más de 24 km que originalmente se planteó subterráneo fue modificado para construir 2,8 km en modo superficial, 12 km en viaducto elevado, 2,8 km en cajón subterráneo y 7,8 km en túnel profundo. I.3. Descripción General del Proyecto de Estación. La estación Mexicaltzingo se encuentra por debajo del Eje 8 Sur Ermita Iztapalapa, teniendo la cabecera Oriente en el cruce con Calzada La Viga. La Estación sin contar las subestaciones eléctricas e instalaciones para empleados, tiene 154 metros de longitud, cuenta con 4 accesos y 2 niveles, el de Andén y el de Vestíbulo. 3

19.20

3.90 2.75 0.50

10.00

B' C'

6.50 4.35

20.00 23.60 NPT+2228.62

4.35

G

NTC+2228.44

1.80

NTC+2230.30

A

NPT+2228.52

C

NPT+2228.70

NPT+2228.88

21

3.95

EJE DE TRAZO

NTC+2230.30

B

II

III

NTC+2230.30

NTC+2230.30

8.04

C

I

NPT+2228.52

NPT+2228.62

EJE DE TRAZO

NPT+2228.52

NTC+2228.44

A'

CAPÍTULO I. ANTECEDENTES

2.00

154.00

1.80

10.00

59.87

3.50

2.37 1.65

6.00

4

B

B

III

NPT+2220.90

NPT+2220.90

NPT+2220.90

EJE DE TRAZO

CAPÍTULO I. ANTECEDENTES

2.29

3.95

4.63

II

154.00

4.46

6.60

1.65

1.64 4.45

12.40

13.60

NPT+2220.90

2.50

EJE DE TRAZO

NPT+2220.90

I

2.50

20.80 3.90

2.75

20.00

5

III

CAPÍTULO I. ANTECEDENTES

II

2.00

154.00

1.20

I

1.02

6

CAPÍTULO I. ANTECEDENTES

Fig. I.4. Corte Transversal B-B’

7

CAPÍTULO I. ANTECEDENTES

Fig. I.5. Corte Transversal C-C’

8

CAPÍTULO II. MARCO GEOLÓGICO

II. MARCO GEOLÓGICO. II.1.

Marco Geológico Regional

El subsuelo del Valle de México, se divide en tres zonas principales con las siguientes características generales (GDF, 2004): II.1.1. Zona I. Lomas, formadas por rocas o suelos generalmente firmes que fueron depositados fuera del ambiente lacustre, pero en los que pueden existir, superficialmente o intercalados, depósitos arenosos en estado suelto o cohesivos relativamente blandos. En esta zona, es frecuente la presencia de oquedades en rocas, de cavernas y túneles excavados en suelos para explotar minas de arena y de rellenos no controlados; II.1.2. Zona II. Transición, en la que los depósitos profundos se encuentran a 20 m de profundidad, o menos, y que está constituida predominantemente por estratos arenosos y limo-arenosos intercalados con capas de arcilla lacustre; el espesor de estas es variable entre decenas de centímetros y pocos metros; II.1.3. Zona III. Lacustre, integrada por potentes depósitos de arcilla altamente compresibles, separados por capas arenosas con contenido diverso de limo o arcilla. Estas capas arenosas son generalmente de medianamente compactas a muy compactas y de espesor variable de centímetros a varios metros. Los depósitos lacustres suelen estar cubiertos superficialmente por suelos aluviales, materiales desecados y rellenos artificiales; el espesor de este conjunto puede ser superior a 50 m. En la Fig. II.1. se muestra la zonificación geotécnica del valle de México. II.2.

Marco Geológico Local

La estación Mexicaltzingo se encuentra en la zona III. Dicha zona a su vez, se divide en 4 subzonas en función de los coeficientes a emplearse en el diseño por sismo, zona IIIa, IIIb, IIIc y IIId con coeficientes sísmicos de 0.40, 0.45, 0.40 y 0.30 respectivamente. (GDF, 2004). El sitio de estudio, localizado en la intersección del Eje 8 Sur Ermita Iztapalapa y Calzada de la Viga, forma parte de la subzona IIIb, por lo que le corresponderá un coeficiente de 0.45 cuando se diseñe por sismo. Por otra parte, y según lo indicado en el volumen 1 del Manual de Diseño Geotécnico de COVITUR (COVITUR, 1987), la Zona de Lago se divide en las siguientes 3 subzonas: II.2.1. Lago Virgen. Sector oriente del lago, cuyos suelos han mantenido sus propiedades mecánicas desde su formación; sin embargo, el desarrollo de esta zona de la ciudad, está incrementando las sobrecargas en la superficie y el bombeo profundo.

9

CAPÍTULO II. MARCO GEOLÓGICO

II.2.2. Lago Centro I. Está asociada al sector no colonial de la ciudad, que se desarrolló a partir de principios del siglo pasado y ha estado sujeto a sobrecargas generadas por construcciones pequeñas y medianas; II.2.3. Lago Centro II. Corresponde a la antigua traza de la ciudad, donde la historia de cargas aplicadas en la superficie ha sido muy variable; esta situación ha provocado que se encuentren arcillas fuertemente consolidadas por efecto de rellenos y grandes sobrecargas de construcciones aztecas y coloniales. Asimismo el intenso bombeo se refleja en el aumento general de la resistencia de los estratos de arcilla por efecto de la consolidación inducida. Según COVITUR, la estación Mexicaltzingo está en la Zona de Lago Centro II, debido a la influencia del templo Colonial de San Marcos Mexicaltzingo.

Fig. II.1. Zonificación Geotécnica del Valle de México. (GDF, 2004) 10

CAPÍTULO III. ESTUDIOS GEOTÉCNICOS

III. ESTUDIOS GEOTÉCNICOS. Para la construcción de la estratigrafía del lugar, se realizaron varios estudios o sondeos en la zona de la estación. Dichos estudios se llevaron a cabo en 2 etapas de Exploración Geotécnica, una hecha en el año de 2001 para la Ingeniería básica de la licitación, y otra en 2008, una vez asignado el proyecto. La investigación del subsuelo de Mexicaltzingo consistió, además de reconocimientos geotécnicos de la zona en estudio, en las actividades siguientes: a) 2 sondeos de exploración con muestreo (Mixtos). (SM19, 21) b) Pruebas de laboratorio en las muestras recuperadas, para definir las propiedades físicas y mecánicas de los suelos. (SM19, 21) c) 1 Sondeo de Cono eléctrico. (SC 01) En la Figura III.1., se muestra la ubicación de dichos trabajos.

Fig. III.1. Planta de ubicación de sondeos. A continuación se detallan los trabajos realizados durante la campaña de exploración geotécnica de la zona en estudio. Previo a la realización de todo sondeo se realizó un reconocimiento de la zona con el fin de detectar instalaciones tanto subterráneas, superficiales y aéreas, ubicando el sondeo en el sitio que menos interferencias tuvo.

11

CAPÍTULO III. ESTUDIOS GEOTÉCNICOS

III.1.

Sondeo de cono eléctrico. SC-01.

Una vez instalado el equipo, se verificó el buen funcionamiento del cono eléctrico, así como el de la consola de lectura, estos equipos se encuentran previamente calibrados en laboratorio. Ver ubicación en Fig. III.1. Después de la verificación se procedió a hincar el cono eléctrico desde la superficie hasta las profundidades indicadas mediante la aplicación de carga a través del sistema hidráulico de la máquina de perforación a una velocidad de penetración de 1 a 2 cm/s. De este sondeo se obtuvo un registro de la resistencia de punta que opone el suelo al ser penetrado cada 10 cm, así como la presión de poro a cada 5 metros. Los resultados procesados de las lecturas se presentan en una gráfica de resistencia de punta contra profundidad, con escala de 100 Kg/cm2, dicha gráfica está interpretada identificando y describiendo los estratos o formaciones detectadas. Se presenta también la gráfica de las presiones de poro registradas. Ver Anexo A. III.2.

Sondeo de tipo mixto. SM-19 y SM-21

Los sondeos de tipo mixto consistieron en utilizar la técnica de penetración estándar. Con esta técnica se obtiene un registro de número de golpes necesarios para penetrar tramos de 60 cm, y además, recuperar muestras alteradas. Ver ubicación en Fig. III.1. Adicionalmente a cada tres metros de separación se realizó un muestreo de tipo inalterado utilizando tubos de pared delgada (Tubo Shelby), los cuales se utilizaron en buenas condiciones, es decir con un extremo afilado y el otro extremo con cabeza roscada que los sujeta al extremo de las barras de perforación. Las muestras recuperadas se identificaron señalando el número de sondeo, numero de muestra, profundidad, clasificación visual y clasificación al tacto. Dichas muestras se empacaron en campo de manera adecuada para evitar que se dañaran o perdieran humedad, trasladándolas de manera periódica al laboratorio de mecánica de suelos. Finalmente, con la información recabada, se realizó un perfil estratigráfico de cada sondeo identificando y describiendo los estratos detectados, teniendo además los resultados de las pruebas realizadas a las muestras recuperadas, clasificación SUCS, porcentaje (%) de las fracciones de gravas, arenas y finos y profundidad del NAF. Ver Anexo A. III.3.

Trabajos de Laboratorio

Los trabajos de laboratorio se programaron para obtener los parámetros geotécnicos necesarios para el proyecto y consistieron en la determinación del contenido de humedad, límites de consistencia y densidad de sólidos; en las

12

CAPÍTULO III. ESTUDIOS GEOTÉCNICOS

muestras inalteradas se realizaron ensayes de compresión triaxial no consolidada no drenada (UU) y consolidación unidimensional. Ver Anexo A. III.3.1. Pruebas índice. Los trabajos en el laboratorio se iniciaron con la clasificación macroscópica de todas las muestras, atendiendo a su color, textura, resistencia en estado seco, y reacción del agua contenida en el suelo al agitarse (dilatancia). Una vez obtenida la clasificación macroscópica, se procedió a efectuar un programa detallado de los ensayes a realizar sobre las muestras, tomando en cuenta las características del suelo y las del proyecto en estudio. Así pues, a cada muestra se le determinaron las siguientes propiedades índice:   

Contenido de humedad. Limites de consistencia. Densidad de sólidos

Contenido de humedad De las propiedades índice, primeramente se determina el contenido natural de agua (W%), siendo esta una relación gravimétrica, permite predecir cualitativamente el comportamiento mecánico del suelo. El contenido de humedad es la relación entre la masa del agua y la masa de los sólidos en una determinada masa de suelo, expresada generalmente en porcentaje de la masa de los sólidos del material; así, primeramente se pesa una fracción representativa de cada muestra de suelo en su estado natural, posteriormente se seca en horno dicha fracción a temperatura constante de 110°C hasta llegar a masa constante. La masa del agua se calcula como la diferencia entre las masas de la muestra antes y después de secada al horno. Finalmente, el cociente de la masa del agua entre la masa de la fracción del suelo seco, proporciona el contenido de humedad, el cual se reporta como porcentaje en cada resumen de propiedades, formándose así un perfil de humedades con respecto a la profundidad. Límites de consistencia Los límites de consistencia o de Atterberg se realizan con la finalidad de precisar el contenido de agua que marca el límite entre los estados líquido, plástico y semisólido del suelo. Los ensayes se llevan a cabo en la fracción de suelo que pase por la malla No. 40; los límites determinados son el líquido y el plástico, utilizando en ambos el método estandarizado por A. Casagrande, con la diferencia numérica entre ambos límites se determina el índice de plasticidad. Con los resultados de las pruebas antes descritas se clasifica el suelo con base en la propuesta de clasificación del Sistema Unificado de Clasificación de Suelos “SUCS”. (Bowles, 1986)

13

CAPÍTULO III. ESTUDIOS GEOTÉCNICOS

Límite líquido Se define como el contenido de humedad expresado en por ciento con respecto a la masa seca de la muestra, con la cual el suelo cambia del estado liquido al plástico; para su obtención primeramente, se ajusta el dispositivo de ensaye (copa de Casagrande) de tal manera que tenga una altura de caída de 1 cm y posteriormente se toman 150 g de material preparado con 24 horas de anticipación, el cual es amasado con cierto contenido de humedad, este material se coloca en una superficie lisa y se mezcla con una espátula y una pequeña cantidad de agua, hasta hacer una mezcla homogénea y moldeable; aproximadamente 50 g de la mezcla se colocan con la espátula en la copa de Casagrande, formando una superficie alisada con espesor de 1 cm en la parte de máxima profundidad, una vez colocada, se hace una ranura en el centro de la muestra con un solo movimiento suave y continuo inclinando el ranurador de manera que siempre permanezca perpendicular a la superficie interior de la copa, hecha la ranura se acciona la copa a razón de dos golpes por segundo verificando que el material se cierre 1/2" entre los 6 y 35 golpes, se toman aproximadamente 10 g del suelo en la zona próxima a la ranura cerrada y se determina el contenido de agua como se describió antes, posteriormente se repiten los pasos antes descritos con diferentes contenidos de humedad, una vez conocidos los contenidos de humedad de al menos 4 puntos se ubican y se unen en una gráfica de número de golpes contra contenido de humedad, definiéndose el límite liquido como la humedad que intercepta la recta antes formada con el punto de los 25 golpes. Límite plástico Se define como el contenido de humedad expresado en por ciento con respecto al peso seco de la muestra secada al horno, para el cual el suelo pasa de un estado semisólido a un estado plástico; para determinarlo se hace uso del material que, mezclado con agua sobra de la prueba de limite líquido, dejando que se evapore la humedad por mezclado hasta que se tenga una mezcla plástica que sea fácilmente moldeable, se amasa formando una tira rolándola repetidamente tantas veces como sea necesario hasta que se reduzca gradualmente la evaporación, y la tira forme un cilindro de aproximadamente 3.2 mm de diámetro, cuando este cilindro tenga el diámetro y empiece a agrietarse se dividirá y las partes se colocaran entre dos vidrios de reloj, y se determinará su contenido de humedad como se describió anteriormente. Estos pasos se repiten al menos tres veces y el promedio de las humedades, en por ciento, determina el limite plástico. III.3.2. Pruebas Mecánicas Con los trabajos de exploración se recuperaron muestras inalteradas en tubo Shelby de 4 pulgadas, realizándose en el laboratorio de Mecánica de Suelos un programa de ensayes para determinar las propiedades físicas, mecánicas y la relación esfuerzo-deformación-tiempo de dichas muestras.

14

CAPÍTULO III. ESTUDIOS GEOTÉCNICOS

Las propiedades mecánicas fueron obtenidas con los siguientes ensayes:  

Compresión triaxial no consolidada-no drenada (UU). Consolidación unidimensional.

Compresión triaxial no consolidada-no drenada. Se preparan tres especímenes cilíndricos de aproximadamente 35 mm de diámetro y 80 mm de altura, procedentes de las muestras inalteradas, a las cuales se les determinan su masa y geometría, con lo cual se define su masa volumétrica húmeda, posteriormente, cada uno de los cilindros se coloca en el interior de una membrana impermeable sobre la base inferior de la cámara triaxial, sujetando esta a la parte inferior de la membrana, en la parte superior de la probeta se coloca un cabezal, el cual también se fija con la membrana; tanto el cabezal como la base están provistos de piedras porosas que sirven de filtro, quedando conectados estos a tubos delgados provistos de válvulas que permiten gobernar la salida o entrada de agua al espécimen. Una vez preparadas las muestras se colocan en un marco de carga, y se procede a ensayar, aplicando una presión de agua a la cámara, la cual se transmite hidrostáticamente al espécimen actuando sobre la membrana y la muestra de suelo. Las válvulas se cierran antes de aplicar la presión al agua, y permanecen cerradas durante el proceso de la prueba, posteriormente, se procede a cargar axialmente la muestra de suelo desde el exterior de la cámara, aplicando al vástago una carga creciente hasta alcanzar la falla. Los resultados progresivos se registran con medidores de carga y de deformación, que permiten graficar los resultados parciales, obteniendo así la curva esfuerzo-deformación. Consolidación Unidimensional. Para poder establecer las propiedades esfuerzo-deformación-tiempo del suelo ante los incrementos de carga que producirán las sobrecargas externas, y estar en posibilidad de evaluar el fenómeno de consolidación en los estratos compresibles, se realizan en el odómetro ensayes de consolidación unidimensional, obteniéndose con la prueba, la relación de vacios, carga de pre consolidación y coeficiente de compresibilidad volumétrica. Para este ensaye se labran probetas cilíndricas provenientes de muestras inalteradas tomando en cuenta la dirección en que se efectúa el flujo en el terreno, la probeta se labra sobre una plataforma giratoria y se introduce en un anillo de bronce de acuerdo a como se va labrando la probeta, una vez labrada esta, se coloca entre piedras porosas previamente saturadas, las cuales no tienen contacto con el anillo que contiene a la muestra, se instala el conjunto de muestra-anillopiedras porosas, sobre el banco de consolidación quedando el consolidómetro perfectamente centrado con respecto a la muestra, sobre la piedra porosa superior se coloca una placa metálica con una concavidad al centro y sobre la concavidad un balín, el cual transmite uniformemente la carga que se aplica sobre el espécimen, sobre el conjunto se coloca un puente con micrómetro para proceder 15

CAPÍTULO III. ESTUDIOS GEOTÉCNICOS

inmediatamente a la aplicación de las cargas en el dispositivo de consolidación, la cual se coloca de acuerdo a los esfuerzos que previamente se determinan, después se anota la lectura inicial del micrómetro antes de aplicar la carga, la fecha y la hora, al mismo tiempo se coloca la carga y se registran las lecturas del micrómetro en tiempos preestablecidos, con estas lecturas se define la curva deformación-tiempo, y una vez determinada esta, se procede a aplicar el siguiente incremento de carga, que sumando al anterior, origina una nueva presión sobre la pastilla; alcanzada la presión efectiva correspondiente, previamente determinada, se le agrega agua para lograr su saturación; se repiten los pasos de incrementos de carga hasta llegar a la presión predeterminada de acuerdo a las necesidades de proyecto, posteriormente, se procede a realizar la descarga, la cual se hace en forma inversa a la de carga, finalmente, se determina su contenido de humedad conforme a lo indicado en el punto referente a “contenido de humedad”, anteriormente descrito. Con los datos obtenidos se traza la curva de compresibilidad. Ver Anexo A. Ver gráficas de la exploración geotécnica, estratigrafía y resultados de laboratorio en Anexo A.

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CAPÍTULO IV. DISEÑO GEOTÉCNICO

IV. DISEÑO GEOTÉCNICO. La verificación geotécnica de la estabilidad de la Estación Mexicaltzingo se realizó revisando las 2 variantes de Muro Milán, el Muro 1 que corresponde a los muros Milán de las zonas de accesos y el Muro 2 correspondiente al cuerpo principal de la estación. IV.1.

Falla General de Fondo

Se ha realizado la comprobación del mecanismo de falla en la que el suelo tiende a “emerger” de forma plástica desde el fondo de la excavación. Las fórmulas generales de verificación son las siguientes: IV.1.1.Criterio NTC-DF. Verificar la siguiente relación de acciones y resistencias de acuerdo al inciso 5.1.3 de las NTC (GDF, 2004)

Donde: = Presión vertical total actuante en el suelo a la profundidad de excavación. = Cargas Factorizadas = Resistencia al mecanismo del suelo. Las NTC-DF suponen una superficie de falla circular bajo la excavación con un radio de falla igual al ancho de excavación. En la Tabla IV.1. se muestran los resultados del cálculo. El desglose de los mismos se muestra en el Anexo B.

Hp (m)

He (m)

B' (m)

L (m)

Muro 1 5.00 7.00 14.70 62.40 12.75 Muro 2 8.00 18.50 20.80 62.40 26.65 Tabla IV.1. Resultados de Falla de Fondo por NTC-DF.

Cumple <