IMNSA INGENIEROS CONSULTORES S.A.

Transcripción

1 MINISTERIO DE AGRICULTURA Y GANADERÍA CONTRATACIÓN DE EMPRESA PARA REALIZAR EL DISEÑO FINAL Y PLIEGO DE TRES PUENTES (QUIEBRA CAÑO, PADRE JOSÉ Y MATA LIMÓN) EN LA CARRETERA QUE CONDUCE A GANDOCA EN EL CANTÓN DE TALAMANCA SITIO PADRE JOSÉ DICIEMBRE, 2012 Informe preparado por: IMNSA IMNSA

2 Índice de Contenido I. INTRODUCCIÓN II.- TRABAJO REALIZADO II.1 Visita al Sitio II.2 Trabajo de Campo II.2.1 Perforación III.- RESULTADOS GEOTÉCNICOS OBTENIDOS III.1 Geología del sitio III.2 Perfil del Subsuelo III.3 Nivel Freático III.4 Características Geotécnicas IV.- EVALUACIÓN DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES GEOTÉCNICAS IV.1 Coeficiente Sísmico IV.2 Licuación bajo sismo IV.3 Capacidad de Soporte IV.4 Asentamientos IV.5 Excavaciones IV.6 Estabilidad de Taludes IV.7 Coeficientes de diseño VI.- RESUMEN DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES TÉCNICAS VII. DISCUSIÓN SOBRE LOS GRADOS DE INCERTIDUMBRE Y ALCANCE DEL ESTUDIO VIII. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXOS A. Perfil de Perforación. B. Localización de los sondeos. C. Perfil de la Estratigrafía D. Estudio Geofísico ii

3 San José, 21 de diciembre de Señores Unidad Coordinadora del Programa de Desarrollo Sostenible de la Cuenca Binacional del Río Sixaola Ministerio de Agricultura y Ganadería Presente IM Estimados señores: Con base en nuestra oferta de servicios, presentamos los estudios preliminares para el diseño del puente en el sitio Padre José, ubicado en Sixaola, Talamanca de Limón. En este informe se describe la investigación efectuada en el campo y en el laboratorio, lo que permitió obtener la información básica para dar las recomendaciones que desde el punto de vista geotécnico, deberán considerarse en los diseños y construcción de este proyecto. En espera de continuar colaborando con ustedes en el desarrollo de sus proyectos y quedando a sus órdenes para cualquier consulta; Atentamente, Ing. Carlos Méndez Navas Presidente Ing. Berny Quirós Vargas Dpto. Geotecnia y Materiales cc. Archivo 1

4 I. INTRODUCCIÓN De acuerdo a los términos de referencia de la contratación SP Nº , IMNSA Ingenieros Consultores S.A, procedió con la realización del siguiente estudio. Ubicación del Proyecto Figura #1.1: Ubicación del Proyecto *Tomado de la hoja cartográfica Sixaola, Escala 1:50000 Situado en: Mata de Limón Distrito: Sixaola Cantón: Talamanca Provincia: Limón El objetivo del estudio fue definir las características geotécnicas de los suelos existentes en el sector seleccionado, para con esto determinar el nivel de cimentación recomendado para apoyar la futura edificación y brindar recomendaciones acerca de los taludes existentes. Adicionalmente en este reporte presenta los resultados de la investigación y análisis geotécnico efectuado, para con ello establecer un modelo geotécnico que describa las condiciones del terreno, llevar a cabo el análisis y establecer recomendaciones de la capacidad de soporte del suelo y diseño de cimentaciones 2

5 Sitio de Puente Figura #1.2: Ubicación del Proyecto *Tomado de Google Earth 3

6 II.- TRABAJO REALIZADO II.1 Visita al Sitio. Se procedió a realizar una visita al sitio por parte de personeros de IMNSA para observar las condiciones geotécnicas del sitio, como se muestra en las siguientes fotografías. Fotografía #2.1: Vista general de sitio de puente. Fotografía #2.2: Vista general del cauce. 4

7 II.2 Trabajo de Campo. II.2.1 Perforación Se efectuaron dos sondeos de 18.0 metros de profundidad cada uno. Todos los sondeos se intentaron iniciar bajo la metodología del ensayo SPT (Standard Penetration Test), ASTM D-1586, sin embargo la consistencia del terreno no permitió avanzar bajo éste método por lo que desde el inicio de la perforación se avanzó con la metodología de perforación a rotación con broca de diamante. (ASTM D-2113) en diámetro BQ. El esquema del método de perforación se presenta en la siguiente figura: Torre de tubo de tres patas Guinche Manguera de alimentación Cabezal giratorio Motor Bomba Reservorio de lodo Tuberia de revestimiento Barrena Cilíndro de Núcleo Núcleo Figura #2.1: Esquema de la Prueba de Perforación. El uso del método de rotación implica un problema en cuanto a la interpretación del perfil del subsuelo y sus características ya que el agua de circulación empleada lava los materiales finos, no pudiéndose detectar capas o lentes arenosos o arcillosos y sobre todo sus características físico mecánicas indispensables para el análisis de una cimentación. Sin embargo a través de los sondeos es posible determinar los porcentajes de recuperación que indican la cantidad relativa de bloques con respecto a la fracción de arena, así como los tamaños y características de éstos. Debido a las limitaciones que conlleva la investigación con perforaciones, ésta se complementó usando métodos indirectos o geofísicos, específicamente sísmica de refracción. Este método permite determinar con bastante precisión la geometría del subsuelo y sus características elásticas. 5

8 Las profundidades alcanzadas en cada sondeo exploratorio se presentan en la siguiente tabla y su ubicación puede observarse en el anexo D. SONDEO T-1 T-2 LOCALIZACIÓN Magen Derecho Margen Izquierdo PROFUNDIDAD (m). 18,00 18,00 Tabla #2.1: Total de sondeos exploratorios realizados y su profundidad respectiva. El objetivo de estos sondeos fue el de extraer muestras para describir el perfil del suelo en profundidad. Asimismo, estas muestras fueron enviadas al laboratorio para la ejecución de ensayos de caracterización física y mecánica. A las muestras de roca obtenidas, se les determinó: % Rec: Porcentaje de recuperación. % RDQ: Rock Quality Designation Todos los ensayos se realizaron de acuerdo a las normas internacionales vigentes a la fecha, ASTM y AASHTO. El estudio de suelos fue ejecutado de acuerdo con principios y prácticas de ingeniería aceptados actualmente, siguiendo las indicaciones del Código de Cimentaciones de Costa Rica. 6

9 III.- RESULTADOS GEOTECNICOS OBTENIDOS. III.1- Geología regional del sitio. La geología regional del área de estudio no es muy variada, y está compuesta principalmente por depósitos recientes, sin embargo en algunos sectores afloran rocas de la Formación Río Banano. En el mapa geológico Regional se presenta la distribución de las unidades geológicas que conforman esta región. Formación Río Banano Corresponde con areniscas, lutitas, y conglomerados, con un espesor mínimo de 200 m en la región de Turrialba y Siquirres (Fernández, 1987). Los sedimentos de esta formación fueron depositados sobre las rocas de la Formación Uscari, en un ambiente marino somero (en estuarios, deltas, llanuras de marea y abanicos deltaicos) durante el Mioceno Superior Plioceno (Bottazzi et al., 1994). Depósitos Recientes Consisten en depósitos aluviales y marinos, los cuales han sido depositados en las llanuras de inundación fluviomarinas, su composición es muy variada, pues corresponden a los detritos producto de la erosión de las formaciones rocosas mas antiguas. Estos depositos han dado origen a la formacion de llanuras con topografía muy plana, lo cual permita una amplia distribución de las redes de drenaje en la zona. 7

10 Figura #2.1: Mapa Geológico Regional. 8

11 III.2 - Perfil del Subsuelo 1. Perforación T-1. Margen derecho Capa 1: De 0,00 m a 1,50 m: Arcilla limosa gris verduzco. Clasificación SUCS: CH Nspt: de 5 a 7 Plasticidad alta Consistencia: medianamente compacta Porcentaje de humedad (%W): entre 40 y 56 LL: 55 IP: 28 γ (ton/m 3 ): 1,15 e: 1,19 GS: 2,31 Porcentaje de saturación (%S): 100 Capa 2: De 1,50 a 3,50 Limo arcilloso café claro con vetas gris claro. Clasificación SUCS: MH Nspt: de 3 a 9 Plasticidad alta Consistencia: de blanda a compacta Porcentaje de humedad (%W): entre 50 a 59 LL: 65 IP: 30 γ (ton/m 3 ): 1,70 e: entre 1,29 y 1,37 GS: entre 2,51 y 2,59 Cohesion (kg/cm 2 ): entre 0,12 y 0,14 Porcentaje de saturación (%S): En las hojas de perforación que se adjuntan en el anexo A Perfil de Perforación se indican las diferentes características físicas mecánicas de los suelos encontrados. 9

12 Capa 3: De 3,50 m a 10,50 m Capa 4: De 10,50 m a 12,70 m. Arcilla limosa gris verduzco. Clasificación SUCS: CL Nspt: de 4 a Rebote de mazo Plasticidad de media a alta Consistencia: de blanda a dura Porcentaje de humedad (%W): entre 31 y 57 LL: IP: γ (ton/m 3 ): de 1,80 a 1,96 e: 0,82 a 1,20 GS: de 2,20 a 2,54 Cohesion (kg/cm 2 ): 0,05 Porcentaje de saturación (%S): 100 Arcillolita gris-café claro con intercalaciones de arenisca gris claro Capa 5: De 12,70 m a 18,00 m Profundidad De Hasta % Rec. %RQD 10,50 12, Aluvión con bloques de tamaño inferior a 10 cm Profundidad De Hasta % Rec. %RQD 12,70 14, ,20 16, ,75 18,

13 Perforación T-2. Margen izquierdo Capa 1: De 0,00 m a 3,00 m: Arcilla limosa café claro con vetas gris claro. Clasificación SUCS: CH Nspt: de 3 a 6 Plasticidad alta Consistencia: de blanda a medianamente compacta Porcentaje de humedad (%W): entre 46 y 57 LL: 68 IP: 37 γ (ton/m 3 ): 1,75 e: 1,17 GS: 2,53 Porcentaje de saturación (%S): 100 Capa 2: De 3,00 m a 10,00 m Capa 3: De 10,00 m a 18,00 m. Arcilla limosa gris verduzco. Clasificación SUCS: CL Nspt: de 3 a RM Plasticidad: de media a alta. Porcentaje de humedad (%W): de 43 a 51 Consistencia: de blanda a dura LL: IP:11-22 γ (ton/m 3 ): de1,71 a 2,00 e: 0,71 a 1,24 GS: 2,24 a 2,67 Porcentaje de saturación (%S): 100 Depositos aluviales de matriz arcillosa color café con bloques de lavas andesíticas Profundidad De Hasta % Rec. %RQD 10,00 11, ,15 12, ,65 14, ,70 18,

14 III.2- Nivel Freático. Las condiciones freáticas de cada perforación se muestran en la siguiente tabla: ND: No se detectó. SONDEO T-1 T-2 PROFUNDIDAD NIVEL FREATICO. 3,50 3,00 N.D = No se Detecto. Tabla #3.1: Profundidad en la cual se encontró el nivel freático. 12

15 III.4- Caracterización Geotécnica A continuación se detalla las capas descritas en el perfil de suelo anterior, con el fin de que se pueda apreciar fácilmente la disposición de las mismas. Muestra Profundidad (m) Perforación T-1 T-2 Valor Valor N De Hasta N spt N spt 1 0,0 0, ,5 1, ,0 1, ,5 2, ,0 2, ,5 3, ,0 3, ,5 4, ,0 4, ,5 5, ,0 5, ,5 6, ,0 6, Simbología Limo Arcilloso. SUCS: MH 14 6,5 7, ,0 7, ,5 8, Arcilla Limosa. SUCS: CH 17 8,0 8, ,5 9, ,0 9, Arcilla limosa. SUCS: CL 20 9,5 10,0 23 RM 21 10,0 10,5 RM 22 10,5 11, ,0 11, ,5 12, ,0 12, ,5 13, ,0 13, ,5 14, ,0 14, ,5 15, ,0 15, ,5 16, ,0 16, ,5 17, ,0 17, ,5 18,0 Rotación Rotación Rotación Arcillolita Aluvión Tabla #3.2: Disposición de las capas y número de golpes N spt 13

16 IV.- EVALUACIÓN DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES GEOTÉCNICAS. En este apartado se describen los diferentes análisis realizados tales como: sistema de cimentación, nivel de desplante, capacidad de soporte admisible, asentamientos y otros asuntos asociados con el diseño y construcción de las obras de cimentación. IV.1- Coeficiente Sísmico Para determinar el coeficiente sísmico a utilizar en el diseño de las estructuras por construir y de acuerdo al Capítulo 2 (secciones 2.1 y 2.2) y al Capítulo 5, del Código Sísmico de Costa Rica 2010, el proyecto se ubica en la zona sísmica III y los suelos se clasifican Tipo S 3, por lo que se deberá utilizar para el factor espectral dinámico (FED) la figura 5.7 de dicho código. El valor de aceleración pico efectiva de diseño para un periodo de retorno de 500 años para la zona en estudio es a ef = Figura #4.1: Factor espectral dinámico, FED para sitios Tipo S 3 en Zona III 2. 2 Tomado del Código Sísmico de Costa Rica

17 IV.2- Licuación por Sismos Este fenómeno tiene un efecto en el suelo que hace que éste pierda la resistencia al corte y se comporte como un fluido viscoso. Esto se da debido a alguna carga sísmica que se transmite al suelo y éste debido a ciertas características presenta un aumento en la presión de los poros, que implica una disminución en el esfuerzo efectivo. Si un depósito de suelo no cohesivo es sometido a una carga repentina en condiciones no drenadas, éste tiende a densificarse causando que la presión de poros aumente y el esfuerzo efectivo disminuya como se observa en la ecuación 1, esto porque el esfuerzo total es constante. Ecuación 1 La licuefacción o licuación es un fenómeno en el cual la resistencia y la rigidez de un suelo es reducida por las ondas sísmicas, causando asentamientos y rompimientos del suelo así como grandes corrimientos laterales. Principios básicos para que se produzca el fenómeno de licuación Presencia de un sismo Suelo sin cohesión Baja permeabilidad Consistencia suelta Medio saturado Mala graduación del suelo En el caso específico del puente del sitio Padre José, se descarta el fenómeno de licuación, ya que para que exista lo posibilidad de ocurrencia del fenómeno se requiere de un suelo de consistencia suelta, no cohesivo, y en ambas perforaciones se detectaron materiales cohesivos en los niveles de desplante recomendados 20

18 IV.3- Capacidad de Soporte. En este apartado se describen los diferentes análisis realizados tales como: sistema de cimentación, nivel de desplante, capacidad de soporte admisible, asentamientos y otros asuntos asociados con el diseño y construcción de las obras de cimentación. IV.3.1- Capacidad de soporte admisible del subsuelo Desde el punto de vista de capacidad soportante y asentamientos, no se recomienda la utilización de cimentaciones convencionales tipo placas aisladas o cimientos corridos, por el contrario se recomienda la utilización de cimentaciones profundas, tipo pilotes. Criterio de Diseño. Como solución de cimentación se recomienda la utilización de placas aisladas o cimientos corridos apoyados sobre pilotes de concreto preexcavados, así como se muestra en la siguiente figura. Nivel del terreno 1.50m Placas aisladas o cimientos corridos Pilotes de concreto Pre escavados 15.00m Ø a seleccionar de 0.30 a 1.00m Figura #5.1: Diagrama de la cimentación propuesta. 21

19 En el caso del análisis de los pilotes la capacidad de carga total estará desarrollada por la resistencia de fricción que se genere. La capacidad por fricción para suelos cohesivos se estima con base en la siguiente ecuación propuesta en el Código Cimentaciones de Costa Rica. Q fricc = C A A Ecuación #1 f Donde: Q fricc : C A : A f : Capacidad de carga por fricción. Adherencia suelo-pilote. Área del fuste En el caso de los pilotes preexcavados y colados en sitio, la adherencia se deberá calcular a partir de la siguiente expresión: C = α A C u En donde: α Ecuación #2 α α α ψ = Ecuación #3 Donde: C A : Adherencia suelo - pilote. α: α 1 =0.65 (pilote redondo) α 2, α 3 = ( ), donde L es la longitud del pilote en metros. L Ψ: Valor recomendado para tipo de excavación de 0.85 para este caso en particular. La capacidad admisible por pilote se estimó según se muestra en la ecuación #4. Q Adm Qfricc = FS. Ecuación #4 *Factor de seguridad, FS = 3 Los resultados de capacidad para pilotes con una longitud de 15.0 metros se muestran en la siguiente tabla: 22

20 Diámetro (m) Qadm (ton) 0,3 9,53 0,7 22,24 0,8 25, ,78 Tabla #5.1. Capacidad de soporte para pilotes de 15,0 metros de profundidad. Los valores de adherencia únicamente podrán ser modificados por el diseñador si cuenta con información adicional que respalden los nuevos valores (pruebas de carga, ensayos especiales de laboratorio o campo, cono eléctrico, etc). No se recomienda el uso de bentonita durante el proceso de la perforación debido a la reducción significativa que produce en los valores de adherencia. IV.4- Asentamientos En los estratos rocosos de ambas márgenes no se espera que existan asentamientos debido a que según la propuesta de carga de los bastiones del puente, la carga de diseño está muy por debajo de la capacidad de soporte recomendada al nivel de desplante recomendado. Además deberá realizarse una cuidadosa limpieza del fondo del agujero, eliminando totalmente los sedimentos del fondo. Se advierte que una limpieza inadecuada puede producir asentamientos importantes causados por la compresión de sedimentos. 23

21 IV.5- Excavaciones Considerando que se proyectan excavaciones medianamente profundas para la construcción de los bastiones se realizan las siguientes observaciones: Uno de los problemas más difíciles de manejar es la posible filtración de agua a la excavación, debido a la alta permeabilidad de los aluviones. Se deberán emplear técnicas de protección a las paredes de la excavación en la parte de aluvión, ya que el material presente puede desprenderse fácilmente y caer al fondo de la excavación. El coeficiente de permeabilidad se estima que para aluviones se encuentre en el orden de 0.1 y 0.01 cm/s. La excavación en roca se debe realizar con voladura. Debido al alto fracturamiento de debe de revisar la estabilidad de los bloques de las paredes a efectos de prevenir su caída. IV.6- Estabilidad de Taludes En aquellos movimientos del terreno que generen taludes de pendientes fuertes, en suelos cercanos a la zona de ubicación del puente, se recomienda confinarlos por medio de muros de retención. Se recomienda además que si se realiza algún corte, éste se proteja con algún geosintético o con algún tipo de vegetación. 24

22 IV.7- Coeficientes de diseño Rellenos: Si se requiere la utilización de rellenos, estos deberán ser de lastre compactado al 95% del Proctor modificado con un ángulo de fricción de 30 a 35 grados y un peso unitario de 1.8 a 2.2 ton/m 3. k a = 0.33, k p = 2.99 Al momento de ser colocados deberá de llevarse un estricto control de compactación para lograr la humedad óptima que permita lograr el peso volumétrico máximo y la compactación deseada. Empuje Lateral: En caso de colocar estructuras de contención se recomienda colocar un relleno de lastre compactado con un espesor que abarque cuando menos la cuña de Rankine, entre el muro y el terreno existente, esto con el objetivo de disminuir los esfuerzos sobre la estructura de contención. Para dicho lastre se presentan los coeficientes de presión activa y pasiva para los diseño de las obras de retención. φ = 20 k a = k p = Coeficiente de Fricción Suelo-Placa Según correlaciones utilizadas, el coeficiente de fricción suelo-placa se puede estimar en tan (2/3 tan φ), por lo tanto sería de 0,24 25

23 VI.- RESUMEN DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES TÉCNICAS La investigación efectuada permitió determinar el perfil del subsuelo en el área de interés y elaborar las conclusiones y recomendaciones que se presenta en este informe. Se realizaron dos perforaciones con una profundidad de 18,0 metros cada una tal y como se indica en el capítulo II. El depósito de suelo estudiado está constituido básicamente por una primer capa de arcillas subyacido de depósito de aluvión. De acuerdo con las observaciones efectuadas el manto freático fue detectado a 3,0 y 3,5 metros de la profundidad máxima explorada Se recomienda realizar las fundaciones de las obras civiles sobre los depósitos aluviales según los niveles de desplante recomendados. Desde el punto de vista de capacidad soportante y asentamientos, no es posible la utilización de placas aisladas, sino cimentaciones profundas tipo pilotes preexcavados. En el caso específico de los pilotes preexcavados, durante la etapa constructiva no se recomienda el uso de lodos bentoniticos durante el proceso de excavación debido a la reducción significativa en la adherencia que provocan. De igual manera se deberá realizar una adecuada limpieza del fondo de la excavación con la finalidad de evitar importantes asentamientos causados por compresión de sedimentos. Debido a la presencia de partículas de finos en las lavas en el estrato perforado se descarta que se presente el fenómeno de licuefacción en el sitio. Para este caso en particular por tratarse de dos perforaciones en los bastiones, el resultado y recomendaciones, no puede ser generalizado a una pila en el cauce, en caso de requerirse, se recomienda ampliar el estudio realizando perforaciones adicionales. Si durante la ejecución de la etapa constructiva se encuentra alguna variación de las condiciones esquematizadas en este reporte, o si se implementan cambios en el diseño del proyecto, se deberá dar información para que pueda revisarse y de ser necesario modificarla. Cualquier situación no contemplada en este informe se nos deberá consultar al respecto. 26

24 VII.- DISCUSIÓN SOBRE LOS GRADOS DE INCERTIDUMBRE Y ALCANCE DEL ESTUDIO. Considerando que el área del proyecto está representada por dos perforaciones, existe la posibilidad que las condiciones encontradas varíen en otros sitios por lo que se recomienda, que durante el proceso de construcción un técnico en mecánica de suelos revise los niveles en que se estarán colocando las placas para así verificar que se está cimentando sobre los estratos propuestos en este informe. Cualquier situación no contemplada en este informe y que se presente en la etapa constructiva se nos deberá consultar al respecto. 27

25 VIII.- REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS. Asociación Costarricense de Geotecnia. Código de Cimentaciones de Costa Rica. Editorial Tecnológica de Costa Rica, Colegio Federado de Ingenieros y Arquitectos. Código Sísmico de Costa Rica. Editorial Tecnológica de Costa Rica, Crespo, Carlos. Mecánica de Suelos y Cimentaciones, Editorial Limusa, 5ª. Edición, México González de Vallejo, Luis. Ingeniería Geológica. PEARSON Educación, Madrid, Jiménez Salas, José. Geotecnia y Cimientos II, Mecánica del Suelo y de las Rocas. Editorial Rueda, Madrid, España, Bowles, Joseph. Foundation Analysis and Design. McGraw Hill, Inc, United States of America. ALV FERNÁNDEZ, J. A., 1987: Geología de la hoja topográfica Tucurrique 1:50 000, IGNCR, 3445I. 205 págs. Univ. de Costa Rica, San José [Tesis de Lic.]. BOTTAZZI, G., FERNÁNDEZ, J. A. & BARBOZA, G., 1994: Sedimentología e historia tectono sedimentaria de la cuenca Limón Sur. Profil 7:

26 ANEXO A PERFIL DE PERFORACIÓN 29

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33 ANEXO B LOCALIZACION DE LOS SONDEOS 36

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