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CARACTERIZACIÓN ESTRATIGRÁFICA Y ANÁLISIS DE LAS PROPIEDADES FÍSICO-MECÁNICAS DE LOS SUELOS PERTENECIENTES A LA ZONA DE EXPANSIÓN URBANA VARIANTE LA CONDINA DEL MUNICIPIO DE PEREIRA Auxiliares de investigación: ANDRÉS FELIPE RODRÍGUEZ ZAMORA FELIPE AGUDELO ORTIZ JUAN PABLO PIEDRAHITA ARIAS JUAN SEBASTIAN CARDONA VALENCIA UNIVERSIDAD LIBRE SECCIONAL PEREIRA FACULTAD DE INGENIERÍAS PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL PEREIRA 2020 2 CARACTERIZACIÓN ESTRATIGRÁFICA Y ANÁLISIS DE LAS PROPIEDADES FÍSICO-MECÁNICAS DE LOS SUELOS PERTENECIENTES A LA ZONA EXPANSIÓN URBANA VARIANTE LA CONDINA DEL MUNICIPIO DE PEREIRA Auxiliares de investigación: ANDRÉS FELIPE RODRÍGUEZ ZAMORA FELIPE AGUDELO ORTIZ JUAN PABLO PIEDRAHITA ARIAS JUAN SEBASTIAN CARDONA VALENCIA Investigador principal: ALEJANDRO ALZATE BUITRAGO UNIVERSIDAD LIBRE SECCIONAL PEREIRA FACULTAD DE INGENIERÍAS PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL PEREIRA 2020 3 TABLA DE CONTENIDO 1. RESUMEN .............................................................................................................. 7 2. INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 8 3. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA Y FORMULACIÓN DE LA PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN ......................................................................................................... 9 4. JUSTIFICACIÓN ................................................................................................ 11 5. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN .......................................................... 12 5.1. OBJETIVO GENERAL ...................................................................................... 12 5.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................. 12 6. MARCO REFERENCIAL .................................................................................. 13 6.1. MARCO TEÓRICO ............................................................................................ 13 6.1.1 Propiedades físicas de los suelos ........................................................................ 13 6.1.2 Propiedades mecánicas de los suelos ................................................................. 20 6.1.3 Caracterización estratigráfica del suelo ............................................................. 22 6.2. MARCO DE ANTECEDENTES ....................................................................... 23 6.3. MARCO LEGAL (NORMATIVO) ................................................................... 25 7 DISEÑO METODOLÓGICO .................................................................................... 29 Localización: ................................................................................................................... 29 7.1 ENFOQUE DE INVESTIGACIÓN Y TIPO DE ESTUDIO ............................... 30 7.2 MATRIZ DE DISEÑO METODOLÓGICO ........................................................ 31 7.3 FASES Y RESULTADOS ....................................................................................... 31 4 8. RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN ............................................................ 32 8.1 (Pruebas Físicas) ........................................................................................................ 32 8 CONCLUSIONES ....................................................................................................... 41 9 RECOMENDACIONES ............................................................................................. 43 10 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................... 45 ANEXOS ......................................................................................................................... 48 5 LISTA DE TABLAS Tabla 1. Identificación de suelos ......................................................................................... 14 Tabla 2. Marco Legal .......................................................................................................... 25 Tabla 3. Matriz de diseño metodológico ............................................................................. 31 Tabla 4. Fases y resultados .................................................................................................. 31 Tabla 5. Contenido de humedad .......................................................................................... 32 Tabla 6. Limites e Índices. .................................................................................................. 34 Tabla 7. SUCS ..................................................................................................................... 35 Tabla 8. Fricción ................................................................................................................. 37 Tabla 9. Resistencia al corte ................................................................................................ 39 Tabla 10. Perfil estratigráfico .............................................................................................. 40 6 LISTA DE FIGURAS Ilustración 1. Límites de Atterberg ..................................................................................... 19 Ilustración 2. Contenido de humedad .................................................................................. 33 Ilustración 3. Índice de Plasticidad ..................................................................................... 35 Ilustración 4. Ángulo de fricción ........................................................................................ 38 Ilustración 5. Equipo de perforación ................................................................................... 48 Ilustración 6. Tubos de perforación .................................................................................... 48 Ilustración 7. Muestras inalteradas ...................................................................................... 48 7 1. RESUMEN En el siguiente documento se encuentran consignados los diferentes parámetros, conceptos, análisis y resultados, para la realización de un estudio de suelos realizado en el municipio de Pereira, Risaralda; específicamente referenciado a un sondeo o perforación en una zona definida para el desarrollo de actividades y ensayos de laboratorio a través de la recolección de diferentes muestras a distintas profundidades que permitan la descripción detallada del material obtenido. El estudio de los suelos incluye tres pilares en los cuales se tiene que basar cualquier investigación sobre el suelo: Como primero se debe tener en cuenta la teoría sobre el comportamiento de los suelos sujetos a cargas, basadas en simplificaciones necesarias dado el actual estado de la técnica. Segundo, la Investigación de las propiedades físicas de los suelos reales. Tercero, aplicación del conocimiento teórico y empírico a los problemas prácticos. Finalizando con recomendaciones sobre procesos constructivos (Cimentaciones), de acuerdo con las características deducidas sobre el material presente en la zona. 8 2. INTRODUCCIÓN En el campo de la ingeniería el factor más importante para una obra de infraestructura es el factor del suelo, y cuyas propiedades determinaran el camino que se debe seguir para la realización de la obra. Es el encargado de transmitir y soportar todas las cargas de una estructura, por lo tanto, estudiar sus propiedades y comportamiento es fundamental. Para la obtención de dichos es necesario realizar ciertos procesos en el terreno y laboratorio posteriormente. El sondeo se realizó enel sector Palo de Agua, el cual se encuentra en el sector de expansión de la Ciudad de Pereira con el fin de investigar las propiedades físicas y mecánicas del suelo, y a su vez la caracterización del perfil estratigráfico a través de una perforación de catorce (14) metros; De donde se recuperaron muestras tanto alteradas como inalteradas, bajo los parámetros DE LA NORMA INVIAS. Requeridas para conocer, por medio de pruebas de laboratorio, la cohesión, capacidad portante del suelo, contenido de humedad, pesos unitarios, limites líquidos y plásticos, índices de plasticidad, resistencia al corte, fricción, gravedad específica y granulometría En el campo de la ingeniería geotécnica, los estudios geotécnicos constituyen un pilar fundamental para la identificación de las propiedades específicas de los suelos y de su comportamiento. 9 3. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA Y FORMULACIÓN DE LA PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN El suelo es uno de los materiales más comunes y utilizados en las prácticas de ingeniería civil, y es sumamente importante al momento de diseñar cualquier tipo de proyecto, debido a que con esto se puede analizar y saber las obras que serán diseñadas de acuerdo a los tipos de suelo que se encuentren, es por esto que se debe hacer un análisis riguroso y responsable de las propiedades físico-mecánicas para la toma de decisiones en la práctica, de acuerdo a Duque y Escobar (2016) constituye el soporte de diferentes estructuras como “edificaciones, vías, puentes, canales, torres, entre otros, además se utiliza como el material de terraplenes viales, muros de tierra reforzada con geotextil, diques, rellenos de adecuación de terrenos en relieves pendientes para áreas urbanas”. Pereira es una zona caracterizada por la presencia de suelos provenientes de cenizas volcánicas, en su mayoría son suelos encontrados en las zonas de expansión. Este caso permite contemplar la posibilidad de conocer la mayor cantidad de características del suelo que aún no han sido determinadas en esta área para generar un mayor dinamismo e información que otorgue ventajas y datos relevantes para futuros proyectos que se realicen en esta zona. La sensibilidad y compresibilidad de los suelos derivados de cenizas volcánicas en el área de expansión de Pereira es un tema cuya investigación no ha sido puesta en desarrollo, así mismo no se le ha dada la importancia requerida, y ha tenido poca inversión económica para poder realizar los estudios pertinentes, generando así que se presente una relevancia de carácter inferior respecto a otros temas de investigación de características del suelo en la ciudad de Pereira. 10 El suelo se convierte entonces, en un elemento funcional para los proyectos de ingeniería, dada su naturaleza son afectados por las condiciones del medio ambiente, ejemplo de ello, cuando se presenta temporadas de lluvia su estrato superior se satura, estas afectaciones están directamente relacionadas con los daños estructurales, los cuales causan no solo pérdidas económicas, sino que pueden poner en riesgo la vida de las personas. En consideración a lo anterior y teniendo en cuenta que el municipio de Pereira, ha clasificado como una de las principales zonas de expansión urbana a la Condina, no solo para amplias zonas de urbanización en conjuntos residenciales y apartamentos sino también de asentamiento de importantes centros logísticos, donde el municipio pretende desarrollos urbanísticos hacia los suelos identificados y habilitar nuevos suelos para la construcción de vivienda, “con el fin de generar una nueva oferta y reducir el déficit actual del municipio de Pereira y atender la demanda futura” surge la necesidad de estudiar las condiciones geotécnicas del suelo en un sector de dicha zona, específicamente en la vía Cerritos-Pereira entrada Veracruz, planteando la siguiente pregunta de investigación: Pregunta de investigación ¿Cuáles son las condiciones geotécnicas y propiedades físico-mecánicas de los suelos pertenecientes a la zona de expansión urbana del municipio de Pereira variante la Condina al frente de la urbanización mirador de Batará? 11 4. JUSTIFICACIÓN El comportamiento del suelo se ve reflejado por sus propiedades, partiendo de esto se enfatiza en conocer las características que todo suelo posee para hacer un uso apropiado e integrado para fines ingenieriles. Evaluar, analizar y determinar las condiciones geotécnicas de los suelos, permite conocer la morfología de estos, identificándolos y clasificándolos para que mediante una serie de estudios de laboratorio y de campo, se tengan los datos necesarios para realizar cálculos con fines a cualquier proyecto de obra civil. El conocimiento y análisis de las propiedades físico-mecánicas de los suelos, a su vez de su caracterización estratigráfica, es fundamental debido a que mediante su adecuada interpretación cualquier ingeniero o profesional de obras civiles, podrá predecir con bastante aproximación el comportamiento del terreno de estudio, permite además contrarrestar los fenómenos de remoción de masa, de inestabilidad del terreno, disminuyendo de esta forma las fallas estructurales. La importancia de la evaluación estratigráfica y análisis de las propiedades físico- mecánicas de los suelos es recocida por diferentes autores, Duque y Escobar (2016) consideran que este entendimiento permite lograr una estabilidad de los taludes y en las estructuras de la cimentación, pudiendo seleccionar el tipo de suelo, método y control de colocación adecuados, por otra parte, resaltan la importancia de la medición de variables como la deformación del suelo, los cambios de las presiones totales, la presión de poro o la respuesta frente a perturbaciones dinámicas para construir estructuras grandes y complejas. 12 5. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN 5.1. OBJETIVO GENERAL Analizar y Evaluar las características y condiciones geotécnicas de los suelos pertenecientes a la zona de expansión urbana variante la Condina del municipio de Pereira. 5.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Establecer las características y propiedades físicas y mecánicas de los suelos pertenecientes al sector ubicado en la variante Condina-Pereira, en el sector al frente de la urbanización MIRADOR DE BATARA. Determinar y delimitar el perfil estratigráfico característico de la zona de estudio. 13 6. MARCO REFERENCIAL 6.1. MARCO TEÓRICO Identificar y conocer las propiedades de suelo son muy importante en la ingeniería civil, la mecánica del suelo forma parte de la teoría de las estructuras (Carrillo C., 1973). Cuando se proyecta una estructura o proyecto de construcción es importante analizar las características y propiedades que puede ofrecer el terreno para poder determinar los diferentes datos y cálculos que conlleva la materialización del alcance final , todo esto mediante un estudio juicioso y riguroso el cual este abarcado por todos los estudios y ensayos de suelos requeridos, los cuales ofrecen información importante que resumen el comportamiento del suelo, todo esto con el objetivo final de realizar mediante procesos matemáticos y métodos científicos el análisis y diseño de la estructura deseada. 6.1.1 Propiedades físicas de los suelos (Duque E. & Escobar P., 2002) afirman que en un suelo se distinguen tres fases constituyentes: la sólida, la líquida y la gaseosa. La fase sólida está formada por las partículas minerales del suelo (incluyendo la capa sólida adsorbida); la líquida por el agua (libre, específicamente), aunque en el suelo pueden existir otros líquidos de menor significación; la fase gaseosa comprende sobre todo el aire, pero pueden estar presentes otros gases (vapores sulfurosos, anhídrido carbónico, entre otros) (pág. 9). La correlación e interacción de estas mismas, con lamateria orgánica y su proporción en el medio es lo que determina sus propiedades físicas. El conocer las propiedades físicas de un suelo es importante debido a que con esto se puede catalogar para diferentes fines según sean sus características. 14 A continuación, se mencionarán las propiedades físicas que se pueden determinar en los suelos. 6.1.1.1 Tamaño Los suelos tienen diferentes variedades de sus elementos constituyentes, de esta forma es necesario realizar la clasificación mediante una granulometría la cual consiste en hacer pasar los diferentes tamaños de partículas a través de una serie de mallas que van de mayor a menor luz, en el cual las partículas de suelos van pasando según sea su tamaño y finalmente se determina la clasificación del suelo mediante la tabla que se presenta a continuación Tabla 1. Identificación de suelos Elemento Clasificación Grava Gruesa: pasa el tamiz de 75 mm (3") y queda retenida sobre el tamiz de 19 mm (¾"). Fina: pasa el tamiz de 19 mm (¾") y queda retenida sobre el tamiz de 4.75 mm (No. 4). Arena Gruesa – Pasa el tamiz de 4.75 mm (No. 4) y queda retenida sobre el tamiz de 2.00 mm (No. 10). Media – Pasa el tamiz 2.00 mm (No. 10) y queda retenida sobre el tamiz de 425 μm (No. 40). Fina – Pasa el tamiz de 425 μm (No. 40) y queda retenida sobre el tamiz de 75 μm (No. 200). Arcilla Arcilla – Suelo que pasa el tamiz de 75 μm (No. 200), el cual puede exhibir plasticidad (consistencia como de masilla) dentro de un cierto intervalo de humedad y presentar una resistencia considerable cuando se seca al aire. Es un suelo de grano fino, o la porción fina de un suelo, con un índice de plasticidad igual o mayor que 4. Arcilla orgánica – tienen contenido orgánico suficiente como para influir sobre las propiedades del suelo. Es un suelo que sería clasificado como arcilla, excepto que el valor de su límite líquido después de secado en el horno es menor que el 75 % de dicho valor antes de secarlo. Limo – Suelo que pasa el tamiz de 75 μm (No. 200), ligeramente plástico o no plástico y que exhibe poca o ninguna resistencia cuando se seca al aire. 15 Un limo es un suelo de grano fino, o la porción fina de un suelo con índice plástico menor que 4. Limo orgánico – Un limo con suficiente contenido orgánico como para afectar las propiedades del suelo. Es un suelo que sería clasificado como limo, excepto que su valor de límite líquido después de secado en el horno es menor que el 75 % de dicho valor antes de secarlo. Turba – Un suelo de estructura primordialmente vegetal en estados variables de descomposición, con olor orgánico característico, color entre marrón oscuro y negro, consistencia esponjosa, y cuya textura varía desde fibrosa hasta amorfa Fuente: (INVIAS , 2013) 6.1.1.2 Texturas La textura del suelo según (Suárez, 1979) se refiere: “A las cantidades de partículas de diverso tamaño que contiene el suelo y estas se clasifican de acuerdo con su tamaño en cuatro grupos denominados en orden descendente como grava, arena, limo y arcilla (pág. 14)”. Para determinar la textura del suelo en campo se necesita tomar una porción de muestra en las manos, el cual se humedece y se amasa para finalmente de acuerdo con la reacción que se presente. 6.1.1.3 Estructura Según (Juárez Badillo & Rico Rodriguez, Mecanica de suelos tomo 1, 1973) En los suelos formados por partículas relativamente grandes (gravas y arenas) las fuerzas que intervienen para formar la estructura son bastante bien conocidas y sus efectos son relativamente simples de calificar; por ello, prácticamente no hay discusión respecto al mecanismo de estructuración que, por otra parte, es verificable a simple vista. Por el contrario, en los suelos formados por partículas muy pequeñas (limos y arcillas), las fuerzas que intervienen en los procesos de estructuración son de un carácter mucho más complejo y las estructuras resultantes son sólo 16 parcialmente verificables por métodos indirectos, relativamente complicados y aún en plena etapa de desarrollo (pág. 40) Los diferentes tipos de estructura son: a) Estructura simple: Es aquella producida cuando las fuerzas debidas al campo gravitacional terrestre son claramente predominantes en la disposición de las partículas; es, por lo tanto, típica de suelos de grano grueso (gravas y arenas limpias) de masa comparativamente importante. b) Estructura Panaloide: Esta estructura se considera típica en granos de pequeño tamaño (0.02 mm de diámetro o algo menores), que se depositan en un medio continuo, normalmente agua y, en ocasiones, aire. En estas partículas, la gravitación ejerce un efecto que hace que tiendan a sedimentarse, pero dada su pequeña masa, otras fuerzas naturales pueden hacerse de magnitud comparable. c) Estructura Floculenta: Cuando en el proceso de sedimentación, dos partículas de diámetros menores de 0.02 mm llegan a tocarse, se adhieren con fuerza y se sedimentan juntas. d) Estructura Compuesta: La sedimentación comprende partículas de todos los tamaños y tipos, para las que rigen las leyes de la naturaleza de modo diferente. e) Estructura en “Castillo de Naipes”: Según Goldschmidt y Lambe han sugerido una forma laminar típica de los minerales de arcilla es fundamental en la estructuración resultante para los suelos finos. 6.1.1.4 Color El color del suelo depende de sus componentes y varía con el contenido de humedad, materia orgánica presente y grado de oxidación de minerales presentes. Se puede evaluar como una 17 medida indirecta ciertas propiedades del suelo. Se usa para distinguir las secuencias en un perfil del suelo, determinar el origen de materia parental, presencia de materia orgánica, estado de drenaje y la presencia de sales y carbonato. (FAO, 2019) Compuesto de tres variables medibles: Matiz (hue), Valor (value) y tono cromático (croma), esta característica es fácilmente observable. La importancia del color está en que permite evaluar tres parámetros: cantidad de materia orgánica, condiciones de drenaje y aireación, que están relacionadas con la fertilidad del suelo. Los colores de los distintos componentes del suelo son: • Cuarzo: blanco, amarillo • Calcita y eflorescencias de sales: blanco • Minerales arcillo-silicatados: pardo depende de su naturaleza y cantidad de revestimiento. • Feldespatos: con tintes rojizos • Óxidos de Hierro: presentan distintos colores según su grado de hidratación: Hematita, (rojo); geotita (amarillo a rojizo; limonita (amarillo). Al estado reducido dan colores verde o azul. • Al aumentar la MO, los horizontes superiores cambian de pardo a pardo oscuro o negro. 6.1.1.5 Porosidad La porosidad del suelo viene representada por el porcentaje de vacíos existentes en el mismo frente al volumen total. 18 Según (Juárez Badillo & Rico Rodriguez, Mecanica de suelos tomo 1, 1973) se llama porosidad de un suelo a la relación entre su volumen de vacíos y el volumen de su masa. Se expresa como porcentaje: 𝑛(%) = 𝑉𝑣 𝑉𝑚 ∗ 100 Ecuación 1 Esta relación puede variar de 0 (en un suelo ideal con solo fase solida) a 100 (espacio vacío). Los valores reales suelen oscilar entre 20% y 95%. (pág. 48). 6.1.1.6 Consistencia (Braja,M. Das, fundametos de ingenieria geotecnica, 2001)En 1900, un científico sueco llamado Albert Mauritz Atterberg desarrolló un método para describir la consistencia de los suelos de grano fino con diferentes contenidos de humedad. Con un contenido de humedad muy bajo, el suelo se comporta más como un sólido quebradizo. Cuando el contenido de humedad es muy alto, el suelo y el agua pueden fluir como un líquido. Por lo tanto, sobre una base arbitraria, dependiendo del contenido de humedad, la naturaleza del comportamiento del suelo puede ser dividido en cuatro estados básicos: sólido, semisólido, plásticoy líquido. (pág. 64) De esta propiedad también se deriva: 6.1.1.7 Contenido de humedad (Braja, 2001) Expresado en porcentaje, en el que se lleva a cabo la transición del estado sólido al estado semisólido se define como el límite de contracción. El contenido de humedad 19 en el punto de transición del estado semisólido al estado plástico es el límite plástico, y del estado plástico al estado líquido es el límite líquido. (pág. 65) Con las anteriores variables es posible determinar el tamaño del intervalo del contenido de agua, expresado como un porcentaje de la masa seca del suelo, dentro del cual el material está en un estado plástico llamado índice de plasticidad. • Índice de Plasticidad (IP): es la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico de un suelo. 𝐼𝑃 = 𝐿𝐿 − 𝐿𝑃 Ecuación 2 Ilustración 1. Límites de Atterberg 6.1.1.8 Profundidad efectiva Según (Suarez, 1979): “Menciona que se refiere al espesor de las diferentes capas del suelo tal que las raíces puedan penetrar sin mayores obstáculos en busca de agua y de nutrimentos” (pág. 92). 20 6.1.2 Propiedades mecánicas de los suelos Según (Juárez Badillo & Rico Rodríguez, Mecánica de suelos tomo 2, 1973) Es evidente que el suelo no es homogéneo, pues sus propiedades mecánicas no son las mismas en todos los puntos de su masa; ni isótropo, pues en un punto dado esas propiedades varían, en general, en las distintas direcciones del espacio; ni linealmente elástico, pues, las relaciones esfuerzo- deformación de los suelos no son las que corresponden a ese comportamiento. A continuación, se mencionarán las propiedades mecánicas de los suelos (pág. 11). 6.1.2.1 Consolidación (Braja, M. Das, 2001) afirma que es cuando una capa de suelo saturado se somete a un aumento del esfuerzo, la presión del agua que se encuentra en los espacios se incrementa repentinamente. Sin embargo, el fenómeno de consolidación es diferente para suelos friccionantes como en suelos cohesivos. • Friccionantes: El drenaje causado por el aumento en la presión de agua que se encuentra en los espacios se completa inmediatamente. • Cohesivos: Debido a que la conductividad hidráulica de la arcilla es significativamente menor que la de la arena, el exceso de presión de poros generado por la carga se disipa gradualmente durante un largo periodo. 6.1.2.2 Resistencia al corte (Medina Lopez & Salazar Gutierrez, 2009) La teoría de Charles Auguste de Coulomb propuesta en 1773 establece que un material falla cuando el esfuerzo cortante en una dirección iguala la resistencia al corte en la misma dirección, lo cual depende de la cohesión y la fricción interna entre las partículas, y está dada por la ecuación de Mohr-Coulomb. 21 𝑞𝑐 = 𝑞𝑢 2 ( 𝐾𝑔 𝑐𝑚2 ) Ecuación 4 Este cálculo se basa en el hecho de que el esfuerzo principal menor es cero (ya que al suelo lo rodea sólo la presión atmosférica) y que el ángulo de fricción interna (Φ) del suelo se supone cero (pág. 3). 6.1.2.3 Cohesión Esta propiedad hidráulica es la cualidad por la cual las partículas del suelo se mantienen unidas en virtud de fuerzas internas, que dependen, entre otras cosas, del número de puntos de contacto que cada partícula tiene con sus vecinas. En consecuencia, la cohesión es mayor cuanto más finas son las partículas del suelo. Hay que mencionar que en suelos eminentemente granulares en los cuales no existe ningún tipo de cementante o material que pueda producir adherencia, la cohesión se supone igual a 0 y a estos suelos se les denomina Suelos no Cohesivos. La cohesión de un suelo y el ángulo de fricción interna, pueden obtenerse de diferentes maneras, y entre ellas están: a) Por medio del aparato de corte directo ideado por Arthur Casagrande b) Por la prueba de compresión triaxial. En el caso de las arcillas, la determinación de esfuerzo de corte de estas puede determinarse, además, con la prueba de compresión axial no confinada o con la prueba de la veleta. https://es.wiktionary.org/wiki/cohesi%C3%B3n 22 6.1.2.4 Angulo de fricción (Crespo Villalaz, 1976) afirma que el ángulo de fricción o de rozamiento interno es un valor de convenio introducido para simplificar y se le considera constante, aunque no lo es, el ángulo de fricción interna depende de la uniformidad de las partículas del suelo, del tamaño y forma de los granos y de la presión normal (pág. 170). 6.1.3 Caracterización estratigráfica del suelo La caracterización es una fase descriptiva con fines de identificación, entre otros aspectos, de los componentes, acontecimientos (cronología e hitos), actores, procesos y contexto de una experiencia, un hecho o un proceso De acuerdo con lo anterior cabe resaltar algunos conceptos importantes como: 6.1.3.1 Estratigrafía La Estratigrafía es la ciencia que trata del estudio e interpretación de los estratos (de cualquier litología); sus relaciones espaciales, en sentido vertical y horizontal (correlación de las unidades estratigráficas) y sus relaciones temporales (edad de la roca). El estudio de la estratigrafía tiene como objeto el análisis de las rocas que tienen estratos, planteando el conocimiento del orden y condiciones de formación de los estratos; considera también, la correlación entre unidades ubicadas en distintos sitios de una cuenca sedimentaria, o entre distintas cuencas sedimentarias, logra el conocimiento detallado de la naturaleza de las rocas (litología, propiedades geoquímicas y geofísicas), geometría y disposición tridimensional (Arellano & Vásquez , 2011). 6.1.3.2 Perfil estratigráfico El perfil estratigráfico indica una sección vertical a través del terreno, que muestra los espesores y el orden de sucesión de los estratos. El termino estrato se aplica a una capa de suelo 23 relativamente bien definida, que se halla en contacto con otras capas de características similares o diferentes. 6.2. MARCO DE ANTECEDENTES (Medina Lopez & Salazar Gutierrez, 2009) para contribuir al conocimiento y la mitigación de los movimientos en masa en la zona cafetera colombiana, se estudió la resistencia al corte directo y 22 propiedades físicas y 11 propiedades químicas de algunos suelos cafeteros en los departamentos de Caldas, Quindío y Tolima, en 11 unidades cartográficas de suelo. En el horizonte B de cada sitio se realizaron mediciones in situ de la resistencia al corte y penetrabilidad por los métodos de la veleta, Torvane y la resistencia a la penetración. Se tomaron muestras como mínimo disturbio para determinar la resistencia al corte directo en el laboratorio y muestras alteradas para evaluar las propiedades físicas y químicas. En suelos plásticos las propiedades que mostraron mayor relación con la resistencia al corte directo fueron aluminio (r=0,52), materia orgánica (r=0,51), pH (r=0,50), índice de plasticidad (r=0,51) y resistencia a la penetración (r=0,44). El método in situ que presento mayor correlación con el método directo para la determinación de resistencia al corte en suelos plásticos fue la resistencia a la penetración (r=0,44), mientras en suelos sin plasticidad fue el método de la veleta (r=0,55). (Betancur Guirales, Builes Brand, & Millán Ángel, 2013) estudiaron que las erupciones volcánicas pueden destruir los ecosistemas a su alrededor y las cenizas que producen lo cubren todo a su paso. No obstante, esas cenizas devastadoras originan algunos de los más productivos y complejos suelos del mundo. Bajo el propósito de conocer las propiedades y el comportamiento de estos suelos en condiciones naturales, el presente estudio muestra cómo, a través de ensayos de laboratorio, se relacionó la variación constante en el tiempo del grado de 24 saturación del suelo con sus parámetros de resistencia. Muestras de suelo extraídas de la ciudad de Pereira, fueron llevadas a la falla paraobtener los parámetros de resistencia al corte en condición UU. En los resultados obtenidos se evidencia una tendencia de variación de la cohesión con la variación del grado de saturación. Causas alternativas para este comportamiento del suelo son discutidas, así como su aplicación en la optimización del quehacer ingenieril en estos suelos. (Hoyos Soto & Franco Martin, 2018) realizaron sondeos en el terreno perteneciente al sector de Belmonte Bajo, el cual se encuentra localizado en el suelo de expansión urbana del sector occidental del municipio de Pereira, entre el conjunto residencial Mukava del Viento y el centro comercial Portal de Cerritos, con la intención de evaluar las condiciones geotécnicas de los suelos pertenecientes a esta zona a una profundidad de 19 m. Se realizaron los debidos ensayos de laboratorio a los que cabe lugar según la normativa vigente del INVIAS y seguido de esto se realizó un análisis de los resultados obtenidos, los cuales son: contenido de humedad con un 72%, gravedad específica de 2,88, granulometría por lavado de tamiz en la cual el 77,36% son finos, por tamizado que define un 0,011014 mm de diámetro de partículas, límites de consistencia que presentan un limo arenoso de alta plasticidad, sistema unificado de clasificación de suelos, consolidación unidimensional que presenta un asentamiento por consolidación primaria y corte directo que define un ángulo de fricción de 15,21° y cohesión de 0,58 Kg/m2. 25 6.3. MARCO LEGAL (NORMATIVO) Tabla 2. Marco Legal Norma Descripción Relaciones de humedad – Masa unitaria seca en los suelos. I.N.V.E - 142 - 07 Un método para diseño y control de compactación de tales suelos consiste en usar un relleno de prueba para determinar el grado de compactación requerido y el método para obtener dicha compactación. Empléese luego un método de especificación para controlar la compactación, especificando el tipo y tamaño del equipo de compactación, el espesor de la capa y el número de pasada. Obtención de muestras de suelo mediante tubos de pared delgada. I.N.V.E – 105-13 Esta norma presenta un procedimiento para el uso de un tubo mecánico de pared delgada para la obtención de muestras relativamente inalteradas de suelos, apropiadas para realizar sobre ellas pruebas de laboratorio destinadas a establecer propiedades físicas y mecánicas de un suelo. 26 Ensayo normal de penetración (SPT) y muestreos de suelos con tubo partido. I.N.V.E 111 - 13 Este Método describe el procedimiento conocido como ensayo normal de penetración (SPT), el cual consiste en conducir un muestreador de tubo partido dentro del suelo para obtener muestras alteradas representativas de las propiedades del suelo. Análisis granulométrico de suelos por tamizado. I.N.V.E - 123 - 07 El análisis granulométrico tiene como finalidad la determinación cuantitativa de la distribución de tamaños de partículas del suelo. Esta norma describe el método para determinar los porcentajes de suelo que pasan por los distintos tamices de la serie empleada para el ensayo. Determinación de la resistencia al corte. método de corte directo I.N.V.E - 154 - 07 Esta norma tiene por objeto establecer el procedimiento de ensayo para determinar la resistencia al corte de una muestra al corte de una muestra de suelo consolidada y drenada, empleando el método de Corte directo. 27 Determinación del límite líquido de los suelos. I.N.V.E - 125 - 07 El Límite líquido de un suelo es el contenido de Humedad expresado en porcentaje del suelo secado al horno, éste se halla en el límite entre estado líquido y estado plástico. Límite plástico e índice de plasticidad de suelos. I.N.V.E - 126 -07 El Límite Plástico de un suelo es el contenido más bajo de agua, determinado por este procedimiento, en el cual el suelo permanece en estado plástico. El índice de plasticidad de un suelo es el tamaño del intervalo de contenido de agua, expresado como un porcentaje de la masa seca del suelo. Parámetros de resistencia del suelo mediante compresión triaxial. I.N.V.E - 153 - 07 Los métodos descritos en esta norma se refieren a la determinación de los parámetros de resistencia de los suelos mediante el ensayo de compresión triaxial. Los métodos descritos son: el ensayo no consolidado no drenado (UU) con o sin medición de las presiones de poros y el ensayo de compresión triaxial consolidado no drenado (CU). 28 Descripción e identificación de suelos I.N.V.E - 102 Esta práctica describe un procedimiento para identificar suelos y se basa en el sistema de clasificación convencional. La identificación se hace mediante un examen visual y mediante ensayos manuales. Determinación en laboratorio del contenido de agua. I.N.V.E 122 - 07 Este método cubre la determinación de laboratorio del contenido de agua (humedad) de suelo, roca, y mezclas de suelo-agregado por peso. Por simplicidad, de aquí en adelante, la palabra "material" se refiere a suelo, roca o mezclas de suelo - agregado, la que sea aplicable. Fuente: INVIAS 29 7 DISEÑO METODOLÓGICO Localización: Las muestras fueron tomadas en la Ciudad de Pereira, Risaralda, Colombia. En el sector de Expansión de la ciudad, sobre la vía Condina. 30 7.1 ENFOQUE DE INVESTIGACIÓN Y TIPO DE ESTUDIO El proyecto consistió en una perforación del suelo bajo las normas invias respectivas al uso del SPT, tuvo un alcance de 14 metros de profundidad donde se encontró con el estrato rocoso, con lo cual se detuvo la perforación. Se obtuvieron de manera simultánea muestras inalteradas las cuales sus propiedades de humedad y ni forma al momento de ser trasladadas al laboratorio para su próximo estudio. De igual forma se obtuvieron muestras alteradas las cuales son muestras representativas del suelo, su humedad puede variar en el laboratorio a la del terreno sin afectar los resultados arrojados por el estudio correspondiente. Las muestras son llevadas al laboratorio para realizar las siguientes pruebas y ensayos necesarios para la obtención de datos posteriores: Para las pruebas Físicas y mecánicas del suelo se tomaron: • Relaciones de Humedad • Análisis granulométrico de Suelos • Determinación de la resistencia al corte • Determinación del límite líquido y plástico • Determinación del contenido de Agua • Gravedad específica Las muestras alteradas y las inalteradas se recolectaron cada metro del terreno. Se realiza una clasificación visual en el terreno para determinar de una manera cualitativa de algunas propiedades presentes en el suelo a la medida que se insertaba el barreno y se colectaban muestras. Al momento de culminadas las pruebas y ensayos de laboratorio se procede a la clasificación de las muestras y sus respectivos resultados para luego realizar el perfil estratigráfico y la obtención de datos necesarios para su posterior resultado. 31 7.2 MATRIZ DE DISEÑO METODOLÓGICO Se determinan los métodos y actividades con el que se cumplieron los objetivos: Tabla 3. Matriz de diseño metodológico Objetivos específicos Actividades Método Establecer las características y propiedades físicas y mecánicas de los suelos pertenecientes al sector ubicado en la variante Condina-Pereira, en el sector al frente de la urbanización MIRADOR DE BATARA Materialización de ensayos de: - Contenido de humedad - Límite líquido, límite plástico e índice de plasticidad - Granulometría - Corte directo Análisis de resultadosmediante cálculos, graficas, y tablas estadísticas. Determinar y delimitar el perfil estratigráfico característico de la zona de estudio - Clasificación de suelos de acuerdo con el ensayo de granulometría, límite líquido y límite plástico - Identificar muestras alteraras e inalteradas. - Realizar la descripción de la muestra obtenida . Observación visual Ensayos de laboratorio Análisis de resultados de las pruebas, diagramas de flujo Fuente: los autores 7.3 FASES Y RESULTADOS Tabla 4. Fases y resultados Fase Resultado Fase I. Recolección de información - Análisis del uso del suelo mediante fuentes de información secundarias Fase II. Trabajo de campo - Muestras del suelo mediante perforación manual Fase III. Pruebas de laboratorio - Contenido de humedad del suelo - Límite líquido, límite plástico e índice de plasticidad - Granulometría - Corte directo - Fricción y cohesión - Documento técnico con propiedades físicas y mecánicas de los suelos pertenecientes al sector ubicado en la Variante Condina-Pereira, en el sector al frente de la urbanización mirador de Batará. Fase IV. Análisis de la información - Suelo clasificado según carta de plasticidad - Perfil estratigráfico del suelo Fuente: los autores 32 8. RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN 8.1 (Pruebas Físicas) Con el fin de investigar las propiedades físico-mecánicas del subsuelo se realizaron una perforación a una profundidad de catorce 14 metros; de donde se recuperó las muestras de suelo requeridas para conocer, por medio de pruebas de laboratorio las propiedades de su perfil estratigráfico. Estos son sus resultados de las muestras alteradas: Tabla 5. Contenido de humedad Profundidad (m) Contenido de humedad (%) 0,5 110 1,5 121 2,5 137 3,5 111 4,5 102 5,5 77 6,5 79 7,5 65 8,5 70 9,5 60 10,5 77 11,5 69 12,5 20 13,5 43 Fuente: Los autores 33 Ilustración 2. Contenido de humedad Se determina en la Ilustración 2 que el suelo posee diferentes contenidos de humedad según su profundidad: Desde 0,5m a 4,5m se presenta un contenido de humedad mayor al 100%, lo cual puede indicar según informes meteorológicos, grandes índices de precipitación en el municipio de Pereira; de 5,5m a 11,5m se encuentra por debajo de un contenido de humedad igual al 100%; sin embargo, sigue presentando altos índices de humedad que se encuentra en promedio del 74%, de 12,5m a 13,5 se presentan los índices de humedad mas bajos, siendo este del 20%. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0%20%40%60%80%100%120%140%160% Contenido de humedad 34 Límites de consistencia Los límites líquido y plástico dieron los siguientes resultados: Tabla 6. Limites e Índices. Sondeo Lim. Plástico Lim. Liquido Índice de Plasticidad 0,5 110,13% 124,00% 14% 1,5 120,60% 144,00% 23% 2,5 137,36% 140,00% 3% 3,5 110,70% 124,00% 13% 4,5 102,31% 113,00% 11% 5,5 77,18% 86,70% 10% 6,5 78,70% 96,00% 17% 7,5 65,21% 77,00% 12% 8,5 69,58% 77,60% 8% 9,5 59,85% 78,45% 19% 10,5 76,52% 83,70% 7% 11,5 68,63% 82,00% 13% 12,5 19,91% 80,00% 60% 13,5 43,24% 85,00% 42% Fuente: Los autores 35 Ilustración 3. Índice de Plasticidad Clasificación Granulométrica (SUCS) Tabla 7. SUCS Sondeos (m) Clasificación Granulométrica Observaciones 0,5 GP Material orgánico. Limo Vegetal. 1,5 SW-SM Arena bien gradada. Amplia gama de tamaños, de manera uniforme., polvo de roca, presencia de Arcillas con ligera Plasticidad. 2,5 SW-SM Arena bien gradada, presencia de grava. Arena limosa, presencia de finos no plásticos. 3,5 SW-SM Arena bien gradada, presencia de grava. Arena limosa, presencia de finos no plásticos de amplia gama de tamaños, de manera uniforme 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% Indice de Plasticidad Vs. Profundidad 36 4,5 SW-SC Arena arcillosa, bien gradada. Presencia de finos plásticos, arcilla inorgánica de plasticidad media. 5,5 SP Arena limosa mezcla de arena y limo mal graduados 6,5 SP-SC Arena mal gradada, arena con grava, con pocos finos. presencia de limos poco plásticos. 7,5 SM Arena mal gradada. Arena arcillosa, de una plasticidad media, arcilla limosa. 8,5 SP Arena mal gradada, con muy poca presencia de partículas finas. 9,5 SP Arena mal gradada, con muy poca presencia de partículas finas. 10,5 SP-SC Arena mal gradada. Arena arcillosa, de una plasticidad media, arcilla limosa. 11,5 SP-SC Arena mal gradada. Arena arcillosa, de una plasticidad media, arcilla limosa. 12,5 CH Arcillas de alta plasticidad 13,5 CH Arcillas de alta plasticidad Fuente: Los autores 37 PRUEBAS MECÁNICAS Ángulo de fricción Tabla 8. Fricción Ángulo de Fricción (º) Profundidad (m) 0,5 22 1 1,5 33 2 2,5 32 3 3,5 88 4 4,5 22 5 5,5 37 6 6,5 48 7 7,5 47 8 8,5 49 9 9,5 23 10 38 10,5 60 11 11,5 65 12 12,5 34 13 13,5 44 14 Fuente: Los autores Ilustración 4. Ángulo de fricción El promedio obtenido del ángulo de fricción fue de 43° el cual de nos indica que es un suelo el cual tiende a ser de alta plasticidad. Lo cual permite una mejor resistencia al corte, en el momento de cambiar el contenido de humedad en el suelo. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Profundidad VS Ángulo de fricción 39 Resistencia al corte Tabla 9. Resistencia al corte Profundidad (m) Resistencia al corte (Kg/cm2) 1 2.02 2 2.2 3 2.068 4 1.69 5 2.3 6 2.2 7 2.2 8 1.33 9 3.3 10 1.2 11 2.23 12 2.65 13 1.56 14 0.68 Fuente: Los autores EL Promedio de resistencia al corte fue de 1,94 kg/cm2, los cual nos permite deducir que es un suelo cohesivo, estable a la hora de evaluarlo para creación de taludes, buena adherencia de sus partículas. Perfil Estratigráfico A partir de los datos obtenidos en la perforación se llega a la conclusión de este perfil estratigráfico el cual representa la presencia de diferentes tipos de materiales en el sondeo. 40 Tabla 10. Perfil estratigráfico Fuente: Los autores El perfil estratigráfico correspondiente a este sector es comprendido en sus primeros metros por materia orgánica, luego encontramos arena bien graduada con una alta presencia de limos con una media a baja plasticidad, seguido el color del suelo se torna gris, es una arena con presencia de material grueso, gravas, se tiene la presencia de finos de una alta plasticidad, ya en la profundidad de 12 metros se encontraron arcillas de alta plasticidad, a los 14 metros se encontró roca firme. Sondeo (M) Descripción Textura 0,5 Material orgánico 1 Arena bien graduada con presencia de limos de baja plasticidad 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 Arena mal graduada con presencia de gravas y finos de alta plasticidad 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10 10,5 11 11,5 12 12,5 Arcillas de alta plasticidad 13 13,5 41 8 CONCLUSIONES • Al realizar el perfil estratigráfico del suelo se encontró en sus primeros 5 metros, una arena mal graduada con alto porcentaje de finos con baja plasticidad, pero en medida que su profundidad aumenta igual lo hace su plasticidad, obteniendo en la parte profunda arena con finos muchos más plásticos, propicios para procesos constructivos debido a que sus propiedades son óptimas para la estabilización de taludes, a partir de una profundidad de 12 metros se comenzó a hallar arcillas de alta plasticidad en el terreno. • Es necesarios estudios de adecuación o mejoramiento del suelo, en los que se busque mejorar el material presente con inyecciones de compactación Grouting de suelo- cemento que incluyan arena limosa de un 25% a 30% en pesoy agua, con el fin de adecuarlo perfectamente para la construcción de edificaciones que, por lo general, de acuerdo con la zona, son de descripciones de apartamentos con el uso de viviendas. • Se observa un suelo cohesivo, propicio para ejercicios de estabilidad de taludes, con una resistencia al corte relativamente muy alto, con un promedio de 1.96 con una plasticidad alta como la que revelan los ensayos. • Presenta un promedio de 43,58° de ángulo de fricción lo cual es reflejo del alto contenido de partículas finas contenido en la muestra, Lo cual determina una mejor resistencia al corte por parte de las partículas de suelo cuando se presente una saturación mayor del suelo. • Se encontró el Nivel freático “NAF” a una profundidad de 10 metros lo cual comprometió los ensayos de corte directo arrojando resultados demasiado bajos en los últimos estratos. 42 • Al realizar los laboratorios de limite plástico se observó que el material presentaba un buen contenido de humedad debido a que el suelo tenía una consistencia que permitía una buena manejabilidad al realizar los rollos de tierra. Estos eran cordones de hasta 20 cm de longitud y no se quebraban, por lo que nos da a entender que es un suelo “muy plástico”. 43 9 RECOMENDACIONES • Seria pertinente que se realicen más estudios en la zona debido a la poca información que actualmente se encuentra, además por ser una de las zonas de mayor expansión en la ciudad en los últimos años, escoger de manera estratégicamente y concisa el número de sondeos y la ubicación de estos, para así poder abarcar una información más completa y de mayor ayuda para las investigaciones posteriores. • Se solicita que las autoridades certifiquen los estudios pertinentes antes de otorgar permisos de construcción en la zona. • Los resultados obtenidos en campo y laboratorio se deberían registrar en una base de datos para que sirva como guía de desarrollo en estudios futuros de la zona y que sean de acceso público para brindar información pertinente para futuras obras de infraestructura en la zona. • Al realizar las perforaciones y extraer las muestras se recomienda utilizar un recubrimiento de parafina en las muestras inalteradas para conservar su contenido de humedad y propiedades físicas y mecánicas, para unos resultados óptimos de laboratorio. • Se pide que al realizar los sondeos se hagan en temporadas con poca precipitación ya que el suelo estudiado es de un comportamiento hidráulico lento en su drenaje, ya que se encuentra con presencia de material fino. Esto podría alterar los resultados registrados de la zona con respecto al tiempo. • Realizar más sondeos y estudios de suelos en el municipio de Pereira que estén derivados de la línea de investigación de caracterización de la estratigrafía y análisis de las propiedades físico-mecánicas debido a que sería de gran utilidad para formalizar y tener un mapa de suelos del cual en futuros proyectos se puedan apoyar. 44 • Realizar laboratorios más detallados, como el ensayo triaxial y demás, para la obtención de más y mejores resultados que permitan una mejor descripción de las propiedades mecánicas del suelo, así como también la prueba de consolidación en cada estrato del suelo encontrado. 45 10 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Arellano, & Vásquez . (2011). Historia de la estratigrafía. México: Universidad Nacional Autonóma de México. Obtenido de http://usuarios.geofisica.unam.mx/gvazquez/yacimientosELIA/zonadesplegar/Clases/ Clase%2011%20Historia%20de%20la%20Estratigrafia.pdf Badillo, J. (1973). 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