A5ORRJ_1

Caracterización y zonificación geológica y geotécnica del subsuelo de la
ciudad de Tuxtla Gutiérrez.
Jorge Ordóñez1, Gabriel Auvinet2 y Moisés Juárez2
1Facultad
de Ingeniería, Un.A.Ch.
de Ingeniería, UNAM
2Instituto
RESUMEN: Se presentan en este artículo los resultados de una investigación experimental de campo y laboratorio
sobre el subsuelo de la ciudad de Tuxtla Gutiérrez. Se describe la ubicación y la topografía de la zona en estudio. Se
describe la geología de la región y, como resultado de los trabajos de investigación, se presenta un mapa geológico del
valle de la ciudad. Se describe la integración de la cuenca del río Sabinal ubicada en la región hidrológica N o 30 y su
conformación por 15 subcuencas, siendo el río Sabinal el dren más importante del valle que desaloja las aguas pluviales
al río Grijalva. Se presentan los registros climatológicos. Después de una breve introducción a la mecánica de suelos no
saturados, se presenta la caracterización geotécnica de los estratos de arcillas expansivas y “lutitas” que presentan
riesgos geotécnicos, causados por las expansiones y los deslizamientos de taludes o laderas. Finalmente, se propone
una actualización del mapa de zonificación geotécnica, como resultado de los trabajos de investigación realizados en los
últimos cinco años.
ABSTRACT: The results of an experimental field and laboratory research on the subsoil of the city of Tuxtla Gutiérrez are
presented in this article. The location of the study area and topography of the site are described. The geology of the
region is discussed and, as a result of the investigation, a geological map of the valley of the city is presented. Integration
of Sabinal River Basin, located in hydrologic region No 30 with 15 subbasins, is described. The Sabinal River valley is
the main drain of rain water towards the Grijalva River. Climatological records are presented. After a brief introduction to
unsaturated soils mechanics, geotechnical characterization of the expansive clays and “shale” presenting geotechnical
risks, mainly expansions and landslides, is presented. Finally, as a result of the research work performed during the last
five years, an updated geotechnical zoning map is proposed.
1 INTRODUCCIÓN
3. TOPOGRAFÍA
La ciudad de Tuxtla Gutiérrez se localiza en la
región central del estado. Para realizar la
caracterización y zonificación geológica y geotécnica
del subsuelo de la ciudad, se desarrolló una
investigación experimental de campo y de laboratorio
cuyos resultados se presentan en este trabajo.
En la figura 1, se presenta el plano topográfico de la
ciudad. La orografía de Tuxtla Gutiérrez está conformada por dos montañas separadas por una planicie. La primera montaña se eleva a partir del libramiento norte y alcanza la cota del margen superior
del Cañón del Sumidero, de aproximadamente 800
msnm.
2. DESCRIPCIÓN DE LA ZONA EN ESTUDIO
El estado de Chiapas se localiza en el sureste de
la República Mexicana; colinda al norte con el estado
de Tabasco, al sur con el Océano Pacífico, al oeste
con los estados de Veracruz y Oaxaca y al este con
la República de Guatemala.
La ciudad de Tuxtla Gutiérrez, capital del estado,
se localiza en la región central de la entidad, con las
coordenadas siguientes, 16°45’56’’ de Latitud Norte y
93°06’56’’ de Longitud Oeste y se ubica a una
elevación de 550 msnm. Tiene una extensión
territorial de 412.4 km2, que representa el 0.51% de
la extensión estatal. El clima es de tipo cálido y
subhúmedo; la temperatura media anual es de
24.5°C. La temporada de lluvias se presenta entre
los meses de mayo y octubre y la precipitación
pluvial anual es alrededor de 900 mm.
Cañón del
sumidero
1000 m
600 m
Área urbana de la ciudad
500 m
Figura 1. Plano topográfico de la ciudad de Tuxtla
Gutiérrez. (Fuente: INEGI, 2009)
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
2
Caracterización y zonificación geológica y geotécnica del subsuelo de la ciudad de Tuxtla Gutiérrez
La planicie del centro de la ciudad registra cotas de
505 msnm; el cauce del río Sabinal desciende hasta
los 500 msnm y constituye el dren pluvial más importante de la ciudad. La cota de referencia (526 msnm)
está materializada en el asta bandera del Zócalo. En
la parte sur de la ciudad, la segunda montaña inicia a
partir del libramiento sur y se extiende hasta la meseta de Copoya que alcanza niveles topográficos de
700 msnm.
4 MARCO GEOLÓGICO
4.1 Geología de la región
El valle de la ciudad de Tuxtla Gutiérrez, se localiza
en la porción central occidental del estado. De
acuerdo con la clasificación de las provincias fisiográficas de México, delimitadas y propuestas por
Raíz (1964), forma parte de la provincia denominada
“Depresión central del Estado de Chiapas” y de la altiplanicie Chiapas-Guatemala.
La depresión central de Chiapas es una franja de
terreno prácticamente plana. Se extiende desde la
frontera con la República de Guatemala hacia al noroeste y termina aproximadamente a 80 km antes de
alcanzar el límite con el estado de Oaxaca. Corresponde a un sinclinal donde afloran principalmente rocas cenozoicas, que son suaves y poco resistentes a
la erosión por lo que, en el transcurso del tiempo, el
río Grijalva ha modelado un ancho valle, aplanándolo
en su mayor parte, como se observa en la figura 2
(final del texto). La depresión central desciende gradualmente desde 600 msnm y en la zona central de
la ciudad hasta 500 msnm. La ciudad de Chiapa de
Corzo, se localiza en el límite occidental del valle; en
la plaza central la cota es de 400 msnm. En esta ciudad se inician los afloramientos de las cadenas frontales de la Sierra Madre de Chiapas, que alcanza relieves de hasta 950 msnm. En esta zona se pierde el
valle de la depresión central y se confunde con las
altas mesetas de las subprovincias de la Sierra Madre de Chiapas.
4.2 Contribución geológica
El valle de Tuxtla Gutiérrez está enmarcado
geológicamente por secuencias de sedimentos
marinos de edad Cretácico inferior-Terciario medio
deformadas por dos eventos orogénicos, uno del
Cretácico superior-Terciario inferior (orogenia
Laramide) y otro del terciario medio (orogenia
Chiapaneca).
La primera de estas orogenias deformó la
secuencia hasta las unidades del Cretácico superior
y originó los pliegues y cabalgaduras más antiguos
que se observan en las cercanías de la ciudad los
cuales, al igual que las formaciones de la Sierra
Madre Oriental, presentan orientaciones NW-SE.
No obstante, se verificó que en el terciario medio
(Mioceno) se presentó un nuevo impulso tectónico
que redeformó la secuencia ya afectada por la
orogenia Laramide, apretando aún más los pliegues
previos. Este fenómeno deformó en una primera
ocasión, aquellas secuencias marinas del Terciario
medio que se habían formado después de la
orogenia Laramide.
El resultado es un paisaje con pliegues
intensamente apretados que, a manera de isoclinal,
chocaron desde el norte contra el macizo granítico
de Chiapas. Destacan, en este conjunto litológico
deformado, amplios pliegues formados por
secuencias calcáreas de arrecife que resistieron los
empujes orogénicos, deformándose relativamente
con respecto a las secuencias de estratos más
delgados que chocaron contra ellos. Se encuentran
al pie de los pliegues, las secuencias aluvio-fluviales
y hasta derrubios asociados a la erosión e
inestabilidad de las formaciones marinas plegadas.
Al norte de la ciudad, se distinguen cubiertas
calichosas irregulares que descansan sobre las
calizas formando suelos resistentes; hacia el sur se
encuentran las secuencias aluviales modernas del
río Sabinal que describen una delgada franja
orientada casi al W-E, compuesta por capas
superficiales de arenas y limos que descansan sobre
capas de espesor irregular formadas por arcillas
derivadas de la alteración por intemperismo de las
lutitas subyacentes.
En la región sur de la ciudad, dominan los flancos
septentrionales de la meseta Copoya, conformados
en su porción inferior por “lutitas” de edad
paleocénica cubiertas por suelos residuales
arcillosos derivados del intemperismo de las mismas
“lutitas”; en su porción media-superior dominan
derrubios asociados a deslizamientos originados en
las porciones abruptas más altas de la meseta; estos
derrubios están ligados a la estabilidad dictada por el
borde sur de un colapso kárstico localizado en la
región central de la ciudad.
Hacia la porción occidental del municipio de Tuxtla
Gutiérrez, destaca una franja aluvial de forma
rectangular orientada al SW-NE, que se asocia a la
fosa tectónica con orientación idéntica denominada
como Fosa Terán; esta fosa tectónica debió cortar la
meseta Copoya con la zona donde se encuentra el
municipio Berriozábal y debe marcar la existencia de
mayores espesores de rellenos aluvio-fluviales. En la
figura 3 (final del texto), se presenta el mapa que
describe el entorno geológico estructural del valle de
Tuxtla Gutiérrez (Geortec, Zúñiga y Ordóñez, 2013).
A partir de la información anterior, la formación
física del valle de Tuxtla Gutiérrez, está definida por
la presencia de cuatro rasgos geológicoestructurales.
Estos
deben
influir
en
el
comportamiento del subsuelo ante el efecto de las
ondas sísmicas y están parcialmente influenciados
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
Ordóñez, J.et al.
por la disposición de las unidades litoestratigráficas;
se presentan los rasgos geoestructurales en la figura
4 (final del texto).
 La cabalgadura existente entre dos pliegues o
elementos orogénicos debe pasar aproximadamente por debajo de la traza del río Sabinal; al
norte se observa un pliegue formado por calizas y
calizas intercaladas con “lutitas” del Cretácico inferior. Al sur se observan los elementos de un
pliegue formado por “lutitas” que están cubiertas
discordantemente por calizas y calizas con intercalaciones de areniscas del Terciario medio formando la meseta de Copoya.
 La existencia de un colapso cárstico en la porción
central de la ciudad, que afecta parcialmente el
pliegue de norte a sur de la meseta de Copoya.
Dentro de este colapso, de traza casi elíptica, deben encontrarse rellenos constituidos por rocas
fragmentadas asociadas al mismo colapso y también por rellenos aluviales.
 El trazo del río Sabinal está ligado con un fracturamiento superficial del terreno que presenta un
curso de traza quebrada zigzagueante. Esta formación física permite que el río sea el dren pluvial
de esta porción de la Depresión Central.
 La Fosa Terán se localiza en el extremo poniente
de la ciudad. Está orientada al SW-NE, corta las
secuencias sedimentarias marinas y representa el
hundimiento topográfico que debió rellenarse parcialmente con importantes secuencias aluviales y
fluviales.
5 HIDROLOGIA
El valle de Tuxtla Gutiérrez se encuentra en la
cuenca del río Sabinal, llamado así porque a finales
del siglo XIX y principios del XX existían en sus
márgenes árboles de la especie denominada Sabino,
que actualmente todavía existen (Domínguez et al.,
1997). Es el drenaje principal del valle de Tuxtla
Gutiérrez, con un área aproximada de 407 km2
(López, 2006). Su confluencia con el río Grijalva se
presenta a la altura de la meseta conocida como
Nido de Águilas, punto de entrada del río al Cañón
del Sumidero (fig. 5). La cuenca del río Sabinal está
ubicada en la región hidrológica No 30, conocida
como
Grijalva-Usumacinta
o
Grijalva-Tuxtla
Gutiérrez, y está formada por 15 subcuencas.
La cuenca del río Sabinal está delimitada por una
serie de mesetas en su parte sur, entre las que
destacan las denominadas como Tierra Colorada,
Loma larga y Nido de Águilas. La cuenca presenta
un parteaguas que delimita al lado norte un conjunto
de sierras cuya altitud no rebasa los 1200 msnm;
esto permite que el relieve presente una serie de
lomeríos de pendientes suaves y constituye un
modelo erosional representativo de una
densidad de drenaje (Domínguez et al., 1996).
3
baja
Figura 5. Ubicación geográfica y sistema de drenaje de la
cuenca del río Sabinal. López, 2006 (Ordóñez, 2013).
6 CLIMATOLOGÍA
Los registros de temperatura indican que el clima
tiende a ser semicálido en la región poniente de la
cuenca (San Fernando y Berriozábal); la temperatura
media anual se aproxima a los 22°C. El clima tiende
a ser muy cálido hacia el oriente de la ciudad y se
tienen registros de que la temperatura media es
aproximadamente de 26°C, sin llegar a los límites
establecidos. La temperatura media anual varía de
los 22° a 26°C (López, 2006). En la figura 6, se
presentan las temperaturas medias anuales de la
cuenca del río Sabinal.
Figura 6. Temperaturas medias en la cuenca del río
Sabinal (López, 2006)
La cuenca presenta lluvias del tipo convectivo; se
registran precipitaciones anuales de 955.8 mm. La
mayor precipitación pluvial se presenta durante los
meses de mayo a octubre, con un valor acumulado
de 916.8 mm y representa un 95% de la precipitación
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
4
Caracterización y zonificación geológica y geotécnica del subsuelo de la ciudad de Tuxtla Gutiérrez
anual. Los registros indican que los meses de junio a
septiembre son los de mayor precipitación pluvial y la
media mensual es de 216.6 mm, como se observa
en la figura 7 (López, 2006).
Figura 7. Precipitación media mensual en la cuenca del
río Sabinal (López, 2006).
7 CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA
Para realizar este proyecto de investigación, se
desarrolló un programa experimental de campo y de
laboratorio, con el objetivo de ampliar la información
geotécnica del subsuelo de la ciudad de Tuxtla Gutiérrez. A la fecha se han realizado más de 767 sondeos pozos a cielo abierto (PCA), penetración estándar (SPT) y sondeos profundos mixtos (SPM). En la
publicación realizada sobre la zonificación geotécnica (Ordóñez, 2008), se presentan las características
del subsuelo de la ciudad, conformado por estratos
de arcillas expansivas y “lutitas”; estratos de “rocas
lutitas” y calizas. Las arcillas presentan durante un
ciclo anual de lluvias y estiaje, un comportamiento de
suelos saturados y no saturados. Para la elaboración
del nuevo mapa de zonificación geotécnica se realizaron sondeos en las tres zonas; en la tabla 1, se
presentan el tipo y número de sondeos. Toda la información geotécnica actual está registrada en un
sistema informático, la información se concentró en
tablas, perfiles y cortes estratigráficos tradicionales y
se tienen registros estadísticos de varios sitios de la
ciudad.
Tabla 1. Tipo y número de sondeos realizados (Ordóñez, 2009-2013).
Tipo de sondeo y número
Zona Geotécnica
PCA
SPM
A
105
243
B
86
92
C
11
11
Total de sondeos
202
346
7.1 Introducción a la mecánica de suelos saturados y
no saturados
La mecánica de suelos tradicional hace énfasis en
los principios que permiten resolver problemas
relacionados con los suelos saturados. En la
naturaleza, una parte importante de la superficie de
la tierra está constituida por áreas áridas y
semiáridas por las condiciones climáticas y, como
resultado de estas condiciones ambientales, muchos
de estos suelos se encuentran en condiciones no
saturadas. La mecánica de suelos puede dividirse
en: mecánica de suelos saturados y mecánica de
suelos no saturados.
 Suelos saturados
Para el caso de suelos saturados, Terzaghi (1936)
definió el concepto de esfuerzo efectivo con la
expresión:  '  uw. Los suelos saturados
presentan dos fases: líquida y sólida; en estas
condiciones de saturación, la presión de poro (uw) es
generalmente positiva en relación a la presión
atmosférica. Los procesos de cambio de volumen y
las características de resistencia al esfuerzo cortante
de un suelo saturado están controlados por los
esfuerzos efectivos. El concepto de esfuerzos
efectivos es la base fundamental para estudiar la
mecánica de suelos saturados.
 Suelos no saturados
En la estructura de los suelos no saturados
generalmente se consideran que existen tres fases:
aire, agua y sólidos (Lambe y Whitman, 1979).
Recientemente, la capa contráctil, interfaz agua-aire,
se introdujo como una cuarta fase independiente
para el análisis teórico de esfuerzos al interior de la
estructura del suelo (Fredlund y Morgenstern, 1977).
En la figura 8, se presenta un elemento de suelo
parcialmente saturado con las tres fases y la capa
contráctil. La fase de aire consiste en la oclusión de
bulbos de aire; el fluido es significativamente
compresible.
En los suelos parcialmente saturados la presión
en el agua se considera negativa (succión) en
relación a la presión del aire. El agua está sujeta a
fenómenos de capilaridad y de absorción que, al
combinarse, generan una matriz de esfuerzos en la
estructura del suelo, produciendo la succión
matricial. Bishop (1959) propuso la ecuación: ´= (
- ua) + (ua – uw), donde ua es la presión de poro del
aire y uw es la presión de poro del agua. Cuando el
valor de uw se aproxima a ua, la succión decrece y el
grado de saturación se incrementa; cuando (ua –
uw) tiende a la unidad, entonces el suelo está
saturado; el parámetro  es unitario para un suelo
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
5
Ordóñez, J.et al.
saturado y nulo para un suelo seco. En suelos
parcialmente saturados con presencia de minerales
como la montmorilonita y la ilita, el paso del estado
seco a saturado conduce a expansiones
significativas.
Figura 9. Clasificación del potencial de expansión en función del límite líquido y el índice de contracción. Método
de Dakshamurthy y Raman (1973). Zona urbana poniente.
Baja exp.
No - Plastica
Plastica
Medio exp.
Alta exp.
Muy alta
Plastica
Plastica
Plastica
Extr. alta
Plastica
70
70
CE
60
Figura 8. Elemento de suelo parcialmente saturado con
tres fases y la capa contráctil.
60
ME
50
CH
MV
40
CI
40
CL
30
30
MH
M
20
Métodos indirectos (propiedades índice)
El potencial de expansión de las arcillas del
subsuelo de la ciudad, se puede clasificar a partir de
los resultados de las propiedades índice de
diferentes sitios. Se seleccionó el método de
Dakshamurthy y Raman (1973), basado en los
límites de consistencia
para clasificar la
expansividad de las arcillas así como los criterios de
Seed, Woodward y Lungren (1962) y Merwe (1964 y
1975), que toman en cuenta el porcentaje de
partículas menores a 0.002 mm, y la actividad de la
arcilla. El límite líquido, las partículas finas y la
variación del contenido de agua influyen de manera
directa en el potencial de expansión de las arcillas.
En las figuras 9 a 11, se presenta el potencial de
expansión de las arcillas de las zonas urbanas
poniente y oriente de la ciudad respectivamente.
20
MI
10
10
ML
0
0
10
20
30
40
50
60
70
90
80
100
110
120
0
Limite Liquido (%)
Figura 10. Clasificación del potencial de expansión en
función del límite líquido y el índice de contracción.
Método de Dakshamurthy y Raman (1973). Zona urbana
oriente.
5
4
Actividad
Los estratos de arcillas con características
expansivas se ubican en la zona geotécnica A
(Ordóñez, 2008) y se encuentran en la mayor parte
de la zona urbana en lo que, por los niveles
topográficos de 500 a 530 msnm, se considera como
la planicie del valle.
Indice de retraccion (%)
7.2 Clasificación e identificación de suelos expansivos con métodos indirectos y directos
50
Índice de contracción (%)
Indice de plasticidad (%)
CV
3
2
Muy alto
Alto
Medio
1
Bajo
25 %
5%
1,5 %
Potencial de
hinchamiento
0
0
10
20
40
30
70
50
60
% de particulas < 0.0002 mm
80
90
100
Figura 11. Clasificación del potencial de expansión en
función de la actividad y del porcentaje de partículas
finas<0.002 mm. Criterio de Seed, Woodward y Lungren
(1962).
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
6
Caracterización y zonificación geológica y geotécnica del subsuelo de la ciudad de Tuxtla Gutiérrez
Porcentaje de partículas finas <0.002 mm
Figura 12. Clasificación del potencial de expansión en
función del índice plástico (PI) y % de partículas finas<0.002 mm. Criterio de Merwe (1964-1975).
El primer ensayo corresponde al sondeo A-268 y
se realiza con wi=24.14% y wf=31.2% y una presión
inicial o=0.12 kg/cm2 (12 kPa). La diferencia de
contenido de agua es ∆w=7.06%. Con estos
parámetros y el wL=74%, la presión de expansión es
de s=3.4 kg/cm2 (340 kPa). Aplicando la ecuación
de Weston con p=340 kPa, se obtiene efectivamente
una expansión baja (E=0.89%).
El segundo ensayo corresponde al sondeo A-263
y se realiza con wi=21.16% y wf=31.63% y presión
inicial o=0.2 kg/cm2 (20 kPa). La diferencia de
contenido de agua es ∆w=9.65%. Con estos
parámetros y el wL=59%, la presión de expansión es
de s=2.6 kg/cm2 (260 kPa). Al aplicar la ecuación de
Weston con p=260 kPa, la expansión resulta
nuevamente baja (E=0.55%).
Se presentan en las figuras 13 (a y b) los
resultados de los dos ensayos en la modalidad de
consolidación – expansión.
Métodos directos
Se presentan los resultados de los ensayos realizados en el consolidómetro para determinar la presión
de expansión para diferentes contenidos de agua,
contenidos de partículas finas y límite líquido. Se
presentan los resultados de dos modalidades más
empleadas para determinar la presión de expansión
de las arcillas de características expansivas. Se aplica la ecuación de Weston (ec. 1, 1980), para determinar los perfiles de expansión con la presión de esfuerzos verticales y se comparan los resultados con
los de ensayos de expansión obtenidos en el consolidómetro (E, % y s, kPa).
E (%)= (0.000411) (wLw)4.17(p)-0.386(wi)-2.33
(1)
(a)
donde: E = expansión en %, wLw= límite líquido ponderado en %, p = presión o esfuerzo vertical en kPa,
wi = contenido de agua en %.
a) Ensayo de consolidación – expansión (edómetro
simple)
En la tabla 2, se presentan los parámetros
geotécnicos de las muestras inalteradas de los
sondeos A-268 y A-263.
Tabla 2. Parámetros geotécnicos de las muestras de
suelos ensayadas en el consolidómetro.
Clave
Prof.
m
d1
d2
sondeo
(m)
(kg/m3)
(kg/m3)
(kg/m3)
(b)
A-268
2.5
1890
1520
1440
A-263
2.5
1850
1530
1410
Figura 13. Resultados de los ensayos de
consolidación-expansión; sondeos (A-268 y A-263)
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
Ordóñez, J.et al.
7
b) Ensayo doble en el consolidómetro (Zeevaert,
1982).
En la tabla 3, se presentan los parámetros
geotécnicos de las muestras inalteradas de los
sondeos A-011 y A-268.
(1)
(2)
Tabla 3. Parámetros geotécnicos de las muestras
ensayadas en el consolidómetro.
sondeo
(m)
(kg/m3)
(kg/m3)
(kg/m3)
(kg/m3)
A-011
2.5
1700
1700
1356
1410
A-268
2.5
1740
1740
1430
1319
En cuanto a los ensayos del sondeo A-011, se
realiza el ensayo (1) con wi=25.35% y el ensayo (2)
con wf=31.2%, la diferencia de contenido de agua es
∆w=4.08%; en los dos ensayos se mantiene el
contenido de agua inicial constante en todo el
ensayo. En la figura 16 (a, b, c y d), se presentan los
resultados de los dos ensayos, se observa que la
expansión máxima es ∆=2.2% y en la intersección
de las curvas e-log p, se define la magnitud de la
presión de expansión s=0.5 kg/cm2 (50 kPa).
(c)
(1)
w = 25.35%
Sr = 68.7%
(d)
Figura 16. Resultados del doble ensayo en el
consolidómetro, sondeo (A-011).
(a)
(2)
w = 20.55%
Sr = 59.74%
Con las muestras del sondeo A-268, se realiza el
ensayo (1) con wi=21.66% y el ensayo (2) con
wi=31.89%, la diferencia de contenido de agua es
∆w=10.23%; en los dos ensayos se mantiene el
contenido de agua inicial constante en todo el
ensayo. En la figura 17 (a, b, c y d), se presentan los
resultados de los dos ensayos, se observa que la
expansión máxima es ∆=6.58% y en la intersección
de las curvas e-log p, se define la magnitud de la
presión de expansión s=2.5 kg/cm2 (250 kPa).
(b)
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
8
Caracterización y zonificación geológica y geotécnica del subsuelo de la ciudad de Tuxtla Gutiérrez
(1)
w = 21.66%
Sr = 65%
(a)
(d)
(2)
w = 31.89%
Sr = 81%
Figura 17. Resultados del doble ensayo en el
consolidómetro, sondeo (A-268)
7.3 Zona activa
(b)
(2)
(1)
(c)
Se construyen los perfiles de la zona activa a
partir de la relación contenido de agua entre el índice
de plasticidad y la profundidad (w/PI, z). La variación
del contenido de agua del estrato de arcilla con la
profundidad define la profundidad de la zona activa.
La variación del contenido de agua en un ciclo anual
de estiaje y lluvias influye de manera directa en el
comportamiento del perfil de la zona activa del
estrato de arcilla. La definición de la profundidad o
espesor de la zona activa de los suelos expansivos,
es de gran utilidad para el diseño geotécnico de una
estructura de ingeniería.
Las
propiedades
índice
y
mecánicas,
determinadas en los trabajos experimentales de
campo
y laboratorio
permiten realizar la
caracterización de las arcillas expansivas del
subsuelo de la ciudad. Al aplicar los métodos
indirectos con los resultados presentados se puede
concluir que las arcillas expansivas presentan
potencial de expansión de medio, alto a muy alto.
Los métodos directos confirman esta clasificación y
los resultados de los ensayos realizados en el
consolidómetro indican que para wL60% y
variaciones de contenido de agua en la zona activa
con ∆w6%, se registran presiones de expansión
s=1.5 kg/cm2 (150 kPa). Estos valores de presión
de expansión indican que las arcillas del subsuelo de
la ciudad son de alta a muy alta expansividad.
Esta zona geotécnica, por las características del
subsuelo, está considerada entre las áreas urbanas
que presentan altos riesgos geotécnicos.
7.4 Caracterización de los estratos de arcillas “lutitas”
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
9
Ordóñez, J.et al.
Los estratos de arcillas “lutitas” se ubican en la
zona geotécnica B (Ordoñez, 2008) y se encuentran
en la zona urbana sur-oriente y poniente de la ciudad
donde los niveles topográficos varían de 530 a 700
msnm, hasta la meseta de Copoya. Esta zona
presenta una estructura conformada por lomeríos de
pendientes  50 a 60 grados y taludes y laderas con
pendientes  6 a 15 grados.
(a)
Antecedentes
En las áreas urbanas de la zona sur-oriente y
poniente de la ciudad, el subsuelo está conformado
por estratos de suelos y rocas conocidos en la
literatura de la geotecnia como “lutitas”. El estrato
superior, de 0 a 7 m de espesor, está constituido por
arcilla de color café claro, de media a baja y alta
compresibilidad (CL y CH), con incrustaciones de
estratos de arenas y gravas que, en ocasiones,
predominan en porcentajes sobre las arcillas. Al
clasificarlos en el Sistema Unificado de Clasificación
de Suelos, se definen como arenas con arcillas (SC)
o gravas con arcillas (GC). Los estratos de suelos
que conforman los taludes naturales del sitio en
estudio, se comportan en un ciclo anual de lluvias y
estiaje, alternativamente como suelos saturados y no
saturados.
En época de estiaje, las arcillas “lutitas” (producto
de la alteración de rocas lutitas), por la conformación
de su microestructura, presentan fisuras y
agrietamientos, generados por desecación y por el
incremento de la presión de poro del aire (ua). Al
disminuir el contenido del agua se presentan
desprendimientos verticales en los taludes con
ángulos de inclinación >60°, que se depositan al pie
del talud. En temporada de lluvias se reactivan las
corrientes o flujos de agua y se incrementa el
contenido de agua del suelo y disminuyen los
parámetros de resistencia al esfuerzo cortante del
suelo Cuu y u. La presencia de flujos de agua genera
deslizamientos de los taludes de arcillas “lutitas” con
pendientes mayores que 6 a 15%.
En las fotografías 1 (a y b) se presenta el
comportamiento de los estratos de arcillas en un
ciclo anual de estiaje y lluvias.
.
(b)
Fotografía 1. a) desprendimientos de taludes en
época de estiaje y b) deslizamientos de taludes en
época de lluvias, en estratos de arcillas “lutitas”.
Investigación
laboratorio.
experimental
de
campo
y
de
Los sondeos y ensayos de laboratorio se
realizaron en época de lluvias, por considerar que es
la época del año en la que los estratos de arcilla
pierden resistencia al esfuerzo cortante y presentan
la condición más crítica para la estabilidad de
taludes. Se realizaron sondeos SPM (con SPT) y
sondeos tipo PCA, a diferentes profundidades. Con
las muestras extraídas se determinaron en el
laboratorio las propiedades índice y mecánicas de
los estratos de suelos. En los perfiles estratigráficos
se reportó la presencia de flujos o corrientes de agua
que se activan en épocas de lluvias mientras que en
época de estiaje se presenta el fenómeno de
desecación.
El estrato superficial, de 0.25 a 7 m de
profundidad, es el que presenta cambios de
contenido de agua en un ciclo anual de lluvias y
estiaje. En épocas de lluvias, al saturarse por la
presencia de flujos de agua, disminuye su resistencia
al esfuerzo cortante. De 0.25 a 2 y 3 m de
profundidad el contenido de agua (w) varía de 27% a
38% y en el ensayo SPT se obtiene 1  N<17 a 20
golpes; se clasifica como una arcilla de consistencia
muy blanda, blanda, media con transición a firme.
Para el estrato de 3 a 4 m de profundidad, el
intervalo de contenido de agua es 22%<w<27% y el
número de golpes varía de 17 a 20<N<30; se
clasifica como un estrato de arcilla de consistencia
firme a muy firme. Para el estrato de 4 a 7 m de
profundidad, el contenido de agua w varía de 10 a
22% y el número de golpes N varía de 25 a 50; este
estrato de suelo puede clasificarse como de
consistencia muy firme a dura.
Los resultados de los ensayes de compresión
simple (qu ) y triaxial (UU), con muestras de arcillas
inalteradas, obtenidas de 0.5 a 2.5 a 3 m de
profundidad, con contenido de agua 29%<w<38%
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
10
Caracterización y zonificación geológica y geotécnica del subsuelo de la ciudad de Tuxtla Gutiérrez
arrojan parámetros de resistencia en el intervalo 0.1
kg/cm2 (10 kPa)< Cuu<0.5 kg/cm2 (50 kPa). Para
muestras inalteradas obtenidas a 3, 4 a 7 m de
profundidad con contenido de agua 18%<w<25%, los
parámetros de resistencia varían en el intervalo 0.9
kg/cm2 (90kPa) <Cuu<1.5kg/cm2 (150kPa). Los
estratos que registren valores de resistencia a la
compresión simple qu>3 kg/cm2 (300 kPa) y triaxial
Cuu> 1.5 kg/cm2 (150 kPa) no presentan riesgo
geotécnico. Al realizar el análisis de estabilidad de
taludes, para fallas de tipo planas (Morgenstern and
Price, 1965), el Factor de Seguridad, F.S.>1.5 a 2.
Existen zonas donde se tienen estratos de arcillas
con incrustaciones de arenas, gravas y caliche, que
presentan bajo contenido de agua en época de
lluvias y estiaje (12%<w<22%). En estos estratos se
registró en el ensayo SPT N>25 a 30 golpes; en
estos materiales no fue posible recuperar muestras
inalteradas y el valor de qu se determinó a partir del
número de golpes (Terzaghi y Peck, 1948). Es
importante comentar que existen zonas urbanas con
laderas naturales donde se presentan estratos de
suelos con las características geotécnicas descritas
en este párrafo y en estas zonas los taludes no
presentan deslizamientos.
En épocas de lluvias, cuando los estratos de
arcillas se saturan y los parámetros de resistencia al
esfuerzo cortante registran valores de Cuu≤ 0.5
kg/cm2 (50 kPa) y con pendientes mayores a 6 a
15%, se generan deslizamientos de los estratos de
suelos que causan daños severos a las estructuras.
7.5 Caracterización de los estratos de “rocas lutitas”
y calizas
La zona geotécnica C (Ordoñez, 2008) está
conformada por estratos de rocas calcáreas de
origen sedimentario, con afloramientos de estratos
de rocas calizas y el “caliche”, geomaterial producto
de la intemperización de las rocas calizas. Estos
materiales se ubican predominantemente en la parte
norte-oriente y poniente de la ciudad y en la meseta
de Copoya y el Jobo. Los afloramientos de rocas
calizas se observan en los dos cerros que colindan
con el valle de la ciudad. En la zona norte de la
ciudad los estratos de rocas calizas, se localizan a
partir del libramiento norte a profundidades de 0 a
5m y afloran conformando taludes verticales con
altura h>15 a 30 m, con índice de calidad RQD de 0
a 25%, de mala calidad. Los estratos de rocas
calizas de regular a buena calidad se localizan a
profundidades mayores de 50 a 100 m
8 ACTUALIZACIÓN
DEL
MAPA
DE
ZONIFICACIÓN GEOTÉCNICA DE LA CIUDAD.
Con los resultados de la investigación
experimental de campo y de laboratorio, se proponen
tres zonas geotécnicas: A, B y C; se determinó
integrar la zona geotécnica antes llamada A-1, a la
zona B, porque presenta características geotécnicas
similares.
Zona geotécnica A. Los suelos expansivos de esta zona abarcan la mayor parte de la extensión territorial de la zona urbana y presentan espesores de 0
a 7 y hasta 9 m. Al realizar la caracterización geotécnica de esta zona, se concluye que las arcillas expansivas se comportan en un ciclo anual de lluvias y
estiaje, alternativamente como suelos saturados y no
saturados. La capa superficial de arcilla de 0 a 3 m
de profundidad, en época de lluvias, presenta características de un suelo saturado y en época de estiaje
de un suelo parcialmente saturado. Al aplicar los métodos indirectos y directos en esta zona geotécnica,
los estratos de arcillas presentan expansiones potenciales y presiones de expansión que permiten
clasificarlos como de: baja, media, alta y muy alta
expansividad. Con los resultados obtenidos en este
proyecto de investigación, se proponen criterios para
la clasificación de riesgos geotécnicos en arcillas expansivas (Ordóñez, 2013).
Zona geotécnica B. Los estratos de arcillas
“lutitas” de esta zona se encuentran en las áreas
urbanas sur, oriente y poniente; existen áreas del
centro de la ciudad con presencia de este tipo de
arcillas con espesores de 0 a 5 y hasta 7 m. Al
realizar la caracterización geotécnica de estos
estratos de arcillas, se concluye que la capa
superficial de 0 a 3 y hasta 5 m de profundidad, en
época de lluvias se comporta como un suelo
saturado y en época de estiaje como un suelo
parcialmente saturado. En condiciones de saturación
disminuye la resistencia al esfuerzo cortante de la
capa superficial: (qu), (Cuu) y en campo el número de
golpes en prueba SPT. En época de estiaje, este
estrato presenta el fenómeno de desecación con
succión matricial (ua-uw). A partir de los 4 a 5 m de
profundidad, se encuentra un estrato de arcilla de
consistencia muy firme hasta 7 a 10 m de
profundidad; se registra número de golpes N>30 a
35. Por las características geotécnicas de las arcillas
lutitas se generan desprendimientos por desecación
en la parte de la corona del talud, este fenómeno se
presenta en taludes con ángulos de inclinación
>60°. Los taludes con pendientes de 6° a 15° en
época de lluvias, al saturarse la capa superficial y al
disminuir su resistencia al esfuerzo cortante,
presentan deslizamientos que causan daños
estructurales a las obras de ingeniería. Para
clasificar los tipos de riesgos geotécnicos en estratos
de arcillas “lutitas”, se propone un criterio para su
clasificación (Ordóñez y Auvinet, 2013). Esta zona
geotécnica está considerada como área con
presencia de riesgos geotécnicos.
Zona geotécnica C. Está conformada por
estratos de rocas calizas. Por intemperización de
estas rocas se forma el geomaterial conocido
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
Ordóñez, J.et al.
regionalmente como “caliche”. Esta formación se
localiza en la zona norte al oriente y poniente de la
ciudad y en la parte sur en la meseta de Copoya
donde se forma la cabalgadura donde los estratos de
rocas calizas sobreyacen a los estratos de rocas
“lutitas”.
En la figura 18, se presenta el mapa de
zonificación geotécnica actual (Ordóñez, J. 2014).
CONCLUSIONES
La investigación presentada fue orientada a la caracterización del subsuelo y a la elaboración del mapa de zonificación geológica y geotécnica del subsuelo de la ciudad de Tuxtla Gutiérrez.
Al construir el mapa de zonificación geológica, se
contribuye al mejor conocimiento geológico de la zona, la existencia de cuatro rasgos geoestructurales,
que distinguen: una planicie central delimitada, al
sur, por pliegues formados por lutitas y, al norte, por
calizas y calizas intercaladas con “lutitas” del cretácico inferior. Derivado de la información geológica se
concluye que el subsuelo de la ciudad, está conformado por estratos de arcillas expansivas y “lutitas”;
estratos de rocas “lutitas” y calizas.
La hidrología del valle se enmarca en la cuenca del
río Sabinal conformada por 15 subcuencas y el mismo número de afluentes. Es el dren pluvial más importante de la ciudad y desemboca en el río Grijalva.
Los afluentes del río Sabinal concentran todas las
corrientes o flujos de agua del subsuelo de la ciudad
que se activan en épocas de lluvias induciendo incrementos de contenido de agua en los estratos de
arcillas parcialmente saturadas.
Con los resultados de los trabajos de exploración,
muestreo y los ensayos de laboratorio se determinaron las propiedades índice y mecánicas de los estratos de arcillas y rocas. Con esta información se procedió a realizar la caracterización de los estratos de
arcillas expansivas y “lutitas”, y las rocas calizas y
“lutitas”. Estos estratos de suelos y rocas, permiten
definir las tres zonas geotécnicas.
Las arcillas expansivas se ubican en la zona A. Los
estratos de arcillas se comportan en un ciclo anual
de lluvias y estiaje, como suelos saturados y no saturados. Es importante comentar que en la investigación, se encontró que el porcentaje de partículas finas, el límite líquido y la variación del contenido de
agua en la zona activa, son los parámetros geotécnicos que influyen de manera directa en el potencial y
la presión de expansión de las arcillas. Al aplicar los
métodos indirectos, los resultados indican que las
arcillas expansivas de la ciudad presentan un potencial de expansión: de medio, alto a muy alto. Se realizaron ensayos en el consolidómetro con muestras
inalteradas en dos modalidades. Los resultados indi-
11
can que la presión de expansión para: wL>60% y ∆w
4 %, registra valores de s0.55 kg/cm2 y para ∆w 6
a 10%, registran valores de s>1.5 a 3.4 kg/cm 2. Estos valores de presión de expansión indican que en
un ciclo de estiaje-lluvias, las arcillas presentan potencial de expansión de medio a muy alto. Los resultados indican que las arcillas expansivas de la ciudad deben considerarse como una fuente importante
de riesgos geotécnicos.
Las arcillas “lutitas” se ubican en la zona B, El
estrato superficial de 0.25 a 7 m de profundidad es el
que presenta cambios de contenido de agua durante
un ciclo anual de lluvias y estiaje, y se comporta
alternativamente como un suelo saturado y no
saturado. En épocas de lluvias, al saturarse por la
presencia de flujos de agua, disminuye su resistencia
al esfuerzo cortante. Para el subestrato de 0.25 a 2 y
3 m de profundidad, con contenido de agua de w= 27
a 38%, el número de golpes en el ensayo SPT varía
de N=1 a 17 y en el ensayo triaxial, Cuu=0.1 a 0.5
kg/cm2. Para el subestrato de 3 a 4 m de
profundidad, con contenidos de agua de w=27 a
22%, el número de golpes varía de N=17 a 30 y para
w=25 a 18%, en el ensayo triaxial Cuu=0.9 a 1.5
kg/cm2. Los estratos de 0 a 4 y hasta 5 m de
profundidad, son los que originan los mayores
riesgos geotécnicos. Los estratos que registran
valores de resistencia a la compresión simple qu>3
kg/cm2 y triaxial Cuu>1.5 kg/cm2, no presentan
riesgos geotécnicos. Al realizar el análisis de
estabilidad de taludes, para fallas de tipo planas
(Morgenstern and Price, 1965), el Factor de
Seguridad, F.S.>1.5 a 2.
Los estratos de rocas calizas se ubican en la zona
geotécnica C, al realizar la caracterización
geotécnica de las rocas calizas y “lutitas”, los
estratos superficiales registran índice de mala
calidad y a grandes profundidades existen estratos
de rocas de regular a buena calidad. En estas áreas
de la ciudad, no se han registrado riesgos
geotécnicos.
Finalmente se concluye que los resultados de la
investigación realizada permitieron caracterizar el
subsuelo del área urbana y elaborar los mapas de
zonificación geológica y geotécnica, información que
podrá utilizarse para la actualizar el reglamento de
construcciones de la ciudad.
AGRADECIMIENTOS
Al Instituto de Ingeniería de la UNAM, a la Universidad Autónoma de Chiapas, por las facilidades otorgadas para la estancia en el Instituto de Ingeniería. A
la empresa Geortec, por su apoyo en la parte experimental de este trabajo.
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
12
Caracterización y zonificación geológica y geotécnica del subsuelo de la ciudad de Tuxtla Gutiérrez
Figura 2. Plano geológico del valle de Tuxtla Gutiérrez, C.F.E. (Ordóñez, 2008)
Figura 3. Mapa del entorno geológico estructural del municipio de Tuxtla Gutiérrez (Geortec; Zúñiga y
Ordóñez, 2013)
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
13
Ordóñez, J.et al.
Sección A-A’
Sección B-B’
Sección C-C’
E E
WW
Sección D-D’
Simbología
Toc, Calizas
Ki, Calizas de arrecife
Ke, Calizas y lutitas
TPL. Lutitas
Ks, Lutitas, areniscas
y margas.
Qal, Depósitos
Aluviales.
Caliche
Ks, Lutitas, areniscas y margas.
Figura 4. Rasgos geológicos-estructurales que influyen en el comportamiento del subsuelo ante el
efecto de las ondas sísmicas (Zúñiga y Ordóñez, 2013)
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
14
Caracterización y zonificación geológica y geotécnica del subsuelo de la ciudad de Tuxtla Gutiérrez
Proyecto de
investigación:
Tesis doctoral 2014
Figura 18. Actualización del mapa de zonificación geotécnica de la ciudad de Tuxtla Gutiérrez,
Geortec (Ordóñez, 2014)
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos
e Ingeniería Geotécnica
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Caracterización y zonificación geológica y geotécnica del subsuelo de la ciudad de Tuxtla Gutiérrez
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.