4 RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN

4

RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN

La obtención de la información secundaria disponible de la zona de estudio se orientó hacia cuatro campos específicos:

Estudio de Microzonificación Sísmica de Cali: Sub-proyectos de Amenaza Sísmica, Geología, Geofísica, Geotecnia y Respuesta Sísmica.

Datos complementarios de estudios geológicos, hidro-geológicos, geofísicos locales y regionales, estratigrafía de pozos profundos, investigaciones académicas, entre otros.
Estudios geotécnicos detallados realizados en los últimos años, no considerados en

la Base de Datos Geotécnica (BDG) conformada para el estudio MZS Cali.

Consultas particulares sobre el tema a profesionales de reconocida experiencia local y general en las áreas de geotecnia, geología y geofísica.

En la siguientes Tablas se relaciona la información más relevante recopilada del abanico de Cañaveralejo, indicándose la correspondiente área técnica de estudio y las fuentes.

Tabla 4.1. Relación de información secundaria obtenida por área de estudio y fuente.

Área Producto consultado Fuente

G E O T E C N IA

Estudio de Microzonificación Sísmica de la ciudad de Cali (MZS Cali)

INGEOMINAS – DAGMA, 2005. DAGMA

Tesis de pregrado: "Sobre el Comportamiento Sísmico de los Depósitos de

Cañaveralejo". Rosales C., C., 2001. UNIVALLE

Base de Datos Geotécnica de la ciudad de Cali – Abanico aluvial del río

Cañaveralejo. INGEOMINAS – DAGMA, 2005. A.I.V.

Estudios geotécnicos de proyectos habitacionales y comerciales (14) SAYA Estudios geotécnicos de proyectos habitacionales (2), canales y redes (11) G.R.Q.

Asesoría profesional. G.A.V.R.

G E O L O G ÍA

"Hidro-geología del Valle del río Cauca entre Santander de Quilichao y el

río Sonso". Álvarez, A. y Tenjo, S., 1971. INGEOMINAS

Inventario de pozos profundos del área urbana de la ciudad de Cali –

Columnas Litológicas (descripción general). C.V.C.

Microzonificación Sísmica y Estudios Generales de Riesgo Sísmico para

las ciudades de Palmira, Tuluá y Buga. Universidad de los Andes, 2005. C.V.C.

Asesoría profesional. G.P.Q. G E O F ÍS IC

A "Estudio Gravimétrico del Valle del río Cauca" (Departamento del Valle del

Cauca). Bermúdez G., A., Garzón B., M., 1985. I.G.A.C.

"Evaluación de la Información Geológica y Geofísica de la Cuenca del

Valle del río Cauca". Rodríguez G., J. et al., 1980. INGEOMINAS

Tabla 4.2. Abreviaturas empleadas para relacionar las fuentes básicas de información.

Abreviatura Nombre de la empresa, entidad o profesional

INGEOMINAS Instituto Colombiano de Minería y Geología – Sede Cali. Biblioteca UNIVALLE Universidad del Valle – Sede Cali. Biblioteca "Mario Carvajal"

DAGMA Departamento Administrativo de Gestión del Medio Ambiente, Cali I.G.A.C. Instituto Geográfico Agustín Codazzi – Sedes Cali y Bogotá

C.V.C. Corporación Autónoma Regional del Valle del Cauca A.I.V. Asociación de Ingenieros del Valle

SAYA SAYA Ingeniería y Geoambiente Ltda. (Ingenieros consultores) E.J.S. Elkin de Jesús Salcedo, Licenciado Matemáticas y Física, Ph.D. G.A.V.R. Germán Alberto Villafañe Ricci, Ingeniero Civil, M.E.

G.P.Q. Gabriel Paris Quevedo, Geólogo, MSc.

G.R.Q. Gabriela Ramírez Quintero, Ingeniera Civil, Especialista (Consultora)

A partir de la revisión, relación y análisis de esta información se definió tanto la geometría (espesores de estratos y nivel del basamento) como las propiedades geotécnicas básicas de los perfiles estratigráficos requeridos para la modelación de la respuesta sísmica del depósito. En los siguientes apartes se resumen algunos de los aspectos más relevantes de la información recopilada de los campos de búsqueda.

4

4

.

.

1

1

M

M

C

C

De la información disponible en el estudio de microzonificación sísmica de Cali se logró extraer la mayor cantidad de datos correspondientes a las temáticas de amenaza sísmica, geología, geofísica, geotecnia y respuesta sísmica. Adicional a lo indicado en el literal 3.2, a continuación se incluyen los detalles más relevantes de la información obtenida.

4.1.1 Amenaza sísmica

Los escenarios que contribuyen a la amenaza local para la ciudad de Cali corresponden a las fuentes sismo-génicas Cortical y de Subducción superficial y profunda (Benioff). La magnitud de sismo Mw (momento) dependerá de la fuente que se considere, con valores

para el caso más general entre los 5.80 y +7.50 (INGEOMINAS, 2005).

La contribución a la amenaza sísmica local de cada ambiente tectónico dependerá en especial de las características del depósito, el período fundamental del sitio (corto, medio o largo), la profundidad, etc. El mayor aporte se espera de fuentes de la ZZoonnaa BBeenniioofff f

(centro), Corticales cercanas (Sistema de Fallas Cali-Patía, sector Cali) y la Zona de Subducción (sur y centro). En las siguientes Tablas se aprecian las generalidades de las tres fuentes o ambientes tectónicos y las señales características o típicas consideradas en la evaluación de la amenaza, las cuales fueron adoptadas para este estudio.

Tabla 4.3. Características de las fuentes tectónicas que aportan a la amenaza sísmica.

Escenario Fuente Prof. [km] D. Epic. [km] Mw amax [g]

Cortical (superficial) Cercana 0.0 – 30 20 – 100 5.8 – 6.5 0.17 – 0.23

Subducción superficial Lejana 0.0 – 30 70 – 300 +7.5 0.10 – 0.23

Subducción profunda Intermedia 70 – 200 20 – 200 6.8 – 7.8 0.17 – 0.23

Tabla 4.4. Características de las señales típicas evaluadas para la amenaza sísmica.

Escenario Prof. [km] D. Epic. [km] Mw a_{max [g] T}o [s]

Cortical (superficial) 6.0 – 15.0 21 – 49 5.8 – 6.6 0.13 – 0.25 0.10 – 0.38

Subducción superficial 21.0 – 32.0 83 – 185 7.2 – 8.1 0.07 – 0.22 0.06 – 0.34

Subducción profunda 61.0 – 117.0 89 – 119 6.5 – 7.9 0.12 – 0.28 0.08 – 0.12

4.1.2 Geología y geofísica

La geomorfología de la zona corresponde a una unidad de origen fluvial caracterizada por depósitos aluviales con forma de "abanicos" de pendiente suave, interdigitados y limitados por la llanura del río Cauca, y disectados ligera a moderadamente. La unidad geológica superficial corresponde a abanicos aluviales con materiales asociados a flujos torrenciales depositados por el rio Cañaveralejo al llegar a la planicie aluvial del rio Cauca debido a la pérdida repentina en la capacidad de arrastre de las corrientes por la disminución en la pendiente del terreno. La parte más distal está conformada por materiales finos y mejor seleccionados que los ubicados hacia el ápice, donde son más gruesos y mal gradados. Respecto de las investigaciones geofísicas, en la siguiente Figura se indican detalles de los perfiles obtenidos de los modelos gravimétricos de estudios regionales.

Figura 4.1. Perfil gravimétrico regional al Norte de la ciudad de Cali (INGEOMINAS, 2005).

De los estudios gravimétricos y líneas de reflexión sísmica evaluados se interpretaron tres unidades: 1) Depósitos Cuaternarios no consolidados a poco consolidados con una

densidad promedio de 1.70 g/cm3 y un espesor entre los 1.70 km y 2.0 km hacia el centro; 2) Unidades Terciarias con densidad promedio de 2.40 g/cm3 y un espesor cercano a los 2.0 km en el centro; y 3) Basamento cristalino constituido por la Formación Volcánica con una densidad de 2.80 g/cm3.

A partir de los resultados de los perfiles gravimétricos11 obtenidos de estudios locales, se determinaron mapas de iso-profundidades para la identificación del techo del Terciario (o contacto Cuaternario-Terciario) y el techo del basamento geológico (Cretácico), mediante los contrastes de densidad entre los diferentes materiales; ver detalles en la Figura 4.2.

Figura 4.2. Iso-profundidades del contacto Cuaternario-Terciario (INGEOMINAS, 2005).

De los estudios geoeléctricos efectuados, en la Figura 4.3 se visualiza la variación de la resistividad del suelo con la profundidad mediante un perfil transversal a la zona, donde se identificaron depósitos aluviales Cuaternarios con predominio arcilloso (limos arcillosos y arcillas arenosas con lentes gruesos ocasionales) con resistividades de 2 a 19 Ohm-m y un espesor superior a los 120 m, presentando zonas interdigitadas de mayor contenido arenoso (gravas, arenas y limos arenosos saturados e intercalaciones menores de arcilla) con resistividad entre los 32 y 118 Ohm-m.

11

Estudio del subsuelo que busca medir las pequeñas variaciones del valor de la gravedad causadas por cambios de densidad de los materiales del subsuelo, tanto en forma lateral como la profundidad. 1 Gal = 1 cm/s2.

Figura 4.3. Perfil geoeléctrico W-E transversal al abanico Cañaveralejo (INGEOMINAS, 2005).

De los resultados obtenidos de los ensayos de la sísmica de refracción, los valores de velocidad de onda S (Vs) para la mayoría de las líneas medidas en depósitos aluviales presentaron valores más altos que los establecidos en la literatura técnica internacional, así como de los resultados de las pruebas down-hole, lo cual pudo estar relacionado con la complejidad y heterogeneidad de los materiales finos-gruesos de alto grado de saturación.

4.1.3 Geotecnia y respuesta sísmica

En la Tabla 4.5 se resumen los trabajos realizados de investigación geotécnica del subsuelo, consistentes en perforaciones mecánicas y pruebas in-situ, y la relación de los ensayos dinámicos en laboratorio; en la Figura 4.5a) se aprecian los perfiles de velocidad de onda cortante Vs con la profundidad derivados de los ensayos de geofísica tipo down-hole efectuados en tres de los sondeos. En la Figura 4.4 se aprecian detalles de algunas de las muestras de tendencia orgánica o de turbas recuperadas en el sondeo P-21 (C.C. Palmetto Plaza) a profundidades posteriores a los 85 m.

Tabla 4.5. Exploración geotécnica y ensayos de campo y laboratorio (INGEOMINAS, 2005).

Sondeo Sitio Prof. [m] Muestras Geofísica Tx. Cíclico

P-03 Velódromo A.N.P. 66.8 65 Down-hole 4

P-04 Canchas Panamericanas 55.5 58 Down-hole 3

P-21 C.C. Palmetto Plaza 100.8 80 -- 6

P-22 Instituto Tobías Emanuel 50.6 35 -- 4

Figura 4.4. Detalles de muestras recuperadas en el sondeo P-21 (INGEOMINAS, 2005).

De los análisis y la modelación de la respuesta sísmica local se determinaron los períodos fundamentales o elásticos del depósito a partir de microtrepidaciones12 (Mtp) en campo y registros sísmicos capturados en la Red de Acelerógrafos de Cali (RAC). Los períodos varían de 1.0 s (costado sur y nor-occidente) a 2.0 s (centro), con un promedio de 1.50 s. En la Figura 4.5b) se aparecía el mapa de iso-períodos para la zona de Cañaveralejo.

a) b)

Figura 4.5. a) Perfiles de variación de la Vs con la profundidad; b) Iso-períodos obtenidos de microtrepidaciones y registros sísmicos. (INGEOMINAS, 2005).

12

Vibraciones ambientales o inducidas artificialmente, de períodocorto (0.05 s a 2.0 s) o media a alta frecuencia; también conocidas como micro-temblores (microtremor).

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 0 100 200 300 400 500 600 700 P ro fu n d id a d ( m ) Velocidad de onda S Vs (m/s)

PERFILES DE VELOCIDAD DE ONDA S - Vs

VELOD-P03 PANAM-P04 GUADA-P30 1.30 1.40 1.20 1.5 0 1.60 1.1 0 1.70 1.80 1.90 1.0 0 2 .0 0 0.9 0 Materia orgánica (madera y hojas)

Arcilla limosa café oscuro (blanda)

El programa de ensayos estáticos en los materiales finos (arcillas y limos) consistió en pruebas de compresibilidad y expansión, resistencia al corte mediante compresión simple (U.U.), corte directo consolidados drenados (C.D.) y triaxiales consolidados no-drenados (C.U.). Los ensayos dinámicos (triaxiales cíclicos) se realizaron para diferentes niveles de esfuerzo cortante controlado, con relaciones de esfuerzo cortante cíclico (σd /2σ'c) entre

0.15 y 0.30. En la Figura 4.6 se presentan las curvas de degradación del módulo cortante y de amortiguamiento aajjuussttaaddaass de los ensayos para diferentes niveles de deformación.

Figura 4.6. Curvas de G/Gmax y D contra deformación cortante (INGEOMINAS, 2005).

De los resultados de la modelación unidimensional se estableció a Cañaveralejo como la Zona de respuesta sísmica "4C", definiendo el espectro de diseño elástico con sus valores máximos y mínimos, el cual se presenta en la Figura 4.7.

Figura 4.7. Espectros de diseño definidos para la zona de estudio (INGEOMINAS, 2005).

4

4

.

.

2

2

I

I

Este campo de búsqueda se orientó a la recopilación de datos de estudios geológicos, hidrogeológicos y geofísicos locales y regionales (gravimetría, sísmica y geoeléctrica), de columnas litológicas o estratigrafía de pozos profundos e informes de proyectos de

Curvas G/Gmaxvs.γγγγ - MZS Cali

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 0.000001 0.00001 0.0001 0.001 0.01 0.1 Deformación cortante γγγγ D e g ra d a c ió n d e l m ó d u lo G /G m a x

Vel_M03 MZCali, IP=26% (MH - 7.0 m) Vel_M08 MZCali, IP=33% (MH - 15.0 m) Vel_M13 MZCali, IP=63% (CH - 21.0 m) Vel_M33 MZCali, IP=50% (Arcilla orgánica - 38.0 m) Pana_M40 MZCali, Ar=85% (Arena fina - 34.0 m) Pana_M51 MZCali, Ar=66% (SM - 45.0 m) Pana_M55 MZCali, Ar=75% (SM - 50.0 m) Pal_M05 MZCali, IP=38% (MH - 8.0 m) Pal_M13 MZCali, IP=73% (CH - 19.0 m) Pal_M31 MZCali, IP=9% (ML - 44.0 m) Pal_M44 MZCali, IP=22% (MH - 60.0 m) Pal_M73 MZCali, IP=35% (Limo orgánico - 91.0 m) Pal_M80 MZCali, IP=29% (MH - 100.0 m) Tob_M05 MZCali, IP=70% (CH - 7.0 m) Tob_M10 MZCali, IP=32% (MH - 15.0 m) Tob_M15 MZCali, IP=53% (CH - 20.0 m) Tob_M24 MZCali, NP (Arcilla orgánica - 33.0 m) Guad_M18 MZCali, IP=10% (Limo orgánico - 29.0 m) Guad_M24 MZCali, Ar=85% (Arena fina - 43.0 m)

Curvas β β β β vs.γγγγ - MZS Cali 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 0.22 0.24 0.26 0.28 0.000001 0.00001 0.0001 0.001 0.01 0.1 Deformación cortante γγγγ A m o rt ig u a m ie n to ββββ

Vel_M03 MZCali, IP=26% (MH - 7.0 m) Vel_M08 MZCali, IP=33% (MH - 15.0 m) Vel_M13 MZCali, IP=63% (CH - 21.0 m) Vel_M33 MZCali, IP=50% (Arcilla orgánica - 38.0 m) Pana_M40 MZCali, Ar=85% (Arena fina - 34.0 m) Pana_M51 MZCali, Ar=66% (SM - 45.0 m) Pana_M55 MZCali, Ar=75% (SM - 50.0 m) Pal_M05 MZCali, IP=38% (MH - 8.0 m) Pal_M13 MZCali, IP=73% (CH - 19.0 m) Pal_M31 MZCali, IP=9% (ML - 44.0 m) Pal_M44 MZCali, IP=22% (MH - 60.0 m) Pal_M73 MZCali, IP=35% (Limo orgánico - 91.0 m) Pal_M80 MZCali, IP=29% (MH - 100.0 m) Tob_M05 MZCali, IP=70% (CH - 7.0 m) Tob_M10 MZCali, IP=32% (MH - 15.0 m) Tob_M15 MZCali, IP=53% (CH - 20.0 m) Tob_M24 MZCali, NP (Arcilla orgánica - 33.0 m) Guad_M18 MZCali, IP=10% (Limo orgánico - 29.0 m) Guad_M24 MZCali, Ar=85% (Arena fina - 43.0 m)

investigación geotécnica de índole académico, entre otros, disponibles en las entidades públicas y privadas. En los siguientes apartados se resumen parte de la información más significativa recopilada de las fuentes relacionadas en la Tabla 4.1 y Tabla 4.2.

4.2.1 Estudios geológicos y geofísicos regionales

De la revisión realizada a la información recopilada de estudios geológicos y geofísicos regionales, se pueden sintetizar las siguientes conclusiones:

El espesor de los sedimentos Cuaternarios en la ciudad de Cali no está bien definido. En el sector norte, externo a la ciudad, se hace referencia a un espesor máximo de 350 m (perfil geológico W-E: Álvarez y Tenjo, 1971, ver Figura 4.8), mientras que hacia el sur- oriente no es superior a los 200 m (perfil SW-NE, INGEOMINAS, Plancha geológica 300), suprayaciendo en ambos casos a las rocas sedimentarias del Terciario.

Según la columna estratigráfica generalizada de la cuenca del Valle del Cauca, indicada en la secuencia de la Tabla 4.6 (Rodríguez et al., 1980), se puede identificar un espesor de depósito Cuaternario entre los 60 m y 250 m conformado por arcillas, limos y lentes de arenas y gravas, a partir del cual se encuentran ccoonngglloommeerraaddooss ccoonn iinntteerrccaallaacciioonneess ddee a

arreenniissccaass yy lliimmoolliittaas del Terciario de un espesor aproximado a los 1,370 m (?). Los s

niveles de rocas de tipo diabasa y basaltos subyacentes, con algunas intercalaciones, se podrían presentar posterior a los 4,500 m de profundidad.

Figura 4.8. Corte geológico generalizado W-E del Valle del río Cauca en el sector Yumbo-Potrerillo (Álvarez y Tenjo, 1971).

El estudio gravimétrico del Valle del río Cauca (Bermúdez et al., 1985) coincide al indicar que el espesor de la secuencia sedimentaria (materiales aluviales superficiales) alcanza profundidades hasta de 250 m. De los perfiles gravimétricos regionales, al norte y sur de la ciudad, se estima un espesor del depósito Cuaternario de 1,500 m, con diferencias de densidad de 1.70 g/cm3 a 2.30 g/cm3 con el Terciario, de espesor mayor a los 2,000 m hasta materiales de mayor densidad del Cretácico (2.60 g/cm3). Ahora bien, del Mapa gravimétrico regional (Corte E-W, INGEOMINAS, Plancha 300 Cali) se puede deducir un

nivel para el basamento magnético o cristalino a 700 m de profundidad aproximadamente (obtenido por contraste de la intensidad magnética de exploraciones de hidrocarburos o minerales, lo que se debe a que las rocas sedimentarias son muy débilmente magnéticas y una campaña de exploración magnética determina las condiciones existentes en las rocas ígneas o metamórficas subyacentes; los términos basamento y basamento cristalino son usados para definir rocas bajo una cobertura sedimentaria).

Tabla 4.6. Columna litológica general de la cuenca del Valle del Cauca (Rodríguez et al., 1980).

Edad Época Formación Espesor (m) Litología Estrato

Cuaternario -- Depósito 60 – 250 Arcillas, limos y lentes de

arena y grava 1

Terciario

Mioceno Superior

Buga 1,350 ? Conglomerados con areniscas

y limolitas intercaladas 2

Cartago 1,300 ? Areniscas, limolitas y conglom. 3

Esmita 250 Limolitas, arcillolitas, areniscas 4

Mioceno Inf., Eoceno Sup.

Ferreira ± 500 Limolitas, areniscas calcáreas 5

Guachinte ± 645 Areniscas, limolitas (carbón) 6

Paleoceno Chimborazo ≈ 420 Limolitas, arcillolitas y arenisca

(conglomerado en base) 7

Cretácico

Superior Diabásico ≈ 420 Diabasa, basalto, limolita, chert 8

Inferior

Espinal ≈ 900 Shale silíceo, caliza y arenisca 9 Cisneros ≈ 2,000 Filitas, pizarras, meta-calizas,

meta-cherts y meta-areniscas 10 De la evaluación de las condiciones geológicas del subsuelo del municipio de Palmira y alrededores, información de la "Microzonificación Sísmica y Estudios Generales de Riesgo

Sísmico para las ciudades de Palmira, Tuluá y Buga" (Universidad de los Andes – CVC,

2005), el costado N-E externo de la ciudad de Cali presenta un perfil generalizado de materiales aluviales con una sucesión gruesa de más de 220000 mm de espesor de capas intercaladas de arcillas inorgánicas, arenas de grano fino a grueso, arenas con gravas y

l

leecchhoossddeeggrraavvaassrreeddoonnddeeaaddaassaassuubbaanngguullaarreessddeerrooccaassvvoollccáánniiccaasspprriinncciippaallmmeenntte. Por lo e

general existe un predominio evidente de las capas de materiales finos como arcillas y arenas, sobre las capas de materiales gruesos como gravas, con contadas excepciones donde ocurre lo contrario o están en proporciones más o menos iguales.

El espesor de los materiales aluviales es mayor a la estratigrafía indicada, por cuanto dos perforaciones de exploración para hidrocarburos realizadas por ECOPETROL en la región de Palmira revelaron espesores entre aproximadamente los 330000 mm y 444400 m; estas m

perforaciones indicaron que los materiales aluviales reposan en profundidad sobre rocas sedimentarias del Terciario, tales como arcillolitas, areniscas, conglomerados cementados y algunas calizas. Debajo de estas últimas aparece un basamento de rocas ígneas volcánicas como diabasas y basaltos.

4.2.2 Inventario de pozos profundos

En la siguiente Tabla se presenta la relación y resumen las principales características de los pozos y aljibes existentes en la zona, con información disponible.

Tabla 4.7. Inventario de pozos profundos en la zona de Cañaveralejo – Datos disponibles.

No. Pozo Ubicación Profundidad (m) Litología

1 Vc-051 Carrera 34 con Cll. 5A 66.0 _{Arcilla, arena,}

gravas y cantos.

2 Vc-052 Av. Roosevelt con Cra. 38 82.5

3 Vc-102 Calle 9C a 10 con Cra. 53 92.0

4 Vc-137 Calle 5 con Cra. 67 49.0

Sedimentos finos y gruesos intercalados; lentes orgánicos, consistencia variable

5 Vc-481 Carrera 39 con Calle 13 19.5

6 Vc-648 Av. Roosevelt, Cra. 39 a 44 17.0

7 Vc-649 Carrera 46 con Cll. 9C 100.0

8 Vc-650 Carrera 44 con Cll. 9C 37.5

9 Vc-754 Calle 5 entre Cra. 50 y 52 80.0

10 Vc-824 Autopista Sur con Cra. 53 31.0

11 Vc-899 Carrera 57 con Cll. 11A 31.0

Vc-641 Barrio Mojica II (Llanura del

río Cauca – a 7.0 km) 404.0

Suelos finos y gruesos

Del inventario de pozos profundos y registros de perforación disponibles y consultados (CVC; Álvarez y Tenjo, 1971; Rosales, 2001), tampoco es posible definir la profundidad del basamento en el área de estudio ni en la llanura de inundación del río Cauca (oriente). En todos los pozos revisados existe una descripción litológica general de intercalaciones de arcillas, limos, arenas y gravas sin que sea evidente que haya aflorado el nivel de basamento. El pozo más profundo en el área de estudio llegó a los 100 m de profundidad (Vc-649), mientras que en cercanías al río Cauca la máxima perforación en Cali ha sido a los 404 m (pozo en el barrio Mojica II Vc-641, a aproximadamente 7.0 km al oriente de la zona centro de Cañaveralejo). En cercanías a los cerros del sector occidental, rocas del Terciario, varios sondeos geotécnicos llegaron a 18.50 m de profundidad sobre arcillas y limos con material orgánico, sin identificar algún tipo de roca (Rosales, 2001).

Sólo en perforaciones hacia el norte de Cali (canteras del municipio de Yumbo a más de 20 km) se dispone de información detallada en cercanías al piedemonte, con registro del espesor del Cuaternario de 23 m, sobreyaciendo a 39 m de estratos de rocas calizas del Terciario, hasta llegar a la diabasa a los 62 m de profundidad (Cretácico).

El perfil litológico definido por los pozos profundos en dirección S-N (Figura 4.9) cubre los depósitos del río Cañaveralejo y parte de los abanicos adyacentes. En general, en la proximidad al cauce del río se encuentra un primer estrato conformado principalmente por arcillas de hasta 28 m de profundidad, siguiendo una secuencia de gravas con arenas intercaladas hasta los 70 m y finalmente capas de arcillas, gravas y arenas. Se identifican

estratos de materiales blandos (turbas y despojos orgánicos) asociados a paleo-drenajes y a los depósitos del antiguo cauce del río Cañaveralejo.

Figura 4.9. Perfil litológico del subsuelo dirección Sur-Norte – Pozos profundos (Rosales, 2001).

4.2.3 Condiciones geoambientales históricas de la zona de Cañaveralejo

De la investigación realizada por Rosales (2001) se extrae la información presentada en las siguientes Figuras, en donde se aprecian detalles de las condiciones iniciales de la zona de río Cañaveralejo en cuanto a la existencia de drenajes naturales previos a las labores de urbanización en la ciudad a mediados del siglo anterior.

Respecto de la historia de formación del sector de Cañaveralejo, se reseña la zona del río Cañaveralejo hacia mediados del Siglo XX como, entre otras, no apta para asentamientos o expansión urbana por sus condiciones ambientales: sseeccttoorreess cceennaaggoossooss,,hhuummeeddaalleess,, á

árreeaassiinnuunnddaabbllees, dificultad de caminos, etc., pero el desarrollo de obras hidráulicas y de s

infraestructura habilitaron estos terrenos para su urbanización.

La génesis y distribución de los depósitos del río estuvo controlada por diversas variables entre las cuales destacan los abanicos de los ríos mayores Pance, Meléndez y Cali, y los de quebradas menores (IIssaabbeellPPéérreez y z PPuueenntteePPaallmma), que lo "encajonan" lateralmente, y a

las crecientes periódicas del río Cauca que represaban sus aguas y generaban zonas pantanosas. En la Figura 4.10 se muestra la localización de los antiguos drenajes (paleodrenajes) y sectores de lagunas o humedales en la zona del río Cañaveralejo.

Figura 4.10. Detalle de localización de antiguos drenajes de la zona de estudio (Rosales, 2001).

Hasta el inicio de la urbanización de las tierras al sur-occidente, el río desembocaba en el complejo de lagunas y madreviejas de la llanura de inundación del río Cauca, para finalmente verterle sus aguas a través del Canal Cauquita, en cercanías de Puerto Mallarino. Actualmente el río está canalizado y entrega sus aguas al Canal Interceptor Sur, también conocido como Canal Sur (ver Figura 4.11).

4

4

.

.

3

3

B

B

Para este campo de búsqueda específico, se concentró un esfuerzo importante en lograr conseguir tanto la información correspondiente a la Base de Datos Geotécnica (BDG) del sector de evaluación, integrada inicialmente hasta el 2005 para el estudio MZS Cali, como en la recopilación de la información de varios estudios geotécnicos detallados (sondeos, ensayos de laboratorio, pruebas geofísicas, etc.) realizados en los últimos 5 años o que no fueron considerados o incluidos en la DBG.

Figura 4.11. Detalle del antiguo curso del río Cañaveralejo y su cuenca (Rosales, 2001).

En la Tabla 4.8 se resumen los aspectos más relevantes de la información contenida en la BDG inicial (2005) y de los estudios geotécnicos recopilados para la zona de interés, en los que se incluyen, además de los informes de consultoría, los sondeos profundos de la exploración realizada para el estudio MZS Cali (años 2004 a 2005) y la investigación del subsuelo complementaria efectuada para este proyecto de tesis (ver Capítulo 0), incluidas las litologías típicas obtenidas de pozos profundos y aljibes construidos para la extracción de agua subterránea (literal 4.2.2 y Tabla 4.7). El análisis de la BDG actualizada con toda la información recolectada se presenta posteriormente en el literal 6.1.1.

Tabla 4.8. Resumen de la información contenida en la BDG inicial y estudios recopilados.

Fuente Estudios Perforaciones Prof. [m] Muestras Geofísica

BDG Inicial 130 490 3.0 – 25.0 3,053 -- Consultoría 27 200 4.0 – 30.3 2,125 16 MZS Cali 5 5 50.6 – 100.8 266 3 Tesis NCV 3 3 10.0 – 20.0 51 3 Pozos y aljibes 11 11 17.0 – 100.0 114 -- TOTAL: 176 709 5,609 22

La BDG fue elaborada en una hoja electrónica para generar eficiencia en la captura de datos, contando además con herramientas que facilitarán su posterior análisis estadístico

e integración a un sistema de información geográfica (SIG). Los datos están estructurados en cinco entidades u hojas básicas para la agrupación eficiente de la información: Fuente, Estudio, Exploración, Estrato y Muestra, con una relación entre cada entidad del tipo 'uno a varios' mediante identificadores propios a cada dato.

Los 130 estudios de la BDG inicial corresponden en general a perforaciones a percusión y ensayos de laboratorio de mecánica de suelos de clasificación y de resistencia estática al corte (compresión inconfinada). La información recopilada como actualización de la BDG incorporó resultados de 46 estudios con una investigación del subsuelo un poco más detallada que incluyen exploración indirecta mediante pruebas geofísicas (down-hole, refracción sísmica, geoeléctrica), ensayos de laboratorio de identificación (clasificación, peso específico de los sólidos, contenido orgánico, etc.), compresibilidad y resistencia cortante estática en suelos, consistentes en pruebas de compresión inconfinada (U.U.), corte directo C.D. y triaxial C.U., además de ensayos dinámicos mediante triaxial cíclico, columna resonante y bender element (ultrasonido).

De la información recopilada, los 27 estudios geotécnicos de consultoría corresponden a proyectos habitacionales y comerciales de categoría media a especial (según la NSR-10) y a proyectos de redes de infraestructura para sistemas de acueducto y alcantarillado. La información geotécnica restante (19 sitios) concierne a sondeos de carácter investigativo y de explotación de aguas subterráneas.

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Adicional a la documentación disponible y revisada de la zona, se procedió a efectuar consultas particulares a profesionales de reconocida experiencia local y general en las áreas de geotecnia, geología, geofísica y respuesta sísmica. En los siguientes párrafos se resumen y citan los aspectos más relevantes.

La geomorfología del abanico presenta un ápice erosionado hacia la garganta de la cordillera por donde surge el río Cañaveralejo. Por esta garganta pasaron los sedimentos provenientes de la descomposición física y química de las rocas presentes en la cuenca de drenaje del río. Estos materiales rocosos son diabasas y basaltos predominantemente, rocas volcánicas originadas en antiguas planicies oceánicas y que por el proceso de la tectónica de placas, chocaron contra el continente, hace unos 30 millones de años; se deformaron o plegaron y se fallaron formando la cordillera Occidental. La descomposición química de ellos (arriba en la cordillera) dio origen a arcillas y limos arcillosos que luego fueron arrastrados por las aguas lluvias y las corrientes menores hasta llegar al río Cañaveralejo que las transportó y depositó en capas de diferente composición en el frente de la cordillera, conformando el abanico que se conoce actualmente. [Paris Q., G.].

La geología de la zona es de especial interés en el sector de transición entre el abanico de Cañaveralejo y los depósitos aluviales del río Cauca, y puede ser compleja hacia la parte distal del abanico, pues allí se pueden presentar numerosas interdigitaciones entre los materiales del río Cauca y los del Cañaveralejo. Por ejemplo, durante largos periodos

de depósito de sedimentos del río Cauca, se pudo presentar una invasión de sedimentos del Cañaveralejo que traslaparon y se sobrepusieron a los del Cauca. Esto ha sido un proceso repetitivo desde que comenzó a rellenarse la depresión del valle del río Cauca. La cuenca de drenaje del río Cañaveralejo dentro de la cordillera, prácticamente es un vacío que dejaron los materiales erosionados por el Cañaveralejo y que deben encontrarse hacia la "parte plana" y debajo de ella, es decir, todo ese volumen de suelo y roca erosionado de la cordillera, hoy día está enterrado entre el frente de la cordillera Occidental y la parte distal del abanico hacia el río Cauca. [Paris Q., G.]

Respecto de las características geotécnicas del abanico de Cañaveralejo, su contacto con el abanico del río Cali no está muy bien definido, su límite podía estar dado posiblemente por el cauce de la quebrada Santa Isabel Pérez; al norte de ésta la granulometría de los depósitos son gravas y bloques cementados en una matriz arcillo-arenosa de color pardo amarillento. [OSSO, Salcedo, E.].

Entre los 20 m y 30 m superficiales del terreno, el subsuelo está formado en general por estratos alternos de limos arcillosos (MH) de color amarillo y vetas grises con capas de arcilla (CH) de color gris con vetas amarillas, preconsolidadas, de mediana consistencia y compresibilidad, con resistencia a la compresión inconfinada qu entre los 100 y 200 kPa y

valores de N45 del SPT entre los 10 y 45 golpes/pie. Subyacentes se encuentran estratos

de aarreennaa ggrruueessaa yy ggrraavvaas en una matriz limo-arcillosa, alternados con delgados estratos s

de arcilla. Estos estratos de arenas y gravas pueden tener eessppeessoorreessddee mmááss ddee 220000m, m

dependiendo que tan lejos de las laderas se encuentra el sector en consideración para análisis. [Villafañe, G. y Ramírez, G.].

En cuanto a la repuesta sísmica o efecto local (amplificación de movimientos del terreno), se debe recordar que la intensidad del movimiento sísmico del terreno es una función de la magnitud del sismo y de la distancia a la fuente sísmica, así como de las condiciones locales del suelo, de la topografía y las condiciones geológicas.

La amplificación de los movimientos del terreno en sitios con suelos blandos, han sido reconocidos con daños de terremotos históricos. Por ejemplo, durante el terremoto de la Isla de Vancouver (1946, M=7.2), las chimeneas con más daños en Port Alberni fueron construidas en suelos blandos, mientras que las casas construidas en roca mostraron muy poco daño. Durante los terremotos de Caracas en 1967, de México en Michoacán en 1985 (M=8.0), y de la Bahía de San Francisco, después de Loma Prieta en 1989 (M=7.1), se observaron los daños más dramáticos de las estructuras fundadas en suelo, contra aquellas que estaban fundadas en roca. En los últimos 40 años comparaciones de datos de los acelerógrafos han demostrado que la amplificación de los movimientos sísmicos en suelos ocurre más frecuentemente en sitios donde se presentan rocas adyacentes.

Para el depósito de suelos del abanico del río Cañaveralejo se estima a partir de varias experiencias en la zona que la vveelloocciiddaaddpprroommeeddiiooddee llaaoonnddaaddeeccoorrttee es 330000mm//s en los s

0.30 segundos para los primeros 25 m. Por cada 100 m de arenas y gravas gruesas por debajo de los 25 m superiores, en donde la velocidad de la onda de corte puede alcanzar los 500 m/s, el período natural de vibración del depósito puede aumentar en 0.85 s. Se estima, entonces, que el período natural de vibración del depósito de suelos puede ser mayor a los 11..5500 s, lo que podría ocasionar amplificación del movimiento del suelo con s

edificaciones de períodos de vibración similares.

Para comprender esta hipótesis se requiere ejecutar en la zona perforaciones geotécnicas para realizar pruebas que permitan medir las velocidades de las ondas S, con el fin de evaluar el espectro de respuesta elástico. [Villafañe, G. y Ramírez, G.].

En esta zona se ha observado un comportamiento sísmico muy particular relacionado con la respuesta dinámica de los depósitos aluviales en el área de Cañaveralejo. Los indicadores incluyen concentraciones de daños en edificaciones durante sismos pasados de magnitud moderada con una distancia epicentral de más de 400 km y vibraciones excesivas inducidas en estructuras a distancias de hasta 1.0 km, durante espectáculos musicales u otros eventos de asistencia masiva realizados en escenarios públicos.

Mediante mediciones geofísicas se encontraron velocidades de onda S (Vs) de 200 m/s en promedio aproximadamente. Los periodos fundamentales de vibración de los terrenos oscilan entre 0.50 s y 1.80 s.

Se puede indicar preliminarmente que el comportamiento dinámico singular –o el "efecto de sitio"– que han mostrado los depósitos de la zona de Cañaveralejo está controlado conjuntamente por la baja velocidad de propagación de la onda S, en una estrato conformado principalmente de arcillas saturadas de más 28 m de espesor, en lo que a la amplificación selectiva de ondas sísmicas refiere, mientras que en la propagación de vibraciones inducidas además es decisivo el confinamiento lateral de los depósitos del abanico. [Rosales, 2001].

5

INVESTIGACIÓN GEOTÉCNICA DEL SUBSUELO

Como complemento a la información disponible recopilada y analizada preliminarmente, se desarrolló un programa de investigación geotécnica a partir del cual se obtuvieron muestras representativas de los suelos superficiales de la zona de Cañaveralejo para su evaluación mediante ensayos de laboratorio de mecánica de suelos de identificación, compresibilidad y resistencia estática, y la verificación de su comportamiento dinámico.

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5.1.1 Exploración directa: Perforaciones geotécnicas

Para lograr una caracterización geotécnica más adecuada, conforme a la metodología ya definida, se realizó la primera fase del programa de investigación in situ consistente en la exploración geotécnica con el apoyo económico de la firma Ingeniería y Georiesgos Ltda. Se definieron los sitios de exploración teniendo en cuenta sectores no evaluados en el estudio MZS Cali que cubriesen diferentes zonas del abanico aluvial (inicio, centro y final) y que fuesen en lotes libres del municipio y de fácil acceso, de acuerdo con lo indicado en la Figura 5.1. Con base en estos criterios se establecieron tres sitios en sentido transversal del abanico aluvial (oriente-occidente), correspondiente el segundo punto con la zona intermedia al sector que históricamente ha presentado mayor afectación por daños en superficie debido a movimientos sísmicos.

Una vez definidos los sitios, se procedió a solicitar las autorizaciones de trabajo en la Alcaldía Municipal de Cali (Secretaría de Gobierno y Secretaría de Planeación) y ante el DAGMA (entidad contratante del estudio MZS Cali). Los permisos otorgados contenían las autorizaciones para intervenir la zona pública y algunas recomendaciones para la ejecución de los trabajos en busca de minimizar el posible impacto al medio ambiente. Durante el trámite de las autorizaciones se coordinó con la firma SAYA Ingeniería y Geoembiente Ltda. la ejecución de los trabajos y la obtención de elementos específicos requeridos para las perforaciones (tubos AN abiertos tipo Shelby de pared delgada: Dinterno = 2¼", calibre = 1.50 mm, longitud L = 60 cm, relación de área Ra ≈ 11%, y demás

accesorios adicionales).

La exploración se realizó entre septiembre del 2008 y abril del 2009 y consistió en la ejecución de cinco (5) sondeos geotécnicos (perforaciones mecánicas) entre los 10 m y 20 m de profundidad con un taladro Acker de mandos hidráulicos, muestreo continuo e inalterado con tubos Shelby a presión, pruebas de campo con ensayos de penetración estándar (SPT) con Cuchara partida, y retorno y ampliación en el avance con Auger. En la Figura 5.1 se presentan detalles generales de las zonas previstas para la exploración geotécnica, indicándose también los sitios evaluados para el estudio MZS Cali; en la Tabla 5.1 se indican las características de la exploración. Se realizaron tres sondeos con

muestreo inalterado continuo en los sitios indicados y dos sondeos adicionales, contiguos a los puntos S-2 y S-3, para el registro del SPT y toma de muestras complementarias.

Figura 5.1. Localización de los sitios de exploración geotécnica – Abanico Cañaveralejo.

Tabla 5.1. Características de los trabajos de exploración directa – Perforaciones.

Sondeo Ubicación Prof. (m) Coordenadas

X Y

S-1 Cll. 13B – Cra. 42A, "El Guabal":

Centro Deportivo San Juan Bautista 15.0 1,060,902 869,479

S-2 Calle 8 entre Carreras 42 y 42 Bis,

"Los Cámbulos": Lote privado 20.0 1,059,651 869,786

S-3 Calle 4 entre Carreras 50 y 52,

"El Lido": Lote público 10.0 1,058,669 869,448

De los sondeos se recuperaron muestras representativas inalteradas con tubos Shelby, alternadas con algunas obtenidas de cuchara partida cuando no se logró un muestreo continuo por condiciones de rigidez del suelo. Las muestras se describieron de manera visual anotando la clasificación de campo, color, plasticidad, consistencia y cambio de estrato; luego fueron llevadas al laboratorio para su extracción, sellado, etiquetado y posterior envió a Bogotá. En la Tabla 5.2 se resume la relación de muestras recobradas en las perforaciones geotécnicas.

Tabla 5.2. Relación de muestras obtenidas en las perforaciones geotécnicas.

Sondeo Prof. (m) No. Muestras Long. prom. (cm) Descripción

S-1 15.0 17 26.70 Limos y arcillas, suelo orgánico

con arena y grava.

S-2 20.0 24 35.70 Arcillas y limos arenosos con

algunas gravas aisladas.

S-3 10.0 15 30.90 Limos y arcillas, posible turba

con arena fina.

Total = 45.0 56 1,730

En las siguientes Fotografías se registran algunos detalles de la exploración geotécnica en relación con los trabajos de perforación y muestras recobradas en cada sitio.

a) b)

Fotografía 5.1. Exploración El Guabal (S-1): a) Equipo de perforación; b) Muestras obtenidas.

a) b)

Fotografía 5.2. Exploración Los Cámbulos (S-2): a) Muestra obtenida; b) Perforación mecánica.

Arcilla limosa gris y café (consistencia dura)

Auger (ampliar) Taladro Acker TH

Limo arcilloso, consistencia dura

a) b)

Fotografía 5.3. Exploración El Lido (S-3): a) Suelo superficial; b) Muestras obtenidas.

5.1.2 Exploración indirecta: Geofísica (Ensayos Down-hole)

Como complemento de la exploración directa y un mejor acercamiento a la conformación interna del terreno, se desarrolló un programa de prospección geofísica consistente en ensayos down-hole de los que se obtuvieron las velocidades de propagación de las ondas de compresión (P) y cortante (S) y se logró determinar las propiedades dinámicas del suelo a bajas deformaciones.

Posterior a la ejecución de los sondeos se realizaron tres (3) ensayos down-hole, uno en cada sitio de perforación, las cuales fueron revestidas con tubería PVC tipo sanitaria de Dinterno = 2". El ensayo consistió en registrar el tiempo de viaje de una onda sísmica entre

un punto en superficie y un punto dentro de una perforación; las mediciones se realizaron empleando un sismógrafo modelo Nimbus ES-1210F con registro de tiempos cada metro de profundidad; el detector utilizado fue un geófono triaxial (3 componentes: una bobina vertical para detección de la llegada de la onda P, otra horizontal paralela a la fuente y otra perpendicular para determinar la llegada de la onda S). La fuente de ondas sísmicas se logró por golpes con un martillo de 10 lb a una distancia de 5.0 m del sitio del sondeo. En la Tabla 5.3 se presentan las características de las pruebas geofísicas, en donde se resalta que la profundidad de los ensayos no coincidió con los sondeos debido a inconvenientes en la instalación del revestimiento por cierre del material (taponamiento).

Tabla 5.3. Características de los trabajos de exploración geofísica – Down-hole.

Sondeo Ubicación Profundidad (m) Observaciones al ensayo

Perforación Down-hole

S-1 El Guabal 15.0 12.0 Sedimentos, no se logra avance.

S-2 Los Cámbulos 20.0 15.0 Revestimiento a 15 m por cierre.

S-3 El Lido 10.0 6.0 Revestimiento hasta 6 m, fondo.

Arcilla limosa gris verdosa (posible turba)

En la Figura 5.2 se muestra el perfil de variación de la velocidad de onda de corte (Vs) con la profundidad de cada uno de los ensayos realizados. En las Fotografías posteriores se incluyen detalles del arreglo y equipo utilizado y la ejecución de las pruebas geofísicas en los sitios definidos.

Figura 5.2. Perfiles de variación de la Vs con la profundidad – Exploración indirecta.

Fotografía 5.4. Detalles del equipo dispuesto para los ensayos Down-hole.

Los registros de campo de las perforaciones mecánicas se incluyen en el AAnneexxoo1 de este 1

documento, en los cuales se indica: la descripción de las muestras recobradas, los resultados de los ensayos in-situ (SPT), la profundidad y los intervalos entre los que se

PERFILES DE VELOCIDAD DE ONDA S - Vs

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 150 200 250 300 350 Velocidad de onda S Vs (m/s) P ro fu n d id a d ( m ) S-1 EL GUABAL S-2 LOS CÁMBULOS S-3 EL LIDO Geófono triaxial Sismógrafo

efectuó el muestreo y el recobro obtenido. Los tiempos de llegada registrados y los demás resultados de las pruebas geofísicas down-hole se indican igualmente en el anexo.

Fotografía 5.5. Arreglo de trabajo para la ejecución de las pruebas en el terreno.

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En cuanto a la investigación complementaria en laboratorio, las muestras recuperadas de la exploración directa se seleccionaron para los ensayos de identificación, resistencia estática y comportamiento dinámico, con el objeto de determinar las propiedades índice y mecánicas de los materiales existentes en cada uno de los sitios de trabajo. El programa de ensayos desarrollado según el tipo de parámetros a evaluar fue el siguiente:

PPRROOPPIIEEDDAADDEESSÍÍNNDDIICCEEEEIIDDEENNTTIIFFIICCAACCIIÓÓNN::  Contenido de agua (humedad natural)

 Límites de consistencia y granulometrías por tamizado

 Peso unitario húmedo y seco

 Peso específico de los sólidos

 Contenido de materia orgánica por ignición

CCOOMMPPRREESSIIBBIILLIIDDAADD::

 Consolidación rápida unidimensional 1D (con seis puntos 3D de pruebas triaxial)

 Presión de expansión

RREESSIISSTTEENNCCIIAAEESSTTÁÁTTIICCAA::  Compresión inconfinada

 Corte directo (consolidado-drenado, no consolidado – no drenado)

CCOOMMPPOORRTTAAMMIIEENNTTOODDIINNÁÁMMIICCOO::

 Triaxial cíclico (deformación controlada)

 Columna resonante

El resumen del programa de pruebas de laboratorio realizadas se incluye en la Tabla 5.4; los resultados de los ensayos se presentan al final del documento en el AAnneexxoo22.

Tabla 5.4. Programa de ensayos de laboratorio complementario desarrollado.

Ensayo Descripción Total

H.N. Humedad natural 117

USCS Granulometría por tamizado + Límites de consistencia 47

P.U.H. Peso unitario húmedo y seco 88

Gs Peso específico de los sólidos 37

M.O. Contenido de materia orgánica por ignición 21

C-1D Consolidación rápida unidimensional 23

qu Compresión inconfinada 19

C.D.CD Corte directo (consolidado-drenado) 23

C.D.UU Corte directo (no consolidado – no drenado) 5

Tx.C. Triaxial cíclico C.U. (deformación controlada) 6

C.R. Columna resonante 6

B.E. Bender element 12

Los ensayos de identificación, compresibilidad y resistencia estática fueron realizados en el laboratorio de geotecnia de la Universidad Nacional del Colombia (sede Bogotá) y de la empresa Ingeniería y Georiesgos Ltda. Gran parte de las pruebas dinámicas se realizaron gracias a la colaboración del laboratorio de Estructuras, Geotecnia y Pavimentos de la Universidad del los Andes.

5.2.1 Propiedades índices e identificación

Las propiedades índices incluyen la humedad natural, límites de consistencia (Atterberg) y los parámetros como índice de plasticidad e índice de liquidez, considerando también las fracciones de gruesos (gravas y arenas del análisis granulométrico) y de finos (Pasa tamiz No. 200), el peso unitario y el peso específico de los sólidos. Los límites de Atterberg se determinaron mediante los procedimientos rutinarios de laboratorio con muestras de suelo con su humedad natural por la ausencia de partículas gruesas. En la Figura 5.3 se presenta la ubicación de los suelos finos en la Carta de plasticidad de Casagrande.

En términos generales los suelos de los sitios evaluados corresponden a limos arcillosos de plasticidad alta a muy alta con trazas de arena medio a fino; en algunos estratos de los sondeos S-1 (entre 11.20 m y 13.0 m) y S-2 (11.50 m y 14.0 m) se identificaron arcillas y limos arenosos con gravas de hasta ¾". En la Tabla 5.5 se resumen los resultados de los ensayos de identificación de los suelos por cada uno de los sondeos.

Figura 5.3. Carta de plasticidad para la fracción fina de los suelos evaluados.

Tabla 5.5. Resumen de resultados de los ensayos de identificación por sondeo.

Sondeo HN (%) LL (%) IP (%) IL P200 (%) Gs PUH

(kN/m3)

S-1 34 – 59 50 – 100 24 – 62 0.0 – 0.4 53 – 99 2.66 – 2.83 16.7 – 18.4

S-2 26 – 56 42 – 112 15 – 68 0.0 – 0.6 62 – 98 2.65 – 2.90 17.0 – 18.5

S-3 36 – 67 74 – 95 29 – 61 0.0 – 0.3 93 – 99 2.73 – 2.88 16.1 – 18.3

Se registró un estrato contracto-expansivo entre los 3.0 m y 3.60 m de profundidad en el sondeo S-1 y varias zonas de tendencia orgánica en S-1 (3.30 m, 13.20 m) y S-3 (6.0 m), pero en todos los casos con contenidos de materia orgánica moderados a bajos (< 9.5%). La consistencia de los suelos es en general media a semidura, pero con algunos tramos blandos aislados detectados en los sitios S-2 (14.50 m) y S-3 (4.0 m a 7.0 m), con valores de N del SPT menores a los 8 golpes/pie.

5.2.2 Compresibilidad y expansión

Con el objeto de determinar las características de compresibilidad y esfuerzo-deformación de los suelos finos de cada zona, se realizaron ensayos de consolidación unidimensional 1D rápida (primaria) a un ciclo carga-descarga. De estas pruebas se obtuvieron presiones de preconsolidación (σ_{'p), relaciones de vacios (eo), índices de compresión (Cc) y}

re-0 10 20 30 40 50 60 70 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 In d ic e d e P la s ti c id a d , IP ( % ) Limite Liquido, LL (%) CARTA DE PLASTICIDAD CL-ML MH o OH ML o OL CL o OL CH o OH

comprensión (Cr) y demás parámetros indicados en la Tabla 5.6. En las siguientes Figuras

se aprecian las curvas de compresibilidad de Casagrande para muestras del sondeo S-2 y S-3 para varios incrementos de carga normal (esfuerzos efectivos verticales).

Tabla 5.6. Resumen de parámetros obtenidos de los ensayos de consolidación.

Sondeo σ_{'o (kPa)} σ_{'p (kPa)} OCR eo Cc Cr

S-1 35 – 112 200 – 700 3.1 – 9.6 1.16 – 1.43 0.20 – 0.59 0.05 – 0.11

S-2 48 – 186 400 – 2100 2.7 – 17.4 1.09 – 1.56 0.31 – 0.99 0.03 – 0.18

S-3 46 – 80 400 – 900 4.5 – 8.5 1.12 – 1.77 0.29 – 0.77 0.06 – 0.15

Todos los suelos finos evaluados presentaron altos grados de preconsolidación hasta las profundidades de exploración. Se identificaron dos zonas con relaciones de vacios más altas (ver Figuras) y un sector de suelos limos arcillosos de mayor tendencia expansiva en los sondeo S-1 (entre 3.30 m y 6.0 m) y S-2 (entre 3.0 m y 4.0 m).

a) b)

Figura 5.4. Curvas de compresibilidad 1D en suelos finos: a) S2-SH14 (Limos, 15.50 m); b) S3-SH07 (Limo arcilloso algo orgánico, 6.20 m).

5.2.3 Resistencia cortante estática

Con el propósito de evaluar la resistencia al corte de los suelos limo-arcillosos e identificar sus propiedades esfuerzo-deformación se realizaron ensayos de corte directo drenados para obtener los parámetros de resistencia efectivos y pruebas de compresión inconfinada como indicadoras de la resistencia cortante no drenada.

CCOORRTTEEDDIIRREECCTTOO

Estos ensayos se efectuaron para determinar los parámetros efectivos de la resistencia al corte Mohr-Coulomb: cohesión (c') y fricción (φ'). Las pruebas fueron del tipo consolidadas drenadas (CD), aplicando presiones similares a las existentes en campo de acuerdo con la profundidad de la muestra, para posteriormente llevarla a la falla por corte inducido, garantizando una velocidad muy lenta definida a partir de la consolidación primaria. En la

CURVA DE COMPRESIBILIDAD DE CASAGRANDE

0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25 0.1 1 10 100 1000

Esfuerzo vertical efectivo, σσσσv' (kg/cm²)

R E L A C IO N D E V A C IO S ( e )

CURVA DE COMPRESIBILIDAD DE CASAGRANDE

0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25 1.30 1.35 1.40 1.45 1.50 1.55 1.60 1.65 1.70 1.75 1.80 0.1 1 10 100 1000

Esfuerzo vertical efectivo, σσσσv' (kg/cm²)

R E L A C IO N D E V A C IO S ( e )

Fotografía 5.6 se muestran detalles de los equipos de corte utilizados para desarrollar las pruebas (Laboratorio de geotecnia de la Universidad Nacional, sede Bogotá).

Fotografía 5.6. Detalles de la ejecución de los ensayos de corte directo en diferentes equipos.

En la Tabla 5.7 se recopilan los parámetros efectivos calculados de los resultados de los ensayos de corte directo (CD) por cada sondeo. En la Figuras siguientes se ilustran dos envolventes de resistencia pico (y residual) de muestras de los sondeos S-2 y S-3.

Tabla 5.7. Resumen de parámetros obtenidos de los ensayos de resistencia al corte.

Sondeo σ_{'o (kPa)} c' (kPa) φφφφ' (º) PUH (kN/m3) Cu (kPa) Euc (kPa)

S-1 35 – 110 10 – 60 13 – 35 14.5 – 18.0 35 – 100 890 – 4540

S-2 49 – 155 0 – 120 19 – 34 16.4 – 18.8 54 – 110 2670 – 8060

S-3 37 – 75 15 – 72 6 – 28 16.0 – 18.7 30 – 120 1300 – 16900

a) b)

Figura 5.5. Envolventes de falla de corte directo en suelos finos: a) S2'-SH01 (Arcilla limosa, 2.70 m); b) S3-SH08 (Limo arcilloso, 6.50 m).

ENSAYO DE CORTE DIRECTO CONSOLIDADO - DRENADO τ = 0.4181σ + 0.2162 R2 = 0.9993 C' = 0.22 kg/cm2 φ' = 23° 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 ESFUERZO NORMAL, (σσσσ1+σσσσ3)/2 (kg/cm²) E S F U E R Z O C O R T A N T E , ( k g /c m ²) ENV-PICO ENV-ULTIMA

ENSAYO DE CORTE DIRECTO CONSOLIDADO - DRENADO τ = 0.1793σ + 0.4689 R2 _{= 0.9952} c'= 0.47 kg/cm2 φ' = 10° 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 2.20 2.40 2.60 ESFUERZO NORMAL, (σσσσ1+σσσσ3)/2 (kg/cm²) E S F U E R Z O C O R T A N T E , ( k g /c m ²) ENV-PICO ENV-ULTIMA

Los parámetros de resistencia efectiva (c', φ') más bajos se presentaron para dos zonas, coincidentes en parte con resultados de mayor compresibilidad (eo), una correspondiente

al estrato de limos arcillosos contrato-expansivos entre los 3.0 m y 4.20 m de profundidad del sondeo S-1 (φ' = 13º) y la otra a los limos de tendencia orgánica y consistencia blanda entre los 6.0 m y 6.60 m de profundidad del sondeo S-3 (φ' = 10º), ver Figura 5.5.

CCOOMMPPRREESSIIÓÓNNIINNCCOONNFFIINNAADDAA

Con esta prueba se logró evaluar la resistencia a la compresión simple (qu) de muestras

de suelos finos mediante la aplicación de carga axial, determinándose así la resistencia cortante no-drenada (Cu) como un indicador de comportamiento aparente del suelo en

términos de esfuerzos totales para el criterio Mohr-Coulomb; en la Tabla 5.7 se incluyeron los resultados obtenidos. En la Figura 5.6 se aprecian las curvas esfuerzo-deformación unitaria (axial) obtenidas de las pruebas realizadas a muestras de los sondeos S-1 y S-2.

Figura 5.6. Gráficas esfuerzo-deformación de los ensayos de compresión simple (S-1 y S-2).

En las Fotografías presentadas a continuación se registran algunas de las características de las muestras de suelos finos evaluadas y las superficies de falla por corte originadas en las pruebas de compresión inconfinada.

Fotografía 5.7. Detalles de falla de muestras en ensayos de compresión simple (S-1, S-2, S-3).

COMPRESIÓN INCONFINADA SONDEO 1

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 Deformación Unitaria (%) E s fu e rz o ( k g /c m ²) Esfuerzo - S1-SH01: 2.45 - 2.60 m (USCS: CH) Esfuerzo - S1-SH02: 3.80 - 4.00 m (Limo arcilloso) Esfuerzo - S1-SH03: 4.00 - 4.20 m (USCS: MH-CH) Esfuerzo - S1-SH04: 4.65 - 4.80 m (USCS: CH-MH) Esfuerzo - S1-SH06: 6.40 - 6.60 m (USCS: CH) Esfuerzo - S1-SH08: 8.00 - 8.30 m (USCS: CH-MH) Esfuerzo - S1-SH11: 13.00 - 13.15 m (USCS: MH-CH)

COMPRESIÓN INCONFINADA SONDEO 2

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 Deformación Unitaria (%) E s fu e rz o ( k g /c m ²) Esfuerzo - S2-SH01: 2.70 - 2.90 m (USCS: MH) Esfuerzo - S2-SH02: 3.30 - 3.60 m (USCS: MH) Esfuerzo - S2-SH03: 4.00 - 4.60 m (USCS: MH) Esfuerzo - S2-SH05: 5.20 - 5.60 m (USCS: MH) Esfuerzo - S2-SH07: 7.00 - 7.30 m (USCS: MH) S-1: MH-CH (4.0 m) S-2: MH (5.50 m) S-3: MH-CH (6.0 m)

Los resultados de resistencia cortante no-drenada reflejaron una tendencia similar a los valores obtenidos de los parámetros de resistencia efectiva en laboratorio y los datos de penetración de estándar en campo para los estratos de suelo finos de menor consistencia. 5.2.4 Comportamiento dinámico

Para determinar el comportamiento dinámico del suelo ante excitaciones cíclicas se debe evaluar la respuesta del material a la falla o ruptura y antes de ésta, teniendo en cuenta todo el posible intervalo de pequeñas a grandes deformaciones de corte. Para lograr esto se integraron dos técnicas: los ensayos de laboratorio del tipo triaxiales cíclicos (de moderadas a grandes deformaciones) y ensayos de columna resonante en conjunto con pruebas de elementos piezoeléctricos tipo 'bender element' para determinar la velocidad de onda cortante en laboratorio (a pequeñas deformaciones), valores ajustados mediante resultados de los ensayos de campo down-hole y correlaciones.

Para estudiar el comportamiento dinámico de los suelos finos en cada sitio de evaluación en lo referente a la curva de degradación del módulo de corte normalizado G/Gmax y la

relación de amortiguamiento D en función de la deformación angular, se realizaron los ensayos que se describen a continuación. El resumen de los resultados de las pruebas dinámicas se incluye al final del AAnneexxoo2. 2

TTRRIIAAXXIIAALLCCÍÍCCLLIICCOO

Los ensayos triaxiales cíclicos para el estudio del comportamiento dinámico se realizaron con deformación controlada. Para la ejecución de la prueba se procedió como primera medida a la saturación de la muestra y al chequeo del parámetro B mediante la aplicación de incrementos sucesivos de la presión de cámara σ_c y contrapresión uc, verificando en

cada etapa hasta garantizar la saturación de la muestra (B > 96%); por lo general se inició con una presión de cámara de 50 kPa y una contrapresión menor, de diferencia 5.0 kPa, e incrementos de 50 kPa sucesivos. Posteriormente se aplicó un esfuerzo de confinamiento isotrópico σ₃ correspondiente a la profundidad de la muestra (σ₃ = σ_c – uc) incrementado

las magnitudes requeridas de presión de cámara y contrapresión desde la etapa anterior. Enseguida se realizó la aplicación de la carga cíclica a una velocidad de 00..0044 mmmm//mmiin n

permitiendo entre 66yy1133cciiccllooss de deformaciones angulares desde 1100--22%%((≈≈00..00000011)) hasta el 11..00%%((≈≈00..0011), manteniendo el drenaje cerrado (condición no-drenada). Como etapa final )

se procedió a la falla de la muestra y desmonte el arreglo experimental. Por las limitantes en la cantidad de muestras inalteradas para un mismo tipo de material, las muestras evaluadas en los ensayos triaxiales fueron las obtenidas de las pruebas previas de columna resonante y bender element.

En la Fotografía 5.8 se presenta el montaje típico del ensayo triaxial cíclico, en donde se aprecia la cámara en la cual se coloca la muestra para su confinamiento, al igual que toda la instrumentación requerida para el control y toma de datos automático durante el ensayo (Laboratorio de Estructuras, Geotecnia y Pavimentos, Universidad de los Andes). Toda la información recuperada durante el ensayo se transmite al computador para su posterior procesamiento.

Fotografía 5.8. Detalles del montaje típico del ensayo triaxial cíclico.

En las siguientes Figuras se presentan los resultados típicos de un ensayo triaxial cíclico. Los resultados incluyen una curva con los ciclos de histéresis de esfuerzo cortante τ contra deformación angular γ, la curva de degradación del módulo cortante G contra la deformación angular y la curva de amortiguamiento D contra deformación angular.

Figura 5.7. Curvas de histéresis de esfuerzo cortante vs. deformación (S3, MH-CH, 3.50 m).

El procedimiento de cálculo de los parámetros dinámicos parte de la determinación del módulo de elasticidad Es, obtenido como la relación entre el esfuerzo y la deformación axial ε. Con base en estos resultados se obtiene el módulo de cortante G (módulo secante Gsec) y la deformación cortante γ correspondiente. En la práctica, la muestra está saturada

(

)

γ

ε

(

ν

)

ε

σ

Figura 5.8. Curvas dinámicas obtenidas del ensayo triaxial cíclico (S3, MH-CH, 3.50 m).

La relación de amortiguamiento respecto la crítica se obtiene a partir del desfase entre el esfuerzo y la deformación, calculando el área de la curva bajo el ciclo de histéresis.

CCOOLLUUMMNNAARREESSOONNAANNTTEE

Esta prueba consiste en aplicar una vibración forzada a una muestra de suelo y ajustar la frecuencia de excitación hasta llegar a la resonancia de la muestra. La vibración aplicada puede ser transversal o longitudinal (generalmente por aparatos de columna resonante). En estos aparatos la solicitación se aplica por medio de bobinas eléctricas colocadas en un campo de imanes permanentes. La frecuencia de la corriente eléctrica alterna se ajusta de tal manera que la muestra de suelo llegue a la frecuencia de resonancia (el 1er modo). La suspensión brusca de la excitación permite un retorno al equilibrio en vibración libre, lo cual posibilita la medición del amortiguamiento del suelo. El conocimiento de la frecuencia de resonancia de la muestra y del modo asociado permite calcular el módulo cortante. Este ensayo permite medir las características de los suelos para amplitudes de deformación comprendidas entre casi 1100--33

%

%((≈≈00..0000000011)) y 1100--22

%

%((≈≈00..00000011) cuando se trata )

de ensayos de torsión, y menores deformaciones en el caso de ensayos en compresión. En la Fotografía 5.9 se presenta el montaje típico del ensayo de columna resonante, en donde se aprecia la cámara en la cual se coloca la muestra para su confinamiento, al igual que las bobinas eléctricas que generan la excitación, las unidades de control y excitación de las muestras y la unidad de adquisición de datos que permite la transmisión de los mismos al computador para su posterior procesamiento (equipos del laboratorio de la Universidad de los Andes). En las siguientes Figuras se muestran detalles de los resultados obtenidos del ensayo de columna resonante.

Fotografía 5.9. Detalles del montaje típico del ensayo de columna resonante.

Los principales parámetros que se registran del ensayo son: amplitud de la vibración en función de la frecuencia para diferentes energías de excitación de las bobinas y curva de decrecimiento de la vibración una vez se interrumpe la excitación (ver Figura 5.9). Cada energía de excitación corresponde a un nivel de deformación, de esta forma al encontrar la frecuencia de resonancia para cada excitación se obtiene el módulo de cortante G para un nivel de deformación dado (Figura 5.10). Del mismo modo, al interrumpir la excitación se puede calcular el amortiguamiento D a partir de la curva de decrecimiento de la vibración para cada nivel de deformación.

Figura 5.9. Curvas de frecuencia y decaimiento logarítmico (S3, MH-CH, 3.50 m).

Para la ejecución de la prueba se procedió inicialmente a la saturación de la muestra y al chequeo del parámetro B (> 96%), de similar forma que para el ensayo triaxial cíclico, garantizando en la etapa final un esfuerzo de confinamiento isotrópico correspondiente a la profundidad de la muestra in-situ.

Figura 5.10. Curvas dinámicas obtenidas del ensayo columna resonante (S3, MH-CH, 3.50 m).

BBEENNDDEERREELLEEMMEENNTT

La medida de la velocidad de onda de corte (Vs) en laboratorio es posible utilizando una metodología similar a la desarrollada por el Instituto Geotécnico Noruego. En este ensayo se coloca un excitador y un receptor piezoeléctricos en los extremos de la muestra; el excitador y el receptor se colocan de tal manera que deformen en flexión una pequeña lámina que se encuentra empotrada en la muestra. La deformación de las láminas asegura que la onda que se aplica al suelo es una onda de cortante y de así es posible determinar la velocidad de la onda de manera directa, midiendo el tiempo transcurrido entre el disparo y la recepción de la onda de corte, conociendo la longitud de la muestra. En la Fotografía 5.10 se presenta el montaje típico para adelantar el ensayo de velocidad de onda cortante en el laboratorio (equipos empleados en los Laboratorios de Geotecnia de la Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá, y la Universidad de los Andes).

En la Tabla 5.8 se resumen los resultados obtenidos de los ensayos bender element y los respectivos parámetros dinámicos13 calculados.

Tabla 5.8. Resumen de parámetros dinámicos obtenidos de los ensayos Bender element.

Sondeo PUH (kN/m3) Vs (m/s) Gmax (MPa) νννν Es (MPa)

S-1 16.7 – 17.8 160 – 350 50 – 200 0.32 – 0.42 500 – 600

S-2 16.1 – 18.6 160 – 470 47 – 420 0.30 – 0.43 120 – 1100

S-3 16.8 – 1.74 210 – 420 82 – 310 0.45 – 0.48 240 – 920

En la Figura 5.11 se aprecia la curva de tiempo de llegada de la onda S en laboratorio para una de las muestras evaluadas. Estas pruebas se efectuaron en las muestras evaluadas mediante columna resonante (antes y después del ensayo) y en núcleos de material inalterado de menor dimensión. En algunos casos se determinó la velocidad de onda de compresión P en laboratorio, con lo que fue posible calcular las propiedades elásticas del material.

Figura 5.11. Resultados del ensayo de velocidad de onda S en laboratorio (S3, MH-CH, 7.0 m).

Es importante mencionar que la señal registrada es muy sensible en algunos casos al tipo de filtro especificado (ancho de banda, frecuencias, etc.) y al método de captura que sea definido en el equipo. Igualmente se debe recordar que los valores de velocidad de onda de corte (Vs) determinados en campo y laboratorio difieren debido al grado de alteración que sufre el material durante el proceso de muestreo y preparación, presentándose por lo general más remoldeo para suelos de mayor consistencia (Stokoe, et al., 2004).

13

Los valores dinámicos tienden por lo general a ser de 10 a 15 veces mayores a los estáticos (González de Vallejo, 2002).

-2,50 -2,00 -1,50 -1,00 -0,50 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 0 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 V o lt a je (V ) Tiempo(s) Velocidad de onda (S3-SH09)