Investigaciones Geolgicas para etapa de Anteproyecto

INVESTIGACIONES GEÓLOGO – GEOFÍSICAS EN CAYO BUBA Y CAYO
LIBERTAD PARA ANTEPROYECTO DE UNIÓN DE CAYO BUBA CON PENÍNSULA
HICACOS MEDIANTE LA VARIANTE DE PEDRAPLÉN
Francisco M. Ortega Pérez, Gustavo Godines Barrera e Idoris Alfonso Santiesteban
GEOCUBA Estudios Marinos, Punta Santa Catalina, Regla, CP 112000,
Ciudad de La Habana, Cuba, Teléf.: 797-7575, Ext. 114 y 107, Fax: 797-0019,
E-mail: [email protected]
RESUMEN
El presente trabajo recoge los resultados de las Investigaciones geólogo – geofísicas realizadas para el
Anteproyecto de Unión de Cayo Buba con Punta Hicacos. El objetivo general de la investigación fue el estudio
de factibilidad geotécnica y de construcción sobre el territorio de dicho cayo.
Para definir la profundidad de yacencia del techo de la roca, los espesores y tipos de sedimentos presentes en
el área de estudio, así como la zonificación constructiva, se emplearon un conjunto de métodos de
investigación geólogo – geofísicos, acordes con la etapa de Anteproyecto y la escala de presentación de los
resultados a obtener: fotointerpretación y manejo de bases de datos en formato SIG, marcha rutas, hinca de
varillas graduadas, calicatas, toma de muestras, penetración dinámica, sísmica de refracción somera, cálculo y
correlación de propiedades geotécnicas de sedimentos y rocas.
Como resultado de los trabajos realizados a escala 1:5000, se obtienen los Mapas de Zonificación Constructiva
y Geomorfológico para Cayo Buba.
INTRODUCCIÓN
El presente trabajo recoge los resultados de las Investigaciones geólogo – geofísicas realizadas para el
Anteproyecto de Unión de Cayo Buba con Punta Hicacos. El objetivo general de la investigación fue el estudio
de factibilidad, desde el punto de vista geotécnico, para la ejecución de la variante de unión de cayo Buba con
la península de Hicacos y de construcción sobre el territorio de dicho cayo, el presente trabajo expone las
características geotécnicas de las zonas de arranque en Cayo Buba y Cayo Libertad para la variante de unión
mediante pedraplen así como la zonificación constructiva de Cayo Buba.
1
Fig. 1 Ubicación geográfica del área de estudio (Cayo Buba) dentro de la concepción
del diseño para el Anteproyecto de Unión de Cayo Buba con Punta Hicacos.
A partir de los objetivos propuestos, las tareas a realizar estuvieron encaminadas a determinar la profundidad
de yacencia del techo de la roca, los espesores y tipos de sedimentos presentes, así como la zonificación
constructiva de Cayo Buba. Para ello, se emplearon un conjunto de métodos geólogo – geofísicos, acordes con
la etapa de Anteproyecto y la escala de presentación de los resultados: fotointerpretación y manejo de bases
de datos en formato SIG, marcha rutas, hinca de varillas graduadas, calicatas, toma de muestras, penetración
dinámica, Sísmica de Refracción Somera (SRS), cálculo y correlación de propiedades geotécnicas de
sedimentos y rocas. Los trabajos de campo fueron realizados a escala 1:5000 y su posicionamiento
determinado mediante GPS autónomo. Las bases cartográficas utilizadas tanto para los trabajos de campo
como para el procesamiento de los datos fueron la Batimetría Ingeniera a escala 1:2000 realizada en julio de
2009 por la Agencia de Hidrografía de la Empresa GEOCUBA Estudios Marinos y el Levantamiento
Topográfico a escala 1:500 realizado en agosto/2009 por la Agencia de Geodesia y Topografía de la Empresa
GEOCUBA Matanzas, empleándose como Sistema de coordenadas Cuba Norte y el Sistema de Alturas
Siboney. Como resultado de los trabajos realizados, se obtiene el Mapa de Zonificación Constructiva para
Cayo Buba a partir de su relieve, vegetación, niveles de inundación, riesgos geológicos, elementos ingenieros
geológicos y su profundidad de yacencia.
MATERIALES Y MÉTODOS EMPLEADOS
Para la realización del estudio geológico en etapa de Anteproyecto se aplicó un conjunto de métodos que
permitieron la obtención de los datos de campo, interpretación, análisis y propuestas de soluciones, acordes a
los objetivos propuestos.
•
Preparación de los trabajos
A partir de la fotointerpretación de una imagen satelital de Cayo Buba, el manejo de las bases de datos en
formato SIG, así como del Levantamiento Topográfico ejecutado, se planificaron los trabajos de campo,
principalmente los derroteros de 10 marcha rutas.
2
•
Aseguramiento geodésico
Se utilizó para la ubicación y replanteo de las marcha rutas, ejecución de perfiles, puestas sísmicas, ensayos
de penetración dinámica y calas geológicas manuales, un Sistema de Posicionamiento Global (GPS) modelo
GPS III Plus de la firma Garmin Corporation, autónomo, adquiriéndose los datos en coordenadas geográficas
con una precisión en el orden de los 2-3 m, las que posteriormente fueron transformadas al Sistema Estatal de
Coordenadas Planas, Cuba Norte. Además se utilizó como soporte cartográfico el Levantamiento Topográfico,
escala 1:500, antes mencionado. En la figura 2 se presenta la ubicación espacial de los trabajos realizados.
Fig. 2 Ubicación de los trabajos realizados en las zonas emergidas de Cayo Buba y Cayo Libertad.
•
Marchas rutas
Por lo escabroso que resultaba el tránsito libre por el interior de Cayo Buba, dadas sus condiciones naturales y
vírgenes, así como por el tipo de vegetación presente, se planificó la realización del Levantamiento Geológico
mediante la realización de marcha rutas, planificándose 10 de estas con la composición de 21 transeptos,
121 puntos de observación y/o estudio, con un total de 7,23 km de recorrido. Además fue realizada una marcha
ruta por toda la costa del cayo, con un perímetro aproximado de 4,9 km. Mediante las marcha rutas, además
de la realización de las penetraciones dinámicas, mediciones de espesores de sedimentos y toma de
muestras, se precisó el tipo y desarrollo de la flora existente, la presencia de fauna, los niveles de inundación y
la geomorfología general del cayo.
•
Medición de espesores de sedimentos no consolidados y yacencia del techo de la roca
En la zona emergida del cayo se realizaron en 51 de los 121 puntos o estaciones de trabajo, la hinca de una
varilla graduada de acero, de 4,0 m de longitud y 14 mm de diámetro. En cada una de las estaciones se
realizaron tres mediciones con un intervalo de separación de 1,0 m una de otra; promediándose estos valores.
Esta metodología hubo de ser variada durante el avance de los trabajos, al presentarse en las mediciones de
los espesores de sedimentos superiores a 4,0 m, medida del instrumento inicial utilizado, por lo que se utilizó la
variante de hincar 10,0 m de varillas ensambladas de un penetrómetro estático para suelos blandos.
3
•
Muestreo geológico
Por la homogeneidad litológica y escasa variabilidad de suelos, las muestras de sedimentos friables fueron
tomadas de manera aleatoria a lo largo de toda la traza de los perfiles en las zonas emergidas, realizándose un
total de 31 calas mediante muestreador a rotación manual, con un alcance total de 3,10 m de perforación
utilizándose un muestreador de valvas con un diámetro de 80,0 mm y 0,30 m de longitud. Las muestras
seleccionadas fueron envasadas en pomos plásticos con su correcta identificación. Cada muestra fue descrita
macroscópicamente in situ. Para su conservación fue seleccionada una muestra de cada tipo litológico.
•
Penetrometría dinámica
Esta metodología fue utilizada para conocer la resistencia de los suelos cohesivos y no cohesivos ante la
penetración con el cono, mediante el penetrómetro WILD CAT, el cual se va hincando paulatinamente en el
terreno por tramos de 10 cm de intervalos en los cuales se va registrando el número de golpes. Este proceso
se realizó de forma continua en toda la extensión de las varillas obteniéndose una columna de profundidad con
el número de golpes necesarios para hincar cada tramo de 10 cm. Estos golpes se convierten por medio de la
fórmula holandesa en resistencia del suelo a la penetración dinámica en cada intervalo, la cual tiene una buena
correlación con el número de golpes del ensayo de penetración Standard con cuchara, lo que permitió obtener
y utilizar como resultado del ensayo, este último parámetro: NSPT. Se realizaron un total de 20 penetraciones
dinámicas.
•
Sísmica Somera de Refracción
La SRS se utilizó con el objetivo de delimitar la estructura geométrica del corte geológico (espesores y número
de capas, profundidad de la roca) además de caracterizar algunas propiedades físico-mecánicas de los
elementos presentes, a partir de la velocidad de propagación de las ondas sísmicas refractadas. La misma se
realizó con la estación sísmica de tres canales GEODE, de la firma Geométrics, USA. La interpretación se
realizó por el método To para un corte de dos capas, obteniéndose las características geométricas del corte
(profundidad e inclinación de las capas) y las velocidades de los diferentes elementos presentes. Los
parámetros físico-mecánicos orientativos para la roca fueron obtenidos a partir de la teoría clásica de la
elasticidad y a partir de fórmulas teóricas y empíricas que se relacionan en la literatura para estos materiales,
estableciéndose un rango de variación a partir de los valores de velocidad medidos. Se realizaron un total de
cuatro puestas: dos en Cayo Libertad, para la proyección de salida del pedraplén de unión y dos en
Cayo Buba.
RESULTADOS
Geomorfología
Cayo Buba se encuentra conformando una pequeña llanura de origen marino-lacustre, constituyendo
prácticamente en su totalidad un marisma, ya que más del 90 % de su territorio se encuentra inundado tanto
durante la pleamar como en la bajamar; donde no existen afloramientos rocosos y la potencia de sus capas
friables es muy homogénea, además de presentar una topografía muy llana, con ausencia de pendientes
4
significativas; por lo que escasamente puede ser subdividida geomorfológicamente. Teniendo en cuenta la
intensidad de los procesos hidrodinámicos actuantes y la importancia de los factores biogenéticos e
hidrodinámicos que la han conformado, hemos realizado la siguiente subdivisión geomorfológica:
−
−
−
−
Camellón circundante y paralelo a la costa (H < 1,20 m).
Llanura baja plana (H < 1 m). Permanentemente inundada.
Llanura baja plana (H < 1 m) surcada por canalizos.
Lagunato litoral.
Zonificación Constructiva
Zonificar Cayo Buba, desde una visión y factibilidad de desarrollo constructivo, no resulta tarea sencilla, en
primer lugar por la fragilidad constitucional del cayo, en segundo, por el grado de estudio alcanzado en esta
etapa de Anteproyecto y en tercero, por la gran homogeneidad de su territorio en cuanto a elementos
geomorfológicos, geólogo – geotécnicos, hidrogeológicos y el desarrollo de su vegetación; pequeñas
variaciones de estos elementos analizados han sido la base para conformar de alguna manera, los criterios de
zonificación.
•
Accesibilidad
El acceso a Cayo Buba, por constituir un territorio insular, solo puede efectuarse actualmente por vía marítima.
El Canal de Buba proporciona la posibilidad de acceso al cayo, pero los bajos que lo rodean limitan el atraque
de las embarcaciones. Con la ejecución de un pequeño dragado en la costa NW, donde la isobata de 2,0 m se
aproxima a escasos metros de la costa, la cobertura sedimentaria fácil de dragar y la profundidad en que yace
el techo de la roca es tal, que no sería necesario dragar en la misma, pudiéndose crear un cajón de maniobras
y facilidades de atraque para un acceso al cayo por mar.
•
Hidrogeología
El sistema hidrogeológico de Cayo Buba está caracterizado por depender de una topografía llana y baja,
extensión territorial pequeña, la constitución de los depósitos de sedimentos altamente permeables y estar
directamente condicionado por la intrusión marina. Las variaciones del nivel de las aguas subterráneas
presentes son directamente proporcionales a las variaciones del NMM, por lo que su movimiento en la vertical
depende exclusivamente del comportamiento y variaciones en el régimen de mareas de la zona,
subordinándose su profundidad de yacencia al NTN. Es por esto que casi el 90 % de su territorio, excepto los
camellones que conforman las barras de arena emergidas en el litoral, está totalmente inundado por las aguas
de intrusión salina. Las condiciones hidrológicas antes mencionadas, si bien no son favorables para cualquier
desarrollo constructivo en el cayo, no constituyen un obstáculo para la conformación de terrenos y soluciones
de cimentación en el mismo.
•
Manglares
Cayo Buba debe en gran parte su existencia (génesis, evolución y conservación) a la presencia de la
vegetación en su superficie. Los manglares han tenido una significativa importancia en la formación del relieve
5
pues además de fijar las formas acumulativas, las han hecho crecer areal y verticalmente, además de disipar la
acción del oleaje y evitar la abrasión y la erosión. El desarrollo areal del manglar ha sido considerado dentro de
los criterios para la zonificación constructiva del cayo.
•
Geotecnia
En nuestra área de estudio existe poca variedad de elementos geólogo-geotécnicos, ya que la misma está
constituida litológicamente por arenas y turbas con muy pocas variaciones de sus características
físico-mecánicas, que sobreyacen al basamento rocoso, el que inducimos su composición, a partir de los
estudios detallados realizados con anterioridad en áreas muy cercanas, por calcarenitas de la Fm Varadero.
Las características físico-mecánicas que se le atribuyen a los siguientes elementos son orientativas y
responden a etapa de Anteproyecto; siendo obtenidos muchos de los parámetros por métodos indirectos.
El elemento más distribuido arealmente es la turba de color carmelita ocre, de sensación esponjosa y textura
fibrosa, compuesta por restos vegetales semidescompuestos, totalmente deleznable, poco fétida, en ocasiones
mezclada con arena limosa, saturada y altamente compresible. Según el Sistema Único de Clasificación de
Suelos (SUCS) Norma ASTM D – 2488-90 clasifica como Pt.
Las arenas de color crema, biogénicas, carbonatadas que conforman el camellón circundante y paralelo a la
costa, hacia el Norte y Este según su granulometría, clasifica como arena subangular uniforme de grano medio
a fino, mientras que en la costa Sur su granulometría aumenta por la presencia de conchas y restos de estas,
llegando a ser de grano medio a grueso. Se presentan de muy suelta a sueltas, con muy bajo porcentaje de
materia orgánica en su constitución en la costa Norte, mientras que el contenido de materia orgánica en la
costa Este aumenta, por lo que aquí pudieran tener un valor de cohesión no drenada de hasta 0,01 Mpa. La
densidad natural es de aproximadamente 13 kN/m3, su ángulo de reposo es de 7º-8º y su ángulo de fricción
interna se comporta entre los 25º y 35º, con una densidad relativa (Dr) de 0,2 (suelta) y una compacidad floja.
Su peso específico varía desde 26.5 KN/m3 hasta 27 kN/m3. Este elemento clasifica según el SUCS dentro del
grupo SW/SP. Estas arenas presentan un módulo general de deformación de 1,5-2,0 Mpa y factores de
capacidad soportante relacionados a sus ángulos de fricción interna de Nγ: 4 y Nq: 7. Generalmente por debajo
de los 0,50 m de yacencia este elemento se encuentra saturado.
Al calcular las pruebas de penetración dinámica ejecutadas sobre la arena, tanto en Cayo Buba como en Cayo
Libertad, se evidenció un comportamiento geomecánico muy homogéneo a la penetración del cono. Los
números de golpes admitidos en el intervalo hasta 1,10 m dan como resultado un NSPT < 2, mientras que para
el intervalo restante hasta 5,80 m puede calcularse un NSPT que varía entre 5-10. Las pruebas de penetración
estática realizadas en elementos con características como este, han arrojado valores de carga admisibles (qa)
de 0,25 Mpa.
El basamento rocoso que subyace a los elementos friables del cayo, aunque no fue muestreado, su
profundidad de yacencia y algunas propiedades físico-mecánicas fueron determinadas mediante la hinca de
varilla graduada y los perfiles de SRS respectivamente. La consulta de los trabajos precedentes dictaminan
que el primer estrato rocoso presente en el corte geológico está constituido por calizas biodetríticas
(calcarenitas), poco cementadas, algo masivas y porosas.
6
Tabla 1. Propiedades físico-mecánicas orientativas de la Calcarenita a partir de la SRS
Calcarenita
µ
ρ
FKP
Rc
Ed
Valor mínimo
0.22
16.8
2.5
3.8
4600
Valor máximo
0.30
20.5
3.0
12.5
14900
Valor medio
0.26
1.83
2.75
8.6
7600
Donde: µ - Coeficiente de Poisson (adimensional), ρ - Densidad natural (kN/m3), FKP - Factor de dureza
Protodiakonov (adimensional), Rc - Resistencia a la compresión (MPa), Ed - Módulo elástico o de Young
(MPa).
Valor
Mínimo
Valor
Máximo
Valor
Prom.
•
Absorción %
MPa
Tracc
MPa
Comp
MPa
Tracc
MPa
Comp
Adim.
Saturada
Coeficiente
Seca
Ablandamiento
Resistencia Temporal
%
Pososidad Abs.
Peso Esp.
Saturado KN/m3
Húmedo KN/m3
Peso Específico
Seco KN/m3
Peso Específico
Humedad
Natural %
Relativo. Adim.
Peso Específico
Tabla 2 Propiedades físico-mecánicas orientativas de las calcarenitas de la zona de estudio
γd
γf
γsat
η
σc
σt
σ c(s)
σ t (s)
CA
Abs.
0.3
15.2
15.6
16.6
19
5.53
0
2.24
0.76
0.32
1.1
2.74
9.7
22
22.2
22.8
44
38.35
0
26.72
4.59
0.8
15.8
2.68
3.54
17.6
18.4
19.5
33.7
9.76
0
9.93
2.62
0.49
6.65
Gs
Wn
2.64
Zonificación constructiva
Con los criterios antes expuestos hemos realizado la zonificación constructiva del territorio de estudio, que si
bien aporta una información para la toma de decisiones en esta Etapa de Anteproyecto, la misma no constituye
una definición invariable de la utilización del territorio del cayo para el desarrollo constructivo, pues el factor
costo- beneficio deberá jugar un papel relevante en la toma de decisiones finales. No obstante a esto, somos
de la opinión que no debe hacerse un uso intensivo del territorio, dada la fragilidad del mismo. Fueron definidas
cuatro zonas y dos subzonas constructivas (Fig. 3).
Las subzonas 2a y 2b representadas en el Mapa de Zonificación Constructiva, por los criterios antes
expuestos, consideramos que son las más factibles para ser utilizadas como áreas de desarrollo constructivo
en el cayo. Son áreas que quedan relativamente en el interior del cayo, pero a la vez muy cercanas a la costa
Norte, en la que el Proyecto pretende el desarrollo náutico. El techo de la roca yace entre los 6,0-7,0 m,
cubierto, al igual que en casi todo el cayo por una capa de turba, pero se encuentra prácticamente desprovista
de vegetación, lo que facilitaría las labores de desbrozo, además de resultar el menor impacto al medio natural.
7
Fig. 3 Mapa de Zonificación Constructiva, Cayo Buba.
Cualquier diseño de edificaciones con estructuras de cargas no ligeras, en estas subzonas, debe proyectarse
con cimentación indirecta sobre pilotes, dadas las características geotécnicas de sus suelos; estructuras
aligeradas y viales pueden ser desarrolladas sobre relleno técnico, siempre que durante el proceso de
conformación del mismo se realice un estudio complementario mediante pruebas de carga y perforación para
determinar las condiciones geotécnicas del propio relleno y de las capas de los estratos friables que lo
subyacerían, como la turba, material poco resistente y altamente compresible después de ser sometida a la
consolidación inicial que le proporciona la carga del relleno y así definir el dimensionamiento de las
cimentaciones para las solicitaciones requeridas. En las dos subzonas antes mencionadas el relleno
conformado debe superar en 1,0 m el NMM, aplicando una compactación dinámica con cargas elevadas antes
de llegar al nivel de terraza.
CONCLUSIONES
1.
Cayo Buba, geomorfológicamente está constituida en casi su totalidad por una llanura lacuno-palustre
permanentemente inundada de alturas menores de 1,20 m, la que puede ser considerada como una gran
marisma, anillada en casi todo su borde exterior por camellones de arena de granulometría variable, cuyo
ancho promedio no excede los 30,0 m. Presenta un substrato geológico joven, constituido al parecer por
calcarenitas de la Fm. Varadero.
2.
El camellón circundante y paralelo a la costa constituye un sistema dunar muy joven, el cual se presenta
prácticamente de manera continua.
3.
La llanura baja plana permanentemente inundada cubierta por el mar o bajo flujos de marea, presenta una
potente capa de sedimentos biogénicos constituidos por turba reciente.
8
4.
Los procesos hidrogénicos y el desarrollo de los manglares han sido trascendentes en la formación del
cayo; presentando un único tipo de costa: biogénica de mangle.
5.
Es factible desde el punto de vista ingeniero-geológico la unión mediante pedraplén de la Península de
Hicacos con cayo Buba.
6.
Existe poca variedad de elementos geólogo-geotécnicos: arenas y turbas con muy pocas variaciones de
sus características físico-mecánicas y un basamento rocoso que aparenta ser la Calcarenita de la Fm.
Varadero, de la que no hay afloramientos en todo el territorio.
7.
No debe hacerse un uso intensivo del territorio, dada la fragilidad del mismo, sino un uso racional.
8.
Se delimita el territorio de estudio en cuatro zonas y dos subzonas constructivas, reconociéndose las
subzonas 2a y 2b como las más factibles para ser utilizadas como áreas de desarrollo constructivo en el
cayo.
9.
Cualquier diseño de edificaciones con estructuras de cargas no ligeras, debe proyectarse con cimentación
indirecta sobre pilotes, dadas las características geotécnicas de sus suelos; estructuras aligeradas y viales
pueden ser desarrolladas sobre relleno técnico.
RECOMENDACIONES
1.
Realizar un estudio Ingeniero – Geológico Técnico – Ejecutivo, para cualquiera de los objetos de obra que
sean diseñados por Proyecto.
2.
Las características físico-mecánicas de los elementos geólogo-geotécnicos son orientativas y responden
a este estudio de Anteproyecto, por lo que no recomendamos su utilización para el diseño final de
cimentación de las obras.
BIBLIOGRAFÍA
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Mijailov, L. (1989): Hidrogeología. Editorial Mir, Moscú.
Carrazana, R. y Manuel A. Rubio (1974): Técnicas Básicas de Construcción, Infraestructuras.
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Alfonso Santiesteban, Idoris y G. Godinez Barrera (2000): Proyecto Técnico Ejecutivo, Investigaciones
ingeniero – geológicas para proyecto ejecutivo de
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remodelación y ampliación de marina Gaviota. Punta Hicacos. Agencia Geología Geofísica GEOCUBA,
Estudios Marinos – INMAR.
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Mapa topográfico 1:1 000 de Cayo Buba. GEOCUBA, Matanzas. 2009
Batimetría Ingeniera 1:1 000 de Cayo Buba. Agencia Hidrografía GEOCUBA, Estudios Marinos. 2009.
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