estudio de suelos para muelle de crudo en fase de ingeniería

X CONGRESO CUBANO DE GEOLOGÍA (GEOLOGIA´2013)
Hidrogeología e Ingeniería Geológica
GEO5-P6
ESTUDIO DE SUELOS PARA MUELLE DE CRUDO EN FASE DE
INGENIERÍA BÁSICA, SITIO LOS COLORADOS, CIENFUEGOS
Franciasco Ortega Pérez, Francisco; José Raúl Gabilondo Márquez
GEOCUBA Estudios Marinos. Punta Santa Catalina s/n. Regla. Ciudad de la Habana, Cuba. Teléfono 978255, 970015-18 Ext. 107,114 y 118. E-mail: [email protected].
RESUMEN
El presente trabajo tiene como objetivo evaluar, preliminarmente las características geotécnicas del área
escogida para la proyección del muelle de recepción de crudo en Punta Los Colorados, provincia de
Cienfuegos, a partir de los resultados aportados por un grupo de calas ejecutadas en el área de estudio.
El equipo de perforación utilizado fue la perforadora RL 48 de la firma Rolatec para trabajos marinos,
emplazada sobre la patana autoelevable (Jack Up) Suelo II. Las calas realizadas alcanzaron en su
mayoría la cota mínima de -70,0 m de profundidad. Los ensayos físico – mecánicos a las muestras
colectadas se realizaron en el Laboratorio de Mecánica de Suelos y Rocas de la Empresa Nacional de
Investigaciones Aplicadas a la Construcción (ENIA) de Cienfuegos.
Como resultado de los estudios realizados se define que el área escogida para la proyección de la
cimentación del muelle a construir está ubicada sobre una terraza coralina, caracterizada por un fondo
irregular, con una alta cavernosidad en los primeros 10 a 15 m y constituida por rocas calizas biohérmicas
coralinas, agrietadas y de baja capacidad de carga admisible, que caracterizan, de manera general, al
macizo rocoso sumergido que sobre yace a un suelo areno limo arcilloso a partir de los 30 - 40 m de
profundidad.
ABSTRACT
The present work has as objective to evaluate, preliminarily the geotechnical characteristics of the selected
area for the projection of the reception dock of crude oil yetty Los Colorados, Cienfuegos's province, from
the results of number of bore holes in the study area.
The equipment used was the machine RL 48 from the Rolatec company designed for marine works,
employed on a Jack Up named Suelo II. Most of the bore hole performed reached as the minimal depth 70.0 m. The physical and mechanic test applied to the collected samples were carried out at the
Mechanic’s Laboratory of Soil and Rocks of the construction`s applied investigation national enterprise to
the construction (ENIA) from Cienfuegos.
As result of the studies carried out a selected area is defined for the projection of the foundation of the
dock to construct located on a coral terrace characterized as irregular seabed with a high with a high
hollowness in the first 10 to 15 m and it constituted for coral biohermic calcareous rocks, fractured and low
capacity of bearing capacity, which characterize, in a general way, to the submerged rocky massive that
overlie on a silting clayed sandy soil from to 30 - 40 m in depth.
INTRODUCCIÓN
El presente trabajo ha sido realizado a partir de los resultados de los trabajos de campo,
observaciones visuales in situ mediante buceo autónomo y los valores aportados por los
ensayos físico - mecánicos realizados. En el mismo se hace una valoración desde el punto de
vista geotécnico, considerando la complejidad litológica, geomorfológica y tectónica del área de
estudio, así como los volúmenes de perforación realizados.
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Memorias en CD-Rom, La Habana, 1 al 5 de abril de 2013. ISSN 2307-499X
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El sitio en el cual se ejecutaron los estudios de suelo está ubicado a 500 m al oeste de Punta
Los Colorados. Las profundidades naturales del acuatorio de estudio están en un rango de –
8,00 m a –17,00 m, referidas al NMM (Nivel Medio del Mar)
El alcance de los trabajos ejecutados fue el siguiente:
• Inspección y filmación subacuática mediante buceo autónomo
• Ejecución de 4 perforaciones marinas.
• Descripción litológica y toma de muestras de suelo.
• Pruebas de campo (SPT).
• Descripción de la geología local y estratigrafía encontrada.
• Clasificación geotécnica de los suelos. Elementos ingeniero geológicos. Columnas ingeniero
geológicas.
• Estimación inicial de los parámetros de diseño para los diferentes elementos ingeniero
geológicos.
• Consideraciones conceptuales para la hinca de pilotes y cimentación gravitacional.
El equipo de perforación utilizado fue la perforadora RL 48 de la firma Rolatec para trabajos
marinos, emplazada sobre la patana autoelevable (Jack Up) Suelo II. Las calas realizadas
alcanzaron en su mayoría la cota mínima de -70,0 m de profundidad. Los ensayos físico –
mecánicos a las muestras colectadas se realizaron en el Laboratorio de Mecánica de Suelos y
Rocas de la Empresa Nacional de Investigaciones Aplicadas a la Construcción (ENIA) de
Cienfuegos.
MATERIALES Y MÈTODOS
Para desarrollar este trabajo los métodos y tecnologías a emplear fueron.
Sistema de posicionamiento y medición de profundidades.
Para el replanteo de las calas en el acuatorio con la precisión requerida se empleó el Sistema de
Posicionamiento Global en la variante Diferencial (DGPS). El sistema está compuesto por dos
módulos similares, uno se instaló a bordo de la embarcación hidrográfica ligera LH -32 y el otro
en tierra, en un punto de apoyo ubicado en las instalaciones de la Empresa GEOCUBA
Cienfuegos con coordenadas geodésicas precisas, ambos módulos incluyen:
•
•
•
GPS Novatel Modelo 2111 Newton Surveyor.
Computadora Laptop Robusta para adquisición de datos
Módem y Radio VHF
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Figura 1 Boyarín y peso muerto replanteado en el área de estudio para la ubicación de las perforaciones.
Perforación rotaria/percusión para ingeniería.
Se perforó con el equipo RL 48 de la firma española Rolatec, ubicada sobre la patana de
perforación autoelevable (Jack Up) Suelo II. Las características de la patana autoelevable (Jack
Up) son las siguientes: 12 m de eslora, 12 m de manga, 0,7 m de calado, con caseta dividida
para la operación de los sistemas hidráulicos, cuatro winches hidráulicos con líneas de fondeo
de 100 m de cable de acero y anclas de 250 Kg. y cuatro patas de 24 m cada una. La patana
autoelevable hincan sus patas sobre el fondo marino y con ello se eleva la misma a 1 o 1,5 m
por encima de la superficie del mar.
Este equipo perforara a percusión y/o rotación, con una torre que permite el uso de tubería de
revestimiento larga para abarcar el espesor de agua y los suelos. Equipada con un sistema
estándar para ensayos de SPT y todos los aditamentos necesarios para el muestreo de los
suelos y rocas.
Figura 2 Sistema de Perforación: patana autoelevable SUELO II y perforadora RL 48.
Figura 3 Apoyo de las patas de la plataforma (Jack Up) en el fondo marino.
La recuperación de los sondeos en roca, realizados con muestreador de doble tubo, fue variable,
debido al grado de oquedades, agrietamiento y cavernosidad presente, pudiendo considerarse
de aceptable en su generalidad al mantenerse por encima del 60 -80 %.
Los sondeos de los suelos friables se realizaron utilizando continuamente el Método de
“Standard Penetration Test” (SPT), en combinación con el muestreador simple tubo a rotación,
en intervalos de 1,50 m.
Muestreo geológico y ensayos de Laboratorio.
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El intervalo de muestreo definido fue de una muestra por metro perforado para los primeros 10
m de perforación y a partir de los 10 m hasta los 60 m se tomó una muestra cada 1,5 m,
garantizando la representatividad para los diferentes estados de meteorización y fracturación de
los elementos litológicos recuperados. En todos los casos las muestras tomadas fueron
convenientemente identificadas, descritas y envasadas para su posterior envío al laboratorio de
mecánica de suelos y rocas.
Figura 4 Identificación y conservación de muestras de suelo
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Desde el punto de vista geomorfológico, el territorio pertenece al complicado sistema de
morfológico de la bahía de Cienfuegos, el cual se encuentra en la zona de articulación de la
depresión tectónica de Zapata, la fosa de Jagua y la estructura domo – hórstica del macizo de
Trinidad.
El macizo rocoso estudiado está compuesto principalmente por calizas arrecifales
pliopleistocénicas de la Formación Vedado (P. Bronnimann y D. Rigassi, 1963), constituida
principalmente de calizas biohérmicas coralino-algáceas, con lentes ocasionales de calcarenitas,
sobreyacidas por las calizas biodetríticas masivas carsificadas de la Formación Jaimanitas (J.
Brödermann, 1940).
Durante los trabajos de campo fue reconocido el agrietamiento superficial e hipogeo de los
macizos emergidos y sumergidos.
Figura 5 Agrietamiento superficial de la terraza emergida.
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El agrietamiento del macizo sumergido estudiado está constituido por una familia de
discontinuidades principales y otra ocasionalmente presente: Clase III según ISMR (Sociedad
Internacional de Mecánica de Rocas), 1981. La orientación de estos agrietamientos no es
definible mediante los trabajos de perforación, pero sus planos de orientación aparecen en los
testigos extraídos fundamentalmente a 30° - 45°, presentan un espaciado separado a
moderadamente junto en ocasiones, su perfil de rugosidad se caracteriza por ser onduladas lisas
a rugosas, con aberturas cerradas y parcialmente abiertas ( 0,5 a 2,5 mm), aunque en algunos
estratos se presentan anchas (> 10,0 mm) y rellenas por un material arenoso de grano medio a
grueso semi – consolidado a consolidado.
Es probable que el desarrollo de la actividad cársica en la zona de estudio haya comenzado en
el Mioceno Superior, alcanzando su máximo auge en el Cuaternario. Durante los trabajos de
perforación y buceo especializado este fue evidenciado en la terraza coralina sumergida (Fotos
No. 6 y 7). En las perforaciones BH -11 y BH - 22 en las cotas -19,5 y -22,00 m referida al NMM
respectivamente se presentaron cavernas de hasta 2.00 m. En la posición inicial proyectada para
la realización de la perforación BH – 22, al situar la plataforma de perforación, el apoyo de una
de las patas colapsó por la ruptura del techo de una caverna superficial (Foto No. 11), lo que
manifiesta un desarrollo cársico en el sitio escogido para el Proyecto.
Figura 6 Imágen submarina tomadas de las cavernas presentes en la zona de estudio cercanas a la
superficie del fondo marino.
Figura 7 Imagen submarina tomada del punto en que colapso del techo de una caverna provocado por el
apoyo de una de las patas de la patana (Jack Up) al ser ubicada en el sitio de la perforación BH – 22.
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Características in situ
Para la estimación del RQD se consideraron sólo los fragmentos de testigo de material fresco,
excluyéndose los que presentaron un grado de alteración importante, para los que se consideró
un RQD igual a 0% y aquellos que conservaron un diámetro completo. Las mediciones del RQD
se realizaron en cada maniobra de sondeo, los que se efectuaron de manera general con una
longitud de 1,5 m.
Figura 8 Gráfico del comportamiento del índice RQD vs. Profundidad en cada una de las perforaciones
realizadas.
Al analizar los valores obtenidos para
este índice, se observa una diferencia en el
comportamiento del mismo para las profundidades de sondeo aunque en sentido general
consideramos que la calidad de la roca que compone el macizo rocoso, a partir de este índice,
presenta una calidad de media a mala.
Se puede apreciar a partir de los valores obtenidos de NSPT, un comportamiento muy definido
para tres tipos de suelos: los suelos arcillosos poco plásticos con valores NSPT: 2 – 9, de
consistencia media; los suelos limo arcillo – arenosos con valores NSPT: 12, de consistencia firme
y las arenas – arcillosas con gravas, de compacidad muy densas al tener valores de NSPT > 50
condicionado por el contenido de gravas.
Valoración geomecánica del sitio con los datos aportados por los mismos.
Las densidades naturales de las rocas estudiadas presentan un amplio rango de valores, aunque
en sentido general son valores bajos para rocas calizas, que van desde 13 KN/m3 hasta valores
de 24 KN/m3. No existe una relación directa entre la profundidad de yacencia de las rocas y la
variación de sus densidades; las mismas han estado condicionadas a procesos químicos –
físicos que han intervenido en su formación y transformación en el tiempo.
Densidad natural (KN/m3)
12
14
16
18
20
22
24
0
Profundidad (m)
-10
-20
NBH - 11
NBH - 15
-30
NBH - 16
NBH - 22
-40
-50
-60
Profundidad vs Densidad natural de la roca
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Figura 9 Gráfico de densidad natural vs. profundidad en cada una de las perforaciones realizadas.
Las areniscas poco cementadas que yacen entre los -12,0 y -19,0 m aproximadamente por
debajo del fondo natural, presentan densidades entre 13 – 16 KN/m3, constituyendo rocas
extremadamente blandas (R0) con valores de resistencia a la compresión axial de 0,5 – 2,0 Mpa;
mientras que las calizas biohérmicas coralinas que presentan densidades entre 16 – 19 KN/m3
tienen una resistencia a la compresión axial de 2,0 – 6,0 Mpa, constituyendo rocas muy blandas
(R1); cuando estas calizas se encuentran algo dolomitizadas, sus densidades alcanzan valores
superiores a los 20 KN/m3 alcanzando valores de resistencia > 10 Mpa, rocas blandas (R2).
(ISRM).
Figura 10 Gráfico de densidad seca vs.
Resistencia a la compresión axial natural.
Los mayores valores de resistencia a la compresión axial (>10 MPa), están asociados
principalmente a la cementación y recristalización y/o dolomitización que presentan las rocas, así
como al poco agrietamiento presente en ellas.
Figura 11 Gráfico de Resistencia a la compresión axial natural vs. Profundidad.
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Figura 12 Gráfico de Resistencia a la compresión axial saturado vs. Profundidad.
Las propiedades de humedad, absorción, coeficiente de ablandamiento y durabilidad de las
rocas que constituyen el macizo, están en función del grado de porosidad, contenido arcilloso y
recristalización del carbonato que las constituye.
Las distribuciones granulométricas
esclarecieron las dudas presentadas durantes las
descripciones de campo, con relación al contenido areno – limo – arcilloso de los suelos debido
a la proporcionalidad en las muestras de los mismos. Los límites de plasticidad presentan cierta
variación en dependencia de la fracción gruesa que compone al suelo ensayado, humedad y a
su composición mineralógica, pero generalmente definen a los suelos arcillosos de baja
plasticidad.
Las densidades de los suelos dan consistencias firme para los suelos limo arcillo – arenosos y
compacidad muy densa para las arenas – arcillosas con gravas.
Elementos ingeniero geológicos
Al evaluar las propiedades físico – mecánicas aportadas por los análisis de laboratorio realizados
para este estudio, junto a las propiedades mecánicas resultantes de la evaluación de los
ensayos SPT se determinaron los siguientes elementos ingeniero geológicos:
E.I.G. No.1 Calizas biohérmicas coralinas cavernosas (>2.0 m), de colores blanco
grisáceo con impregnaciones de color ocre, en ocasiones fracturadas y agrietadas (30° – 45o),
grietas rugosas de hasta 20.0 mm de ancho, espaciadas entre 0.6 y 0.8 m, rellenas o
semirrellenas por arena gruesa consolidada a semiconsolidada; algo densas. Rocas muy
blandas a blandas (R1 – R2). Muy meteorizadas a moderadamente meteorizadas. Presentan una
durabilidad media a baja.
Este elemento se encuentra distribuido en toda el área estudiada y constituye el estrato rocoso
suprayacente del acuatorio.
 Humedad natural (W): 5.24 %
 Densidad húmeda (‫أل‬f): 18.57 KN/m3
 Densidad seca (‫أل‬d): 17.67KN/m3
 Densidad saturada (‫أل‬sat): 18.85 KN/m3
 Absorción: 14 %
 Ángulo de fricción interna (Φ): 39°
 Resistencia a la compresión axial, estado natural (Rc nat): 7.0 MPa
 Resistencia a la compresión axial, estado saturado(Rc sat): 6.4 MPa
 Coeficiente de ablandamiento (Kpz): 0.91 adimensional.
 Módulo de deformación (E): 568 MPa
 RQD: 50 -70 %
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RMQ (Rock mass quality): aceptable a pobre
E.I.G. No.1a Calizas biohérmicas coralinas, con oquedades, de colores blanco, blanco
amarillento a rosáceo, con impregnaciones de color ocre, oquedades (<15.0 mm), muy
fracturadas y agrietadas (30° – 45o), fracturas planas y oxidadas, semicerradas a cerradas,
firmes (1 – 25 mm), espaciadas entre 0.1 -0.5 m. En ocasiones se presentan masivas y en
proceso de recristalización y/o dolomitización. Rocas muy blandas a blandas (R1 – R2).
Moderada a alta meteorización. Presentan una Alta durabilidad.
 Humedad natural (W): 7.4 %
 Densidad húmeda (‫أل‬f): 19.91 KN/m3
 Densidad seca (‫أل‬d): 18.18/m3
 Densidad saturada (‫أل‬sat): 19.64 KN/m3
 Absorción: 14.98 %
 Ángulo de fricción interna (Φ): 37°
 Resistencia a la compresión axial, estado natural (Rc nat): 7.5 MPa
 Resistencia a la compresión axial, estado saturado(Rc sat): 4.2 MPa
 Coeficiente de ablandamiento (Kpz): 0.56 adimensional.
 Módulo de deformación (E): 588 MPa
 RQD: 30 -60 %
 RMQ (Rock mass quality): aceptable a pobre
E.I.G. No.2 Areniscas de arrecifes coralinos, de color carmelita claro, de granos grueso a
medio, con fragmentos y relictos de coral < 10.cm, ligeramente agrietadas a masivas, poco
cementadas, porosas; en ocasiones con estratificación laminar (35° – 40o). Rocas muy blandas
(R1). Moderadamente meteorizada. Durabilidad Media a Alta.
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Humedad natural (W): 11.55 %
Densidad húmeda (‫أل‬f): 16.06 KN/m3
Densidad seca (‫أل‬d): 14.21 KN/m3
Densidad saturada (‫أل‬sat): 16.66 KN/m3
Absorción: 45.1 %
Ángulo de fricción interna (Φ): 35°
Resistencia a la compresión axial, estado natural (Rc nat): 0.8 MPa
Resistencia a la compresión axial, estado saturado(Rc sat): 0.6 MPa
Coeficiente de ablandamiento (Kpz): 0.75 adimensional.
Módulo de deformación (E): 192 MPa
RQD: 70 -90 %
RMQ (Rock mass quality): bueno
E.I.G. No.3 Areniscas arcillosas, de color carmelita a carmelita claro, de grano medio, con
fragmentos de coral y calizas biohérmicas < 10.cm, poco cementadas, de matriz arcillosa.
Rocas muy blandas (R1). Altamente meteorizadas. Baja durabilidad.
 Humedad natural (W): 7.37 %
 Densidad húmeda (‫أل‬f): 17.57 KN/m3
 Densidad seca (‫أل‬d): 16.24 KN/m3
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Densidad saturada (‫أل‬sat): 18.27 KN/m3
Absorción: 14.5 %
Ángulo de fricción interna (Φ): 30°
Cohesión (C): 13 kPa
Resistencia a la compresión axial, estado natural (Rc nat): 3.5 MPa
Resistencia a la compresión axial, estado saturado(Rc sat): 2.6 MPa
Coeficiente de ablandamiento (Kpz): 0.74 adimensional.
Módulo de deformación (E): 402 MPa
RQD: 60 -80 %
RMQ (Rock mass quality): pobre a aceptable
E.I.G. No.4 Suelos compuestos por arenas limo - arcillosas con gravas, limos
arcillo – arenosos, y arcillas poco plásticas. Hemos agrupado en un solo E.I.G, de
manera representativa, el conjunto de suelos que yacen por debajo del macizo rocoso a pesar
de las diferencias en sus propiedades físico – mecánicas, por no ser, en esta etapa de la
investigación de interés para las soluciones de diseño geotécnico de las posibles cimentaciones;
así como por su bajo grado de estudio.
La estratigrafía del área estudiada no es compleja. La yacencia de los elementos es casi
horizontal y regular, por lo que a pesar de no estar totalmente alineadas todas las perforaciones
sobre una misma línea recta, hemos asumido una linealidad para el perfil geotécnico, ya que
consideramos que las mayores variaciones están en dirección vertical (profundidad) del macizo y
no en la dirección horizontal, donde exceptuando las manifestaciones cársicas (principalmente
cavernas), las características de las rocas son similares.
La diversidad de los elementos ingeniero geológicos (E.I.G.) en el acuatorio está dada
principalmente por el grado de meteorización, agrietamiento y carsificación de las rocas; así
como por los grados y tipos de cementación, contenido de minerales arcillosos y carbonatados;
además de la recristalización y/o dolomitización que presenten las rocas.
Figura 13 Perfil geotécnico para las calas realizadas.
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CONCLUSIONES
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El área escogida para la proyección de la cimentación del muelle a construir está ubicada
sobre una terraza coralina sumergida, de fondo irregular, con una alta cavernosidad en sus
primeros 10 - 15 m a partir del fondo marino y constituida por rocas calizas biohérmicas
coralinas, agrietadas, que caracterizan de manera general al macizo rocoso, que sobreyace
a un suelo areno limo arcilloso a partir de los 30 - 40 m de profundidad.
El macizo rocoso estudiado está compuesto principalmente por calizas arrecifales
pliopleistocénicas de la Formación Vedado (P. Bronnimann y D. Rigassi, 1963), constituida
principalmente de calizas biohérmicas coralino-algáceas, con lentes ocasionales de
calcarenitas, sobreyacidas por las calizas biodetríticas masivas carsificadas de la Formación
Jaimanitas (J. Brödermann, 1940).
El macizo rocoso yace discordante sobre calizas arcillosas y su desagregación en pseudos
conglomerados calcáreos de matriz margosa - arenácea, con intercalaciones de areniscas,
limonitas calcáreas, arenas y arcillas pertenecientes a la Formación Paso Real.
La calidad de la roca que compone el macizo rocoso, a partir del RQD, es de Media a Mala.
Las densidades naturales de las rocas estudiadas presentan un amplio rango de valores,
aunque en sentido general son valores bajos para rocas calizas, que van desde 13 KN/m3
hasta valores de 24 KN/m3.
Los valores de resistencia a la compresión axial de las rocas presentes son < 10 MPa;
valores superiores están asociados a la cementación, recristalización y/o dolomitización que
presentan las rocas, así como al poco agrietamiento presente en ellas.
Fueron definidos cinco elementos ingeniero geológicos (E.I.G.), y sus propiedades
geotécnicas.
Durante los trabajos de campo fue reconocido el agrietamiento superficial e hipogeo de los
macizos emergidos y sumergidos. El agrietamiento del macizo sumergido estudiado está
constituido por una familia de discontinuidades principales y otra ocasionalmente presente:
Clase III según ISMR.
El grado de carsificación del macizo rocoso, con la presencia de cavernas, constituye un
riesgo físico – geológico significativo que pudieran comprometer la obra a ejecutar. En las
perforaciones BH -11 y BH - 22 en las cotas -19.5 y -22.00 m referida al NMM
respectivamente se presentaron cavernas de hasta 2.00 m.
Los estudios de suelos realizados hasta el momento, corresponden a la fase de Ingeniería
Básica, como fue solicitado y contratado, considerando insuficiente la investigación para
diseño ejecutivo.
BIBLIOGRAFÍA
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expansión de la Refinería de Cienfuegos. NOUEL Consult SA.
Braja M. Das. Fundamentos de ingeniería geotécnica.1998.
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Normas de tiempo para los trabajos preparatorios, de gabinete y procesamiento integral de la actividad
geólogo – geofísica. Código NT- TG – 8.5 – 01. y norma de trabajos de perforación NT DG 12-5.03.
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Normas ASTM D afines
Normas NC afines.
Norsok Standard G-001 – Marine Soil Investigations.
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