Zonif. geotéc Armenia Forer~80

X JORNADAS GEOTÉCNICAS DE LA INGENIERÍA COLOMBIANA. Noviembre de 1999.Forero-Dueñas, Carrillo-Lombana & Rodríguez-Granados.

ZONIFICACIÓN GEOTÉCNICA DEL SUBSUELO DE ARMENIA

- Carlos A. Forero-Dueñas (MSc, DIC, PhD), INGEOMINAS, Area de Ingeniería Geoambiental. Ingeniero Geotecnista, Especialista en Amenazas Naturales y Doctor en Geología para Ingeniería. E-Mail: [email protected]

- Edgar J. Carrillo Lombana (MSc), INGEOMINAS, Area de Ingeniería Geoambiental. Master en Geología para Ingeniería y Experto en Sistemas de Información Geográfica. E-Mail: [email protected]

- Edgar E. Rodríguez Granados (MSc, Dipl.). INGEOMINAS, Area de Ingeniería Geoambiental. Ingeniero Geotecnista, Posgrado en Ingeniería Sísmica y Dinámica Estructural. E-Mail: [email protected]

RESUMEN

La metodología seguida para obtener una versión rápida y eficaz de la disposición y características geotécnicas del subsuelo de Armenia es presentada, en ella se combinaron criterios de geología para ingeniería, geofísica, geomorfología y geotecnia; toda la información se interpretó con la ayuda del SIG “Ilwis”. El subsuelo de Armenia está conformado por una capa de cenizas volcánicas, que subyacen suelos residuales y saprolito de flujos volcánicos los cuales constituyen el substrato inferior. Sobre algunos sectores de las cenizas se emplazan cerca de 300 rellenos antrópicos. Se efectuaron sondeos geofísicos, exploración geotécnica “in situ” y caracterización estática y dinámica de laboratorio sobre muestras representativas. La ciudad se dividió en 10 zonas de acuerdo al tipo de material geotécnico, las cuales son la base para la Microzonificación SísmoGeotécnica Indicativa.

1. INTRODUCCIÓN

Luego del sismo de enero 25 de 1999, y después de efectuar los trabajos de zonificación de Emergencia de la zona epicentral (3 Informes Técnicos del INGEOMINAS, de Enero, Febrero y Marzo de 1999), se vio la necesidad de producir rápidamente un mapa sismo-geotécnico que sirviera de base para que la Alcaldía y las entidades del nivel nacional entraran al proceso de la reconstrucción de la ciudad de Armenia.

Debido a este urgente requerimiento, estos estudios se llevaron a cabo en un tiemp muy corto, de 3.5 meses (Abril a Julio de 1999). La caracterización geotécnica de Armenia se logró combinando criterios de geología para ingeniería (génesis, distribución espacial y temporal de los depósitos de suelo y roca), geomorfología, geofísica y de respuesta geomecánica

estática y dinámica (mecánica de suelos y rocas).

De esta manera, se complementaron diversas ramas de las geociencias para obtener un resultado que se aproxima a la idea de lo que debe ser la Geotecnia, tal y como lo ha sugerido Terzagui (1945). Igualmente, se consultaron los informes técnicos de la CRQ, Tesis Universitarias, así como informes de suelos y fundaciones de las empresas consultoras que tradicionalmente operan en a región. Como otro importante criterio, se tuvo el comportamiento observado de los materiales durante el sismo, así como los daños a edificaciones en cada uno de los subsectores de Armenia (INGEOMINAS, Informe de Emergencia No 2, Marzo de 1999). Los anteriores criterios se combinaron para tratar de lograr un programa eficiente de exploración y caracterización del subsuelo, de acuerdo a lo corto del tiempo de entrega del proyecto.

mailto:[email protected]




La caracterización geotécnica que se presenta es de carácter general, ofreciendo guías sobre el origen, la ubicación física, la estratigrafía y algunos de los aspectos mas sobresalientes del comportamiento de los distintos materiales del subsuelo de Armenia.

2. EXPLORACIÓN DEL SUBSUELO Y ESTRATIGRAFÍA

2.1 Exploración Geofísica

La geofísica tenía como objetivos: Colaborar en la definición de la geometría de las capas del subsuelo, ubicar la tabla de agua, definir las velocidades de propagación de ondas P y S, y aclarar la existencia de las fallas de Armenia y El Danubio. La Tabla 1 resume los métodos geofísicos aplicados y los logros obtenidos, para fines de la zonificación geotécnica.

Para la ubicación de dichos sondeos se tuvo como criterio, el conocimiento previo del área (INGEOMINAS, 1992), en particular sobre la génesis y disposición de los depósitos del subsuelo. Sin este conocimiento previo, mas los datos obtenidos de la recopilación de otra información existente, la ejecución de la zonificación geotécnica general habría requerido mucho mas trabajo de campo, y el estudio no se habría podido terminar en el tiempo previsto, afectando los proyectos de reconstrucción y el bienestar de miles de damnificados.

Es de resaltar la manera en que se combinaron los distintos métodos geofísicos, algunos de resolución adecuada para ingeniería (refracción sísmica, electromagnetismo y espectrometría) y otros que entregaron información a escala intermedia o regional (resistividad eléctrica y gravimetría) con los sondeos mecánicos para geotecnia. Complementando la información se lograron los objetivos buscados.

2.2 Exploración Geotécnica

En el Mapa 1 se presenta la localización de la exploración directa cuyo fin consistió en la toma de muestras inalteradas del subsuelo y la ejecución de ensayos “in situ” para definir propiedades estáticas y parámetros dinámicos típicos.

Para cumplir con estos objetivos, y de común acuerdo con los resultados de las pruebas geofísicas, se realizaron 7 perforaciones mecánicas con profundidades entre 30 y 40m, 12 sondeos manuales con profundidad promedio de 10m y 9 trincheras-apíques ejecutadas en los taludes viales. Se hicieron pruebas de penetración estándar, veleta y penetrómetro de bolsillo, y ensayos “downhole” mas algunos “crosshole”.

La localización de la exploración directa fue igualmente de la mano con la geología para ingeniería. El área se dividió en 4 zonas, ver Mapa 1 y Tabla 2.

Con la exploración y caracterización geotécnica se confirmaron la clase y origen de los materiales del subsuelo, los cuales en Armenia se ubican en capas mas o menos subhorizontales. En resumen, las capas presentes allí son, de arriba (más recientes) hacia abajo (más antiguas):

- Llenos antrópicos recientes. Espesores, ”z”, hasta 10m en su mayoría, otros entre 10 y 20m y algunos pocos de mas de 20m.

- Cenizas Volcánicas (“Piroclastos de caída”, edad Pleistoceno-Holoceno). “z” del orden de 20m.

- Suelo Residual y Saprolito, producto de la meteorización de los Flujos Volcánicos inferiores. “z” del orden de 15m.

- Flujos volcánicos: Piroclásticos y Lahares, edad Terciario superior - Cuaternario. “z” cercano a 100m.

- Basamento. Constituido por rocas de edad Cretácica. Anfibolitas y esquistos.


MÉTODOGEOFÍSICO

QUE MIDE # LOGRO PARA LA ZONIFICACIÓN

Refracción Sísmica

Tiempos de propagación de ondas P y S

11 - Espesor de las cenizas volcánicas y rellenos superficiales

- Diferenciación entre cenizas superficiales secas y cenizas inferiores saturadas y parcialmente saturadas

- Ubicación de la tabla de agua- Relación entre velocidades de ondas de

compresión y de corte, Vp/Vs, para cenizas (Vp/Vs = 1.79) y llenos (Vp/Vs = 1.64).

Resistividad Eléctrica

Propiedad de Resistividad Eléctrica

14 - Determinación de la geometría (espesor y extensión) del subsuelo, don la definición de espesor y forma de los materiales, hasta 150m de profundidad

- Confirmación de la existencia de la falla de Armenia y de la falla del Danubio

Electromagnético Resistividad eléctrica, propagando la corriente por el método de inducción

50 - Determinar el espesor de las cenizas volcánicas

- Ubicación del contacto “suelo” (cenizas, suelo residual y saprolito) – “roca” (flujos volcánicos inferiores)

Gravimétrico Diferencias de la gravedad de acuerdo a la densidad de los materiales

80 - Geología estructural. Confirmación de la presencia de la falla de Armenia

Espectrometría de Rayos

Radiación natural, conteo total

50 - Confirmar un corredor que presentó un nivel anómalo de radiación, el cual permitió asociarlo con la actividad neotectónica de la falla de Armenia

Tabla 1. Métodos geofísicos usados para la zonificación geotécnica general de Armenia.

2.3 Geología para Ingeniería y el comportamiento geotécnico durante el sismo de enero de 1999

Armenia se asienta sobre materiales que conforman el “Glacis del Quindío”. Se trata de un gran depósito de orígen volcano –

sedimentario constituido por alternancias de flujos piroclásticos y lahares (los cuales descendieron por los drenajes incluyendo el Río Quindío) y, en menor proporción, materiales fluviotorrenciales, aluviales y glaciales, los cuales se encuentran cubiertos por “piroclastos de caida” (INGEOMINAS, Julio de 1999).


# PERFORACIONES MECÁNICAS

SONDEOS MANUALES TRINCHERAS - APÍQUES

1 - P1. Ancianato del Cármen, vía a Montenegro

- S1. La Secreta. Vivero de la CRQ.

- T1. Barrio Brasilia, costado oeste

2 - P2. CASD, cercanía de la falla de Armenia, costado sur de ella

- S2. Barrio Quindío. Continuidad de la Trinchera T3.

- T2. Barrio Brasilia, costado Norte

3 - P3. Galería. Zona del lleno de la Quebrada Armenia

- S3. Barrio El Limonar - T3. Barrio Quindío, costado Norte; corresponde al sondeo manual S2

4 - P4. Parque Uribe, zona muy afectada por el sismo

- S4. Barrio Modelo. Carrera 23E Calle 7ª, sobre el escarpe de la falla de Armenia. Continuidad de la trinchera T4

- T4. Barrio Modelo. En el escarpe de la falla de Armenia; corresponde al sondeo manual S4

5 - P5. Tele Armenia - S5. Estación del ferrocarril - T5. Talud de corte vial. Salida hacia Calarcá, inicio de la Avenida Centenario

6 - P6. El Caimo. Afueras de la ciudad, sector SE

- S6. Ancianato San Vicente de Paul, cerca del Sondeo Eléctrico Vertical SEV4

- T6. Sitio de desfogue de los sobrantes del acueducto. Margen derecha del Río Quindío, muestreo de flujos piroclásticos

7 - P7. Barrio Brasilia, zona con altísima destrucción debido al sismo

- S7. Sobre la Avenida Centenario. Vivero Bar; cerca del SEV6

- T7. Talud de corte vial. Salida hacia Montenegro, margen derecha de la Quebrada Hojas Anchas, al Norte del Barrio Niágara

8 - S8. Centro Deportivo Bolo Club

- T8. Talud de corte vial, al costado NW de la sede de la CRQ

9 - S9. Urbanización El Pórtico. Carrera 14 # 44 Norte

- T9. Talud de corte vial. En la margen izquierda de la Quebrada La Florida

10 - S10. Barrio Brasilia, Costado Oeste

11 - S11. Salida hacia Calarcá. Inicio de la Avenida Centenario

12 - S12. Calle 16 Carrera 7. Barrio Galán

Tabla 2. Resumen de la localización de la exploración geotécnica en Armenia.

De acuerdo con el tamaño del grano, estos últimos incluyen lapilli (diámetro “d” entre 4 y 32 mm), ceniza volcánica (“d” entre 1/16 a 4 mm) y polvo volcánico (“d” menores a 1/16 mm); sin embargo, por comodidad en este artículo los piroclastos de caida serán descritos como “ceniza volcánica”.

Las cenizas volcánicas se originaron en erupciones volcánicas explosivas, las cuales ocurrieron entre el Pleistoceno y el Holoceno (ver Tabla 3). Sus fuentes se encuentran en la cordillera Central de Colombia y fueron los volcanes que constituyen el Parque de los Nevados, incluyendo el Quindío, Santa Isabel y


Cerro Santa Rosa. Igualmente, del otro lado de la cordillera el Volcán Machín también contribuyó. La geotecnia de las cenizas merece atención especial y será tratada en el numeral siguiente.

Los “llenos” o “rellenos” antrópicos son una constante de las ciudades y poblaciones del Eje Cafetero. Al depositarse las cenizas, estas recubrieron una paleotopografía, generando colinas suaves y redondeadas, las cuales se encuentran disectadas por los drenajes. Desde su fundación en 1889, la

dinámica urbanística de Armenia ha estado ligada a cortar las colinas y disponer los materiales en la quebrada, hondonada o arroyo mas cercano, generando los llenos.

Dichos llenos tienen características geomecánicas variables, y así mismo fue su comportamiento durante el sismo. Los llenos de ladera y los botaderos, en particular, ocasionaron asentamientos diferenciales y fallas parciales o totales de las viviendas que se asentaban sobre ellos.

GEOLOGÍA MATERIAL / (Espesor)

GEOTECNIA Y COMPORTAMIENTO DURANTE EL SISMO DE ENERO 25 DE 1999

CUATERNARIO. Holoceno

Llenos antrópicos(hasta 20m)

Características geomecánicas variables, que dependen de la historia y el tratamiento. Los llenos de ladera y botaderos tienen pésimas características (gran compresibilidad y baja resistencia al corte) y así se evidenció durante el sismo.

CUATERNARIO.Holoceno – Pleistoceno

Cenizas Volcánicas(hasta 20m)

Materiales con comportamiento en general adecuado durante el sismo, tanto en taludes como en cimentaciones. Este es dependiente del contenido de humedad. Suelos porosos, de mediana permeabilidad.

TERCIARIO SUPERIOR. Plioceno

Flujos Piroclásticos y Lahares(80 a 150 m)

Parte superior con un (paleo)suelo residual rojizo, de baja permeabilidad, la cual contrasta con las cenizas volcánicas superiores, ocasionando la ubicación de una tabla de agua encima de dicha interface; en algunas fallas de taludes dicho contacto actuó como la superficie de falla. En la parte intermedia se ubica un saprolito, el cual es la transición hasta el flujo volcánico inferior. Este último se considera como “roca”, desde el punto de vista de Ingeniería (siguiendo a Terzaghi, 1955)

CRETÁCEO Grupo Arquía?Anfibolitas y Gneises

Basamento mas antiguo e inferior de la secuencia. Es “roca”.

Tabla 3. Relaciones entre Geología, estratigrafía y comportamiento geotécnico observado.

Los flujos volcánicos sanos se comportaron muy bien durante el sismo, y tienen características de “roca” (Terzagui, 1955). Sus suelos residuales consisten en una arcilla rojiza, muy impermeable. El nivel inferior de meteorización, o saprolito, posee características variables entre suelo y roca.

3. GEOTECNIA DE LAS CENIZAS VOLCÁNICAS

3.1 Comportamiento durante el sismo

Inmediatamente luego del terremoto, las observaciones de campo demostraron (“Mapa de Zonificación Regional de Daños”, de Ojeda-Moncayo y Forero-Dueñas, INGEOMINAS, Febrero de 1999; “Mapa de Daños de Armenia” de Caro-Peña, Forero-Dueñas, Moreno-Espitia y García-Núñez, INGEOMINAS, Marzo de 1999) que las cenizas tuvieron un comportamiento admirable,


si se tienen en cuenta las inmensas aceleraciones sísmicas a que fueron sometidas. Se encontraron pocas fallas de laderas naturales, salvo por supuesto en la zona epicentral (Parra y Mejía, INGEOMINAS, Febrero de 1999).

No se encontraron colapsos de cimentaciones asociados a la falla de las cenizas. Varios taludes en cortes viales muy elevados, superando los 20m, solo presentaron fallas superficiales, algunas de las cuales causaron daños debido a la cercanía de la ubicación de viviendas y vías en la parte inferior. Taludes de mas de 20m, revestidos con vegetación, construidos con terrazas de 10m, y soportando conjuntos habitacionales en su corona se comportaron adecuadamente.

En varios casos, sin embargo, se encontró que el sismo aceleró la formación o apertura de grietas de tracción en la corona de los taludes. De manera que si bien no se produjo la falla inmediata, si ocurrieron deslizamientos posteriores, asociados a las intensas lluvias que cayeron luego del terremoto. En las fotos 1 y 2 diferencias texturales permiten diferenciar entre deslizamientos cosísmicos (textura de bloques) y los inducidos por lluvia (textura mas fina).

Foto 1 Ejemplos típicos de deslizamientos inducidos por el sismo e inducido por las lluvias subsecuentes. Dos deslizamientos contiguos en la vía Pijao-Rio Verde, uno “cosísmico” (el que produce bloques) y otro

por lluvia (con un flujo de material comparativamente más fino). (Parra y Mejía, INGEOMINAS).

Foto 2 Un deslizamiento cosísmico en la vía de acceso hacia Filandia (Forero-Dueñas, INGEOMINAS).

3.2 Las Cenizas Volcánicas como parte de los suelos “Alofánicos”

En las cenizas volcánicas, la “estructura” adquiere una gran importancia al ser un factor determinante del comportamiento. El término estructura (Mitchell, 1976 & Burland, 1990) se refiere a la combinación de la cementación y la “fábrica”, la cual a su vez hace referencia al arreglo y distribución física de las partículas del suelo.

Las cenizas volcánicas y sus suelos residuales hacen parte de los suelos “alofánicos”. En este artículo una alófana se toma como un término amplio que incluye a los suelos derivados de la meteorización de piroclastos (siguiendo a Maeda y otros, 1977). Igualmente Maeda presenta como sinónimos para estos depósitos, a los suelos de ceniza volcánica, así como ándepts y andisoles, definiciones que son mas frecuentes en los estudios agrológicos.

El IGAC (Malagón y Pulido, 1991) menciona que la andolización tiene dos subprocesos, el primero con la formación de complejos Al-humus y el segundo con la generación de minerales alofánicos. Sin embargo, la característica básica de una alófana, como se presenta acá, es que dichos compuestos


carecen de una estructura cristalina identificable, sin presentar picos en los análisis de difracción de rayos X, es decir son “amorfos”. Wada (1986) define las alófanas como aluminosilicatos hidratados, no cristalinos.

A nivel mundial, las alófanas se encuentran ampliamente distribuidas, encontrándose en el Caribe, Indonesia, Japón, Nueva Zelandia, los Estados Unidos y los Andes (Maeda y otros, 1977). En Colombia, el IGAC (Malagón y Pulido, 1991) los ubica en la región andina del país, como andisoles o ándepts, constituyendo el 11.6% con relación al total de los suelos nacionales. Estos materiales están ampliamente distribuidos en la cordillera Central, encontrándose en proporción media en la cordillera Occidental, y en menor cantidad en la cordillera Oriental. Armenia y el Eje Cafetero están dentro de estas zonas. Malagón y Pulido mencionan que en la “Clave Taxonómica de 1990” una clase de suelos llamados Inceptisoles (suelos “inmaduros” en Buol y otros, 1988) el cual tenía un subgrupo llamado Andepts, ameritaron atención especial debido a su comportamiento y extensión, de manera que los Andepts han sido ubicados como una nueva clase llamada de los Andisoles (suelos alofánicos dentro de este artículo).

3.3 Comportamiento de los suelos alofánicos, y sus posibles mecanismos físicos y químicos de estabilidad

El tratar los suelos alofánicos dentro de una clase particular de materiales se debe a sus singulares y típicas propiedades de ingeniería. En estos suelos las características de la fábrica y estructura, vacíos en particular (Maeda y otros, 1977) determinan las propiedades físicas, ocurriendo cambios volumétricos durante el secado, los cuales son irreversibles. Maeda concluye que la “matriz” del suelo cambia y que el suelo alofánico en estado seco puede considerarse como un material cuyo comportamiento físico e ingenieril es

completamente distinto al mismo suelo a su humedad natural (“plásticas” en estado húmedo y “arenosas” en estado seco). Esta peculiaridad es definitiva a la hora de caracterizar estos materiales.

Kitagawa (1957), en Maeda y otros, propone que las unidades elementales de las “alófanas” son unidades esféricas las cuales se aglomeran. Al secarse dichas partículas adquieren la apariencia de grumos. El diámetro de los microporos es tal que en estos materiales son importantes los fenómenos físicos de tensión superficial, en la interfase agua – mineral, generándose el fenómeno de la capilaridad, adquiriendo importancia el fenómeno de succión como mecanismo físico contribuyente a la resistencia al corte. La analogía del agua dentro del tubo capilar para representar dicho fenómeno ha sido representada desde Buckingham (1907).

Además de los mecanismos físicos de resistencia, existen otros relacionados con los componentes químicos de los suelos alofánicos y su evolución en el tiempo. Fieldes y Claridge (1975) estudiaron los suelos alofánicos de Nueva Zelandia y concluyen que en sus estados iniciales de formación, estos pueden ser vistos como fragmentos semisólidos de aluminosilicatos similares a una gelatina (“geles”), teniendo una estructura abierta la cual guarda mucho agua en su interior.

Mas recientemente (Forero-Dueñas 1998 y Forero-Dueñas y otros 1998a y 1998b) se han hecho estudios sobre la evolución y el comportamiento de geles de sílica, los cuales hacen parte de los suelos alofánicos. Estos sugieren que la formación de la estructura inicia con un número de “monómeros” o “semillas” de ácido silícico, H4SiO4, sin conexión entre sí, cuyo comportamiento reológico es similar al de un fluido; paulatinamente se inicia un proceso de “polimerización” a medida que las semillas se empiezan a unir entre sí, creándose enlaces siloxano (Si-O-Si) y generándose agua como producto de la reacción química. A medida que la unión de monómeros continúa, el


comportamiento mecánico del material amorfo cambia y pasa de un líquido, o “sol”, a un semisólido, o “gel” (Figura 1), cuyas características mecánicas son mas cercanas a las de un sólido, teniendo capacidad para soportar esfuerzos de corte, teniendo un módulo Gmax finito y medible. Este modelo microestructural y las observaciones efectuadas en los estudios mencionados, explican a partir de la evolución de la composición química, las características físicas de los geles de sílica. Dichos elementos se podrían adaptar para empezar a aclarar las causas de los siguientes fenómenos observados en las cenizas volcánicas de Armenia y sus alrededores:

- la “aglomeración” de las unidades básicas al ocurrir la polimerización. A este respecto Carman, 1940, encontró que en el proceso de polimerización existe la tendencia a formar partículas esféricas, cuya estructura interior está constituida por enlaces de siloxano, y su superficie está cubierta por grupos hidroxilo (OH); dichas partículas se interconectan formando los agregados,

- la gran cantidad de agua presente en la estructura inalterada,

- los radicales cambios físicos debidos al secado

- la irreversibilidad de dichos cambios o de aquellos producidos por el remoldeo. En efecto, los enlaces siloxano una vez rotos, son irrecuperables, y finalmente,

- la diferencia en la apariencia física y el comportamiento existente entre un material “plástico” en estado húmedo y el mismo material “arenoso” en estado seco.

Esta teoría de la gran importancia de los materiales amorfos, sílica en particular, como agente cementante y proveedor de resistencia, ha sido relacionada con el uso histórico de los materiales de construcción, por parte de los Romanos. Ellos elaboraban el cemento preparando una mezcla que incluía ceniza volcánica, la cual era una forma muy pura de sílice amorfa (Bergna,

1994); hoy en día muchas de estas obras aún se encuentran en pié y algunas inclusive operando.

Figura 1 Modelo microestructural de un gel amorfo de sílice. Transición de grupos silanol, Si (OH), a una red continua de enlaces siloxano (Si-O-Si) (Forero-Dueñas, 1998)

3.4 Caracterización de las cenizas volcánicas de Armenia

La metodología seguida por el INGEOMINAS para caracterizar las cenizas volcánicas incluyó:

- muestreo inalterado de calidad; principalmente toma de muestras en bloque (ver Foto 3),

- análisis de composición química; en particular indicios de la presencia de cementantes amorfos

- mineralogía con microscopío y difractómetro de rayos X

- análisis petrográficos de secciones delgadas

Inicialmentecomo unlíquido, o

solución, o“sol”

Transición. Polimerización gradual de las “semillas” de ácidomonosilícico. Grupos “silanol” (Si OH) son reemplazados porenlaces “siloxano” (Si-O-Si), los cuales conforman la Estructura.

Gelación.Reológicament

e es el pasode un líquido(“sol”) a un

semi sólido: un“gel”

Si OHOH

OH

OH

Si OH

OH

OH

OH

SiO

O

O

Si

OSi

Si

O

Si

O Si

Si


- producción de un modelo microestructural preliminar, con el fin de encontrar la

- aclaración de algunos de los factores físicos y químicos contribuyentes a la resistencia y al comportamiento “in situ”

- pruebas geomecánicas.

Foto 3 Muestra en bloque, en uno de las trincheras - apíques, recuperando cenizas vo

Cada uno de los anteriores pasos se cumplió sobre muestras representativas de las cenizas volcánicas Debido tanto a lo novedoso en Geotecnia, como a lo extenso del tema, el detalle de dichos ensayos será presentado en una futura publicación (Forero-Dueñas y Gálvez, en preparación). Las siguientes son las principales conclusiones sobre el particular:

- de acuerdo con la génesis de los materiales (criterios geológicos), con las mediciones de material amorfo usando microscopio y difracción de rayos X (criterios mineralógicos), con la reacción de los materiales en la prueba de “Fieldes” (criterio colorimétrico no

concluyente pero si indicativo), con los resultados obtenidos en la prueba de extracción con oxalato ácido de amonio (criterio químico para la identificación de cementantes amorfos), y con el comportamiento observado en campo (diferencias físicas entre materiales en estado húmedo y seco, criterios geotécnicos) se concluye que las muestras de ceniza volcánica de Armenia poseen propiedades ándicas, son andisoles, y en términos generales de acuerdo con los criterios y definiciones de este artículo, se podrían considerar como materiales alofánicos

- el pH es cercano al natural, ligéramente ácidico (6.3)

- Los valores de la capacidad de intercambio catiónico, CIC, la cual en términos sencillos se refiere a la cantidad de cargas negativas del suelo, que son susceptibles de ser equilibradas por las bases, varía entre 14 y 16 meq/100 g, valores que son típicos de caolinitas (CIC de 3 a 15) y haloisitas (CIC de5 a 50)

- los análisis mineralógicos de “arenas” (trabajando con tamaños entre 80 y 270 micras) mostraron granos recubiertos por materiales volcánicos no cristalinos. Así, se plantea una estructura dominada por dichos “conectores” amorfos, al interferir el contacto que los granos mayores tendrían.

- los análisis mineralógicos de “arcillas” (partículas menores de 2 micras) usando difracción de rayos X, saturando las muestras con cationes de magnesio, Mg, y potasio, K, posteriormente glicolizando el Mg y calentando el K mostraron: material no cristalino abundante, variable entre el 30 y el 50%; algunos difractogramas con picos de muy baja intensidad, debido al peso de los amorfos; otros difractogramas (ver Figura 2) no muestran picos en absoluto, reflejando el dominio de los materiales volcánicos no cristalinos en la matriz. Para confirmar las alófanas, como minerales, y la haloisita (la cual se confunde con el pico de la caolinita cercano a los 7 angstroms de distancia interlaminar), se recomienda efectuar análisis térmico diferencial e infrarrojo, en otras etapas del estudio.


- Los análisis químicos incluyeron la extracción con oxalato ácido de amonio. Dicho procedimiento químico identifica los cementantes amorfos relacionados con el Hierro, el Aluminio y el Silicio, presentes en la estructura de las cenizas volcánicas. Según los resultados obtenidos, las muestras con [Fe+(Al/2)] 2% (según el criterio de la norma taxonómica de suelos, México, 1990) y [Fe+Al+Si] 3.7% (parámetro que es un resultado de esta investigación) tienen una alta posibilidad de ser “suelos alofánicos”. Para el caso de las cenizas volcánicas de Armenia, esto aunado a los otros criterios ya expuestos, confirma esta clasificación.

Figura 2. Difractograma de la muestra CRQ6, Armenia. Material compuesto por “amorfos”, con ausencia total de picos

- Los análisis petrográficos fueron hechos por el INGEOMINAS, sobre secciones delgadas (con impregnación y sin

cubreobjeto). Se trata de cenizas volcánicas (descritas como “tobas no consolidadas”) en cuya estructura se encuentra una matriz cuyos componentes coinciden con los componentes de mayor tamaño, indicando posibles efectos de aglomeración de partículas básicas. Es evidente igualmente, la existencia de películas de material amorfo rodeando a partículas mayores (ver Foto 4); de esta forma, se crean fronteras amorfas en todo el volumen de las cenizas, las cuales al interactuar dominan el comportamiento de todo el conjunto, máxime cuando dichos materiales no cristalinos cuentan con propiedades geomecánicas bien particulares.

- según las microfotografías, en promedio, en las cenizas el porcentaje de cristales de cuarzo es 5%, el de feldespato plagioclasa es 17% (con máximos hasta del 35%), hornblenda 10%, biotita 5%, y una matriz (23%) conformada en gran parte por fragmentos vítreos, tobáceos y fragmentos argilizados (en las muestras con mayor alteración).

- a partir de la petrografía y los estudios microscópicos de fábrica y estructura, se produjo un modelo microestructural, a escala, para las cenizas volcánicas. Dicho modelo (Forero-Dueñas y Gálvez) muestra la composición y a partir de esta ayuda a confirmar y aclarar varios rasgos importantes de la microfábrica, entre ellos: la condición “alofánica” de las cenizas, los mecanismos químicos de estabilidad (estructura dominada por amorfos, y en gran parte conformada por enlaces siloxano), así como la existencia tanto de macroporos como de microporos (los cuales confirman la importancia de la succión como mecanismo físico de estabilidad).


Foto 4. Trinchera 1 M – 1 : Lítico Andesítico con Matriz Vítrea y Cristal de Hornblenda. Con Nicoles. 100 Aumentos (1 cm = 0.1 mm) .

4. PARÁMETROS GEOMECÁNICOS TÍPICOS DE LOS MATERIALES DEL SUBSUELO DE ARMENIA

4.1 Pruebas de clasificación de cenizas volcánicas

De acuerdo con lo expuesto, en los suelos alofánicos la estructura del material es radicalmente opuesta al compararse en los estados húmedo y seco, siendo función del contenido de humedad. Esto tiene consecuencias en la ejecución de los límites de Atterberg y sobre los resultados de las granulometrías e hidrometrías.

En vista de estos antecedentes, se decidió observar los efectos del secado sobre el

índice de plasticidad. Para ello, sobre la misma muestra se hicieron dos tipos de ensayos, el primero siguiendo la norma de secar y tamizar por la malla # 40, y el segundo obteniendo los límites a partir de la humedad natural de la ceniza, evitando el secado. Las diferencias son importantes y se presentan en el gráfico de Casagrande de la Figura 3 (Forero-Dueñas y Ulloa), en la cual se aprecia como los límites líquido y plástico cambian según el método seguido para obtenerlos. En la figura las flechas muestran este cambio (van desde lo obtenido por el método tradicional hasta lo obtenido por el método “alterno”), y reflejan el carácter hidrofóbico que las cenizas volcánicas adquieren irreversiblemente al secarse.

Adicionalmente, se recopilaron los resultados de las pruebas de clasificación de empresas consultoras que históricamente han ejecutado estudios de suelos y cimentaciones en Armenia. Como se demostró, si se aplica el procedimiento convencional, los valores esperados del límite líquido son especialmente menores que los obtenidos por el método alterno.

Y estos valores de límite líquido “tradicionales”, pueden estar tan lejanos al del alterno, que podrían llegar a estar por debajo de los valores del contenido de humedad natural de las cenizas. Con los datos de 234 estudios de las empresas consultoras este análisis arrojó un 40% del total con dicha tendencia. Esto indicaría que muy posiblemente, el método tradicional de Casagrande se ha seguido llevando a cabo en la zona cafetera, tergiversando la situación real del límite líquido con relación a la humedad natural, y afectando cualquier conclusión sobre comportamiento, en caso de seguir las leyes de la mecánica de suelos clásica. En efecto, de un suelo cuya humedad natural, Wn, esté superando el límite líquido, LL, se esperaría un comportamiento reológico cercano al de un fluido; según las observaciones de campo, esta situación no apareció en las cenizas ni siquiera ante las gigantescas solicitaciones del sismo.


Figura 3 Desplazamiento del limite liquido en la carta de plasticidad metodos convencional y alterno. (muestras armenia) forero dueñas y ulloa c. ingeominas 1999

Para efectos de ampliar estos conceptos, los análisis del INGEOMINAS (Forero-Dueñas y Ullóa-C, 1999) empleando el método alterno, indican que solo el 18% de las muestras (menos de la mitad comparadas con el método tradicional) mostraron valores “anómalos”, es decir Wn mayores que el LL. Y de estas las muestras superficiales (profundidades menores de 2m o tomadas en taludes), es decir las que tendrían una mayor posibilidad de desecación natural al aire, tuvieron un 29% con esta tendencia, es decir que se beneficiaron menos. Maeda (1977) considera que debido a los fenómenos de aglomeración de partículas básicas, los suelos alofánicos son difíciles de dispersar, por lo cual considera que las

granulometrías tradicionales no son el indicador o prueba índice adecuada del carácter de estos materiales, al incluir tamaños artificiales o “seudo arenas”. Igualmente, menciona que en lugar del dispersante tradicional, hexametafosfato de sodio, se podría tratar de usar el Pirofosfato de sodio; igualmente la aplicación de la vibración ultrasónica parece adecuada para romper las aglomeraciones. La investigación detallada sobre este particular está en curso en el INGEOMINAS (Forero-Dueñas y Fino). Por el momento, se tiene una franja de tamaños, obtenida ensayando las muestras con diferentes metodologías, incluyendo “Buoyucos” y “Cilindros de agua”, además de los procedimientos tradicionales, obteniendo un porcentaje de “arenas” que oscila entre 70 y 25%.

0

20

40

60

80

100

120

140

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

LIMITE LIQUIDO (%)

IND

ICE

DE

PLA

STIC

IDA

D (%

)

P7-M4

T8-M1

S6-M2

S7-M1

S5-M13

P5-M17

P7-M10

A = ALTERNO

A

A

A

A

AA

A


4.2 Parámetros estáticos y dinámicos

En un análisis de propiedades por zonas, definidas según el Mapa 1, la Tabla 4 muestra algunos parámetros índice de las cenizas volcánicas:

Pará-metro

Zona Norte

Zona Centro

Falla de Armenia

Zona Sur

t T/m3

1.48 1.54 1.57 1.56

Wn % 47.9 59.2 65.9 52.3Gs 2.78 2.65 2.69 2.72

LL% 48.8 79.2 74 72.3LP% 36.8 60.4 54 55.8IP% 12 18.8 19 16.7

Tabla 4. Propiedades índice promedio de las cenizas volcánicas de Armenia, por zonas (ver Mapa 1).

Como se aprecia, la zona de la falla de Armenia presenta un mayor contenido de humedad natural, Wn, presumiblemente asociado a una estructura mas cizallada, porosa y débil, asociada a la influencia de la actividad reciente de la falla de Armenia.

La tabla de agua no se encuentra superficialmente y su localización está asociada al contacto entre el suelo residual impermeable inferior, SR, producto de la meteorización de los flujos volcánicos y la base de las cenizas mas porosas, CV. La Tabla 5 presenta dicha variación en Armenia:

SITIO Tabla de agua (m)

Comentario

Ancianato del Cármen

13 Cerca al contacto CV-SR

CASDCostado sur falla de Armenia, escarpe

17.5 Cerca al contacto CV-SR

GaleríaZona del lleno de la quebrada

3.5 Tabla de agua subió después del

Armenia sismo; asociada a ruptura de tuberías?

TeleArmenia 21 Cerca al contacto CV-SR

Parque Uribe 21.3 Cerca al contacto CV-SR

Brasilia 18.8 Cerca al contacto CV-SR

Tabla 5. Posición de la tabla de agua en perforaciones mecánicas de Armenia.

Parámetros por tipo de material, se presentan en la Tabla 6. En esta se incluyen valores promedio para toda Armenia, considerando los resultados de las pruebas efectuadas por el INGEOMINAS. Si Se llevan a cabo programas de exploración y caracterización mas exhaustivos, estos valores pueden afinarse mas; igualmente los llenos pueden presentar extremos de comportamiento dependiendo de su clase:

Ceniza Volcánica

Suelo residual

Saprolito LLeno

Wn%

56.9 65.8 60.1 50.7

LL 68.6 74.2 68.2 55.3LP 51.6 54.3 45.4 36.9IP 16.9 19.9 22.8 18.5Gs 2.67 2.75 2.79 2.69t T/m3

1.54 1.55 1.66 1.67

qu 1.39kg/cm2

compresión Inconfinada

0.85 a 1.56 con

penetrómetro

0.46kg/cm2

variable hasta

0.62

1.35 con

pene-tróme-

tro(variable)

N/pié SPT

CASD ,cerca de falla de Armenia: - 0 a

10m: N= 3

Otras

- 0 a 5m: N= 8 a Rebote

- 5 a 10m N=

- 15 a 20m: N= 42 a rebote

- 20 a 25m: N= 27 a

- 0 a 5 m: N= 2

- 5 a 10m: N=


zonas:- 0 a 5m:

N= 5- 5 a

10m: N= 6

- 10 a 15m: N= 9

60 a Rebote

- 10 a 15mN= 20

- 15 a 20mN= 16

- 20 a 25m N= 21

rebote- 25 a

30m: N= 29 a rebote

- 30 a 35m: N= 51 a rebote

3- 10

a 15m: N= 7

Tabla 6. Propiedades índice promedio de los materiales del subsuelo de Armenia.

Como se aprecia, el SPT en las cenizas volcánicas del “CASD”, cerca de la Falla de Armenia, entregó los valores mas bajos, lo cual nuevamente estaría asociado con la acción neotectónica.

Con relación a la resistencia al corte y a la consolidación, valores típicos están resumidos en la Tabla 7.

Parámetro Ceniza Volcánica

Suelo residual

LLeno

´pico Corte directo

43.4 36.9 30.7

´residual Corte directo

43.8 30.6 31.6

c´pico Corte directo

0.32kg/cm2

1kg/cm2

0.5kg/cm2

c´residual Corte directo

0.15kg/cm2

0.19kg/cm2

0.15kg/cm2

´pico Triaxial

26

c´pico Triaxial

0.07kg/cm2

CcConsolida-ción vírgen

0.332 a 1.072

0.369

CrRecompre-sión

0.023 a 0.034

0.026

eo 2.05 1.88 variable

´p kg/cm2 2.6 1.5RSCRelación de sobre-consolida-ción

Mayor a 1 y

hasta 14

Tabla 7. Propiedades de resistencia y deformación promedio de algunos materiales del subsuelo de Armenia.

En las pruebas de corte directo en cenizas volcánicas, los valores “pico” del ángulo de fricción son bastante altos y muy similares, o inclusive menores que el valor “residual”. En varias de las muestras se observó que el índice de fragilidad, IF, variaba de manera inversa al esfuerzo de consolidación, con máximos de IF hasta del 35% a bajos valores de confinamiento, y mínimos menores al 5% a mayores presiones.

En depósitos recientes, que presumiblemente no han sufrido ninguna descarga ni recarga, la historia de esfuerzos indicaría que se trata de materiales “Normalmente Consolidados”, con valores de la relación de sobreconsolidación, RSC, cercanas a la unidad. Sin embargo, las cenizas volcánicas se salen de esta norma, la cual es mas aplicable a depósitos sedimentarios de otros orígenes, y presentan valores de RSC mayores a 1. Este fenómeno se conoce como de RSC APARENTE, y se llama así, ya que la sobreconsolidación se debe a la acción de los cementantes que conforman la Estructura del material.

Con relación a los parámetros dinámicos, la Tabla 8 resume las mediciones de campo y laboratorio al respecto. Dada las dificultades de muestrear “materiales alofánicos”, cuya estructura puede verse seriamente afectada en el proceso, y debido a las características particulares de estos materiales en relación con la dependencia del comportamiento en función del contenido de humedad, es recomendable usar pruebas “in situ”.

Por ello, para evaluar los valores máximos del módulo de deformación cortante, Gmáx, el INGEOMINAS decidió usar tres métodos de campo: downhole, crosshole y refracción sísmica; de esta manera se tenían diferentes


ensayos para medir con mayor precisión un parámetro crítico en la zonificación sísmica.

Como se aprecia en la Tabla 8, las cenizas volcánicas de Armenia tienen un máximo de la velocidad de ondas de corte, Vs, de 210 m/s, obtenido con el downhole; para llenos este valor no supéró los 100 m/s. Con la columna resonante, el valor promedio de Vs en cenizas es de 168 m/s; para este material el promedio de Vs obtenido con la refracción sísmica es de 157 m/s; para los llenos ensayados este valor fue de 113 m/s, con la refracción sísmica.

Paráme-tro

Material

Vs (m/s)Downhole

Gmax(kg/cm2)

Vs (m/s)Cross-hole

Gmax(kg/cm2)

Vs (m/s)Refra-cciónSísmica

Gmax(kg/cm2)

Vs (m/s)ColumnaReso-nante

Gmax(kg/cm2)

CenizaVolcánicaAncia-nato, al SW

140 a 210 m/s

300 a 674

kg/cm2

150 m/s

344 kg/cm2

CenizaVolcánicaColegio INEM, Centro

173 m/s

458 kg/cm2

CenizaVolcánicaEl PórticoAl Norte

147 m/s

330 kg/cm2

CenizaVolcánicaBolo Club, Centro-N

152 m/s

353 kg/cm2

CenizaVolcánicaTeleArmenia

167 m/s

493 kg/cm2

CenizaVolcánicaParque Uribe

166 m/s

457 kg/cm2

CenizaCASD

172 m/s

462 kg/cm2

Llenos 100 84 m/s 113 m/s

(variable) m/s

150 kg/cm2

110 kg/cm2

195 kg/cm2

Tabla 8. Parámetros dinámicos promedio de algunos materiales del subsuelo de Armenia.

4.3 Comportamiento de muestras alteradas, para asimilar la respuesta de los llenos

Con el fin de hacerse a una idea rápida sobre el comportamiento de los llenos, se hicieron algunos ensayos de consolidación unidimensional y de compactación sobre materiales desestructurados y recompactados, provenientes de las cenizas volcánicas, el principal material con que se producen los llenos del Eje Cafetero.

Durante las consolidaciones, en cada ciclo de carga se utilizó el método del “Fin de la consolidación primaria”, FCP, haciendo los incrementos de carga cada vez que se calculaba que la deformación inducida correspondía aproximadamente al 100% de la disipación de los excesos de presión de poros. Para definir este tiempo, se usó el método definido por Taylor. La relación de incremento de carga fue de 0.5. Cumpliendo con este procedimiento, se encontró que en muestras inalteradas de ceniza se alcanzaba muy rápidamente la consolidación primaria, y que la muestra se contraía bastante durante el ensayo.

La Figura 4 muestra las curvas de consolidación de muestras de la misma ceniza volcánica, en estado inalterado y en estado desestructurado y vuelto a reconstituir, simulando a un lleno. Existe una relativa similitud en el tramo de recompresión, y evidentes diferencias en el tramo de consolidación virgen. En los llenos entonces existe una reducción de la presión de preconsolidación y de la RSC, y se llegará al tramo normalmente consolidado a esfuerzos verticales menores; al cruzar este se desarrollaran asentamientos mucho mayores, cpomparados con la respuesta de la ceniza natural, la cual presenta un esfuerzo de preconsolidación aparente.


Igualmente, para ayudar a aclarar el comportamiento de compactación de los llenos provenientes de las cenizas volcánicas, se inició un programa de ensayos. Las muestras se compactaron a la misma humedad que la ceniza natural, utilizando el molde y el equipo de ensayo del “Harvard Miniatura”. Las muestras fueron conformadas con tres capas sometidas a diferentes energías de amasado, utilizando el mismo martillo; se utilizaron 3, 5, 7, 10, 20 y 30 golpes por capa, respectivamente.

Figura 4 Consolidación unidimensional para cenizas naturales y muestras reconstituidas (Perforación 2 Caso, Armenia).

Las muestras así formadas fueron falladas en el aparato de compresión inconfinada. El resumen de las resistencias obtenidas se presentan en la Figura 5 (Forero-Dueñas y Uribe, 1999). De acuerdo con esta, en los llenos existe una tendencia a obtener la mayor resistencia a la compresión inconfinada en las muestras preparadas con un rango de amasado que se encuentra entre 5 y 10 golpes; a mayor número de golpes la resistencia tendió a decrecer. Este ensayo indicativo señala que nuevamente en los llenos en algo está influyendo la estructura original de la ceniza, de manera que si se supera una energía de compactación, la mejora del suelo no existe.

5. ZONIFICACIÓN DE MATERIALES GEOTÉCNICOS

5.1 Criterios

- Geología para Ingeniería. Con el conocimiento que se tenía (INGEOMINAS, 1992) sobre la génesis de los depósitos y la neotectónica del área, novedosa y clave a la hora de asignar zonas con mayor o menor grado de amenaza, fue posible establecer un modelo físico y de evolución. La labor subsecuente consistió en mejorar la geología y refinar los contacto entre los materiales del subsuelo en las distintas zonas de la ciudad.

- Criterios geomorfológicos. Definición de la zona de la falla de Armenia de acuerdo al ancho del escarpe, localización de distinto niveles de las terrazas de inundación y depósitos de ladera.

- Ubicación de Llenos. Por presentar características geomecánicas que en muchas ocasiones son altamente desfavorables, en particular en llenos sanitarios y en llenos de ladera, se efectuó una campaña de identificación y ubicación de los llenos antrópicos (Forero-Dueñas y Castellanos, 1999). Para estos e contó con valiosa información de la CRQ y Tesis de grado de la Facultad de Ingeniería de la Universidad del Quindío.

- Caracterización Geofísica. Con las múltiples pruebas geofísicas aplicadas, se ayudó a confirmar la estratigrafía, estructuras, propiedades geofísicas y la posición del nivel freático de los materiales del subsuelo de Armenia.

- Exploración y caracterización geotécnica “in situ”. En sitios representativos se hicieron sondeos con ensayos de campo y recuperación de muestras. Con ello se confirmaron propiedades y estratigrafía, y se calibraron los ensayos geofísicos.

- Caracterización geotécnica integral en el laboratorio: incluyendo aspectos mecánicos, mineralógicos y químicos.


Figura 5. Resultados de la compactación de cenizas volcánicas a humedad natural, con el “Harvard miniatura

Tabla 9. Materiales geotécnicos de la zonificación indicativa de Armenia.MATERIAL CARACTERÍSTICAS

IA. CENIZAS VOLCÁNICAS MAS SUPERFICIALES

Depósitos cuyo espesor llega hasta los 13m. Las cenizas tienen un tamaño menor a 2 mm. Incluye capas mas gruesas, “lapilli”, con tamaño de grano entre 2 y 64 mm. El material está constituido por una matriz compuesta en gran parte por materiales amorfos, la cual produce cambios radicales en el comportamiento físico al comparar el estado natural, húmedo (aspecto arcillo limoso), con el estado seco (aspecto arenoso). La consistencia es “Compacta”. Según la prueba de penetración estándar, la densidad relativa puede llegar hasta “Medianamente densa”. En general la tabla de agua se encuentra en la base del depósito, cerca al contacto con el suelo residual inferior, mas arcilloso. Los 13 m de espesor hacen que los períodos de vibración sean relativamente cortos, pudiendo entrar en resonancia con edificaciones de baja altura; en el Mapa del informe de zonificación (otro artículo técnico del INGEOMINAS) se presentan los espectros de diseño sugeridos.

IB. CENIZAS VOLCÁNICAS DE PROFUNDIDAD MEDIA

Depósitos cuyo espesor varía entre los 13m y los 20m. Las cenizas tienen un tamaño menor a 4 mm. Incluye capas mas gruesas, “lapilli”, con tamaño de grano entre 4 y 32 mm. El material está constituido por una matriz compuesta en gran parte por materiales amorfos, la cual produce cambios radicales en el comportamiento físico al comparar el estado natural, húmedo (aspecto arcillo limoso), con el estado seco (aspecto arenoso). La consistencia es “Compacta”.

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Deformación ( % )

Esfu

erzo

( Kg

/cm

2 )

Polinómica (20 Golpes)Polinómica (5 Golpes)Polinómica (7 Golpes)Polinómica (30 Golpes)Polinómica (10 Golpes)Polinómica (3 Golpes)


Según la prueba de penetración estándar, la densidad relativa puede llegar hasta “Medianamente densa”. En general la tabla de agua en la base del depósito, cerca al contacto con el suelo residual inferior, mas arcilloso; sin embargo, en la zona del centro, luego del sismo se encontró a 3.5m, por lo cual esta posición se debe verificar. El espesor variable entre 13 y 20m hace que los períodos de vibración sean medianos, pudiendo entrar en resonancia con edificaciones de altura mediana; en el Mapa del informe de zonificación (otro artículo técnico del INGEOMINAS) se presentan los espectros de diseño sugeridos.

IC. CENIZAS VOLCÁNICAS DE MAYOR ESPESOR

Depósitos cuyo espesor supera los 20m. Las cenizas tienen un tamaño menor a 4 mm. Incluye capas mas gruesas, “lapilli”, con tamaño de grano entre 4 y 32 mm. El material está constituido por una matriz compuesta en gran parte por materiales amorfos, la cual produce cambios radicales en el comportamiento físico al comparar el estado natural, húmedo (aspecto arcillo limoso), con el estado seco (aspecto arenoso). La consistencia es “Compacta”. Según la prueba de penetración estándar, la densidad relativa puede llegar hasta “Medianamente densa”. En general la tabla de agua en la base del depósito, cerca al contacto con el suelo residual inferior, mas arcilloso. El espesor mayor de 20m hacen que los períodos de vibración sean mayores, pudiendo entrar en resonancia con edificaciones mas elevadas; en el Mapa del informe de zonificación (otro artículo técnico del INGEOMINAS) se presentan los espectros de diseño sugeridos.

II. SUELOS RESIDUALES Y SAPROLITO

Están ubicados debajo de las cenizas volcánicas, afloran en los valles de algunas quebradas y en cortes profundos. Su espesor es del orden de 10m, con algunas variaciones locales. La parte superior corresponde a suelos residuales, producto de la meteorización de flujos volcánicos: su consistencia varía entre “Blanda” a “Compacta”. Según la prueba de penetración estándar, la densidad relativa es “Medianamente densa”. Su permeabilidad es baja. El nivel freático se encuentra aproximadamente al principio del estrato, en cercanías de las cenizas volcánicas que lo suprayacen.

La parte inferior del perfil es el saprolito, o nivel de roca descompuesta. Granulométricamente se trata de gravas en una matriz areno arcillo limosa; su consistencia es “Medianamente Compacta”, y de acuerdo con el ensayo de penetración estándar su densidad relativa varía entre “Densa” y “Muy Densa”. Se encuentran debajo de la tabla de agua.

III. SUELOS CIZALLADOS

Se ubican en la brecha de falla de la Falla de Armenia. En este sector la acción de la actividad neotectónica se ha hecho sentir sobre los materiales, reduciendo su capacidad física y sus propiedades ingenieriles. Aquí la humedad natural es mayor, como reflejo del cizallamiento. De acuerdo con el ensayo de penetración estándar, las cenizas volcánicas de esta zona pueden llegar a los 12m de espesor y tienen densidades relativas variables entre “Muy Sueltas” a “Sueltas”; el suelo residual puede llegar a los 9m, y continúa teniendo densidad relativa “Medianamente Densa”. La tabla de agua se encuentra en el contacto entre la ceniza volcánica y suelo residual.

IV. FLUJOS VOLCÁNICOS

Se trata de flujos piroclásticos y lahares; en profundidad se encuentran en toda Armenia. Son el material parental de los suelos residuales y el saprolito. Su espesor puede llegar a los 80 m. Afloran en los valles profundos del Río Quindío y la Quebrada Hojas Anchas. Su consistencia es “Dura”. Geomecánicamente se comportan como una roca, de resistencia media a baja. Son el material ideal para soportar cimentaciones profundas.

V. DEPÓSITOS COLUVIALES

Son depósitos heterogéneos de gravas en matriz limo arenosa o areno limosa. Se distribuyen en las laderas del cañón del Río Quindío. Son relativamente sueltos, permeables, y poco aptos como cimentación.

VI. DEPÓSITOS Son depósitos de río, constituidos por intercalaciones de gravas y arenas,


ALUVIALES DE TERRAZA BAJA

localizados principalmente en las márgenes del Río Quindío. Los depósitos mas bajos constituyen la llanura de inundación normal, y están a menos de 2m del nivel promedio del río. Los depósitos mas altos corresponden a la zona de crecientes excepcionales, y pueden llegar a estar a unos 3.5m del nivel normal del río. Debido a esto, no son zonas aptas para la construcción de viviendas. Son las zonas usadas tradicionalmente en la extracción de fuentes de materiales de construcción, si bien es necesario tecnificar los métodos actualmente utilizados.

VII. DEPÓSITOS ALUVIALES DE TERRAZA ALTA

Son depósitos de bloques redondeados dentro de una matriz gravo limosa. Se ubican en el cañón del río Quindío, presentan una morfología de mesetas alargadas, con alturas variables entre 15 y 30m. Son depósitos con valores “Altos” de resistencia, y su uso específico como cimentación o material de construcción deberá evaluarse localmente.

VIII. LLENOS ANTRÓPICOS MECÁNICOS

Estos pueden ser de hondonada, al llenar cauces secos en verano, de cañada, al llenar cauces activos, de media ladera y combinaciones. De acuerdo con la clase de material utilizado, los llenos son de “tierra”, producto de los cortes sobre alguno de los materiales geotécnicos I al VII, de basura, o combinados. Los Mapas 5.1 y 5.2 (del informe del INGEOMINAS) presentan el detalle de estos. Su profundidad mas frecuente se encuentra entre 5 y 10 m, seguida por llenos entre 0 y 5m, llegando a tener unos pocos que superan los 20m. Sus propiedades geomecánicas pueden variar de lleno a lleno, siendo en general pobres, si bien localmente se encontraron algunos valores de resistencia intermedios, debido a fenómenos de consolidación. En la quebrada Armenia la prueba de penetración estándar da valores de densidad relativa en la categoría “Muy Suelta”. Para efectos de cimentaciones, es conveniente considerar el no utilizar los llenos directamente sino tratar de cruzar las fundaciones hasta ya sea la ceniza, el suelo residual, el saprolito o el flujo lahárico inferior, de acuerdo con los requerimientos del proyecto, y de acuerdo con estudios detallados de suelos y cimentaciones. En un tramo del lleno de la Quebrada Armenia existen limitantes físicas adicionales al respecto, al encontrarse un colector de aguas negras debajo del lleno, el cual interferiría cualquier pilotaje o cimentación profunda (ver Mapa 5.3).

IX. LLENOS ANTRÓPICOS SANITARIOS

Los llenos sanitarios própiamente dichos son contados en Armenia, al ser llenos constituídos por basuras dispuestas en sitios definidos para tal efecto. Sin embargo, la mayoría de los llenos de basura se encuentran dispersos. Es muy frecuente igualmente el encontrar múltiples seudo-llenos sanitarios en gran proporción de las laderas de las quebradas de la ciudad. Estos llenos son los que tienen las peores características geomecánicas, siendo muy propensos a presentar deficiencias en la capacidad portante, y grandes asentamientos en las edificaciones, además de problemas de salubridad. Los Mapas 5.1 y 5.2 presentan el detalle de estos. Para efectos de cimentaciones, es conveniente considerar el no utilizar los llenos directamente sino tratar de cruzar las fundaciones hasta ya sea la ceniza, el suelo residual, el saprolito o el flujo lahárico inferior, de acuerdo con los requerimientos del proyecto.

X. LLENOS NATURALES

Constituidos por materiales finos, transportados y sedimentados por acción de corrientes y lagunas. Fueron creados por la dinámica del lugar, por ejemplo al levantarse la parte sur de Armenia con respecto a la Norte, por acción de la Falla de Armenia. Esto produjo el truncamiento de algunos cauces, y la creación de zonas de sedimentación natural, entre las cuales la mas importante se ubica en el centro de la ciudad, en los alrededores del lleno antrópico de la quebrada Armenia. Geomecánicamente se encuentran entre las cenizas volcánicas y los llenos antrópicos mecánicos. A veces es complicado diferenciarlos de las cenizas volcánicas, por lo cual se utilizaron criterios geomorfológicos para tal efecto. En esta zona y en la de los llenos antrópicos, se concentraron los daños observados durante el terremoto de enero 25 de 1999. Al igual que para las cenizas volcánicas, el nivel freático se encuentra en el contacto con el suelo residual suprayacente.


Tabla 9. Materiales geotécnicos de la zonificación indicativa de Armenia. - Aspectos sísmicos: considerando la

profundidad de las cenizas volcánicas, como un elemento relacionado con los niveles de daños durante el sismo.

5.2 Zonificación Geotécnica

La Tabla 9 presenta el resumen de las zonas definidas como típicas de los materiales del subsuelo de Armenia. Igualmente el Mapa 2 las resume.

6. CONCLUSIONES

6.1 Criterios de caracterización.

- La caracterización combinó criterios de geología para ingeniería, geomorfología, geofísica y geotecnia “integral”. Esto permitió optimizar la exploración y culminar el proyecto en un tiempo récord de 3.5 meses (Abril a Julio de 1999).

- El mapa de materiales geotécnicos incluye 10 zonas. En este se indica la localización y geometría de estas, y su posible conexión con la resonancia. El mapa combina criterios estáticos y dinámicos, tal y como lo exige el medio físico de Armenia.

6.2 Características de las cenizas volcánicas

- Las cenizas (piroclastos de caída) hacen parte de los “suelos alofánicos”, término genérico usado en la literatura mundial para referirse a “aluminosilicatos hidratados no cristalinos”.

- Los suelos alofánicos sufren cambios volumétricos y estructurales durante el secado al aire, los cuales son irreversibles. En estado seco se comportan como otro material: “arenosas” cuando secas y “plásticas” cuando húmedas.

- Al ser descritos como “geles”, se propone un modelo micro-estructural conformado por enlaces siloxano (Si-O-

Si) cuyas características permiten explicar en gran parte el comportamiento.

- La mineralogía de de rayos X, los métodos químicos (oxalato ácido de amonio) y la microscopía indican que los materiales amorfos dominan la estructura; esto coincide con la clasificación como geles y como materiales alofánicos.

- Debido a los pequeños tamaños de poro. En las alófanas el fenómeno de la capilaridad y las succiones asociadas, constituye un mecanismo físico de estabilidad.

- Se propone un modelo microestructural para las cenizas.

- Se propone un método alterno para efectuar los límites de Atterberg.

- Los llenos provenientes de cenizas, muestran características de resistencia y compresibilidad distintas e inferiores a las del material originario.

6.3 Características dinámicas de los materiales

- En las cenizas volcánicas la velocidad de ondas de corte, Vs, varió entre 140 a 210 m/s con los ensayos downhole, y tuvo un valor promedio de 150 m/s con los ensayos crosshole. La refracción sísmica dio valores entre 147 y 173 m/s. Los ensayos con columna resonante entregaron valores de Vs entre 166 y 172 m/s.

- Los valores de módulo de corte, Gmax, para las cenizas volcánicas variaron entre 300 a 674 kg/cm2 con los downhole y tuvieron un valor promedio de 344 kg/cm2

con el crosshole, y valores entre 330 a 458 kg/cm2 con la refracción sísmica. La columna resonante entregó valores de Gmax entre 457 y 493 kg/cm2.

- En el caso de los llenos, los downhole dieron valores de Vs menores de 100 m/s. Los crosshole dieron un promedio de 84 m/s y la refracción sísmica un promedio de 113 m/s.

- Para los llenos los valores de Gmax variaron entre 150 con los downhole, 110 con los crosshole y 195 con la refracción sísmica. Algunos llenos han tenido el


efecto de sobrecargas y mejoras eventuales por drenaje, por lo cual estos valores pueden variar.

7. REFERENCIAS

- BERGNA, H.E. The colloid chemistry of silica. In Advances in Chemistry series. 234. Sociedad Química Americana. 1994.

- BUCKINGHAM, E. Studies of the movement of soil moisture. US Dept. Agr. Cur. Soils Bulletin. 38. 1907.

- BUOL, S.W., HOLE, F.D. and McCRACKEN, R.J. Génesis y clasificación de suelos. Editorial Trillas. 1988.

- BURLAND, J.B. On the compressibility and shear strength of natural clays. Géotechnique. 40, 3, 329-378. 1990.

- CARMAN, P.C. Transactions Faraday Society. 36. Londres, 964-973. 1940.

- CRILLY, M.S and CHANDLER, R.J. A method of determining the state of desiccation in clay soils. BRE Information Paper, IP 4-93. Londres. 1993.

- FIELDES, M. and CLARIDGE, G.G.C. In Inorganic Components. J. E. Gieseking Ed. Soil Components. 2. 351-393. Springler-Verlag. 1975.

- FREDLUND, D.G. The scope of unsaturated soil mechanics: an overview. Memorias Primera Conferencia de suelos parcialmente saturados. 2. 1155-1177. París. Balkema.

- FREDLUND, D.G. Negative pore-pressures in slope stability. Primer Congreso Sramericano de Deslizamienttos. Paipa. 1989.

- FORERO-DUEÑAS, C.A. Chatacterisation of a silica-gel as a geotechnical cement. Imperial College of Science, Technology and Medicine. PhD Thesis. Londres. 1998.

- FORERO-DUEÑAS, C.A., BRISCOE, B.J., BUTENUTH, C., DE FREITAS, M.H., LAWRENCE, C.J., LUCKHAM, P., OZCAN, N. and PARSONAGE, D. Shear modulus-time variations of a silica-gel.

Tercer Congreso Mundial de Tecnología de Partículas. Brighton, UK. 1998ª.

- FORERO-DUEÑAS, C.A., BRISCOE, B.J., BUTENUTH, C., DE FREITAS, M.H., C.J., LUCKHAM, P., and OZCAN, N. Influence of water content on the mechanical properties of a silica-gel. Tercer Congreso Mundial de Tecnología de Partículas. Brighton, UK. 1998b.

- IMTA. Claves para la Taxonomía de Suelos. Instituto mexicano de Tecnología del agua. México. 1990.

- IGAC. Andosoles. Malagón, D. y Pulido, C. Bogotá. 1991.

- INGEOMINAS. Evaluación de amenazas geológicas y zonificación geotécnica preliminar de la ciudad de Armenia. Moreno, M., Vergara, H. Y Ávila, G. Ibagué. 1992.

- INGEOMINAS. El sismo de enero 25 de 1999. Informe de Emergencia # 1. Caro, P., Forero-Dueñas, C.A., Mejía, I., Ojeda, J., Parra, E. y otros. Bogotá, Febrero 1999.

- INGEOMINAS. Efectos del sismo del 25 de Enero de 199 en el Sur-Este del Departamento del Quindío. Parra, E. y Mejía, I. Medellín, Febrero 1999.

- INGEOMINAS. El sismo de enero 25 de 1999. Informe de Emergencia # 2. Caro, P., Forero-Dueñas, C.A., Moreno, M., García, J., Rodríguez, E., y otros Bogotá, Marzo 1999.

- INGEOMINAS. Terremoto del Quindío, Enero 25 de 1999. Informe Técnico-Científico, Volumen II. Zonificación Sismogeotécnica Indicativa para la Reconstrucción de Armenia. Capítulo 5: Caracterización Geotécnica General del Subsuelo, por Carlos A. Forero-Dueñas y Edgar J. Carrillo-Lombana (colaboración en GIS). Bogotá, Julio 1999.

- MAEDA, T., TAKENAKA, H. and WARKENTIN, B.P. Physical properties of allophane soils. Avances Agronomy. 29. 229-264. 1977.

- MITCHELL, J.K. Foundamentals of soil behaviour. John Wiley and sons. 1976.

- TERZAGHI, K. y PECK, R. Mecánica de suelos en la Ingeniería Práctica. John Wiley and sons. 1955.


- WADA, K. Ando soils in Japan. Kyushu University Press. 1986.

8. AGRADECIMIENTOS

Los autores de este artículo desean agradecer a las Instituciones y personas que colaboraron en las distintas etapas del desarrollo de este proyecto. Entre ellas están, fuera del INGEOMINAS: CRQ, Alcaldía de Armenia, Dr. Alfonso López Reina, Geóloga Adriana L. Duque, y Geólogo Santiago Villegas.

Y dentro del INGEOMINAS: Dr. Adolfo Alarcón Guzmán, Dr. Álvaro J. González G., Ing. Roberto Villarraga, Geóloga Gloria Rodríguez , Agrólogo William Fino e Ing. Francisco Javier Moreno; igualmente al personal del Laboratorio de Geotecnia, incluyendo a los Ingenieros Adriana Pazos, Adriana Ortíz, e Iván Pinzón, así como a los señores Fabián Ulloa, Francisco Uribe, Alfonso Sánchez, Manuel Caviedes, Gumercindo Suárez y Ana Alvarado.

Documents

Zonif. geotéc Armenia Forer~80