GEOTECNIA DE LOS SUELOS PERUANOS

PROPIEDADES DE LOS SUELOS TROPICALES DEL PERU PROPERTIES OF THE PERUVIAN TROPICAL SOILS

A. CARRILLO GIL, I.C.,M en I. Profesor Emérito, Universidad Nacional de Ingeniería Profesor de Ingeniería Civil Universidad Ricardo Palma, Lima, Perú E. CARRILLO DELGADO. J. CARDENAS POMAREDA. Miembros de A. Carrillo Gil S.A.,Ingenieros Consultores. Lima, Perú. SINOPSIS En la amazonía peruana los suelos tropicales son abundantes, ocupan las dos terceras partes del territorio y presentan propiedades y mecanismos que controlan su comportamiento mucho más complejos que los suelos transportados del resto del país. En este trabajo se hace una evaluación de la geología , geomorfología y clima de la amazonía peruana, correlacionándola con el tipo de suelo resultante y a partir de un tratamiento estadístico de los datos existentes y la aplicación de métodos de clasificación convenientemente adaptados a los suelos residuales de la selva amazónica peruana, se establecen algunas correlaciones empíricas entre los parámetros de identificación y el probable comportamiento de estos suelos; complementándose con resultados de ensayos efectuados para evaluar la actividad de la cal como estabilizante de estos materiales geotécnicos que presentan contenidos de humedad natural superiores al óptimo de los ensayos Proctor de laboratorio. INTRODUCCION Recientes revisiones del estado del arte sobre el comportamiento de suelos tropicales han concluido que a diferencia de otros materiales geotécnicos, no es posible aún hacer generalizaciones que sean validas universalmente. Hay razones importantes para ello: no existe todavía suficiente conocimiento fundamental de estos suelos residuales, en especial con respecto a sus propiedades químicas y mineralógicas y a su comportamiento mecánico ya que los métodos de análisis de estabilidad aceptados por la comunidad geotécnica no conducen aún a resultados totalmente satisfactorios. Una de las

GEOTECNIA DE LOS SUELOS PERUANOS dificultades para usar adecuadamente los suelos de las regiones tropicales, para fines de construcción en general, es la limitación del uso de las clasificaciones tradicionales de los suelos y los parámetros involucrados en estas clasificaciones que han sido establecidas generalmente para los suelos de origen sedimentario que se encuentran en los países de clima templado a frío, lugares donde la Mecánica de Suelos clásica tuvo su desarrollo más acentuado. Evidentemente, la realización de obras de envergadura en la selva amazónica peruana presentan un sin número de problemas técnicos no experimentados en el pasado, ya que en muy pocas regiones del mundo se presentan las condiciones atmosféricas, ambientales o hidrológicas que existen en esta región, a las cuales se les suma la carencia de materiales tradicionales para la construcción (Carrillo-Gil, 1983). También los fenómenos de erosión y sedimentación que suceden alternadamente en las riberas de ambas márgenes de los ríos, así como los continuos cambios de curso entre los años subsiguientes, presentan dificultades adicionales y grandes retos a la aplicación de los conocimientos de la ingeniería civil, tanto en la selva baja que se ubica entre los 80 y 400 m.s.n.m., como en la selva alta que se sitúa entre los 400 y 1000 m.s.n.m. CLASIFICACION DEL SUELO TROPICAL PERUANO En los últimos años se ha observado un aumento en el número de investigaciones a nivel mundial con respecto a la tecnología de los suelos tropicales, todos ellos contribuyen a desarrollar criterios adecuados para establecer su posible comportamiento, tomando en consideración que los suelos tropicales han mostrado diferentes conductas cuando han sido comparados con suelos de otros orígenes, y además no están convenientemente representados en el sistema de clasificación clásico conocido en la ingeniería geotécnica. Así se han hecho muchos intentos (usando factores objetivos o subjetivos), que han sido elaborados para identificar las características intrínsecas de los suelos tropicales y para prever sus propiedades geotécnicas. Uno de los proyectos tomado en cuenta en este trabajo, ha sido desarrollado en Brasil y fue denominado MCT (Miniatura Compacto Tropical), que permite la determinación de conductas lateríticas y no lateríticas (saprolíticas), que toman en cuenta sus propiedades en relación a sus características genéticas. De todas las clasificaciones propuestas hasta la fecha, hemos considerado como más representativa para los suelos tropicales del Perú la de considerar estos dos tipos de suelos: saprolíticos y lateríticos. Los suelos saprolíticos son aquellos originados por la

GEOTECNIA DE LOS SUELOS PERUANOS intemperización de la roca en el lugar, conservando sus condiciones de macro estructura, mineralogía y granulometría. Debido a que aparecen como el residuo de la roca de origen y presentan un apropiado perfil de intemperización, también se les llama suelos residuales jóvenes. Normalmente constituyen estratos subyacentes al horizonte superficial de estos depósitos y suprayacentes a la roca matriz, caracterizándose por la presencia de estructuras heredadas de la roca madre, grandes espesores del estrato, mineralogía compleja con diferentes grados de intemperismo y estratigrafía en algunos casos compleja con gran heterogeneidad, y en otros muy homogéneas con estructuras simples ( Nogami, 1985). Llamamos lateríticos a los suelos tropicales que sufren durante su formación un proceso pedológico intenso denominado laterización, cuyas características son: lixiviación de los cationes alcalinos y alcalinos terrosos (Na+, K+, Ca++ y Mg++), empobrecimiento de sílica, existencia de minerales arcillosos en grados avanzados de transformación y aumento del porcentaje de óxidos de fierro y aluminio hidratado. Los suelos lateríticos pueden ser residuales maduros o transportados y constituyen un horizonte superficial de origen esencialmente pedogenético recubriendo normalmente áreas bien drenadas y formando estratos con limites graduales poco perceptivos. Los tipos de suelo considerados en este trabajo toman en cuenta el sistema de clasificación MCT, como lateritas arena (LA), lateritas arenosas. (LA') lateritas arcillosas (LG'), saprolitas arenosas (NA'), saprolitas limosas (NS') y saprolitas arcillosas (NG') como subgrupos aplicables a los suelos tropicales peruanos. En el Perú, los suelos tropicales en un gran porcentaje son de tipo saprolíticos, esto es, suelos arcillosos mezclados con limo y arena principalmente. Algunos resultados de ensayos de resistencia al cortante efectuadas en los suelos del Perú indican valores muy dispersos; sin embargo, se ha encontrado que la prueba de la veleta practicada en el campo en los suelos saprolíticos que se encuentran muy fisurados, la medida de la resistencia al corte sin drenaje efectuada en el campo arroja siempre valores mucho más confiables que las ensayos de laboratorio, comprobándose que estos valores son mucho mas altos en casi todos los casos que los obtenidos por otros medios, siendo el limite mas bajo los resultados de los ensayos triaxiales rápidos y los mas próximos los resultados de los ensayos de Compresión-No-Confinada, quizás debido a la descompresión que sufren estos suelos al ser obtenidos en profundidad y a la alteración de los especimenes con el manipuleo, o los efectos de la succión en los suelos parcialmente saturados que hacen variar su resistencia al cortante. (Carrillo-Gil, 1978).

GEOTECNIA DE LOS SUELOS PERUANOS CARACTERISTICAS GEOLOGICAS Y GEOMORFOLOGICAS DE LA SELVA PERUANA El trabajo efectuado para iniciar la caracterización tecnológica de los suelos tropicales peruanos es el producto de un estudio generalizado acerca de la geología y geomorfología de la región selvática. En este estudio nos hemos valido de una serie de investigaciones y recopilación de datos puntuales de la región, considerando las principales cuencas de los ríos más importantes, esto es, Amazonas, Marañón Ucayali, Madre de Dios, Santiago, Huallaga, Pachitea y Ene, así como también la información de una serie de autores para llegar a establecer sus características de comportamiento en forma detallada, tomando en consideración que gran parte de la amazonía ha permanecido cubierta durante los periodos interglaciares del cuaternario por un mar interior de poca profundidad, cuando el nivel de los océanos tenían 100 m encima del actual ( 330,000 años atrás) y pasaron a fluctuar durante varias épocas glaciares e interglaciares, formando terrazas a lo largo de los cursos de agua, llegando a tener 100 m debajo del nivel durante la última glaciación (17,000 años atrás), quedando en estos canales profundos los ríos, elevándose posteriormente a la cota actual (6,000 años atrás) (Vertamatti,1988). De acuerdo a los estudios recopilados se puede concluir que en la selva alta y en los limites de la selva baja se encuentran tanto rocas ígneas como sedimentarias, mientras que en la selva baja predominan las rocas sedimentarias del terciario y cuaternario y están constituidas principalmente por areniscas, lutitas y arcillitas. En cambio, las rocas ígneas encontradas en la selva alta son: granito, andesita, y tipos volcánicos, mientras que las del tipo sedimentario son las areniscas, pizarras, calizas y dolomitas (Figura 1). La roca madre que ha formado los suelos de la selva peruana tiene orígenes muy diversos, como se deduce de lo expuesto anteriormente, referente a la geología de la zona. Al agrupar los materiales geotécnicos se establece que en la selva alta predominan tanto los materiales residuales como los transportados originando suelos litocambisólicos y acrisoles, mientras que en la selva baja se encuentra predominio de materiales residuales, creando principalmente suelos ferrosólicos. Entre las rocas originales que han generado estos materiales residuales, se tiene el calcáreo, las arcillas y lutitas, las areniscas y algunas rocas ígneas del tipo de los granitos, andesitas y tufos volcánicos. (Villachica, 1980). En este caso cabe indicar cierta diferencia con la roca madre que generalmente se menciona para algunas otras regiones de Sudamérica. Así mismo parecería probable que en nuestra región no se ha dado con mucha frecuencia el proceso de latolización, de acuerdo con las referencias encontradas al respecto.

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Fig.1 Región Amazónica Peruana y Tipo de Roca Madre Subyacente

La descripción generalizada de la geomorfología de la región indica que la selva baja es esencialmente plana y como queda dicho, su altura varia entre 80 a 400 m.s.n.m. Debido a este pequeño desnivel los ríos discurren lentamente, teniendo en la estación seca la apariencia de verdaderas lagunas, son anchas sinuosas y de muy fácil vegetación. Esta región del llano amazónico, puede señalarse como el tipo de estado de madurez o avanzada erosión. El llano amazónico esta caracterizado por su gran humedad, y terreno cubierto por una densa vegetación tropical. Esta extensísima llanura se halla suavemente inclinada hacia el Este y comprende las llanuras de Loreto y Madre de Dios. El territorio es suavemente ondulado, por el despliegue de amplias superficies planas, lomadas y zonas colinosas bajas, depresiones, terrazas aluviales, etc., modelados en sedimentos blandos y subhorizontales del terciario superior y aluviales del cuaternario. La llanura esta íntegramente drenada por los ríos Marañón, Huallaga y Ucayali, formadores del gran Amazonas y su sistema de tributarios.

GEOTECNIA DE LOS SUELOS PERUANOS La llanura de Madre de Dios, se desarrolla a altitudes de 200 a 500 m.s.n.m. Se extiende con suave inclinación hacia el sureste, desde el alineamiento del alto Fitzcarrald hasta la frontera con Bolivia. Morfológicamente es un territorio llano a ondulado y modelado en sedimentos del terciario y depósitos aluviales del cuaternario. Esta íntegramente drenada por el río Madre de Dios y sus numerosos tributarios. Las características geomorfológicas de esta zona corresponden a un escenario del tipo continental, el que ha estado sometido a diversos ciclos diastróficos de intensidad variable, los cuales junto con los agentes geodinámicos externos, han modelado la superficie del terreno en diversas formas, desde el punto de vista geomorfológico en colinas y planicies. El sector de colinas, que incluye también a las lomadas, corresponde a las áreas que topográficamente se ubican a mayor altura dentro de la zona, las cuales se encuentran intensamente disectadas por pequeñas quebradas las que están en su etapa inicial de erosión. El sector de planicies ha sido generado por movimientos epirogenénicos, también podemos mencionar la erosión vertical de los recursos hídricos que drenan la zona. La morfogénesis de la región se remonta a los subhorizontes del Terciario Superior, sedimentos del terciario y depósitos aluviales del cuaternario (Figura 2).

Fig. 2 - Zonas Morfoestructurales de la Amazonía Peruana

GEOTECNIA DE LOS SUELOS PERUANOS CONDICIONES DE CLIMA EN LA SELVA PERUANA Con respecto al clima se establece que los principales agentes en la formación del suelo son la lluvia y la temperatura. La primera determina la humedad del suelo, la aireación y el grado de lavaje del perfil, mientras que la segunda tiene acción directa sobre la formación del suelo e influye en la velocidad de las reacciones químicas, que se duplican por cada 10° C de incremento de temperatura (Figura 3). Otros agentes del clima, además de la precipitación y de la temperatura, son la humedad relativa, la radiación solar, el número

Fig. 3 - Distribución Climática de la Selva Del Perú

GEOTECNIA DE LOS SUELOS PERUANOS de horas de sol, la nubosidad, la evaporación, y la evapotranspiración, principalmente. Dentro de un mismo agente existen muchas causas que hacen que su forma de acción varíe notablemente. Por ejemplo, el régimen de actividad pluvial depende tanto de los procesos atmosféricos del sistema de circulación intertropical, como de la influencia que ejerce la circulación, atmosférica local, según las diferentes formas de topografías. El nivel pluviométrico regional a su vez depende de la temperatura, densidad, humedad absoluta y otras características de la masa de aire, y una vez que se produce la lluvia, su efectividad en meteorizar el material estará en función de su duración, intensidad, cantidad total de caída, así como la cobertura del tipo de material y del relieve (plano, quebrado, o de vertientes abruptas). Es decir que el clima puede actuar en la descomposición del material original del suelo o de éste mismo, a través de numerosos agentes, los cuales a su vez actuarán en condiciones muy variables, lo que determinará una amplia variación en los suelos que se formen en estas condiciones. ALCANCES FUNDAMENTALES Y PRACTICOS DE COMPORTAMIENTO De los trabajos efectuados en el campo y en el laboratorio como parte de esta investigación y de la recopilación de un gran número de datos de obras de ingeniería efectuadas en la región amazónica peruana, así como investigaciones realizadas en otros países, se infiere que en general, los problemas geotécnicos en estos suelos residuales ocurren en la zona que no esta saturada, donde la resistencia al cortante del suelo esta íntimamente ligada a la presión de succión del agua. Por tanto, a diferencia de otros materiales geotécnicos, la evaluación de parámetros de resistencia al corte requiere el uso combinado de condiciones de saturación y de confinamiento similares a las existentes en el momento que ocurre la falla, o de lo contrario se obtienen valores de resistencia muy lejanos a los que existieron en la naturaleza ( Carrillo y de Campos,1994). En general, se observa una acentuada no-linealidad en la envolvente de resistencia en relación a la succión de los materiales tropicales. En algunos casos se ha encontrado que esta no-linealidad esta influenciada por la succión en la resistencia al cortante. Por consiguiente se establece que la medición de la resistencia al corte en suelo no saturados con equipo convencional de laboratorio presenta problemas experimentales considerables debido a que los equipos no permiten el control directo del grado de saturación en la naturaleza del suelo. Se han desarrollado equipos e investigaciones que miden presiones de succión en las muestras (Carrillo, Fonseca y De Campos, 1994) así como también se han utilizado métodos que controlan el grado de saturación por medios químicos. Sin

GEOTECNIA DE LOS SUELOS PERUANOS embargo, la complejidad de estos métodos, en muchos casos, los hace de difícil aplicación en la practica ingenieril. De otro lado, desde el punto de vista práctico se ha logrado establecer correlaciones empíricas entre las características de plasticidad de estos suelos tropicales y su probable

clasificación para diseños preliminares de obras de ingeniería en la amazonía peruana (Figura 4). Analizando estadísticamente miles de resultados de ensayos efectuados, principalmente durante la construcción de carreteras y aeródromos, así como también cimentación de edificios, puertos y problemas de derrumbes en las riberas de los principales ríos tanto en la selva alta como en la selva baja o llanura amazónica, se han establecido algunas características típicas de comportamiento que se muestran en la Tabla I, para más adelante lograr un primer intento de zonificación de los suelos tropicales del territorio peruano, utilizando la información geomorfológica, de clima, pedológica, etc., recopilada y tomando en cuenta la roca madre subyacente a cada región ( Carrillo-Gil,1994).

Fig. 4 - Correlación Empírica Entre los Límites de Consistencia y el probable. Comportamiento del Suelo Tropical Peruano.

GEOTECNIA DE LOS SUELOS PERUANOS ESTABILIZACION DE LOS SUELOS TROPICALES PERUANOS De numerosos estudios realizados para estabilizar los suelos tropicales con cal, se establece que las mezclas de suelos saprolíticos con este estabilizante presentan sistemáticamente mejores resistencias que con el suelo laterítico para iguales porcentajes de cal y tiempo de cura ( Gimenez, 1990). En los suelos tropicales mezclados con cal la resistencia aumenta con el tiempo de curado, aumentando más en el suelo saprolítico que en el laterítico. La influencia del porcentaje de cal en la resistencia es semejante tanto en los suelos saprolíticos como lateríticos. La resistencia de los suelos prácticamente no disminuye como consecuencia del tiempo transcurrido entre la mezcla y su compactación en las primeras cuatro horas, sin embargo, el suelo saprolítico sufre cierta disminución de resistencia entre cuatro y veinticuatro horas.

Tabla I: Características Típicas de Comportamiento

Tipo de Suelo Soporte y Resistencia Expansión Contracción Permeabilidad Succión Erosión

Hidráulica

1- Laterita Arena (LA)* (SP, SC)** ALTO BAJA BAJA

BAJA

A

MEDIA

BAJA

2- Laterita Arenosa (LA’) (SC) ALTO BAJA BAJA A

MEDIA BAJA BAJA

3- Laterita Arcillosa (LG’) (MH, ML, OL, CH, OH)

BAJA BAJA MEDIA A ELEVADA BAJA BAJA MEDIA

4- Saprolita Arenosa (NA’) (SM, SC, ML, OL)

ACEPTABLE BAJA BAJA A MEDIA BAJA BAJA A

MEDIA ALTA

5- Saprolita Limosa (NS’), (SM, CL, ML, MH, OH)

BAJA ELEVADA MEDIA BAJA A MEDIA ELEVADA ELEVADA

6- Saprolita Arcillosa (NG’) (MH, CH) BAJA MEDIA A

ELEVADA MEDIA A ELEVADA BAJA A MEDIA MEDIA A

ELEVADA

* Clasificación MCT ** Clasificación SUCCS

GEOTECNIA DE LOS SUELOS PERUANOS De la investigación llevada a cabo con fines de estabilización con cal para algunos suelos saprolíticos de la amazonía peruana que permanentemente presentan contenidos, de humedad natural mucho mayores que el óptimo de compactación, se han encontrado algunos resultados de laboratorio para especimenes que presentan portancia tan baja como CBR de 1% a 5% en promedio, y que al mezclarse con cal se obtiene un aumento substancial en el valor del CBR para diferentes tiempos de curado, probablemente debido al desarrollo de la reacción puzolánica en el suelo, estableciéndose que con 5% a 6% de cal hidratada en peso es posible obtener un mínimo de 15% de CBR como resistencia inicial para las arcillas saprolíticas de la selva baja, y si se continua el curado, se encontró que después de un buen tiempo el CBR aumentó considerablemente llegando hasta valores mayores del 29% en 140 horas (Carrillo-Gil, et al, 1993). En la mayoría de los casos, la adición de 5%, a 6% de cal hidratada fue suficiente para lograr resistencias adecuadas para el diseño de pavimentos de carreteras, calles y aeródromos para aviones medianamente pesados que normalmente hacen servicio en las áreas selváticas del Perú. CONSIDERACIONES FINALES Los resultados mostrados en este trabajo proporcionan una visión global de las características geotécnicas de los suelos del trópico húmedo peruano, lo que permitirá en el futuro el desarrollo de nuevos patrones de comportamiento considerando su evaluación experimental y tratamiento adecuado para llegar a una determinación real de las propiedades ingenieriles que permitan más adelante la utilización racional de estos materiales geotécnicos especiales, dejando de lado especificaciones y recomendaciones foráneas que resultan incompatibles con la realidad y que muchas veces han sido utilizadas y aplicadas en proyectos desarrollados en la región amazónica, lo que ha originado fallas y daños importantes en ellas, con la consiguiente pérdida material y económica. Esto nos ha obligado a considerar la conveniencia de la discretización de estos materiales en grupos o zonificación del suelo tropical que presenta similares o diferentes características geotécnicas y por lo tanto establecer una primera aproximación al comportamiento del suelo en las obras de ingeniería civil, dado a que estos materiales geotécnicos no encuadran satisfactoriamente en muchos de los criterios tradicionales, desarrollados anteriormente. Esto nos obligará también a la necesidad de elaborar criterios geotécnicos selectivos más adecuados para estos materiales, que en la selva baja principalmente, son los únicos disponibles para la construcción de obras de ingeniería civil.

GEOTECNIA DE LOS SUELOS PERUANOS Así, la amazonía peruana se constituye en una región muy singular en vista de sus ocurrencias geológicas y de clima que crean suelos tropicales húmedos muy difíciles de predecir y manejar en la construcción de obras de tierra. Las crecientes posibilidades dela selva peruana como polo de desarrollo del país, demandan más y mejores estudios geotécnicos, de modo de crear una excelente base tecnológica para su conquista racional. REFERENCIAS CARRILLO-GIL, A., (1978), Características de los Suelos Tropicales del Perú, Revista Latinoamericana de Geotécnia, Vol. IV, N ° 4 pp.207-216, Caracas-Venezuela. CARRILLO-GIL, A., (1983), Problemas de Estabilidad de Taludes en Iquitos, Perú- Memorias del VII Congreso Panamericano de Mecánica de Suelos, Vancouver-Canadá. CARRILLO-GIL, A., CARRILLO, E., CARDENAS, J., FLORES, J., (1993), Alternativas de Estabilización de Suelos Tropicales Húmedos para Pavimentos, Memorias del VII Congreso Nacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Cimentaciones, Lima-Perú. CARRILLO-GIL, A., CARRILLO E., ROBALINO M., (1994), Caracterización de los Suelos Tropicales del Perú, X Congreso Nacional de ingeniería Civil, Lima, Perú. CARRILLO-GIL, A., DE CAMPOS T.,(1994) Resistencia ao Cisalhamento de Solos Coluvionares e Residuais Nào Saturados da Vista Chinesa., X Cobramsef, Foz de Iguaçú, Paraná, Brasil. CARRILLO, C., FONSECA, E., DE CAMPOS, T., (1994), Equipamento de Cisalhamento Direto com Succào Controlada, 2° Simposio sobre Solos Nào-Saturados, Recife, Brasil. GIMENEZ, B.M.,(1990), Estudo Comparativo Do Comportamiento De Um Solo Saprolitico E De Um Solo Lateritico Estabilizados Com Cal; Tese De Mestrado em Engenharia - Escola Politecnica, Usp, Sào Paulo, Brasil. NOGAMI, J.S., (1985) Características Dos Solos Tropicais - V Reuniào Aberta da Industria Da Cal, Anais, pp 47-56,Sào Paulo-Brasil. VERTAMATTI, E., (1988), Contribuicào Ao Conhecimento Geotécnico.dos Solos da Amazonia com base na Investigacāo de Aeroportos e Metodologias MCT Resiliente Tese Doctoral-Instituto Tecnológico de Aeronaútica, San José Dos Campos, S.P., Brasil. VILLACHICA, M., (1988), Reporte de la Universidad Nacional Agraria, Lima-Perú.