ESTUDIO GEOTECNICO TANQUE DE AGUAS EL RECREO MUNICIPIO DE SOPETRAN

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1 ESTUDIO GEOTECNICO TANQUE DE AGUAS EL RECREO MUNICIPIO DE SOPETRAN Informe Elaborado por: LÓPEZ Ingeniero Geólogo M.P 1041 CPG MEDELLÍN, AGOSTO DE

2 1. INTRODUCCIÓN Los estudios iniciales que se ejecutan para el análisis de la factibilidad de proyectos civiles son aquellos relacionados con la determinación del componente geológico y geomorfológico; pues el primero de ellos está relacionado con el análisis del subsuelo (basamento rocoso) que servirá de emplazamiento a todas las obras proyectadas y el segundo de ellos relacionado con las unidades geomorfológicas que determinan las restricciones que se tendría en el territorio para su intervención con obras de urbanismo, pues como sistema el paisaje es el resultado de un conjunto de condiciones ambientales y procesos asociados; igualmente cada modelo de paisaje es diferenciable del adyacente y evidencia una estabilidad específica. Con el fin de conocer las condiciones de aptitud geotécnica del territorio y de los suelos para la construcción de un Tanque de aguas denominado Tanque El Recreo, zona urbana del municipio de Sopetran, se solicitó el presente estudio, en el cual se hace un análisis geológico-geotécnico basado en las observaciones de campo, en la información obtenida de la ejecución de tres (3) perforaciones realizadas en el área de emplazamiento de la estructura proyectada y en la interpretación de los resultados de ensayos SPT (standard penetration test). De acuerdo al esquema de ordenamiento territorial del municipio de Sopetran 2007, el predio se encuentra en zona de amenaza baja por inundación y por movimiento en masa. El informe contiene las conclusiones generales, las recomendaciones del manejo de suelo y del tipo de cimentación. 2

3 2. DESCRIPCION Y LOCALIZACIÓN DEL PROYECTO El proyecto consiste en la construcción de un tanque de agua en el que se debe garantizar que el comportamiento en la interacción suelo estructura este acorde con las cargas máximas que serán transmitidas a un estrato de suelo competente. El predio sobre el que se construirá el tanque se encuentra ubicado en la via de accesos a la cabecera municipal, que conduce al sector de cuatro esquinas, area urbana del municipio de Sopetran, coordenadas geográficas 6 29'51.30"N, 75 44'57.19"O, a una altura de 780 m sobre el nivel del mar, con sistema de referencia y origen Bogotá, medido con GPS GARMIN ETREX LEGEND, tal como puede observarse en la imagen 1 tomada del Google earth. Imagen 1. Ubicación del proyecto 3

4 Plano 1. Ubicación del tanque en círculo azul. Actualmente en dicha sitio, se ubica un lote de terreno de relieve plano, el cual estructuralmente se muestra estable, al igual que su entorno tal como puede observarse en las fotos 1 y 2. Foto 1. Interior del lote. 4

5 Los parámetros generados en el presente informe se fundamentan en el planteamiento de una estructura compuesta por un entramado rígido de vigas y columnas, unidas mediante nudos formando pórticos, los cuales se deberán disponer en las dos direcciones principales y ser diseñados adecuadamente para recibir y transmitir las cargas al suelo de apoyo. Las principales cargas a las que se verá sometida la estructura durante su vida útil son cargas verticales (cargas muertas) y horizontales permanentes debidas a los asentamientos posibles así como cargas laterales transitorias como vientos o sismos. Foto 2. Parte externa donde se ubica la vivienda del predio. 5

6 3. EXPLORACION DE CAMPO Esta se llevó a cabo mediante un reconocimiento geomorfológico por los alrededores de la zona en estudio para analizar las condiciones de estabilidad regional del predio objeto del proyecto y en la ejecución de tres (3) sondeos del terreno mediante perforación que llegaron hasta los 10.0 m de profundidad, realizada por el método SPT. Los sondeos mediante perforaciones se realizaron el día 26 de julio de 2013; en estos, no se detectó el nivel freático. Las perforaciones se realizaron en forma triangular, tal como se observa en la imagen 2. Imagen 2. Ubicación de las perforaciones. Las perforaciones tienen las siguientes coordenadas geográficas. Perforación Coordenadas X Y '57.03"O 6 29'51.40"N '57.20"O 6 29'51.51"N '57.02"O 6 29'51.68"N 6

7 3.1. METODOLOGÍA: La exploración de terreno suministra datos acerca de las condiciones del subsuelo del lugar, así como también proporciona muestras del suelo para inspección, clasificación y ensayos de resistencia y/o deformación. El programa de exploración del terreno incluye la inspección de mapas topográficos y la observación de fotografías aéreas (si las hay disponibles), la inspección del lugar para observar las características superficiales y las condiciones de las construcciones aledañas. A su vez, la perforación del subsuelo, suministrará información de primera mano para determinar la estratigrafía y obtener muestras de suelo para ensayos. Esta actividad además de la visita al lugar facilitará al ingeniero para determinar: 1. Origen y naturaleza de los depósitos 2. La profundidad, espesor y con ensayos, la composición de los diferentes estratos que componen el perfil del suelo. 3. La ubicación y variación del nivel de agua del subsuelo (nivel freático). 4. La cantidad de muestras de suelo necesarias para determinar su capacidad portante sobre los que se ubicará la infraestructura PERFORACIÓN: En todos los sondeos se debe efectuar un ensayo de penetración estándar (SPT = Standard Penetration Test), a intervalos de 0.75 a 1.5 m de profundidad (la barrena está en segmentos de 1.5 m). El ensayo de penetración estándar consiste en: 1. Barrenar hasta el nivel deseado bajo la superficie del terreno; desconectar la unidad de fuerza mientras la barrena previene el derrumbe de la perforación e instalar el dispositivo tabular llamado cuchara partida estándar. 2. Hincar la cuchara partida 150 mm para asentarla e hincar una distancia adicional de 305 mm. 3. Usar la masa de 63.5 kg con una altura de caída de m. 4. Anotación del número de golpes N requeridos. Obviamente si N es pequeño, el tubo penetra fácilmente en el suelo y, si es grande, el suelo es de mejor calidad. Se considera como rechazo un número de golpes superiores a los 25 a 30. Cuando se ha completado el ensayo, se retira la 7

8 cuchara partida con el suelo recogido durante el proceso, se destornillan los extremos, se separa el cilindro y se remueve la muestra TRABAJO DE CAMPO: Se realizó un reconocimiento general de los terrenos para determinar algún grado de inestabilidad presente o futura y de acuerdo a lo anterior determinar la estabilidad relativa del sitio. En el entorno al sitio donde será construido el tanque El Recreo en estudio, no se observan procesos erosivos, morfodinamicos o movimientos en masa que puedan afectar la estabilidad de la masa de suelo sobre la que se ubicara el proyecto, tal como la observada en la imagen 3. Imagen 3. Ubicación generalizada del lote en donde se construirá El tanque El Reqcreo. De los sondeos se levanta una columna estratigráfica con la descripción de los materiales detectados al avanzar la exploración, y del tipo de muestras tomadas. Se recuperaron muestras debidamente empacadas y referenciadas, que se trasladaron al laboratorio de Suelos y Suelos, donde se someterán a los ensayos pertinentes para la determinación de los parámetros geotécnicos básicos. Los 8

9 testigos de las muestras tomadas permanecerán en el laboratorio durante un mes a partir de la fecha de entrega del presente informe. Si durante este tiempo no se recibe instrucción alguna respecto al uso que a las muestras deba dárseles, se dispondrá de ellas de la manera más conveniente. En la foto 3, se observa el lote en donde no se observan procesos erosivos. Foto 3. Recorrido de campo para determinar algún grado de inestabilidad en el lote a intervenir. A continuación se muestran los estratos encontrados en las tres (3) perforaciones. 9

10 Prof. (m) 0,00 Figura 1. Columna estratigráfica encontrada (perforaciones 1, 2, y 3). Color Descripción Golpes/pie (SPT) 0,15 Limos orgánicos de color negro 2,00 Limo arcilloso variando a arenoso de color gris a café grisaceo 20 3,00 4, ,00 5,5 Arena limosa amarilla variando a roja morada o naranja con vetas blancas 30 6,5 7,5 8,00 9,00 10,00 Nivel freático: no se detectó Rechazo 10

11 3.4. DESCRIPCIÓN DE LAS PERFORACIONES: En los sondeos se aprecian tres (3) estratos bien definidos (foto 4), que a continuación se describen: El estrato superior tiene un espesor aproximado de 0.15 m, y corresponde a un material limo arcilloso de color negro, plástico y que conforma el sustrato orgánico de las plantas. El estrato yacente tiene un espesor aproximado de 2 a 2,5 m y va desde los 0.15 m hasta los 2-2,5 m de profundidad, corresponde a un material limo arcilloso de color grisaceo, que constituye la parte superior de la secuencia estratigráfica del miembro superior de la formación Amaga. Este estrato presenta una buena resistencia a la penetración, ya que a nivel de los 2 metros, llega a una resistencia de 20 golpes/30cms. El tercer estrato lo constituye una arena limosa a arcillosa de color amarillo que varía a naranja. Este estrato tiene un espesor de 8,0 m y va desde los 2.0-2,50 m hasta la profundidad perforada de acuerdo a la exploración realizada. Los ensayos de penetración estándar muestran un suelo que es homogéneo en el incremento en la resistencia a la penetración con respecto a la profundidad, presentando a partir de los 3,5m resistencias superiores a los 25 golpes/30cms. Por lo anterior, se constituye en el estrato de fundación. A continuación se presentan las características geomecánicas de este estrato apto para cimentar: Clasificación USC: SM Humedad Natural: Limite Liquido Limite Plástico Índice Plástico 0,2-4 Pasa la malla (<50) Numero de golpes en el ensayo de penetración estándar a 3,5 metros >25 11

12 Foto 4. Recuperación de suelo con el muestreador CAPACIDAD DE SOPORTE DEL LOTE A PARTIR DEL ENSAYO DE PENETRACIÓN ESTÁNDAR SPT EJECUTADO: El valor normalizado de penetración N para 12" (1 pie» 30cm), se expresa en golpes/pie y es la suma de los dos últimos valores registrados. El ensayo se dice que muestra "rechazo" si: (a) N es mayor de 50 golpes/15cm, (b) N es igual a 100 golpes/pie o (c) No hay avance luego de 10 golpes. Este ensayo debe correlacionarse con un ensayo bajo condiciones de energía y eficiencia estándar. Además para propósitos de diseño geotécnico se debe corregir por efecto de la presión de confinamiento. Para tener en cuenta todos estos factores se aplicó la siguiente fórmula de corrección (Bowles J. E, Principles of Foundation Engineering, 4th edition McGraw Hill, 1988) al número de golpes N medido en el terreno: N 60 = Cn n1 n2 n3 n4 N Esto da el valor estándar corregido para una energía de regencia del 60%. Los diferentes factores son: 12

13 Cn = Factor por sobrecarga n1 = 1 (Corrección por energía del ensayo) n2 = 0.75 (Corrección por longitud de la varilla L = 1.5) n3 = 1 = Corrección por eficiencia del equipo utilizado n4 = 1 = Corrección por diámetro del equipo utilizado De acuerdo a lo anterior, se tiene para los tres (3) sondeos ejecutados Datos corregidos de N en el SPT DATOS CORREGIDOS DE PENETRACIÓN (Energía del 60%) SONDEO 1 Longitud del tramos de varillaje (m) 1.5 Diámetro de perforación (mm) 65 NF (m) no Profundidades (m) Ncampo ' (t/m 2 ) C N (N 1 ) 60 De A

14 SONDEO 2 NF (m) no Profundidades (m) De A Ncampo ' (t/m 2 ) C N (N 2 ) SONDEO 3 NF (m) no Profundidades (m) De A Ncampo ' (t/m 2 ) C N (N 3 )

15 Profundidad (m) LQ En la figura 2, se observa cómo se incrementa el número de golpes N en el ensayo de penetración estándar (SPT), por encima de 25 con respecto a la profundidad, a partir de los 3.5 metros en los tres (3) sondeos. N (SPT) P1 P2 P3 Figura 2. Numero de golpes con respecto a la profundidad 15

16 Determinación de la Resistencia En Ton/M 2 Carga Admisible Para Las Arenas En las arenas secas, la carga admisible en función del número de golpes N del Standard Penetration Test se da como se muestra en la figura siguiente Carga Admisible Para Arcillas Y Suelos Cohesivos Con una correlación bastante satisfactoria, se puede relacionar la resistencia a la compresión simple con el número de golpes N del Standard Penetration Test, mediante la fórmula: σ = 1.33 N en ton/m 2 A dicho valor, se aplica un factor de seguridad de 1.8. Como los suelos recuperados en las perforaciones corresponden a suelos SM (arenas limosas), se calcula el valor de la resistencia para suelos cohesivos que se exponen en las tablas 1, 2 y 3. 16

17 Tabla 1. Carga admisible en perforación 1. P1 PROF. (m) N Ncorregido σ (ton/m 2 ) FS σ (ton/m 2 ) Tabla 2. Carga admisible en perforación 2. P2 PROF. (m) N Ncorregido σ (ton/m 2 ) FS σ (ton/m 2 )

18 P3 Tabla 3. Carga admisible en perforación 3. PROF. (m) N Ncorregido σ (ton/m 2 ) FS σ (ton/m 2 ) TRABAJO DE LABORATORIO: De acuerdo con la magnitud del proyecto y de las características estratigráficas encontradas se consideró suficiente para los efectos del diseño de las cimentaciones ejecutar los siguientes ensayos: Item Cantidad Sondeos 3 Humedad natural 3 Límites líquidos 3 Límites plásticos 3 Granulometría por tamizado 3 Clasificación 3 Los resultados del laboratorio se reflejan en la tabla 4. 18

19 # PEFORACIÓN No MUESTRA PROF m Tabla 4: Resultados De Laboratorio CONTENIDO DE HUMEDAD (%) LÍMITE LÍQUIDO % INDICE PLÁSTICO % LIMITE PLASTICO Pasa malla 200 CLASIF. U.S.C a SM ,5 A 8, SM ,5 A 9, SM Para los anteriores resultados, se observa un estrato de arenas limosas SM en las perforaciones 1, 2, y 3 que llega hasta los 10 metros de profundidad y continúan, constituidos por LOS ESTRATOS SEDIMENTARIOS DEL MIEMBRO SUPERIOR DE LA FORMACION AMAGA, descrito en el aparte de geología. No se prevé aguas subterráneas o freáticas, pues durante las labores de perforación no se detectaron, pero si durante las labores de excavación se presentara fluencia de aguas, serán necesarios los bombeos y sostenimiento de las paredes mediante entibado y/o encofrado. 19

20 4. CARACTERISTICAS GEOMORFOLOGICAS Y GEOTECNICAS. Este sector se ubica sobre sedimentos terciarios de la formación Amaga miembro Superior, constituidos por capas gruesas de areniscas de color crema, y lodolitas, pueden encontrarse localmente conglomerados y lentes de carbón. Estos materiales por su conformación estructural y textural se encuentran muy sueltos y son fáciles de desprender. En este tramo, la geomorfología es ondulada conformada en colinas bajas desarrolladas sobre rocas terciarias de la formación Amaga. Para la conformación de Los materiales sedimentarios del miembro superior de la formación amaga y su estado de sequedad, se espera durante labores de excavación, desconfinamiento por si mismo del material que constituirá las paredes por lo que estas deberán ser apuntaladas. No se espera encontrar niveles freáticos durante las excavaciones. Imagen 4. Mapa Geológico Generalizado del Municipio de Sopetran. 20

21 Con respecto a las características geotécnicas, del recorrido de campo efectuado en el entorno al predio, no se observan eventos morfodinamicos ni erosión o revenimiento de tierras, que puedan comprometer la estabilidad de la estructura a construir. Los suelos a nivel superficial se muestran estables y no se evidencian cicatrices que evidencien eventos anteriores. Por las características planas del predio no se esperan desconfinamientos laterales ni subsidencias. De acuerdo al mapa de zonificación de amenazas y riesgos del suelo urbano del esquema de ordenamiento territorial del municipio de Sopetran, de Enero de 2007, el área en donde se construirá el tanque se ubica en zona de amenaza baja por inundación y movimiento en masa. 21

22 5. ALTERNATIVA DE CIMENTACION EN PILAS. Se determinó, teniendo en cuenta el tipo de materiales que se encontraron en la exploración geotécnica y las cargas de la estructura proyectada, que estas deberán trasmitirse mediante cimentaciones profundas, dado que en la zona se encontraron dos estratos sedimentarios en contacto neto a una profundidad entre 2,0 a 2,5 metros, que deben ser superados para asentar la estructura en el estrato de arenas limosas a una profundidad de 3,5 metros, es decir 1,0 metro por debajo de la superficie de contacto. Por lo anterior se optó entonces por recomendar como cimentación pilas cortas preexcavadas apoyadas en los suelos areno limosos SM de color amarillo variando a rojo, morado o naranja con profundidades superiores a los 3 metros. 22

23 6. CALCULO DE CAPACIDAD DE CARGA Para el cálculo de la capacidad de carga de la alternativa de cimentación seleccionada, se utilizaron metodologías que tienen en cuenta los parámetros obtenidos del numeral 3.6. Se calculó la capacidad de carga bajo la hipótesis de que los materiales sobre los que se trasmitirán las cargas trabajarán en esfuerzos efectivos. Para los diferentes análisis se consideraron pilas de cimentación con longitud variables, con diámetro en el fuste de 1 metros. El modelo de cálculo a utilizar para la determinación de la carga ultima y admisible es el propuesto por Burland (1973) por el método Beta (esfuerzos efectivos) capacidad para cimentaciones profundas. Q SU =F SU *W *L q p = N q * γ v ' Q P =q p *Ab Donde: Q SU = Resistencia por fricción. Q p = Capacidad ultima de carga en la base. F SU = Resistencia unitaria por fricción. W = Perímetro del fuste. L = Longitud Ab = Área de la base. N q = Factor N q relacionado con ø (fricción del suelo). γ V '= Esfuerzo vertical efectivo. 23

24 q p = Resistencia unitaria de la punta. Para efectos de calcular la capacidad de carga de las cimentaciones antes descritas se programaron las ecuaciones mencionadas anteriormente y se obtuvieron los resultados presentados en las tabla 5.. La estimación de asentamientos para las fundaciones proyectadas, se calcula de la siguiente manera: El asentamiento total está dado por: S = S1 + S2 +S3 Donde S = Asentamiento total del pilote S1 = asentamiento elástico del pilote S2 = Asentamiento causado por la carga en la punta S3 = Asentamiento causado por la carga trasmitida a lo largo del fuste. Para los diferentes cálculos se utilizaron los siguientes parámetros: D= diámetro del pilote Es= módulo de elasticidad del pilote y del suelo P= perímetro del pilote L = longitud del pilote U= relación de Poisson Establecidas las diferentes fórmulas para el cálculo de los asentamientos se obtuvieron los resultados dados en la tabla 6 para la totalidad del lote. En la tabla 7, se determina la carga lateral a partir de los suelos presentes en el lote a construir. Cabe anotar que las longitudes de las pilas se han estimado desde la superficie del terreno natural. 24

25 Tabla 5. Calculo de la capacidad de carga para pila preexcavada de diámetro fuste de 1 m. y diámetro base de 1 m en el lote a construir, donde se realizaron las perforaciones 1, 2, y 3 referenciadas en el presente estudio. prof N sin corrg Nspt σv u σv' fi K Tan δ Nq fsu Qsu Qsa qpu qpa Qpu Qpa Dif peso pila Qa m kn/m3 kpa kpa kpa (º) tan 2 (45-φ/2) kpa kn kn kpa kpa kn kn KN kn

26 Las pilas tendrán una longitud mínima de 3,5 m y deberán cumplir las siguientes dimensiones, dadas en la figura 3. Viga cabezal D m ín = 1 m B > 1.2 L m ín = 3.5 m = 60 Talud: 1 horizontal 2 vertical D L B Solado = 30 cm f c = 140 kgf/cm 2 Figura 3. Pila de cimentación La presión de contacto máximo que se le podrá transmitir al estrato portante para la pila es de 710 Kpa, a una profundidad de desplante de 3.5 m, con un diámetro de la pila de un 1.0 m. Esta alternativa debe ser revisada por el ingeniero estructural. 26

27 Tabla 6. Calculo de asentamientos, en el predio. Prof. S 1 S 2 S 3 m mm mm mm total mm Tabla 7. Carga lateral, para excavaciones en el predio. Ks (KN/m3) Prof. Horizontal Ks m (KN/m 3 ) Ks

28 7. RECOMENDACIONES 7.1. Cimentación. El estrato de cimentación de acuerdo a los ensayos SPT tiene una resistencia de 30 golpes/30 cms, a una profundidad de desplante de 3.0 m (a partir del nivel de terreno), por lo cual se recomienda emplear un sistema de cimentaciones consistentes en pilas aisladas que transforman la carga en presiones de contacto a través de toda el área de su base Profundidad de desplante y suelo de cimentación. La estructura de cimentación podrá desplantarse a una profundidad mayor de 3.5 metros por debajo del nivel de terreno, en el estrato de arenas limosas de color amarillo (SM), de acuerdo a verificación previa del ingeniero calculista Capacidad de soporte. El estrato de cimentación recomendado se localiza a partir de una profundidad de 2,0 a 2,5 m, pero solo a partir de los 3,5 metros se podrá definir el emplazar la cimentación propuesta, de acuerdo a las solicitudes de carga de la estructura propuesta Vigas de amarre de cimentación. Todos los elementos estructurales deben interconectarse. La conexión y los elementos conectores deben ser capaces de transmitir las fuerzas sísmicas inducidas por las partes que conectan; Como parte del sistema de fundación se deben diseñar y construir vigas de amarre de piso formando anillos rectangulares continuos en toda la planta de la estructura y que cumplan como mínimo lo estipulado en el capitulo A AMARRES Y CONTINUIDAD de la NSR-10 (Norma Sismo Resistente 2010, Decreto 926 de 2010 y Ley 400 de 1997). 28

29 7.5. Perfil de suelo. Para considerar los efectos locales de la respuesta sísmica de la edificación, se considera el tipo de perfil de suelo como un D de acuerdo a la clasificación dada en la sección A de la NSR-10. Perfil de suelo rígido que cumple con la condición 50 >N > 15. Donde N= número medio de golpes del ensayo de penetración estándar realizado de acuerdo a la norma ASTM D1586 haciendo corrección por energía N60 Para el municipio de Sopetran en zona de amenaza sísmica intermedia, la aceleración pico efectiva para diseño es Aa = 0.15 y Av = 0.20 Coeficiente Fa de períodos cortos del espectro El valor de Fa para períodos cortos del espectro (tabla A.2.4-3) es: 1.5. Coeficiente Fv de períodos intermedios del espectro El valor de Fv para períodos intermedios del espectro (tabla A.2.4-4) es: Excavaciones: Se debe tener especialmente cuidado en este punto, debido a el estado de sequedad de los materiales lo que puede ocasionar durante las labores de excavación de las pilas derrumbes de las paredes. Se recomienda previo a la excavación, la realización de muros o estructuras de contención, para evitar desplazamiento de suelos. Las excavaciones que se requieran para adecuar el proyecto se podrán realizar con medios mecánicos; estas deberán permanecer el menor tiempo posible expuestas a la acción de las aguas lluvias o escorrentía superficial Actas de Vecindad. Antes de iniciar las excavaciones se deben elaborar actas de vecindad para determinar las condiciones estructurales de las edificaciones adyacentes y prevenir futuras afectaciones con las excavaciones requeridas. 29

30 8. LIMITACIONES Las conclusiones y recomendaciones consignadas en el presente informe se basan en los resultados de las investigaciones de campo y oficina que se describen en los capítulos pertinentes y en la experiencia de los profesionales que participaron en el estudio. Si durante las etapas de diseño y construcción se encuentran condiciones del subsuelo diferentes a las descritas como típicas en este informe estaremos atentos a colaborar con el análisis y la nueva recomendación que se considere pertinente. Informe elaborado por: LUIS F. QUINTERO LOPEZ Ingeniero Geólogo MP 1041 del CPG 30

31 ANEXO 1. RESULTADOS DE LABORATORIO 31