importancia de la formación en el comportamiento de los suelos de

IMPORTANCIA DE LA FORMACIÓN EN EL
COMPORTAMIENTO DE LOS SUELOS DE PUNTA ARENAS
Ana Vásquez Díaz
Universidad de Chile, MSc Ingeniería Geotécnica
[email protected]
Jacobus Le Roux
Universidad de Chile, Ph.D.,University of Port Elizabeth
Profesor Titular Departamento de Geología / CEGA, Universidad de Chile
[email protected]
Claudio Foncea Navarro
SRK Consulting (Chile) S. A. MSc Ingeniería Geotécnica
[email protected]
RESUMEN
Los suelos que cubren el área de la ciudad de Punta Arenas están constituidos en su mayor parte
por sedimentos glaciales, fluvioglaciares y aluviales depositados durante las diferentes etapas del
avance y retroceso del Último Máximo Glacial (UMG). El historial de carga y descarga, la forma de
depósito, las estructuras inherentes, han establecido diferencias genéticas y mecánicas que han
influido y determinado el comportamiento geotécnico de estos suelos.
1. INTRODUCCIÓN La zona del Estrecho de Magallanes fue sometida a eventos que modelaron
y originaron una variedad de sedimentos de marcada heterogeneidad. Los avances y recesiones
cíclicas de un lóbulo de hielo dejaron un conjunto de tills basales y de flujo, en tanto que la
formación y represamiento de un gran lago proglacial dio lugar a depósitos glaciolacustres y
relictos lineamientos costeros. Los estadios post-glaciales e inter-glaciales permitieron la
formación de planicies de lavado (outwash plains), con pantanos, turbales y arcillas orgánicas. Las
transgresiones y regresiones marinas, y la posterior acción fluvial de una compleja red de drenaje,
depositaron y retrabajaron sedimentos aluviales y glaciofluviales. Estos depósitos heterogéneos
constituyen los suelos de fundación de la zona urbana y suburbana de Punta Arenas.
Las propiedades y comportamiento de estos suelos están controlados por su humedad, textura,
estructura, composición mineral e historial carga-descarga. Estos factores son resultado del
ambiente de depósito, diagénesis, procesos de erosión y dinámica de factores ambientales.
Este trabajo resume las informaciones relevantes obtenidas en terreno a partir de observaciones
de cortes y calicatas, así como de sondajes, asociándolas siempre a su formación geológica, de
manera de explicar en una primera etapa los diversos comportamientos singulares encontrados en
estos suelos de origen glacial.
2. HISTORIAL GLACIAL DEL ESTRECHO MAGALLANES En la zona se distinguen por lo menos
cinco avances glaciares (A - E) datados con 14C e isótopos cosmogénicos (Bentley 2005,
Clapperton, 1995, McCulloch, 2005a). El Último Máximo Glacial (UMG) es representado por el
avance B y es caracterizado por la formación de la península Juan Mazía (figura 1), ocurriendo
después de 31.250 a cal AP (años calibrados antes del presente) y culminando entre los 25.200 23.100 a cal AP, seguido de un avance C, de menor extensión datado entre 22.400 y 20.300 a cal
AP. Un estado de avance D, igualmente menos extensivo culmina alrededor de 17.700 y 17.600 a
cal AP, seguido de una retracción glacial. Un avance E, que causó un represamiento del lago
entre 15.500 y 11.770 a cal AP, y cuya retracción glacial coincide con el máximo del controversial
1
período de enfriamiento abrupto denominado Younger Dryas en el hemisferio norte, constituyó el
último registro de avance pleistocénico (Bentley 2005, McCulloch, 2005a). Esta dinámica glacial
depositó distintos sedimentos en forma de morrenas terminales, morrenas laterales y de fondo,
mientras que durante el deshielo se generaron planicies de lavado (outwash plains), y en épocas
más cálidas proliferaron los turbales.
Uno de los fenómenos de mayor efecto ocurrido durante las distintas etapas de glaciación fue la
formación de un gran lago proglacial. El nivel bajo del mar Atlántico y las barreras de hielo entre
los fiordos, al no permitir la entrada de las aguas del océano Pacifico, favorecieron el depósito de
arcillas varvadas y glaciolacustres en un ambiente de agua dulce en las proximidades de las
riberas del estrecho. Dataciones de una capa de tefra del volcán Reclus permitieron inferir un
periodo completo de formación del lago antes de 12 640 ± 60 14C a cal AP (McCulloch et al.,
2005b).
3. MORFOLOGIA DE PUNTA ARENAS La ciudad se encuentra ubicada en la ribera oeste del
estrecho, en el sector nororiental de la península de Brunswick. Dentro del casco urbano, las
geoformas que sobresalen son canales, lagunas, pantanos y formas lobuladas disectadas por una
red hidrográfica, que al desembocar en el estrecho forma deltas arenosos. Las transgresiones y
regresiones marinas, han dejado distintos niveles de terrazas con sedimentos retrabajados por el
oleaje marino, como es el caso de la Punta Arenosa. Otra expresión morfológica importante, son
las morrenas laterales, con orientación sur norte que con su relativo paralelismo han permitido la
generación de canales marginales en épocas de deshielo. Estos cordones morrénicos
corresponden a los avances B y C y terminan en canales que desaguan al Estrecho de
Magallanes (figura 1). En las áreas donde la subsidencia fue mayor, se formaron lagos y
proliferaron turbales.
La unidad geológica que aflora en el área es la Formación Loreto, litológicamente corresponde a
una secuencia de areniscas y arcillolitas de aproximadamente 800 m de espesor, de edad Eoceno
Tardío (Otero et al., 2012) e interpretada como un depósito de estuario (Le Roux et al., 2010;
Otero et al., 2012). Sobre estas rocas sobreyacen los depósitos cuaternarios.
Las terrazas glaciolacustres, se identifican como lineamientos que guardan una continuidad y son
interpretadas como relictos de bordes costeros. Su composición en cuanto a sedimentos, es de
dominancia de la fracción fina. Se caracterizan por ser laminados, con estratificación cruzada y
ondulitas. En la figura 1 se observa claramente el contacto entre la terraza glaciolacustre y la
Punta Arenosa.
En cuanto a la red hidrográfica, Punta Arenas es atravesada en sentido oeste-este, por seis
cauces naturales, nombrados de sur a norte: río Los Ciervos, río La Mano, río Las Minas, estero
D’Agostini o Pitet, estero Llau-Llau y estero Bitsch (figura 1). Existen además cuerpos receptores
y/o almacenadores de agua, entre los que se encuentran el humedal de Tres Puentes y la laguna
Lynch que actúan también como amortiguadores de agua.
El río más característico de la zona es el río Las Minas que forma un valle aluvial en la parte
central de la ciudad y descarga los sedimentos en una planicie deltaica. El cauce se divide en tres
sectores característicos, zona alta, media y baja. Tanto la zona alta como la media (620 msnm)
son de gran incisión, en respuesta al alzamiento asociado con la deglaciación del UMG y se
ubican fuera del casco urbano, atravesando la Formación Loreto. En estas zonas se observan
frecuentes fracturas extensionales y grandes deslizamientos rotacionales (Harambour, 2008).
Dentro del área urbana, el río Las Minas reduce tanto su capacidad hidráulica como su pendiente,
desembocando en el Estrecho de Magallanes. Esta zona se mantiene muy activa y registra
problemas de ruptura, desborde y embancamiento de la canalización. Los sedimentos se
presentan en distintos niveles de terrazas, lo que se evidencia en la población Mardones ubicada
2
en el límite urbano oeste, donde se observan aterrazamientos que muestran sucesivos eventos de
socavaciones y depositaciones.
Las características y variaciones del delta del río Las Minas indican que existió un descenso en el
nivel del mar, ocurrido posteriormente a la formación de Punta Arenosa. Este descenso relativo
del mar en relación al continente llevó a un desplazamiento hacia el sur del cauce hasta alcanzar
su posición actual desembocando normalmente al estrecho (Uribe, 1982).
El delta actual se mantiene activo y su influencia a partir de la parte alta de la cuenca del río Las
Minas donde aflora la Formación Loreto, es considerada como un área de riesgo aluvional como
se ha demostrado en inundaciones recientes (mayo 1990 y marzo de 2012).
Los sedimentos granulares de relieve bajo, constituidos por arenas y gravas, se localizan
principalmente en la Punta Arenosa y el delta activo del río Las Minas, que al ser geoformas
recientes, incluyen subestratos de compacidades bajas y saturadas.
El río La Mano se caracteriza por un ancho cauce profundo y tortuoso, pero que contrariamente al
río Las Minas, tiene poca actividad hidráulica. Se encuentra en su mayor parte canalizado lo que
ha permitido la existencia de edificaciones en algunos sectores en las inmediaciones de su cauce
(población 18 de Septiembre, figura 1).
La dinámica hidráulica difiere hacia el norte de Punta Arenas y no mantiene un patrón. Los
sedimentos de suelos finos impiden la penetración del flujo, por lo resulta frecuente encontrar
esteros y observar inundaciones en épocas invernales. El estero Llau-Llau, junto con el
D´Agostini drena la zona norte de la ciudad y es uno de los elementos principales del sistema de
evacuación y drenaje de aguas lluvias de Punta Arenas. La parte superior de la cuenca es de alta
pendiente, por lo que en el límite noroeste del perímetro urbano se construyó un canal de
transvase que recolecta el escurrimiento de agua en esta zona. Sin embargo, este estero es
afectado por frecuentes desbordes, tal como el ocurrido en 1990 junto con el río Las Minas, que
incluyó oleadas de lodo (Harambour, 2009). El cauce que atraviesa la ciudad, transcurre por una
planicie de escasa pendiente. Sus riberas han sido urbanizadas sin protección, ni control
adecuados, por lo que el estero ha sido sometido a intervenciones múltiples no necesariamente
planificadas, ya sea por parte de la población o por entes públicos. El estero D’Agostini, el
principal afluente urbano del estero Llau-Llau, presenta capacidades hidráulicas variables a lo
largo de su curso, en sectores angostos son comunes los desbordes, aún con lluvias de poca
intensidad.
En el límite de la terraza relicta con la Punta Arenosa, el brusco cambio de pendiente ha
conducido a un estancamiento del drenaje, originándose una serie de lagunas de escasa
profundidad desarrolladas en un terreno plano (4 msnm) denominado estero Tres Puentes,
localizado entre los esteros Bitsch y Llau-Llau en el acceso norte de la ciudad. Hay que hacer
notar que en este estero se depositan escombros y se vierten aguas residuales.
En resumen, se puede concluir que el drenaje en Punta Arenas tiene tres patrones bien
diferenciados, uno al extremo sur, otro al centro y el otro al norte. Al extremo sur, el drenaje no
constituye mayor problema ya que se encuentra encauzado y es relativamente manejable, en
tanto que al centro se presentan contingencias aluvionales, aunque eventuales, del río Las Minas.
Sin embargo, en el norte el patrón hidráulico es disperso, de baja incisión y presenta problemas
que guardan relación con el tipo de sedimento de base impermeable y que se manifiestan en
frecuentes inundaciones.
3
A
Seno Otway
Península
Juan Mazía
B
C
Península de Brunswick
B
Estrecho de Magallanes
D
D
B
Límites glaciales
Dirección del hielo
C
B
Estero Bitsch
río La Mano
P.Mardones
rio Las Minas
P.18
septiembre
Delta
Terraza
Estero Llau Llau
Punta Arenosa
Figura 1. A) Límites
glaciales en el Estrecho
de Magallanes B) Casco
urbano de Punta Arenas.
Imágenes Google Earth
4. TIPOS DE SEDIMENTOS La variedad y características de los sedimentos existentes en el área
urbana de la ciudad se manifiestan a través de esta descripción que destaca el origen y busca al
mismo tiempo referir características geotécnicas de los sedimentos.
Entre el lineamiento de las morrenas laterales y la actual línea costera, se depositaron distintos
tipos de sedimentos glaciales y postglaciales. Se configuraron complejas estratigrafías a través de
sucesivas depositaciones laterales y verticales que incluyen: tills de empuje, tills basales, tills de
flujo, deltas arenosos, planicies de lavado, arcillas varvadas, turba y sedimentos fluviales finos y
gruesos de distinta compacidad.
El gran lago proglacial y la presencia de pequeños lagos coetáneos a orillas del estrecho,
proporcionaron las condiciones para la formación de depósitos lacustres entre los cuales destacan
las arcillas varvadas. Esta estructura está asociada a la presencia de lagos, (figura 2A). Se
definen como varvas, a capas estrictamente formadas durante una ciclicidad anual que se
sedimentan durante el congelamiento - descongelamiento de la superficie de lagos originados de
la fusión glacial. Dos capas, una depositada en verano (limo y arena, color claro) y la otra en
invierno (arcilla orgánica color oscuro) constituye una varva y representa un año de depósito
(figura 2B). También existen estratos de gravas y arenas con inclinaciones de 30° a 45°, propios
de deltas tipo Gilbert (Le Roux, 2005). La importancia a nivel geotécnico de esta estratificación es
la permeabilidad, la cual es extremadamente compleja. En varios casos, durante trabajos de
laboratorio se observaron lentes de variados espesores que, debido a las grandes variaciones de
permeabilidad, impidieron el tallado de muestras inalteradas, desmoronándose en el proceso. Esta
situación se hace aún más compleja cuando existen estructuras en los materiales, todo lo cual
lleva a considerar que la permeabilidad medida en laboratorio no tiene representatividad.
4
A
B
Figura 2. Depósitos característicos de lago. A) Detalle de estratificación intercalada, arenogravosa, típica de delta tipo Gilbert. B) Muestra de arcilla varvada.
El till, principal producto de la abrasión glacial, es uno de los sedimentos más heterogéneos,
siendo pobremente graduado. Su composición y estructura depende de la posición en que ha sido
transportado, su modo de depósito y sus cambios diagenéticos, pudiendo variar desde un till
denso de matriz no plástica a un till arcilloso de baja consistencia. Su procedencia sedimentaria es
difícil de determinar debido al gran arrastre y retrabajo que han sufrido los sedimentos originados
de diferentes fuentes próximas o lejanas. Geotécnicamente, interesa diferenciar tills basales
fuertemente preconsolidados y tills de fusión que se asemejan muchas veces a arcillas
normalmente consolidadas.
En el área de estudio se reconocieron distintos tipos de till, ilustrados en la figura 3. Es posible
encontrar un perfil estratigráfico característico, que consiste en un suelo arcillo limoso color
amarillento (zona de oxidación) sobreyaciendo a un suelo masivo de matriz arcillo - limosa color
gris azulado, con variaciones en su estructura. En las figuras 3A y 3B se observa una notoria
glaciotectonización inducida por el movimiento del glaciar en posible avance en dirección norte.
Los tills de la figura 3C y 3D, aparecieron en excavaciones en las calles Chiloé y Briceño, siendo
un área particularmente compleja en cuanto al historial glacial y de esfuerzos a que los
sedimentos fueron sometidos; a reducidas distancias se pueden observar distintas estructuras,
fallamientos y varios tipos de till. Se diferencian dos tipos de till, un till superior masivo de flujo
subglacial (figura 3C) sin estructura con algunas gravas de buen tamaño, y en la parte inferior, un
till subglacial de matriz arcillosa más cercano a la zona basal, con foliaciones (figura 3D) que
indican haber sido sometido a esfuerzos de corte como resultado de un avance, pero manteniendo
una estratificación laminar (figura 3E) que sugiere un régimen termal basal húmedo. En ensayos
de consolidación en este nivel, el suelo exhibe relaciones de vacíos y coeficientes de
compresibilidad menores a los presentados en suelos de origen lagunar y de planicies de
inundación fluvial (Vásquez, 2012). En este mismo sector se observa un till de matriz arcillosa
homogénea con abundante gravilla subangular de tamaño máximo 1 cm, en el medio se observan
dos estratificaciones de 10 cm de espesor de un till de matriz arcillosa sin presencia de gravillas y
con un marcado fallamiento 1-1´ (figura 3F) y deslizamiento de fajas de suelo a lo largo de planos.
Los sedimentos finos provenientes de inundación de las planicies aluviales y originados en
corrientes de distinto régimen de flujo, son suelos de depósito reciente que geotécnicamente se
comportan como arcillas normalmente consolidadas (Vásquez 2012). La figura 4 ilustra las
singularidades de estos materiales: estratificaciones intercaladas de limo y arcilla, estructuras
sedimentarias (artesas, ondulitas), contenido orgánico (transportado por el agua o por crecimiento
vegetal), láminas de arena gruesa y fina con inclusiones de gravilla, presencia de clastos
esporádicos de grava con tamaño máximo 1 cm, mica, esférulas de carbón y fuerte oxidación al
contacto ambiental.
5
A
B
C
D
E
F
1
1ˊ|
0
10cm
Figura 3. Distintos tipos de till A) Perfil estratigráfico. B) Till glaciotectonizado con trazas oxidadas
C) Till de flujo subglacial, con presencia de gravas en estratos superiores, D) Estriaciones en till
subglacial F) Till con laminaciones arenosas del estrato subyacente al C.
El modelado glacial, constituído por lomajes suaves, conjugados con las abundantes estructuras
depresionarias, canales intermorrénicos y hoyos glaciarios (kettles), sumado a los cambios
climáticos del Cuaternario brindaron las condiciones para la generación de turberas. Debido a que
la zona del estrecho fue sometida a varias recesiones glaciales, es común encontrar turberas de
espesores considerables y a diferentes profundidades. La figura 5 da cuenta de un sondaje con
extracción de turba a 12.00 m dentro del casco urbano. A nivel superficial, es el patrón hidráulico,
disperso y de baja incisión que domina en el norte de la ciudad, el que permite generar este
material. Poblaciones como El Ovejero han evidenciado asentamientos por fundaciones en turba.
6
A
B
C
D
Figura 4. A) y B) Sedimentos de inundación de planicie aluvial con interlaminado de arena y
presencia de raíces. C) Muestra en laboratorio, con laminaciones de sedimentos finos de
espesores de 1 mm y sedimentos arenosos con espesores entre 0,5 mm a 1 mm con contenido de
raicillas; el ambiente de depósito se presume acuático de mediana a alta energía. D) Sedimento
fino con restos de esférulas de carbón.
Figura 5. Sondaje con extracción de turba en cuchara normal, (Szigethi 1995-2010).
5. ESTRUCTURAS EN SEDIMENTOS Es común en ambientes glaciales que los suelos
contengan estructuras, fracturas, diaclasas y deformaciones complejas que dependen del
material, del régimen de flujo, del estado de esfuerzos a que han sido son sometidos, así como
del contenido de agua. Los materiales arenosos, en régimen de flujo lento pueden presentar
laminaciones continuas onduladas, mientras que sedimentos blandos del tipo limo–arcilloso,
cuando su contenido de humedad es alto, desarrollan estructuras tales como calcos de carga,
estratificación intraplegada, recumbente, contorsionada, escapes de fluidos y polígonos de
secamiento, entre otras (ver figuras 6A y 6B). Durante los trabajos de campo, se pudieron
observar slickensides, superficies lisas oxidadas producidas por deslizamiento entre las
foliaciones de tills, indicando flujo de fluidos en laminillas y de forma intermitente entre las
7
discontinuidades (figura 6C). A nivel macro se pudo apreciar el desprendimiento de bloques
subverticales en excavaciones (figura 6D).
Otra característica particular en la zona de estudio es la marcada glaciotectonización debida a
los esfuerzos de empuje a que fueron sometidos los sedimentos. Se observan cinturones de
morrenas que en cortes viales permiten reconocer complejos patrones de fallas y foliaciones
orientadas que indican el sentido de avance glacial.
6. CONSIDERACIONES GEOTÉCNICAS Para comprender el comportamiento mecánico de
sedimentos derivados de ambientes glaciales, periglaciales y post-glaciales, como es el caso de
los suelos de la ciudad de Punta Arenas, resulta evidente que es fundamental el reconocimiento
del historial geológico de la zona. Se demuestra que los suelos varían en composición, estructura
y sobre-esfuerzo de acuerdo al período y ambiente de depósito.
De observaciones en campo y laboratorio se logró diferenciar distintos tipos de suelos en el área
urbana y sub-urbana de Punta Arenas: tills glaciotectonizados producto de empuje glacial, tills
subglaciales, sedimentos glaciolacustres y suelos procedentes de planicies de inundación fluvial.
Se valida que su estructura e historial de pre-esfuerzo, determinan el comportamiento del suelo
ante la imposición de cargas (Vásquez, 2012).
En el caso particular de los sedimentos glaciolacustres, su estructura responde al aporte
sedimentario, la acción del agua y la ciclicidad estacional. Es evidente que el porcentaje de arena
y/o limo, además de material orgánico (i.e., arcillas varvadas, esférulas de carbón) tienen una
marcada influencia en la resistencia al corte, por lo que se esperan respuestas distintas en
ensayos de consolidación y triaxiales. En cuanto a la fracción arcillosa, en el área se puede
encontrar montmorillonita y vermiculita, cuya proporción cambia no solo la plasticidad, sino que su
respuesta mecánica ante solicitaciones.
A nivel geotécnico, las fracturas y diaclasas juegan un rol importante en el comportamiento
mecánico de los materiales glaciogénicos. Debido a la magnitud y variedad de las cargas
trasmitidas por el glaciar, el estado de esfuerzo en estos tipos de sedimento, resulta complejo. Los
esfuerzos horizontales han quedado “congelados” (Lambe, 1969) ya que una vez retirado el
glaciar, no se disipan las tensiones “atrapadas”. El coeficiente de empuje en reposo Ko puede
alcanzar valores de hasta 3 (Lambe, 1969). Durante excavaciones, se han evidenciado
deslizamientos subverticales (figura 6D), observándose en ellos fisuramientos y slickensides.
Cuando la excavación se ha completado, se experimenta un rebote elástico lateral, cuyo
mecanismo consiste en la distensión que se desarrolla en los sistemas de fracturas y diaclasas,
donde el agua ejerce además una presión hidrostática que aumenta, los bloques entonces se
desplazan, alcanzándose la resistencia residual en los planos de las discontinuidades. Es por ello
que se recomienda considerar parámetros de diseño en taludes iguales a la resistencia residual.
Canales inter-morrénicos y subcuencas moldeadas por la acción glacial son ambientes donde
comúnmente se concentran suelos de baja capacidad portante (i.e. arcillas blandas y turba).
Las estratificaciones de espesores milimétricos a centimétricos de capas de limo y arena, al igual
que las fracturas, diaclasas y bolsones de grava heterogéneos (figura 7), alteran y controlan la
permeabilidad del conjunto. Se considera que en general, los sedimentos derivados de ambientes
glaciares poseen permeabilidades anisotrópicas. Encontrar valores representativos en laboratorio
se hace una tarea compleja y aun así, no acorde con las condiciones in-situ. Investigaciones y
mediciones en terreno son indispensables y salen fuera del alcance de este estudio.
8
A
B
C
D
A
A
Figura 6. Estructuras en sedimentos. A) Laminación continúa ondulada y B) Detalle de estructura
de escape de fluidos, Parque Chabunco, al norte de Punta Arenas. C) Detalle de planos oxidados
y lisos (slickensides). D) Falla subvertical en talud de excavación en Chiloé – Briceño.
Figura 7. Patrón de drenaje horizontal, debido a bolsones de grava, (Szigethi 1995-2010).
7. CONCLUSIONES Los suelos de Punta Arenas resultan altamente heterogéneos, siendo
relevante el conocimiento de la génesis de los mismos. Los sedimentos varían entre arcillas
varvadas, arcillas laminadas, sedimentos aluviales, deltaicos, depósitos de planicies de lavado,
turbas y tills. Los tills a su vez se diferencian según la composición de su matriz que puede ser
arcillosa, limosa o arenosa, así como según la posición en relación al glaciar que puede ser basal
o de fusión, también según su historial geológico (condiciones de carga y descarga,
congelamiento y descongelamiento) y finalmente según su estructura (grado de fisuramiento,
slickensides y presencia de lentes areno-gravosos). Esta heterogeneidad deberá ser respetada
9
aceptando entonces que los parámetros geotécnicos representativos se distribuyen en rangos y
no en valores puntuales.
Existe una clara diferenciación en el comportamiento geotécnico que cabe esperar de los
depósitos glaciolacustres y de inundación fluvial si comparados con los depósitos de tills (basales
y de empuje). Mientras que los primeros son en general compresibles y generarán por tanto
asentamientos que deben ser controlados, los tills, al poseer índice de vacíos menores, resultarán
menos compresibles y más resistentes.
8. REFERENCIAS
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