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Suelos pumíticos: suelos no convencionales (Pumice soils: non-conventional

soils)

Conference Paper · November 2018

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Salvador Lazcano Diaz del Castillo

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 XXIX Reunión Nacional de Ingeniería Geotécnica
Noviembre 23 y 24, 2018 – León, Guanajuato

Sociedad Mexicana de
Ingeniería Geotécnica, A.C.

Suelos pumíticos: suelos no-convencionales

Pumice soils: non-conventional soils

Salvador LAZCANO1

1Consultor geotécnico, director de Suelo-Estructura y profesor en las Universidades ITESO y Panamericana campus Guadalajara

RESUMEN: Guadalajara es la ciudad con mayor población del mundo, que está desplantada mayoritariamente sobre suelos pumíticos,
y el importante crecimiento que ha alcanzado representa un reto a la ingeniería geotécnica, para tener un mayor conocimiento de las
propiedades del suelo. El objetivo del presente artículo es mostrar algunas características particulares de estos suelos pumíticos y con
ellos proponer modificaciones a la práctica geotécnica. Las particularidades que se analizan van desde su origen geológico, propiedades
de las partículas de suelo, compresibilidad y resistencia al cortante. Finalmente se analizan algunos de los aspectos de la práctica
geotécnica cotidiana a la luz de esto y se sugieren cambios en la misma.

ABSTRACT: Guadalajara is the largest city in the world located mainly over pumice soils. Its fast growth is a defiance for the
geotechnical engineering, in order to have a deeper knowledge of their soil properties. The objective of this paper is to sho w some
peculiarities of these pumice soils, and with that information, propose changes in the geotechnical practice. Peculiarities go from their
geological origin, soil particle properties, compressibility and shear strength. Finally, some aspects of the geotechnical practice are
analyzed under those peculiarities, and some changes are proposed.

de la ingeniería geotécnica han sido tratados como si fueran

suelos promedio o convencionales, a pesar de tener varias
características particulares.
1 INTRODUCCIÓN El objetivo del presente artículo es mostrar algunas
características particulares de estos suelos y proponer
El actual asentamiento de la ciudad de Guadalajara se
cambios en la práctica geotécnica en Guadalajara.
determinó en 1542, después de tres accidentadas
Dado que se ha hecho poca investigación local, en la
fundaciones anteriores, siendo la primera en 1531. Se
elaboración de este trabajo se complementó con
decidió establecer Guadalajara en el sitio que actualmente
experiencias en otros lugares del mundo.
ocupa, dentro del valle de Atemajac, por contar con
Este artículo consta de tres partes: se inicia con el
planicies grandes de terreno y agua, aunque no abundante,
panorama geológico regional, que dio origen a los suelos
si necesaria para los requerimientos de aquella naciente
pumíticos; enseguida se presentar algunas de las
ciudad (Lazcano, 2004).
particularidades más importante de los suelos pumíticos;
A partir de aquella pequeña Guadalajara de 1542 con
finalmente se hace una revisión de la práctica geotécnica en
pocas decenas de habitantes, ha habido un crecimiento
Guadalajara y se proponen cambios en la misma.
exponencial, sobre todo desde finales del siglo XIX.
Actualmente el área metropolitana cuenta con alrededor de
cinco millones de habitantes y abarca cerca de 800 km2. De 2 ANTECEDENTES GEOLOGICOS
esta área total, la mayor parte se ubica en aquellas planicies
que visualizaron los fundadores, y que actualmente se les Hace aproximadamente 125,000 años, en la región en
llama los valles de Atemajac, Tesistán y Toluquilla, cuyo donde se ubica Guadalajara inició un período de actividad
subsuelo está constituidos por suelos pumíticos, originados volcánica, en la zona que hoy es conocida como Sierra La
en erupciones de la Sierra La Primavera, ubicada hacia el Primavera, a unos 13 km al oeste del centro histórico. A
oeste de la zona centro. diferencia del vulcanismo anterior en la región, que había
Los suelos pumíticos de Guadalajara han sido motivo de consistido en flujos de lavas basáltico-andesíticas, de
varios mitos que los idealizan, entre ellos el erróneo y composición mineralógica ferro-magnesiana y con colores
centenario concepto de ser “colchón ante sismos” (Waitz y oscuros, ese nuevo período volcánico emitió lava riolítica y
Urbina, 1919; Lazcano, 2004). Por otro lado, en la práctica piroclastos de color claro, por su composición mineralógica
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con alto contenido de cuarzo y feldespatos. Esta actividad cuerpo de agua. Eventualmente pueden a su vez ser
volcánica inició hace 125,000 años, ha tenido diferentes transportados y depositados.
etapas eruptivas y actualmente su actividad se reduce a En el subsuelo de Guadalajara hay depósitos pomez con
algunos manantiales de aguas termales y fumarolas. espesores que varían de unos pocos metros hasta unos 100
Mahood (1980) estableció cinco principales períodos m en algunas partes del poniente de Guadalajara (Lazcano
eruptivos de la caldera riolítica de La Primavera: el primero 2004 y 2012). Su granulometría fluctúa desde suelos finos
hace alrededor de 125 mil años y el segundo hace 95 mil hasta gravas, llamadas localmente jales, pasando por el
años, durante el cual hubo una potente erupción explosiva rango de las arenas. A las arenas gruesas y gravas finas se
con emisión de piroclásticos que constituyeron una les llama jalecillo. Sin embargo, el rango de partículas
formación llamada toba “Tala”, debido a que aflora en el predominante en Guadalajara son arenas, con poco a algo
cercano valle de ese nombre, aunque también se encuentra de grava (jal) y no más de 15% de finos limosos.
en parte del subsuelo de Guadalajara. Por la intensa emisión Si bien los suelos pumíticos no abundan, si se
explosiva de material piroclástico (pómez) en este segundo encuentran en varias partes del mundo, en donde ha habido
período, la cámara magmática se vació parcialmente, se vulcanismo con emisiones riolíticas explosivas, por
colapsó la bóveda y ello dio origen a un lago circular de ejemplo, en la erupción del año 79 del volcán Vesubio, que
unos 11 km de diámetro, en el centro de la caldera. sepultó Pompeya y otras poblaciones. En México, además
Entre el segundo y tercer período eruptivo hubo la de Guadalajara, hay suelos pumíticos en la región de Tepic,
recarga de la cámara magmática y con ello el levantamiento así como en varios estados del oeste de Estados Unidos, en
del fondo del lago, que terminó drenando radialmente. Y Guatemala, El Salvador, Ecuador, Chile, Argentina,
con ello vino el tercer período hace 75 mil años y después Islandia, Italia, Grecia, Turquía, Tanzania, Etiopía, Irán,
un cuarto hace 65 mil años, que formó varios domos Nueva Zelanda, Filipinas, China y Japón, entre otros
volcánicos, ente ellos cerro El Tajo. (USGS, 2012).
En el quinto período eruptivo fue hace unos 25 a 30 mil
años, el material expulsado fue pequeño, en comparación
con períodos anteriores, y se formó únicamente el domo 3 ALGUNAS PARTICULARIDADES DE LOS
llamado cerro el Colli. SUELOS PUMÍTICOS
Los productos piroclástico emitidos por la caldera
A continuación se plantean tres aspectos importantes,
riolítica de la Sierra La Primavera son cenizas volcánicas
aunque no únicos, que imprimen un carácter especial a los
de color café a gris claro, debido a que sus componentes
suelos pumíticos, pómez o pumicita, que los diferencian de
mineralógicos son silicato y aluminio (Mahood, 1981). En
los suelos comunes o convencionales. Primeramente se
erupciones explosivas la lava líquida es arrojada al aire
analizarán algunas características de las partículas y luego
como espuma y al enfriarse rápidamente quedan partículas
la compresibilidad y finalmente la resistencia al cortante.
con estructura esponjosa, en ocasiones fibrosa, ligeras y
Como la granulometría de los suelos pumítico está
más fáciles de ser triturados que los suelos promedio o
dentro del rango de las arenas, sus características se
convencionales. A este material piroclástico se le llama
compararán con arenas cuarzosas, que son las que abundan
suelo pumítico, pómez, pumita o pumicita, y se encuentran
en la naturaleza.
en la naturaleza en un amplio rango de tamaños de
partículas, desde finos (partículas que pasan por la malla
No. 200) hasta boleos y bloques de dos o más metros, como 3.1 Características de las partículas
los que se pueden observan en los depósitos del fondo del Además de las diferencias en su origen geológico entre
lago que hubo hace entre 95 y 75 mil años. los suelos pumíticos y los convencionales, también hay
Este proceso que origina los suelos pumíticos marca una
variaciones en las propiedades de las partículas que los
notable diferencia contra los suelos convencionales. La conforman. Estas son producto de erupciones volcánicas
mayoría de los suelos son producto del intemperismo o explosivas riolíticas, mineralógicamente hablando ricas en
meteorización de rocas, combinado con diferentes procesoscuarzo (silicato de aluminio), como se mencionó en el
de transportación. Se van fragmentando las rocas formandopunto anterior. Por su enfriamiento rápido al ser expulsadas
primero bloques rocosos, enseguida boleos, gravas, arenasa la atmósfera, tienen una densa red de finas oquedades,
y finalmente suelos finos limosos o arcillosos. Estos suelos
algunas interconectadas y abiertas a la superficie, mientras
promedio son transportados por agua, viento o gravedad, que otras están aisladas en el interior de las partículas.
que les provoca desgaste adicional al intemperismo, y Como consecuencia, se tienen suelos ligeros, con
posteriormente son depositados. En contraparte, los suelos
superficies rugosas y más triturables que las arenas
pumíticos “nacen” a la corteza terrestre como suelos con cuarzosas convencionales (Lazcano 2010; Wesley, 2010).
granulometrías variables, se transportan por el aire, y Para el estudio de partículas de suelos pumíticos, ha
después se depositan en la superficie terrestre o en algún
sido de gran ayuda el uso del microscopio electrónico de
barrido (SEM por su nombre en inglés: scanning electron
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microscope). Con las imágenes así obtenidas se observó La trituración de pómez se debe principalmente a la
que conforme el tamaño de las partículas disminuye, la aplicación de esfuerzos cortantes, más que esfuerzos por
forma y textura de la superficie tiende a ser menos uniforme consolidación (Orense el al., 2012).
y más angulosa. Además, se observó que cuando las
partículas son trituradas, su superficie se vuelve más 3.3 Compresibilidad
irregular y dentada, facilitando así mayor trabazón entre
partículas, al ser sometidas a esfuerzos cortantes (Orense y Se realizaron en consolidómetro convencional pruebas
Pender, 2016). comparativas para evaluar la compresibilidad de arenas
Una técnica aún más moderna que el microscopio pumíticas y cuarzosas, con granulometrías similares y en
electrónico de barrido es la microtomografía computarizada estados suelto y denso. Los resultados se presentan en la
de rayos X. Con ella se pueden obtener imágenes de Figura 2 y es notable el contrastante grado de
estructuras internas de pequeños objetos (como pueden ser compresibilidad, unas cuatro a cinco veces mayor en el caso
pequeñas partículas de pómez), de forma no destructiva. de las arenas pumíticas, tanto para el caso de estado suelto
Estos estudios constataron que los suelos pumíticos tienen como denso (Wesley et al., 1999).
un importante volumen de vacíos en su interior y que la
mayoría de ellos se comunican al exterior. La relación de
volumen de vacíos internos (sin comunicación al exterior)
al volumen de sólidos de suelos pumíticos en la zona de
Auckland, en Nueva Zelanda fluctúa entre 10 -5 y 10-2, con
valor promedio de 0.006 (Orense y Pender, 2016).

3.2 Triturabilidad de partículas

La triturabilidad es la más importante particularidad de
los suelos pumíticos. La trituración de partículas provoca
cambios en la densidad, aumento en la compresibilidad del
depósito de suelos y reducción en la resistencia al esfuerzo
cortante.
En minuciosas pruebas de trituración se encontró que la
resistencia a la trituración se reduce, tanto de arenas Figura 2. Compresibilidad de arenas cuarzosas y pumíticas,
convencionales como pumíticas, conforme aumenta el en estados sueltos y densos (Wesley et al., 1999).
tamaño de partículas. Además, se encontró que el esfuerzo
de trituración de arenas pumíticas es alrededor de diez En un estudio comparativo entre arenas pumíticas de
veces menor que el de arenas sílicas (Orense y Pender, Nueva Zelanda y Japón se encontraron propiedades
2016), como se puede ver en la Figura 1. similares, a pesar de diferencias en su origen y
granulometría (Kikkawa et al., 2013).
Hay pocos reportes de valores de índices de compresión
(Cc) en suelos pumíticos y sus rangos van de 0.7 (Pender et
al., 2006) a 1.17 (González Pulgar, 2012). Estos valores los
sitúa dentro de suelos de alta compresibilidad.

3.4 Resistencia al cortante

Con las mismas arenas pumíticas y cuarzosas
mencionadas en la sección anterior, con granulometrías
similares y en estados suelto y denso, se realizaron pruebas
triaxiales. En la Figura 3 se presentan las gráficas esfuerzo-
deformación para presiones de confinamiento de 50 y 300
kPa. Para el confinamiento bajo, tanto la arena pumítica
como la cuarzosa en estado denso muestran un
Figura 1. Variación de la triturabilidad de arenas pumíticas y
sílicas en función de esfuerzos y tamaños de partículas (Orense y comportamiento convencional con un pico en el esfuerzo
Pender, 2016). desviador. Para la presión de confinamiento alta la arena
cuarzosa sigue presentando un pico, aunque no tan
marcado, pero la arena pumítica no. Pero el resultado más

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interesante consiste en que mientras en la arena cuarzosa se Tabla 1 Ángulos de fricción interna en arenas pumíticas
midieron ángulos de fricción interna () de 36.5° y 41°, Autor Lugar Prueba 
para los estados suelto y denso respectivamente, en la arena Tiaxial y corte
Saborío et al., 1970 35 – 40°
pumítica el ángulo de fricción interna de 41.5°, tanto para Guadalajara directo
el estado suelto como denso (Wesley et al., 1999). Hess y Padilla, 1986 Corte directo 41 – 42°
Bommer et al., 2001 San Salvador Tiaxial 35 – 40°
González Pulgar, Santiago de
Triaxial 47°
2012 Chile
Nápoles,
Aversa et al., 2013 Triaxial 35 – 38°
Italia
Corte directo 44.5 – 46°
Bucher, 1998 Tanzania
Tiaxial 43°
Wesley et al., 1999 41.5°
Nueva
Pender et al., 2006 Tiaxial 40 – 42°
Zelanda
Orense et al., 2012 42 – 44°
Torsión
Orense et al., 2006 Filipinas 40°
anular

Así, el rango de valores de ángulos de fricción interna

() fluctúa entre 35° y 46°, que son comparativamente altos
respecto a las arenas convencionales. Pero lo más
interesante es que los ángulos de fricción interna en suelos
pumíticos parecen ser independientes de sus compacidades
(Wesley, 2010).

4 PRÁCTICA GEOTÉCNICA ACTUAL

Tomando en consideración las diferencias aquí

planteadas entre los suelos pumíticos y los comunes o
convencionales, es evidente la necesidad de revisar la
práctica cotidiana de las pruebas de campo y laboratorio, y
el análisis geotécnico.
Iniciando desde la sencilla prueba de determinación de
contenidos de humedad, debe tomarse que cuenta que parte
del agua está entre las partículas y parte dentro de los
huecos de las partículas, situación que no se da en los suelos
Figura 3. Gráficas esfuerzo-deformación de arenas promedio. Esto impacta incluso en la determinación de los
pumíticas y cuarzosas, en estados suelto y denso, bajo una límites de consistencia (Saborío, 1998).
presión de confinamiento de 50 kPa (a) y 300 kPa (b). Por lo que respecta a las granulometrías, que con tanta
intensidad comúnmente se realizan, desde el mismo
Los altos ángulos de fricción interna () en los suelos proceso de obtención y preparación de las muestras
pumíticos están asociados a lo rugoso y dentado de la mediante disgregación, se reduce ficticiamente los tamaños
superficie de las partículas y a sus formas muy angulosas, de pómez (Hess y Padilla, 1986; Saborío, 1998). También
así como a su triturabilidad, que favorece el aumento de la el proceso dinámico de la criba así como la duración de la
trabazón de las partículas, al ser sometidas a esfuerzos misma, altera la granulometría real del suelo. Hess y Padilla
cortantes (Orense y Pender, 2016). Esto mismo dificulta (1986), con base en experiencias en suelos pumíticos de
alcanzar el estado crítico, a pesar de que se trabajen las Guadalajara, sugieren que, en vez del cotidiano análisis
pruebas a deformaciones grandes (Pender et al., 2006). Por granulométrico, se haga una descripción física del material.
lo tanto, no es fácil definir con precisión los ángulos de Las pruebas Proctor de uso cotidiano en el monitoreo de
fricción interna (Kikkawa et al., 2013). A continuación, se calidad de compactaciones, tritura de manera considerable
presentan algunos valores de ángulos de fricción interna () los suelos pumíticos, y lo realiza de forma diferente a como
en pómez, obtenidos en diferentes lugares y con diversos lo hacen los equipos de compactación en la obra (Hess y
tipos de pruebas de laboratorio. Padilla, 1986; Saborío, 1998). Así, en realidad se tienen dos
suelos con granulometrías diferente, por lo que es de
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dudosa utilidad la comparación entre ellos. Esto es causa de considere la determinación de velocidades de ondas de
dificultad en alcanzar determinado grado de compactación compresión (Vp) y corte (Vs).
en campo. Por eso, sería conveniente que en vez del marco Conocida la variación de la velocidad de onda de corte
de referencia Proctor, en arenas, y más aún en gravas (Vs) en un suelo, es posible determinar los módulos de
pumíticas (localmente llamadas jales), la calidad de las rigidez al cortante (Go) y con ello se pudieran realizar
compactaciones se acote en términos de densidad relativa análisis geotécnicos (Jamiolkowski y Robertson, 1988).
(Hess y Padilla, 1986). Quizá esto sea conveniente, particularmente en suelos
En lo referente a pruebas de campo, Wesley et al. (1999) pumíticos (Lazcano, 2007, 2010 y 2016).
encontraron, mediante pruebas en un tanque en laboratorio,
que la triturabilidad de los suelos pumíticos ocasiona que
los resultados de pruebas de cono estático sean incapaces 5 CONCLUSIONES
de registrar cambios en las densidades relativas, como sí lo
 Los suelos comunes o convencionales “nacen” en la
hacen en arena convencionales (ver Figura 4). Así, es
corteza terrestre a partir de un largo proceso de
cuestionable interpretar resistencias de cono en arenas
intemperismo de rocas. Los suelos pumíticos desde un
pumíticas, como si fueran arenas comunes.
principio “nacen” como suelos, en erupciones
explosivas de magma riolítico.
 Las partículas de los suelos pumíticos, pómez o
pumicita, tienen una estructura esponjosa, en ocasiones
fibrosa, que los hace ligeros y más fáciles de ser
triturados que los suelos convencionales.
 Sus compresibilidades, al igual que sus ángulos de
fricción interna (), son mayores que los suelos
convencionales.
 Los ángulos de fricción interna () son difíciles de
evaluar, pero independientes de las compacidades
(Wesley et al., 1999).
 Pruebas de laboratorio como los contenidos de
humedad, límites de consistencia, granulometrías,
pruebas Proctor, entre otras, deben analizarse con
cautela o de preferencia modificarse, para que sean de
verdadera utilidad en los suelos pumíticos (Hess y
Padilla, 1986).
 Resultados de pruebas de cono estático, dinámico o de
penetración estándar, deben verse con cautela y de
Figura 4. Resistencias de cono estático (CPT) contra profundidad, preferencia complementarse con otros estudios, como
en muestras de arena pumítica y cuarzosa colocada en un tanque
en laboratorio, en estado suelto y denso, y aplicando una presión pudiera ser la determinación de velocidades de ondas
de confinamiento de 200 kPa (Wesley et al., 1999). de compresión (Vp) y corte (Vs) (Jamiolkowski y
Robertson, 1988; Faccioli et al., 1989; Lazcano, 2007,
Si es de dudosa confiabilidad determinar en pómez las 2010 y 2016; Orense et al., 2012).
compacidades relativas y con ellas los ángulos de fricción  Como un complemento al análisis geotécnico en suelos
interna () con cono estático, mayor es la incertidumbre con pumíticos con base en los altos e inciertos ángulos de
las pruebas de penetración estándar o cono dinámico por las fricción interna, conviene buscar otras alternativas,
altas cargas dinámicas que aplican (Saborio, 1998; como pudiera ser el módulo máximos de rigidez al
Lazcano, 2007, 2010 y 2016). De las experiencias con los cortante (Go), que se pueden obtener de las
suelos pumíticos en San Salvador, Faccioli, et al. (1989) velocidades de onda de corte (Vs) (Jamiolkowski y
concluyó que la prueba de penetración estándar subestima Robertson, 1988; Lazcano, 2007, 2010 y 2016).
las propiedades de los suelos pumíticos, por la trituración  Por todo lo anterior, es evidente que los suelos
de las partículas, además del posible rompimiento de algún pumíticos son suelos no-convencionales, por lo que
grado de cementación que pudiera haber. El mismo Faccioli debe tenerse cautela con las aplicaciones de diversas
et al. (1989), así como otros (Jamiolkowski y Robertson, pruebas y criterios de análisis usados en suelos
1988; Lazcano, 2007, 2010 y 2016; Orense et al., 2012), convencionales.
sugieren que para la caracterización de suelos pumíticos se

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