Geomecánica

U.N. de Colombia

Geomecánica

Universidad Nacional de Colombia

Geomecánica

Por: Gonzalo Duque-Escobar y Carlos Enrique Escobar P. Manizales, 2016.

CONTENIDO Presentación. 1. Origen, formación y constitución del Suelo. Físico-química de las arcillas. Pg 4 2. Relaciones de volumen y peso para Suelos. Pg 25 3. Estructura del suelo y granulometría. Pg 48 4. Plasticidad de los Suelos. Pg 74

5. Clasificación e identificación de los Suelos. Pg 93 6. Capilaridad. Propiedades hidráulicas de los suelos. Pg 111 7. Redes de flujo. Pg 135 8. Consolidación de suelos. Pg 161 9. Esfuerzos en el suelo. Pg 185 10. Teoría del círculo de Mohr. PG 240

11. Ensayos de corte y triaxial en suelos. Pg 274 12. Compactación de suelos. Pg 296 13. Auscultación de suelos. Pg 309 14. Tablas Valores típicos y Características de los materiales térreos. Pg 385 Fuentes Bibliográficas y de Consulta. Pg 400

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Geomecánica GEOMECÁNICA

PRESENTACIÓN Geomecánica para el Curso de Mecánica de Suelos I del programa de Ingeniería Civil, que se dicta en la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales, con una intensidad de 5 horas/semana (4h teóricas, 1h-laboratorio) durante 16 semanas. Contiene, además de un compendio teórico y bibliográfico para cada módulo, y de cuadros o tablas con información geotécnica sobre propiedades y características de los materiales térreos de utilidad para los trabajos de laboratorios, análisis de resultados y toma de decisiones, y ejercicios resueltos y propuestos de soporte para el aprendizaje y para la Evaluación del curso. El contenido ofrecido, no entra a los temarios de las asignaturas de Suelos II, de Geotecnia vial y de Pavimentos, así trate someramente algunos fundamentos fundamentales para dichas materias, dado que ellas tienen este curso como soporte. Igualmente, esta asignatura se soporta en el curso de Geología, cuyo enlace se ofrece en cada capítulo, al lado de otras fuentes de complemento que pueden ser consultadas del mismo modo. Desde la óptica de la geotecnia en el contexto del trópico andino, donde nuestros jóvenes suelos geodiversos y fundamentalmente residuales heredan las discontinuidades de macizos rocosos afectados por vulcanismo y tectonismose, se incorporan dos desafíos; primero, la precariedad del desarrollo de la Mecánica de los suelos para nuestro medio ecosistémico, como ciencia aplicada que surge en otro escenario predecible con estructuras relictas de unos suelos transportados más

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homogéneos, como lo son los de las latitudes altas donde nace esta ciencia aplicada; y segundo, el de la mayor incertidumbre de las obras subterráneas como túneles y cimentaciones de grandes terraplenes, respecto a las estructuras fudamentalmete tecnológicas. Sabemos que mientras la incertidumbre de las estructuras metálicas y de concreto puede alcanzar valores del 4% al 6%, en los macizos rocosos poco disturbados, la incertidumbre de las estructuras subterráneas es del orden del 30%. No obstante, en nuestro medio tropical andino donde además de la alteración tectónica suelen aparecer suelos especiales susceptibles de alteración acelerada, la cuantía podría llegar al 50%. De ahí la importancia del método observacional implementado en la geotécnia por Terzaghi (1945) y que formaliza con Peck (1948), dada su utilidad para el desarrollo de esta clase de obras en la ingeniería del terreno. Finalmente, queremos recordar que este texto de Geomecánica, se fundamenta en el libro “Mecánica de los suelos” (2002) utilizado en nuestros cursos de la Universidad Nacional de Colombia. See more at: https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/3375 Atentamente, GDE y CEE.

Contenido sumario Capítulos

Descripción

Index: Presentación. Contenido sumario y fuentes básicas de consulta. 1

Origen, formación y constitución del Suelo. Físico química de las arcillas.

2

Relaciones de volumen y peso para Suelos.

3

Estructura del suelo y granulometría.

4

Plasticidad de los Suelos.

5

Clasificación e identificación de los Suelos.

6

Capilaridad. Propiedades hidráulicas de los suelos.

7

Redes de flujo.

8

Consolidación de suelos.

9

Esfuerzos en el suelo.

10

Teoría del círculo de Mohr.

11

Ensayos de corte y triaxial en suelos.

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Compactación de suelos.

13

Auscultación de suelos.

Tablas Valores típicos y Caracteríasticas de los materiales térreos. Bibliografía.

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CAPÍTULO 1 GEOMECÁNICA PARA INGENIEROS

Por: Gonzalo Duque Escobar. I.C Especialista en Geotecnia

1.1 Introducción

Carlos Enrique Escobar Potes. I.C. Msc Hábitat

El suelo es el material de construcción más abundante dentro de las prácticas de la ingeniería Civil, y constituye el soporte de las estructuras como edificaciones, vías, puentes, canales, torres, entre otros, además se utiliza como el material de terraplenes viales, muros de tierra reforzada con geotextil, diques, rellenos de adecuación de terrenos en relieves pendientes para áreas urbanas. Los suelos conforman los taludes de corte y de terraplenes viales y son estructuras que cumplen funciones diversas en los proyectos: son los elementos a estabilizar cuando se trata de taludes, y a la vez brindan estabilidad a los demás elementos que hacen parte de un tratamiento de pendientes, como los canales, las bermas, las estructuras y la vegetación que protege el suelo. De ahí la necesidad de estudiar los suelos desde las diferentes ópticas y necesidades dentro de las prácticas de la Ingeniería Civil. La estabilidad volumétrica de un suelo, donde no se admiten deformaciones altas, la estabilidad de los taludes y de las estructuras que hacen parte de la cimentación de una estructura; la saturación de los suelos y sus consecuencias en la inestabilidad de taludes, la estabilidad del suelo frente a procesos de erosión hídrica o sus cambios de volumen y resistencia cuando se deshidrata, son algunos de los comportamientos que se deben estudiar en la mecánica de suelos para dar respuesta a problemas frecuentes vinculados con los materiales térreos. La Mecánica de Suelos brinda las herramientas que permiten la solución a muchos problemas de la ingeniería de suelos: el origen y la formación del suelo es el primer análisis para sectorizar o inferir sobre la presencia de formaciones litológicas diferentes, de comportamientos diversos; la relación de fases permite conocer los pesos y volúmenes de los suelos y sus variaciones cuando cambia su humedad; la clasificación de los suelos se soporta en los laboratorios de granulometría y plasticidad, donde se identifican las propiedades de los suelos granulares, dependiendo de la cantidad y frecuencia de los tamaños de los granos que conforman el suelo o las cualidades de los suelos finos por la plasticidad que exponen sus partículas finas.

Figura 1.1 Talud inestable por deslizamientos superficiales y erosión en surcos. Los ciclos de secado hasta la deshidratación y la saturación modifican las propiedades del suelo haciéndolo susceptible a la inestabilidad por deslizamiento y erosión. El follaje de la vegetación no brinda la protección al suelo. (Carlos E Escobar P).

El suelo y el agua tienen vínculos muy estrechos y tanto la ausencia de agua dentro de la estructura del suelo cuando éste se seca, o el exceso hasta la saturación ejercen control sobre su peso, alteran la resistencia de ese suelo y cambia su volumen; además de la respuesta del suelo fino saturado por la aplicación de cargas estáticas, cuando se induce el flujo del agua libre, se deforma y sufre asentamiento la estructura apoyada en él.

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El suelo debe ser un elemento funcional en los proyectos de ingeniería cuando conforma taludes de corte y de terraplenes, y su funcionalidad se vincula con la conservación de la humedad y de la plasticidad para soportar la vegetación que lo protege y conservar sus cualidades que permiten la estabilidad del talud. El talud de la figura 1.1 es inestable por causa de los ciclos de secado y saturación que sufre el suelo cuando pierde humedad hasta la deshidratación por el calor del sol y el viento, y sufre la saturación por lluvias. La magnitud de los esfuerzos en masas de suelo por la presencia de esfuerzos externos y el análisis de la magnitud y dirección de los esfuerzos o los esfuerzos máximos y mínimos en una masa de suelo son de vital importancia para el análisis de la respuesta de las estructuras subterráneas, como redes de alcantarillado, alcantarillas en vías, túneles o de las estructuras de contención. Todas las prácticas de la mecánica de suelos se soportan en campañas de prospección de los suelos y en el laboratorio para identificar y caracterizar los materiales que integran las áreas de los proyectos de ingeniería. De ahí la necesidad de tener claridad sobre el alcance y el objetivo de los trabajos de campo y de laboratorio para lograr los registros y parámetros que permitan resultados exitosos. Por último, la instrumentación de los suelos es cada vez más vital, necesaria y frecuente dentro de las prácticas de la ingeniería. La medición de variables como la deformación del suelo, los cambios de las presiones totales, la presión de poro o la respuesta frente a perturbaciones dinámicas son necesarias cuando se construyen estructuras grandes y complejas. El presente texto de mecánica de suelos es un instrumento que se brinda las herramientas básicas necesarias para abordar con éxito el análisis y las soluciones vinculadas con el manejo de los suelos en la práctica de la ingeniería civil y afines. Terzaghi dice: La mecánica de suelos es la aplicación de las leyes de la mecánica y la hidráulica a los problemas de ingeniería que tratan con sedimentos y otras acumulaciones no consolidadas de partículas sólidas, producidas por la desintegración mecánica o la que tengan o no materia orgánica.

Figura 1.2 La cimentación del muro de contención a media ladera está atendida por la cimentación superficial y pilotes que transmiten las cargas a mayor profundidad, independizando la estabilidad del muro de la estabilidad del talud. (Carlos E Escobar P)

descomposición química de la roca, independiente

La mecánica de suelos incluye: a. Teoría sobre el comportamiento de los suelos sujetos a cargas, basada en simplificaciones necesarias, dado el estado actual de la teoría. b. Investigación de las propiedades físicas de los suelos. c.

Aplicación del conocimiento teórico y empírico de los problemas prácticos.

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Los métodos de investigación de laboratorio figuran en la rutina de la mecánica de suelos. En los suelos se tiene no solo los problemas que se presentan en el acero y concreto (módulo de elasticidad y resistencia a la rotura), exagerados por la mayor complejidad del material; sino otros como su tremenda variabilidad, donde los procesos naturales formadores de suelos están por fuera del control del ingeniero. En la mecánica de suelos es importante el tratamiento de las muestras (inalteradas – alteradas). La mecánica de suelos desarrolló los sistemas de clasificación de suelos donde se caracteriza el suelo a partir de propiedades como color, olor, textura, distribución de tamaños, plasticidad (A. Casagrande). El muestreo, la clasificación y la obtención de los parámetros mecánicos de los suelos son requisitos indispensables para la aplicación de la mecánica de suelos a los problemas de diseño. 1.2 Problemas planteados por el terreno en la ingeniería civil.

Figura 1.3 La construcción de estructuras en tierra incluye la disposición y compactación del suelo, el control de la humedad, el drenaje del suelo y la conformación del talud estable. (Carlos E Escobar P).

En su trabajo práctico el ingeniero civil atiende problemas diversos y complejos planteados por el suelo. Prácticamente todas las estructuras de ingeniería civil como edificios, puentes, carreteras, túneles, muros, torres, canales o presas, deben cimentarse sobre la superficie de la tierra o dentro de ella. Para que una estructura se comporte satisfactoriamente debe estar dotada de una cimentación adecuada: cuando el terreno firme está próximo a la superficie, una forma común de transmitir las cargas de la estructura al terreno es mediante zapatas. Un sistema de zapatas se denomina cimentación superficial; cuando el terreno firme no está próximo a la superficie, un sistema habitual para transmitir el peso de la estructura al terreno firme es mediante pilotes. El suelo es el material de construcción más abundante del mundo y en muchas zonas constituye, de hecho, el único material disponible. Cuando el ingeniero emplea el suelo como material de construcción debe seleccionar el tipo de suelo adecuado, el método de colocación y debe controlar su colocación en obra. Ejemplos de suelo como material de construcción son las presas de tierra, los terraplenes como el presentado en la figura 1.3 y los rellenos para la adecuación de vías. Otro problema común ocurre cuando la superficie del terreno es inclinada y existe una componente del peso que tiende a generar el deslizamiento del suelo. Si a lo largo de un plano potencial de deslizamiento los esfuerzos debido al propio peso del talud o cualquier otra causa (como las aguas freáticas, el peso de una estructura o un sismo), superan la resistencia disponible del suelo, se produce el deslizamiento del terreno.

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Las otras estructuras ligadas a la mecánica de suelos son aquellas construidas bajo la superficie del

Figura 1.4 Talud conformado por suelo natural relleno. Los colores que exhiben los suelos reflejan su origen: unos son el resultado de la descomposición de la roca, otros son depósitos de caída de piroclástos y los más superficiales son terreno las alcantarillas y los rellenoscomo antrópicos. (Carlos E Escobar P.)túneles, entre otros, y soportan las fuerzas que ejerce el suelo

en contacto con la misma.

Las estructuras de contención son otro problema a resolver con el apoyo de la mecánica de suelos, las más comunes son los muros, las tablestacas, las pantallas ancladas y los muros en tierra reforzada.

1.3 Historia de la mecánica de suelos La historia de la Mecánica de Suelos como la de otras ramas de la ingeniería, muestra que su estado del arte se ha construido sobre la necesidad de plantear soluciones a los retos socioambientales del hábitat con nuevas estructuras, como vías, muros, canales, edificaciones y otras obras. Si para el efecto, la recopilación, revisión y análisis de las experiencias que fueron contribuyendo al a la consolidación de la ingeniería como una disciplina aplicada, también el desarrollo de nuevas tecnologías y técnicas asociadas a procesos ingenieriles y a materiales de construcción, resultaros ser fundamentales. Hoy más que nunca los procedimientos y técnicas de construcción, cuentan con herramientas de análisis y cálculo complementarias a los necesarios modelos físicos a escala que siempre son de carácter fundamental, como lo son los modelos digitales, un valioso soporte de la vida moderna. Para ilustrar el difícil periplo de la ingeniería a lo largo de su historia, veamos: En la dinastía Chou, 1.000 A. C, se dan recomendaciones para construir los caminos y puentes. El siglo XVII trae las primeras contribuciones literarias sobre ingeniería de suelos y el siglo XVIII marca el comienzo de la Ingeniería Civil, cuando la ciencia se toma como fundamento del diseño estructural. Vauban, 1.687, ingeniero militar francés formula reglas y fórmulas empíricas para construcción de muros de contención.

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Bullet, 1.691, (francés), presenta la primera teoría sobre empuje de tierras y a ella contribuyen los franceses Couplet (1.726), Coulomb (1.773), Rondelet (1.802), Navier (1.839), Poncelet (1.840) y Collin (1.846). Más adelante el escocés Rankine (1.857) y el suizo Culman (1.866). En 1773, Coulomb (francés), relaciona la resistencia al corte con la cohesión y fricción del suelo. En 1857, Rankine (Escocés), presenta su teoría del empuje de tierras. En 1856, se presenta la "Ley de Darcy" (Francia) y la “Ley de Stokes” (Inglaterra), relacionadas con la permeabilidad del suelo y la velocidad de caída de partículas sólidas en fluidos. Culman (1866) aplica gráficamente la teoría de Coulomb a muros de contención. En 1871, Mohr (Berlín) desarrolla el cálculo de esfuerzos (una representación gráfica) en un punto del suelo dado. 1873, Bauman (Chicago) afirma que el área de la zapata depende de la carga de la columna y recomienda valores de carga en arcillas. En 1885 Boussinesg (Francia) presenta su teoría de distribución de esfuerzos y deformaciones por cargas estructurales sobre el terreno. En 1890, Hazen (USA) mide propiedades de arenas y gravas para filtros. En 1906, Strahan (USA) estudia la granulometría para mezclas en vía. En 1906, Müler, experimenta modelos de muros de contención en Alemania. En 1908, Warston (USA), investiga las cargas en tuberías enterradas. En 1911, Atterberg (Suecia), establece los límites de Atterberg para suelos finos. En 1913, Fellenius (Suecia), desarrolla métodos de muestreo y ensayos para conocer la resistencia al corte de los suelos y otras propiedades. Además, desarrolla el método sueco del círculo para calcular la falla en suelos cohesivos. En 1925, Terzagui, presenta en Viena el tratado ERDBAUMECHANIK que hace de la Mecánica de Suelos una rama autónoma de la Ingeniería. El científico de Praga, Karl Terzagui, es el padre de la Mecánica de Suelos. Y para el caso local, si bien la Universidad Nacional de Colombia que nace en 1867, abraza el Colegio Militar una institución pública creada en 1961 por el general Tomás Cipriano de Mosquera para formar los oficiales del Estado Mayor e Ingenieros Civiles, en la Sede de Manizales donde la entonces Facultad de Ingeniería se crea en 1948 como primer programa académico de la Universidad Popular creada en 1943, tras un año de labores orientadas hacia la ingeniería mecánica surge el programa de Ingeniería Civil, en el que hacia 1952 se dicta por primera vez el curso de Mecánica de Suelos, por el Ingeniero Civil Julio Robledo Isaza.

1.4 Origen formación y constitución del suelo El ingeniero de suelos debe conocer el contexto geológico del suelo, las condiciones agrológicas de las unidades, el clima de la región y el relieve. Sin ese entendimiento, su trabajo estará lleno de incertidumbres que pueden traducirse en pérdidas de oportunidades al desconocer las propiedades inherentes al material, y sobretodo, al no incorporar los elementos de riesgo para el diseño, por omitir circunstancias fundamentales intrínsecas y ambientales.

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1.4.1. Generalidades Suelo en Ingeniería Civil son los sedimentos no consolidados de partículas sólidas fruto de la alteración de las rocas, o los suelos transportados por agentes como el agua, el hielo o el viento, con la contribución de la gravedad como fuerza direccional selectiva y que puede tener, o no materia orgánica. El suelo es un cuerpo natural heterogéneo. La mecánica de suelos es la aplicación de la mecánica y la hidráulica a los problemas geotécnicos. Ella estudia las propiedades, el comportamiento y la utilización del suelo como material estructural, de tal modo que las deformaciones y resistencia del suelo ofrezcan seguridad, durabilidad y estabilidad a las estructuras. La estructura del suelo puede ser natural (la del suelo “in situ”), como un talud, o el suelo de cimentación, o artificial (suelo como material de construcción), como un terraplén o un relleno.

MECÁNICA DE SUELOS

VI

Suelo con humus

V

Suelo sin humus

IV

Completamente descompuesto

III

Altamente descompuesto

II

Parcialmente descompuesto

MECÁNICA DE GRANOS GRUESOS

Fábrica textural heredada. Zona de lixiviación susceptible a la erosión.

Fábrica textural y estructural. Zona de acumulación. Inicia el control estructural.

Fábrica estructural heredada.

Falla planar, en cuña o por caída.

Figura 1.5 Perfil del suelo residual (en geotecnia). El perfil geotécnico de describe con seis I Roca sana horizontes, del I, en la base al VI en la superficie, pudiendo en ocasiones estar el perfil incompleto MECÁNICA DE horizonte. por faltar en el algún ROCAS

1.4.2 Etapas y procesos en la formación del suelo (I) y de las arcillas (II) Los suelos se forman a partir de la alteración de la roca. Esta inicia con la alteración mecánica cuando la tectónica induce esfuerzos que deforma y fracciona la roca, y la descarga por erosión disminuye las presiones, y permite el relajamiento y la ampliación de las discontinuidades a través de los planos estructurales de esta. La roca fracturada y relajada es más permeable, permite la circulación de flujos y obra la meteorización capaz de transformar los minerales de la roca que están en contacto con el agua.

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Meteorización Quimica

Agua

Seres Vivos

Roca Madre

Derrubios Minerrales

Suelo

Alteración Mecánica

Aire

Materia Orgánica

Figura 1.6 Etapas y procesos en la formación del suelo

1.4.3 Factores de Formación y Evolución del Suelo (F.F.E.S.): Los factores que intervienen en la formación y evolución del suelo son cinco: El Material Parental: cuando la roca o los suelos son permeables permiten el acceso y la circulación de líquidos (agua) y gases (aire) que reaccionan con los minerales constituyentes de la roca madre. El Tiempo: Las deformaciones que sufre la roca y el suelo, la circulación de los líquidos y gases a través de la estructura y las reacciones químicas requieren tiempo: unos minerales sufren alteración más rápido que otros, de ahí que la alteración del suelo es heterogénea y por eso los perfiles cambian con gran frecuencia. El relieve: Las pendientes, el patrón del drenaje, la orientación de la ladera y las barreras topográficas son el resultado de la combinación de la actividad tectónica y volcánica que forman el relieve y los procesos denudativos modelan el paisaje. Tanto la erosión del suelo como la acumulación están muy ligados al relieve y éste ejercer control sobre los espesores del suelo: en las áreas planas los suelos presentan mayor espesor que en las pendientes donde se erosionan. Los Formadores Biológicos: la meteorización vinculada con los formadores biológicos o “meteorización edafoquímica” es aquella vinculada con la actividad fisiológica de la flora y fauna, soportada en las reacciones químicas donde el agua es fundamental para los procesos y en ella se originan ácidos orgánicos y gases que reaccionan con el suelo y la descomposición de la materia orgánica contribuyen a la formación del suelo. El Clima: la temperatura, las precipitaciones, la humedad relativa, el balance hídrico determinan la intensidad de la acción y velocidad de procesos de meteorización, formadores de los suelos. En zonas de lluvias abundantes y temperaturas altas se dan las condiciones para la generación se suelos, en zonas áridas hay poca disponibilidad de agua, reacciones químicas más lentas y cambios bruscos de temperaturas que estimulan la formación de suelos granulares sobre los suelos arcillosos. En las áreas donde los suelos están desprovistos de vegetación se presentan los ciclos de secadohumectación severos que hacen perder algunas propiedades del suelo, su funcionalidad y estabilidad como estructura dentro de la ingeniería.

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Silicatos + Ácidos

.=

MINERALES DE ARCILLA

.+

Cuarzo y micas Carbonatos (K,Na,Ca) Carbonatos (Fe,Mg)

Sílice en solución Calcita (Ca) Limonita, hermatita

CAOLINITA (Estable) ILITA (Poco estable) MONTMORILLONITA (Inestable)

Clima tropical drenado Clima seco y frio Clima Seco o húmedo, mal drenado

Figura 1.7 Etapas y factores de formación de las arcillas

1.4.4 Los Depósitos Los depósitos de tierra son las formaciones de suelos transportados (formaciones superficiales) por la acción de agentes como el agua, el hielo, el viento y el hombre, con contribución de la gravedad. Se clasifican según el agente, el lugar y la estructura.

Suelo residual

Suelos transportados

1 2 1. 2. 3. 4.

Ladera convexa. Ladera rectilinea Ladera cóncava. Planicie aluvial

Talus

Coluvión

Aluvión

3 4

Figura 1.8 Distintos tipos de formaciones de suelo

El ingeniero de suelos debe reconocer y advertir las propiedades ingenieriles de los depósitos y diferenciarlas de aquellas exhibidas por los suelos residuales. La densidad, la compresibilidad, la resistencia, la permeabilidad y la plasticidad son unas de muchas propiedades de los suelos que permiten los diseños y la atención de problemas en forma oportuna, para atender los problemas que se generan en un suelo de depósito y son diferentes a los generados en una formación con otra génesis. Por el agente: los materiales que son movilizados, transportados y depositados por un agente adquieren ciertas propiedades particulares: los depósitos coluviales son transportados ladera abajo por la acción de la gravedad; estos depósitos alcanzan humedades altas y su textura y estructura está gobernada por las fuerzas de la gravedad. Los depósitos eólicos son transportados por el viento, en el transporte y depósito se presenta una selección por tamaños y densidades y ocurre el depósito de partículas secas de diámetros y densidades similares conformando depósitos de baja densidad. Los depósitos aluviales son formados a partir del transporte de partículas por la acción del agua y su sedimentación. Las características del depósito es el resultado de la energía y densidad del flujo, y estos determinan los tamaños de las partículas: se presentan depósitos arcillosos en ambientes de energías bajas y depósitos granulares de arenas y gravas cuando la energía del agua es alta. El depósito glaciar (hielo), es el resultado de los depósitos en los glaciares que forman los casquetes polares. El proceso del avance y retroceso del glaciar genera un rozamiento entre hielo y el material

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de cimentación, y con este la erosión de material de cimentación, su transporte y depósito cuando el glaciar se descongela. Por el lugar: los depósitos que se generan en humedales y áreas bajas con nivel freático superficial se denominan palustres (pantanos); los depósitos en el fondo marino (marinos), se forman en ambientes de concentración de sales diferentes a los depósitos continentales (terrígenos) y los depósitos lacustres (lagos) donde el agente son aguas dulces con otra concentración de sales. La respuesta de los depósitos es diferente debido a la estructura de los suelos (el ordenamiento de las partículas sólidas finas está gobernado por fuerzas eléctricas), al grado de consolidación y a la susceptibilidad a la erosión por el cambio de la concentración de sales que ocupan los espacios vacíos.

Por la estructura: los clásticos (fragmentos) son depósitos en los pies de taludes rocosos de clastos que son el producto de la alteración de la Figura 1.9 Macizo rocoso plegado, fracturado y roca por cambios bruscos de temperatura; los relajado por las presiones de la actividad tectónica y las depósitos no clásticos (masivos) son suelos y descargas por erosión severa en una cárcava. (Carlos E bloques donde las propiedades del material Escobar P). están gobernadas por la resistencia o la permeabilidad del material fino. Los talus y los coluviones son depósitos de ladera: el talus es un depósito clastosoportado (Los bloques están mutuamente en contacto) y los coluviones son matriz soportados (la matriz de suelo no permite el contacto entre los bloques). Ambos depósitos se localizan en las laderas de acumulación. La infiltración es más intensa en las laderas convexas donde se puede presentar procesos de reptamiento. Las laderas rectilíneas, largas y pendientes son denutativas y exhiben los horizontes I y II (Ver figura 1.8).

1.4.5 Alteración de las rocas Existe un equilibrio dinámico entre las tasas de alteración TA y de denudación TD. Cuando la tasa de alteración (TA) es mayor que la de denudación (TD) se incrementan los espesores de los suelos residuales, y si estos no se erosionan se pueden encontrar suelos de gran espesor. Cuando la tasa de denudación es mayor que la tasa de alteración, se movilizan con facilidad los suelos y se conserva la roca cerca de la superficie del terreno. En estas áreas los suelos son de poco espesor. Este ambiente es propio de zonas secas sometidas a erosión severa y en laderas de pendientes fuertes. En la zona tropical dominan los suelos residuales, mientras los de zonas templadas dominan los suelos transportados. En la primera la temperatura, la humedad y la meteorización son altas y con ellas la

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generación de suelos; en la segunda la ausencia de agua permanente ejerce control sobre la abundancia de la vegetación, se estimula la erosión hídrica y eólica y con ello la pérdida de suelo. La Mecánica de Rocas es la parte de la geotecnia encargada de atender problemas vinculados con los macizos rocosos. Las alteraciones que sufren las rocas por la acción de la tectónica y la actividad hidrotermal no son formas de meteorización; pero contribuyen a preparar los materiales para la meteorización acelerada que se presenta en ambientes húmedos, donde las variaciones del clima y la humedad son intensas. No son la humedad y la temperatura, sino las variaciones de ambas las que hacen intensa y rápida la meteorización.

1.4.5.1 Alteración física: Incluye la desintegración de la roca por acción mecánica. La roca es sometida cambios de esfuerzos por la descarga del suelo: se presenta el relajamiento, se abren las fisuras y la estructura del macizo rocoso es más evidente y abierta. Los ciclos de secado saturación o los cambios de temperatura contribuyen a la disgregación de la roca y a la formación del suelo. Actividades como la tectónica (ver figura 1.9), el clima, la acción biológica y la hidrotermal intervienen en los macizos rocosos y los preparan para la meteorización.

1.4.5.2 La Alteración Química: Son el conjunto de las reacciones químicas entre el suelo y los agentes como el agua y los fluidos que permean el sustrato y dan como resultado el suelo. Las reacciones químicas pueden ser por agua (hidratación, hidrólisis, solución), por CO2 (Carbonatación) o por O2 (Oxidación, reducción). Los coluviones son por lo general depósitos de suelo formados por la acción de la gravedad y quedan acumulados en el pie de las laderas; son heterogéneos, sueltos y en ocasiones presentan bloques angulosos. En ellos se estimula la infiltración y el paso del agua a través de su estructura, estimulando la formación de los suelos. Los aluviones son depósitos conformados por materiales gruesos embebidos en matrices finas que se depositan en los valles estrechos de montaña, o por materiales finos que ocupan los valles amplios. La gradación está vinculada con la intensidad del evento: la acción hidráulica del fluido que moviliza el material, las características del flujo que lo transporta y el ambiente en el cual se deposita determinan la textura y estructura del depósito: en cauces torrenciales y valles estrechos so comunes depósitos heterogéneos de materiales finos y bloques; en valles amplios de pendientes bajas los materiales depositados son, por lo general, finos. Los depósitos lacustres son por lo general de grano fino; los depósitos marinos suelen ser estratificados.

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Los depósitos glaciares son heterogéneos, los till1 no presentan estratificación clara; los fluvioglaciares sí. Los primeros por el efecto aplanadora del hielo y los segundos por formarse a partir de las aguas de fusión. Los depósitos eólicos son homogéneos, los loes son conformados por limos y los más estables son acumulaciones de arena. Los principales minerales que constituyen suelos gruesos son: Silicato principalmente feldespato (K, Na, Ca), micas (moscovita y biotita), olivino y serpentina. Óxidos, en especial el cuarzo (SiO2), limonita, magnetita y corindón. Carbonatos, principalmente calcita y dolomita; y sulfatos como yeso y anhidrita. En los suelos gruesos el comportamiento mecánico e hidráulico depende de su compacidad y la orientación de las partículas, y poco influye la composición mineralógica.

Las diferencias entre la roca y el suelo: Desde la perspectiva geotécnica, dicha diferencia depende de la resistencia a la compresión c, según estos criterios: •

Roca es dura sí c > 300 Kg/cm2.

•

Roca es blanda sí 200 Kg/cm2 < c < 300 Kg/cm2

•

Suelo si c  10 Kg/cm2 (El concreto normalmente es de c = 210 Kg/cm2)

Los suelos homogéneos presentan planos de falla circulares; las rocas tienen planos gobernados por la estructura del macizo rocoso. Diferencias entre las arcillas y las arenas ARENAS

ARCILLAS

Volumen de los poros hasta 50% máximo No es plástica.

Volumen de los poros hasta 98% máximo. Es plástica.

No se retrae al secarse No es compresible o lo es muy poco Se comprime rápidamente. La humedad la afecta poco. Tamaño de las partículas mayor de 0,06 mm

Se retrae al secarse. Muy compresible. Por carga aplicada se comprime lentamente. Su consistencia depende de la humedad. Tamaño menor de 0,002 mm.

No presenta cohesión.

Presenta cohesión.

1

Tillita: Material depositado por glaciación; este material usualmente está compuesto por un amplio rango de tamaños de partículas, que no ha sido sometido a selección por acción del agua. (Geotecnia, diccionario básico, Fabián Hoyos Patiño. Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín, Medellín, 2001).

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Diferencias entre las arcillas y los limos ARCILLAS

LIMOS

La resistencia seca es alta a muy alta, especialmente si se seca al horno. No desprende polvo de la superficie. Difícilmente desmenuzable con los dedos.

La resistencia seca es baja, aún seca al horno.

Plasticidad. Los rollitos del límite plástico son tenaces, secan lentamente y permanecen finos, con humedades bajo el estado plástico. Tienen resistencia alta a muy alta. Reacción muy lenta o nula a la vibración o dilatancia. La superficie permanece lustrosa. Dispersión. Cuando está en suspensión, tarda días a semanas, en asentarse, a menos que haya floculación.

Desprende polvo de la superficie. Es fácilmente desmenuzable con los dedos. Plasticidad. Los rollitos para el límite plástico son frágiles. Secan rápido y se agrietan fácilmente con humedad bajo el estado plástico. Tienen resistencia baja. Reacción rápida frente a vibración o dilatancia. La superficie se vuelve húmeda por vibración y se opaca al presionarla. Dispersión. Se asienta entre 15 y 60 minutos. La arena tarda entre 30 y 60 segundos.

1.4.6 Componentes del suelo. El aire y el agua son elementos constitutivos del suelo, además de los sólidos y los gases. Los guijarros son fragmentos de roca con diámetros () > 2 cm. Las gravas tienen dimensiones entre 2 mm y 2 cm. La arena gruesa desde 0,2mm <  < 0,2 cm; la arena fina entre 0,005 mm <  < 0,2 mm. Se denomina limos a las partículas con diámetro aparente entre 0,005 mm y 0,05 mm. Con los análisis granulométricos, las arcillas son los constituyentes de diámetro aparente inferior a 0,002 mm (o 2), pero el término arcilla tiene otro sentido, adicionalmente, no granulométrico. 1.5 La Arcilla. Son grupos minerales definidos, como caolinita, illita y montmorillonita, donde participan estructuras octaédricas y tetraédricas. La arcilla, como el humus, posee propiedades coloidales. Las arcillas, en el sentido mineralógico, son cristales microscópicos cuyos átomos están dispuestos en planos. Al interior de una trama de átomos de oxígeno, cuyas esferas iónicas son voluminosas, se encuentran cationes de sílice (Si) y aluminio (Al). Si el volumen lo permite, los cationes de hierro (Fe), magnesio (Mg), calcio (Ca) o potasio (K) reemplazan al sílice (Si) y al aluminio (Al). Las arcillas tienen una capacidad de intercambio iónico grande. Otros iones diferentes a los enunciados pueden completar las capas y unirlas, y también, las cargas eléctricas libres pueden ser equilibradas por iones intercambiables.

Tetraedro de silicio Octaedro de aluminio Octaedro de magnedsio

Figura 1.10 Tres unidades estructurales básicas y radios iónicos

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Gibsita: (G) Lámina de alúmina, fruto de la combinación de octaedros de aluminio (Al). Brucita: (B) Lámina hidratada, fruto de combinar octaedros de magnesio (Mg). Láminas de sílice: Tetraedros (SiO4) de sílice dispuestos en lámina. Ver trapecios. Las arcillas 1:1 son arreglos de octaedro G o B (rectángulo) y T de Silicio (trapecio) Las arcillas 2:1 son 2 tetraedros de silicio y en medio de ellos un octaedro G o B.

4

Grupo illita

SiO

+

K

G

Figura 1.12 Estructura de la illita

Grupo y mineral caolinita

Mineral haloisita

1.5.1. Las Caolinitas: Principal grupo de arcillas que presenta baja capacidad de intercambio, 10 – 12 me (miliequivalentes) cada 100 gr, y con dos capas de cationes, las llamadas arcillas 1:1 (capa tetraédrica más capa octaédrica de alúmina hidratada). El arreglo, que se repite indefinidamente da una carga eléctrica neutra del mineral caolinita, cuya estructura no es expansiva, por no admitir agua en su retícula. Estas arcillas son moderadamente plásticas, de mayor permeabilidad y mayor fricción interna. Del grupo son: HALOISITA, CAOLINITA (por definición), ENDELLITA, DICKITA, ALOFANO, NACRITA Y ANAUXITA. La haloisita, aunque tiene la misma fórmula del caolín, contiene moléculas extras dentro de su estructura. En la figura 1.11 Gibsita = SiO 4 (En la “Carta de Plasticidad” las caolinitas están bajo la línea A = limos). 1.5.2. Illita: Es una arcilla 2:1, cuya capacidad de intercambio es de unos 40 me/100gr, lo que la hace algo expansiva. Las láminas de alúmina están entre dos láminas de SiO 4, y estas se ligan por iones de potasio, que le dan cierta estabilidad al conjunto. La actividad de la illita es 0,9, de la caolinita es de 0,38. El coeficiente de fricción interno y la permeabilidad son menores que en la caolinita y mayores que en la montmorillonita. 1.5.3. Montmorillonita: Arcilla 2:1 cuya capacidad de intercambio es de unos 120 me/100gr, lo que las hace muy expansivas. Entre las dos láminas de sílice se encuentra una brucita o una gibsita, y este arreglo se repite indefinidamente. La unión entre minerales individuales es débil, por lo cual el agua se inserta, introduciendo moléculas para producir el hinchamiento del suelo. Además de ser

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expansiva, la montmorillonita es muy plástica y se contrae al secarse, mejorando su resistencia y haciéndose impermeable. La actividad de la montmorillonita es 7,2.

G

Entre las montmorillonitas se identifican: La MONTMORILLONITA (por definición), HECTORITA, SAPONITA, BEIDELLITA, SAUCONITA, TALCO, PORFILITA y NONTRONITA.

SiO4

G

B

NH2O

Bentonitas: Suelos Figura 1.13 Grupo de la montmorillonita montmorilloníticos (puede tener brucita) altamente plásticos y altamente expansivos, de grano tan fino que al tacto es jabonoso (sí es húmedo). Se utilizan para sellar fugas en depósitos y canales. Vermiculita, clorita, sericita, etc., son otros minerales arcillosos no clasificados en los anteriores tres grupos.

1.5.4. Actividad: Este parámetro lo expresó Skempton (1953) como la pendiente de la línea que relaciona el índice plástico de un suelo con su contenido de minerales de tamaño arcilloso, como se verá en el Capítulo 4, numeral 4.1 y fórmula 4.3. Una actividad normal es de 0,75 a 1,25. Más de 1,25 es alta y menos de 0,75 es inactiva. Actividad supone cohesión, expansividad y plasticidad. Véase Tabla 4.2- Actividad de las Arcillas.

1.6 Definiciones Saprolito: Suelo residual en el que se conservan relictos con la textura y la estructura de la roca original. Normalmente el saprofito presenta una textura limosa o areno-limosa y colores abigarrados en los que predominan los tonos rojizos debido a la oxidación del hierro y los minerales primarios. Regolito: Término genérico utilizado para designar los materiales de la corteza terrestre que se encuentran entre la superficie y el sustrato rocoso, sean ellos residuales o transportados. Es un sinónimo de suelo que comprende los fragmentos de roca, suelos residuales, depósitos aluviales, lacustres, glaciales, eólicos y marinos, suelos orgánicos y depósitos antrópicos. Suelo residual: Suelo formado por la meteorización in situ del material parental. Suelo transportado: El que se forma lejos de la roca madre (alóctono). Lixiviación: Remoción de material soluble y coloides del suelo por el agua de percolación. Humus: Material de color pardo o negro formado por la descomposición parcial de materia orgánica (vegetal o animal). Es la porción orgánica del suelo.

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Relictos: Estructuras heredadas por el suelo, de la roca madre (diaclasas, fracturas, etc.). Coluvión: Son masas de suelo depositadas en la base de las laderas de pendientes moderadas, con la contribución de la gravedad. Estos depósitos están conformados por limos, arcillas, arenas mal gradadas, gravas o bloques. Son depósitos gravitacionales y se generan a partir de los movimientos en masa. Aluvión: Depósitos de suelo originado por componentes transportados por una corriente de agua y posteriormente depositados por sedimentación. Subsidencia: Hundimiento por presencia de cavernas kársticas o fallas activas. Fixible: Que se exfolia, es decir, se separa en láminas delgadas. Abrasión: Desgaste mecánico de las rocas por fricción e impacto, producido por la acción del agua, el viento y los glaciares. Gelivación: Agrietamiento del suelo por acción del hielo. Geoforma: Rasgo físico reconocible en la superficie de la tierra, como una forma propia característica. Las geoformas pueden tener una extensión tal que las haga asimilables a unidades geomorfológicas propiamente dichas como el caso de mesetas, valles llanuras; es preferible reservar este término para rasgos individuales, identificables en cartografía a escalas entre 1:10.000 y 1:50.000, o menores, como escarpes, terrazas, conos volcánicos, taludes, abanicos aluviales.

Vegetación

Tabla 1-1. Perfil de meteorización del macizo Rocoso (Adaptado de: notasingenierocivil.blogspot.com.co) Ígnea y Limolitas Ígneas y Ígneas y Metamórfica Todas las rocas Y Margas Areniscas Metamórficas s Hz IA Hz 6-Suelo con Con humus Humus IV Alteración Completa Hz 5-Suelo sin Hz IB Humus Suelo Zona Saprolito IC Hz 4Residual superior Roca IV Alteración Completamente descompuesta Parcial descompuesto Suelo de Transición

III Alteración Parcial

Residual Joven

Zona Intermedia

Meteorización Parcial

II Alteración Parcial

Roca desintegrada

Zona parcialmente alterada

Roca Sana Deere-Paton 1971

Roca Inalterada Chandler 1969

Roca sana Vargas 1951

Roca inalterada Sowers 1954-1963

Hz 3-Altamente descompuesto Hz 2-Parcialmente descompuesto

Hz 1-Roca sana Duque-Escobar 2002

Tabla 1.2- CALIDAD DE LAS ROCAS IN SITU

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Calidad [1 MPa = 10,197 Kg/cm2 ] Muy dura Dura Medio dura Medio blanda Blanda Muy blanda Fuentes:

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Resistencia a la Compresión Simple (MPa) > 200 120– 200 60 – 102 30 – 60 10 – 30 < 10 Walsh, en ifcextapps.ifc.org

Resistencia a la Compresión Simple (Kg/cm2 ) > 2500 1000-2500 500-1000 250-500 50-250 10-15 Conanma, en conanma.com

Imagen 1.14- Los Macizos rocosos en Manizales Complejo Quebradagrande Formación Manizales Formación Casabianca

Unidad Cretácica constituida por dos miembros: uno volcánico y otro, el que se muestra, metasedimentario, constituido por areniscas líticas, brechas sedimentarias, chert, lutitas, grauvacas, etc.

Formación del Terciario, edad de 4 a 8 millones de años. Suprayace a Quebradagrande y es suprayacida por la Formación Casabianca o por la secuencia volcaniclástico de Manizales.

Unidad conglomerática del Terciario Superior, de color rojizo o amarillo y alto grado de meteorización. Con la anterior FM y las Cenizas de cobertura, constituye el supraterreno de Manizales.

Tabla 1.2- ALTERACIÓN DE SILICATOS COMUNES (Leet y Judson 1977) Mineral Composición Productos Olivino (Fe, Mg)2 Si O4 Limonita, Hematita, Carbonatos de Fe y Mg, Cuarzo dividido, Sílice en solución Hornblenda, Augita Silicatos de Al, con Arcilla, Calcita, Limonita, Hematita, Carbonatos y Biotita Fe, Mg, Ca solubles, Cuarzo dividido, Sílice en solución Anortita y Albita Ca (Al Si3 O8) y Na Arcilla, Cuarzo dividido, Calcita (Al Si3 O8) Ortoclasa K (Al Si3 O8) Arcilla, Carbonato de K soluble Cuarzo

Si O2

Granos de Cuarzo y algo de Sílice en solución

Tabla 1.3. SUELOS FINOGRANULARES: IDENTIFICACIÓN MANUAL Nombre Resistencia en Reacción a Tenacida Tiempo de descriptivo estado seco la dilatancia d del hilo asentamiento (P. plástico dispersión) Limo arenoso Ninguna a muy Rápida Débil a 30seg a 60min baja friable Limo Muy baja a baja Rápida Débil a 15min a 60 min friable

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Limo arcilloso

Baja a media

Arcilla arenosa

Baja a alta

Arcilla limosa

Media a alta

Arcilla Limo orgánico

Alta a muy alta Baja a media

Arcilla orgánica

Rápida a lenta Lenta a ninguna Lenta a ninguna Ninguna Lenta

Media

15min a varias hr

Media

30min a varias hr

Media

15min a varias hr

Alta Débil a friable Media a muy alta Ninguna Alta Fuente: Peck, Hanson y Thornburn, 1974.

Varias hr a días 15min a varias hr Varias hr a días

DOCUMENTOS DE COMPLEMENTO ON LINE:

Apuntes sobre suelos: algunas relaciones roca-mineral-suelo. Jaramillo Jaramillo, Daniel Francisco (1987)

Colombia tropical, ¿y el agua qué? – Duque Escobar, Gonzalo (2020). Universidad Nacional de Colombia, Manizales.

El Intemperismo - Duque Escobar, Gonzalo (2014). Universidad Nacional de Colombia, Manizales. Fisiografía y geodinámica de los Andes de Colombia. Duque Escobar, Gonzalo and Duque Escobar, Eugenio (2016) Universidad Nacional de Colombia. Manizales

Geomecánica de las laderas de Manizales. Duque Escobar, Gonzalo; Duque Escobar, Eugenio; Murillo López, Cristina (2009) Foro “Gestión del Riesgo por Inestabilidad de Terrenos en Manizales” Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. Manizales, 13 de agosto de 2009.

Geomorfología – Duque Escobar, Gonzalo (2014). Universidad Nacional de Colombia, Manizales. Geotecnia para el trópico andino. Escobar Potes, Carlos Enrique; Duque Escobar, Gonzalo. Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales.

Minerales - Duque Escobar, Gonzalo (2014). Universidad Nacional de Colombia, Manizales. ROCAS ÍGNEAS – Duque Escobar, Gonzalo (2014). Universidad Nacional de Colombia, Manizales. ROCAS METAMÓRFICAS – Duque Escobar, Gonzalo (2014). Universidad Nacional de Colombia, Manizales.

ROCAS SEDIMENTARIAS – Duque Escobar, Gonzalo (2014). Universidad Nacional de Colombia, Manizales.

Túnel Manizales. Duque Escobar, Gonzalo; Duque Escobar, Eugenio (2010) Ponencia presentada en el XIII Congreso Colombiano de Geotecnia, Sociedad Colombiana de Geotecnia-U.N. De Colombia. Manizales 2010.

MANUAL DE GEOLOGÍA PARA INGENIEROS. Duque Escobar, Gonzalo. Universidad Nacional de Colombia (2020). See more at: https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/3145

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LECTURA 1- VULNERABILIDAD DE LAS LADERAS DE MANIZALES

Portada: Laderas de Manizales en http://revistainvi.uchile.cl y http://agenciadenoticias.unal.edu.co

En el POT, se deben considerar ajustes en el factor de seguridad de las laderas, teniendo en cuenta además de los resultados de la microzonificación sísmica desarrollada por el CIMOC que invitan a contemplar el efecto de amplificación de los suelos, los cambios en la amenaza climática donde el período de los eventos extremos se ha acortado de forma sustantiva. 1- Respecto a la amenaza sísmica, véanse las siguientes imágenes: Mapa no oficial de Amenaza Sísmica para Colombia según Carlos A. Vargas, en UN Periódico (2011), y Litología y Suelos, y Espectros de la Microzonificación Sísmica para Manizales, del CIMOC (2002).

El mapa propone reconsiderar la distribución de las zonas de amenaza sísmica de Colombia, en el centro se sugiere como evento sísmico de diseño para Manizales un evento con período Tr =475 años (azul), y a la derecha el espectro de amenaza permite inferir que la fuente sísmica del Sismo del Quindío de 1999 fue Subducción y no Romeral y que el período de retorno del evento fue Tr = 750 años aprox. Fuente: mapa de Amenaza Sísmica de Colombia con aportes de Caldas Tear por Carlos Vargas UN, y Espectros del CIMOC Manizales 2002.

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Variación espacial de las formaciones superficiales y espesor de suelos en la ciudad, y espectros de diseño en función de los suelos de la ciudad, según sean ellos suelo blando, semi-blando o duro. Fuente; CIMOC Manizales 2002. 2- En cuanto a la amenaza hidrometeorológica, conforme los períodos de retorno de los eventos extremos Tr se han acortado por el calentamiento global, también el riesgo R se ha incrementado, tal cual lo ilustra la tabla de Valoración del Riesgo adjunta, donde el riesgo pasa de 0,63 a 0,98 cuando el período de retorno Tr de una amenaza pasa de 100 años a 25 años, incidiendo sobre una obra cuya vida útil n es de 100 años.

Tabla para la Valoración del Riesgo en función del período de las Amenazas Tr y la vida útil de una obra n. R=1-(1-1/Tr)n Como fundamento, en la fórmula para estimar R, el factor 1/Tr es la probabilidad temporal del evento, así se trate de lluvias o de sismos. Las obras se diseñan del lado de la falla, donde R>50%, pues de lo contrario la ciudad no sería viable: obsérvese los valores de la diagonal.

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Igualmente, la tabla permite inferir cómo con la tala y los modelados se ha comprometido el factor de seguridad de largo plazo de nuestras frágiles laderas, dado que para valores elevados de n el valor del riesgo con eventos extremos es uno.

Ladera del sector El Cable en Manizales. Fuente: http://geotecnia-sor.blogspot.com.co Véase en el talud de la fotografía, cómo la presencia de las cenizas volcánicas que aparecen por debajo de un suelo orgánico (sobre el cual hay un depósito antrópico), dan testimonio de la estabilidad a largo plazo de una ladera ligeramente inclinada. Al respecto, si la formación de una capa orgánica de tan solo 10 cm de espesor en este clima y a esta altitud, puede tardar un siglo, las cenizas que subyacen el horizonte orgánico y que probablemente provienen de Cerro Bravo, se remontan adecenas de miles de años. Como conclusión, si las laderas de fuerte pendiente del trópico andino poseen un factor de seguridad de largo plazo igual a uno, con los modelados y con la deforestación se ha vulnerado ese frágil equilibrio límite de estabilidad. De ahí la importancia de: a- prevenir la separación de costos y beneficios en la explotación del suelo que subyace en la construcción de viviendas de interés social; b- controlar el modelo de expansión del suelo que especula con la plusvalía urbana; c- ajustar los factores de seguridad para responder a las condiciones sísmicas de la ciudad y a los eventos climáticos extremos; y d- implementar la plusvalía urbana para hacer viable un POT que pueda llevar infraestructura ambiental para asegurar zonas ya intervenidas, y atender así las demandas socioambientales asociadas con la fragilidad del medio. —

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Mapa de Complemento:

Véase en rojo cómo las zonas de mayor susceptibilidad a los deslizamientos en Manizales, coinciden con las laderas de fuerte pendiente de la ciudad. Mapa Preliminar de Amenazas por Deslizamiento UN- Corpocaldas. — REFERENCIA: Presentación ante la Comisión Cuarta del Concejo de Manizales, del Jueves 11 de Mayo de 2017. Gonzalo Duque Escobar.

ENLACES COMPLEMENTARIOS

Al Bahareque le Fue Muy Bien. El Paisaje Cultural Cafetero. Aprendiendo del sismo de Honshu, Japón. Cambio Climático en Caldas – Colombia. Clima extremo, desastres y refugiados. Daño a reserva forestal que protege a Manizales. Eje Cafetero: Cambio climático y vulnerabilidad territorial.

El Río Grande en la Audiencia Ambiental Caribe de la PGN 2020. El desastre en el río Mira. El modelo de ocupación urbano – territorial de Manizales.

La encrucijada ambiental de Manizales. La historia del Cerro Sancancio. Sismos y volcanes en Colombia. Sismo, bahareque y laderas.

Templanza y solidaridad frente El siniestro de Mocoa, designio al desastre. de la imprevisión. Una política ambiental pública Gestión ambiental del riesgo para Manizales, con gestión del riesgo. en el territorio.

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CAPÍTULO 2 RELACIONES GRAVIMÉTRICAS Y VOLUMÉTRICAS DEL SUELO Introducción En un suelo se distinguen tres fases constituyentes: la sólida, la líquida y la gaseosa. La fase sólida son las partículas minerales del suelo (incluyendo la capa sólida adsorbida2); la líquida por el agua (libre), aunque en el suelo pueden existir otros líquidos de menor significación; la fase gaseosa comprende sobre todo el aire, pero pueden estar presentes otros gases (vapores sulfurosos, anhídrido carbónico, etc.). Las fases líquida y gaseosa del suelo suelen comprenderse en el volumen de vacíos (V v), mientras que la fase solida constituye el volumen de sólidos (Vs). Se dice que un suelo está totalmente saturado cuando todos sus vacíos están ocupados por agua. Un suelo en tal circunstancia consta, como caso particular de solo dos fases, la sólida y la líquida. Es importante considerar las características morfológicas de un conjunto de partículas sólidas, en un medio fluido: eso es el suelo.

Aire Agua

Sólidos

Gaseosa Líquida

A W

Sólida S

• Fase sólida: Fragmentos de roca, minerales individuales, materiales orgánicos. • Fase líquida: Agua, sales, bases y ácidos disueltos, incluso hielo. • Fase gaseosa: Aire, gases, vapor de agua.

Las relaciones entre las diferentes fases constitutivas del suelo (fases Figura 2.1. Esquema de una muestra de suelo y el modelo de sus 3 fases. sólida, líquida y gaseosa), permiten avanzar sobre el análisis de la distribución de las partículas por tamaños y sobre el grado de plasticidad del conjunto. En los laboratorios de mecánica de suelos se determina fácilmente el peso de la muestra húmeda, el peso de la muestra secada al horno, el volumen de la muestra y la gravedad específica de las partículas que conforman el suelo, entre otras. Las relaciones entre las fases del suelo tienen una amplia aplicación en la Mecánica de Suelos para determinar la masa de un suelo, la magnitud de los esfuerzos aplicados al suelo por un cimiento y los empujes sobre estructuras de contención. La relación entre las fases, la granulometría y los límites de Atterberg se utilizan para clasificar los suelos, permitiendo, además estimar su comportamiento. Modelar el suelo es colocar fronteras que no existen. El suelo es un modelo discreto, y eso entra en la modelación con dos parámetros, e y  (relación de vacíos y porosidad), y con la relación de fases.

2

Agua adsorbida: La que se encuentra en una masa de suelo o roca, íntimamente ligada a las partículas sólidas por efecto de las fuerzas electro-químicas, y cuyas propiedades pueden diferir de las propiedades del agua en los poros a la misma presión y temperatura, debido a la alteración de la distribución molecular. El agua adsorbida no puede ser removida por calentamiento a 110°C. (Geotecnia, diccionario básico, Fabián Hoyos Patiño. Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín, Medellín, 2001).

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El agua adherida a la superficie de las partículas o “agua adsorbida” se considera como de la fase sólida. En la fase líquida se considera el agua libre que se puede extraer por calentamiento a temperatura de 105 °C cuando, después de 18 o 24 horas, el peso del suelo no disminuye más y permanece constante. (1)

Fases, volúmenes y pesos

En el modelo de fases, se separan volúmenes (V) y pesos (W) así: Volumen total (VT), volumen de vacíos (VV), que corresponde al espacio no ocupado por los sólidos; volumen de sólidos (VS), volumen de aire (VA) y volumen de agua (VW). Luego

VT = VV + VS

VA VV

VW

WA

W

WW WT

S

WS

VT VS

(2.1) Volúmenes

y

VV = VA + VW

A

Pesos

Figura 2.2 Esquema de una muestra de suelo, para la indicación de los símbolos usados: V volumen y W peso

(2.2)

En los pesos (que son diferentes a las masas), el peso del aire se desprecia, por lo que W A = 0. El peso total del espécimen o de la muestra (WT) es igual a la suma del peso de los sólidos (WS) más el peso del agua (WW); esto es

WT = WS + WW (2)

(2.3)

Relaciones de volumen: , e, DR, S, CA

Porosidad . Es una relación, expresada como un porcentaje, entre: a) el volumen de espacios vacíos de un suelo, y b) el volumen total de la muestra. O sea es la probabilidad de encontrar vacíos en el volumen total. Por eso 0 <  < 100% (se expresa en %). En un sólido perfecto  = 0; en el suelo   0 y   100%.

=

VV *100(%) VT

(2.4)

Relación de vacíos e. Es una relación entre: a) el volumen de espacios vacíos, y b) el volumen de las partículas sólidas en una masa de suelo. Su valor puede ser menor a 1, y puede alcanzar valores muy altos. En teoría 0 < e → .

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V e= V VS

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Estado más suelto.  =47,6%; e =0,91

(2.5)

Estado más compacto.

El término compacidad se refiere  = 26%; e = 0,35 al grado de acomodo alcanzado por las partículas del suelo dejando más o menos vacíos Figura 2.3 Compacidad un lo conjunto de esferas iguales. entre ellas. En suelos compactos, las partículas sólidas de que constituyen tienen un alto grado de acomodo y la capacidad de deformación bajo la aplicación de cargas será pequeña. En suelos poco compactos el volumen de vacíos y la capacidad de deformación serán mayores. Una base de comparación para tener la idea de la compacidad alcanzada por una estructura simple se tiene estudiando la disposición de un conjunto de esferas iguales. En la figura 2.3 se presenta una sección de los estados más suelto y más compacto posible de tal conjunto. Pero estos arreglos y los cálculos matemáticos son teóricos. Los parámetros adicionales  y e (siempre  < e), se relacionan así: como Vv/Vs es la relación de vacíos, entonces:

VV VV VV VT = =  V S VT − VV 1 − VV VT

e=

η 1- η

η=

(2.6)

e 1+ e

(2.7)

Con la práctica, para suelos granulares, los valores típicos son: Arena bien gradada

e = 0,43 – 0,67

 = 30 – 40%

Arena uniforme

e = 0,51 – 0,85

 = 34 – 46%

Densidad relativa DR. (Compacidad relativa)

−e −e

Es la medida de la compactación de un suelo dada por la relación max porcentual entre: a) la diferencia de la relación de vacíos de un R suelo no cohesivo en su estado más suelto y cualquier relación max min de vacíos del suelo compactado, y b) la diferencia entre relaciones de vacíos en su estado más suelto y más denso. Este parámetro permite determinar si un suelo está cerca o lejos de los valores máximo y mínimo de densidad que se puede alcanzar.

D =

e

e

(2.8)

Además 0  DR  1, siendo más resistente el suelo cuando DR  0 y menor cuando DR  1. Algunos textos expresan DR en función de d. Generalmente, los suelos cohesivos tienen mayor proporción de vacíos que los granulares.

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Grado de saturación (S).

S=

V  100 (%) (2.9) V

w Se define como el grado o la proporción en que los espacios vacíos de un suelo o una roca contienen fluido (agua, V petróleo). Se expresa como un porcentaje en relación con el volumen total de vacíos. Es la d T sat relación porcentual entre el volumen de agua en una masa de suelo o roca, y el volumen total de espacios vacíos. Por lo que 0  S  100%. Físicamente en la naturaleza S  0%, pero admitiendo tal extremo, S = 0%  suelo seco y S = 100%  suelo saturado.

γ γ γ

(2.11)

Contenido de humedad: 

WW Es la cantidad relativa de agua que se encuentra = *100 (en %) (2.10) en un suelo respecto a la masa de sólidos o al W S volumen del suelo analizado. Se expresa en porcentaje (%), y es la relación entre el peso del agua del espécimen, y el peso de los sólidos. El problema es ¿cuál es el peso del agua? Para tal efecto se debe señalar que existen varias formas de agua en el suelo. Unas requieren más temperatura y tiempo de secado que otras, para ser eliminada. En consecuencia, el concepto “suelo seco” también es arbitrario, como lo es el agua que se pesa en el suelo de la muestra. El suelo seco es el que se ha secado al horno, a temperatura de 105°C – 110°C, durante 18 o 24 horas, hasta lograr un peso constante.



El valor teórico del contenido de humedad varía entre: 0   → . En la práctica, las humedades varían de 0 (cero) hasta valores del 100%, e incluso de 500% ó 600%, en suelos del valle de México.

NOTA: En compactación se habla de humedad () óptima, la humedad de mayor rendimiento, con la cual la densidad del terreno alcanza a ser máxima. En la Figura 14.1, puede observar dos curvas de compactación para un mismo material, dependiendo el valor de la humedad óptima de la energía de compactación utilizada para densificar el suelo. Relaciones Gravimétricas. Una masa de 1 Kg pesa distinto en la luna que en la tierra. El peso es fuerza, la masa no. La densidad relaciona masa y volumen, el peso unitario relaciona peso y volumen y la presión, fuerza y área. El valor de la gravedad en la tierra es g = 9,81 m/sg2 = 32,2 ft/seg2 El peso unitario del agua es 62,5 lb/ft3 = 9,81 KN/m3 = 1 gr/cm3 (si g = 1) En presión 1 lb/ft2 = 47,85 N/m2 = 47,85 Pa. 1 lb/m2 = 6,90 KPa y 1 ft de agua  2,99 KPa Peso unitario de referencia (0) El peso unitario de referencia 0 es el del agua destilada y a 4 °C.

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0 = 9,81 KN/m3  1,00 Ton/m3 = 62,4 lb/ft3 = 1,0 gr/cc (para g = 1m/seg2). Este es el resultado de multiplicar la densidad del agua por la gravedad, dado que densidad es masa sobre volumen y que peso es el producto de la masa por la gravedad. Volúmen

Peso unitario del suelo. Es el producto de su densidad por la gravedad. El valor depende, entre otros, del contenido de agua del suelo. Este puede variar desde el estado seco d (fórmula 2.11) hasta el saturado sat (fórmula 2.14), y el estadio intermedio supone valores de S (grado de saturación) entre 0 y 1,0, dependiendo del mayor o menor contenido de humedad del suelo. Queda establecido entonces que el concepto difiere del de densidad y también que:

d =

WS (2.11) y VT

 sat =

WSat (2.12); VT

W =

WW VW

Peso

Aire (A)

WA

Agua (W)

WW

Sólidos (S)

WS

Vv

VS

(2.13)

T =

WT VT

(2.14)

Se presentan algunos valores del peso unitario seco de los suelos de interés, dado que no están afectados por el peso del agua contenida, sino por su estado relativo de compacidad, el que se puede valorar con la porosidad. 

d

%

g/cm3

Arena limpia y uniforme

29 – 50

1,33 – 1,89

Arena limosa

23 – 47

1,39 – 2,03

Arena micácea

29 – 55

1,22 – 1,92

Limo INORGÁNICO

29 – 52

1,28 – 1,89

Arena limosa y grava

12 – 46

1,42 – 2,34

Arena fina a gruesa

17 – 49

1,36 – 2,21

Descripción

Tabla 2.1 Valores de  y d para suelos granulares (MS Lambe). En el suelo el peso de los sólidos (WS) es prácticamente constante, no así el peso del agua (WW) ni el peso total (WT). Además se asume que, siendo la gravedad específica (GS) un invariante, no se trabaja nunca con s sino con su equivalente, que equivale a Gs    . Los suelos bien compactados presentan pesos unitarios (d) entre 2,20 y 2,30 g/cm3, para gravas bien gradadas y gravas limosas. En la zona de Caldas, las cenizas volcánicas presentan pesos unitarios húmedos (T) entre 1,30 y 1,70 gr/cm³. Peso unitario sumergido ´. Esto supone considerar el suelo saturado y sumergido. Al sumergirse, según Arquímedes, el suelo experimenta un empuje hacia arriba, igual al peso del agua desalojada.

 ´=

Wsat − WW WSAT − VT *  W = =  SAT −  W VT VT

29

U.N. de Colombia

Geomecánica

Entonces:

 ´=  SAT −  W

(2.15)

Es la situación de la masa de suelo bajo el nivel de agua freática (NAF) del terreno. Gravedad específica. La gravedad específica es la relación del peso unitario de un cuerpo referida a la densidad del agua en condiciones de laboratorio y por lo tanto a su peso unitario γ 0 . Se puede considerar para este parámetro, la muestra total (GT) pero el valor no tiene ninguna utilidad, la fase sólida (GS) que es de vital importancia por describir el suelo y la fase líquida (GW), que se asume igual a 1,00, por ser la  W la misma del agua en condiciones de laboratorio. En cualquier caso, el valor de referencia es 0, pero 0  W. En geotecnia sólo interesa la gravedad específica de la fase sólida del suelo, dada por GS =  s /  W pero referida al peso unitario de la fase líquida del suelo  W , para efectos prácticos. Los valores típicos de la gravedad específica, están asociados a los valores de los minerales constituyentes de la fase sólida del suelo, son: Gravas 2.65 a 2.68; Arenas 2.65 a 2.68; Limos 2.66 a 2.70 y arcillas 2.68 a 2.80. En general los suelos presentan valores de GS comprendidos entre 2,5 y 3,1 (adimensional).

GT =

  T ; G S = d ; GW = W W W 0

(2.16)

Una relación básica que permite vincular , S, e y GS es:

WW VW   W = W S VS   W  G S

(G S =

WW VW VV 1 =   W S VV V S G S

(Suprimo  W e introduzco

=

 S WS 1 =  )  W VS  0 VV

VV

)

S e GS

GS   = S  e

(2.17)

Otra relación fundamental surge de:

T =

WT W S + WW = VT VS + VV

 W  W S 1 + W   W S    = G S (1 +  )  = (2.18) T (1 + e ) W  VV  VS 1 +   VS 

30

U.N. de Colombia

Geomecánica

Obsérvese que no se escribió s sino Gs x w. Ahora, se sustituyen GS  por Sxe

GS + S  e   W 1 + e 

T =  

(2.19)

GS + S  e  W 1 + e 

T =  

G + e 

 SAT =  S    W (2.20)  1+ e 

 Si S = 1  (saturado)

 Si S = 0 

G 

 d =  S    W (2.21) 1 + e 

((seco) Dos relaciones deducibles, útiles en geotecnia, al analizar resultados de compactación son:

T =

 T =  d (1 +  )

WT WS + WW WS  WW   = = 1+ VT VT VT  WS 

(2.22)

y de la suma de volúmenes:

  W 1 VT − V A = V S + VW ;  pero : G S = S = S   W VS  W 

  entoces , al transformar volúmen es en pesos se tiene : 

 V  WS W W S  WW  VT 1 − A  = + W = 1 +  luego, al dividir peso por volúme n para obtener  d GS   W  WS   VT  G S   W  W

WS VT

=

 VA  G S 1 −   VT  WW   1 + G   S W S  

W



 d = G S (1 − n)   W

Cuando el suelo está seco, no hay agua, VA = VV y



(2.23)

es cero.

31

U.N. de Colombia (3)

Geomecánica

Diagramas de fases con base unitaria

a) Podemos obtener T = f (e) haciendo VS = 1 en el gráfico. Así, necesariamente

 V VV = e ;  e = V VS 

  

(Recuérdese que

=

WW , WS

Ws = Gss *Vs *  W ) Además el Volumen total, V T = e + 1

Después de asumir el volumen de sólidos y de vacíos, se procede a calcular los pesos de los sólidos (S), del agua (W) y total.

WS = G S *  W , WW =  * GS *  W

T = =

WT WS + WW G S *  W +  * G S *  W = = VT VS + VW 1+ e

G S *  W (1 +  ) (1 + e)

b) Para obtener T = f (): se procede a realizar el cálculo en forma similar, asumiendo VT = 1, en



V 

el gráfico. Así, necesariamente VV=  ya que  = V  y Vs = 1 -  VT   Calculados los volúmenes, se procede a obtener los pesos del suelo, apoyado en la expresión  S ; luego se calcula el peso del agua (WW), para determinar la humedad ().

32

U.N. de Colombia

Geomecánica

Volúmen

Peso

W A=0

Aire (A)

VV= Agua (W) WW= xGSx W(1-)

VS=1- Sólidos (S) WS=GSx W(1-) W S = (1 −  ) * G S *  W ; WW =  (1 −  ) * G S *  W

T = =

WT

=

W S + WW

VT

VT

1 −  ) * G S *  W +  * (1 −  ) * G S *  W 1

 T = G S   W  (1 −  )  (1 +  ) (2.24) NOTA: En los diagramas unitarios existen 3 posibilidades: VS, VT y WS = 1; con la tercera se obtienen resultados en función de la relación de vacíos como los del caso a). Además, se puede hacer cálculos, igualmente fáciles con diagramas unitarios en dos fases, para suelo seco o para suelo saturado.

Tabla 2.2- PESOS UNITARIOS EN SUELOS Denominación PU en gr/cm3 Muy bajo < 1,4 Bajo 1,4 a 1,7 Moderado 1,7 a 1,9 Alto 1,9 a 2,2 Muy alto >2,2

Tabla 2.3- GRADOS DE SATURACIÓN EN SUELOS Denominación Grado de saturación (%) Seco 0 - 25 Húmedo 25 - 50 Muy húmedo 50 - 80 Altamebnte saturado 80 - 95 Saturado 95 - 100 Alberto J. Martínez Vargas, 1990

Denominación Muy bajo

Tabla 2.4- Contenido Orgánico de los suelos % de Materia orgánica 0-1 Alto

% de Materia orgánica 4-8

33

U.N. de Colombia

Geomecánica

Bajo Medio

1-2 2-4

Muy alto

8-20 Kohnke, 1972

EJERCICIOS.

Ejercicio 2,1. A partir de los diaramas unitrarios de dos fases, obtener la relación sat en función de S, e, w, y otrra relación para obtener d. NOTA: Para resolver un problema de fases, se hace el esquema de los diagramas unitarios, haciendo VT o VS = 1, o en su defecto WS = 1. Además, siempre se requieren 3 parámetros conocidos adicionales, uno por cada fase.

De la relación S  e = Gs  

e

W

1

S

En suelos saturados S=1 y se despeja 

e = Gs El peso del agua

W =

W = e   0

Ws = Gs  Vs   0

e  G s  Vs   0 Gs

El peso del agua se obtiene al simplificar G s y hacer Vs =1. Al hacer arreglos y factorizar se tiene

 sat =

 0 (Gs + e) 1+ e

El peso unitario seco d En suelos secos el peso del agua es cero y en la hipótesis del problema Vs =1

G d = s 0 1+ e

e

W

1

S

W = 0

Ws = Gs  Vs   0

34

U.N. de Colombia

Geomecánica

Ejercicio 2.2 Una muestra de suelo en estado natural, pesa 62,1 gr, y seca al horno pesa 49,8 gr. Determinado el peso unitario seco y la gravedad específica correspondientes, se obtienen los valores d= 1,39 gr/cm3 y Gs = 2,68. Hallar e y S para el estado natural.

Solución =

62,1 − 49,8

= 0, 247 = 24,7%

49,8

e= S =



 GS

W

d

−1 =

1,00  2,68

− 1 = 0.93

1,39

  GS

(2.17) =

0, 247 * 2,68

e

= 0,71 = 71%

0,93

Ejercicio 2.3 Un suelo en estado natural tiene, e = 0,80;  = 24%; GS = 2,68. ¿Cuáles son las magnitudes del peso unitario natural, del peso unitario seco y del grado de saturación? Realizar los cálculos en el sistema internacional. ( = 9,81 m/seg²)

T = d =

GS  

(1 +  )

(1 + e ) GS  

w

(2.18) =

(2.22) =

(1 + e )

  GS

S =

w

(2.17) =

2,68  9,81(1 + 0, 24)

2,68  9,81 (1 + 0,8)

0, 24  2,68

e

(1 + 0,8) = 14,61 KN

= 18,11 KN

m3

m3

= 0,804 = 80, 4%

0,8

Para el caso anterior, calcular el peso unitario saturado.

 SAT

=

WT

 SAT =

VT

=



WS + WW VT

9,81 2,68 + 0,80 1 + 0,8

=

GS *  W + e *  W 1+ e

 = 18,97 KN

(utilizando diagrama sección 2.4.a, con VS = 1)

m3

Ejercicio 2.4 Calcular el contenido de humedad natural ) y el SAT de una muestra saturada de suelo, cuyo diámetro  es 3,80 cm y la altura h es 7,80 cm. El peso de la muestra es 142 gr, y seca es de 86 gr. ( = 9,81 m/seg²)

35

U.N. de Colombia

Geomecánica

Masa de agua = 142gr – 86gr = 56 gr Masa del suelo = 86 gr

=

56 = 0,651 = 65.1% 86

Peso del suelo saturado Volumen del cilindro

 SAT =

wsat = 142  9,81 10−6 = 0,0139 KN 1 VT =   3,82  7,8  10 −6 = 0,0008846 m 3 4

WSAT = 15,75 KN m3 VT

En el mismo problema calcule e,  y GS. Reemplazo GS, de la fórmula (2.17), en la (2.18)

(1 +  ) S *e T =   W (1 + e)   

T W

y S = 1 (saturado)

1   1   e   1 +    1   1  15,75  = 1 +  *  1  *  = 1 +  *  1    1 + e  + 1 9 , 81 0 , 651       e     e +1

=

e = 1,72   = GS =

e (1 + e)

=

1,72 (1 + 1,72 )

= 0,63

e

1,72 : (Saturado) GS = = 2,65  0,651

Ejercicio 2.5 En un suelo saturado; dado WS = 1 resolver el diagrama unitario y obtener sat y ’

36

U.N. de Colombia

Geomecánica

WS = 1

=

WW  WS = 1 WS

GS =

S W

=

WS

Luego : 

 VS =

VS *  W

WW VW = W

Sat

 VW =

=

W sat

Volúmenes

 WW = 

=

VT

V =

Pesos

 

AGUA (W)



SOLIDO (S)

Ws =1

1 GS *  W

Vs =



1 Gs   

W

(1 +  )    1 +     W G S   W 

entonces

1+  Sat = G S *  W =  Sat 1 +  * GS además : (G S − 1) 1+  ' =  T − W = GS * W − W =  1 +  * GS (1 + G S ) W

2.5 Problemas de clase

Volúmen

(4) Una muestra pesa en estado húmedo 105 gr, y en estado seco, 87 gr. Si su volumen es 72 cm3 y la gravedad específica de los sólidos 2,65, calcule , e, d, T, SAT y ’ Solución:

Pesos AIRE (A)

72,0 cm 3

Dados: WT = 105 gr WS = 87 gr VT = 72 cm 3 GS = 2,65 W = 1 gr/cm3

0,0 gr

AGUA (W) 18,0

SOLIDO (S)

87,0 gr

Como se involucra e, el modelo unitario conviene con VS = 1

WW = WT –WS = 105 – 87 = 18 gr.

37

U.N. de Colombia

S

Geomecánica

WS WS 87 3  VS = = = 32 ,83 cm  W VS *  S GS *  S 2,65 * 1 3 VV = VT − VS = 72 − 32 ,83 = 39 ,16 cm GS =

=

V 39 ,16 e= V = = 1,19 (relación de vacíos) VS 32 ,83 W 105 − 87 = W = = 0, 207 = 20 ,7% (contenido de humedad) WS GS =

87

S W

=

WS 1 *  WS = GS *  W VS  W

W = W 

WW =  * WS

WS

T =

WT

=

GS *  W +  * GS *  W 1+ e

VT

 T = 1, 46

gr

(Peso unitario total)  T = cm3

En I si  = 0   T =  d =

d =

=

2, 65 * 1 (1 + 1,19)

= 1, 21

gr

G S *  W (1 +  ) 1+ e

=

2,65 * 1 * (1 + 0, 207 ) 1 + 1,19

G S *  W (1 +  ) (1 + e)

GS *  W 1+ e

(Peso unitario seco) cm3

38

U.N. de Colombia

Geomecánica

¿VW, VS, VV?

S =

WW * G S *  W

 W * e * WS

=

 * GS

=

0, 207 * 2,65

e

= 0, 461 = 46,1% (Saturado)

1,19

Cuando S = 1   = e/GS

 SAT =  SAT =

 G S *  W 1 + e GS 

  

(1 + e ) 2,65 + 1,19 (1 + 1,19)

= 1,75

=

 W (G S + e ) (1 + e )

gr cm3

 ' =  SAT −  W = 1,75 − 1 = 0,75

gr cm3

(5) Se tiene una muestra de suelo con los siguientes resultados de laboratorio: e = 0,8;  = 24%; GS = 2,68; W = 62,4 lb/ft3 ¿Se solicita calcular  T ,  d ,  SAT ?

T =

d =

GS *  W (1 +  ) 2,68 * 62 ,4(1 + 0,24 ) = = 115 ,20 lb 3 ft (1 + e) (1 + 0,8)

GS *  W 2,68 * 62 ,4 = = 92 ,91 lb 3 ft (1 + e) (1 + 0,8)

 (G + e) 62,4(1 + 0,24 )  SAT = W S = = 120 ,64 lb 3 ft (1 + e)

(1 + 0,8)

Recuerde que d  T  SAT. (6) Se hizo la extracción de una muestra de un suelo arcilloso, en un perfil de un suelo conformado por un limo de 4,50 m de espesor y una arcilla de 5,50 m de espesor. La muestra de limo para

39

U.N. de Colombia

Geomecánica

un ensayo de compresión no confinada tuvo una altura de 7,10 cm y el diámetro es de 3,05 cm; el peso de la muestra es de 98 gr, el peso de los sólidos es 75 gr y la gravedad específica de los sólidos es 2,82.

9,00 m

La muestra de arcilla para el ensayo de compresión no confinada tuvo una altura de 7,10 cm, el diámetro de 3,05 cm y su peso es 85 gr. El peso del suelo seco al horno es 72 gr y la gravedad específica de sólidos es 2,65. Se necesita determinar las presiones totales, de poro y efectiva de un punto “A” localizado a 9,00 m de profundidad. El nivel de aguas freáticas está a 2,50 m de profundidad. Hlimo

4,50

m

HArcilla

5,50

m

hm

Limo 7,10

Dm

cm

30,67 51,87

cm

3,05

cm

T

1,89

gr/cm 3

WT

98,00

gr

VS

26,60

cm

3

WS Gs

gr

Vv

25,28

cm

3

cm

 VT

18,06 51,87

%

hm

75,00 2,82 Arcilla 7,10

cm

Dm

3,05

cm

T

1,64

gr/cm 3

WT

85,00

gr

VS

27,17

cm 3

24,70

cm

WS Gs

72,00 2,65

gr

Arcilla

5,50 m A

=

 VT

Vv

% 3

3

2,50 m NAF

Limo

4,50 m

e T

0,95 1,89

gr/cm

sat

1,93

gr/cm 3

3

e T

0,91 1,64

gr/cm

sat

1,86

gr/cm 3

3

WT − Ws  100 (%) Ws

D m2 *   hm (cm 3 ) 4 W T = T (gr/cm 3 ) VT

VT =

Vs =

WS Gs   0

e =

V V

v s

G   (1 +  ) T = s 0 (1 + e)

(gr/cm3 )

(Gs + e)   0 (1 + e)

(gr/cm3 )

 sat =

3

(cm 3 )

 VA = Z NAF   TL + (H limo − Z NAF ) satL + H arcilla   satarc (Ton/m 2 )

Presiones sobre el punto A Hlimo

4,50

m

VA

18,86

Ton/m

HArcilla

5,50

m

UA

8,00

Ton/m 2

ZNAF

2,00

m

´VA

10,86

Ton/m 2

2

U A = ( H Limo − Z NAF + H arcilla) 

 A =  VA − U A

Problemas propuestos. 1. El peso unitario de un suelo es 1,62 gr/cm3, y la gravedad específica de los sólidos que lo conforman es 2,65. Determinar si el suelo está seco. 2. En una muestra saturada tiene una humedad de 11% y la gravedad específica de los sólidos es Gs = 2,65. Se solicita calcular e, T, sat y d. 3. Una muestra de suelo se tiene Gs=2,65 y e= 0,45. Hallar d y sat 4. Un suelo seco tiene una relación de vacíos de 0,65 y la gravedad específica de los sólidos es 2,80. Hallar el peso unitario seco, el peso unitario saturado y el peso unitario sumergido.

40

U.N. de Colombia

Geomecánica

5. A la muestra del problema anterior, se le agrega agua hasta lograr 60% de saturación, sin que varíe la relación de vacíos. Hallar la humedad de la muestra () y el peso unitario total (T) 6. Una muestra de suelo tiene un peso unitario de 1,90 gr/cm3, la gravedad específica de los sólidos es 2,69 y la humedad  = 28%. Hallar e, n, S, sat, d. 7. Una muestra de suelo seco tiene e = 0,80 y Gs = 2,80. hallar T, sat y d. 8. A la muestra del problema anterior, se le agrega agua hasta lograr S= 55%, sin que varíe la relación de vacíos. Hallar  y T.

******

CARACTERÍTICAS DE LOS SUELOS DE MANIZALES 1- Complejo Quebradagrande. Observaciones en La Sultana según Aquaterra. Ensayo

Promedio

Mínimo

Máximo

Humedad natural -%

34,13

10,70

176,6

Límite Líquido -%

39,68

17,6

178,1

Límite Plástico -%

27,02

13,9

67,8

12,65

3,1

110,3

Compresión Inconfinada -t/m

9,94

5,54

18,28

Peso Unitario Húmedo -t/m3

1,738

1,06

2,15

Cohesión t/m

2,98

0,30

4,90

Ángulo de Fricción - grados

31,92

28,16

35,67

Índice Plástico -% 2

2

Fuente: Estudio Geológico, Geotécnico e Hidráulico de la Ladera Sur del Barrio La Sultana, Manizales. Aquaterra Ingenieros Consultores SA. Manizales 2004.

2- Formación Casabianca. Observaciones en Fundadores según Aquaterra. Ensayo

Promedio

Mínimo

Máximo

Humedad natural -%

88,3

51,9

128,9

Límite Líquido -%

86,0

65,2

135,4

Límite Plástico -%

40,9

37,2

45,0

Índice Plástico -%

45,0

19,0

90,4

Índice de Liquidez -%

0,9

0,8

0,9

41

U.N. de Colombia

Geomecánica

Peso Unitario Húmedo -t/m3

1,715

1,609

1,821

Peso Unitario Seco -t/m

1,036

0,874

1,198

Compresión Inconfinada -t/m2

21,22

13,86

28,57

Penetración Estándar -Golpes /pie

17,0

15,0

19,0

3

Fuente: Estudio de Suelos para la Rehabilitación Estructural del Teatro Fundadores. Aquaterra Ingenieros Consultores SA. Manizales 2003.

3- Supraterrenos de cobertura en Manizales Parámetros geotécnicos para el rango de valores

Cenizas Volcánicas Unidad No Consolidada

Cenizas Volcánicas Unidad Consolidada

Suelos residuales de depósitos conglomeráticos

Peso Unitario Húmedo (t/m3)

1,5-1,7

1,33

1,5-1,9

Humedad Natural (%) 25-65

>80

30-80

Pasa 200 (%)

25-50

>70

5->90

Límite líquido (%)

30-70

>100

NP->80

Límite plástico (%)

20-50

>60

NP->50

Índice plástico (%)

5-30

>40

NP->40

SUCS

SM

MH

MH-ML-SM-SP

Cohesión (t/m2)

1-3

>4

1->4

Ángulo de fricción (º) 30-36

25-30

20-35

Permeabil (cm/día)

2-14

>20

15-85

Fuente: Francisco José Cruz Prada. Relaciones Lluvias Deslizamientos en la Ciudad de Manizales. Revista SCIA 48 años. Manizales 2004.

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Fuentes de Complemento: Consistencia del Suelo – Límites de Atterberg – Índices. Blog de Santiago Osorio R. http://geotecnia-sor.blogspot.com.co/search/label/Indice%20de%20Liquidez El Agua en el Suelo. Blog de Santiago Osorio R. http://geotecniasor.blogspot.com.co/search/label/Agua%20Capilar Geotecnia de Oleoductos en Colombia. GARCÍA LÓPEZ, Manuel; FRANCO LATORRE, R. In: VIII Congreso Panamericano de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Fundaciones, 1987, CARTAGENA. MEMORIAS VIII Congreso Panamericano de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Fundaciones. 1987. v.3. http://manuelgarcialopez.blogspot.com Geotecnia para el trópico andino. Escobar Potes, Carlos Enrique and Duque Escobar, Gonzalo (2016) Book. (10 Book Section). U.N. de Colombia, Sede Manizales, Colombia. https://repositorio.unal.edu.co/bitstream/handle/unal/57334/geotecniaparaeltropicoandino.pdf Legalidad y sostenibilidad de la guadua en la ecorregión cafetera. Book. Duque Escobar, Gonzalo and Moreno Orjuela, Ruben Darío and Ortiz Ortiz, Doralice (2014) Carder- Corporación Aldea Global, CARs Socias del Proyecto. https://repositorio.unal.edu.co/bitstream/handle/unal/62813/gobernanzaforestalencolombialegalidadysostenibilidaddelaguadua.pdf Manual de geología para ingenieros. Duque Escobar, Gonzalo (2003) Universidad Nacional de Colombia, Manizales. - See more at: https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/3145 Mecánica de los suelos. Book. (15 Book Section). Duque Escobar, Gonzalo and Escobar Potes, Carlos Enrique (2002) Universidad Nacional De Colombia. https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/3375 Relaciones De Fase En La Ingeniería Geotécnica Moderna. Ing. Ricardo Rubén Padilla Velázquez. Prof. Facultad de Ingeniería, UNAM. http://smig.org.mx/archivos/pdf/RelDeFase.pdf Túnel Manizales. Gonzalo Duque Escobar y Eugenio Duque Escobar (2006) Estudio de prefactibilidad de una conducción subterránea de 1850 m. https://repositorio.unal.edu.co/bitstream/handle/unal/69926/gonzaloduqueescobar.20107.pdf? Geomecánica de las Laderas de Manizales. Gonzalo Duque Escobar y Eugenio Duque Escobar (2009). Foro “Gestión del Riesgo por Inestabilidad de Terrenos en Manizales”. https://repositorio.unal.edu.co/bitstream/handle/unal/3174/gonzaloduqueescobar.200916.pdf Sismo, bahareque y laderas. Duque Escobar, Gonzalo (2099) Universidad Nacional de Colombia: https://repositorio.unal.edu.co/bitstream/handle/unal/53823/sismobaharequeladeras.pdf

Vulnerabilidad de las laderas de Manizales. Duque Escobar, Gonzalo (2017) - See more at: https://repositorio.unal.edu.co/bitstream/handle/unal/59283/Vulnerabilidaddelasladerasde manizales.pdf *** MANUAL DE GEOLOGÍA PARA INGENIEROS. Duque Escobar, Gonzalo. Universidad Nacional de Colombia (2020). See more at: https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/3145

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LECTURA 2: HURACANES Y TERREMOTOS: ¿Y CÓMO ESTÁ COLOMBIA?

RESUMEN: Esta nota se ocupa de dos amenazas naturales de gran impacto que acechan en la región:

los Huracanes y los Sismos. Primero, porque los fenómenos ciclónicos del Atlántico que dejan destrucción a su paso por el Caribe, también pueden impactar sobre el Archipiélago de San Andrés y Providencia, y generar lluvias intensas y fenómenos colaterales en el norte de Colombia. Y segundo, porque además de la amenaza por maremotos asociados a sismos originados en el fondo oceánico del entorno vecino, también nuestras fuentes sísmicas continentales pueden afectar los centros urbanos del país ubicados en zonas de riesgo sísmico alto y moderado.

Tras los desastres recientes en México, en el Caribe y en Estados Unidos es imperioso volver sobre las amenazas que afectan a Colombia y sobre las medidas que debemos adoptar para hacer frente a estos riesgos** Dos graves amenazas ambientales Tanto los planificadores urbanos como las autoridades colombianas deben reflexionar con urgencia sobre las dos amenazas ambientales que –también para nosotros- representan los huracanes y los grandes terremotos. La primera de estas amenazas, dado lo ocurrido con Irma, un huracán de categoría 5 que azotó el norte del Caribe y el sur de Estados Unidos entre el 30 de agosto y el 12 de septiembre pasados, con brazos de hasta 300 kilómetros de diámetro, y vientos máximos de 302 km/h, calificado como el más poderoso que ha sido registrado en el Atlántico. Irma cobró 37 vidas en el Caribe y 14 en Estados Unidos. La segunda amenaza, dado el sismo de magnitud 8,2 en la escala de Richter que sacudió México el viernes 8 de septiembre y al cual se sumaron cientos de réplicas debido al carácter superficial de este fenómeno telúrico, el cual cobró 98 vidas y afectó principalmente los estados de Oaxaca, Chiapas y Tabasco. El estudio de los terremotos en áreas sismo-tectónicamente activas, que son vecinas a grandes urbes, y de las tormentas ciclónicas que surgen en los mares para llevar caos y destrucción a las ciudades costeras, es tan antiguo como la humanidad misma, aunque en principio contaron con una explicación mítica relacionada con la ira de los dioses. Según la mitología griega, Tifón hijo de Gea, quien intentó destruir a Zeus en venganza por haber derrotado a los Titanes, además de erupcionar lava, creó los

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huracanes y los terremotos con el batir de sus enormes alas. Para los griegos -quienes fueron los primeros en dar una explicación natural a los terremotos-, dichos estremecimientos ocurrían cuando Poseidón, el dios de los mares, hacía tambalear a Atlas, quien recibió como castigo de Zeus sostener al mundo en sus hombros.

Vientos enfurecidos y sacudidas de la tierra La ocurrencia de eventos climáticos extremos como los que ya se advierten a nivel global, es resultado del calentamiento del planeta, calentamiento que en los próximos cincuenta años aumentará la temperatura entre 1,5°C y 2,5°C según las características de las distintas regiones de la Tierra. Este calentamiento traerá desastres mayores: tormentas ciclónicas de mayor intensidad, lluvias inusuales, sequías severas, inundaciones, deslizamientos, incendios forestales, y degradación ambiental: pérdida de ecosistemas terrestres, elevación del nivel del mar y desaparición de los glaciares. La intensidad de una tormenta ciclónica depende de la velocidad de sus vientos. Sus daños pueden variar de conformidad con la escala Saffir-Simpson -que califica el poder destructivo de los huracanes desde 1 a 5 cuando éste toca tierra-. Cuando la categoría es 1, hay inundaciones en zonas costeras y daños menores en zonas urbanas por vientos entre 119 y 153 kilómetros por hora y olas que pueden llegar a 1,5 metros de altura. Cuando la categoría es 5, hay destrucción masiva de viviendas e infraestructuras con vientos sostenidos por encima de 250 kilómetros por hora, o por olas que pueden superar los 6 metros de altura. Adicionalmente, durante las últimas décadas hemos presenciado desastres sísmicos mayores que han afectado a países en desarrollo. Esto no se debe a que en el mundo se estén presentando más terremotos, sino al acelerado crecimiento de la población residente en zonas sísmicas, de manera que la magnitud de los daños ha venido en aumento. Ejemplo de lo anterior son las urbes latinoamericanas de los Andes, Centro América y en el Caribe, aquellas de la línea Alpes-Himalaya, y algunas ubicadas en el Pacífico asiático; este margen oceánico y las costas occidentales de las américas conforman el “Cinturón de Fuego del Pacífico”, caracterizado por su intensa actividad sísmica y volcánica. Países tan lejanos entre sí como Irán, Chile, Japón y Nueva Zelanda son particularmente vulnerables a esta actividad sísmica. Asimismo, la lista de grandes ciudades azotadas por la pobreza incluye a Estambul en Turquía, Karachi en Pakistán, Teherán en Irán, Katmandú en Nepal y Lima en Perú. No obstante, no podemos descartar a Bogotá como posible escenario a pesar de encontrase en una zona de amenaza sísmica intermedia, ya que podría sufrir el embate de movimientos tectónicos superficiales de mediana magnitud, partiendo de fuentes símicas vecinas relacionadas con pequeñas fallas locales, e incluso de grandes eventos no muy lejanos provenientes de mega-fallas activas como las del frente llanero o la Falla Salinas.

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Refugiados y víctimas Entre 2003 y 2013, se registró una media de 388 desastres naturales al año que afectaron a 216 millones de personas y cobraron 106.654 vidas. Según el Consejo Noruego para los Refugiados, mientras las pérdidas económicas por los desastres naturales de los últimos 30 años tuvieron un valor medio anual de 130 mil millones de dólares, la posibilidad de tener desplazados ha aumentado en un 60 por ciento en cuarenta años. Según el informe “Estado de la población mundial 2015, un refugio en la tormenta“, en los últimos 20 años los damnificados por desastres naturales sumaron en promedio cerca de 200 millones por año, cifra que triplica los 65 millones anuales de víctimas de epidemias, adversidades tecnológicas y conflictos armados a nivel global. A pesar de que la mayoría de los desplazamientos por desastres de origen sísmico y climático son internos y en ocasiones pueden cruzar fronteras, no existen instituciones que puedan mitigar su sufrimiento. El cambio climático ha ocasionado más de 4.000 millones de heridos o damnificados en el mundo durante los últimos veinte años, ya que ha contribuido al desplazamiento humano acelerando sequías y la desertificación, al igual que la erosión costera y la salinización de aguas subterráneas y tierras de cultivo. Mientras las catástrofes de origen sísmico han cobrado la vida a más de un millón de personas desde principios del presente siglo. La amenaza climática y sísmica en Colombia

Tras la erupción del Ruiz y la desaparición de Armero en 1985, el Gobierno instauró el Sistema Nacional para la Prevención y Atención de Desastres (SNPAD) que institucionaliza la gestión del riesgo, ya que esa falencia gravitó como causa fundamental del desastre. Inicialmente se diseñó una dependencia del Ministerio de Gobierno para atender las fases de emergencias, luego a raíz del terremoto del Eje Cafetero de 1999 se implementó la fase de reconstrucción, y finalmente tras las Niñas 2007/8 y 2010/11, el SNPAD pasó a un plano de mayor desarrollo organizacional al ocuparse también de la prevención y mitigación de los desastres, al tiempo que se creó el Fondo Nacional de Calamidades. La gestión del riesgo para enfrentar los huracanes tiene un manejo distinto del de los terremotos, puesto que estos eventos tectónicos se presentan de forma súbita. Los huracanes son fenómenos climáticos donde intervienen gran número de variables de comportamiento aleatorio como vientos, temperatura y humedad, y que igualmente se aborda con pronósticos.

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En Colombia el desafío está en estudiar de forma integral la amenaza climática, a pesar de que dicha tarea está a cargo del IDEAM y de que las sequías son poco frecuentes y los ciclones tienen incidencia marginal. La Oficina de Pronósticos y Alertas suele elaborar los avisos y boletines ambientales sobre huracanes para advertir sobre la posibilidad de lluvias intensas y marejadas con sus peligros colaterales. Si bien lo anterior procede para el archipiélago de San Andrés y Providencia por ser nuestro lugar más comprometido en virtud de su latitud, para el caso de la Guajira la ocurrencia de las tormentas significa el advenimiento de lluvias esperadas para calmar la sed de la tierra. Para los terremotos los factores principales del riesgo son: la influencia de las fuentes sísmicas y la caracterización de las provincias sismo-tectónicamente homogéneas. Allí deben considerase la frecuencia, naturaleza y magnitud de los eventos, además de la vulnerabilidad física de las construcciones, asentamientos humanos expuestos en cada contexto, y variaciones en la respuesta dinámica del terreno, ya que los suelos blandos al igual que el relieve agravan la intensidad local del desastre. En Colombia, además del mapa de sismicidad elaborado por la Red Sismológica Nacional se ha expedido la norma sísmica NSR-10 sobre diseño y construcción sismo resistente, instrumento que para el efecto aplica un período de retorno de 475 años. También ha habido esfuerzos específicos en materia de microzonificación sísmica en las grandes ciudades y estudios sobre la tipología constructiva. Sin embargo, en muchas zonas de amenaza sísmica alta, falta abordar dicha labor; tal es el caso de las poblaciones ubicadas en fallas del sistema Cauca-Romeral, el Margen Llanero y de la región del Pacífico. ** Fuente: Gonzalo Duque Escobar, In: Razón Pública. Bogotá, 2017.09.18]. Amenaza para la Reserva de Río Blanco en Manizales. Caldas: marco territorial e histórico. Cambio climático y sustentabilidad del territorio. Ciencias Naturales & CTS. Corrupción y clientelismo: incultura cívica. Clima extremo, desastres y refugiados. Deuda histórica con el Pacífico Colombiano. Dinámicas y contra rumbos del desarrollo urbano. Crecimiento con deuda social. ¿Crecimiento volátil con Empleo vulnerable? Empleo temprano en la nueva sociedad. El Estado y la función del suelo urbano en Manizales. El modelo de ocupación urbano – territorial de Manizales. El territorio caldense, un constructo cultural. Guerra o Paz, y disfunciones socio-ambientales en Colombia. La dimensión cultural como catalizadora del desarrollo.

La JEP, ¿un blanco contra la Paz. La vivienda social y sus determinantes. Los frágiles cimientos de la democracia. Los guetos urbanos o la ciudad amable. Manizales, por la senda verde. Manizales, y “El derecho a la ciudad”. Más espacio público para una ciudad sostenible e incluyente. Participación de la sociedad civil en el ordenamiento territorial. Pensamiento crítico para construir la Paz. Por la educación y la cultura en el pacto de gobernanza. Reserva de Río Blanco: reflexiones para prevenir un ecocidio. Rieles para el empleo cafetero. Un país con grandes retos ambientales. Un Plan de Acción para encausar el megaproyecto San José. Visión retrospectiva y prospectiva del desarrollo regional.

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CAPÍTULO 3 ESTRUCTURA DEL SUELO Y GRANULOMETRÍA 3.1 3.1.1

Características y estructura de las partículas minerales.

Relaciones fino – agregados

Los agregados sin finos, como los talus, presentan contacto grano a grano, el peso volumétrico es variable, es muy permeable. Estos materiales no son susceptibles a las heladas, presentan estabilidad alta cuando están confinados y estabilidad baja en estado no confinado. No es afectable por condiciones hidráulicas adversas y es de compactación difícil. Los agregados con finos suficientes, presentan densidad más alta, contacto grano a grano e incremento de la resistencia mecánica. Son resistentes a la deformación, poseen mayor peso volumétrico y su permeabilidad es menor. Son susceptibles a las heladas. Relativa alta estabilidad (confinado o no confinado). No muy afectable por condiciones hidráulicas adversas. Compactación difícil. Los agregados con gran cantidad de finos, es el caso de materiales coluviales: no se presenta el contacto grano a grano; los granos están dentro de una matriz de suelo fino; en este estado disminuye el peso volumétrico, son de permeabilidad baja, son susceptibles a las heladas, presenta baja estabilidad (confinado o no), y es afectable por condiciones hidráulicas adversas. No se dificulta su Figura 3.1 Depósitos de suelos compactación. transportados Principales propiedades demandadas por el ingeniero. El ingeniero civil debe identificar las propiedades de los suelos con el fin de evaluarlos en el momento de realizar las obras y lograr unas condiciones estables que garanticen la durabilidad y la estabilidad de las estructuras. Estas propiedades son evaluables en laboratorio. 1. Estabilidad volumétrica: Se refiere a lograr suelos con volúmenes constantes, frente a la aplicación de cargas o debido a los agentes como el agua o el secado. Los cambios de humedad afectan la estabilidad volumétrica y son las causas del levantamiento de pavimentos, la inclinación de postes, la rotura de tubos, los asentamientos de muros y la inestabilidad de taludes. La figura 3.2 presenta un talud conformado por suelo arcilloso, inestable por el secado. 2. Resistencia mecánica: Los suelos tienen una resistencia mecánica que permite la estabilidad de las estructuras que soporta o de los taludes. La humedad reduce la resistencia, mientras que la compactación o el drenaje la eleva. La disolución de cristales (arcillas sensitivas), baja la resistencia.

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Geomecánica 3. Permeabilidad: Es la capacidad de un suelo de permitir el paso de un fluido a través suyo. La permeabilidad baja estimula el incremento de presión de poros y es un factor detonante de deslizamientos. Por otra parte, el flujo de agua a través del suelo permeable, de cohesión baja, puede originar la tubificación, el arrastre de partículas sólidas y la erosión interna del suelo. 4. Durabilidad: Es la capacidad que tiene el suelo de resistir a la acción del medio ambiente que lo rodea, (figura 3.2) o de la meteorización física o química; de la abrasión o de cualquier otro proceso de deterioro. El intemperismo, la erosión y la abrasión amenazan la vida útil de un suelo, como elemento estructural y funcional. 5. Compresibilidad: Es la propiedad de un suelo relacionada con su susceptibilidad a disminuir su volumen cuando es sometido a cargas. Afecta la permeabilidad, altera la magnitud y sentido de las fuerzas inter-partícula, modificando la resistencia del suelo al esfuerzo cortante. Los suelos poco compresibles son susceptibles a sufrir desplazamientos.

Figura 3.2 El suelo de la corona del talud es inestable: la contracción y el agrietamiento inducidos por el secado del sol y el viento, hasta la deshidratación del suelo lo hace perder su funcionalidad. (Carlos E Escobar P)

mb

ma

Plasticidad cohesión

b

Resistencia seco Resistencia humedo Compacatción óptima

a

a

m

m

b

mb

a

a

a

b

mb b

m

b

a

a

m

a

mb m

a

b

m

m

mb

ma

b

m

ma b a a ma

Sulfato ma b a

Cuidado con la salinidad

Estabilidad volumétrica

a

mb mb ma ma mb mb

Alofano

mb

Ataca al cemento

ma

m

son solubles en ácidos

Permeabilidad humedo

b

La biotita es más problemática

ma Problema cuando es uniforme

Permeabilidad seco

Materia orgánica

Montmorillonita

b

Propiedad

ma m Cuidado con la salinidad

Illita

m

Caolinita

m

Carbonato

Mica

Limo

Componente

Arena

Las anteriores propiedades se pueden modificar o alterar de muchas formas: por medios mecánicos al compactar el suelo, la instalación de subdrenaje, medios eléctricos, cambios de temperatura o adición de estabilizantes (cal, cemento, asfalto, sales, etc.).

ma ma a

m

m

ma

b

m

mb b mb ma

ma: muy alto, a: alto, m: moderado, b:bajo, mb:muy bajo

Tabla 3.1 Propiedades ingenieriles de los componentes del suelo

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Figura 3.3 Estructura de suelos

3.1.3 Estructura de los suelos – Fábrica textural y estructural del suelo. La estructura primaria en su estado natural es la disposición y el estado de agregación de los granos, lo que depende del ambiente de meteorización, en el caso de los suelos residuales, o del ambiente de deposición en el caso de los suelos transportados. El resultado es fábrica textural que hereda el suelo. Otras discontinuidades en la masa, por ejemplo, los pliegues o las fracturas, por actividad de la tectónica, el vulcanismo, etc., o las que marcan ciclos de actividad geológica (planos de estratificación, disolución, alteración, etc.), son la estructura secundaria y constituyen aspectos estructurales a mayor escala; esta es la fábrica estructural que hereda el suelo (relictos). En el proceso de sedimentación, las partículas sólidas están sometidas a fuerzas mecánicas y eléctricas. Las primeras afectan todas las partículas (ambientes turbulentos, gravedad, etc.) y las segundas a las partículas finas (atracción, repulsión y enlaces iónicos, en medios acuosos). Cuando dominan fuerzas de atracción eléctrica, se produce la floculación y cuando dominan las de repulsión, las partículas se separan formando suelos dispersivos. La temperatura y concentración iónica influyen en la incidencia del medio acuoso de la sedimentación. El suelo puede fallar por los granos minerales (falla por la fábrica textural), o por la liga de los granos minerales (falla por la fábrica estructural). Así, la estructura primaria puede ser:

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ÍGNEO

ORIGEN

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Textura Calse

Fabrica no orientada

Grano

Entrelazada Cementada

Fino

Basalto

Grueso

Granito

Consolidada

Fabrica orientada Foliada

Cementada Consolidada

Cristalina Fino

Toba

Grueso

Aglomerado

SEDIMENTARIO

METAMÓRFICO

Piroclástica Cristalina

Clástica

Granocristalina

Fino

Hortels

Pizarra

Grueso

Mármol

Gneis

Fino

Milonita

Grueso

Brecha

Flonita Protomilonita

Fino

Caliza Oolitica

Grueso Fino

Clástica Grueso

Limolita Calcárea Conglomerado Calcáreo

Arcillolita Conglomerado Arenoso

Lutita Calcárea Lutita Arcillosa Lutita Cuarzosa

Lutita Arenosa

Tabla 3.2 Textura y fábrica de materiales rocosos. 3.1.4 Tipos de falla por discontinuidades en roca La geotecnia incluye el estudio de la estabilidad de taludes. Uno de los aspectos más importantes es identificar los mecanismos de falla de los taludes. Las fallas más comunes en suelos son: la falla circular ocurre en taludes conformados por suelos o por masas de roca intensamente fracturada; la falla traslacional es más frecuente en suelos que reposan sobre una roca o un suelo más compacto y estable; la falla planar ocurre a través de discontinuidades o diaclasas, cuando el buzamiento es menor al del talud y mayor al ángulo de fricción; la falla en cuña ocurre cuando dos familias de discontinuidades producen cuñas, con línea de cabeceo buzando más suave que el talud. La falla por volteo se presenta cuando el buzamiento casi vertical o contrario; el pandeo por fricción plástica y el pateo ocurren cuando los bloques de roca se disponen paralelos a la pendiente y pierden el talón. En masas con mecanismos de falla planar o de cuña, la fricción que se desarrolla a lo largo del plano puede sostener los bloques inestables y en el caso de las cuñas cuando las discontinuidades están poco inclinadas. Recuérdese que los suelos residuales heredan las debilidades de la roca y estas se denominan “relictos”. Las discontinuidades en los macizos rocosos forman relictos y las masas pueden fallar por los planos heredados de la fábrica estructural.

Figura 3.4 Tipos de fallas por discontinuidades en taludes construidos sobre macizos rocosos.

3.1.5 El contexto para facilitar el texto geotécnico

La mecánica de suelos exige actividades de campo que incluyen las campañas de prospección de suelos, incluyendo la toma de muestras, visitas para verificar el estado de las áreas a intervenir, la

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identificación de los rasgos geotécnicos como grietas, contactos, cambios de suelos, aprovechando los escarpes y los taludes aledaños al sitio de estudio. Las observaciones de campo deben anotarse en forma apropiada, incluyendo además, los datos de localización, la fecha y el ejecutor, entre otros, tales como los que siguen a continuación que son importantes y fundamentales para el éxito del trabajo: Profundidad del suelo, los espesores y la localización de los contactos referenciados a la superficie del suelo permiten configurar el arreglo de los suelos, los planos de contacto y las condiciones que favorecen o no la estabilidad de una estructura. Color. El color del suelo incluyendo diversos colores (abigarrado), cuando se contamina o cuando existen vetas permiten una clasificación por comparación y hacer la localización de los estratos de suelo. Inclusiones. Los suelos tienen inclusiones de carbonatos, hierro, raíces, materia orgánica, etc. Estas inclusiones le pueden disminuir la calificación como un suelo que hace parte de la cimentación de una estructura. Tipo de perfil. La exploración del suelo se puede realizar por medio de sondeos (exploración indirecta con la toma de muestras), apiques y trincheras (exploración directa y la toma de muestras), o mediante la revisión de los taludes o escarpes cuando se trata de escarpes dejados por un deslizamiento. Presencia del nivel freático. La profundidad a la cual aparece el nivel freático. El nivel freático tiene fluctuaciones en los inviernos y los veranos. La identificación de capas de suelo más impermeables, es de gran utilidad para configurar los modelos físicos necesarios para el modelado de un talud. Presencia de humedad. Profundidades del suelo con humedades altas, principalmente en los cambios litológicos o cerca de manantiales de agua permiten trazar estrategias para realizar el control y conservar estables la humedad y la estabilidad de un suelo. Geología. El tipo de roca y las formaciones en la región son el soporte de los suelos, sus orígenes y su evolución por los procesos de alteración y meteorización. Aguas superficiales. La presencia de aguas concentradas que contribuyen a la erosión o a los deslizamientos cuando se pueden incorporar al suelo por las grietas, los caudales, la coloración del agua (óxidos de hierro), la turbidez, cuando se presenta erosión interna, entre otros. Erosión. Tipo de erosión. La erosión es una causa de la pérdida de funcionalidad del suelo como estructura que integra un proyecto y es síntoma de la baja resiliencia frente al cambio climático. Vegetación. Tipo de vegetación, la vegetación contribuye a localizar zonas húmedas. Además es un elemento que integra la solución a los problemas de taludes de ingeniería. Presencia de deslizamientos. Los procesos de inestabilidad existentes. Los mecanismos de falla, las áreas afectadas por los movimientos y las causas de los procesos son indicadores de los tipos de problemas que se deben abordar en la ingeniería. Uso y manejo del suelo. Si son pastos, cultivos o áreas duras. Es necesario localizar las áreas de cultivos limpios y semilimpios en laderas pendientes, las áreas protegidas con vegetación nativa, los procesos denudativos asociados con el fin de integrar la vegetación dentro de las soluciones.

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Textura y consistencia. Identificar si el suelo es arenoso, arcilloso, entre otros, es soporte para resaltar las cualidades o dificultades que pueden generar estos suelos: los suelos limosos y arenosos son susceptibles a erosión, mientras que los suelos arcillosos son más resistentes a la erosión, pero dificultan el subdrenaje por tener permeabilidades muy bajas. Micro relieve en los suelos. Identificar el estado de los contacto entre suelos, anomalías del relieve. 3.1.6

Definiciones

Sensibilidad: O susceptibilidad de una arcilla, es la propiedad por la cual, al perder el suelo su estructura natural, cambia su resistencia, haciéndose menor y su compresibilidad, aumenta. Tixotropía: Propiedad que tienen las arcillas, en mayor o menor grado, por la cual, después de haber sido ablandada por manipulación o agitación, puede recuperar su resistencia y rigidez, si se deja en reposo, y sin cambiar el contenido de agua inicial. Desagregación: Delesnamiento o desintegración del suelo. Cuando se daña su estructura al experimentar ciclos de humedecimiento y secado por calor y viento. Muestra inalterada: Calificación de valor relativo, para un espécimen de suelo tomado con herramientas apropiadas, retirado del terreno con los cuidados debidos, transportado, conservado y llevado al aparato de ensayo, de manera que pueda considerarse que las propiedades del suelo natural, que se desean conocer en la muestra, no se han modificado de manera significativa. Muestra alterada: Espécimen con su estructura disturbada. Se emplea para verificar la continuidad de un estrato de suelo y son útiles para realizar ensayos de plasticidad, granulometría, humedad natural, entre otros. Suelo grueso-granular: Son los suelos conformados por partículas de mayor tamaño: guijarros, gravas y arenas. Su comportamiento está gobernado por las fuerzas de gravedad. Suelos fino-granulares: Son aquellos conformados por limos y arcillas. Su comportamiento está regido por fuerzas eléctricas, fundamentalmente. Suelos pulvurulentos: Son suelos no cohesivos, o suelos gruesos, pero limpios (sin finos); es decir, grueso-granulares limpios. Arcillas Vs limos: En estado seco o húmedo, tiene más cohesión la arcilla. La arcilla seca es dura mientras el limo es friable o pulverizable. Húmedos, la arcilla es plástica y el limo poco plástico. Al tacto, la arcilla es más suave y a la vista el brillo más durable.

3.1.8 Suelos especiales. En la mecánica de suelos se presenta, con frecuencia, suelos con comportamientos que ameritan ensayos especiales, para determinar algunas propiedades que pueden afectar las estructuras cimentadas en ellos. Suelos expansivos: La expansión se explica por adsorción de agua, dada la deficiencia eléctrica del suelo, su alta superficie específica y su capacidad catiónica de cambio. Los problemas que ocasionan están vinculados con las altas presiones y grandes deformaciones por el hinchamiento que sufre el

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suelo. Son expansivos algunas veces los suelos clasificados como limos inorgánicos de plasticidad alta (MH), las arcillas de plasticidad alta (CH), con límites líquidos mayores de 50%. Solución a los problemas por expansión de suelos: La solución para controlar la expansión de estos suelos, es colocar una carga que aplique una presión mayor a la presión máxima de expansión del suelo; otra alternativa es conservar la humedad natural () constante, aislando el volumen expandible. Mantener la humedad final del suelo con la humedad natural (drenando). Disminuir la presión de expansión, bajando la capacidad catiónica, con Ca++ y Mg++. Reemplazar el suelo, traspasar la capa problemática por medio de pilotes a fricción negativa. En la haloisita, la cal no es buena, pero al calentarlo a 60 °C pasa a ser caolinita. Suelos dispersivos: En estos suelos ocurre una defloculación de las arcillas. El fenómeno químico es propio de suelos salinos, cuando, por presencia de sodio se desplaza el agua recién venida y adsorbida, para romper los enlaces. La verificación del potencial dispersivo se hace contando iones disueltos de Na +, Mg++, Ca++ y K+ y comparando, con el total de sales, en términos de concentración. El efecto de la dispersión es la erosión interna o tubificación, y la pérdida de resistencia del suelo por destrucción de su estructura. En un ensayo de erodabilidad, todos los suelos dispersivos son erodables. Los suelos dispersivos son sódico-cálcicos y la solución a los problemas es incorporar cal viva para neutralizar el Na +. Se presentan en el Huila y Guajira (ambientes áridos y suelos marinos). Suelos colapsables: Los limos originados en suelos de cenizas volcánicas son colapsables, especialmente cuando son remoldeados; el límite líquido (LL) de las cenizas volcánicas es muy alto y sus enlaces iónicos son débiles. Los suelos de origen eólico -las cenizas tienen algo de eso- son susceptibles, el agua (pocas veces) y el sismo, en casos de licuación, hacen colapsar el suelo. Suelos orgánicos: El primer producto de estos materiales es la turba, que es materia orgánica en descomposición. Por su porosidad y estructura, tiene alto contenido de humedad, baja resistencia, alta compresibilidad e inestabilidad química (oxidable). Deben evitarse como material de fundación y como piso para rellenos. El humus es de utilidad económica y ambiental, por lo que debe preservarse. Suelos solubles: La disolución se presenta en suelos calcáreos (calizas – yesos);

Ca CO3 + H2O + CO2

Ca (OH)2 + H2CO3

el ácido carbónico El ácido carbónico producido ataca de nuevo los carbonatos del suelo, por lo que es recomendable aislar la estructura del flujo de agua.

3.1.9 Recolección de muestras en el terreno

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Geomecánica Equipo:

Horizontes A y B

Figura 3.5 Equipo para exploración manual

Coluvión Saprolito Roca

Barreno manual, motorizado o equipo de perforación. Varillas de extensión.

Figura 3.6 Esquema tridimensional de una exploración de suelos.

Bolsas para muestras y recipientes para contenido de humedad. Llaves inglesas para articular las varillas de extensión del barreno. Decámetro para localizar perforaciones, para medir los espesores de los estratos de suelos y la profundidad del nivel freático. Formato para el registro del sondeo. Lápiz y borrador. Objetivo: Conseguir muestras de suelo, en un sondeo manual. Las muestras recuperadas pueden ser alteradas o de bolsa en forma inalterada por medio de tubos shelby o pared delgada. Las muestras se deben identificar al vincularlas al sondeo y reportar la profundidad a la que fue extraída. El objetivo del trabajo de campo es la elaboración de un perfil de suelos para identificar la estratigrafía del terreno (presencia de los perfiles del suelo, su espesor), aprovechando la perforación para identificar la profundidad del nivel freático, la presencia de suelos orgánicos, entre otras observaciones que se realizan en el campo. Procedimiento: se realiza la perforación y se hace el registro de los suelos encontrados; se toman muestras para humedad por cada metro de perforación, donde cambie el estrato o la apariencia del suelo. Al recuperar las muestras se debe cuidar que no pierdan humedad, y para ello no se debe demorar en conservar herméticas las muestras. Las muestras se rotulan con los datos suficientes y necesarios para identificar el sito de toma de la muestra, se anota en el formato del registro del sondeo y se guarda en un sitio adecuado, donde no sufra alteración por la pérdida de humedad. Si se encuentra el nivel freático, éste se reporta en el formato del sondeo. Se acostumbra dejar la perforación abierta para verificar el nivel freático el día siguiente. 3.2 GRANULOMETRÍA 3.2.1 Análisis granulométrico.

55

U.N. de Colombia

Geomecánica

Proceso de laboratorio que permite determinar la proporción en que participan los granos del suelo, en función de sus tamaños. Esa proporción se llama gradación del suelo. La gradación por tamaños es diferente al término geológico en el cual se alude a los procesos de construcción (agradación) y la destrucción (degradación) del relieve, por fuerzas y procesos tales como tectonismo, vulcanismo, erosión, sedimentación, entre otros. 3.2.2 Métodos de análisis granulométrico. La separación de un suelo en diferentes fracciones, según sus tamaños, resulta necesaria para la conocer su competencia y eficiencia, desde la perspectiva geotécnica. Esta acción comprende dos tipos de ensayos: por tamizado para las partículas grueso–granulares (gravas y arenas) y el de sedimentación para la fracción fina del suelo (limos y arcillas); estos últimos, dado su comportamiento plástico, no son discriminables por tamizado. 3.2.2.1 Método del tamizado. Una vez se seca el suelo en el horno o al aire, se pulveriza, se hace pasar por una serie organizada de tamices, de agujeros con tamaños decrecientes y conocidos, de arriba hacia abajo. El primer tamiz, es el de mayor tamaño y es donde inicia el tamizado. Se tapa con el fin de evitar las pérdidas de finos; el último tamiz está abajo y descansa sobre un recipiente de forma igual a uno de los tamices, y recibe el material más fino no retenido por ningún tamiz.

Figura 3.7 Mallas para tamices. En, Blog Apuntes Ingeniería Civil.

Con sacudidas horizontales y golpes verticales, mecánicos o manuales, se hace pasar el suelo por la serie de tamices, de arriba abajo, para luego pesar por separado el suelo retenido en cada malla. 3.2.2.2 Métodos de sedimentación. Se puede realizar por dos procedimientos: el método del hidrómetro y el método de la pipeta. Ambos se soportan en las características de la sedimentación de las partículas del suelo en un medio acuoso. Se aplican tales métodos al “suelo fino”, es decir, al que ha quedado en el fondo de los tamices y que se denomina “pasa–200”, material constituido por limos y arcillas. a) Método del hidrómetro.

Figura 3.8 Hidrómetro

56

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Geomecánica

Se toma una probeta con agua, se introduce suelo, se agita hasta lograr una suspensión uniforme; luego se deja en reposo para ir midiendo, con hidrómetro para distintos tiempos transcurridos, la densidad de la suspensión disminuye a medida que las partículas se asientan. La profundidad del densímetro es variable con la densidad de la suspensión (ARQUÍMEDES), es la base para calcular esa distribución de tamaños de granos finos que pasa la malla o tamiz No 200, con  = 0,074 mm. El sistema se calcula con el apoyo de “La Ley de Sotkes”, donde:

cm/sg (N100,51D2) mm

(3.1)

En donde v = velocidad en cm/seg = constante n = viscosidad en Poises = gr/cm sg g = gravedad en cm/seg2 s, F = densidades de los sólidos y la suspensión en gr/cm3 D = diámetro de una esferita (diámetro equivalente) en cm. Con la expresión 3.1 se obtiene la del diámetro equivalente D:

D=

18n * v 18n * v H = = B*v = B g (S − F S −F t

(3.2)

Puesto que la viscosidad y el peso unitario del fluido (F = F*g) cambian con la temperatura “T”, habría de calcularse B. B = f(T, S). En la ecuación 3.2, la velocidad v es H sobre t (v = H/t). El número N de partículas con  > D, usado en la curva granulométrica, se calcula con la profundidad H del centro del hidrómetro, la que dependerá de la densidad de la suspensión. La fórmula 3.1 es valida sí 0,2  D  0,2mm (sólo limos). Entonces: N =

G S ( F −  W ) WS (G S − 1)

V * 100

( % de partículas con   D =

B * v)

En donde GS es la gravedad específica de los sólidos, V es el volumen de la suspensión, WS es el peso de los sólidos de la suspensión, F es el peso unitario de la suspensión a la profundidad H, W es el peso unitario del agua. Toda esta situación alude a medidas hechas sucesivamente, después de transcurrido un tiempo t, en el que, a la profundidad H, no existen partículas con diámetro equivalente mayor que D, dado que ellas se han sedimentado (en minutos, horas o días).

RL

C

R

RL: Lectura del menisco R: Lectura real

b) Método de la pipeta. Figura 3.9 Corrección por menisco

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U.N. de Colombia

Geomecánica

A diferencia del anterior, aquí se deja constante el valor de H. También se parte de una suspensión agua–suelo, uniforme en el instante inicial, que con el tiempo se modifica, dado que las partículas de mayor diámetro se precipitan a mayor velocidad, con fundamento en la Ley de Stokes. A distintos tiempos, desde el inicio, se toman muestras de la suspensión, a una misma profundidad predeterminada (H0). De cada muestra obtenida, se determina el peso de los sólidos, contenido por unidad de volumen de la suspensión, lo que constituye la base para el cálculo de la distribución (en proporción) de los tamaños de las partículas finas. Ajuste por menisco: El agua turbia no deja leer la base del menisco con el hidrómetro. (Figura 3.8) Se lee RL y la corrección será c = RL – RREAL, luego RREAL = RL –c (corregido). 3.3 Curva granulométrica. Los resultados de los ensayos de tamizado y sedimentación se llevan a un gráfico llamado curva granulométrica. La fracción gruesa tendrá denominaciones, según el sistema: 4: Sistema Unificado de

ASTM 3 SUCS 4  (mm)  (mm) Grava >2 75 – 4,75 Arena 2 – 0,075 4,75 – 0,075 0,075 – < 0,075 Limo 0,06 – 0,002 0,05 – 0,002 0,005 FINOS Arcilla < 0,002 < 0,002 < 0,005 Tabla 3.3. Denominación de suelos, según sistemas de Clasificación.

SISTEMAS

BRITÁNICO 1  (mm) 60 – 2 2 – 0,06

AASHTO 2  ( mm) 75 – 2 2 – 0,05

Clasificación de Suelos 3: American Society for Testing and Materials 2: American Association of

En los suelos grueso–granulares, el diámetro equivalente está referido al agujero cuadrado de la malla; para los finos, al diámetro equivalente de una esfera. La curva se dibuja en papel semilogarítmico: con una escala aritmética en las ordenadas que permiten identificar los porcentajes, en peso, de partículas con diámetro menor que cada uno de los lados de las abscisas. La escala logarítmica en las abscisas presenta los tamaños de los granos en milímetros. Esta escala, en razón de que los diámetros varían de cm, mm y . Esta clasificación es necesaria en geotecnia, pero no suficiente. Se complementa siempre la granulometría con el ensayo de Límites de Atterberg, que caracterizan la plasticidad y consistencia de los finos en función del contenido de humedad. 3.4 Descripción de la gradación. La forma de la curva de distribución de tamaños de las partículas, indica si los tamaños varían en un rango amplio (curva C) o estrecho (curva B); si el rango tiende a los tamaños mayores del suelo grueso (A) o a los menores de un suelo fino, (C). Si todos los tamaños tienen proporciones en peso relativamente iguales, el rango es amplio y la curva suave, el suelo así será bien gradado como A y C. La mala gradación puede ser por falta de extensión (B) o por discontinuidad. En suelos granulares la gradación expresada numéricamente, se puede determinar con el apoyo del coeficiente de uniformidad Cu y con el coeficiente de curvatura Cc.

58

U.N. de Colombia

Cu =

D60 D10

;

Cc =

Geomecánica 2 D30 D10 * D60

Cu  4en Gravas  a 6 en arenas  bien gradado cuando  1  Cc  3 

Cuanto más alto sea Cu, mayor será el rango de tamaños del suelo. Los D i; i = 10, 30, 60, son los tamaños o diámetros de las partículas, para el cual el i% del material es más fino que ese tamaño.

Figura 3.10 Curva granulométrica.

En la figura 3.9, la curva A representa un suelo bien gradado y de grano grueso. La curva B representa un suelo mal gradado, de poca uniformidad (curva parada sin extensión); el suelo C corresponde a una arcilla limosa (suelo fino). Las expresiones T4 , T40 y T200 corresponden a la denominación de los tamices o mallas.

59

U.N. de Colombia

Geomecánica

Figura 3.11. Las curvas de distribución de los suelos anteriores, permiten observar que A se ajusta mejor a la forma de la campana de Gauss, mientras B resulta apuntalada y C aplanada.

Tamices. La muestra de suelo se hace pasar a través de un juego de tamices de aberturas descendentes. Esa operación de laboratorio, , se denomina cribado o tamnizaje. El cribado por mallas se usa para obtener las fracciones correspondientes a los diferentes tamaños de partículas que constituyen el suelo; para conocer la fracción de suelo que es menor que cada apertura de tamiz, partiendo de los mayores tamaños, se van tamizando las fracciones de suelo de tamaños cada vez menores, hasta el suelo más fino correspondiente a la malla No 200 (0.074 mm). La Tabla 3.4, muestra el rango de tamices, con el Tamaño de las Mallas para la Elaboración de la Curva Granulométrica, según el ASTM:

Designació  Designación  abertura n abertura 3 pulgadas 75 mm N° 16 1180  2 pulgadas 50 mm N° 20 850  1½ 37,5 mm N° 30 600  pulgadas 1 pulgada 25 mm N° 40 425  ¾ pulgada 19 mm N° 50 300  3 /8 pulgada 9,5 mm N° 60 250  N° 4 4,75 mm N° 100 150  N° 8 2,36 mm N° 140 106  N° 10 2 mm N° 200 75  Tabla 3.4 - Serie de tamices o mallas.

60

U.N. de Colombia

Geomecánica

Tapa

Bandeja

a. Serie típica. b. Serie alterna

Figura 3.12 Serie de tamices

Tabla 3.5- TAMAÑOS DE GRANOS Denominación de Tamaños Muy gruesos Gruesos Medianos Finos Muy finos

Diámestros dominates > 60 mm 60 a 2 mm 2 a 0,06 mm 0,06 a 0,002 mm < 0,002 mm Alberto J. Martínez Vargas, 1990

Suelo representativo Cantos o boleos Grava Arena Limo Arcilla

Ejercicio 3.1 Calificar las curvas anteriores, calculando los coeficientes Cu y Cc. CURVA A B C

D10 0,4 1,8 0,001

D60 20 4,4 0,14

D30 4,0 2,9 0,009

67%>T4 67%<T4 55%>T200

Cu Cc 50,0 2,0 2,40 1,1 NO PROCEDE

D

0,005

0,20

0,012

60%>T200

NO PROCEDE

Observación Grava bien gradada Arena mal gradada Suelo fino, ver límites Suelo fino, ver límites

SUCS: Gravas: Cu > 4; arenas: Cu > 6; T4 = 4,75 mm; T200 = 0,075 mm

Ejercicio 3.2 Dados los pesos retenidos, dibuje la curva de la arena dada. TAMIZ

 mm

W retenido % retenido

% que pasa

61

U.N. de Colombia 4 10 20 40 60 150 200 Bandeja

4,75 2,00 0,840 0,425 0,250 0,150 0,075

Geomecánica 9,7 39,5 71,6 129,1 107,4 105,0 8,5 1,3 472,1 gr

1,9 7,9 14,3 25,8 21,5 21,0 1,8 X 94,1%

98,1 90,2 75,9 50,1 28,6 7,6 5,9

Muestra seca 500 gr; pérdida por lavado 27,90 gr; total = 472,1 gr  94,4%. Porcentaje retenido en el T4 = (9,7/500)*100 = 1,9 %; porcentaje que pasa = 100 – 1,9 = 91,8 % Explicación Cu =

D60

=

D10

0,53 0,15

2 D30

Cc =

D10 * D60

  Pobremente gradada y es arena. (% que pasa T4  50 %)   Es fina (gran % entre T10 - T40. Es limpia(% pasa 200  5%). 2 0, 26 Esto según SUCS  = 0,85  0,15 * 0,53 

= 3,5

=

Ejercicio 3.3 Se tienen dos materiales  y  que no llenan los requerimientos del constructor. Se encuentra que, para llenarlos, el material  pude aportar los gruesos y  los finos requeridos, si se mezclan. Obtenga una solución que satisfaga las especificaciones dadas en el proyecto. Solución. La “fórmula básica” para mezclar dos materiales es P = aA + bB (I) Siendo:

P = % de la mezcla que pasa por un tamiz dado.

A, B = % de  y  que pasan por un tamiz dado. a, b = % en que  y  entran en la combinación. Así: - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - a + b = 1,0 Luego, llevando II a I

b=

P−A B−A

(II)

P = (1-b)*A + b*B

o sea:

P – A = b*(B – A)

de donde

Y similarmente

a=

P−B A− B

(III)

62

U.N. de Colombia

Geomecánica

Malla

¾’’

½’’

3

Especificació n  

100

80

70

100 100

90 100

/8’’

/10

/90

T4 50

/70

T8 35

/50

T30 T50 T10 T20 0 0 18 /29 13/23 8/16 4/10 Del constructor

0

59 100

16 96

3,2 82

1,1 51

0 36

0 21

0 9,2

 Disponible

Obsérvese que el material  aporta los gruesos y el  los finos. Se escoge cualquier tamiz (por ejemplo el 8) y un valor P en el rango de las especificaciones (el promedio, P8 = (35+50)/2 = 42,5%). También se puede acercar este punto al material más económico o más apropiado, desplazando así la curva de la mezcla, pero se debe verificar que no se salga del rango de las especificaciones. Siendo A = 3,2%; B = 82%, con (III), a = 0,5; b = 0,5. Entonces: Malla

¾’’

½’’

0,5 *  0,5 *  Total

50 50 100

45 50 95

3

/8’’

T4

T8

T30

29,5 50 79,5

8 48 56

1,6 41 42,6

0,6 25 25,6

T50 T10 T20 0 0 0 0 0 18 10,5 4,6 18 10,5 4,6

 Para mezclar  Mezclado

Obsérvese que el nuevo material cumple con lo especificado. Este problema también se puede resolver gráficamente, dibujando las curvas de los dos materiales, e interpolando entre ellas la curva de la mezcla con una proporción constante según los valores deseados de a y b, y dibujando las fronteras de las especificaciones para observar si la mezcla se mantiene adentro de ese rango.

DOCUMENTOS DE SOPORTE ON LINE Macizos rocosos: Duque Escobar, Gonzalo (2003) Universidad Nacional de Colombia, Manizales. Descripción del macizo rocoso: introducción a la ingeniería de rocas de superficie y subterráneas. Suárez Burgoa, Ludger Oswaldo (2014) Descripción del macizo rocoso: introducción a la ingeniería de rocas de superficie y subterráneas. Ludger Oswaldo Suárez Burgoa, Medellín. Edafología General. Medina O., Héctor (1969). Memoria sobre las actividades docentes e investigativas en la Facultad de Ciencias Agrícolas. Universidad Nacional de Colombia sede Medellín. Granulometría. César García Andreu, José Miguel Saval P, Francisco Baeza B, Antonio José Tenza A. (2009). Práctica de Materiales de Construcción. Universidad de Alicante, España. Manual de geología para ingenieros. Duque Escobar, Gonzalo (2003) Universidad Nacional de Colombia, Manizales.

Ejercicio 3.4 Dados los pesos retenidos, dibuje la curva granulométrica y determine si el suelo está bien o mal gradado.

63

U.N. de Colombia

GeomecĂĄnica P1

1000 gr

Tamiz

4 8 10 20 40 60 100 140 200

Diametro (mm)

Peso retenido (gr)

4,75 2,36 2,00 0,85 0,425 0,25 0,15 0,106 0,075

% Retenido

% que pasa

50 100 120 130 150 150 120 100 80

Total

Ejercicio 3.5 Dados los pesos retenidos, dibuje la curva granulomĂŠtrica y determine si el suelo estĂĄ bien o mal gradado. P1

10330 gr

Tamiz

2" 1,5" 1" 3/4" 1/2" 3/8" 1/4" 4 8 20 40 fondo Total

Diametro (mm)

50,80 38,10 25,40 19,05 12,70 9,53 6,35 4,75 3,36 0,85 0,425

P2

Peso retenido( gr)

% Retenido

9909,7

% que pasa

874,8 310,8 706,3 619,9 1274 957,9 1194 1034,6 1524,3 1070,4 342,7 420,3

Ejercicio 3.6

64

U.N. de Colombia

Geomecánica

Realizar el ensayo de granulometría a una muestra de 500 gr de una arena limpia y hacer la clasificación. P1 500 gr Peso retenido ajustado

S uelo retenido

% que pasa

gr

gr

%

%

9,70

0,57

10,27

2,05

97,95

2,00

39,50

2,33

41,83

8,37

89,58

20

0,85

71,60

4,23

75,83

15,17

74,41

40

0,43

129,10

7,63

136,73

27,35

47,07

60

0,25

107,40

6,35

113,75

22,75

24,32

140

0,106

105,00

6,21

111,21

22,24

2,08

200

0,075

8,50

0,50

9,00

1,80

0,28

1,30

0,08

1,38

0,28

0,00

Peso Ponderación retenido

Tamiz

Diámetro

No

(mm)

gr

4

4,75

10

100,00

Fondo

SP DS

472,10 gr 27,90 gr

500,00

gr

65

U.N. de Colombia

Geomecánica

Al realizar el ensayo de granulomtría y pesar la muestra retenida en cada tamiz se encuentra que la suma final es 472,10 gr, 27,90 gr menos que el peso inicial de la muestra. Para ajustar la curva se procede al ajuste por ponderación, aumentando al peso retenido en cada tamiz un peso proporcional al peso retenido en cada uno.

Pd =

WR  D s Sp

siendo W R : Peso retenido en cada tamiz. P d : Ponderación

d60

0,574

mm

d30

0,298

mm

d10

0,157

mm

Cu =

d 60 d10

Cc =

Condición 2 30

d d 60  d10

Cu

3,7

Cu >4

Cc

1,0

1<Cc<3

La muestra es una arena limpia mal gradada (SP)

Ejercicio 3.7

66

U.N. de Colombia

Geomecánica

Se necesita realizar el ensayo de granulometría de una grava y para ello se llevó al laboratorio una muestra de este material. Realizar la clasificación para determinar si está bien gradada. Tamiz

Diametro

Peso retenido Suelo retenido Pasante de suelos (gr) % %

No

(mm)

2,5"

63,50

0,00

0,00

100

2"

50,80

320,90

6,44

93,56

1,5"

38,10

281,10

5,64

87,91

1"

25,40

735,00

14,76

73,15

3/4"

19,05

388,20

7,80

65,36

1/2"

12,70

533,00

10,70

54,65

3/8"

9,53

351,90

7,07

47,59

4

4,75

680,80

13,67

33,92

8

2,36

497,80

10,00

23,92

16

1,18

446,40

8,96

14,96

30

0,60

198,60

3,99

10,97

50

0,30

217,00

4,36

6,61

100

0,15

238,60

4,79

1,82

200

0,08

37,60

0,76

1,07

53,10

1,07

0,00

Fondo ∑ Cu =

Cc =

d 60 d 10

2 d 30 d 60  d10

4980,00

cu

34,33

cc

1,85

El material es una grava bien gradada (GW)

Ejercicio 3.8

67

U.N. de Colombia

Geomecánica

Realizar el ensayo de granulometría de una muestra de una arena contaminada con un suelo fino y clasificarla Tamiz Diametro No

(mm)

Peso retenido de material

Porcentaje retenido

(gr)

%

Porcentaje que Pasa % 100

1/2"

12,7

63,6

13,19

86,81

3/8"

9,525

58,2

12,07

74,74

4

4,75

55,7

11,55

63,19

8

2,36

45,7

9,48

53,71

10

2,00

10,3

2,14

51,58

16

1,18

21,5

4,46

47,12

20

0,85

36,2

7,51

44,07

40

0,43

40,2

8,34

35,73

60

0,25

44,1

9,15

26,59

100

0,15

47,8

9,91

16,67

140

0,106

25,4

5,27

11,41

200

0,075

25,7

5,33

6,08

Fondo

7,8

1,62

0,00

∑

482 D60

3,68

D30

0,29

Cu

40,2

D10

0,09

Cc

0,2

Plasticidad de la fracción que pasa el tamiz No 40 LL

38,5

LP

21,2

SUCS

IP

17,3

CL

El material es una arena mal gradada, arena arcillosa (SP-SC)

DOCUMENTOS DE COMPLEMENTO Manual de geología para ingenieros. Duque Escobar, Gonzalo (2020) U. Nacional de Colombia,

https://repositorio.unal.edu.co/bitstream/handle/unal/3145/manualgeo.pdf Túneles: Videos y Documentos: https://godues.wordpress.com/2014/01/04/tuneles-videos-ydocumentos/ MANUAL DE GEOLOGÍA PARA INGENIEROS. Duque Escobar, Gonzalo. Universidad Nacional de Colombia (2020). See more at: https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/3145

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U.N. de Colombia

Geomecánica

LECTURA 3: GOBERNANZA FORESTAL PARA LA ECORREGIÓN ANDINA

Imagen: Izq. Selva Tropical Andina y Der. Guadua de la Ecorregión Cafetera. Créditos en la imagen. A continuación, dos notas verdes asociadas a la regulación hídrica y a la estabilidad de nuestros suelos, sobre nuestro patrimonio biótico, con la idea fundamental de crear conciencia sobre la importancia de avanzar en el desarrollo de una cultura forestal, del suelo y del agua, que abarque a todos los miembros de la cadena forestal, e incluso a los consumidores finales. En relación con los bosques y con el agua, más importante que la cantidad de agua disponible y extensión de las forestas protegidas, lo que importa es su gestión y la conciencia social sobre su valor estratégico para la biodiversidad y la calidad de vida de los colombianos. Los temas a tratar, son: Primero, para hacer un llamado sobre el deterioro de nuestros bosques andinos y selvas tropicales, consecuencia de la deforestación y del comercio ilegal de la madera, entre otras acciones que se constituyen en severa presión antrópica sobre estos frágiles y vitales ecosistemas. Segundo, la guadua, planta emblema de caldas y recurso fundamental nativo de la región andina; que, por sus múltiples usos en el hábitat rural y urbano, se constituye en un elemento estructurante de nuestra cultura y en una impronta del paisaje de la ecorregión cafetera colombiana. Ambos se han tomado de un par de columnas, surgidas de un ejercicio académico en el que he participado con Carder y Aldea Global, para producir un par de textos relacionados con el proyecto de Gobernanza Forestal en Colombia. Y tercero, el caso e nuestros bosques altoandinos ya reducidos en extensión a la cuarta parte, toda vez que el 80% de la región andina se ha deforestado. Dos problemas estructurales íntimamente ligados, la deforestación y el comercio ilegal de la madera, han sido las causas primeras del gradual ecosidio cometido sobre un patrimonio fundamental para el agua y la biodiversidad, como lo son nuestros bosques andinos y selvas tropicales. Si en Colombia la tasa anual de deforestación en 2013 llegó a valores superiores a 300 mil hectáreas, también en la Ecorregión Cafetera, un territorio biodiverso que alberga al 7% de las especies de plantas y animales del país donde el paisaje estuvo dominado por bosques, ahora solo se conserva menos del 20% de dicha cobertura.

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Para el Ideam, mientras la cifra entre 1990 y 2010 llegó a 310 mil hectáreas-año, y en el Chocó se pierde la batalla contra la deforestación: la Región Andina fue la zona más afectada, seguida de la Amazonía. En cuanto a los principales procesos de destrucción de bosques y selvas de Colombia durante los últimos 60 años, Julio Carrizosa Umaña señala la colonización con propósitos de ganadería extensiva cuando se ofrecieron como alternativa a la reforma agraria, luego el uso de estos como protección de grupos armados y más tarde la presión sobre estos ecosistemas como soporte de cultivos ilícitos. Indudablemente, faltarían la expansión urbana, la palma africana y la actividad minera. La tala ilegal en Colombia cuya cuantía alcanzó al 42 por ciento de la producción maderera según el Banco Mundial (2006), cantidad equivalente a 1.5 millones de metros cúbicos de madera que se explota, transporta y comercializa de forma ilegal, evidencia una problemática que amenaza la sostenibilidad de los bosques nativos, y la subsistencia de especies maderables apreciadas en el mercado, como el abarco, el guayacán y el cedro, para lo cual las Corporaciones Autónomas aplican nuevos modelos y ajustan los existentes, para hacerlos más efectivos. El Eje Cafetero, donde los paisajes están dominados por potreros, cafetales, plantaciones forestales, plataneras y cañaduzales, también la infraestructura y uso de agroquímicos, le pasa factura a los ecosistemas boscosos. Aún más, de un potencial del suelo que es del 4% para potreros, dicha cobertura en 2002 llegó al 49%; de un potencial del suelo para usos forestales del 54%, en 2002 los bosques del territorio solo llegaban al 19%; y de unos usos agrícolas y agroforestales cuyo potencial es del 21% y 20% en su orden, la cobertura agrícola en 2002 subía al 30%. Y respecto a los bosques naturales de guadua, una especie profundamente ligada a nuestra cultura que se expresa en el bahareque, cuyo óptimo desarrollo se da entre 1000 y 1600 msnm, afortunadamente las CAR de esta ecorregión han logrado mitigar la tendencia a su pérdida mediante la implementación de la Norma Unificada para su manejo, aprovechamiento sostenible y establecimiento de rodales y la combinación de dos estrategias: el proceso de Certicación Forestal Voluntaria, cuyo objeto es la apropiación del guadual por parte del propietario para lograr la articulación de los planes de manejo y de cosecha, y la zonificación de las áreas potenciales y el inventario de áreas cubiertas con guadua. A pesar de los esfuerzos que históricamente se han hecho desde el Estado colombiano para combatir el delito de la ilegalidad forestal y la preocupante pérdida de los bosques naturales, dos flagelos que podrían acabar con los recursos forestales del país en cien años, se requiere avanzar en el desarrollo de una cultura forestal, del suelo y del agua que abarque a todos los miembros de la cadena forestal, e incluso a los consumidores finales. Para el efecto se requiere fortalecer los aspectos técnicos, normativos, operativos y financieros en los instrumentos y estrategias de las autoridades ambientales responsables del control y vigilancia forestal y del cuidado de los recursos naturales; y desarrollar campañas orientadas al conocimiento de la normatividad sobre legalidad forestal y a la sensibilización sobre la importancia del bosque; y segundo, desarrollar políticas públicas que enfrenten esta problemática como una estrategia de adaptación al cambio climático, con directrices que contemplen el ordenamiento de cuencas, establecimiento de corredores de conectividad biológica e implementación de modelos agroforestales y silvopastoriles, para resolver los conflictos entre uso y aptitud del suelo, lo que obligaría a replantear el modelo agroindustrial cafetero desde la perspectiva ecológica. Un SOS por la bambusa guadua

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Cuando esta “aldea encaramada” de trama urbana reticulada superaba los 10 mil habitantes y soportaba su economía en el café y en la arriería de cientos de bueyes y mulas, tras los pavoroso sismos de 1878 y 1884 que derrumban el templo principal, surge el bahareque al cambiar la tapia pisada por una “estructura temblorera” configurada por una cercha de arboloco y guadua, con paneles de esterilla cubiertos por una mezcla de estiércol de equinos y limos inorgánicos, o por láminas metálicas, arquitectura cuyo mayor exponente era la Catedral de Manizales que se incendia en 1926. Si en algún lugar de Colombia la guadua ha sido factor fundamental del paisaje natural y del patrimonio arquitectónico nativo, es en la ecorregión cafetera donde la gran riqueza de su construcción vernácula se basa en el uso de esta bambusa, en cuyo estudio se han ocupado la Universidad Nacional de Colombia y la UTP abordando los ámbitos socioeconómicos, tecnológicos y arquitectónicos de los sistemas constructivos, como la Universidad de Caldas y la CRQ en las componentes agronómica y biótica de la guadua. Además de la utilidad que presta el rodal como regulador hídrico de las quebradas, en el control de la erosión del suelo y como hábitat de la biodiversidad, este “acero vegetal” liviano de rápido crecimiento, resistencia y manejabilidad, ha servido como material de construcción en formaletas, andamios o como elemento estructural en columnas y vigas, y usado para muebles, herramientas, artesanías, canales de conducción de agua, trinchos, postes, juegos e instrumentos musicales, o para materia prima del papel y leña, entre otros. Cualquier cafetero por sus vivencias exitosas asociadas a los beneficios cotidianos de la guadua, sabe que en lugar de llevar los cafetales hasta la quebrada debería recuperar los bosques de galería sembrando guaduales para proteger los cauces. Y hoy podría hacerlo soportado en las acciones de las autoridades ambientales orientadas a incidir en un modelo agropecuario y ambiental que reconoce la importancia de la guadua como alternativa económica y cultural para el desarrollo rural, e inspiradas en una política ambiental que busca prevenir la deforestación y propiciar el uso y manejo de los rodales naturales de guadua en el marco de la adaptación al cambio climático y la problemática del agua. Actualmente las CAR de la región cafetera, han construido y consolidado un esquema de gobernanza forestal, soportado en cuatro elementos: 1) el acompañamiento técnico brindado a los actores forestales, 2) los ajustes normativos para el acceso legal a los aprovechamientos, 3) la atención a los usuarios buscando la reducción del tiempo en los tramites, y 4) el fortalecimiento del mercado legal no sólo de la guadua sino de la madera. Lo anterior lo consignamos en las “Lecciones aprendidas entorno a la legalidad y sostenibilidad de la guadua” (2012), publicación de la Corporación Autónoma Regional del Risaralda CARDER elaborada en el marco del proyecto Posicionamiento de la Gobernanza Forestal en Colombia, donde se trata la problemática de la legalidad y de la sostenibilidad de esta preciosa gramínea, una de las especies nativas más representativas de los bosques andinos, declarara planta emblema de Caldas según Decreto 1166 de octubre 20 de 1983. Similarmente, la Corporación Autónoma Regional de Caldas CORPOCALDAS y la Cámara de Comercio de Manizales, en el trabajo “Microclúster de la guadua” (2003), su prólogo “El milagro de la guadua” de Mario Calderón Rivera, recuerda que esta especie que formó no solo el hábitat que creó la gesta colonizadora, sino todo un universo cultural, por la captura de CO2 podría jugar un papel de primer plano en el desarrollo del protocolo de Kioto.

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Pero, así Jorge Villamíl haya visto los guaduales “danzar al agreste canto que dan las mirlas y las cigarras” y Simón Vélez con el empleo estético en sus notables creaciones arquitectónicas haya exaltado las virtudes sismo-resistentes de la guadua, no hemos sabido valorarla: de conformidad con lo consignado en ambos documentos, en los últimos dos siglos la extensión de guaduales en el país se redujo ostensiblemente: se pasa de unos doce millones de hectáreas a sólo cincuenta mil, de las cuales cerca de 20 mil hectáreas están en la zona cafetera y 6 mil en Caldas. Nuestros bosques de niebla en riesgo

Estos ecosistemas únicos y de gran valor por su biodiversidad y como reguladores del ciclo hídrico y fuentes de estabilidad climática, podrían desaparecer en Colombia donde el modelo de ocupación del suelo entra en conflicto con su frágil estructura ecológica, en especial por la ganadería y el urbanismo como factores disipadores de su atmósfera húmeda y brumosa. Si queremos preservar los escasos relictos de dichas selvas nubladas que en Colombia llegaron a sumar 9,7 millones de hectáreas, de las que sólo resta la cuarta parte, habrá que mitigar el riesgo frente a la amenaza antrópica mediante acciones judiciales efectivas, y de protección, recuperación y adaptación al cambio climático. De lo contrario, los pocos bosques andinos nubosos que aún no hemos arrasado, y que aparecen entre 1800 y 3000 msnm, en mayor proporción sobre las vertientes occidentales de las cordilleras Occidental y Central (caso Río Blanco), podrían correr la misma suerte de los guaduales del país, poáceas representativas de nuestros andes tropicales que durante los últimos dos siglos cambiaron su extensión de doce millones de hectáreas a solo cincuenta mil, 20 mil de estas en el Eje Cafetero y 6 mil en Caldas. En la región andina estos frágiles ambientes húmedos caracterizados por la neblina perenne, son un portento ya por la biota propia con variedad de epífitas, musgos, líquenes, hongos y helechos; ya por la alta riqueza de anfibios, con 121 especies en la Cordillera Central, 118 en la Occidental y 87 en la Oriental, (Cavelier et al. 2001); ya por las especies endémicas y en vía de extinción que albergan, como gallarias, tucanes, dantas de páramo, tapires, osos de anteojos, palmas, credelas y prunas. Se estima que sólo el 2,5% de los bosques tropicales del mundo son nublados. Allí, el aire proveniente de regiones bajas, húmedas y cálidas, aporta humedad que en lugar de precipitarse se condensa, garantizando la vida de especies que dependen de un ambiente

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de saturación hídrica perdurable. De ahí la gravedad del daño que suele ser irreversible cuando se alteran los ciclos biogenéticos, en estos ecosistemas montanos de nuestros andes, considerados fundamentales para el mantenimiento de las fuentes de agua y como sumideros de carbono, y cono complemento del banco de germoplasma por sus plantas silvestres tropicales parientes de especies domesticadas. Según el Instituto Humboldt IAvH, la literatura especializada registra en el Eje Cafetero los siguientes bosques nublados: Caldas, en Manizales (Río Blanco) y Aranzazu (El Laurel); Quindío, en Salento (cuenca alta río Quindío y Reserva Acaime) y Génova (Servia y Mirlas); Risaralda, en Pereira, (Ucumarí, SFF Otún Quimbaya y La Suiza), Santa Rosa de Cabal (La Selva y la reserva Campoalegre), Mistrató (Alto de Pisones y El Empalmado), Pueblo Rico (Siato y PNN Tatamá) y Santuario (Los Planes). Faltarían otros, varios incluidos en áreas protegidas. Si dentro del rango de altitudes de dichos bosques, aún continúan incidiendo factores severos que comprometen dichos ecosistemas, cuando se trate de bosques de niebla vitales, donde la amenaza gravita comprometiendo la prestación de servicios ambientales esenciales y la biodiversidad, tal cual ocurre en Río Blanco, Chec y Cocora, por qué no aplicar el principio precautelar, y proceder con una figura de PNN para blindarlos, o en su defecto con una declaratoria de sujeto de derechos como alternativa última que les queda a los bosques de niebla para su pervivencia en Colombia, y luego retomar el programa del IAvH (2007) trazando nuevas metas de conservación y uso sostenible de la biodiversidad, a la luz de las nuevas problemáticas de nuestros bosques tropicales nubosos en la región andina, para actualizar la información sobre biodiversidad, reformular las políticas y metas que tenían alcance al 2010. Lo anterior permitiría, controlar los factores que los continúa diezmado, e incorporar la amenaza del cambio climático no contemplada entonces por el IAvH, como fenómenos determinantes de primer orden para la pérdida de biodiversidad, y el deterioro de los servicios ambientales en áreas de baja altitud vecinas a centros urbanos importantes de las cuencas de la región andina, que es donde persisten las actividades y cambios de uso del suelo, que conllevan los impactos severos sobre los bosques nublados que hoy se extienden desde las selvas subandinas hasta el páramo. [Ref.: La Patria. Manizales, 2020.03.8] ENLACES UN Agua como bien público. Amenaza para la Reserva de Río Blanco en Manizales. Calentamiento global en Colombia. Aprendizajes en procesos participativos de reconversión productiva: cuenca del río San Francisco. Bosques, Cumbre del Clima y ENSO. Colombia Tropical ¿y el agua qué? Clima: las heladas. Degradación del hábitat y gestión ambiental. Eje Cafetero: cambio climático y vulnerabilidad territorial. El Cuidado de la Casa Común: Agua y Clima. El territorio del río Grande de la Magdalena. Legalidad y sostenibilidad de la guadua en la ecorregión cafetera.

Paisaje y región en la Tierra del Café. Por falta de bosques con el agua al cuello. Preservación Ambiental e Hídrica dentro de la Declaratoria del PCCC. Procesos de Control y Vigilancia Forestal en la Región Pacífica y parte de la Región Andina de Colombia. Riesgos para el agua en la ecorregión cafetera de Colombia. Río Blanco, cuna de vida… Sistematización de Experiencias y Estrategias de los PAI de la cuenca del río Guarinó y la Charca de Guarinocito. Territorio y Región: Caldas en la Ecorregión Cafetera. UMBRA: la Ecorregión Cafetera en los Mundos de Samoga.

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Geomecánica CAPÍTULO 4 CONSISTENCIA Y PLASTICIDAD.

Etimológicamente, consistencia equivale a capacidad de mantener las partes del conjunto integradas, es decir, estabilidad y coherencia. En mecánica de suelos sólo se utiliza para los suelos finos que, dependiendo del contenido de agua y de su mineralogía, fluyen sin romperse. La consistencia de la arcilla seca es alta y húmeda es baja. Atterberg (1911) establece arbitrariamente tres límites para los cuatro estados de la materia, así:

Crece la humedad ( )

Estado líquido

1. 2.

Límite líquido

WL

LL

Límite plástico

WP

LP

Limite de retracción

WS

LR

Estado plástico

Esado semisólido

Estado sólido

Tabla 4.1 Límites para los cuatro estados de los suelos finos Atterberg 1911.

Un suelo está en estado líquido (arcilla o limo muy húmedos) cuando se comporta como un fluido viscoso, deformándose por su propio peso y con resistencia al corte casi nulo. Al perder agua, ese suelo pierde su fluidez, pero continúa deformándose plásticamente; dado que pierde su forma, sin agrietarse. Si se continúa con el proceso de secado (de la arcilla o limo), el suelo alcanza el estado semisólido, si al intentar el moldearlo se desmorona. Si se seca aún más, hasta un punto en el cual su volumen ya no se reduce por la pérdida de agua y el color toma un tono más claro, el estado del suelo se define como sólido. El estado plástico se presenta en un rango estrecho de humedades, comprendidas entre los límites líquido (LL) y plástico (LP). Este rango genera el Índice de Plasticidad “IP”, definido así:

IP = WL - WP

diferencia de contenido de  humedades en los LL Y LP

4.1

En consecuencia, los límites de Atterberg son contenidos de humedad del suelo, para suelos finos (limos, arcillas), solamente. Los índices son rangos de humedad. 4.1 Índice de fluidez (If). Medida de la consistencia o la facilidad relativa con que un suelo puede deformarse espontáneamente dada por la relación numérica entre: a) La diferencia entre el contenido de agua de un suelo y su límite plástico, y b) su índice de plasticidad.

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If =

 −P IP

*100

(en %)

4.2

Si If → 100%, el suelo en campo está cerca al LL; si IL → 0%, el suelo en campo está cerca al LP. Pueden presentarse arcillas con IL < 0, cuando  < WP. La plasticidad de un suelo se atribuye a la deformación de la capa de agua adsorbida alrededor de los minerales y en las arcillas, por su forma aplanada (lentejas) y pequeño tamaño, es alta, dependiendo, la plasticidad del suelo, del contenido de arcilla. Skempton (1953) expresó esta relación matemáticamente con la actividad A de la arcilla, mediante la fórmula 4.3, así:

A=

IP % de arcilla

 % de arcilla = % en peso WS de partículas con φ  2μμ

4.3 

 • La actividad de la illita es media; Ejemplo, A = 0,90  • La actividad de la montmorill onita es alta. Ejemplo, A = 7,20  

• La actividad de la caolinita es baja; Ejemplo, A = 0.38

Tabla 4.2. ACTIVIDAD DE LAS ARCILLAS Arcilla

Superficie Actividad Índice Específica (Skempton) Plástico m2/gr Montmorillonita 500-800 0.5 a 7.2 >>50 Illita 60-120 0.3 a 0.9 33-50 Caoloinita 20-40 0.1 a 0.4 1-40 Fuente: Gabriel Márquez y Alberto J. Martínez (Adaptado)

4.2 El límite líquido LL. Es el contenido de humedad (LL) requerido para que una muestra en el aparato de Casagrande, (Figura 4.1), cierre una ranura de ½’’ de amplitud a los 25 golpes, generados en la cápsula de bronce, con un ritmo de dos golpes por segundo (Ejercicio 4.1).

LL (?)Tixotrópico 60-90 30-75

Figura 4.1 Aparato de Casagrande para obtener el límite líquido LL.

4.3 El límite plástico (LP). Es el menor contenido de humedad (P) para el cual el suelo se deja moldear. Esto se dice cuando, tomando bolas de suelo húmedo, se pueden formar rollitos de 1/8’’

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sobre una superficie plana, lisa y no absorbente. Sin agrietarse, el suelo no alcanza el LP, y si se presentan múltiples grietas tampoco se tiene el LP. 4.4 El límite de retracción (LR) (o Límite de Contracción). Contenido de humedad para el cual el suelo sometido a secado, mantiene constante su peso. Se coloca en una cápsula el suelo húmedo ( > L) y se determina su peso Wi y su volumen Vi, siendo Vi también el volumen de la cápsula. Se seca el suelo en la estufa y se obtiene su peso Wf y volumen Vf. El problema está en obtener Vf, el cual se logra conociendo el peso del mercurio desplazado por el suelo seco, operación que es delicada; así se tiene:

LR =

(Wi − W f )− (Vi − V f )* w *100 Wf

4.4 

En donde (Vi – Vf)W es el peso del agua perdida y (Wi – Wf) - (Vi – Vf)W es el peso del agua en la muestra cuando está en el límite de retracción. El LR se denomina también límite de contracción del suelo.

4.5 Índice de consistencia, IC Es una medida de la consistencia o facilidad relativa con que un suelo puede ser deformado, dada por la relación numérica entre a) la diferencia entre límite líquido y el contenido de agua de un suelo, y b) su índice de plasticidad.

IC =

L −  *100 L − P

4.6 Índice de retracción, IR. Este, indica la amplitud del rango de humedades dentro del cual el suelo se encuentra en estado semisólido.

IR = LR − LP

Tabla 4.3- Consistencia de Arcillas saturadas V.S. Resistencia a la Compresión Inconfinada Consistencia

Muy blanda

Arcilla Blanda

Medianamente compacta

Arcilla Compacta

Muy compacta

Arcilla Dura

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U.N. de Colombia Qu (kg/cm2)

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< 0,25

0,25 a 0,5

0,5 a 1,0

1,0 a 2,0

2,0 a 4,0

> 4,0

Fuente: Terzaghi y Peck, 1980 Tabla 4.4- Compresibilidad Vs. Cc y LL Índice de Compresión Límite Líquido Wl Cc Ligera a baja 0 a 0,19 0 a 30 Moderada a Media 0,20 a 0,29 31 a 50 Alta 40 >51 Fuente: Sowers y Sowers. Londres 1978. Compresibilidad

Tabla 4.5- PARÁMETROS TÍPICOS PARA SUELOS EN ESTADO NATURAL Nombre descriptivo

Porosidad n (%)

Rela. D vacíos e

PU Seco (gr/cm3)

PU Saturado

0.85

Hum de S. W sat% 32

Arena uniforme, floja Arena uniforme, densa Arena gradada, floja Arena gradada, densa Arcilla glacial balda Arcilla glacial dura Arcilla blanda algo orgánica Arcilla blanda muy orgánica Arcilla blanda montmorillonítica

46

1.43

1.89

34

0.51

19

1.75

2.09

40

0.67

25

1.59

1.99

30

0.43

16

1.86

2.16

55

1.2

45

1.22

1.77

37

0.6

22

1.70

2.07

66

1.9

70

0.93

1.58

75

3.0

110

0.68

1.43

84

5.2

194

0.43

1.27

Gabriel Márquez Cárdenas, 1987.

Mineral Cuarzo Caolinita Illita Montmorillonita

Tabla 4.6- DENSIDAD DE SÓLIDOS, EN MINERALES Gs Mineral Gs Mineral 2.65 Haloisita 2.0-2.55 Moscobita 2.6 Feld. Potásico 2.57 Hornblenda 2.8 Clorita 2.6-2.76 Limonita 2.65-2.80 Biotita 2.8-3.2 Olivino Fuente: Braja M. Das. 2001

Gs 2.75-3.1 3.0-3.47 3.6-4.0 3.27-3.37

Tabla 4.7- GRADOS DE SATURACIÓN EN SUELOS Denominación Grado de saturación (%) Seco 0 - 25

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Húmedo Muy húmedo Altamebnte saturado Saturado

25 - 50 50 - 80 80 - 95 95 - 100 Alberto J. Martínez Vargas, 1990

EJERCICIOS

Ejercicio 4.1. Calcular los siguientes valores de la plasticidad de los suelos FECHA: PROYECTO:

S ONDEO N°: MUES TRA N°:

LOCALIZACIÓN:

PROFUNDIDAD: Suelo arcillosos de color gris con vetas de color habano

DES CRIPCIÓN:

LIMITE DE ATTERBERG Determinación Nº Número de golpes Recipiente Nº Recipiente+ Suelo húmedo (gr) Recipiente+ Suelo seco (gr)

139,2 74,5 64,7

DE

1

LÍMITE PLÁS TICO

1 31 46 29,62

2 21 23 27,32

3 12 17 25,55

1

2

8 20,60

1 19,75

17,13 12,49 8,02 9,11 137,10

15,63 11,69 7,31 8,32 140,50

14,55 11,00 6,90 7,65 143,79

14,53 6,07 6,43 8,10 74,94

13,90 5,85 6,00 7,90 74,05

3

CURVA DE FLUIDEZ

Humedad (%)

LÍMITE PLÁS TICO ÍNDICE PLÁS TICO

1

LÍMITE LÍQUIDO

Peso del agua (gr) Peso recipiente (gr) Peso suelo seco (gr) Humedad (%) LÍMITE LÍQUIDO

HOJA:

3 5 7,5 m

143,0

y = -0,3518x + 147,97

141,0 139,0

137,0 10

20

40

Número de golpes

FECHA: PROYECTO:

S ONDEO N°: MUES TRA N°:

LOCALIZACIÓN:

PROFUNDIDAD: Suelo de color pardo oscuro arenoso con orgánico

LIMITE DE ATTERBERG Determinación Nº Número de golpes Recipiente Nº Recipiente+ Suelo húmedo (gr) Recipiente+ Suelo seco (gr) Peso del agua (gr) Peso recipiente (gr) Peso suelo seco (gr) Humedad (%) LÍMITE LÍQUIDO LÍMITE PLÁS TICO ÍNDICE PLÁS TICO

HOJA:

1

DE

LÍMITE LÍQUIDO 2 20 31 19,75

3 13 18 18,10

1

2

11 17,31

1 16,90

18,26 3,74 9,75 8,51 43,95

16,10 3,65 8,10 8,00 45,63

14,66 3,44 7,33 7,33 46,93

14,77 2,54 6,20 8,57 29,64

14,51 2,39 6,48 8,03 29,76

45,1 29,7 15,4

1

LÍMITE PLÁS TICO

1 34 26 22,00

3

CURVA DE FLUIDEZ

Humedad (%)

DES CRIPCIÓN:

1 1 1,5 m

47,5 47,0 46,5 46,0 45,5 45,0 44,5 44,0 43,5

y = -0,1388x + 48,602

10

20

40

Número de golpes

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U.N. de Colombia

Geomecánica FECHA: PROYECTO: LOCALIZACIÓN: Limo arcilloso de color gris pardo con partículas meteorizadas

LIMITE DE ATTERBERG Determinación Nº Número de golpes Recipiente Nº Recipiente+ Suelo húmedo (gr) Recipiente+ Suelo seco (gr) Peso del agua (gr) Peso recipiente (gr) Peso suelo seco (gr) Humedad (%) LÍMITE LÍQUIDO LÍMITE PLÁS TICO ÍNDICE PLÁS TICO

43,3 25,8 17,6

HOJA:

1 4 6,0 m 4

LÍMITE LÍQUIDO 1 39 20 24,42 20,19 4,23 9,91 10,28 41,15

2 24 6 21,90 17,59 4,31 7,60 9,99 43,14

DE

16

LÍMITE PLÁS TICO 3 15 17 22,00 17,77 4,23 8,40 9,37 45,14

1

2

31 19,75 17,15 2,60 7,10 10,05 25,87

16 18,80 16,27 2,53 6,40 9,87 25,63

3

CURVA DE FLUIDEZ Humedad (%)

DES CRIPCIÓN:

S ONDEO N°: MUES TRA N°: PROFUNDIDAD:

46,0 45,0 44,0

43,0 42,0 y = -0,1631x + 47,385

41,0 40,0 10

20

40

Número de golpes

FECHA: PROYECTO:

S ONDEO N°: MUES TRA N°:

LOCALIZACIÓN:

PROFUNDIDAD: Suelo limo arcilloso de color amarillo con vetas de color blanco

LIMITE DE ATTERBERG Determinación Nº Número de golpes Recipiente Nº Recipiente+ Suelo húmedo (gr) Recipiente+ Suelo seco (gr) Peso del agua (gr) Peso recipiente (gr) Peso suelo seco (gr) Humedad (%) LÍMITE LÍQUIDO LÍMITE PLÁS TICO ÍNDICE PLÁS TICO

120,6 68,3 52,3

HOJA:

1

DE

LÍMITE LÍQUIDO

1

LÍMITE PLÁS TICO

1 38 43 32,25

2 21 21 31,09

3 12 9 29,92

1

2

8 23,02

17 21,01

21,03 11,22 11,00 10,03 111,86

19,16 11,93 9,60 9,56 124,79

17,46 12,46 7,71 9,75 127,79

16,37 6,65 6,60 9,77 68,07

15,73 5,28 8,03 7,70 68,57

3

CURVA FLUJO

Humedad (%)

DES CRIPCIÓN:

12 6 7,8 m

130,0 125,0 120,0 115,0

y = -0,6319x + 136,44

110,0 10

20

40

Número de golpes

Ejercicio 4.2. Calcular los siguientes valores de plasticidad de las muestras de suelo y hacer la clasificación.

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sondeo No

Muestra No

Profundidad m

Wn (%)

Wl (%)

Wp (%)

Ip

P200

1 1 1 1 1 1 2 3 5 5 5 5 5 6 6 8 8 9

1 2 3 4 5 6 1 3 1 2 3 4 5 3 4 3 4 3

0,5 1,5 3,0 4,0 4,0 6,7 0,2 1,8 1,5 3,0 4,0 6,0 7,0 4,0 6,2 4,0 5,5 4,0

34,6 34,0 52,8 38,2 29,7 32,3 37,0 47,6 36,7 96,1 52,6 59,0 30,1 46,7 47,9 51,7 42,9 41,7

54,1 44,9 54,0 54,9 43,0 39,6 58,8 67,9 42,8 132,7 61,8 69,7 39,7 59,6 68,5 64,1 54,1 55,8

31,5 29,7 37,4 33,1 25,7 25,0 32,1 38,6 32,7 69,7 37,9 38,8 29,0 36,9 41,2 40,1 34,8 33,6

22,6 15,2 16,6 21,8 17,3 14,6 26,7 29,3 10,1 63,0 23,9 30,9 10,7 22,7 27,3 24,0 19,3 22,2

85,0 60,6 69,9 88,8 75,9 85,5 75,8 85,3 39,8 89,1 71,9 91,9 81,1 78,6 83,4 68,8 80,9 63,3

Wn

Humedad natural

Wl

Límite líquido

Wp

Límite plástico

Ip

Índice de plasticidad

P200 SUCS

SUCS

Fracción pasa tamiz No 200 Sistema Unificado de Calsificación de suelos

SONDEO No 1 1 1 1 3 4 5 6 7 7 8 9 9 10 14 14* 16 16 17 18 19 20 20 24 25 25 26 26

MUESTRA PROFUNDIDAD No (m) 1 2 3 4 2 3 3 2 2 3 3 2 3 2 1 2 2 3 2 2 1 2 3 2 2 3 2 3

6,0 8,0 12,0 14,0 18,0 17,0 17,5 13,0 15,0 16,5 15,5 14,0 15,0 11,0 6,1 3,5 4,0 8,0 6,5 4,5 5,0 10,0 12,0 9,5 8,5 11,0 9,0 12,0

LL%

LP%

IP%

PT200 (%)

60 105,7 67,4 60,0 71,2 52,2 165,8 140,1 149,2 58,0 52,7 93,6 57,3 68,9 90,4 82,9 110,9 80,0 50,1 50,1 87,6 88,5 79,3 69,8 102,1 51,0 142,4 83,5

44,9 75,8 47,3 44,9 58,5 41,7 127,2 103,6 106,0 47,9 42,9 71,8 43,2 50,0 63,3 59,9 79,3 56,8 40,7 33,3 62,5 63,2 47 43,2 84,2 29,2 118,9 49,7

15,1 29,8 20,1 15,1 12,7 10,5 38,6 36,5 43,2 10,2 9,9 21,8 14,2 19,0 27,1 23,0 31,6 23,2 9,3 16,7 25,0 25,2 32,4 26,6 17,9 21,8 23,6 33,9

56,4 70,6 60,4 56,4 70,4 63,7 90,3 70,2 58,2 78,2 57,9 74,9 58,3 63,8 54,9 69,5 82,2 55,2 55,6 71,6 82,3 64,7 70,1 70,5 57,8 59,9 55,1 84,1

SUCS

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DOCUMENTOS DE COMPLEMENTO ON LINE:

Ciclo geológico) – PDF (Capítulo 1: Manual de geología para ingenieros. Duque Escobar, Gonzalo (2003) Universidad Nacional de Colombia, Manizales.

Materia y energía) – PDF (Capítulo 2: Manual de geología para ingenieros. Duque Escobar, Gonzalo (2003) Universidad Nacional de Colombia, Manizales.

Tierra sólida y fluida) - PDF (Capítulo 4: Manual de geología para ingenieros. Duque Escobar, Gonzalo (2003) Universidad Nacional de Colombia, Manizales.

Minerales) – PDF (Capítulo 5: Manual de geología para ingenieros. Duque Escobar, Gonzalo (2003) Universidad Nacional de Colombia, Manizales.

Intemperismo o meteorización) - PDF (Capítulo 8: Manual de geología para ingenieros. Duque Escobar, Gonzalo (2003) Universidad Nacional de Colombia, Manizales.

Tiempo geológico) – PDF (Capítulo 10: Manual de geología para ingenieros. Duque Escobar, Gonzalo (2003) Universidad Nacional de Colombia, Manizales.

Geología estructural) – PDF (Capítulo 11: Manual de geología para ingenieros. Duque Escobar, Gonzalo (2003) Universidad Nacional de Colombia, Manizales.

Macizo rocoso) – PDF (Capítulo 12: Manual de geología para ingenieros. Duque Escobar, Gonzalo (2003) Universidad Nacional de Colombia, Manizales.

Montañas y teorías orogénicas) – PDF (Capítulo 14: Manual de geología para ingenieros. Duque Escobar, Gonzalo (2003) Universidad Nacional de Colombia, Manizales.

Movimientos masales) PDF (Capítulo 16: Manual de geología para ingenieros. Duque Escobar, Gonzalo (2003) Universidad Nacional de Colombia, Manizales.

Aguas superficiales) – PDF (Capítulo 17: Manual de geología para ingenieros. Duque Escobar, Gonzalo (2003) Universidad Nacional de Colombia, Manizales.

Aguas subterráneas) – PDF (Capítulo 18: Manual de geología para ingenieros. Duque Escobar, Gonzalo (2003) Universidad Nacional de Colombia, Manizales.

Geomorfología) – PDF (Capítulo 20 : Manual de geología para ingenieros. Duque Escobar, Gonzalo (2003) Universidad Nacional de Colombia, Manizales.

Consistencia del Suelo – Límites de Atterberg – Índices. Blog de Santiago Osorio R. Guía de Laboratorio para obtener los Límites de Atterberg. Fuente: trabsuelos.blogspot.com Introducción a algunas propiedades fundamentales de los suelos. Ing. Julio Roberto Nadeo U.T.N. e Ing. Julio Roberto Nadeo U.N.L.P. Argentina. See more at:

Manual de geología para ingenieros. Duque Escobar, Gonzalo (2003) Universidad Nacional de Colombia, Manizales.

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LECTURA 4: EL CUIDADO DE LA CASA COMÚN: AGUA Y CLIMA .

Imagen 1: Parque Nacional Natural Los Nevados, en Colombia.com Presentación La Encíclica Laudato Si´ al ocuparse de las problemáticas del calentamiento global con sus eventos climáticos extremos y de la crisis del agua, nos invita a reflexionar sobre las consecuencias ambientales de un modelo de desarrollo deshumanizado, soportado en el consumo que. al instrumentalizar la naturaleza para explotarla y favorecer la ocupación conflictiva del territorio, avanza sobre los ecosistemas estratégicos atentando contra la vida y generando graves consecuencias sociales, ambientales y económicas. Veamos el caso de Colombia donde urgen la presencia del Estado y el compromiso de la sociedad para desarrollar acciones estructurales soportadas en políticas públicas y de ordenamiento territorial, y en estrategias de participación social, de educación y de apoyo sectorial para avanzar en la solución de los grandes conflictos ambientales del país. Introducción

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Imagen 1: Áreas hidrográficas de Colombia. ENA Colombia), en: www.ingenieria.bogota.unal.edu.co Con precipitaciones anuales promedio de 1.800 mm y unas 720 mil cuencas hidrográficas, Colombia alcanza una oferta de 7.859 kilómetros cúbicos de agua superficial y subterránea, de los cuales el 25% son las aguas de las escorrentías anuales. Pero a pesar de dicha abundancia, cada año deforestamos 300 mil hectáreas, lo que significa destruir una fuente de agua, y estamos vertiendo 200 toneladas de mercurio a nuestros ríos y quebradas. A este panorama se añade que, como consecuencia del calentamiento global, mientras en los años secos nuestra oferta hídrica ya se ha reducido el 38%, en las épocas invernales de La Niña sufrimos las consecuencias de graves inundaciones que dejan cerca de 2 millones de damnificados por temporada. Las cuencas hidrogeológicas más utilizadas en el país son las ubicadas en el Valle del Cauca, Valle Medio y Superior del Magdalena, y Cordillera Oriental. Siguen en importancia por su uso, las del Golfo de Urabá, Golfo de Morrosquillo y departamentos de Bolívar, Magdalena, Cesar y la Guajira. Dinámicas del Clima andino

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Imagen 2: dinámica anual de la ZCIT, en: www.fondear.org Sabemos que en la región andina de Colombia, el clima es bimodal: cada año tenemos dos temporadas secas que parten desde los equinoccios (junio 21 y diciembre 22), y dos húmedas a partir de los solsticios (marzo 21 y septiembre 22). El fenómeno meteorológico del ENSO conocido como El Niño y La Niña, se explica por anomalías de temperatura en el Océano Pacífico, que se constituyen en freno para el desplazamiento natural y regular de la Zona de Confluencia Intertropical ZCIT, esa franja de bajas presiones en la zona Ecuatorial que con su dinámica explica el clima bimodal colombiano. En los períodos de El Niño, las temporadas de invierno y verano del año son más secas para la zona andina colombiana, y más frecuentes e intensos los huracanes del Caribe. Durante La Niña, ocurre lo contrario: temporadas más húmedas a lo largo del año, con menos tormentas tropicales. Aunque el desarrollo del ENSO es de carácter cíclico y comportamiento errático, a largo plazo la fuerza de este fenómeno puede cambiar como consecuencia del calentamiento global, generando eventos climáticos extremos como inundaciones o sequías en diferentes regiones del planeta. Mientras para Colombia el fenómeno El Niño se manifiesta con un déficit de lluvias, en Perú y Bolivia lo hace con lluvias torrenciales. Eventos climáticos extremos

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Imagen 3: Eventos de anomalía observados en intervalos anuales en la temperatura oceánica. Según NOAA. Astrónomos y geofísicos soportados en correlaciones, pueden afirmar que cuando el Sol está tranquilo la Tierra permanece fría, aunque no sabemos el porqué de los cambios de la actividad del Sol. Hubo una “pequeña glaciación” asociada a un periodo frío ocurrido entre 1550 y 1850, en el que se presentaron tres picos fríos (1650, 1770 y 1850); dicha pequeña edad del hielo acompañada de lluvias, coincidió con un período de baja actividad en las manchas solares. Para entonces, la superficie de los glaciares del PNNN que hoy apenas supera 10 kilómetros cuadrados alcanzó cerca de 100 kilómetros cuadrados Al observar las dos últimas Niñas 2007/8 y 2010/11, pese a su condición intrínseca similar y calificación de sus niveles como moderados, los efectos dejan ver una dinámica creciente del calentamiento global que anuncia consecuencias cada vez intensas, tal cual lo advertimos en la segunda Niña al observar la Sabana de Bogotá convertida en una “Venecia” y la lista de 30 municipios colombianos como Gramalote, que afectados por las olas invernales requieren reasentamiento, 20 de ellos fuera de su jurisdicción. Cambio climático: donde y cuanto

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Imagen 4: Pronóstico global de incremento de la temperatura para el cambio climático, en: apod.nasa.gov Al subir la temperatura del planeta este siglo, entre 1,8º y 4º C de acuerdo a las características que presenten diferentes zonas, como consecuencia de la fusión de los glaciares también se incrementará el nivel medio de los océanos entre 18 y 59 centímetros dependiendo de la gravimetría de cada lugar. Además de un incremento alto del nivel del mar en el Caribe, las cuantías del calentamiento esperadas para Colombia son del orden de +3º C en la Región Andina y de +4º C en nuestras regiones costeras y de la Orinoquia y la Amazonía; Cada variación en 1ºC en el régimen de temperatura media, altera la base climática de los ecosistemas en 170 metros de altitud. Para no exceder el límite de 2°C antes del 2050, a nivel mundial habrá que reducir: el 80% del carbón, la mitad del gas y un tercio del petróleo que se destina como combustible. Ahora, en razón al calentamiento global, sólo tenemos 40 años para explotar nuestro carbón, aprovechando que nuestras reservas estimadas en 7 mil millones de toneladas medidas, están constituidas por un mineral abundante y de calidad, que tendría uso preferencial en industrias de alto consumo energético: es un carbón duro, de alto poder calorífico y bajo contenido de azufre. Minería y deforestación

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Imagen 5: coberturas boscosas en Colombia: IDEAM, en: valorandonaturaleza.org El país tiene severos problemas de calidad en la mitad del patrimonio hídrico, dado el vertimiento de 9 mil toneladas de materia orgánica contaminante por año que llegan a los acuíferos y cuerpos de agua proveniente del sector agropecuario y residencial, a las que se suman otras sustancias como las 200 toneladas anuales de mercurio proveniente de la actividad minera. Colombia con una producción de 56 toneladas de oro por año, que con sus pretensiones legales ha venido amenazando los ecosistemas de paramo y donde el 80% proveniente de una minería ilegal emplea malas prácticas, por volumen producido ocupa el puesto decimocuarto a nivel mundial y el segundo en Sudamérica. Mientras que por superficie, la cobertura de bosques del país llega al 53.5% y la de humedales al 2,7%, cada año deforestamos cerca de 300 mil ha, 100 mil de ellas en la región Andina que con el 24% de la superficie continental y el 75% de la población, solamente posee el 13% de la oferta de agua superficial y subterránea del patrimonio hídrico de agua dulce del país. Según la Defensoría del Pueblo, en Colombia, de 1122 municipios 521 consumen agua sin tratamiento alguno, el 70% de ellos con riesgo para la salud y en el 21% sanitariamente inviable. Humedales

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Imagen 6: Rendimiento hídrico en Colombia, cuyas cuantías entre la alta Guajira (rojo) y bajo Atrato (azul), varían de 1 a 200 litros por segundo por kilómetro cuadrado. ENA Himat. http://sig.anla.gov.co Según el Instituto Alexander von Humboldt, en 20 millones de hectáreas equivalentes a cerca del 17% de nuestra superficie continental, tenemos 31.702 humedales, de los cuales el 48% están en nuestras Orinoquia y Amazonia. Pero cerca del 93% de estos ecosistemas, al estar amenazados por acciones antrópicas y por el cambio climático, requiere figuras de conservación. Al observar el mapa preliminar de humedales de Colombia, aunque por la escala no se visibilizan turberas y otros humedales de páramo y bosques andinos que regulan los caudales de las regiones más pobladas de Colombia y que contribuyen a las dinámicas del clima. Sobresalen por su extensión varios reservorios, como marismas y manglares en la costa del Pacífico desde el sur de Tribugá hasta el río Mira, y en especial sobre el delta del Patía donde aparece Tumaco; o ciénagas y madre viejas en corrientes de meandros, como las comprendidas entre el río Meta y el piedemonte de la Cordillera Oriental; o las rondas del río Guaviare y en parte del Vichada e Inírida; además de las vaguadas del Putumayo, Caquetá y Vaupés; y el valle del Atrato aguas abajo de Vigía del Fuerte, y en parte del San Juan; o en regiones como el Magdalena Medio y Bajo y el Bajo Cauca, donde a pesar de ecocidios agroindustriales, mineros, etc., sobresalen, además de la Ciénaga Grande de Santa Marta, La Mojana, la Depresión Momposina y el área del Sinú-San Jorge. Las cuentas del agua

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Imagen 7: Mapa de rocas permeables y porosas de Colombia. IGAC (2002), en: http://www.zonu.com/ Mientras en grandes regiones como Australia y EE.UU. el 60% del agua utilizada proviene del subsuelo, en Colombia, donde el 31% del agua dulce está contenida en acuíferos y la Ley ha tenido que legislar para proteger los páramos, hace falta garantizar el carácter patrimonial y de bien público del agua subterránea. Aunque en el país las cuencas hidrogeológicas con posibilidades de aprovechamiento abarcan el 74% del territorio, según el estudio “Zonas hidrogeológicas homogéneas de Colombia” del IDEAM (2005), mientras el 56% de dicha área corresponde a la Orinoquía, Amazonía y Costa Pacífica, y el 31,5% a la región Caribe e Insular, sólo el 12,5% está en la Región Andina, que es la más densamente poblada. La gran cuenca del Magdalena – Cauca (24% del área total del territorio) que es la que presenta la mayor afectación ambiental, con sólo el 10,6% de la oferta hídrica nacional, debe soportar el 70% del PIB y el 75% de la población. En 2008 la participación del agua en el PIB nacional fue del 10% (incluido un 2% por la hidroelectricidad), además los costos económicos de la contaminación hídrica ascendieron al 3,5% del PIB; y según el Banco Mundial el costo oculto de la mala calidad del agua y de los servicios de saneamiento, podría ascender al 1% del PIB. Agua y bosques en Caldas

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Imagen 8: Precipitación y Coberturas en Caldas. Fuente, Corpocaldas. Según Corpocaldas, de una extensión de 744 mil Ha, las coberturas verdes del departamento en 2010 eran: 163 mil Ha en bosques (22%), 265 mil Ha en cultivos (36%) y 300 mil Ha en pastos y rastrojos (40%), tres cuantías que cubren el 98% de su escarpado y deforestado territorio. Aún más: en la Ecorregión Cafetera. Mientras las superficies aptas para pastos y bosques son en su orden del 4% y 54%, según Alma Mater las coberturas actuales en dichos usos llegan al 49% y 19%, respectivamente. En cuanto al sistema subterráneo de Caldas, sobresalen las zonas de recarga de páramo y de la gran cobertura boscosa de la alta cordillera, o del extenso Valle del Magdalena y las regiones del Oriente caldense, donde la copiosa precipitación explica un recurso hídrico excedentario susceptible de aprovechamientos hidroenergéticos responsables. Igualmente, como acuíferos están: el gran acuífero del Magdalena, el valle del Risaralda y el sector de Santágueda. Mientras en el Oriente caldense el patrimonio hídrico es abundante, al norte de Irra resulta deficitario dado el carácter impermeable de las rocas, la baja precipitación, la inexistencia de acuíferos y el estado de deforestación de las cuencas. El patrimonio hídrico más comprometido del departamento, es el de la Cuenca del Río Chinchiná para el caso de la Subregión Centro-Sur; pero también a nivel municipal existen potenciales problemas asociados al riesgo para el suministro de agua en Marmato y Riosucio, Salamina, La Merced y Filadelfia.

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Dicha vulnerabilidad asociada al déficit severo de agua, igualmente amenaza a Quinchía, Marsella, Apía, Balboa y Cartago, de conformidad con la información de Alma Mater y el SIR. Epilogo

Imagen 9 y 10: La guadua, planta emblema de Caldas, en Villegas Editores; y Loro Multicolor, ave emblema de Caldas, en ornitologiacaldas.org Señala el Papa Francisco en su encíclica Laudato Si, que “El clima es un bien común, de todos y para todos…. La humanidad está llamada a tomar conciencia de la necesidad de realizar cambios de estilos de vida, de producción y de consumo, para combatir este calentamiento”. El Desarrollo de dichas políticas públicas ambientales, será fundamental para enfrentar la problemática del riesgo asociado al del cambio climático, y a la crisis del agua que se expresa en descontrol hídrico y pluviométrico, y en sequías y desabastecimiento de agua. En la ecorregión, se deberán emprender políticas públicas para darle coherencia a las acciones ambientales y sociales del PCC, incluyendo el tema del calentamiento global. Para corregir el uso conflictivo del suelo, y en particular para resolver la enorme problemática de la deforestación y potrerización, el sector agropecuario deberá implantar la agroforestería, y el ganadero emplear las practicas silvopastoriles. El Nuevo Ordenamiento Territorial en cada Plan de Desarrollo, deberá Implementar políticas de ciencia y tecnología imbricadas con la cultura, para resolver la brecha de productividad que sume en la pobreza a los medios rurales que en el caso de Caldas suma 270 mil habitantes. Dice la encíclica papal Laudato Si, que “El agua potable y limpia representa una cuestión de primera importancia, porque es indispensable para la vida humana y para sustentar los ecosistemas terrestres y acuáticos.” Habrá que hacer ajustes y trazar nuevos enfoques en las políticas públicas del país y en el ordenamiento territorial en materia de adaptación al cambio climático, dotándolas de una orientación socio-ambiental, y redefiniendo el verdadero carácter del agua, el suelo y la biodiversidad, erróneamente considerados un recurso y como tal un objeto de mercado, y no un patrimonio inalienable.

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De lo contrario, además de hacer inviable el territorio, en uno o dos siglos como máximo, en nombre de un modelo de desarrollo deshumanizado y centrado en el crecimiento económico, y por lo tanto en el consumo, en virtud de las falencias de un Estado débil y de una sociedad indolente y no previsiva, habremos agotado la biodiversidad del país. Gracias Ponencia para la Jornada Académica Laudato si¨: El cuidado de la casa común. Auditorio Santo Domingo de Guzmán, Universidad Católica de Manizales, 25 de Octubre de 2016. ENLACES U.N.

Agua como bien público. Amenaza para la Reserva de Río Blanco en Manizales. Aprendizajes en procesos participativos de reconversión productiva: cuenca del río San Francisco. Bosques, Cumbre del Clima y ENSO. Calentamiento global en Colombia. Colombia Intermodal: Hidrovías y Trenes. Colombia geoestratégica. Colombia, país de humedales amenazados. Colombia Tropical ¿y el agua qué?

El por qué de los aguaceros en La economía en la era del Colombia. conocimiento. El Río Cauca en el desarrollo de la región. El territorio como sujeto en el contexto del Magdalena Centro. El territorio de los Ansermas de la cultura Umbra.

Legalidad y sostenibilidad de la guadua en la ecorregión cafetera. Manizales, ¿ciudad del agua? Más espacio y oportunidades para el ciudadano.

El territorio del Gran Caldas, “La Tierra del Café”.

Noroccidente de Caldas: un territorio forjado en Oro, Panela y Café.

El territorio del río Grande de la Magdalena.

Muelle de Tribugá: ¿es posible el desarrollo sostenible?

El volcán y el desastre de Armero.

Paisaje y región en la Tierra del Café.

Elementos para la construcción de una visión del desarrollo de Caldas.

Planificación estratégica para la movilidad. Ríos urbanos para Manizales.

CTS, Economía y Territorio.

Geotecnia para el Trópico Andino.

Territorio y Región: Caldas en la Ecorregión Cafetera.

Eje Cafetero: cambio climático y vulnerabilidad territorial.

Gestión del riesgo natural y el caso de Colombia.

Vías lentas en el corazón del Paisaje Cultural Cafetero.

El fantasma de la imprevisión.

Institucionalidad en el Paisaje Cultural Cafetero.

El futuro de la ciudad: caso Manizales.

Vida y desarrollo para el territorio del Atrato.

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CAPÍTULO 5 CLASIFICACIÓN DE SUELOS. Resolver un problema de geotecnia supone conocer y determinar las propiedades del suelo. Por ejemplo: 1) Para determinar la velocidad de circulación del agua en un acuífero, se mide la permeabilidad del suelo, se utiliza la red de flujo y la ley de Darcy. 2) Para calcular los asentamientos de un edificio, se mide la compresibilidad del suelo, valor que se utiliza en las ecuaciones basadas en la teoría de la consolidación de Terzaghi. 3) Para calcular la estabilidad de un talud, se mide la resistencia al corte del suelo y este valor permite construir expresiones de equilibrio estático. En otros problemas como los vinculados con los pavimentos, no se dispone de expresiones racionales para lograr soluciones cuantificadas. Por esta razón se requiere una taxonomía de los suelos, en función de su comportamiento, y eso es lo que se denomina clasificación de suelos, desde la óptica geotécnica. Agrupar suelos por la semejanza en los comportamientos, correlacionar propiedades con los grupos de un sistema de clasificación, aunque sea un proceso empírico, permite resolver multitud de problemas sencillos. Eso ofrece la caracterización del suelo por la granulometría y la plasticidad. Sin embargo, el ingeniero debe ser precavido al utilizar esta ayuda valiosa, ya que las soluciones a problemas de flujos, asentamientos o estabilidad soportados sólo en la clasificación, puede llevar a resultados desastrosos. Las relaciones de fases constituyen una base esencial de la Mecánica de Suelos. El grado de compacidad relativa de una arena es seguro indicador del comportamiento de ese suelo. La curva granulométrica y los Límites de Atterberg, de gran utilidad, implican la alteración del suelo y los resultados no revelan el comportamiento del suelo inalterado o in situ. 5.1 Sistema Unificado de Clasificación de Suelos SUCS. Los suelos granulares o finos, según se distribuye el material que pasa el tamiz de 3’’ = 75 mm; el suelo es denominado “fino” cuando más del 50% pasa el Tamiz número 200 (T 200), como se observa en la curva C de la figura 3.9. Si no ocurre, el material es “granular” y será grava o arena. a. Los suelos granulares se designan con estos símbolos Prefijos G S

Grava Arena

W

bien gradado Limoso

M

El 50% o más es retenido en el T4. Es el caso de la curva A de la figura 3.9 Sí más del 50% pasa el T4. Es el caso de la curva B de la figura 3.9 P C

mal gradado Arcilloso

Depende del Cu y Cc. Ver 3.4 en granulometría Depende de WL y el IP. Ver línea A en la Carta de Plasticidad de SUCS

En donde: T: Tamiz

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Cu: Coeficiente de uniformidad Cc: Coeficiente de curvatura Si menos del 5% pasa el T200, el suelo es granular limpio y los sufijos son W o P, según los valores de Cu y Cc; si más del 12% pasa el T200, el suelo es granular contaminado con finos y los sufijos son M (limo), y o C (arcilla), dependiendo de WL e IP. Si el porcentaje de finos está entre el 5% y el 12%, el material granular está lo suficientemente contaminado con finos que tiene comportamiento entre lo granular y los finos, en este caso de utilizan sufijos dobles (clase intermedia), como ocurre para un suelo denominado GW-GC. b. Los suelos finos se designan con estos símbolos. Prefijos

Sufijos

M

Limo

C O

Arcilla Orgánic o

L

Baja plasticidad (WL < En la Carta de Plasticidad L y H 50%) están separados por la línea B. H Alta plasticidad (WL > 50%) Se debe reportar este suelo Suelos por debajo de la línea A

Esta clasificación está basada sólo en los límites de Atterberg para la fracción que pasa el T40, y se obtiene a partir de la llamada CARTA DE PLASTICIDAD así:

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CARTA DE PLASTICIDAD Índice de plasticidad (Ip)

70 60

Línea A : IP = 0,73(LL - 20)   Línea U : IP = 0,9(LL - 8)

50 40

Línea A

30

Línea B

20

Línea U

Sobre la línea A: arcillas inorgánicas. Debajo de la línea A: limos y arcillas orgánicas.

10

La línea B: LL = 50 separa H de L

0

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Límite líquido (LL)

Figura 5.1 A Carta de plasticidad

CARTA DE PLASTICIDAD 30

CH Índice de plasticidad (Ip)

NOTA: G = gravel; W = well; C = clay; P = poor; F = fair; M = mud; S = sand; L = low; H = high; O = organics; Pt = pest

20

CL Línea A

Línea B 10

Línea U

MH 0

0

10

20

CL-ML

30

40

ML

50

60

Límite líquido (LL)

Figura 5.1.B Detalle de clasificación en la zona de LL <60 y el IP <30

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U.N. de Colombia GRUPO GW GP GM GC SW SP SM SC ML CL OL MH CH OH Pt −

Geomecánica

NOMBRES TÍPICOS DEL MATERIAL Grava bien gradada, mezclas gravosas, poco o ningún fino. Grava mal gradada, mezclas grava – arena, poco o ningún fino. Grava limosa, mezclas grava, arena, limo. Grava arcillosa, mezclas gravo – arena arcillosas. Arena bien gradada. Arena mal gradada, arenas gravosas, poco o ningún fino. Arenas limosas, mezclas arena – limo. Arenas arcillosas, mezclas arena – arcilla. Limos inorgánicos y arenas muy finas, polvo de roca, limo arcilloso, poco plástico, arenas finas limosas, arenas finas arcillosas. Arcillas inorgánicas de plasticidad baja a media, arcillas gravosas, arcillas arenosas, arcillas limosas, arcillas magras (pulpa) Limos orgánicos, arcillas limosas orgánicas de baja plasticidad. Limos inorgánicos, suelos limosos o arenosos finos micáceos o diatomáceos (ambiente marino, naturaleza orgánica silíceo), suelos elásticos. Arcillas inorgánicas de alta plasticidad, arcillas gruesas. Arcillas orgánicas de plasticidad media a alta, limos orgánicos. Turba (carbón en formación) y otros suelos altamente orgánicos.

Tabla 5.1 Nombres típicos de los materiales.

Este sistema propuesto por Arturo Casagrande (1942) lo adopta el cuerpo de Ingenieros de EE.UU. en los aeropuertos y actualmente, es ampliamente utilizado en el mundo, al lado del sistema de la AASHTO o el de la ASTM, todos basados en los LIMITES Y LA GRANULOMETRÍA. −

5.1.1.1 Definición del Grupo SUCS, con la CARTA DE PLASTICIDAD

Se han definido, para gravas (G) y arenas (S), la situación W o P de acuerdo a dos coeficientes: Cu y Cc (Sección 3.4) ¿cuándo se dice que es GM, GC, SM o SC? (ver la carta de plasticidad de la figura 5.1A)

GM  Debajo de la línea A o IP  4 Sobre la línea A con GC  Sobre la línea A o IP  7  4  IP  7  doble símbolo   SM  Debajo de la línea A o IP  4 En la zona sombreada con  SC  Sobre la línea A o IP  7  4  IP  7  doble símbolo   Adicionalmente, como se señaló atrás (Sección 5.1) a) GW, GP, SW, SP exigen que MENOS del 5% del suelo pase el T200 b) GM, GC, SM, SC exigen que MAS del 12% del suelo pase el T200 c) Si el porcentaje de finos está entre 5% y 12%, se requiere doble símbolo.

96

U.N. de Colombia

++

+ ++

+ ++

GP GM GC SW SP SM SC

++ ++ ++ + ++ m m ++

+ ++ -++ ++ --

++ ++ + + ++ ++ ++ +

+ ++ + ++ ++ + ++ ++ + +

ML CL OL MH

m + m --

--

M M --

m m m ---

CH OH

---

---

---

-----

Permeabilidad

Resistencia al corte

APTITUDES SEGÚN USOS Mantos de presas, terraplenes, erosión de canales. Mantos de presas y erosión de canales. Cimentaciones con flujo de agua. Núcleos de presas, revestimientos de canales. Terraplenes y cimentación con poco flujo. Diques y terraplenes de suave talud. Cimentación con flujo, presas homogéneas. Revestimiento de canales, capas de pavimento Inaceptable en pavimentos, licuable. Revestimiento de canales, pero es erodable. No recomendable, máximo si hay agua. Inaceptable en cimentaciones o bases (hinchable) Inaceptable en cimentación (hinchable) Inaceptable en cimentaciones o terraplenes.

Compresibilidad

+ ++

Facilidad de tratamiento en obra

VALORACIÓN ATRIBUTOS

CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES

Grupo GW

Geomecánica

Sobresaliente Muy alto Alto Moderado Deficiente Bajo Muy bajo

+ ++ ++ + m ----

Tabla 5.2 Características y uso de los suelos (Grupo del SUCS) −

Ejercicio 5.1

Con base en las curvas de gradación de la Figura 3.8, en el ejercicio 3.1 y demás datos, clasificar esos mismos suelos. Suelo A: Suelo granular sin finos (67% de la fracción granular se retiene en el T4 = 4,75 mm); Cu = 50 y Cc = 2  GW Suelo B: Suelo granular sin finos (33% de la fracción granular se retiene en el T 4 = 4,75 mm); Cu = 2,4 y Cc =1,1  SP Suelo C: Suelo fino–granular (45% de este suelo se retiene en el T 200 = 0,075 mm). Se agregan como datos nuevos que: L = 40%; P = 18%; IP = 22%; como LL < 50; IP > 7 (Sección 5.1)  CL Suelo D: Suelo fino–granular (más de la mitad, 61%, pasó el T200). Se agrega que LL = 65 y que IP = 20, como LL > 50, la plasticidad es alta y como IP = 20, está bajo la línea A. De acuerdo a la CARTA, dos posibilidades MH u OH, para evaluar los datos de campo. Y esa evaluación  MH 5.2 Clasificación de la AASHTO. Este es el sistema del Departamento de Caminos de U.S.A., introducido en 1.929 y adoptado por la “American Association of State Highway Officials” entre otras. Es de uso especial para la construcción de vías, en especial para manejo de subrasantes y terraplenes.

97

U.N. de Colombia Clasificación General Grupos

10 40 200 Ca ra cterís tica de l a LL fra cci ón que pa s a l a ma l l a 40 LP Índice de grupo

Análisis por mallas. % que pasa la malla No

Tipo usual de materiales constituyentes

Geomecánica Materiales limosos y arcillosos más del 35% pasa la malla No 200

Materiales granulares 35% o menos pasan la malla 200 A-1-a

A-1 a-1-b

A-3

A-2-4

A-2 A-2-5 A-2-6

A-2-7

35 Max

35 Max

35 Max

40 Max

41 Min

40 Max

A-7 A-7-5 A-7-6

A-4

A-5

35 Max

36 Min

36 Min

36 Min

36 Min

36 Min

41 Min

40 Max

41 Min

40 Max

41 Min

41 Min

A-6

50 Max 30 Max

50 Max

51 Min

15Max

25 Max

10 Max

6 Max

6 Max

NP

10 Max

10Max

11 Min

11 Min

10 Max

10 Max

11 Min

11 Min

11 Min

0

0

0

0

4 Max

8 Max

4 Max

8 Max

12 Max

16 Max

20 Max

20 Max

Piedra Grava Arena Arena

Comportamiento general como subbase

Arena limosa o arcillosa, arena

Suelos limosos

Suelos arcillosos

ACEPTABLE A MALO

EXELENTE A BUENO

Nota: En la división A-7, cuando IP > 30, el grupo A-7-5. Si el IP < 30 el grupo es A-7-6

Tabla 5.3. Clasificación AASHTO

Los grupos de suelos son 7, subdivididos en otros más (para llegar a 12) a) Grueso granulares: 35% o menos pasa el T200 comprende A-1, si menos del 20% pasa el T200 y menos del 50% pasa el T40 A-2, si menos del 35% pasa el T200, (limoso o arcilloso). A-3, si menos del 10% pasa el T200 y 51% o más pasa el T40 b) Suelos fino granulares (grupo limo arcilla): más del 35% pasa el T-200 A-4 si IP  10 (limo) y LL  40% A-5 si IP  10 (limo) y LL  41% A-6 si IP  11 (arcilla) y LL  40% A-7 si IP  11 (arcilla) y LL  41% En consecuencia: A-1 = cascajo y arena; A-3 = arena fina; A-2 = cascajos y arenas limosas o arcillosas; A-4 y A-5 suelos limosos, y A-6 y A-7 suelos arcillosos

Terraplenes.

Sub bases.

Bases de pavimentos.

Capilaridad.

Cambio de volumen.

Elasticidad.

Permeabilida d

Grupo Suelos.

A-1 y A-3 son suelos excelentes y buenos, A-2 buenos y moderados, y A-6 y A-7 son suelos de moderados a pobres.

Valoración escala.

98

U.N. de Colombia

Geomecánica

A-1

++

---

--

-

++

++

++

A-2

-

++

+

m

-

M

+

A-3 A-4

+ -

+

-+-

+ -

+ -

+ +-

A-5

-

m

++

---

-

--

A-6 A-7

----

m

++ ++

++ + ++ + ++ ++

---

---

--

+ Sobresali + ente. + + Muy alto. + + Alto. m Moderad o. - Deficient e. -Bajo. --Muy bajo.

Tabla 5.4 Características de suelos –según la AASHTO– Ejercicio 5.2 Calcular el LL y Fi si se da el papel semilogarítmico de laboratorio, y el número de golpes para 4 contenidos de humedad, en el ensayo con la Cazuela de Casagrande (Figura 4.1)

LIMITE DE ATTERBERG Determinación Nº Número de golpes Humedad (%) LÍMITE LÍQUIDO

1 34 31,1

LÍMITE LÍQUIDO 2 3 27 22 33,1 34,2

1 17 37,1

33,9

CURVA DE FLUJO ) % ( d ad e m u H

i = 31,1%, 33,1%, 34,2%, 37,1% Ni = 34, 27, 22, 17 golpes

38,0 37,0 36,0 35,0 34,0 33,0 y = -0,3373x + 42,309

32,0

R/ Por interpolación, la humedad para N = 25 golpes, da LL = 33,7%.

31,0 10

Número de golpes

20

40

El Fi: Como el gráfico semilogarítmico de N contra , da una línea recta, llamada LINEA DE FLUIDEZ, su pendiente, denominada ÍNDICE DE FLUJO Fi, está dada por:

Fi =

(

j

− i )

N  log  j  N i  

.

Fi =

(31.1 − 37.1)

(

log 34

17

)

R/ El índice de flujo, del suelo anterior, es Fi = -19,93

−

Ejercicio 5.3

Clasifique los siguientes suelos, en el sistema SUCS.

99

U.N. de Colombia T200 T4 Cu Cc

L = en los  P =  finos Observación adicional R/

Geomecánica

Retenido 20% Pasa: 9,2% 4 1,5

Pasa: 30% Retenido: 10% 4 2

Pasa: 8% Retenido: 2% 8 2

Retenido: 20% Pasa: 92%

Pasa: 8% Pasa: 60%

4 1,5

7 5

250% 100%

40% 25%

45% 31%

250% 150%

60% 40%

Buen contenido de materia orgánica OH

Contenido Pasa el 4 y Pasa el 4 y despreciable de retiene el 200 retiene el 200 materia 60% 90% orgánica SC SW – SM MH

IP = 20 SP – SM

Nota: en este ejercicio, es fundamental utilizar la Carta de Plasticidad en los suelos finos y los criterios de gradación en suelos grueso-granulares – máximo si hay suelos de FRONTERA −

Ejercicio 5.4

Suel o T4 T10

A

B

Suelo A

B

C

---- ---- 69,3 65,8 79,5 59,1

T100 T200

19,8 5,1

T20

----

48,3

L

T40

36,1 69,0 38,5

P

T60

----

IP

---54,3 53,5 % 31,6 % 21,9

----

----

C

28,4

---21,9 34,1 % 16,5 % 17,6

(NO PROCEDE) (NO PROCEDE) (NO PROCEDE)



% más fino que

Clasifique los siguientes suelos, según AASHTO y SUCS.

A: Arcilla arenosa y limosa, parda clara B: Arcilla limosa, trazos de grava; parda oscura C: Arena muy gravosa, gruesa parda media (no plástico) Solución: I según la AASHTO (Sección 5.2) −

Suelo A: IP = 17,6 > 10. Además 21,9% pasa T200  A-2

−

Suelo B: IP = 21,9 > 10. Además 54,3% pasa T200  A-7

−

Suelo C: Es grueso granular y sólo 38,5% pasa T40  A-1

Solución II Según la SUCS (Figura 5.1, Sección 5.1.1.1) −

Suelo A: Menos del 50% pasa el T200 y más del 50% pasa el T4: Será SM o SC, porque más del 5% pasa el T200. De acuerdo a la CARTA DE PLASTICIDAD y la descripción es CL; en consecuencia, no pudiendo ser limo, es  SC.

−

Suelo B: Es fino granular, pues más del 50% pasa el T200. Como LL > 50% es MH, OH o CH (ver CARTA DE PLASTICIDAD). Por la dificultad de leer exactamente su localización, f(IP, LL) el cálculo es IP = 0,73(53,5 – 20) = 24,4 > 21,9, quedando el suelo por debajo de la línea A. Por la descripción es  MH.

100

U.N. de Colombia −

Geomecánica

Suelo C: Asumamos 5,1%  5%. Haciendo la curva granulométrica Cu = 23,3; Cc = 0,5 (mal gradado). Entre T4 y T200, 62,4% (restar) del material se retiene y su denominación es arena; entonces  SP

Ejercicio 5.5 Clasificar los siguientes suelos. RESUMEN ENSAYO DE CLASIFICACIÓN DE SUELOS Sondeo No Muestra No Profundidad (m) 1m 1m 3m

1B 3B 2B

Wn (%)

Wl (%)

Wp (%)

Ip

P200

28,7 50,4 37,3

31,7 52,2 40,0

27,9 -

3,8 NP NP

30,9 29,1 27,3

1,50 4,50 3,00

SUCS

RESUMEN ENSAYOS DE CLASIFICACIÓN DE SUELOS Sondeo No

Muestra No

Profundidad (m)

1m

1 Sh

3,0

1m 2m

3 Sh 2 Sh

3m 5m

2 Sh 1 Sh

6,0 6,0

Wn (%) 44,9 46,6 46,1

Wl (%) 64,5 65,4 67,7

Wp (%) 47,3 36,8 36,6

Ip 17,2 28,6 31,1

P200 81,6 72,8 79,7

6,0 1,0

44,9 32,1

52,4 49,5

46,7 34,0

5,7 15,5

64,3 43,4

SUCS

RESUMEN ENSAYO DE CLASIFICACIÓN DE SUELOS Sondeo No

Muestra No

Profundidad (m)

Wn (%)

Wl (%)

Wp (%)

Ip (%)

P4 (%)

P200 (%)

1M 1M 1M 1M 2M 2M 3M 3M 3M 4M 4M 4M 4M

2 SPT 4 SPT 5 SPT 7 Lv 1 SPT 7 Lv 2 SPT 3 Lv 6 Lv 1 SPT 3 SPT 6 SPT 7 Lv

2,0 4,0 5,0 8.0 - 10.0 1,0 4.5 - 6.0 2,0 2.2 -3.75 6.0 - 8.0 1,0 3,0 6,0 6.3 - 6.7

31,1 40,5 18,1 18,5 11,4 24,8 20,1 1,3 20,4 44,6 1,6 35,8 25,3

38,8 51,1 NL NL NL NL 40,6 NL 22,4 57,9 24,6 47,3 NL

35,5 43,9 35,7 47,9 26,2 37,1 -

3,2 7,3 NP NP NP NP 4,8 NP NP 10,0 -1,6 10,2 NP

94,1 97,0 90,9 93,9 71,3 100,0 87,1 98,4 99,1 100,0 81,1 84,8 84,4

26,2 33,4 12,0 3,9 17,9 2,4 17,9 1,1 31,3 31,6 23,3 28,2 26,5

SUCS

Ejercicio 5.6 Cálculos para la clasificación de suelos.

101

U.N. de Colombia

Geomecánica

Suelo de color pardo oscuro arenoso con orgánico

DES CRIPCIÓN:

LIMITE DE ATTERBERG Determinación Nº Número de golpes Recipiente Nº Recipiente+ Suelo húmedo (gr) Recipiente+ Suelo seco (gr) Peso del agua (gr) Peso recipiente (gr) Peso suelo seco (gr) Humedad (%) LÍMITE LÍQUIDO LÍMITE PLÁS TICO ÍNDICE PLÁS TICO

4 200 -200

1 34 26 22,00 18,26 3,74 9,75 8,51 43,95

2 20 31 19,75 16,10 3,65 8,10 8,00 45,63

39,4% 60,6%

39,4% 100,0%

Limo arcilloso de color gris pardo con partículas meteorizadas

LÍMITE LÍQUIDO LÍMITE PLÁS TICO ÍNDICE PLÁS TICO

100% 60,6%

27,0 84,9

48,0

2 24 6 21,90 17,59 4,31 7,60 9,99 43,14

24,1% 100,0%

y = -0,1388x + 48,602

20 Número de golpes

40

DE

16

DES CRIPCIÓN:

91,5% 8,5%

31 19,75 17,15 2,60 7,10 10,05 25,87

16 18,80 16,27 2,53 6,40 9,87 25,63

LÍMITE LÍQUIDO LÍMITE PLÁS TICO ÍNDICE PLÁS TICO

ÍNDICE DE GRUPO HUMEDAD NATURAL

GRADACIÓN Peso seco inicial:

29,7

CURVA DE FLUIDEZ

Tamiz

% peso

40,0 10

20 Número de golpes

40

4 200 -200

2

8 20,60 14,53 6,07 6,43 8,10 74,94

1 19,75 13,90 5,85 6,00 7,90 74,05

139,0 137,0

20 Número de golpes

HOJA:

2 21 21 31,09 19,16 11,93 9,60 9,56 124,79

40

12 6 7,8 m 1

DE

LÍMITE LÍQUIDO 1 38 43 32,25 21,03 11,22 11,00 10,03 111,86

124,3

141,0

10

Suelo limo arcilloso de color amarillo con vetas de color blanco

1

LÍMITE PLÁS TICO 3 12 9 29,92 17,46 12,46 7,71 9,75 127,79

120,6 68,3 52,3

1

2

8 23,02 16,37 6,65 6,60 9,77 68,07

17 21,01 15,73 5,28 8,03 7,70 68,57

3

CLAS IFICACIÓN DE LA MUES TRA U.S .C.S . MH A.A.S .H.O. GS ÍNDICE DE GRUPO HUMEDAD NATURAL

172,3 gr

91,4% 8,6%

3

y = -0,3518x + 147,97

143,0

S ONDEO N°: MUES TRA N°: PROFUNDIDAD:

Peso % Retenido % Retenido Retenido (gr) Acumulado

157,5 14,8

1

CURVA DE FLUIDEZ

100% 8,5%

% peso

44,0 y = -0,1631x + 47,385

1

ÍNDICE DE GRUPO HUMEDAD NATURAL

91,5% 100,0%

LIMITE DE ATTERBERG Determinación Nº Número de golpes Recipiente Nº Recipiente+ Suelo húmedo (gr) Recipiente+ Suelo seco (gr) Peso del agua (gr) Peso recipiente (gr) Peso suelo seco (gr) Humedad (%)

3

DE

CLAS IFICACIÓN DE LA MUES TRA U.S .C.S . MH A.A.S .H.O. GS

195,2 gr

178,6 16,6

CLAS IFICACIÓN DE LA MUES TRA U.S .C.S . CL A.A.S .H.O. GS

42,0

3 12 17 25,55 14,55 11,00 6,90 7,65 143,79

139,2 74,5 64,7

FECHA: PROYECTO: LOCALIZACIÓN:

2

46,0

2 21 23 27,32 15,63 11,69 7,31 8,32 140,50

Peso % Retenido % Retenido Retenido (gr) Acumulado

4 200 -200

42,0

1

% peso

100% 75,9%

LÍMITE LÍQUIDO LÍMITE PLÁS TICO ÍNDICE PLÁS TICO

Tamiz

1

LÍMITE PLÁS TICO

44,0

4

3 15 17 22,00 17,77 4,23 8,40 9,37 45,14

1 31 46 29,62 17,13 12,49 8,02 9,11 137,10

GRADACIÓN Peso seco inicial:

34,0

HOJA:

3 5 7,5 m

LÍMITE LÍQUIDO

46,0

LÍMITE PLÁS TICO

111,9 gr

24,1% 75,9%

LIMITE DE ATTERBERG Determinación Nº Número de golpes Recipiente Nº Recipiente+ Suelo húmedo (gr) Recipiente+ Suelo seco (gr) Peso del agua (gr) Peso recipiente (gr) Peso suelo seco (gr) Humedad (%)

3

1 4 6,0 m

HOJA:

Humedad (%)

4 200 -200

1 16,90 14,51 2,39 6,48 8,03 29,76

S ONDEO N°: MUES TRA N°: PROFUNDIDAD: Suelo arcillosos de color gris con vetas de color habano

DES CRIPCIÓN:

CURVA DE FLUIDEZ

10

GRADACIÓN Peso % Retenido % Retenido Retenido (gr) Acumulado

2

% peso

LÍMITE LÍQUIDO 1 39 20 24,42 20,19 4,23 9,91 10,28 41,15

1 11 17,31 14,77 2,54 6,20 8,57 29,64

ÍNDICE DE GRUPO HUMEDAD NATURAL

43,3 25,8 17,6

Peso seco inicial: Tamiz

3 13 18 18,10 14,66 3,44 7,33 7,33 46,93

S ONDEO N°: MUES TRA N°: PROFUNDIDAD:

LIMITE DE ATTERBERG Determinación Nº Número de golpes Recipiente Nº Recipiente+ Suelo húmedo (gr) Recipiente+ Suelo seco (gr) Peso del agua (gr) Peso recipiente (gr) Peso suelo seco (gr) Humedad (%)

1

LÍMITE PLÁS TICO

183,3 gr

Peso % Retenido % Retenido Retenido (gr) Acumulado

72,3 111,0

DE

FECHA: PROYECTO: LOCALIZACIÓN:

CLAS IFICACIÓN DE LA MUES TRA U.S .C.S . ML A.A.S .H.O. GS

FECHA: PROYECTO: LOCALIZACIÓN: DES CRIPCIÓN:

1

Humedad (%)

Tamiz

HOJA:

LÍMITE LÍQUIDO

45,1 29,7 15,4

GRADACIÓN Peso seco inicial:

1 1 1,5 m

Humedad (%)

S ONDEO N°: MUES TRA N°: PROFUNDIDAD:

91,4% 100,0%

100% 8,6%

Humedad (%)

FECHA: PROYECTO: LOCALIZACIÓN:

105,8

CURVA DE FLUIDEZ

130,0

125,0 120,0

115,0

y = -0,6319x + 136,44

110,0

10

20 Número de golpes

40

MANUAL DE GEOLOGÍA PARA INGENIEROS. Duque Escobar, Gonzalo. Universidad Nacional de Colombia (2020). See more at: https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/3145

102

U.N. de Colombia

Geomecánica

LECTURA 5: CRISIS Y OPCIONES EN EL RÍO GRANDE DE COLOMBIA

Imagen: Cuenca del Magdalena: Gran Cuenca en ars-elscdn.com, y Cambios de cobertura 1970-1990, y Deforestación 1980-2010. Juan Darío Restrepo y James P. M. Syvitski (2006) y H.A. Escobar (2018)

Por: Gonzalo Duque-Escobar* El río Magdalena, también llamado río Grande es Colombia, y su puerta de entrada es Barranquilla. La suerte de este río de la patria cuya extensión es de 1613 Km, navegable 990 Km desde su desembocadura en el mar Caribe hasta el Salto de Honda y 400 km más desde allí hasta el departamento del Huila, está comprometida: su manejo y control depende de su apropiación con un enfoque biocéntrico para que prime el respeto de sus derechos bioculturales. La gran cuenca Magdalena-Cauca, con una extensión de unos 250 mil km cuadrados, equivalentes al 24 % del territorio continental del país, baña 11 departamentos de Colombia: Magdalena, Atlántico, Bolívar, Cesar, Antioquia, Santander, Boyacá, Cundinamarca, Caldas, Tolima, y Huila, en los cuales vive el 80 % de la población colombiana y se produce el 85 % del PIB nacional y el 90% de la hidroelectricidad; súmense a los anteriores departamentos, Cesar, Bolívar y Sucre bañados por el río San Jorge, y Quindío por el río La Vieja. Si para la carga hasta 1930 el vapor fue el principal medio de transporte, en 1940 el modo carretero responde por el 40% contra 30% del ferroviario y 30% del fluvial, y en 2000 el modo terrestre sube a 65%, contra el 30% del ferroviario y 5% del fluvial. En la gran cuenca, la corriente principal la conforman el Río Magdalena (1,613 km), el Canal del Dique (114 km) y el curso bajo del Río Cauca (187 km). Pero para valorar el

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daño, basta señalar que, de 1990 a la fecha, la pesca del Magdalena se ha reducido de 80 mil a 7 mil toneladas anuales. El caudal en la desembocadura, que en promedio es de 7.200 m3 por segundo, varía desde 10.287 m3/s en invierno a 4.068 m3/s en verano. Asumiendo desafíos

Imagen: Evolución del delta del Magdalena (www.researchgate.net), y Canal del Dique (ANI-El Herraldo). La deforestación y pérdida de complejos de humedales, como causas que explican el desbordamiento del río reclamando el espacio perdido, sumada a la contaminación por aguas vertidas y no tratadas desde centros urbanos, y por 1200 minas de aluvión que usan mercurio, además de las actividades agroindustriales con su huella hídrica verde, son tres fenómenos que por su impacto sin medida sobre las poblaciones rivereñas y pérdida de ecosistemas ícticos en la cuenca del Río Grande y el Caribe, obligan a preguntarnos qué proyectos de magnitud existen en Colombia que velen radicalmente por la protección del medio ambiente y la preservación de sus ecosistemas más estratégicos. La fauna y flora, al igual que poblados que ayer eran puertos y hábitat de comunidades de pescadores de la cuenca Magdalena–Cauca y que han debido abandonar su oficios, han visto las consecuencias del desarrollo industrial en Colombia surgido a principios del siglo XX, afectando el ambiente a lo largo del Río Grande, que transitando por biomas de regiones diversas y distantes, y que pese a estar beneficiado por un clima bimodal, padece problemas de regulación hídrica y climática, calidad del agua y pervivencia de los ecosistemas.

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Aún más: el cambio climático y uso conflictivo del suelo en la Región Andina, además de plantear amenazas importantes para la biodiversidad, afectando la distribución de especies a diferentes escalas en un escenario complejo con ecosistemas fragmentados, son hechos que invitan a incluir rasgos espaciales diferenciados que propicien una necesaria evaluación adecuada para la identificación temprana de los escenarios de riesgo, con sus dinámicas espacio-temporales, y de los factores específicos que inciden en la amenaza para los ecosistemas amenazados y vulnerables, como para los pobladores ribereños expuestos a sequías e inundaciones en el territorio de la macrocuenca. El territorio

Portada: Rio Magdalena: Corriente trenzada. Chucuri (2013) Black Drone in: https://www.shutterstock.com/ Ahora que estamos advirtiendo una gestión relevante del Ministerio Público en casos ambientales emblemáticos como el Río Grande de La Magdalena, debemos subrayar que la Procuraduría, ente creado hace 90 años, por primera vez en Colombia ha mirado a lo largo y ancho del país cada territorio como una construcción social e histórica, y por lo tanto, como un constructo cultural, tal cual lo ha hecho la Corte Constitucional al haber reconocido como un sujeto de derechos bioculturales al río Atrato mediante Sentencia T622 de 2016 y a la Amazonía en Sentencia STC3460 de 2018. Pero si en la cuenca se han perdido tres cuartas partes de los bosques de niebla, cuya extensión llegó a 9,7 millones de hectáreas, la deforestación no para: pese a que actualmente sólo resta menos del 10% de los bosques que existieron inicialmente, al 2013 en la Región Andina se deforestaron 25 mil hectáreas equivalentes al 16% de la deforestación del país. Todo esto se traduce en una erosión que explica una carga de sedimentos de 150 millones de toneladas año en el Magdalena, asociada a una tasa de 690 ton/km2/año1 superior a las tasas del Amazonas (167 ton/km2/año1) y Orinoco (158 ton/km2/año1) según Juan Darío Restrepo (2005), lo que se expresa en grandes impactos socioambientales y económicos para el Caribe: además del daño causado en el sistema de ciénagas de la Depresión Momposina propiciando inundaciones en el Atlántico y daños en el Canal del Dique, causando la muerte de corales en los arrecifes de Islas del Rosario, de los que sólo queda el 20%. La característica contrastante a lo largo de los tramos distales del Magdalena, son sus cuerpos de agua casi permanentes en llanuras aluviales, donde la sedimentación puede estar en la forma de sedimentación léntica difusa (aguas estancadas), deltas de llanuras aluviales y canales desarrollados por extensión de diques subacuáticos. No obstante, las intervenciones

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El canal del Dique, bifurcación artificial de 115 km de larga y 100 m de ancha construida en el siglo XVI para conectar Cartagena de Indias con Calamar, en el que las obras e intervenciones acometidas desde 1571 hasta 1984 cuando se reducen de 93 a 50 las curvas, amplía el fondo de 45 a 65 m y profundiza a 2,50 m, no han cesado, e incrementando el caudal medio de 350 m3*s a 540 m3/s, con grave impacto ambiental. Los dragados de rectificación y ampliación, como el realizado entre 1980 y 1984 reduciendo el efecto amortiguador de crecientes de las ciénagas, incrementó los aportes de sedimentos y agua dulce hacia las bahías de Cartagena y Barbacoas, incrementando la afectación a los corales de las islas del Rosario. Según Restrepo y Correa (2014), el Canal del Dique deposita en la Bahía de Cartagena cerca de 3 millones de toneladas por año. Si actualmente el gobierno de Colombia realiza mantenimientos preventivos para evitar un rompimiento del dique, como el del año 2010 que originó la mayor inundación en el sur del Atlántico, habrá que recordar que aunque se hayan señalado posibles factores detonantes y contribuyentes de las rupturas del Canal a su paso por Santa Lucía, las crecientes como fenómeno cíclico natural del río, y la alta tasa a la susceptibilidad a la erosión asociada a la juventud de los Andes, no pueden en si explicar el desastre del Atlántico ocurrido en 2010: la causa primera de dicha hecatombe, fue la sedimentación del río, asociada a un problema integral, como lo es la cuenca deforestada en más del 80 por ciento. Ahora que se propone rectificar el canal y dotarlo de esclusas en Calamar y Puerto Badel previendo profundizarlo 3 m y encausar 500 m3/s, deberá considerase el revestimiento de sus paredes para reducir el riesgo erosivo y las trampas de sedimentos para proteger los ecosistemas marinos afectados. Humedales

Imagen: Inundaciones rápidas y lentas en la cuenca del Magdalena. PMA, Cormagdalena, 2017. Deltas y estuarios asociados al Río Magdalena, en https://www.imeditores.com

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El IDEAM al evaluar la dinámica fluvial del cauce del río Magdalena entre Barrancabermeja y Bocas de Ceniza, para los años 2001 y 2002 encontró que, durante el período 19802000, el tramo de 600 km presentó cambios en su trazado y dinámica. Allí, se identificaron como inestables los sectores de Casabe-San Pablo, por alta migración de barras e islas; Pinto-Zambrano, por alta migración del curso y recorte de curvas por fuerte dinámica sinuosa y meandriforme; y San Pablo-Bodega Central, por la moderada sinuosidad que favorece el movimiento del curso del río. Y con comportamiento estable, los tramos de Zambrano-Calamar, donde las colinas confinan el cauce del río; Calamar–Bocas de Ceniza, donde los altos diques controlan el río y reducen su migración; Bodega Central–El Banco, por la ocurrencia de cursos sinuosos y poco móviles; y El Banco–Pinto, por moderada sinuosidad y mínima movilidad del curso. Y en cuanto a los humedales, debe advertirse que los de la Depresión Momposina están siendo transformados en la periferia hacia agroecosistemas, debido a la expansión de la frontera agrícola y ganadera, ocasionando el fraccionamiento y alteración de su dinámica hídrica (Mavdt, et al., 2003). Este fenómeno es visible en varios de los humedales de la cuenca del Magdalena formando un patrón constante de acortar las márgenes de estos cuerpos de agua. No podemos olvidar que los humedales son de gran importancia no solo por la regulación hídrica, sino porque los ecosistemas de los ríos neotropicales dependen de las llanuras aluviales de desborde, de los lechos de aguas máximas y de los humedales asociados, zonas de inundación de donde los ecosistemas acuáticos adquieren la biomasa que les permite poseer la riqueza de especies de peces. Entre los cuatro principales estuarios de Colombia, dos están relacionados con la Cuenca del Magdalena, las desembocaduras de los ríos Magdalena, y del Canal del Dique; en la primera zona, la principal laguna costera del país, la Ciénaga Grande de Santa Marta, con una extensión de 450 km2; la segunda zona la Bahía de Cartagena con 82 km2 de superficie, que se comporta como un estuario debido al aporte de agua dulce del Canal del Dique. Además, la presión más importante sobre los humedales, se realiza sobre los pequeños cuerpos de agua y en los sistemas de oríllales y diques naturales, que tienden a desconectar los ríos de sus llanuras aluviales de desborde. En el bajo Magdalena, esta situación conflictiva se hace especialmente notoria. Como evidencia, el mal manejo puede llegar a situaciones tan extremas como la de la Ciénaga Grande de Santa Marta, albufera declarada Patrimonio de la Humanidad en 1998, que tiene flujos tan encauzados y controlados por los propietarios de los predios de la zona, que en años de extremo control llegaron a producir la salinización de los bajos y del cuerpo mismo de la ciénaga, causando problemas ambientales severos, aún para la productividad de sus predios. La desaparición de los pequeños humedales desecados por la falsa “recuperación de tierras” por parte de los dueños de predios, tienen efectos importantes no solo en la biodiversidad y otros servicios ambientales fundamentales para el territorio que no están siendo valorados, sino también en la regulación de los ciclos hidrológicos y por lo tanto en la amenaza por inundaciones y sequias ya exacerbadas por el cambio climático. Manejo socio-ambiental 107

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Aunque la Ley 161 de 1994, reglamenta la Corporación Autónoma Regional Del Rio Grande De La Magdalena –Cormagdalena- y le define sus funciones, patrimonio y otras obligaciones, lo curioso de este país es que el Plan Maestro del Magdalena elaborado en 2015, y cuyos tópicos fueron la navegación y mejoramiento del canal del río, aprovechamiento de riberas y recursos pesqueros, generación hidroeléctrica, uso del suelo y en particular de la tierra, recreación y gestión integrada, se le encomendó a Hidrochyna, en su jurisdicción. Allí, sin que mediara consulta alguna con los actores primarios, definió y priorizó proyectos en un área de planificación de 69,400 km2 de 129 municipios, lo que representa el 26% de la Cuenca, donde al 2010 habitaban 6 millones de colombianos o sea el 17% de la población de la gran Cuenca. Como ente corporativo especial del orden Nacional, (y de acuerdo a la Ley 161 de 1994), Cormagdalena “está investida de las facultades necesarias para la coordinación y supervisión del ordenamiento hidrológico y manejo integral del río Magdalena”, por fortuna, en 2017, el país retoma la agenda y formula el Plan de Ordenamiento y Manejo Integral de la Cuenca, con su Plan de Manejo y de Aprovechamiento PMA, y el respectivo Órgano Colegiado de Administración y Decisión -OCAD- del Río Magdalena y Canal del Dique. Lo anterior, obliga a reconocerle a Cormagdalena que desde 1999, venía formulando el Plan de Ordenamiento y Manejo Integral de la Cuenca del Río Grande de la Magdalena -POMIM-, en fases progresivas, como instrumento para formular objetivos de coordinación y armonización, y para establecer lineamientos de política y estrategias para la formulación del Plan de Ordenamiento. ¿Por qué no aprovechar a fondo el POMIM, que contemplaba un elemento de ordenamiento hidrológico y otro de coordinación con las CAR y MASD como instituciones encargadas de la gestión medioambiental, para enfrentar la deforestación como causa de la sedimentación? Frente a la pregunta: y el Plan Maestro de Transporte Intermodal de Colombia, 2015-2035 ¿qué? En lugar de poner a competir ferrocarril y río a lo largo del Magdalena, además de integrar mediante el tren a Buenaventura con Urabá, debió extender la hidrovía al Huila navegando el Salto de Honda, con enorme ventaja para el sistema portuario en La Dorada y sobre todo para Barranquilla. La hidrovía con una reducción de los costos superior al 40% y movilizando en el Magdalena Centro seis millones de toneladas en un horizonte moderado –con el río operando al 100 por ciento del tiempo- podría generar más de cien mil empleos para Colombia. El objeto de la recuperación del Magdalena, remontando el Salto de Honda y extendiendo la hidrovía hasta Neiva, además de hacer que los poblados ribereños vuelvan a ser puertos o asentamiento de pescadores, debe prevenir la sobreexplotación de la pesca y la madera, y que se arrasen humedales para extender cultivos y hatos ganaderos, si queremos hacer de las comunidades y ecosistemas del territorio el principal objetivo del desarrollo, y convertir el río en una hidrovía incluyente y ecológicamente funcional y sostenible. Colombia debe conectar mediante el tren las cuencas del Cauca y Magdalena, y buscar la consolidación de un corredor logístico que partiendo del Orinoco y pasando por el Altiplano y La Dorada, a través de viaductos y túneles para una línea férrea por la variante Loboguerrero, llegue al Pacífico Colombiano. Si hemos propuesto expandir la hidrovía del

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Magdalena y el corredor del Cauca integrando a Urabá con Buenaventura, también deberíamos conectar por tren ambos escenarios, para poder acceder desde el Altiplano nuestros mares. La locomotora del carbón andino exportado, es la clave no sólo para garantizar la carga sino y sobre todo para financiar la expansión ferroviaria aquí propuesta. Epílogo

Imagen Biomas del Caribe asociados al Sinú-Magdalena, IGAC (2014)., y Mapas de Atlántico y Magdalena en el entorno Calamar–Barranquilla (CCG) Si además de los vertimientos de aguas domésticas e industriales no tratadas y de la contaminación agrícola, como factores que arrasan la biodiversidad, también son notorias la pérdida de zonas boscosas de las rondas del río en el bajo Cauca y en especial en el Magdalena, facilitando la erosión de orillas en el cauce, y de bosques en las vertientes alterando la regulación hídrica y pluviométrica, por qué no preguntar: ¿qué acciones planificadas e integrales existen y cuáles son los indicadores que las soportan, para prevenir el grave impacto generado? Lo anterior explicado por la expansión de la frontera agrícola y ganadera, sumado a la actividad minera, como prácticas que favorecen los movimientos en masa y la erosión, al igual que las obras de infraestructura para proyectos hidroenergéticos que han dañado de forma severa la conectividad biológica -caso Hidroituango-, son factores que sumados a algunas intervenciones fluviales y carreteras, explican la alta tasa de sedimentos y la

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reducción de la eficiencia hídrica y biológica de los complejos de humedales, causando con ello la desgracia para 50 mil pescadores. Si bien se requiere un plan de dragado compartido y conocido por los actores, se debe hacer un seguimiento técnico para valorar resultados a la luz de los objetivos del dragado y la gestión del contratista. Igualmente, la autoridad ambiental debe proceder de forma similar para prevenir los impactos y dinámicas de la agricultura y la ganadería, no sólo previendo la contaminación asociada a insumos del sector, sino también la expansión de hatos y cultivos modificando de forma directa o indirecta la dinámica fluvial, ya con la destrucción del bosque, ya con el cierre de caños y el secado de humedales. Una declaratoria que priorice al río Magdalena como uno de los escenarios más representativos en la historia del país, debería partir del concepto del territorio como sujeto de derechos. Si su cuenca es el hábitat donde se dan nuestras relaciones con el medio andino tropical, también el río, pese a haber sido fundamental como ruta de acceso para la ocupación del territorio, y como medio para la consolidación de la nación durante el siglo XIX, hoy víctima del olvido se encuentra degradado y contaminado. Amparar sus derechos ambientales, es darles primacía a sus 50 mil pescadores, y a los humedales y bosques secos que lo circundan, no sólo para ponerle límites a las intervenciones que buscan alterar su vaguada y los humedales como ecosistemas vitales, sino también para ordenar el cumplimiento de las acciones que demanda su recuperación integral. Un territorio es una construcción social e histórica y no un simple espacio de transformaciones. En él va surgiendo la cultura como fruto de las relaciones dialécticas de simbiosis y parasitismo, entre dos sistemas complejos: el social y el natural. Siendo el Magdalena nuestra principal arteria fluvial y el más emblemático río del país, dada su complejidad ecológica, habrá que tomar las previsiones en cada zona: en el ecosistema costero, el impacto de la turbidez sobre los corales, mitigando el efecto de aguas turbias con el nuevo canal del Dique; en la cuenca baja el perjuicio de desligar el canal navegable de los complejos de ciénagas, cerrando caños para el desarrollo de obras y expansión de cultivos y hatos; en el Magdalena Centro y Medio la importancia de un dragado como obra pública para prevenir el sistema de peajes; y en la cuenca alta, propiciar la extensión de la hidrovía para incorporar el Tolima Grande a los beneficios de la navegación. Súmese a lo anterior, el control de la contaminación y de la deforestación en todas sus formas. Ref: Documento preparado para la Audiencia Ambiental Caribe, programada para el Viernes 11 de enero de 2020 en Barranquilla, por la Procuraduría General de la Nación, , con Cormagdalena y los Gobernadores de Atlántico, Bolívar y Magdalena

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Geomecánica CAPÍTULO 6 PROPIEDADES HIDRÁULICAS DE LOS SUELOS.

6.1 Capilaridad y tensión superficial 6.1.1 Tensión superficial. Es la propiedad de un líquido en la interface “líquido – gas”, por la cual las moléculas de la superficie soportan fuerzas de tensión. Por ella, una masa de agua, acomodándose al área mínima forma gotas esféricas. La tensión superficial explica, el rebote de una piedra lanzada al agua. La tensión superficial se expresa con T y se define como la fuerza en Newtons por milímetro de longitud de superficie, que el agua es capaz de soportar. El valor de la tensión es de 73 dinas/cm  0,074 gf/cm siendo gf, gramos-fuerza. Este coeficiente se mide en unidades de trabajo (W) o energía entre unidades de área A y representa la fuerza por unidad de longitud en cualquier línea sobre la superficie. T es entonces, el trabajo W necesario para aumentar el área A de una superficie líquida.

T =

dW

(6.1)

dA

6.2 Capilaridad. Fenómeno debido a la tensión superficial, en virtud del cual un líquido asciende por tubos de pequeño diámetro o por entre láminas muy próximas. Pero no siempre ocurre así debido a que la atración entre moléculas iguales (cohesión) y moléculas diferentes (adhesión) son fuerzas que dependen de las sustancias (Figura 6.1). Así, el menisco será cóncavo, plano o convexo dependiendo de la acción combinada de las fuerzas de adherencia (A) y de cohesión (C), que definen el ángulo  de contacto en la vecindad, y de la gravedad.

tubo de Vidrio





tubo de oro

tubo de Vidrio

+h

H2O

H2O

Adh>Coh

Adh=Coh

-h

Hg 

Adh<Coh



Figura 6.1 Fuerzas de adhesión y cohesión en los meniscos, según los materiales.

 NOTA: El tamaño de los poros del suelo es /5, en suelos granulares.

A R

C

Figura 6.2 Formación de los meniscos

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Sean: hc= altura capilar de ascenso del agua, en un tubo de radio estrecho R, parcialmente sumergido.  es el ángulo que forma del menisco con el tubo capilar. T = tensión superficial dentro del tubo capilar. El agua asciende en contra de la presión UW, a la que se suma la presión atmosférica sobre toda la superficie del fluido. Pa= presión atmosférica (el aire pesa), que se compensa.  -Z

U = −   hc

Haciendo suma de fuerzas verticales. SFV = 0; para Pa = 0

Despejando U U



=

− 2T cos 

hc

U

2R * Tcos + UW * R2 = 0 = SFV; Pa=0

=

− 4T cos 

R

D +Z

(6.2)

D

Figura 6.3 Esfuerzos en un tubo capilar vertical

Pero U = -hc  hc =

hc =

0,03 (m)

4T cos 

D

Como en agua  grf   = 1, cm 3    y en aire y agua  grf cm T = 0 ,074 si la temperatura es 20 

( 6.3)

D ( mm)

Para D = 0,1 mm, hc vale 0,3m. Sihc =ra0°, elrb radio del menisco es el mismo del tubo. Llamemos “r” al radio del menisco. A

B

C

D

ra

hc

A = Tubo de referencia con ra

rb

B = Tubo corto. rb > ra; (UA > UB) C = El agua no puede ascender por el ensanchamiento del tubo.

Pa=0 A

B

C

D

D = Tubo llenado por arriba.

Figura 6.4 Ascenso capilar en varios tubos capilares.

El ascenso capilar en los suelos finos es alto. En arenas finas (T40 – T200), si es suelta hc = 0,3m – 2,0 m, si es densa hc = 0,4m – 3,5m.

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Geomecánica

En arcillas ( < T200), hc  10m ( W*hc = UW  1 at  1

Kg cm 2

)

6.1.2 Capilaridad y contracción en suelos arcillosos Dos fuerzas: Adsorción entre las partículas activas del suelo y el agua y las fuerzas osmóticas, propias de la fase líquida y explicada por el potencial del agua debido a la presencia de solutos en solución que pueden ser especies inorgánicas o componentes orgánicos, explican la capilaridad de las arcillas. En la adsorción influyen la adherencia y la tensión superficial. El movimiento, la retención o la pérdida de agua en el suelo están controlados por gradientes energéticos, gracias a la presencia de las energías potencial, cinética y eléctrica. El potencial del agua pura es cero y el del agua en el suelo es negativo. El gradiente energético determina la dirección y la velocidad del movimiento del agua en el suelo. Potencial de humedad o succión (pF): Es la máxima tensión (H en cm) que ejerce el esqueleto mineral del suelo sobre el agua de los poros. Como la si H = 10000 cm  resistencia a la tensión del agua es 2000 MN/m2, el valor de P = log H ( cm )    pFmax = 7 (equivale a H = 1000 Km = 107 cm). F p =4





F

Cuando existe diferencia en el potencial de humedad (pF), se produce flujo de agua aunque no exista cabeza hidráulica. El agua así, pasará de regiones de bajo potencial de humedad (pF) hacia las de alto pF. Cuando ambas igualen el pF, el flujo continuará hasta que se igualen las diferencias de altura. 6.1.3 La contracción y expansión en las arcillas: en los suelos arcillosos pueden ver alterados su volumen y su parámetro de cohesión así: consideremos un tubo horizontal. 1

L1 R1

r1

R2

r2

ri = Radio del menisco (variable). Ri = Radio del tubo elástico (variable). Li = Longitud del tubo con agua (variable).

2

L2

2

i = Ángulo del menisco con el tubo (variable).

3

L3 R3

1

r3

3

Figura 6.5 Contracción de suelos finos

Cuando el tubo elástico pierde agua, pierde longitud; L1>L2>L3 en consecuencia pierde diámetro, R1>R2>R3; de esta manera 1>2>3, lo que significa que el menisco tiende a desarrollarse mejor y el ángulo tiende a cero ( → 0°) en virtud de la pérdida de agua.

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Geomecánica Esto significa que aumentan los esfuerzos efectivos del suelo al perderse agua (por evaporación o viento), pues  tiende a 0°. El suelo se contrae y se agrieta.

Figura 6.6 Talud de corte vial conformado por suelo arcilloso que alcanzó humedades por debajo de la deshidratación y del límite de contracción. El talud es inestable porque se formaron estructuras del suelo por la contracción y se desestabiliza por erosión eólica e hídrica; el talud no es una estructura funcional para la vía por ser inestable y por la pérdida de plasticidad del suelo. (Carlos E. Escobar P.).

máximo.

La figura 6.6 presenta un talud vial escarpado, conformado por un suelo arcilloso bien drenado, con escasa posibilidad del acceso de agua lluvia o de escorrentía. El suelo está sometido a secado intenso por el sol y el viento de la zona y por el paso de vehículos; la humedad del suelo está por debajo del límite de contracción, este se agrieta, pierde su plasticidad y es inestable. El suelo no dispone de los recursos suficientes para la supervivencia de la vegetación protectora. Ejercicio 6.1 Calcular la tensión capilar máxima, en gr/cm2 en un tubo si el menisco tiene  = 5. Calcular hc, ascenso capilar

Solución: Aplicando las expresiones 6.2 y 6.3, se tiene: El esfuerzo de tensión UW en cualquier punto de la columna, que es la tensión U W en el líquido inmediatamente abajo del menisco, es: U W = −hc W = UW =

hc =

− 4T cos − 2T cos − 2T = = D R r

2 * 0,074 gr cm 0,00025cm

U

W

r





= 592 gr cm2

R = 592cm = 5,92m

r = Radio del menisco R= Radio del tubo R= r cos 

Ejercicio 6.2.

Figura E 6.1 Relación entre radios.

Se muestra un recipiente de vidrio con agua y dos orificios así: El superior con diámetro D1= 0,001 mm y con menisco bien desarrollado, el inferior con diámetro D2.

D1

20 cm

D2

Calcule el máximo valor de D2 cuando el menisco superior está bien desarrollado. Solución: Con las expresiones del ejercicio anterior, se puede escribir

Figura E 6.2 Diagrama explicativo

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U.N. de Colombia UW 1 =

UW 2 =

− 4T

=

− 4 * 0,074

D1

Geomecánica gr

cm

0,01cm

− 4T

=

D2

− 0,3 gr D2

cm

=

− 0,3 gr 0,01

= −30 cm 2

1 = 0

gr cm 2

(*)

R1 = r1

Pero el punto 2 está 20 cm abajo :

Si se planea el equilibrio del sistema. Como las tensiones son negativas, tensión 1 < tensión 2: -UW1 + UW2 = hW 

30

gr

− cm 2

0,30 gr D2

cm = 20cm *  W

y

W = 1

gr cm 3

D2 = 0,03cm

6.2 El agua en el suelo. •

6.2.1 Ciclo hidrológico

La ecuación del ciclo hidrológico es una igualdad entre el agua lluvia que llega al suelo y la que circula y por lo tanto se pierde: Lluvia Evapotranspiración

PRE+ COND = INF + ESC + EVP + TRA El sol provee la energía al sistema, y con la gravedad, determina su funcionamiento dinámico.

escorrentía

Infiltración

Evaporación

Cuando el agua se precipita al terreno 1. Figura 6.6 Ciclo hidrológico. (PRE), sigue tres caminos: Escorrentía (ESC), infiltración (INF) y evapotranspiración (evaporación (EVP) + transpiración (TRA)). No obstante, para el caso del trópico y los paisajes kársticos, la condensación (COND) en los bosques de niela y cavernas resulta fundamental para establecer y comprender el balance hídrico, donde las variables normalmente mesurables de forma directa son la precipitación y la escorrentía. Es difícil evaluar la evapotranspiración y la infiltración, pero la escorrentía, que es la fracción arroyada o de desagüe, puede aforarse en una “cuenca vertiente”, observando caudales por largos períodos. La masa de agua evacuada por escorrentía y la precipitación, permiten establecer dos parámetros Coeficiente de Circulación Aparente (CAP) y [ESC – PRE], dados por: ESC

= CAP ; [ESC – PRE] = INF + EVAPOTRAN

PRE

Interesa en geotecnia particularmente la infiltración que depende de las condiciones de precipitación: las lluvias finas y prolongadas se infiltran a mayor profundidad que las torrenciales; de la naturaleza del terreno: en suelos arenosos se infiltran grandes volúmenes de agua, en una red kárstica la infiltración será total y la circulación interna muy localizada. La cobertura vegetal protege el suelo,

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Geomecánica

incrementa los tiempos de concentración, conserva la plasticidad y la humedad de los suelos, favorece la evapotranspiración y contribuye a la infiltración. Las pendientes bajas de las laderas incrementan la infiltración, así como las áreas donde la pendiente de la ladera se reduce.

Figura 6.7 Deslizamiento por lluvias acumuladas. Las aguas se infiltran a profundidades mayores y activan movimientos en masa que involucran volúmenes grandes de suelo. (Carlos E. Escobar P.)

Figura 6.8. Deslizamientos con planos de falla superficiales. Estos movimientos en masa fueron activados por una lluvia torrencial de 140 mm en 4 horas. (Carlos E. Escobar P.)

ZONA DE RETENCIÓN

INVIERNO

Agua Agua higroscóp pelicul ica ar

Agua capilar AISLADA CONTINU A

Agua gravítica subterránea

Zona de evapotranspir ación Zona de retención o goteo Franja capilar

NAF

VERAN O

ZONA DE SATURACIÓN

Figura 6.9 Tipos de aguas en el subsuelo (Castany).

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Geomecánica

I AGUAS ESTABLECIDAS Aguas ocluidas en los minerales y en las rocas Aguas de constitución y de cristalización Aguas de hidratación •

II AGUAS LIBRES

Aguas de penetracón debido 



a escorrentías a la presión de 

 

lagos, mares, etc.

  procedentes de capas   superficiales o profundas  o del aire mismo Aguas de condensaci ón



Aguas de profundidad

Agua de porosidad,   FUENTES Y infiltraci ón,  CAPAS percolació n  

Aguas de cavernas  EXURGENICAS Y   RESURGENCIAS y fisuras  Agua de fallas    CAPAS y fracturas  Agua fósil o   CAPAS connata  Agua vadosa o    geotermal  Aguas termales  CAPAS   O   juveniles Agua magmática  FUENTES Agua de reacción     2H 2 + O 2   VAPORES O Aguas volcánica s  FUENTES  

Tabla 6.1 Origen de las aguas subterráneas. Félix Trombe. 6.2.2 Macizos térreos con agua subterránea3 Acuífugos, hidrófugos: masa impermeable de suelo o roca que al no tener conductos interconectados, no pueden almacenar ni conducir agua. Acuicludo: masa de roca o suelo relativamente impermeable que puede absorber agua lentamente pero que no permite su flujo con la velocidad suficiente para abastecer pozos o manantiales. Acuitardo: capa o estrato confinante que retarda pero no impide completamente el flujo de agua hacia o desde un acuífero vecino. Un acuitardo no entrega rápidamente agua a los pozos o manantiales, pero puede servir como una unidad de almacenamiento del agua subterránea. Acuífero: masa de roca o suelo suficientemente permeable para permitir el flujo de agua y su extracción económica por medio de pozos o su descarga en manantiales y ríos. Acuífero confinado: acuífero limitado por capas impermeables o por capas que tienen una permeabilidad substancialmente menor que la del acuífero mismo. En los acuíferos confinados el nivel piezometrico se encuentra por encima del techo del acuífero. Los acuíferos confinados son la causa 3

Hoyos P. F, GEOTECNIA, Diccionario básico. Universidad Nacional de Colombia. Hombre Nuevo Editores

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Geomecánica

de muchos procesos de inestabilidad de suelos, cuando los estratos de roca fracturada son confinados por el macizo rocoso sano y el suelo residual. En las excavaciones de proyectos de ingeniería se intervienen áreas que al ser niveladas se convierten en zonas de recarga de aguas y con ello la saturación y las presiones piezométricas sobre las unidades de suelo y roca más superficiales. Acuífero libre: Acuífero en el que la formación permeable aflora en superficie. En los acuíferos libres el nivel piezometrico coincide con el nivel freático. Acuífero colgado: aquel que contiene agua libre por encima del cuerpo principal de agua subterránea y que está separado de ésta por un estrato poco permeable y por una zona no saturada. 6.2.3 Clases de flujo Flujo permanente: Flujo perenne o continuo, ocurre cuando las condiciones de borde se conservan en el tiempo. La dirección de las líneas de flujo es idéntica y la velocidad es constante. Es propia de los suelos homogéneos. Flujo transciente: ocurre cuando las condiciones de borde cambian en el tiempo y por lo tanto, la velocidad y dirección también, aunque no siempre el caudal lo haga. Común en suelos heterogéneos como los conglomerados. En estos flujos son comunes las presiones piezométricas que contribuyen en mucho a la inestabilidad del talud o la ladera. 6.2.4 Agua subterránea A más de 16 Km de profundidad no existe agua subterránea, ya que las rocas fluyen plásticamente y los poros están cerrados, como también las fracturas o fallas geológicas. A sólo 6 Km el agua es poca, aunque las rocas ya son rígidas, porque los espacios están cerrados e impiden la interacción para establecer el flujo. Sólo a unos 600 m el agua puede ser susceptible de recuperarse con pozos.

El NAF: es el lugar geométrico de los niveles que alcanza la zona saturada del suelo, y no siempre coincide con el nivel piezométrico NAP (el que alcanza el agua en un pozo de observación). Sólo coinciden cuando el NAF está a presión atmosférica.

NAF Invierno NAF Verano

Manantial

Flujo Flujo

El NAF y los manantiales cambian de invierno a verano

Figura 6.10a Esquema de los flujos subterráneos.

A

ABC = Zona de aireación (INFILTRACIÓN).

B

D = Zona de saturación (PERCOLACIÓN).

C D

NAF

Flujo

Manantial Río

A = Faja de EVAPOTRANSPIRACIÓN. B = Faja de agua colgada o de goteo.

El NAF separa dos zonas: aireación y saturación

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Geomecánica C = Zona capilar (sobre el NAF)

Figura 6.10b Zonas de humedad

Un acuífero puede estar colgado o no; en este primer caso, se tendría un par de NAF: el colgado y el NAF general. Los acuíferos pueden ser libres o confinados.

Arenisca seca Arenisca saturada

NAF colgado

Manantial

NAF

Arenisca saturada Manantial

Lutita Acuifero colgado y acuifro libre

Figura 6.10c Niveles freáticos y los estratos impermeables

Infiltración divergente

Infiltración convergente

La cuenca hidrológica y la cuenca hidrogeológica pueden ser diferentes. Esto debido al buzamiento de la roca

Dos tipos de cuencas, dos balances hídricos diferentes

Figura 6.10d Cuenca hidrogeologica Figura 6.10 Presencia de agua subterránea 6.2.5 Estado del agua subterránea. Son cinco los estados del agua subterránea:

• • • • •

Agua de constitución (químicamente y físicamente enlazada) Agua sólida. Agua capilar (angular, suspendida y elevada). Agua gravitacional Vapor de agua.

1. Agua de constitución: Puede ser químicamente enlazada y se subdivide en: Agua de constitución molecular que se puede remover a altas temperaturas por estar ligada iónicamente a la estructura molecular. Agua cristalina si hace parte de la red mineralógica. Agua zeolítica, que es una variedad menos ligada a los minerales. La otra forma, físicamente enlazada comprende dos clases: agua adsorbida, o higroscópica, y agua pelicular, ambas en equilibrio electroiónico, pero la primera adherida a la superficie de los minerales y la segunda en capas más externas, que ordenadamente se establecen o se desprenden.

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Geomecánica

2. Agua en estado sólido: hielos producto del congelamiento perenne (como en la Antártida) o semiperenne (caso de Siberia). 3. Agua capilar: (figuras 6.9 y 6.10b) Puede ser angular, si se cuelga en los vacíos y no se mueve por gravedad, en virtud a la tensión superficial. También la capilar suspendida, que no se comunica con el NAF y que se mueve o varía por influencia de la evaporación y la lluvia. Finalmente, el agua capilar elevada, o de la zona capilar, de gran importancia en Mecánica de Suelos, y que está sobre el nivel de agua freático (NAF). 4. Agua gravitacional: es el agua subterránea propiamente dicha, que ocupa la zona de saturación y alimenta pozos y manantiales. 5. Vapor de agua: existe en el aire y su movimiento responde a gradientes térmicos. Interesa en suelos parcialmente saturados cuando son hinchables. También se considera vapor de agua en cavernas y en la zona de disecación, y donde actúa la evaporación o la difusión. 6.2.6 Propiedades del agua Densidad () se define como la masa sobre el volumen y depende de la temperatura. Peso unitario (W) es el producto de la densidad por la gravedad (*g). Viscosidad dinámica (n): n = xy = Kg/m seg y es función de la temperatura.

Temperatura ºC n

0 1.79 * 10-3

10 1.31 * 10-3

20 1.01 * 10-3

Viscosidad cinemática (u): u = n/  10-6 m2/seg y es función de la temperatura. Compresibilidad del fluido (): Es la variación de la densidad con la presión.

 =

d dP

•

 0,5 * 10

−9 m 2

N Si es con relación al volumen V :

dV ) ( V β = dP

6.2.7 Propiedades del suelo

Porosidad (). Es la relación entre el volumen de vacíos y el volumen de las muestra (V V/VT), que en suelos arenosos es 0,35 <  < 0,45 y en turbas o arcillas 0,40 <  < 0,85 Porosidad efectiva (e). Se define por los poros efectivos para permitir el flujo, pues descuenta los poros no interconectados o muy cerrados. En arcillas e <<  y en arenas e   Coeficiente de compresibilidad unidimensional (). Se define como el cambio unitario en altura (dh/h) con respecto a la variación del esfuerzo efectivo vertical (d’V). Se mide en m2/N.

=

dh

h

d 'V

En arenas  = 10-7 – 10-8 m2/N y en arcillas es 10-6 – 10-7 m2/N.

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Grado de saturación (S). Relaciona el volumen de agua con el de los vacíos del suelo (VW/VV), por lo que 0  S  1, siendo S = 0 cuando T = d y S = 1 cuando T = sat. Además, si A es el grado de saturación de aire, relación que depende de esta; S + A = 1, pues A = VA/VV y VV = VA + VW. NOTA: las trayectorias del flujo real y aparente (son diferentes). 6.3 Principios fundamentales del movimiento de un fluido no compresible. Existen tres principios en la física que son la conservación de la energía, la conservación del momento cinético y la conservación de la masa. En los fluidos existen los medios porosos, y un medio poroso consiste en espacios vacíos y continuos, que garantiza el flujo, es decir, es permeable. Las suposiciones básicas serán: -

El medio está saturado.

-

La masa de suelo es incompresible.

-

Hay sólidos y fluidos incompresibles.

-

Sólo puede variar el volumen de los poros.

Las trayectorias del flujo real y aparente son diferentes

Figura 6.11 Trayectoria del flujo.

6.3.1 Ley conservación de la masa

Z si V X =

qX DY DZ

si  X =

VX

 X

 y

X

+



Y

; V X velocida d de descarga en la dirección X

qx DZ

;  porosidad, X velocida d de infiltraci ón +

 Z Z

=−

1

*

V

V

t

=

e

DY

X

Y

1 + e0

Que es la llamada ecuación de continuidad y puede escribirse con una pequeña variación en función de e0, la relación de vacíos. Si

•

V t

= 0 , flujo permanente; si

V t

 0 flujo trasciente

6.3.2 Ley conservación de la energía

Al aplicar las ecuaciones de EULER a los líquidos sometidos a la gravedad, y en movimiento permanente, se obtienen la ecuación de BERNOULLI  = Z +

P



+

V2 2g

 Cabeza total , suma de cabezas de altura Z, de presión P/ y de velocidad V2/2g.

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En suelos con velocidad de infiltración alta, hv = V2/2g < 5,1 * 10-4 cm, por lo que esta cabeza se desprecia y ayuda sólo la cabeza piezométrica H: H = hp + hz = P/ + Z  cabeza piezométrica H 6.3.3 Ley de conservación del momento La Ley de Darcy (1856), es empírica determinar la velocidad de infiltración existe flujo a través de un material de constante K y cuando existe un piezométrico i=H/L (ver figura 6.12).

y permite  cuando porosidad gradiente

PB



PA



B

La permeabilidad (K) del material depende de la forma de las partículas o intersticios, de la tortuosidad y del tamaño de los conductos, de la relación de vacíos e, de la viscosidad del fluido y de la temperatura (que afecta la viscosidad), entre otros.

Suelo A ZA

ZB

L

Referencia

Figura 6.12 Dispositivo de Darcy

TANQUE DE AGUA (I) Como en el tanque no se presenta flujo, la cabeza total es h = cte., es decir Z = UW/W Figura 6.13 a TUBO CAPILAR (II) La tensión soporta el peso del agua, es decir 2R * Tcos = Whc * R2  = ángulo del menisco. Figura 6.13 b I Si denominamos CE = cabeza de elevación CP = cabeza de presión

II

PTO A B

CE 0 H

CP H 0

CT H H

M

hc

-hc

0

No hay flujo

No hay flujo

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CT = cabeza total

N

0

0

0

• 6.4 Presión de poros “U” y potencial “P” en el suelo Las leyes que gobiernan el flujo de agua son análogas a las del flujo eléctrico. Se requiere, en ambos casos, de un gradiente de potencial, que oriente las fuerzas del sistema.

La presión de poros

u =    h  es la presión

intersticial, por debajo del NAF. Figura 6.14. Presión de poros en el suelo

El

potencial

P =h+Z =

U

W

+Z

mide

la

energía del sistema (sección 6.3.3.) Si existe gradiente en el campo, se presenta el flujo de agua según la Ley de DARCY.

Ejercicio 6.1. 1,0 m

Calcular la presión de poros (U) en los puntos A y B, el potencial PA y PB, y el gradiente hidráulico “i”, entre A y B, para el permeámetro horizontal de la figura, a partir de los niveles leídos en los piezómetros A y B.

0,2 m

2,4 m A

B 1,0 m

U = Wh ; P =

UW

W

+Z ; i=

DP DS

Área de la sección 2,0 X 2,0 m

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U A = 9,81 * 2, 6 = 25,5 KN

m2

U B = 9,81 * 2, 4 = 23,5 KN

m2

 25,5    +1 =  9,81   23,5  =  +1 =  9,81 

PA =

3, 6 m

PB

3, 4 m

DP = PB − PA = −0, 2 m  El agua flluy e de A hacia B DS = 1m i =

0, 2 m

 Sep aración de los p iezómetros = 0, 2

 Gradiente hidráulico

1, 0 m

Ejercicio 6.2 Si en el caso anterior la permeabilidad es K = 5*10-3 m/seg, obtenga el caudal “Q” (DARCY) Q = K * i * A = 5 * 10

−3

* 0, 2 * ( 2 * 2) = 4 * 10

−3 m3

m3 sg = 0, 24 minuto

GRADO DE PERMEABILIDAD Denominación K en cm/seg Muy alta <10 -2 Alta 10 -2 - 10 -4 Moderada 10 -4 - 10 -5 Baja 10 -5 - 10 -7 Muy baja 10 -7 - 10 -9 Impermeable >10 -9 Alberto J. Martínez Vargas, 1990

K= cm/s Drenaje Capa sello Suelo

102

101

PERMEABILIDAD DE SUELOS 100 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5

Muy Bueno a bueno No apto

10-6

Malo Poco apto

Grava y grava arenosa Arena limosa Limoso Gabriel Márquez Cárdenas, 1987.

10-7

10-8

10-9

Impermeable Apto Arcilloso

***

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LECTURA 6: MANIZALES: UN DIÁLOGO CON SU TERRITORIO .

Imagen 1: Estructura Ecológica Urbana de Manizales. Fundación Grupo HTM 2013. Introducción Esta presentación se elabora para el Foro del 5 de Marzo “GRACIAS POR VENIR MANIZALES”, que lidera el Colectivo “Subámonos al bus del POT”, como una actividad de la Sociedad Civil de la Ciudad, relacionada con el ordenamiento de su territorio, entre otras que se desarrollan con el soporte de la SMP Manizales. •El territorio de Manizales, entendido como una construcción social e histórica, es el resultado de las relaciones dialécticas entre dos sistemas complejos: el de la sociedad del Gran Caldas cuyas raíces se forjaron durante el proceso de la colonización antioqueña y con el aporte del caucano que se remonta a La Colonia, y el del medio natural con las características del frágil ecosistema biodiverso regional, perteneciente al trópico andino, que se ha venido transformando desde mediados del siglo XIX. •Las problemáticas y potencialidades socioambientales de la ciudad y de la región, emplazan a la sociedad civil a establecer un dialogo con el territorio a través de la cultura, para trazar las políticas públicas e identificar las acciones emblemáticas que prevengan su fragmentación y desestructuración, y que viabilicen acciones que permitan el desarrollo con sentido humano y responsabilidad ambiental. El Territorio y la ecorregión El territorio caldense, en una extensión de 7.888 km2, consta de 27 municipios. Por sectores, la estructura del PIB de Caldas es: 17% Servicios, 17% Banca, Inmobiliario y afines, 14% Industria, 11% Agropecuario; 7% Construcción, 7% Transporte, 6% Electricidad; 5% Comercio y 16% Otros. Cuatro de “Los siete mundos de Samoga”, expresan el carácter de nuestra ecorregión: Pachamama(tierra) representa el occidente minero con Marmato y Riosucio; Bachué (agua), el recurso hídrico del occidente caldense, tierra de vapores y ranchos de hamacas; Yuruparí (aire), el aroma de la tierra del café por los dos ejes de la colonización antioqueña, y Chiminigagua (fuego), la alta cordillera con sus volcanes y fértiles tierras de Marulanda.Los otros tres mundos: Chía (arte)

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expresa la cultura de esta ecorregión triétnica; Bochica (lógica), la necesaria articulación entre ciencia y saberes; y Chibchakum (tecnología), nuestros desarrollos tecnológicos, como el bahareque, la caña panelera, las obras para el control de la erosión, las artesanías de Riosucio, Aguadas y Marulanda. La Gente y la caldensidad Manizales cuenta con 400 mil habitantes, de los cuales 373 mil son urbanos y 27 mil rurales. En Caldas, cuya población no llega al millón de habitantes, menos de 700 mil habitan en las cabeceras y 300 mil en el medio rural. Al surgir en el siglo XX una caficultura de pequeña superficie y alto efecto redistributivo del ingreso, se acentúa y moldea el carácter definitivo del cafetero colombiano, al crearse una sociedad igualitaria, donde gravitan dos modos sociales diferentes de explotación minera: en la Colonia, con la minería de Quiebralomo y Marmato soportada en la esclavitud, y la de Antioquia soportada en el minero independiente. Similarmente, ya en el siglo XIX son dos las formas de explotación agraria: una de servidumbre propia del Estado del Cauca y otra capitalista en la ruta e la colonización por el Estado del Sur de Antioquia, donde más adelante convergen el carácter emprendedor del antioqueño mostrado por Carlos E. Pinzón y la mente abierta del caucano de clase media, no afectada por los regímenes de esclavitud y servidumbre, de quien Francisco José de Caldas es digno representante. La “aldea de bahareque”

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Imagen 2 – 3: Arriba: Manizales en 1864 por Rómulo Duran, en Revista Pregón Nº57 de 1910. Abajo: Manizales de principios del siglo XX, mostrando su nuevo templo de bahareque de 1888. Centro de Historia de Manizales. Desde su fundación (1849) hasta el ocaso de la Guerra de los Mil Días (1903), esta “aldea encaramada” de A. Valencia Llano, vive un período de guerras civiles (1860, 1876, 1880 y 1884), en el que su economía de subsistencia se soporta en la arriería de miles de bueyes y mulas, el modelo urbano mantiene la trama reticulada, y su arquitectura, inicialmente de tapia pisada, tras el pavoroso sismo de 1884, pasa a la del bahareque de tierra, configurado en guadua y arboloco y una mezcla de estiércol de equinos y limos inorgánicos. “La aldea refundada”

Imagen 4-5: Arriba. Manizales en 1916. En amarillo la aldea fundacional. Escuela de Arquitectura U.N. de Col. Abajo. Manizales 1920. Obra del Maestro Luis Guillermo Vallejo. Mural C. de Comercio. En un segundo período (1903 a 1930), gracias al grano de oro la economía de la ciudad es de acumulación; son los tiempos de los vapores, los cables y los ferrocarriles cafeteros, en los que el meridiano económico de Colombia pasa por la ciudad. Como consecuencia de los incendios de los años 20 que cobran 34 manzanas y la catedral de 1890, se emprende la obra más significativa del civismo caldense: La Catedral de Manizales, una estructura de 106 m de atura en ferro-concreto para una aldea de bahareque. Con la refundación, el bahareque evoluciona en formas y contenidos conforme surge una arquitectura ecléctica de tipo republicano, mientras el nuevo modelo urbano ajustado al relieve, avanza a lo largo de la Avenida Cervantes, hoy Santander, con una trama urbana que, al seguir las

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curvas de nivel para resultar más conveniente, abandona la anterior retícula ortogonal de herencia europea. Del desarrollo a la crisis

Imagen 6-7: Arriba: Manizales en 1930, cuando la ciudad empieza a tomar “forma de cometa”, con el desarrollo urbano en los entornos de El Carretero. Padre Fabo. SMP de Manizales. Abajo: actual estructura “satelital” de Manizales, conformada por las ciudadelas que surgen a partir de los años 70. El tercer período económico, de verdadero desarrollo, es el de “las chivas y jeppaos” que se corresponde con la irrigación de los beneficios de la caficultura. Con la creación de la Federación de Cafeteros (1927), mediante el soporte de los Comités se electrifica el campo, se abren las vías rurales y construyen escuelas y puestos de salud para dotar el medio rural.Pero en 1970, irrumpe la crisis socioeconómica y ambiental en la zona cafetera, como consecuencia de la Revolución Verde: con el monocultivo del caturra y de una caficultura basada en productos de base química, los campesinos que no pueden asimilar los paquetes tecnológicos y financieros de la caficultura moderna, en virtud de su precario nivel de escolaridad, emigran a la ciudad en busca de oportunidades que tampoco estarán a su alcance.

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Perfil ambiental urbano A continuación, una perspectiva ambiental en su contexto regional para Manizales, una ciudad intermedia emplazada sobre abanicos aluviales de la cuenca del río Chinchiná, epicentro de un territorio pluriétnico y biodiverso sobre el cual establece sus relaciones económicas y políticas. A1- Medio ecosistémico natural.

Imagen 8: Escenarios de cambio climático en Caldas, para el 2100: Temperatura y Precipitación, Ideam 2015. Gracias a las dos cordilleras, nuestro clima es bimodal: cada año, dos temporadas invernales que inician con los equinoccios, cierran con dos veraniegas cuando llegan los solsticios. Nuestro ecosistema biodiverso asociado al frágil medio tropical andino, se desarrolla en un medio montañoso de suelos jóvenes de origen volcánico, en un ambiente tectónico activo. El complejo Ruiz-Tolima, las fallas de los sistemaS Romeral, Palestina y Cauca-Patía, el Cañón del Cauca, el Valle del Magdalena, los ecosistemas de páramo y bosques alto-andinos vecinos a la Mesa de Herveo, y al Tatamá y Caramanta. De las siete zonas agropecuarias de mayor productividad del país, cuatro benefician a la región: la zona cafetera, la alta Cordillera Central, el valle del Cauca y el valle del Magdalena. En el inventario minero, de 210 explotaciones y yacimientos que posee el Gran Caldas, 120 pertenecen a Caldas y 60 al Quindío. Sobresalen: por el oro el alto Occidente; por el manganeso el Bajo Occidente; y por calizas, mármoles, uranio y un gran potencial hídrico, todo el Oriente Caldense.

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A2- El medio transformado.

Imagen 9: Indígenas del Viejo Caldas. Luis Duque Gómez. Imagen en: https://godues.wordpress.com/2013/03/31 El proceso de ocupación y de transformación del medio natural, comienza con la presencia de comunidades amerindias organizadas en cacicazgos, distribuidos por toda la región: entre estas tenemos Irras, Cartamas, Pícaras, Ansermas, Concuyes, Pozos, Paucuras, Carrapas , Quimbayas, Palenques, Amaníes, Marquetones y Pantágoras. Luego, tras la conquista, se establecen nuevos asentamientos como Anserma, Supía, Marmato, Cartago, Arma, Vitoria, Mariquita y Honda, en los que la minería, como la principal actividad de la Colonia, se da mediante la esclavitud. Ya en el siglo XIX cambia ese modo de producción por el del colono independiente y obreros asalariados. Similarmente, si en las Provincia del Cauca y Cundinamarca desde la colonia hasta el siglo XIX primaron las haciendas de régimen feudal, tras la colonización antioqueña ocurrida a lo largo del siglo XIX y la consecuente ocupación de grandes baldíos y tierras de Concesiones del territorio, se da la construcción del Paisaje Cultural Cafetero, soportada en una economía cuyo modo de producción es capitalista, cambio que se debe a la presencia del colono quien reza: “la tierra para quien la trabaje”. Posteriormente, a esta transformación rural le sucede la urbana caracterizada por un modelo de poblamiento bien distribuido que se explica por la estructura minifundista de la propiedad gracias al café y al proceso colonizador, el que se empieza a invertirse a partir de 1970 tras la irrupción de la Revolución Verde. B1- Uso; transformación, flujo y disposición final de recursos.

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Imagen 10: Dinámicas en el territorio de Manizales. U. de Antioquia La ecorregión cafetera es un jardín biodiverso mal utilizado que alberga el 7% de las especies de plantas y animales (Instituto von Humboldt, 1997), un patrimonio biótico hoy amenazado por procesos antrópicos como deforestación, potrerización, uso de agroquímicos y desarrollos urbanos. Antes dominada por bosques, la ecorregión ahora sólo conserva una fracción de su cobertura original, porque muchos paisajes son cafetales, plataneras, potreros, plantaciones forestales y algunos cañaduzales. Según las coberturas en 2002, de un uso potencial del suelo para usos forestales del 54% del territorio, los bosques solo llegaban al 19%; y en ganadería, mientras el potencial de la ecorregión es sólo del 4%, la cobertura llegaba al 49%; además en los usos agrícolas y agroforestales, de un potencial del 21% y 20% en su orden, la cobertura en el uso agrícola subía al 30% y la agrofostería no se implementaba. La ciudad, toma materia y energía del entorno y tiene sus propias “excretas”: Manizales genera 300 toneladas diarias de basura, y vierte 20 toneladas de carga contaminante en las aguas servidas de áreas no industriales, a sus tres distritos sanitarios (Olivares, Chinchiná y La Francia), a los que se suman cerca de 17 toneladas adicionales de las aguas de origen industrial que afectan cuerpos de agua, como la Quebrada Manizales donde se establece el principal sector industrial. B2- Las Zonas y sus Funciones en los medios rulares y urbanos (I-R-C-S) La Zona Industrial, que vale por su posición con respecto a los medios de transporte, por no ocupar el sector vecino al río Cauca en el occidente donde están los modos troncales (Aeropuerto del Café, Troncal de Occidente y Tren de Occidente), está mal localizada si se trata de persistir con industrias convencionales; y por quedar en la Q. Manizales presenta severos conflictos ambientales, ya por amenazas mitigables asociadas al uso conflictivo del suelo en su cuenca, ya por la afectación al ecosistema con sus vertimientos. La Zona Residencial, que debe estimarse por su valor estético y paisajístico, muestra que las urbanizaciones más costosas de la ciudad ocupan el paisaje contaminado de su zona industrial, afectada por vertimientos industriales. Igualmente, falta desarrollar ciudadelas autosuficientes en sectores populares como la Enea, La Sultana y Bosques del Norte, bien dotadas de infraestructura social y productiva, en lugar de expandir el hábitat favoreciendo los apetitos de los urbanizadores e inviabilizando el sistema de transporte masivo, con severo perjuicio para los sectores populares. La Zona Comercial, cuya importancia radica en que alberga el Centro Histórico en el que se soporta el carácter de nuestra ciudad y los edificios institucionales, se ha venido degradando más por la irrupción del automóvil que por la informalidad. Allí los moradores de los viejos inmuebles, no cuentan con garantías para mantener el valioso patrimonio arquitectónico e histórico. La Zona de

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Geomecánica

Servicios, que suele valer por su nivel de equipamiento, debe incrementar el potencial de generación de riqueza de la ciudad asociado al sector de los servicios: en ella, más que por el número de camas, el sistema de salud o el hotelero se deben valorar por los servicios que ofrecen para los habitantes locales; y las Universidades que deben valer por sus programas de PhD, laboratorios y producción científica, se han venido valorando como centros de docencia por el número de estudiantes que llegan a la ciudad, y no como centros de investigación y desarrollo. C1- Conflictos y contradicciones (Sociales, Ambientales, Económicos e Institucionales)

Imagen 11-12: El verde del café. Banner Revista Civismo SMP y Fotografía de Jaime Duque Escobar. Dada la crisis del actual modelo democrático expresada en falta de liderazgo, desestructuración de los partidos y privatización de la cosa pública: 1. Se debe fortalecer la sociedad civil e implementar los mecanismos de participación ciudadana con fundamento en el civismo activo, con la civilidad como valor supremo de la cultura urbana. Dada la crisis socioeconómica que se expresa en pobreza, desempleo e informalidad: 1. Se debe ubicar a las personas en el centro del desarrollo, priorizando la formación de capital social sobre el crecimiento económico. 2. Se deben implementar políticas de ciencia y tecnología imbricadas con la cultura, para resolver la brecha de productividad que sume en la pobreza los medios rurales. 3. Se debe consolidar la Ciudad Región del Eje Cafetero, conurbar el territorio y fortalecer el transporte rural como catalizador de la reducción de la pobreza. 4. Se debe desarrollar un nuevo modelo urbano más verde y más humano, priorizando la conformación de ciudadelas autosuficientes, descentralizando la infraestructura social y económica, densificando el medio urbano para desarrollar la movilidad soportada en el transporte masivo y la peatonalización en lugar del carro. Dada la amenaza del cambio climático y la falta de políticas públicas ambientales que enfrenten la problemática de los riesgos en el medio rural y urbano: 1. Se deben ordenar las cuencas, reforestar sus quebradas, implementar la cultura del agua, resolver los conflictos entre uso y aptitud del suelo y replantear el modelo agroindustrial cafetero desde la perspectiva ecológica, además de prevenir la especulación del suelo urbano que trafica con la plusvalía urbana y el uso del suelo. C2- Gestión ambiental

132

U.N. de Colombia

Geomecánica

Entre los temas socio-ambientales emblemáticos para el departamento de Caldas y para su capital Manizales, las propuestas verdes serían: 1-Una revolución educativa, con un modelo que desarrolle el talento humano, para lograr la reconversión productiva rural y el desarrollo social. 2- Más bosques y ordenamiento de cuencas, para proteger la biodiversidad y mitigar el impacto del calentamiento global. 3- El desarrollo de la identidad cultural en la ecorregión, soportado en su carácter triétnico, en el marco del Paisaje Cultural Cafetero. 4- Macroproyectos como el Ferrocarril Cafetero, el Puerto Multimodal de La Dorada, Aerocafé, la Transversal Cafetera y el Tren de Occidente para articular al país por Caldas. 5. Un nuevo modelo urbano con “crecimiento hacia adentro”, que descentralice la infraestructura social y económica, y conurbe el territorio. 6- Salvar el patrimonio material e inmaterial de Marmato y los ecosistemas de la zona de amortiguamiento del PNN de los Nevados, amenazados por las dinámicas del mercado y enclaves mineros. La segunda refundación Sabemos que la historia de Manizales ha estado marcada por desastres, como: 1‐ Los incendios de 1922,1925 y 1926, que consumieron cerca de la cuarta parte del poblado. 2‐ La erupción del Ruiz en 1985, que sólo en Caldas causó cerca de 2000 víctimas humanas. 3‐ Los terremotos profundos de 1938, 1962, 1979 y 1995, y el sismo superficial de 1999 del Eje Cafetero que causó la muerte a 1185 personas. 4‐ El Niño de 1992 y las Niñas de 2007/8 y 2010/11 con sus devastadoras consecuencias hidrogeológicas, para el suministro de agua y la conectividad de la ciudad. No obstante, en torno al civismo, la ciudad logró sobreponerse a estas dificultades al emprender como colectivo una ruta de aciertos en materia de desarrollos tecnológicos y conceptuales en los temas socioambientales. Pero si tras padecer guerras, incendios y desastres naturales, pese a su fragilidad la ciudad logró sobreponerse y salir airosa superando dichas adversidades gracias a un cúmulo de valores hechos virtudes cívicas, hoy el desafío parece mayor, no solo por la naturaleza ética de la problemática que padece, sino también por la profunda fragmentación de esta sociedad. Hoy, cuando el debido uso de los bienes públicos, los derechos de los ciudadanos y el respeto a la vida se han profanado, los caldenses requerimos enfrentar esa amenaza de mayores dimensiones, relacionada con la pérdida de valores, que explica problemáticas como la pobreza, la exclusión y la violencia, además de otras relacionadas con la deshumanización de la economía que explican la destrucción de la democracia y la privatización del medio ambiente, por los agentes del mercado. Mientras prioricemos el crecimiento económico sobre la formación de capital social y la sustentabilidad del medio ambiente, existirán menesterosos habitando las diferentes texturas urbanas y cosechando los residuos de las actividades citadinas; bienes que son patrimonios como el suelo urbano, el agua y la biodiversidad mantendrán el carácter de recurso que los hace objeto de explotación al servicio del mercado. Además, las dinámicas urbanas, en lugar de redensificar, enverdecer y humanizar el espacio, le seguirán apostando a dos clases de guetos que desestructuran el tejido social en los escenarios urbanos: unos carentes de infraestructura donde la vida se deteriora y la inequidad profundiza la desigualdad humana, y otros constituidos por unidades residenciales cerradas para la clase pudiente que se aísla y protege de los pobres. Hoy, conforme los antivalores van colonizando la desesperanza, se acentuará la pérdida de las virtudes ciudadanas, y por lo tanto se fragmentará más nuestra sociedad.

133

U.N. de Colombia

Geomecánica

Mientras persistamos en modelos de ciudades insolidarias y excluyentes, pensadas más para los carros y para el consumo que para la gente, y en un modelo educativo anacrónico y aburrido que no desarrolla el talento humano: los más pobres no tendrán opciones de vida y las consecuencias se harán insostenibles: los programas públicos terminarán fracasando, las intervenciones sociales no cumplirán su objetivo, se privilegiará el asistencialismo y la corrupción, y se dinamizarán los factores que deterioran el tejido social y degradan el sistema urbano. Manizales, 5 de Marzo de 2014. ENLACES U.N.

Acuerdo sectorial ganadero.

CTS, Economía y Territorio.

Agua y clima en el desafío ambiental.

Economía colombiana: crisis y retos.

Aguas subterráneas.

Eje Cafetero: cambio climático y vulnerabilidad territorial.

Área metropolitana de Manizales.

El agua en Colombia: glosas.

Cambio climático y gestión ambiental en Caldas.

El desarrollo urbano y económico de Manizales.

Clima, deforestación y corrupción.

Gestión y política pública ambiental, para el patrimonio natural en Colombia.

Colombia biodiversa: potencialidades y desafíos.

Huella hídrica en Colombia.

Colombia Tropical ¿y el agua qué?

La actividad minera solicitada en Planalto, es incompatible con el medio ambiente.

Crisis y opciones en el Río Grande de Colombia.

Manizales: El futuro de la ciudad.

Colombia, país de humedales amenazados.

Cultura del agua en los ríos urbanos.

Páramos vitales para la Ecorregión Cafetera. Patrimonio hídrico: carencias en la abundancia. Preservación Ambiental e Hídrica dentro de la Declaratoria del PCCC. Por falta de bosques con el agua al cuello. ¿Regresión ambiental en la Reserva de Río Blanco? Riesgos para el agua en la ecorregión cafetera de Colombia. Río Blanco, cuna de vida… Ríos urbanos para Manizales. Un pacto con la sociedad y la naturaleza.

Un SOS por la bambusa Nuestros bosques de niebla en guadua. riesgo.

MANUAL DE GEOLOGÍA PARA INGENIEROS. Duque Escobar, Gonzalo. Universidad Nacional de Colombia (2020). See more at: https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/3145

134

U.N. de Colombia

Geomecánica

CAPÍTULO 7 FLUJO DE AGUA EN EL SUELO 7.1 Flujo descendente.

6 ,0

Z

6 ,0

D

Z D

D

CP 5 ,0

4 ,0

3 ,0

V

5 ,0

2,0 m

CE 4 ,0

C

C

C

M, K, T

Dh

3 ,0

Vi

CT

3,0 m 2 ,0

2 ,0

A=0,5 m2 1,0

B

1,0

Z

1,0 m 0 ,0

A

B

B

V h

0 ,0

Datum

-1

A0

1

2

3

4

5

6

V*10 -4 A

6

12

Figura 7.1 Permeámetro vertical de cabeza constante. El permeámetro vertical de cabeza constante recibe agua por D, que fluye por el suelo entre C y B para salir por A. La diferencia de altura o cabeza disponible entre los extremos es de 6m y el flujo en el suelo es descendente. Cálculo de i, Q, v, vi, si el suelo tiene K = 3*10-4 m/s;  = 1/3; T = 2

Ton

m3

Dh 6 = = 2 (DARCY) L 3

a)

Dh = 6m ; L = 3m  i =

b)

Q =  * A = K * i * A = 3 *10−4 * 2 * 0,5 = 3 *10−4 m

c)

 = K * i = 3 *10 −4 * 2 = 6 *10 −4 m sg (velocidad de descarga )

d)

i =

 6 *10 −4 = = 18 *10 −4 m sg 1  3

3

sg

(DARCY)

(velocidad de infiltración i)

(La velocidad real es  < i)

Cálculo de cabezas: (Las rejillas sostienen el suelo en B y C, pero no al agua).

135

U.N. de Colombia Punto

CE

D

6m

C

4m

Geomecánica

CP (con flujo descendente)

CT = CE + CP 6+0= 6m

0m 2 *1

4+2= 6m

= 2m

1

B

2 *1

1m

3 *1

−

1

A

2 *1

0m

−

1 3 *1

1

+

1

1*1

Dh = 6m

1–1= 0m

= −1m

0+0= 0m

= 0m

1

Obsérvese que tanto el punto A, como el D, están a presión atmosférica y que interesa el peso del agua fluyendo hacia abajo, por lo que en CP (de A y B) existe signo negativo, para la columna de 3 metros.

7,0

6,0

2,0 m

5,0

Z

7,0

E Dh

Z

6,0

D

D

CE

1,0 m 4,0

3,0

2,0

1,0

CP

C

C

3,0

Vi

3,0 m 2,0

B

1,0

A

B

B

V

Z

1,0 m 0,0

CT

4,0

C  , K, T

V

5,0

D

h

0,0

Datum

A0

1

2

3

4

5

6

7

A

V*10 -4 0

2

4

6

Figura 7.2 Permeámetro vertical de flujo ascendente. 7.2 FLUJO ASCENDENTE: La figura muestra un permeámetro vertical (Dh = cte) El permeámetro recibe el agua por E; esta fluye ascendiendo por el suelo, entre B y C, para salir por D. La diferencia de altura o cabeza disponible entre los extremos es de 2m. (El área transversal A = 0,5 m2) Cálculo de i, Q, , i, si K = 3*10-4 m/s;  = 1/3; T = 2 TT m 3 a)

Dh = 2 m ; L = 3m  i =

Dh L

=

2

= 0,67 (DARCY)

3

136

U.N. de Colombia

Geomecánica

b)

Q =  * A = K * i * A = 3 * 10

c)

 = K * i = 3 * 10 Vi =

v



=

−4

2,0 * 10 1

−4

* 1,5 * 0,5 = 1,0 * 10

* 1,5 = 2,0 * 10 −4 = 6 * 10

−4 m

sg

−4 m3

sg (DARCY)

(velocidad de descarga; es la real)

-4 m seg

3

d)

(Velocidad de infiltración). La real > infiltración, es correcto. Cálculo de cabezas: (en B y en C existen rejillas porosas para retener el suelo) Punto

CE

CP

CT = CE + CP

E

7m

0m

7 + 0 = 7m

D

5m

0m

5 + 0 = 5m

C

4m

Dh = 2m 1*1

4 + 1 = 5m

= 1m

1

B

1m

1*1

+

1

A

0m

3 *1

+

2 *1

1

= 6m

6 + 1 = 7m

1

7 *1 2 *1 = 7 m = CPB − 1 1

7 + 0 = 7m

Compárese en ambos permeámetros, la cabeza de presión, CP del punto B. El signo +/- depende de la dirección del flujo (aquí es +). Licuación: En un sismo el agua es forzada a evacuar el suelo. Cuando el agua asciende a través de la arena, gracias a la cabeza h, se produce un gradiente hidráulico iS = h L de salida, como

h

ocurre en la pared de aguas abajo de las presas. El esfuerzo vertical V en la base de la arena A, vale: V = SAT L

(agua más suelo)

(7.1)

La presión intersticial U en el plano A vale U = W (L + h) (agua sola)

A

(7.2)

El esqueleto mineral del suelo estará atendiendo esfuerzos que no atiende el agua y que se denominan esfuerzos efectivos ’. El esfuerzo efectivo vertical ’V es: ’V = V – U

L

(suelo solo)

Figura 7.3 Flujo ascendente

(7.3)

Reemplazo 7.1 y 7.2 en 7.3: ’V =S L - W (L + h) = (S -W) L - W h

137

U.N. de Colombia

Geomecánica

’V =’ L - W h



 'V =  ' L 1 − 

Wh  ' L 

(7.4)

La licuación se presenta cuando se anula el esfuerzo efectivo: ’V = 0. Haciéndose (7.4) igual a cero, se obtiene el gradiente crítico ic ic =

Naturalmente

ic =

hc L

´ W

=

GS − 1 1+ e

(7.5)

, donde hc es la altura crítica que en el permeámetro puede causar licuación

cuando ’= 0. La ecuación (7.5) muestra que ic es independiente del tamaño de los sólidos, y que la licuación puede darse en cualquier suelo. Pero en la práctica es más probable en limos, y en arenas de grano fino y medio. En las arcillas, la adherencia del tipo stiction evita la destrucción de los esfuerzos efectivos, y en los suelos gruesos, la permeabilidad es alta, por lo que la demanda de agua para la licuación también lo es. a) Suelo anisotrópico heterogéneo En una estratificación, el flujo puede ser paralelo a las capas (a) o normal (b) de la figura 7.4. El problema consiste en obtener la permeabilidad K equivalente, en la dirección del flujo, K x o Kz, con Darcy: b) Flujo paralelo: El gradiente es el mismo en cualquier capa.

i=−

DP Dx

es constante

qi = Ki * Hi * i

es el caudal en la capa i

q = i S Ki Hi

(7.6)

es el caudal total

q = i Kx H = i Kx S Hi

(7.7)

también es el caudal

de (7.6) = (7.7) K X =

 Ki * Hi  Hi

=

 Ki * Hi H

138

U.N. de Colombia

Z

Geomecánica

DX K1 H1 H

Ki Hi Kn Hn

X

c) Flujo perpendicular: La velocidad no cambia en el suelo.

Figura DPi 7.4 Flujo en suelos anisotrópicos

ii = −

Hi

i =  ii =

−  DPi

H

(7.8)

(7.9)

es diferente en cada capa

gradiente total

i

 − DP   qi = Ki * DX * ii = − Ki * DX  H  i    DPi   q = Kz * Dx * i = − Kz * Dx  H  i    q  H   DPi = − Dxi   K i   i  q   DPi = − Kz * Dx  H i de (7.12) y (7.13), como q = qi:

Kz =

(7.10) con (7.8)

(7.11) (con 7.9)

(7.12) (con 7.10) (7.13) (con 7.11)

H = H   H K    H K i

i

i

i

  I 

(7.14)

7.3 FLUJO BIDIMENSIONAL. Se ha visto el flujo unidimensional, con permeámetros horizontales y verticales (ascendente y descendente) y para una y varias capas (flujo paralelo y normal). Veamos ahora el flujo bidimensional permanente, en suelo isotrópico, el que se gobierna por la ecuación de flujo de Laplace en dos variables, de segundo orden y homogénea, y que tiene dos soluciones: La función de potencial  y la función de corriente 

139

U.N. de Colombia

Geomecánica

La ecuación diferencial es

 2 h h + =0 x 2 z 2

POTENCIA (x,z)

CORRIENTE (x,z)

 h =  X = −K x x  h =  Z = −K z z

 h = − Z = K x x  h =  Z = −K z z

Resolviendo estas (integrado), se llega a estas soluciones

( x, z ) = − Kh( x, z ) = − KDP   Dq = 2 − 1 = D 

(7.15)

Donde h es la cabeza hidráulica total, por lo que  es una medida de la cabeza hidráulica total. De otro lado Dq= 2 - 1, significa que el caudal entre dos líneas de corriente es constante y, en consecuencia, las líneas de corriente no se cruzan.

Figura 7.5 Malla de una red de flujo

Como Dq = cte., a/b = cte., en la red de flujo Según Darcy:  = K*i, pero

 +D

Z

 +D



 =

b Dq

a

Dq b

i = DP

Dq

Δ Dq b



a

y también : entonces :

( a)

= − K DP

Pero según   D = − KDP 

X

b

Dq7.6 = Caída * D Figura de potencial en una red de a flujo

(7.16)

RED DE FLUJO CUADRADA: Tomando el valor de q de las expresiones 7.15 y 7.16, si a = b, entonces:

140

U.N. de Colombia

Geomecánica Dq = D = D

Z

D P  DP c* DP

0 0

 0 + N f  D

Dq

Simplificado el problema, tenemos la posibilidad de sumar los elementos de la red de flujo, de acuerdo al número de canales Nf y número de caídas de potencial Nc, así: de (7.17) q = Nf Dq = Nf D = Nf D

NfDq=q 0

o sea

0

0 + Nc  D

X Figura 7.7 Red de flujo cuadrada

(7.17)

 NcD q =  Nf Nc  

(7.18) (7.19)

pero según 7.15, de tiene Nc D = -K Nc DP = -K(P2 – P1) (7.20) Llevando (7.20) a (7.19), donde (P2 – P1) es la

cabeza total (h):

q = −K

Nf (P2 − P1 ) Nc (7.21)

d)

TABLESTACA

e) En la figura 7.8, una tablestaca impermeable (MC), controla un embalse con cabeza (h = MN), y produce un flujo (desde AB hasta DE), cuya red cuadrada se muestra con las líneas de flujo (continuas) ortogonales a las de potencial (puntos). ▪ Son equipotenciales , además: MM’, NN’ CD, y GH; también Nc = 8 ▪ Son líneas de corriente , además: BC, CD y FG; también Nf = 4 Figura 7.8. Flujo por la base de una tablestaca

▪

La red se dibuja sólo en el suelo saturado, no en la roca ni en el agua.

Ejercicio 7.1: En la figura, con la red anterior, calcule q, DP, PI, UI

141

U.N. de Colombia

Geomecánica Solución:

Figura E7.1 Tablestaca

Nf (P2 − P1 )(Según fig. pág. 66) Nc 4 3 q = −10− 4 * (5,5 − 7,5) = 10− 4 m sg 8 (P − P ) − 2 = −0,25m DP = 1 1 = Nc 8

q = −K

PI: La línea de flujo, en el recorrido BCI, pasa por 6½ cuadritos, lo que supone, una caída de potencial de –(6,5x 0,25)m. Entonces, mirando el punto I, media de CD, en la red, PI = P1 – (6,5 * 0,25) = 7,5 – (6,5 * 0,25) = 5,88m UI: se tiene la cabeza total PI, ya calculada, y se conoce la expresión de la cabeza piezométrica. PI =

 UI    W

(

  + ZI  

U I =  W PI − Z I



) = 9,81(5,88 − 3,5) = 23,3 KN m2

142

U.N. de Colombia

Geomecánica

f) CONDICIÓN ANISOTRÓPICA

A' B' = AB *

Kz Kx

h' = h

Esta situación a una redflujo de elementos rectangulares como “d” para que se cumpla en M la Figura E 7.2 conduce Ajuste de red de para condición anisotrópica condición Dq = D = D que utiliza la solución gráfica del problema. Se resuelve la anisotropía gráficamente, con un cambio de escala, como se ve en N, afectando la escala horizontal y no la vertical (o lo contrario) para obtener cuadrilongos como ”d” equivalentes a los rectángulos como “d”. El factor de escala será 1 para Ev y

Kz

Kx

para EH.

g) EXPLICACIÓN DEL MÉTODO GRÁFICO

Figura 7.9 Diseño de una red de flujo.

El procedimiento para dibujar la red de flujo es: Seleccionar las escalas EH y EV adecuadas (f(Kx, Kz)). Definir las fronteras de  y . Delinear las líneas de corriente extremas, es decir, el canal de flujo. Bosquejar unas pocas (3 – 4) líneas de corriente entre las extremas.

143

U.N. de Colombia

Geomecánica

Dibuja líneas equipotenciales ortogonales a las de corriente, formando cuadrilongos. Obsérvense los ángulos de 90° sobre mn, el piso de la presa y la tablestaca, también a la entrada (cd) y salida (hi) del flujo. Mejorar la red, comprobando que en cada elemento cuadrilongo las diagonales se cortan a 90° (o que se pueden inscribir círculos, Figura 7.7. Nota: puede ocurrir (casi siempre) que Nc no sea entero (ver dibujo).

Ejercicio 7.2. Calcular la caída de potencial (DP) y el caudal (Q) bajo la presa de la figura, si las dimensiones son: a-c = 12,9 m; K = 10-4 m/s; e-g = 45m; d-e = 3m; f-f’ = 20m y c-m = 34m. Solución: De la figura Nf = 4 y Nc = 14,3. Además H = 12,9m DP =

H

12,9

=

Nc

= 0, 9 m

14,3

 4   Nf  3 −4  = 46,5 m s  = 10 * 12,9  Nc   14,3 

Q = K * H

Ejercicio 7.3. Calcule la siguiente tabla de energía, para el caso anterior h) Pu nto D E F f’

CE

CP

Punto

34m 31m 31m 11m

12,9 = H 12,0 = H - DP 11,6 = H – 1,4DP 5,2 = H – 8,6DP

R S T G

CE 8m 10m 11m 31m

CP 5,7 = 4,8 = 3,9 = 0,9 =

H - 8DP H - 9DP 0 + 4,3DP 0 + DP

NOTA: La magnitud de la subpresión se disminuye con una tablestaca aguas arriba. Ejercicio 7.4. Calcule la subpresión en la base de la presa anterior y su posición en la base de la presa (Id, en la tablestaca, la DP horizontal)

144

U.N. de Colombia

Geomecánica

UV = CP   w

g =1

m seg 2

w =1

Ton m3

Figura E7.4. Subpresiones en la base de un dique

Punto e f f’ 1 2 3 UW 12,0 11,6 5,2 4,8 3,9 3,0 DS=Xi - Xj 5m 1m 10m 9m 3m 59 8,4 50 39,2 10,4 área i j

4 2,7 7m 20

5 1,8 6m 13,5

▪

DS está leído a escala y es la base de un trapecio, con altura UW.

▪

Las áreas se calculan con DS*(Ui + Uj)/2 en Ton fuerza por metro de presa.

▪

P. la subpresión =S áreas = 205,9 Ton fuerza por metro lineal de presa

4m 5,4

g 0,9 Distancia Fuerza

Para calcular X , punto de aplicación de la resultante P de las subpresiones, supongamos el volcamiento de la presa ¿cómo actúa P? El empuje de la subpresión hacia arriba (como el del agua por la derecha) genera volcamiento, por rotación derecha, en torno al punto g.

(X i + X j )

Área

MOMENTO

2

ij

ij

e-f

42,5 m

59,0

2507,5

f-f’

39,5 m

8,4

331,8

f’- 1

34 m

50,0

1700,0

1-2

24,5 m

39,2

960,4

2-3

18,5 m

10,4

192,4

3-4

13,5 m

20,0

270,0

Trapeci o

145

U.N. de Colombia

Geomecánica

W

A Pa

Pp

P a

c

d

e

gh

Figura 7.10 Empujes por el agua

X =

 Momentos i j =  Momento P  Áreas i j

X =

6067,4 TT - m por metro 205,9 TT por metro

ij

Ejercicio propuesto. Calcule el empuje neto en la

X = 29,5m (a la izquierda desde g) tablestaca. EFECTOS DEL AGUA EN LA PRESA. El flujo trae efectos complementarios, a las otras fuerzas que actúan en la presa (carga de agua, peso de la presa, etc.). El diseñador deberá garantizar la estabilidad de la presa con base en los siguientes “Factores de Seguridad” y conceptos:

FS al volcamiento  2,5 →S momentos en g= 0 (todas las fuerzas) FS por licuación  5 → Depende del gradiente de saida iS FS por deslizamiento  2,5 →Depende de la resistencia al empuje.

FS =

Momento resistivo Momento activo

146

U.N. de Colombia

Geomecánica

Volcamiento. Contribuyen al volcamiento: a. el empuje del agua (A), que actúa a 1/3 de h (tomado desde el nivel del terreno) y su valor es 1 A = w  H2 2

b. Cuando la presa está empotrada en el suelo se presenta una presión activa del suelo, equivalente a

pa = c.

1 K a     h2 2

Las presiones en la base de la presa o la subpresión.

Se oponen al volcamiento el peso (W) de la presa y el empuje pasivo del suelo (Pp), en la pared hg, siendo 1 K p     h2 2

Pp =

NOTA:

Ka = 1

1   =  sat −  w K p ; en arenas, K a = 3 K p , y el peso unitario sumergido

Licuación. El gradiente de salida (iS) se mide en la pared (h-g) de la presa: iS = gradiente crítico (iC) del suelo permeable:

iC =  ' FS =

En el ejercicio anterior, asumiendo SAT = 1,8

TT

DP 0,9m = = 0,3 gh 3m i 0,8 FS = C = = 2,7  ' 0,8 iS 0,3 iC = = = 0,8 W 1

W

DPhg hg

, se compara con el

(ecuación 7.5).

iCRITICO iSALIDA

m3

, tenemos:

iS =

insuficien te

¿Cómo evitar la licuación? Colocando la tablestaca aguas abajo.

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Deslizamiento. Supongamos que se desprecia la excentricidad entre las fuerzas W y P. Así, la fuerza efectiva será W – P normal al piso y con ello el cortante disponible “C” será tg por la normal, que es W – P.

A

E = A + Pa − Pp

W

Pa

Pp

FS =

C E

C = (W − P)Tan 

P (En arenas, =30°)

NOTA: Figura 7.11 Fuerzas sobre la presa ▪

Para prevenir la tubificación se busca que iSALIDA  0,5 más geotextiles en (g-h), que es la pared de aguas abajo de la presa.

▪

Para reducir el caudal infiltrado, se tienen dos soluciones: Una es colocar una tablestaca en la mitad de la base de la presa; otra, instalar un manto impermeable aguas arriba.

1. Calcular Q; FSLIQ; FSVOLC; FSDESLIZ en la presa adjunta. Posteriormente obtenga tres soluciones diferentes así: ▪

Bajar el gradiente de salida con tablestaca aguas abajo; a la 3ra parte del (iS) anterior.

▪

Reducir la subpresión a la mitad del primer caso, con tablestaca y manto impermeable aguas arriba.

▪

Reducir el caudal del primer caso, a la mitad, colocando como medida correctiva un manto impermeable aguas arriba.

DETERMINACIÓN DE LA PERMEABILIDAD (K) EN EL TERRENO (acuífero inconfinado) Uno de los métodos es el bombeo con flujo no confinado, para las condiciones siguientes del estrato permeable, a evaluar; h y q = constantes estables.

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q

A

NAF final Pozo sin camisa

B B

A

hB

hA

RA RB A’ y B’ pozos de observación, a distancias RA, RB q = descarga en el pozo de extracción. K =

(

)

q * Ln RB − R A  hB − h A hB + h A

(

)(

)

1. El gradiente hidráulico es la pendiente del NAF final, i = dh

dR

2. El piso, el NAF inicial y la roca, son superficies horizontales. 3. El flujo es horizontal, es decir, el NAF y el NAP coinciden. Veamos:

q=A*V=A*K*i

Pero A = 2  R h q = 2Rh * K * dh

Luego

dR R

=

1

área sección atravesada por el flujo (hipótesis # 1)

dR

2K

(DARCY))

2

* hdh

q

Al integrar entre R = RA y RB, y entre h = hA y hB, tenemos:

R Ln B R  A

  2K   hB2 =   Q   2   R q * Ln B



RA  

2 h  − A 2 



R q * log  B



   RA  K = = 2 2  ( hB − h A )( hB + h A ) 1,364( hB − h A )

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Se puede evaluar K en perforaciones encamisadas, de diámetro d, si se hace con cabeza constante I, se mide el caudal (q) con el cual el NAF se mantiene constante a la profundidad h. Si se hace con cabeza variable II, se toma el tiempo t entre h1 y h2.

K =

q 2,75 * d * h

  K =

h Ln 1 0,92 * t   h2 d

   

DOCUMENTOS DE COMPLEMENTO ON LINE

Análisis de estabilidad de taludes. Geotecnia para el trópico andino; Escobar Potes, Carlos Enrique Duque Escobar, Gonzalo (2017) Universidad Nacional de Colombia. Manizales. Auscultación de taludes. Geotecnia para el trópico andino; Escobar Potes, Carlos Enrique Duque Escobar, Gonzalo (2017) Universidad Nacional de Colombia. Manizales. Caldas en la biorregión cafetera. Duque Escobar, Gonzalo (2014) Ponencia para el Foro “Por la Defensa del Patrimonio Público, las Fuentes de Empleo y el Bienestar de los Caldenses”. U. de Caldas. Calentamiento global en Colombia. Duque Escobar, Gonzalo (2011) In: El Día Mundial del Medio Ambiente, Junio 6 de 2011, Instituto Universitario de Caldas. Coberturas vegetales. Geotecnia para el trópico andino; Escobar Potes, Carlos Enrique Duque Escobar, Gonzalo (2017) Universidad Nacional de Colombia. Manizales. Corrección de cauces torrenciales. Geotecnia para el trópico andino; Escobar Potes, Carlos Enrique Duque Escobar, Gonzalo (2017) Universidad Nacional de Colombia. Manizales. Erosión y movimientos en masa. Geotecnia para el trópico andino; Escobar Potes, Carlos Enrique Duque Escobar, Gonzalo (2017) Universidad Nacional de Colombia. Manizales. Estructuras de contención. Geotecnia para el trópico andino; Escobar Potes, Carlos Enrique Duque Escobar, Gonzalo (2017) Universidad Nacional de Colombia. Manizales. Estructuras de drenaje. Geotecnia para el trópico andino; Escobar Potes, Carlos Enrique Duque Escobar, Gonzalo (2017) Universidad Nacional de Colombia. Manizales. Fisiografía y geodinámica de los Andes de Colombia. Duque Escobar, Gonzalo and Duque Escobar, Eugenio (2016) Universidad Nacional de Colombia. Manizales. Geomecánica de las laderas de Manizales. Duque Escobar, Gonzalo; Duque Escobar, Eugenio; Murillo López, Cristina (2009) Foro “Gestión del Riesgo por Inestabilidad de Terrenos en Manizales” Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. Manizales, 13 de agosto de 2009. Geomecánica. Book. (10 Book Section) Duque Escobar, Gonzalo and Escobar Potes, Carlos Enrique (2016) Universidad Nacional de Colombia – Sede Manizales, Manizales, Colombia.

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Geotecnia para el trópico andino. Escobar Potes, Carlos Enrique; Duque Escobar, Gonzalo. Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. Geotecnia para el trópico andino. Escobar Potes, Carlos Enrique and Duque Escobar, Gonzalo (2016) Book. (10 Book Section). U.N. de Colombia, Sede Manizales, Colombia. Geotecnia para el trópico andino; Escobar Potes, Carlos Enrique Duque Escobar, Gonzalo (2017) Universidad Nacional de Colombia. Manizales. La Geotecnia. Geotecnia para el trópico andino; Escobar Potes, Carlos Enrique Duque Escobar, Gonzalo (2017) Universidad Nacional de Colombia. Manizales. Laudato sí: El Cuidado de la Casa Común. Memorias. Book. Luis Guillermo Restrepo

Jaramillo · Emilio Chuvieco · Paola Andrea Calderón Cuartas · Monseñor Gonzalo Restrepo Restrepo · Rafael Fayos Febrer · Andrés Salazar Arango · Gunter Pauli · Antonio Elio Brailovsky · Gonzalo Duque Escobar). U. Católica de Manizales.(2020)

Manual de geología para ingenieros. . . Book. (20 Book Section). Duque Escobar, Gonzalo (2003) Universidad Nacional de Colombia, Manizales Materiales térreos. Geotecnia para el trópico andino; Escobar Potes, Carlos Enrique Duque Escobar, Gonzalo (2017) Universidad Nacional de Colombia. Manizales. Mecánica de los suelos. Book. (15 Book Section). Duque Escobar, Gonzalo and Escobar Potes, Carlos Enrique (2002) Universidad Nacional De Colombia. Obras de estabilización. Geotecnia para el trópico andino; Escobar Potes, Carlos Enrique Duque Escobar, Gonzalo (2017) Universidad Nacional de Colombia. Manizales. Riesgo en zonas de montaña por laderas inestables y amenaza volcánica. (II V) Duque Escobar, Gonzalo (2012). Curso Internacional sobre Microzonificación y Planeamiento Urbano. Manizales. Túnel Manizales. Duque Escobar, Gonzalo; Duque Escobar, Eugenio (2010) Ponencia presentada en el XIII Congreso Colombiano de Geotecnia, Sociedad Colombiana de Geotecnia-U.N. De Colombia. Manizales 2010. Una política ambiental pública para Manizales, con gestión del riesgo por sismos, volcanes y laderas. Duque Escobar, Gonzalo (2012) Vulnerabilidad de las laderas de Manizales. Duque Escobar, Gonzalo (2017) Presentación ante la Comisión Cuarta del Concejo de Manizales, del Jueves 11 de Mayo de 2017.

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LECTURA 7: CALDAS EN LA ECORREGIÓN CAFETERA Ponencia presentada en el auditorio José Restrepo Restrepo, durante la Celebración de los 102 años de fundación de la SMP de Manizales, el viernes 27 de junio de 2014. Integración, cooperación y articulación: un sueño de región

Imagen 1: El Triángulo de Oro de Colombia: En el Triángulo de Oro de Colombia habita el 52 % de los colombianos y se genera el 64% del PIB. La construcción de un territorio de paz, obliga a acuerdos regionales sobre acciones integrales, en función de objetivos estratégicos que generen sinergias culturales y ambientales, buscando resolver los conflictos y las problemáticas socio-ambientales de la ecorregión, a partir procesos participativos que propendan por la equidad en el gasto público, el empoderamiento del territorio, como del diseño de políticas públicas en materia social, ambiental y económica y de la transformación de las ventajas comparativas culturales y naturales, en factores de competitividad, implementando estrategias de C&T imbricadas con la cultura. Veamos algunos elementos en el caso del Caldas y del Eje Cafetero. Ecorregión y territorio como sujeto En el Eje Cafetero con 2.5 millones de habitantes, el PIB pasó del 4.5% en 2001 al 3.2% en 2011. Caldas, con 984.000 habitantes, participa con el 1,5% del PIB, del cual más del 50% se concentra en Manizales cuya población de 393.000 representa el 40% de los habitantes, y el 35% restante del PIB se genera en los otros 26 municipios donde habita el 60% de dicha población. Una oportunidad para resolver esa brecha, puede surgir de un nuevo modelo urbano “más verde e incluyente” que descentralice la infraestructura social y económica, y que contemple la conurbación del Eje Cafetero, además del aprovechamiento de proyectos estratégicos como la declaratoria del Paisaje Cultural Cafetero PCC, siempre y cuando se apliquen estrategias de C&T que incluyan la Cultura y se orienten las políticas públicas hacia la consolidación de un territorio más justo, equitativo y soberano, y al desarrollo del capital social en la ecorregión. La dimensión socio-económica

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Imagen 2: Eje Cafetero: Estructura Ecológica (Ideam) y Áreas conurbadas ( Blog SMP Manizales) Proyectos notables para Manizales: Camino de La Elvira (1847); Camino de La Moravia (1890); Cable Aéreo Manizales – Mariquita (1922); Ferrocarril de Caldas (1927); Vía al Magdalena (1939); La Nubia (1961); Vía Irra – La Felisa y Túnel El Espejo (1986). Ahora, la Hidrovía del Magdalena, el Sistema Bimodal Cafetero (Ferrocarril Cafetero y Transversal Cafetera) y el Aeropuerto del Café, podrían cambiar el curso económico de la Ecorregión. Fundado Manizales (1849), el poblado de bahareque y de caminos de arriería, vive un primer período de economía de subsistencia y guerras civiles que llega hasta la guerra de los Mil días (1900-03). En los albores del siglo XX la aldea entra a un segundo período de acumulación gracias al café; es el de los cables y ferrocarriles que llevan dicho producto más allá de los mares. Sigue un tercer período de verdadero desarrollo económico, el del los Jeepaos y las Chivas, cuando se abren los caminos rurales para electrificar el campo y dotarlo de acueductos, escuelas y puestos de salud, con el concurso de la Federación Nacional de Cafeteros (1927) y sus Comités de Cafeteros. Finalmente, a partir de 1970 entramos a un cuarto período de crisis, en el que palidecen los poblados cafeteros y el campo, no sólo por el deterioro de los términos de intercambio, sino también por las consecuencias demográficas y ambientales de la Revolución Verde. Y tras palidecer la sociedad industrial de ayer y haber desmontado el Estado solidario, nuestra sociedad ahora fragmentada entra a un quinto período, el de la globalización de la economía y la cultura. La dimensión ambiental El eje cafetero es un gran jardín deforestado: mientras el suelo apto para potreros es solamente el 4% del territorio, para dicho uso se destina el 49%; y mientras el potencial forestal es del 50%, la cobertura de bosques sólo alcanza el 30%.

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En este territorio verde donde existen conflictos severos entre uso y aptitud del suelo, y los eventos extremos por el calentamiento global acechan, se debe avanzar en el ordenamiento de las cuencas, emprender acciones de adaptación al cambio climático, asegurar el suministro de agua potable y preservar los frágiles ecosistemas. La mega-minería que amenaza los ecosistemas andinos y el agua en toda la alta cordillera, ha desestructurado el patrimonio cultural del occidente caldense en Marmato – Riosucio. Como principio debe plantearse que mientras el oro y el carbón como recursos pueden ser explotados, el agua y la biodiversidad son un patrimonio. Mientras los recursos son una mercancía objeto de explotación por el mercado, el agua, el suelo y la biodiversidad como bienes patrimoniales que deben preservarse, sólo deben ser objeto de aprovechamientos responsables. La sociedad cafetera Los habitantes de la “Tierra del café”, poseemos una cultura donde inciden determinantes de la caucanidad y la antioqueñidad, relacionados con los modos de producción de la minería en la Colonia y con los de la actividad agraria que florece en el Siglo XX, en ambos escenarios. Primero, en la minería aurífera los modos de producción fueron diferentes: en la Provincia del Cauca se soportaba en la esclavitud, mientras en la de Antioquia dependía del trabajo del minero independiente. Segundo, mientras el modelo agrario caucano era el latifundio soportado en un régimen de servidumbre, el modelo de producción cafetera, surge del trabajo asalariado y del minifundio propiedad del colono. No obstante, el cafetero también se enriquece del aporte librepensador del caucano de clase media, fruto de una apertura cultural que lo orienta al comercio: el payanes que al explotar el oro de Barbacoas recibía información de la Capitanía de Panamá, también recibía información del Virreinato del Perú por depender de Quito, e información de la Nueva Granada con quien finalmente comerciaba. Pero tras décadas de verdaderas proezas cafeteras, abandonamos un modo de producción que engrandeció a Colombia entre 1900 y 1970, por apostarle a la Revolución Verde con el monocultivo del café y renunciar a la caficultura orgánica: los campesinos con solo dos años de escolaridad, al no poder asimilar el modelo financiero y tecnológico de la caficultura moderna, vendieron su tierra para emigrar a la ciudad generando una inversión demográfica en la que el país rural se urbaniza. Hoy las estadísticas señalan que la proporción de población con Necesidades Básicas Insatisfechas en Caldas, es 17.76%, contra 0.99% en Manizales donde se concentra más del 50% del PIB caldense. Esto simplemente obliga a considerar nuestra pobreza campesina no sólo bajo parámetros de pobreza monetaria, sino de otros factores para plantear soluciones a la inequidad regional y social, y a las deficiencias en el desarrollo de las capacidades humanas de la población. La ecorregión: un escenario biodiverso y pluricultural a resignificar y descubrir

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Imagen 3: los siete mundos de Samoga Conocemos los íconos culturales del Tolima Grande, de la Región Cundiboyacence, de las Montañas Santandereanas, de la Costa Atlántica, de Antioquia, del Pacífico o de los Llanos Orientales, pero no hemos desarrollado los nuestros en la ecorregión cafetera.

La Ecorregión Cafetera es multidiversa y pluricultural: – El Mundo de la Tierra: El alto occidente, que como tierra de resguardos y negritudes, además de ser una subregión panelera, es minera: en el oro de Marmato y Riosucio existe más novela y poesía que en el café. – El Mundo del Agua: El Magdalena centro, que es tierra de ranchos de hamacas, de

chinchorros, de subiendas de bagres, nicuros y bocachicos, del petróleo de Barranca, de los vapores por el río y de la expedición botánica. – El Mundo del Aire: La región cafetera, tanto la que empieza en Neira y llega hasta el norte del Valle del Cauca, como la que avanza por Manzanares, es la de las chivas, el bahareque, los cables aéreos, los Ferrocarriles Cafeteros y la música de carrilera. – El Mundo del Fuego: La región San Félix-Murillo de fértiles tierras y de paisajes andinos, que tiene sus propios íconos en el cóndor, el pasillo, la ruana de Marulanda, la palma de cera, y el sombrero aguadeño, es la zona fría de la alta cordillera con sus caminos de arriería. Paisaje Cultural Cafetero como macroproyecto integrador

Imagen 4 y 5: Manizales en el alba de los años 20, y Paisaje Cafetero. Por Guillermo Vallejo

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Una estrategia para hacer del Paisaje Cultural Cafetero un factor de desarrollo, es la implementación del “bioturismo”- concepto que incorpora cultura y medio ecosistémico-, apalancado con un programa de vías lentas que cruce poblados lentos, tal cual lo propone la SMP de Marsella, Risaralda, al emprender el ordenamiento de la cuenca del río San Francisco. Con el Paisaje Cultural Cafetero PCC, la suerte de los pequeños poblados cafetaleros dependerá del papel del transporte rural como catalizador de reducción de la pobreza, del bahareque como arquitectura vernácula, de la salud del suelo y del agua, del sombrío para la biodiversidad, de las sanas costumbres, y de un cúmulo de elementos tangibles e intangibles de nuestro patrimonio cultural y natural. Pero el bioturismo que se soporta en lo autóctono y en la biodiversidad, exige una revolución educativa, para hacer viables la reconversión productiva, el desarrollo de la identidad cultural, el fortalecimiento del tejido social y la solución de la brecha de productividad entre ciudad y campo, y eficaz el apoyo institucional. . La descentralización de la infraestructura y las funciones urbanas Los poblados cafeteros que se han rur-urbanizado, deben desarrollar competencias estratégicas para los centros urbanos de la Ciudad Región, bajo el presupuesto de la complementariedad de las funciones urbanas en las áreas metropolitanas de Pereira y Manizales. El nuevo modelo urbano, debe propender por núcleos urbanos autosuficientes, donde se privilegie la movilidad autónoma y el transporte colectivo, en lugar de aplicar modelos de ciudades expandidas y de guetos urbanos; para esas ciudades pensadas para el automóvil y no para las personas, donde la infraestructura urbana privilegia al mercado. Los poblados se transforman en ciudades intermedias, al espacializar sus funciones urbanas, así: Las zonas industriales que, al valorarse por su posición con respecto a los medios de transporte, obligan a ubicarse de cara a los ferrocarriles, puertos, aeropuertos y autopistas. Las zonas residenciales que valen por su función estética y paisajística, deben ubicarse lejos del paisaje de chimeneas de las zonas industriales donde ruidos, vibraciones y aceites derramados se suman a la polución de los vertimientos industriales. Las zonas comerciales que suelen coincidir con los Centros Históricos, al estar constituidas por esos viejos inmuebles que le imprimen el carácter a la ciudad, deben mitigar el deterioro del espacio público, la informalidad y los procesos de lumpenización del centro citadino. Las zonas de servicios que se valoran por su nivel de equipamiento, deben promover la eficiencia del transporte público urbano, y contar con centros de investigación y convenciones, cómodos hoteles, hospitales con servicios complejos, grandes centros comerciales e instalaciones culturales y deportivas… Hacia la Cuidad Región en un escenario rur-urbanizado y conurbado Las capitales cafeteras se han conurbado, en un escenario donde urge consolidar zonas metropolitanas más equitativas, para actuar como Ciudad Región complementando sus economías, y articulando el territorio tal cual lo ha logrado el Quindío. Se requieren tres condiciones para conformar una Ciudad Región: articularse a un centro urbano de igual nivel de relevancia, que sea económicamente complementario, y ubicado a menos de 2 o 3 horas de distancia.

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Sí la urgencia de las megalópolis es volverse internacionalmente competitivas y manejar problemas de escala, la de las ciudades intermedias es conurbarse conformando una ciudad región, para no palidecer. Entre tanto, los pequeños poblados deben articularse a un centro urbano vecino de mayor nivel de relevancia, desarrollando una competencia de cara a las necesidades de dicha ciudad. Mientras Bogotá es la única megalópolis de Colombia, con problemáticas como la movilidad y el crecimiento urbano, Medellín es una ciudad intermedia grande que sólo puede conurbarse con el Eje Cafetero, y las capitales cafeteras ciudades intermedias pequeñas cuya suerte dependerá de su capacidad de articularse hacia adentro y hacia afuera, buscando la complementariedad económica, para no sufrir procesos de vaciado entre sí y desde Cali o Medellín.

Imagen 6-Mapa del PCC en: http://caleidoscopiosurbanos.blogspot.com y Eje Cafetero en Blog de la SMP Manizales Sinergias en la Subregión Centro-Sur de Caldas La Subregión Centro Sur de Caldas, está conformada por cinco municipios, donde la zona urbana de su capital ocupa una posición central. Manizales aportará su potencial económico y cultural, además de su equipamiento u oferta de servicios urbanos como ciudad intermedia. Villamaría además de su natural vocación para la función residencial, contribuirá con el potencial turístico y ambiental de un segmento del Parque Natural de los Nevados. Neira, su patrimonial arquitectura del bahareque en que se soporta el PCC, y la posición geoestratégica de Planes y El km 41 aptas para una zona industrial ligada a los corredores férreos y viales del cañón del Cauca, lugar de conexión del Ferrocarril Cafetero con el Tren de Occidente. Chinchiná, la herencia cultural del caucano librepensador, como epicentro de los beneficios de la conurbación cafetera cuando se desarrolle Aerocafé e interactuemos como ciudad región con Pereira. La Nueva Transversal Cafetera y Tesalia, pueden detonar en Chinchiná y el Rosario, un nodo de desarrollo logístico. Palestina, es la llave de entrada para la ecorregión a las oportunidades de la declaratoria del Paisaje Cultural Cafetero. Aerocafé equipado con pista extendida a 3600 m, presenta ventajas para un aeropuerto de convergencias aéreas, apto para alcanzar mercados transoceánicos ubicados a 5000 millas con tarifas económicas, las que no se pueden alcanzar desde Matecaña donde sólo pueden operar aviones cuyo alcance de 3000 millas, que únicamente llegan a las Américas.

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La infraestructura estratégica para el sistema de transporte

Imagen 7: La nueva Troncal de Occidente. Fuente ANI Primero, el desarrollo portuario colombiano “se ha modernizado” con una infraestructura insuficiente donde la meta ha sido igualar las condiciones del Canal de Panamá construido en 1914. Colombia debe avanzar con el FFCC Verde y la Hidrovía del Atrato, implementando un canal interoceánico que articule sus mares para entrar a los océanos de la economía planetaria, donde se moviliza el 90% de las mercancías y habita el 50% de la población del planeta. Segundo: mientras el 40% del PIB y el 30% de la carga del país se generan en la región Centro-Andina, y el 30% del PIB y el 40% de la carga, se produce en el Occidente colombiano, falta un sistema de vías transversales para el transporte troncal cruzando el triángulo económico de Colombia: estas vías serían: 1- la nueva Transversal Cafetera que uniría a Bogotá con Pereira como centros de gravedad de ambas regiones, lo que complementaría la alternativa del Túnel de La Línea; y 2- el Ferrocarril Cafetero entre La Dorada y el Km 41, para conectar el Altiplano con los mares de la Patria y el Occidente de Colombia a la Hidrovía del Magdalena. Tercero: mientras el transporte fluvial es 6 veces más económico que el Carretero, y el ferroviario 3 o 4 veces más barato, Colombia sigue sacando en tractomula los contenedores a sus mares. Además de la navegación por el Magdalena, debería emplearse el modo férreo extendido a lo largo del Cañón del Cauca entre el Pacífico y Urabá, para salir del Altiplano por Manizales a Buenaventura o a Turbo, con lo cual los fletes por kilómetro caerían entre tres y cuatro veces respecto a los fletes carreteros. Para Medellín, la salida al mar por Urabá en lugar de Cartagena, reduce la distancia al mar en un 40%, cuantía que se triplicaría en el incremento de las exportaciones, consecuencia de la reducción de los fletes extendiendo el tren de Occidente hasta el puerto antioqueño. Cuarto: Aerocafé, proyecto que extendiendo su pista a 3600 m podrá resolver la condición mediterránea del Eje Cafetero y hacer viable el Paisaje Cultural Cafetero. Por su ubicación Aerocafé puede cumplir funciones de convergencia, al contar en un radio de 200 km con 23 millones de habitantes y permitir aviones tipo Jumbo, levantando 112 mil libras, contra 75 mil desde Río Negro o 83 mil desde El Dorado, alcanzando a bajo costo mercados a 5000 millas como Europa, Asia, África y Oceanía, además del Cono Sur, Canadá y la costa oeste de Norte América. Nota: el desplazamiento de la Troncal de Occidente hacia la Variante La Tesalia, impondrá como reto aprovechar la ubicación estratégica del Km 41, sin gravar con nuevos peajes la conectividad interna de las comunidades rurales del Alto Occidente y Norte de Caldas. Una agenda y unas estrategias

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Si bien cada capital cafetera independientemente considera legítima su economía basada en actividades diversas, dada su proximidad en lugar de competir deben complementar sus economías e implementar un sistema de conectividad y movilidad interna, para conurbar sus áreas metropolitanas buscando consolidar un clúster urbano. Además de atender las demandas ambientales de las cuencas blindando los ecosistemas estratégicos de la ecorregión cafetera, y de priorizar la acción del Estado en la formación de capital social frente al crecimiento económico, se debe avanzar en los procesos de identidad cultural en las diferentes subregiones. El nuevo modelo urbano impone redistribuir la infraestructura social y económica, para lograr ventajas asociadas a la construcción de sinergias territoriales a partir de diferencias naturales y culturales, dado que la ecorregión es biodiversa y pluricultural. Para abatir el centralismo como obstáculo para el desarrollo, cada departamento debe articular esfuerzos hacia la consolidación de la Región del Eje Cafetero, como única estrategia para resolver la limitación de su pequeña participación frente al PIB de la Nación. El Eje Cafetero debe resolver su condición mediterránea: primero con los corredores viales para acceder a los mercados internos (Transversales y Autopistas); segundo encontrando una salida al mar más expedita (la Navegación del Magdalena y el Corredor Férreo del Cauca entre Urabá y Buenaventura); tercero materializando un aeropuerto de gran tamaño como Aerocafé para hacer viable el Paisaje Cultural Cafetero, complementado con Matecaña; cuarto fortaleciendo el transporte rural por ser un catalizador de la reducción de la pobreza; quinto expandiendo las TIC por toda la geografía regional; y Sexto integrando el Transporte Urbano de las áreas metropolitanas de Pereira y Manizales. Conclusiones

Imagen 8: Barriada manizaleña, en iammyownreporter.com Una región debe soportarse en un territorio, entendido como un sujeto con identidad cultural resultado de procesos sociales e históricos. El transporte rural como catalizador de la reducción de la pobreza y las TIC, son fundamentales para consolidar el territorio. Deben implementarse políticas públicas soportadas en procesos de C&T y cultura, para construir un territorio ambientalmente sustentable, socialmente equitativo y económicamente viable. Urge un nuevo modelo urbano soportado en sinergias territoriales y en acuerdos para resolver la integración regional, abordando temas sustantivos como: pobreza, ruralidad, agua, cuencas, inversión pública, servicios públicos y movilidad urbana. De implementarse un sistema de transporte que abrigue las áreas metropolitanas y rur-urbanas de las capitales cafeteras, crecerán la economía y las oportunidades sociales de la población.

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Mientras la infraestructura sugerida para implementar un sistema modal del transporte para la zona andina, permitirá el desarrollo de nodos estratégicos en Honda-La Dorada, y en La Felisa – Km 41- La Virginia, Aerocafé será la fórmula para apalancar la apertura del Paisaje Cultural Cafetero. Además, la integración del Eje Cafetero que empieza por consolidar las áreas metropolitanas de sus capitales y obliga a diferenciar competencias en las funciones urbanas, para a consolidar nuestra Ciudad Región, también será la fórmula para estructurar un eje de desarrollo en el Occidente Colombiano entre Medellín y Cali. Para el desarrollo del Eje Cafetero, se hace necesaria la integración de los entes territoriales, en función de la autonomía institucional y la descentralización de los recursos de la Nación, tal cual se señala en el proyecto “Colombia: un país de regiones”, que propone Eduardo Verano de la Rosa, en Colombia país de Regiones. Este documento presentado en el marco de la celebración de los 102 años de fundación de la SMP de Manizales, utiliza elementos de otras presentaciones similares del propio autor elaboradas para el POT de Manizales, y del material de soporte para los módulos de la Maestría en Medio Ambiente y Desarrollo y de Economía del Transporte del posgrado en Vías y Transportes de Ingeniería Civil, de la U. N. De Colombia.

ENLACES U.N.

El agua en la biorregión caldense.

Laderas del Trópico Andino: caso Manizales.

Agua para todos: el desastre del río Mira.

El territorio del Gran Caldas, “La Tierra del Café”.

ONG: desarrollo sostenible, gestión del riesgo y cambio climático.

Al Bahareque le Fue Muy Bien.

Gestión ambiental del riesgo en el territorio.

Amenazas naturales en los Andes de Colombia.

Gestión del Riesgo por Sismos, Volcanes y Laderas en la Política Ambiental de Manizales.

Riesgo en zonas de montaña por laderas inestables y amenaza volcánica.

Acecha El Niño fortalecido por el calentamiento global.

Aspectos geofísicos de los Andes de Colombia.

Huracán Iota: tifón que Eje Cafetero: Cambio abate a San Andrés. climático y vulnerabilidad territorial. La economía azul en la esfera de la producción. Eje Cafetero: construcción social e histórica del La encrucijada ambiental de territorio. Manizales.

Riesgo sísmico: los terremotos. Sismos y volcanes en Colombia. Sismo, bahareque y laderas. UMBRA: la Ecorregión Cafetera en los Mundos de Samoga.

MANUAL DE GEOLOGÍA PARA INGENIEROS. Duque Escobar, Gonzalo. Universidad Nacional de Colombia (2020). See more at: https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/3145

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CAPÍTULO 8 EROSIÓN DE SUELOS 8.1. Erosión. Las actividades de ingeniería vinculadas con excavaciones, construcción de terraplenes y adecuación de terrenos para edificaciones, entre otros, exigen el retiro de la vegetación y la movilización de grandes volúmenes de suelo. Las áreas intervenidas quedan desprovistas de vegetación o de la protección del suelo y son susceptibles a inestabilidad por procesos de erosión y movimientos en masa y el resultado es la movilización del suelo cuando las fuerzas actuantes vencen la resistencia que oponen las partículas de suelo. La erosión involucra el suelo hasta disminuir su eficacia como elemento funcional dentro de las soluciones de ingeniería. La erosión del suelo es la remoción y el transporte de las partículas superficiales por acción del viento y el agua. Ambos adquieren energía cuando se presenta en las formas de precipitación (pluvial), de escorrentía (escurrimiento) y de vientos, que al estar en contacto con el suelo (las primeras por impacto y las segundas por fuerza tractiva), vencen la resistencia del suelo (Fricción Figura 8.1. Talud vial afectado por erosión. Las o cohesión) generándose la erosión. Cuando el lluvias torrenciales adquieren la energía para agua encausada en ríos y quebradas adquiere labrar el talud en forma de surcos de erosión; el viento modela las formas redondeadas. En el pie alta energía, vence la resistencia de suelos, del talud se depositan los sedimentos producidos arenas, cantos y bloques, los moviliza, transporta por la erosión. (Carlos E Escobar P). y deposita a los largo del valle. La acción erosiva de las corrientes es el principal modelador del relieve que observamos. La energía desarrollada por el viento (erosión eólica), vence la resistencia de las partículas de suelo, las moviliza y transporta. Muchos proyectos de ingeniería exigen la remoción de la vegetación y la realización de excavaciones de suelo generando problemas ambientales en laderas y cauces vinculados con la pérdida de áreas protegidas con vegetación, el incremento de la erosión y la incorporación de sedimentos a la corriente, hasta alterar los ecosistemas naturales, generar problemas por sedimentación y hacer menos resilientes los taludes y áreas vinculadas con el proyecto. La erosión edáfica es un proceso normal de movilización, transporte y depósito de sedimentos, principal modeladora del paisaje, y las actividades agropecuarias, el urbanismo y la construcción y operación de la infraestructura para el desarrollo de los pueblos son los factores que aceleran los procesos denudativos y con ellos el incremento de la vulnerabilidad de laderas, taludes, infraestructura y viviendas a la inestabilidad por la acción de los factores del clima, principalmente las lluvias, los vientos y las temperaturas altas que acceden al suelo. La ausencia de la protección del suelo que brinda el follaje de la vegetación hace menos resiliente el suelo frente al cambio climático. Otros procesos principales de remoción de suelo son los movimientos en masa y los procesos de transporte en masa, y cada uno es dominante en ambientes específicos.

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La mayor parte de nuestros conocimientos sobre los mecanismos de erosión y sus tasas correspondientes se basan en el trabajo del Servicio de Conservación de Suelos de los Estados Unidos. El enfoque del SCS siempre ha sido pragmático, y sus predicciones en cuanto a tasas de erosión se han concentrado en torno al desarrollo y extensión de la Ecuación Universal de Pérdida de Suelos (EUPS). Los puntos tanto fuertes como débiles de la EUPS se hallan en la estimación de la erosión como producto de una serie de variables vinculadas con la precipitación, el grado y longitud de la pendiente; los factores edáficos y agrológicos, y los usos del suelo. La erosión hídrica es propia de laderas e incluye el impacto de las gotas de lluvia que desprende el suelo por salpicadura lo compacta, reduce la infiltración, estimula la escorrentía y la capacidad hidráulica del flujo superficial con capacidad de acarreo de sedimentos. La comprensión del fenómeno se soporta en la hidrología, en la hidráulica y en las propiedades del suelo (cohesión y tamaño de las partículas): la hidrología del suelo permite determinar las tasas de infiltración y el porcentaje de retención del agua por el suelo la hidráulica del suelo permite conocer las cualidades del suelo para dejar pasar flujos de agua por sus poros y la capacidad hidráulica de las aguas de escorrentía para movilizar sólidos.

Figura 8.2 Morfología del suelo característica de la acción de la erosión pluvial. La grava sirve de escudo al suelo y lo protege de la energía del agua. (Carlos E Escobar P)

La erosión de suelos, la pérdida de suelos y la acumulación de sedimentos son términos que tienen distintos significados en la tecnología de la erosión de suelos: la erosión de suelos es la cantidad bruta del suelo retirado por la acción dispersante de las gotas de lluvia y por la escorrentía. La pérdida de suelo es el suelo desprendido de una pendiente determinada. La producción de sedimentos es el volumen de suelo depositado en un punto que está bajo evaluación. 8.2 Erosión hídrica. Es la erosión por agua lluvia y comprende la erosión por el impacto de las gotas sobre el suelo desnudo, la acción hidráulica de las aguas de escorrentía con capacidad de movilizar y transportar las partículas de suelo, y modelar el relieve. a. Saltación pluvial. El impacto de las gotas de lluvia en el suelo desprovisto de vegetación, desaloja y moviliza el suelo fino. El impacto compacta el suelo, disminuye la permeabilidad, estimula la escorrentía y contribuye al poder de erosión del agua de escurrimiento. b. Escurrimiento superficial difuso. Comprende la erosión laminar en áreas desprovistas de vegetación afectadas por la saltación pluvial y ocurre cuando la velocidad del agua es menor de 30 cm*seg-1. c. Escurrimiento superficial concentrado. Se produce en surcos de erosión (canales bien definidos y pequeños, figura 8.1), y en cárcavas que son canales o zanjones de mayor dimensión. Cuando el flujo se hace turbulento, la energía del agua adquiere la capacidad de labrar canales paralelos o anastomados, llamados surcos; cuando estos se profundizan y amplían evolucionan a cárcavas, por las que circula agua concentrada durante y poco después de los aguaceros, movilizando grandes volúmenes de material.

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d. Escurrimiento subsuperficial. Las aguas infiltradas ocasionan la tubificación del suelo hasta formar cavidades cuando las fuerzas de filtración superan la resistencia del suelo. Es propio de suelos dispersivos o de formaciones calcáreas. Aspectos relacionados con la erosión hídrica que deben considerarse: 1. Las geoformas denudativas creadas por la erosión. 2. Los fenómenos dinámicos asociados al transporte de las partículas. 3. La sedimentación y colmatación de los valles de los cauces. 8.2.1 Valoración del efecto de la erosión hídrica: se Utiliza:

QR = K  E

(8.1)

En donde QR es la erosión por lluvia, K un coeficiente de proporcionalidad, E la energía cinética de la lluvia y  una constante que depende del tipo de suelo (baja en arcillas y alta en arenas).

A = R  K  ( LS )  (CP)

(8.2)

R = E  I 30

En donde

(8.3)

La ecuación (8.2) presenta los factores más importantes para el control de la erosión. A: Es el promedio de pérdidas de suelo en Ton/Ha; R = EI30 es el factor de lluvia, expresado como el producto de la energía de una lluvia con la intensidad I 30, de 30 minutos; K: es el factor de erodabilidad del suelo (función del tipo de suelo); LS: es la longitud de la pendiente y magnitud de la misma, lo que depende de la topografía del terreno y C: factor de uso del suelo (suelo árido = 1; praderas = 0,1; bosque, selva = 0,01) 8.3 Erosión fluvial. Es la erosión que se presenta en los cursos de agua (quebradas y ríos) y se presenta cuando la fuerza tractiva del agua vence la resistencia que ofrecen e los materiales, los moviliza en las formas de socavación lateral o de fondo. Los procesos movilizan arcillas, limos, arenas, gravas, cantos y bloques, en las formas de acarreo, en disolución, en suspensión y en acarreo de fondo. Los volúmenes movilizados por erosión fluvial en cauces torrenciales son altos.

TIPO EROSIÓN HÍDRICA: La acción de las aguas lluvias y de escorrentía con la contribución los agentes climáticos, sobre superficies inclinadas.

ACCIÓN

Saltación pluvial: Desalojo y dispersión por gotas de lluvia.

•

• • •

Impacto de la gota de agua. Reducción de la capa de infiltración. Destrucción de los poros y de las fisuras del suelo expuesto

ESCURRIMIENTO SUPERFICIAL DIFUSO

Erosión laminar: Arrastre

uniforme de capas de suelo en distancias cortas.

•

EFECTOS

• •

Escurrimiento de suelos limosos y arenosos. Es fuente importante de sedimentos.

ESCURRIMIENTO SUPERFICIAL CONCENTRADO

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NOTA: La acción es de erosión: El estimulada en Surcos escurrimiento concentrado forma laderas (naturales) y taludes pequeños canales paralelos. (construidos) Cárcavas: Son zanjas profundas y amplias, de gran tamaño, difíciles de controlar. EROSIÓN INTERNA: Por flujo subterráneo.

•

• • • • • •

ESCURRIMIENTO SUBSUPERFICIAL

Tubificación y cavernas: Debilitamiento interno.

• •

EROSIÓN FLUVIAL

Socavación de fondo

Socavación lateral

Destrucción de taludes y laderas. Alto aporte de sedimentos. Los canales se borran con perfilado y labranza. Acentuar el relieve promoviendo otras formas de inestabilidad. Fuente importante de sedimentos. Corrección de alto costo.

• • • •

Puede originar manantiales, cárcavas y hundimientos. Profundiza el fondo de los cauces naturales. Desestabiliza las laderas. Progreso remontante. Elimina el soporte de laderas. Amplia el lecho del cauce.

Tabla 8.1 Proceso de erosión hídrica y su contribución a la inestabilidad

•

8.4 Remoción en masa

Son un conjunto de procesos debidos a la transportación directa de materiales, por la acción de la gravedad sin que medie un agente de transporte (hielo, agua, viento). a. Desplazamiento en masa. Es la movilización descendente del material, en estado plástico o elástico, del interfluvio hacia la vaguada y en forma rápida o lenta. Estos fenómenos son del dominio de la Mecánica de Suelos. b. Transporte en masa. Son movimientos de rápidos a muy rápidos de mezclas viscosas de agua y materiales térreos, que avanzan a lo largo de los cauces o sobre las depresiones del terreno y valles de salida de las corrientes. El flujo viscoso se puede originar a partir de masas desplazadas y su estudio es del dominio de la Mecánica de los fluidos.

8.5 Montañas altas en Colombia e inestabilidad (A. Florez) Nuestras altas montañas presentan diferencia geomorfológica que es función de condiciones bioclimáticas ligadas al escalonamiento de altitudes. Existen tres sistemas morfogenéticos ligados al frío actual y pasado, cuyos pisos resultantes son: Glaciar (G), periglaciar (PG) y de modelado glaciar heredado anteholoceno (MGH), ver figura 8.3.

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Figura 8.3 Sistemas morfogenéticos.

a. Piso glaciar (G): Sobre 4.700 m.s.n.m., se presentan “glaciares de montaña”, que son masas de hielo en movimiento. En Colombia, la neoglaciación terminó hace 11.500 años; en período histórico se han deglaciado el Cumbal, Chiles, Pan de Azucar, Puracé, Santa Rosa, Quindio y Cisne y los actuales relictos que suman menos de 100 Km2, son Huila, Tolima, Santa Isabel, Ruiz y las Sierras Nevadas de Chita, Santa Marta y Güicán. Hoy retroceden y pierden espesor los nevados, las grietas glaciares aumentan y esta dinámica implica aportes de agua rápida y arrastres de sedimentos a los pisos inferiores, como también modificación de la frontera entre pisos, que va en ascenso, por inestabilidad del sistema. b. Piso periglaciar (PG): Entre 3.800 m y 4.700 m sobre el nivel del mar. Está la faja amortiguadora de los glaciares, pero este piso no necesariamente exige la presencia de un glaciar, aunque sí las condiciones de altitud y latitud para los procesos de frío y alternancia diaria o estacional del ciclo hielo – fusión. La ausencia de cobertura vegetal y de suelo es casi total, excepto en los niveles inferiores. Los procesos son: escurrimiento difuso y concentrado (por hielo–deshielo); reptación por hielo de exhudación, transportes eólicos (defloción); gelifracción de rocas, descamación de rocas, coladas de barro por fusión de nieve y colmatación de lagunas con sedimentos. El sistema morfogenético evidencia inestabilidad (migración). c. Piso del modelado anteholoceno (MGH). En la gran glaciación, los hielos modelaron hasta los 3.000 m.s.n.m. en Colombia, creando circos, valles en U y cubetas de sobreexcavación, y dejando morrenas y depósitos fluvioglaciares. Hoy, estos modelados cuentan con cobertura vegetal abundante y suelos orgánicos espesos. El piso comprende al páramo y parte del bosque alto–andino. El modelado es abundante en cubetas de socavación glaciar (hoy como lagunas o pantanos). Es el piso vital para las cuencas hidrográficas primarias. El sistema es muy estable hoy y sólo presenta

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procesos menores, como sofución en formaciones superficiales porosas, soliflucción en suelos muy húmedos, disección por escurrimiento superficial y moderada reptación. La dinámica descrita es referida a condiciones exclusivamente naturales, pero la acción antrópica de las últimas décadas ha llevado a este escenario quemas, deforestación y actividades agropecuarias. El suelo, así, está expuesto a la erosión y pierde capacidad de infiltración (factores que repercuten en el ecosistema general). 8.6 Dinámica fluvial La velocidad de una corriente fluvial, viene expresada por:

v = C RI (8.4)

siendo

R=A

P

(8.5) Figura 8.5. Área de la sección y perímetro mojado de un flujo en un cauce natural.

En donde C = coeficiente de rugosidad del lecho, R el radio hidráulico (que es el cociente A/P) e I la pendiente (CHEZY – EYTELWEIN).

También se puede expresar el área de la sección en función del caudal Q y llevar el resultado de (8,5) a (8.4), para obtener

Q v=C I (8.6) v*P

 Q  v (aquí se hizo R = P

 )

Transformando (8.6) para despejar 

v=3

C2 *Q * A (8.7) P

(C =

1 ; n = coeficiente de Manning) n

Con (8.7) queda claro que la velocidad de la corriente no es constante en toda la sección inundada. La velocidad media de la corriente es tan solo entre 6/10 a 8/10 de la velocidad máxima, la que no necesariamente está en el centro de la corriente sino que oscila pasando de una a otra orilla, y en la vertical se sumerge algo.

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1000

Velocidad (cm*seg-1)

100

10

1

0,1 0,001

0,01

0,1

1

10

Diámetro de la partícula (mm)

Figura 8.6 Hjulstrom (1935) Relación entre el diámetro de las partículas y la velocidad de erosión y sedimentación.

8.7 Hidrotecnia y cuenca

El fenómeno torrencial supone caudales sólidos y crecidas repentinas; la carga de sólidos lo hace en suspensión y como acarreo. La carga de acarreo proviene de la erosión del cauce y la carga de suspensión se origina en la erosión de laderas (hídrica). Pero la corriente transporta acarreos de acuerdo al caudal y éste depende del estado de la cuenca: ambos tienen una relación de causalidad: los caudales altos generan altos volúmenes de acarreos y la erosión del cauce es intensa, y los caudales regulados movilizan bajos volúmenes de sólidos y la erosión del lecho es moderada. Las obras de ingeniería hidráulica utilizadas en el control de la torrencialidad de una corriente se soportan en la restauración forestal de la cuenca: al incrementar el volumen del follaje, de hojarasca y de plantas herbáceas se estimula la infiltración del agua en el suelo y la retención provisional de las aguas pluviales y de las aguas de escorrentía que acceden a la corriente, y con ellas la regulación hidrológica de la cuenca. Una regulación deficiente trae como consecuencia el secamiento de los ríos en verano y las crecientes severas en inviernos. 8.7.1 Restauración biológica de la cuenca. La corrección torrencial y el control hidrológico en las laderas son acciones complementarias: ambas están orientadas hacia la estimulación de la vegetación y a la regulación del agua pluvial y de escorrentía en laderas: el incremento de la infiltración y de los tiempos de concentración de las aguas, sugiere acciones de conservación de la vegetación, su mejora y plantación de nuevas plantas. El establecimiento de vegetación es prioritario y distancia entre plantas y la siembra de especies herbáceas que fortalecen el sotobosque permiten un sistema eficiente en la intercepción y la

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regulación de las aguas. Se prefieren plantas de morfología variada y portes diversos con niveles arbóreos, arbustivos y herbáceos de plantas nativas que contribuyen el equilibrio ecológico, y cuando se establece la fauna se estimula la sucesión vegetal. 8.7.2 Hidrotécnia y cauce. La corrección de un cauce torrencial está orientada a controlar procesos de erosión, transporte y depósito de los sólidos del lecho y de las márgenes. El dinamismo torrencial aparece ligado a la tensión tractiva “”, que es aquella de adquiere la corriente para movilizar y transportar acarreos. Está dada por la siguiente relación:

t = g w ´ R´ S

(8.8)

En donde W es el peso específico de la corriente, R el radio hidráulico y S la pendiente o gradiente hidráulico (línea de energía). A esa tensión tractiva “” se opone el material con su peso, inercia, fricción, etc., generando una resistencia dada por la tensión crítica “0”:

t 0 = K ´ (g s - g w ) ´ d50

(8.9)

En donde K es un coeficiente que se determina experimentalmente y S el peso específico de los materiales acarreados (S - W) es ’. La calificación del estado torrencial se hará en secciones homogéneas, comparando  y 0, es decir, tensión tractiva Vs tensión crítica del contorno. Además W > 1 cuando la corriente tiene materiales en suspensión. 8.7.3 Control vertical y pendiente de compensación IC Cuando  > 0, los lechos se profundizan y los macizos de las márgenes se desestabilizan. Así, las estructuras transversales ofrecen soluciones simples y eficaces. Estas obras forman diques de consolidación, a modo de presas. Sea R el radio hidráulico y n el coeficiente de rugosidad (1/C)

Sección después Sección antes

Dique

Dique

Figura 8.7 Corrección de la pendiente de un cauce.

8.7.4 Control horizontal

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La rectificación del eje hidráulico procede cuando los caudales circundantes adquieren tensiones tractivas que superan las tensiones resistentes del material del contorno. Tanto la erosión como la sedimentación son comunes en los cuerpos de agua con régimen fluvial y se presentan acentuadas en los tramos donde la fuerza centrífuga que adquiere la corriente en las curvas, excava el lecho externo de la curva del cauce, mientras que la margen interna se sedimenta.

Figura 8.8. Dinámica horizontal de un cauce

El proceso no logra equilibrar las tensiones totalmente, en razón a que la erosión y la Figura 8.9 Rectificación con espigones sedimentación hacen inestables los meandros y el cauce migra lateral obligando la ejecución de obras longitudinales para el control horizontal de la corriente. La protección de márgenes puede lograrse con barreras continuas dotadas de materiales resistentes a la erosión, como muros de hormigón, mampostería hidráulica, muros flexibles de gaviones, o escolleras de materiales de mayor diámetro que el del lecho o mediante plantaciones y recubrimientos vegetales.

8.7.5 Emplazamiento de obras Diques de retención. Se emplazan aguas arriba de las áreas que pueden sufrir daños, aprovechando las gargantas estrechas del cauce, aprovechando los ensanchamientos, para construir trampas de sedimentos. Diques de consolidación. Son obras utilizadas para consolidar las laderas marginales. Se construyen emplazados de tal manera que en la sección transversal media del deslizamiento sea soportada por una cuña de relleno suficiente para contener la ladera. Espigones. Su longitud LT es h  LT  B/4. Si se le da empotramiento en la margen = 0,25 LT. El ángulo con el eje de la corriente 70° - 90°. Su separación depende del LT del primero, del ángulo con la orilla de aguas abajo. En curvas, SP  8LT y en rectas SP  6 LT (medida económica); pero también 5,1LT  SP  6,3LT. Si el riesgo es alto SP = 4 LT. Deben tener pendiente hacia el río entre 5% - 25% y profundidad suficiente para prevenir su socavación.

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Ejercicio 8.1 erosión por cambio de uso del suelo. Se tiene un claro despejado con tractor para un proyecto de ingeniería. a) Discutir los problemas y expectativas de erosión. b) Valore los efectos del proyecto. c) Concluya. A = RK (LS) CP = EROSIÓN (1) a) Discusión: Los factores R de lluvia y K de erodabilidad del suelo, no cambian por las adecuaciones del lote que se desea construir. Entonces: EROSIÓN = (LS) CP

(2)

En la parcela, las condiciones topográficas (LS), el uso del suelo y las prácticas de conservación, serán alteradas. El movimiento de tierra con el tractor modifica la longitud e inclinación de la pendiente y en general, el resultado es que el factor (LS) aumenta. Los cambios en la vegetación también son evaluables (en este caso “C” aumenta), y las condiciones de conservación “P” dependerán del diseño y concepción del proyecto. b) Valoración del efecto erosivo: con base en (2) (para P = 1 = constante): Condición (LS) Pendientes antes del modelado 5° (LS) Pendientes luego del modelado 12° C Antes de la tala C Después de la tala

Modificación prevista 5° / 9°  LS = 0,56 12° / 9°  LS = 1,34 C = 0,2 C = 1,0

Aplicando (1) bajo los anteriores presupuestos (P = 1 = constante): EROSIÓN antes de la construcción: RK (0,56)(0,2) = 11,3 RK EROSIÓN después de la construcción: RK (1,34)(1,0) = 1,340 RK c) Conclusión: La erosión en el lote se incrementará cerca de 12 veces. Se requiere, en consecuencia, incluir medidas para el control de la erosión, haciendo que P = 0,3 – 0,4, y logrando que el incremento de la erosión sea sólo de unas 4 veces.

Granulometría Tamiz

W ret (gr)

% pasa

75

500

83,3

63

550

65,0

50

650

43,3

37,5

450

28,3

28

350

16,6

20 los cambios 150 hidrotécnicos. 11,6 S2. Analice 14

150

6,6

10

50

4,9

6,3

100

1,6

6,3

50

-------

Ejercicio 8.2. En un cauce erosionado se toman los siguientes datos: Peso específico del fluido f = 1,11 Ton/m3, altura de la lámina de agua hf = 0,25m, pendiente del lecho J0 =17%, gravedad específica de los sólidos GS = 2,65. Además la granulometría adjunta del material del lecho (WT = 3.000 gr) con su geometría (subíndices y figura E.2) y velocidad V1 de flujo. Si se hace la corrección con diques de consolidación y establecimiento de vegetación (f = 1,00 ton/m3) ampliando la sección del cauce (subíndices 2) y rebajando la pendiente al 8%. Hallar las tensiones tractivas para d50 y críticas 1 y 2, y calculas las profundidades de socavación S1 y

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Geomecánica Se tiene Q = 2,92 m3/s y V2 = 2,96 m/s Solución: a) De la granulometría d10 = 4mm, d30 = 28mm, d50 = 41mm, d60 = 45mm, CU = 11,25, CC = 4,36. El rango de interés granulométrico seá del T = 1 ½’’ al T = N° 4. De consideraciones hidráulicas se han obtenido Q, V1, V2, K,  y n.

b)

Cálculo de tensión tractiva  y tensión crítica C (K = 0,047) 1 =  f 1 * h1 * J1 = 1,10 * 0, 250 * 0,17 = 0,05 TT 2 m  2 =  f 2 * h2 * J 2 = 1,00 * 0, 222 * 0,08 = 0,02 TT 2 m

( ) ( )  C 2 = K ( S −  f 2 )d 50 = 0,047(2,65 − 1,00 ) * 0,041 = 0,0032 TT 2 m

 C1 = K  S −  f 1 d 50 = 0,047 2,65 − 1,10 0,041 = 0,0030 TT 2 m

c) Cálculo del diámetro de equilibrio d1 50 y d2 50. (La condición es C = , Fórmulas 8.1 y 8.2)  C1 0,05  C1 = 1  d 50 = = = 0,68 m 1 K S − f1 0,047 2,65 − 1,10

(

)

(

)

C2 0,02  C 2 =  2  d 50 = = = 0, 26 m 2 K S − f 2 0,047 2,65 − 1,00

(

)

(

)

En la situación nueva (2) cantos de  > 26 cm resultan estables. En la situación anterior (1) se movilizaban cantos mayores ( < 69 cm) d) Oferta de la granulometría del cauce. (Diámetro medio, dm, en el rango sugerido de los cinco tamices)

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(

)

 d i = 14 + 20 + 28 + 37,5 + 50 = 149,5mm  Wi

 Pi =

dm =

=

(150 + 150 + 350 + 450 + 650 ) = 58,3%

WT

3000

 d1 *  Pi

=

149,5 * 58,3

100

= 87, 2 mm

100

1

  * h1,667  1+ X = 0, 28   0,68  * dm 

Q 2,95 = = 13, 47 1,667 1,667 Pm1 * Be *  0, 208 * 3 *1 0,770  13, 47 * 0, 2501,667  H1 =  = 0,642 m 0, 28   0,68 * 1,00 * 87, 2 

1 =

Condiciones finales

2 =

H2

= 0,770

 = 1,00 = Coeficiente de contracción – sin obstáculos

3 Q = A * V = 2,95 m s 2 1 1 donde V = * h 3 * J 2 n

V2 =

h2 = 0,222m, Be 2 = 4,89m, A2 = 0,987m2

Be 2

1+ X

El valor de X es de tablas

V1 =

S1 = H1 − h1 = 0,642 − 0, 250 = 0,392 m

0,987

1

n = 0,035. Manning

A1 0,625 = = 0, 208m 3

Be1

=

 Y = 0,009

Y

 = 1,00 = factor que depende de la probabilidad de Q

h1 = 0,250m, Be 1 = 3m, A1 = 0,625m2

A2

18,3

Asumimos: , , n

Condiciones iniciales

Pm 2 =

(0,29 − 0,30 )

=

 X = 0, 298 

Partimos del tirante H, que es la altura de la columna de agua más la socavación: (H = h + S)

Pm1 =

X = f(Y)

(60 − 40 )

e) Cálculo de socavación (Si)

H

Interpolación para X:

Q

=

A1 Q A2

2,95 0,625

=

2,95 0,987

= 4,72 m s = 2,99 m s

= 0, 202 m

4,89

2,95 = 8,679 1,667 0, 202 * 4,89 * 1

 8,679 * 0, 2221,667  = 0, 28   0,68 * 1,00 * 87, 2 

0,770 = 0,393m

S 2 = H 2 − h 2 = 0,393 − 0, 222 = 0,171m

172

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Resumen y análisis T H J  C dm S 3 0,250 17% 0,05 0,0030 87,2 0,392 4,89 0,222 8% 0,02 0,0032 87,2 0,171 F −i D= *100 +100 +63 -11,2 -60 +6,7 -54 i 59,2 ▪ Disminuye la velocidad porque aumenta el perímetro mojado Pm. SECCIÓN 1 SECCIÓN 2

b 2 4

V 4,72 2,09

Pm 3,12 4,99

-36,6

+56,9

▪

Disminuye la pendiente J, se amplia B, aumenta  y disminuye h.

▪

Se controla la erosión porque disminuye  y aumenta C.

▪

La reducción de V y el aumento de Pm explican la menor socavación S.

▪

Las medidas de reforestación permiten retirar los sólidos de la corriente.

▪

Con las variaciones en  y C el cauce toma una nueva configuración. El nuevo d50 de equilibrio es menor al dm que ofrece el cauce.

▪

La erosión del lecho compromete más rápidamente los finos, lo que trae como consecuencia el cambio de la rugosidad.

▪

La profundidad para la cimentación del dique debe ser superior a H2 = 0,392 m para prevenir su socavación.

▪

Aguas abajo del dique, se observará un cauce sin finos, con una granulometría gruesa, porque el agua, que ha perdido carga de finos, los tomará aguas abajo del dique.

▪

Aguas arriba del dique, se observará un excedente de finos, en virtud a un proceso de sedimentación que irá progresando hacia aguas arriba, por el cambio de nivel de base de la corriente.

▪

El acorazamiento del cauce es el fenómeno con el cual responde la corriente, ya desprovista de finos, aguas abajo. Se trata de un cauce con un lecho de alta rugosidad.

--DOCUMENTOS DE COMPLEMENTO ON LINE Eje Cafetero: cambio climático y vulnerabilidad territorial. Duque Escobar, Gonzalo; Ortiz Ortiz, Doralice; Vélez Upegui, Jorge Julián Especialización en Geografía. Universidad Nacional de Colombia y Universidad Católica Luis Amigó el 8° Congreso Internacional por el Desarrollo Sostenible y el Medio Ambiente, CIMAD- de la Universidad de Manizales. Caldas en la biorregión cafetera. Duque Escobar, Gonzalo (2014) Foro “Por la Defensa del Patrimonio Público, las Fuentes de Empleo y el Bienestar de los Caldenses”. U. de Caldas Calentamiento global en Colombia. Duque Escobar, Gonzalo (2011) In: El Día Mundial del Medio Ambiente, Junio 6 de 2011, IUC Geomecánica de las laderas de Manizales. Duque Escobar, Gonzalo; Duque Escobar, Eugenio; Murillo López, Cristina (2009) Foro “Gestión del Riesgo por Inestabilidad de Terrenos en Manizales” Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. Manizales, 13 de agosto de 2009. Geotecnia para el trópico andino. Escobar Potes, Carlos Enrique; Duque Escobar, Gonzalo. Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. Túnel Manizales. Duque Escobar, Gonzalo; Duque Escobar, Eugenio (2010) Ponencia presentada en el XIII Congreso Colombiano de Geotecnia, Sociedad Colombiana de Geotecnia-U.N. De Colombia. Manizales 2010.

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LECTURA 8: EL DESASTRE DE ARMERO POR LA ERUPCIÓN DEL RUIZ

Imagen de portada: Fotografía del Volcán Nevado del Ruiz, por Jaime Duque Escobar http://en.scientificcommons.org HIPÓTESIS PARA EL PREFACIO Una vez más estas notas para conmemorar una dolorosa fecha como la destrucción de Armero, con la intención de hacer una lectura de la coyuntura previa a la erupción del Ruiz del 13 de noviembre de 1985, de la que se deriven lecciones a partir de las experiencias científicas en torno a un desastre que según mi convicción pudo ser por lo menos mitigado, a pesar de que para entonces el Estado no contaba con políticas ambientales ni de planificación ligadas a la dimensión de los riesgos, y que nuestra sociedad tampoco había desarrollado esa cultura que demanda la apropiación del territorio buscando su adaptación a las amenazas naturales. Al estar desprovistos de instrumentos que proveyeran la capacidad efectiva de intervenir, se dejó a su suerte a decenas de miles de pobladores expuestos y en sumo grado vulnerables, sobre un escenario severamente amenazado por una erupción claramente anunciada, y donde las acciones locales y nacionales de los diferentes actores sociales, resultaron asimétricas, fraccionadas e insuficientes. Si bien ese es el fundamento de la hipótesis que presento, a mi juicio existieron otros factores contribuyentes, cuya intervención pudo desmovilizar o neutralizar de forma oportuna los precarios activos del Estado dispuestos para prevenir la tragedia. Entre ellos, las ideas que me asaltan, discutibles si se quiere por quedar en el plano de las impresiones, es que pudieron más los intereses locales de quienes preocupados por la economía, reclamaban la “desgalerización” de la ciudad – término ahora aplicado en Pasto frente a las crisis del volcán Galeras-, y la irresponsabilidad de funcionarios claves justificándose en flacas y tardías acciones que desatendieron las oportunas recomendaciones de calificados expertos de UNDRO, para terminar calificando de apocalíptico el clamor de notables líderes locales, entre otros factores que finalmente restringieron al ámbito académico las inequívocas señales del volcán, tales como la cenizada del 11 de septiembre de 1985, además de la información obtenida de la historia eruptiva del volcán y del mapa preliminar de amenazas elaborado un mes antes de los acontecimientos, entre otras tareas así provinieran de un grupo inexperto del que hicimos parte al lado de varios compañeros que hoy faltan, tras haber entregado su vida en acciones científicas al servicio de la sociedad. En dicha historia, la del volcán, el insigne investigador Jesús Emilio Ramírez S.J. en su obra Historia de los Terremotos de Colombia (1983), describía las erupciones del Ruiz de 1595 y 1845, dando

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cuenta de sendos flujos de lodo que se esparcen en el valle de salida del Lagunilla, hechos que coincidirán con lo acaecido en 1985, sólo que para entonces no existía la población de Armero, la que fuera fundada en 1895. Los trabajos de Darrel Herd (1974), sobre vulcanismo y glaciación del complejo volcánico sumados a los de Franco Barberi para la investigación del proyecto geotérmico del cual participé, definitivamente le daban cimientos a las proyecciones del riesgo derivadas del reconocimiento histórico del Padre Ramírez. Si bien el motivo que nos congrega en cada efemérides es reflexionar para construir como colectivo, mi aporte partirá de lo que ya he consignado hace diez años para similar propósito, en “Las lecciones del volcán del Ruiz a los 20 años del desastre de Armero” (2005), de nuevas reflexiones hechas a partir de la lectura de los desastres naturales que continúan surgiendo en la geografía de nuestro convulsionado país, además de las experiencias ya vividas con la coyuntura volcánica en los dramáticos sucesos de 1985, e incluso las acumuladas desde el año 1979 cuando participaba de las investigaciones del potencial geotérmico del complejo volcánico Ruiz Tolima. EL ALBA DE LA COYUNTURA

Cráter Arenas del Volcán Nevado del Ruiz. Ingeominas Para empezar, un poco de historia sobre los antecedentes, correspondiente a un primer período de esas inequívocas señales entregadas por el volcán, el de los meses previos a la erupción freática del 11 de septiembre de 1985, y en especial a la erupción magmática del 13 de noviembre de 1985. La reactivación del Volcán Nevado del Ruiz se anuncia desde el 22 de diciembre de 1984 con ruidos y sismos locales, olores a azufre y manchas amarillas en la nieve, y las primeras advertencias llegan a Ingeominas iniciando 1985 con las recomendaciones de John Tomblin como responsable de la entonces Oficina de las Naciones Unidas para el Socorro en Caso de Desastres -UNDRO-, invitado para el caso a Colombia. Dos meses después se publica la noticia en el diario local La Patria, donde se dan a conocer los hechos, advirtiendo que la actividad de las fumarolas no era motivo de alarma. El 23 de marzo de 1985 realizamos un seminario abierto y concurrido en el Aula Máxima de la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales, en el que se informa sobre una reactivación del Volcán, sus erupciones históricas y los riesgos, y los posibles eventos esperados frente a una erupción. Todo esto se consigna en el Boletín de Vías y Transportes Nº53, donde se publica el resultado de una labor científica previa adelantada en el volcán por nuestro grupo de trabajo, compuesto por

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expertos voluntarios, profesores de las universidades Nacional y de Caldas, y miembros del Departamento de Geotermia de la Central Hidroeléctrica de Caldas CHEC, labor cuyo propósito era mapear el cráter activo, describir la actividad fumarólica, generar una información adecuada para dar respuesta a las crecientes inquietudes de la comunidad y sugerir lo que fuera del caso. En mayo se recibe la visita del científico Minard Hall como delegado de UNDRO, quien reclama de nuevo la atención a las anteriores recomendaciones de dicha organización, expresa su preocupación por la persistente actividad del Ruiz, y de paso señala la necesidad de acometer una gestión para la atención oportuna del riesgo priorizando las zonas habitadas, tras mostrarnos en el lugar el potencial de flujos de lodo del edificio volcánico, asociado a la presencia de los glaciares y materiales de arrastre disponibles. En julio, cuando ya se empieza a percibir el olor a azufre en Manizales, luego de intentar infructuosamente durante los meses precedentes obtener unos sismógrafos para iniciar el monitoreo del Volcán, y de haber recurrido al Cuerpo Suizo de Socorro para conseguirlos por otra vía gracias a una gestión iniciada por Hans Meyer, se establece Ingeominas aportando los cuatro sismógrafos y justificando su tardanza en la dificultad que tuvo para conseguir las piezas de repuesto; el hecho en sí y la precaria justificación permiten mostrar la importancia que se le daba al asunto en Bogotá. En agosto llega el científico Bruno Martinelli como respuesta del Cuerpo Suizo de Socorro a una solicitud del Gobernador de Caldas y del alcalde de Manizales, tras un mes de preparativos en el cual se decidió desarrollar la tecnología buscando adaptar los sismógrafos para operar en ambientes a temperaturas bajo cero grados, lo que suponía hacer uso de la electrónica militar. Indudablemente estos meses perdidos al lado de la inexperiencia que nos asistía, será una de las causas más relevantes en el trágico desenlace de los acontecimientos. Para información de ustedes, varios de los que actuábamos éramos de algún modo parte del equipo organizado desde 1979 por Ariel César Echeverri, con la misión de investigar el potencial geotérmico del Ruiz; la mayoría ingenieros con 500 horas de instrucción en Geofísica entre los años 1983 y 1984 impartida por eminentes profesores de las escuelas italianas de Nápoles y Pisa, y dos entre los miembros del grupo, con estudios en Geotermia. Del equipo hacíamos parte entre otros, Néstor García Parra QEPD, la geóloga Marta Lucía Calvache y Bernardo Salazar Arango como miembros del Departamento de Geotermia de la CHEC, además del grupo de geoquímica de aguas termales de la Universidad Nacional liderado por la Profesora Adela Londoño Carvajal. LUCES Y SOMBRAS DE LA TRAGEDIA

Extensión espacial de los eventos del V. N. del Ruiz en 1985. Fuente: www.tulane.edu

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Estando presto a salir Bruno Martinelli para Suiza quien un mes antes había cambiado un volcán de África, el Niragongo, por el Ruiz, este geofísico de enorme dimensión humana debió esperar para la evaluación de la información sismológica recogida en los entornos del antiguo refugio del Ruiz donde se hospedaba, porque al medio día de ese 11 de septiembre se produce una erupción freática en el cráter Arenas, cuyas cenizas llegan a Manizales para despejar las dudas de los más escépticos. Confieso que, si bien desde 1979 estábamos investigando el tema de los volcanes, el evento nos llevó a esa extraña dimensión que señala Lévi Strauss en Tristes Trópicos, porque frente a semejante fenómeno estábamos como quien cree saber de un extraño lugar porque colecciona sus imágenes, al que no ha viajado para sentir su compleja naturaleza y experimentar su carácter. Esta erupción temprana y desconocida que se hace sentir en la ciudad y genera pequeños flujos de lodo que cierran la vía a Murillo, le da la connotación suprarregional al riesgo, y sobre todo detona la ya aplazada confección del mapa de amenazas del Ruiz. De lo ocurrido en ella, a finales de ese mes el equipo de Ingeominas pudo establecer, no sólo la velocidad del pequeño flujo de lodo, sino también la certeza de su ocurrencia en caso de una erupción mayor, dato importante para estimar el tiempo disponible para evacuar a Armero. Igualmente, Ingeominas informa de un represamiento del Lagunillas en la vereda El Cirpe, consecuencia de actividades mineras, un elemento aislado pero fundamental porque vinculará al imaginario de esos pobladores la amenaza temida con la suerte de Armero, así la magnitud de tal represamiento con tan solo 200.000 m3 no compitiera en tamaño y alcance espacial con los voluminosos lahares históricos. Tras el evento, se crea el Comité de Estudios Vulcanológicos de la Comunidad Caldense, bajo la coordinación de Pablo Medina Jaramillo con la secretaría científica de José Fernando Escobar Escobar como coordinador de Ficducal, fundación que reunía a las cinco universidades de Manizales y cuyas actas juiciosamente recolectadas dan testimonio de las actividades y esfuerzos de diferentes instituciones y autoridades de la ciudad, buscando darle buen trámite a una preocupante crisis que no encontraba el eco esperado en el gobierno nacional. Como ilustración: cuatro meses antes de la catástrofe aparece la famosa carta de la jefe de la Oficina de Relaciones Internacionales del Ministerio de Educación, ofreciendo su mediación al gobernador de Caldas para que se le solicite por ese conducto a la Unesco “evitar que el volcán del Ruiz se reactive”. A finales de septiembre, además del histórico debate del parlamentario caldense Hernando Arango Monedero, calificado de apocalíptico en una respuesta del Ministerio que justifica con un pálido balance sus acciones insustanciales, el citado Comité que también recibe las advertencias de UNDRO sobre la posible ocurrencia de flujos de lodo por el río Chinchiná, entre otros eventos de menor relevancia para Manizales, conoce del Censo efectuado por Corpocaldas a lo largo del drenaje de sus tributarios, y revisa una carta del Gobernador de Caldas para solicitarle al gobierno central acciones para atender la problemática. En ese estado de cosas, recuerdo haber solicitado incluir en ella tareas de preparación para la comunidad expuesta en las zonas de alto riesgo y llamar la atención al gobierno para proveer lo que se requiriera para atender los evacuados, incluyendo entre ellos los que moran dentro de un radio de 10 Km y los pobladores de Armero, además de los censados. Para entonces, los temidos tremores del volcán identificados finalmente por Martinelli y reportados ahora por el equipo de sismología, a juicio de éste resultaban preocupantes; la columna de vapor alcanzaba alturas sostenidas que superaban los 10 km, y se implementaban estrategias informativas que hacían uso del manual de UNDRO para el debido manejo de las emergencias volcánicas. Además, la ya visible exacerbación de la actividad fumarólica era interpretada por nuestro grupo de geoquímica, como evidencia de que se empezaban a generar los efectos decisivos previstos por W. Giggembach sobre el tapón del cráter Arenas, y con ellos una posible reducción en la presión del sistema que conduciría a la erupción.

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EL ESTADO DE LA PREVISIÓN

Versión preliminar del mapa de amenazas. Ingeominas y U. de C. Entrado octubre, aunque en tan corto tiempo son notables los avances alcanzados en la confección del mapa de riesgos encomendado al equipo de geólogos de Ingeominas y de la Universidad de Caldas, y por la implementación del modelo metodológico y teórico propuesto por el Neo Zelandés W. Giggembach, útil para la evaluación de la dinámica pre-eruptiva en función de la volatilidad variable de los componentes gaseosos de los fluidos volcánicos – según su composición dependiese de carbono, azufre o cloro -, entre otros logros, también faltaba monitorear la topografía del edificio volcánico para advertir las posibles deformaciones causadas por incrementos en el campo de esfuerzos de darse el ascenso del magma. Entonces se concretan gestiones en el Comité para satisfacer las deficiencias e incertidumbres sobre un proceso urgido de complementos instrumentales y conceptuales, como son traer hasta Manizales a Franco Barberi desde Italia, a Rodolfo Van der Laat desde Costa Rica y a Minard Hall desde Ecuador. Esto se logra, al igual que la traída de Darrel Herd del Servicio Geológicio de EE UU, quien en concurrida conferencia en el Teatro 8 de Junio de la Universidad de Caldas desestima la ocurrencia de un desastre en caso de erupción, a pesar de haber señalado en el Comité la importancia de las tareas que hacíamos en virtud del riesgo existente. Iniciando la segunda semana de octubre, aparece la versión preliminar del Mapa de Riesgos Potenciales del Volcán Nevado del Ruiz, donde además de consignarse la historia del Volcán se señalan las amenazas, entre las que se incluyen: riadas gasopiroclásticas a alta temperatura de alguna severidad con una probabilidad de 2/3 y alcance hasta los 20 km; flujos de lodo de hasta medio centenar de metros de potencia dependiendo del nivel de riesgo de las zonas, asignándoles una probabilidad del 100% en caso de erupción importante, riadas que alcanzaban en dicha cartografía todas las zonas que efectivamente se bañaron de lahares, entre ellas Armero; y también caída de cenizas con igual probabilidad extendiéndose solamente sobre una zona orientada hacia el noreste del cráter, y que por lo tanto excluía de caída de estos piroclastos transportados por el aire a sectores del occidente, omisión para la que sugerimos considerar esa posibilidad por el cambio de la dirección de los vientos regionales entre el verano y el invierno relacionado con la dinámica del clima bimodal andino, lo que se comprobaba con las cenizas del 11 de septiembre anterior y las que alcanzaron a Cartago en 1595.

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Aunque hubo discrepancias sobre las características de los flujos piroclásticos, relacionadas no solamente con la distribución y alcance de los eventos, sino también con la inclusión de una erupción dirigida de ángulo bajo o blast, inclusión soportada en un depósito asociado a una erupción de alta energía que se observa sobre el talud de la vía a Murillo, por ser a nuestro juicio un evento poco probable que ameritaría otro tipo de manejo, siempre se consideró probable una erupción de entre 1 y 2 km3, con una columna eruptiva vertical y no de colapso, dado el coeficiente explosivo de nivel moderado bajo del magma andesítico del Ruiz, a diferencia de lo que puede esperarse de uno dacítico de nivel moderado alto como el de Cerro Bravo o el Huila, donde la columna eruptiva típica es de colapso, y por lo tanto con nubes ardientes de mayor alcance. Entre tanto mientras las labores del monitoreo rudimentario continuaban, seguíamos confiados en que a falta de un sistema telemétrico el volcán se anunciaría a distancia y en que uno de nuestros miembros que permanecía en el lugar: el Ingeniero Bernardo Salazar Arango, exponiendo su vida para observar los sismógrafos allá, informaría en tiempo real por radio sobre cualquier evento de carácter sorpresivo: ambos, volcán y hombre, cumplieron a cabalidad, pero la última señal no fue suficientemente interpretada, como tampoco las que ya había dado el volcán anticipadamente desde horas de la tarde. Hasta aquí la corta extensión espacial y temporal del monitoreo sismológico y geoquímico, donde gravitaba la falta de observaciones de otras variables físicas, como las deformaciones que dependían de medidas geodésicas no implementadas, y de unas observaciones morfológicas, que al no ser sistemáticas a causa de las dificultades y condiciones ambientales, resultaban insuficientes: todo este acerbo impedía generar una línea base para el volcán, necesaria como instrumento para un diagnóstico adecuado y con suficiente aproximación, para calificar el grado de anormalidad de los fenómenos observados. Recuerdo cómo un día antes de la erupción, el grupo de geotermia descendió una vez más y por última vez al fondo del cráter Arenas, para tomar otra muestra de los gases intentando capturarlos en las fumarolas antes de que emergieran y entraran en contacto con la humedad del aire, para malograrse. En esta riesgosa expedición que incluía la tarea adicional de observar las eventuales dinámicas morfológicas, no se reportaron cambios significativos del cráter. Pero al día siguiente, el de la erupción del 13, siendo las 7:30 PM cuando procedíamos a dar inicio al análisis geoquímico en el Laboratorio de la Universidad Nacional, observábamos las muestras obtenidas, con un aspecto turbio inquietante, asunto éste que sumado a los eventos preeruptivos del día, permite calificar la imposibilidad que teníamos de aventurar un pronóstico. . NOCHE DE MUERTE Y DESTRUCCIÓN

Armero 1985. armeroguayabal-tolima.gov.co

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Y a los pocos días de haber concluido la elaboración del mapa de amenazas, a pesar de la caída de cenizas que desde horas de la tarde afectaba a Armero, de las llamadas al cuerpo de bomberos de la “Ciudad blanca” efectuada desde uno de los municipios cordilleranos, de haberse informado el inicio de la erupción por la doble vía que se esperaba: la del volcán y la del hombre, los flujos de lodo estimados después en 100 millones de metros cúbicos, que descendieron raudos desde los glaciares del volcán nevado por las dos vertientes cordilleranas, avanzaron arrasándolo todo hasta alcanzar los poblados ubicados en los valles de salida de los ríos, pero la población no fue evacuada. Por la vertiente del Cauca las riadas de lodo tardaron más de una hora hasta río Claro y parte de Chinchiná, y por la del Magdalena unas dos horas hasta Armero, transitando por la cuenca del Lagunillas, y dos horas hasta las partes bajas de Mariquita primero, para seguir luego a Honda por el Gualí. En Armero los lahares, masas donde participaron agua y sólidos casi por mitades, cubrieron con 2 m de lodos unos 30 km2 del valle, en varias direcciones incluida la del río Sabandija por el norte, ajena a este drenaje. Y como me he preguntado ahora: ¿por qué antes del 13 de noviembre no se produjo ninguna acción ante la advertencia expresa de que, en caso de una erupción, Armero sería borrado por una avalancha? – esto de conformidad con lo que el mapa oficial mostraba desde su primera versión de inicios de octubre, así fuese preliminar -. Posiblemente el trabajo que emprendimos a la fecha fue tomado como un simple ejercicio académico, o también la sistemática preocupación por la información que se daba en la prensa, dudosamente calificada de alarmista, terminó con sus voces por apagar las luces de sensibles periodistas, y por desmantelar una estrategia que pudo contribuir a la necesaria apropiación social del territorio para lograr la prevención del desastre. Calificados expertos de varios países, después de recopilar la información sobre los antecedentes y analizar los hechos, coincidieron en denominar lo ocurrido como “una catástrofe anunciada”, mientras aquí unos y otros rompían sus vestiduras amparados en la imposibilidad de predecir el comportamiento de un volcán, para decir que la suerte padecida por unos 25.000 colombianos fue culpa de la indómita naturaleza y olvidando de paso que los desastres no son naturales, así lo sean los eventos que los generan. La erupción de 1595, tiene como antecedentes de importancia para estimar la duración de las fases preeruptivas del Ruiz, que la identificación del volcán por los conquistadores, se hizo varias decenas de años antes del paroxismo: hacia 1540 en crónicas desde Anserma y Cartago y hacia 1553 en un mapa desde Victoria Caldas y Mariquita. En comparación con los eventos históricos del Ruiz acaecidos en 1595 y 1845, la segunda entre las tres erupciones históricas parece haber generado los mayores flujos de lodo, y la de 1985 no solo fue la de los lahares más modestos sino también la erupción de menor magnitud por volumen de lava erupcionado. Si por volumen la erupción del 19 de febrero de 1845, con unos dos km3 acumulados y vertidos tras 250 años de calma volcánica, pudo duplicar el volumen erupcionado en 1595, para la actual erupción después de 140 años de calma, el volcán podría disponer de al menos 1 km3 de magma, dado que lo se ha vertido ha sido solo una fracción de dicha unidad. Respecto a la erupción de 1845, esto: la gran extensión de la fase de calma que le antecede, el tipo y característica de la erupción, al tratarse de un evento de mayor volumen, pero orientado y sin columna vertical notable, sumado a que el volcán no se anuncia con una actividad preeruptiva visible a distancia desde principios del siglo XIX, son hechos que permitirían inferir un taponamiento del cráter por aquella época, situación que no ocurre ahora donde el conducto del cráter Arenas funciona adecuadamente según lo ocurrido en el Ruiz desde 1985. En cuanto a los ambientes glaciares, mientras las dos primeras erupciones citadas se dieron durante una pequeña glaciación ocurrida entre 1550 y 1850, con picos fríos en 1650, 1770 y 1850, lo que se explica por una baja actividad solar, habrá que tener en cuenta el actual deshielo, donde

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los 29 km del manto de hielo del PNNN existente en 1979 se han reducido casi cuatro veces, como consecuencia del calentamiento global, fenómeno global donde inciden factores antrópicos (emisión de gases de invernadero y deforestación) y causas naturales (el incremento actual de la actividad solar). Además, si bien la erupción de 1985 fue calificada de subpliniana o de nivel 3, al haber cobrado unas 25.000 víctimas mortales queda la lección para no subestimar estos eventos, dado que la del Ruiz (1985) con apenas 1/10 de km3 de magma vertido hasta ahora, por el número de vidas cobradas se ubica en el tercer lugar entre los desastres volcánicos más catastróficos del siglo XX, después del Tambora (1915) con 56.000 y del Krakatoa (1883) con 36.400 víctimas. Esto es, hace 30 años a pesar del compromiso de la comunidad científica que asumió tareas, del esfuerzo de la Cruz Roja y de la Defensa Civil locales en materia de prevención, queda pendiente pagar un saldo que únicamente se liquida sin volver a repetir la tragedia de Armero. Y lo digo porque antes de la erupción del 13 de noviembre de 1985, previo al paroxismo de las 9:20 de la noche hora local, desde las 3:05 de la tarde hubo emisiones de ceniza, y antes del anochecer a modo de señal premonitoria la arena volcánica y fragmentos de pómez caían sobre al poblado tolimense, en un ambiente enrarecido por un extraño olor azufrado. Todo, porque allí como en otros lugares se carecía de una instrucción precisa, de unos medios mínimos y de unos procesos previos de preparación adecuados, para que la población evacuara frente a un evento sorpresivo, el que también daba tiempo al menos para mitigar la desgracia. Esto es, la insuficiencia de la información gravitó, ya que no resultó suficiente la historia y que el mapa no se socializó; también faltaron las instrucciones y el protocolo para evacuar, señalando el por qué, cuándo, cómo y a dónde ir, por lo menos, e incluso, los simulacros del caso como parte de la información intangible. EPÍLOGO

Armero, antes y después del desastre, en UN-Periódico Luego de los sucesos de Armero, cuando se dan las frecuentes noticias sobre las crisis en los volcanes Galeras, Huila y Cerro Machín, además de las del Ruiz, no dejamos de preocuparnos a pesar de saber que nuestros científicos de Ingeominas están altamente capacitados, que se hayan hecho estudios sobre el riesgo, y que se tienen mapas de amenaza y un eficiente sistema de monitoreo.

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Esto porque a pesar de la existencia de un Sistema Nacional de Prevención y Atención de Desastres que ha hecho grandes esfuerzos, se ha consolidado y reestructurado, siempre quedan como preguntas: ¿por qué las personas no evacuan y qué falta en términos tangibles e intangibles? Como evidencia de lo primero, antes del terremoto del Quindío, el Comité Local de Emergencias del pequeño municipio de Pijao, epicentro del sismo, no sólo se reunía periódicamente y producía sus actas, sino que contaba con presupuesto y tomaba sus propias decisiones, tal cual lo hizo el 25 de enero de 1999 y días siguientes, a pesar de quedar incomunicado el poblado y desarticulada su comunidad del contexto regional y nacional. También, porque lo de haber “galerizado a Armero”, posiblemente habría salvado a muchos armeritas de la hecatombe, del mismo modo que lo han hecho las comunidades indígenas de Belalcazar, Inza, Tesalia y otros asentamientos menores de Huila y Cauca en Abril de 2007, cuando tras las erupciones del Volcán Nevado del Huila se generaron lahares que llegaron al Magdalena, arrasando a su paso cultivos, vías y puentes por el cañón del río Páez, donde unos 5.000 habitantes rivereños expuestos a las avalanchas, previamente habían evacuado a zonas seguras. La “galerización”, término extraño para entonces y para quienes no saben del Galeras, refuerza la dialéctica del discurso como herramienta estratégica para entender la problemática que existe en Pasto, donde se repite lo que se hizo en Manizales cuando se desdibujó una estrategia comunicativa, con expresiones como “aquí todos éramos vulcanólogos” cuya perversa intensión era detener el proceso de aprendizaje popular, en beneficio del mercado. La dimensión social, política, cultural y económica de los desastres en Colombia, podría darnos esas respuestas que espero no se resuelvan con nuevos acontecimientos como los que se han vivido fruto de la imprevisión, por no comprender la naturaleza socioambiental de los conflictos en la construcción social del territorio, como lo ha sido el del proceso que explica el desastre de Armero. Con las leyes de la Cultura, del nuevo Sistema Ambiental y de la Reforma Urbana, y en particular con la nueva Ley Orgánica de Ordenamiento Territorial, la LOOT, que pasa del enfoque municipal al de regiones y asociaciones de municipios, contemplando aspectos estructurales como la gestión integral del riesgo y el manejo responsable del medio ambiente, hoy se contempla la dimensión de los desastres y se consagra el derecho de la participación ciudadana; pero urge implementar la gestión del riesgo, primero, asegurando las acciones misionales de institutos como el Ingeominas, hoy Servicio Geológico de Colombia, y las de complemento de las autoridades ambientales; segundo, avanzando con los procesos de ordenamiento del territorio previendo los usos conflictivos del suelo; y tercero, fortaleciendo los procesos pedagógicos de apropiación social soportados en la participación comunitaria y de la sociedad civil. Al respecto, mientras la Previsión a corto plazo que se relaciona con los procesos geodinámicos y afines, incluye las tareas de observación sistemática de variables físicas y el desarrollo de modelos, tal cual lo hace ahora el Observatorio Vulcanológico de Manizales, para la Previsión general que se materializa en mapas de amenaza para estudiar los riesgos naturales y asegurar el uso sostenible del suelo, en materia de cartografía y de acciones de las autoridades territoriales, aún encontramos profundas deficiencias, al igual que en los procesos del ordenamiento del territorio por no ser concebidos con enfoques del orden socioambiental. Esta loable y muy difícil labor para el caso de los volcanes activos, la han desarrollado oportunamente los científicos de Ingeominas en los tres segmentos de los Andes colombianos; pero en los planes de desarrollo y ordenamiento territorial, y de ordenamiento ambiental de cuencas, sabemos hoy se obliga a contemplar la dimensión regional y a aplicar los mapas de amenaza durante los extensos períodos de calma sísmica y volcánica, para proceder con una ocupación no conflictiva del suelo en términos de exposición a la amenaza y mitigación de riesgos de esta naturaleza. Me temo que, con una visión de corto plazo y la baja propensión a las acciones estructurales señaladas, estaremos desaprovechando el esfuerzo de muchas instituciones del país, como la de

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nuestros observatorios vulcanológicos y sismológicos que han perdido algunos de sus miembros, comprometiendo la suerte de la Nación y exponiendo a varias comunidades vulnerables de Colombia en lugares donde el riesgo no resulta racionalmente mitigable. Manizales, noviembre 11 de 2015. Documento preparado para la conmemoración del trigésimo aniversario de la tragedia, en el Contexto de CT&S, de la UN de Colombia, Sede Manizales. . ENLACES U.N. Amenazas naturales en los Andes de Colombia.

Gestión del riesgo natural y el caso de Colombia.

Colombia: riesgos geodinámicos y hábitat.

Gestión del Riesgo por Sismos, Volcanes y Laderas en la Política Ambiental de Manizales.

El volcán y el desastre de Armero. Cumanday, ¿el león dormido? El Ruiz, amerita medidas de prevención y no pánico. El desastre en el río Mira. El siniestro de Mocoa, designio de la imprevisión. Gestión ambiental del riesgo en el territorio.

Haití sin resiliencia para el desastre. Hidro-Ituango: una lectura a la crisis Huracán Iota: tifón que abate a San Andrés. Huracanes y terremotos acechan. Llega el invierno, ¿pero la vulnerabilidad qué?

No hay más terremotos, simplemente desastres más grandes. Por falta de bosques con el agua al cuello. Riesgo sísmico: los terremotos. Riesgo en zonas de montaña por laderas inestables y amenaza volcánica. Sismo, bahareque y laderas. Sistema solar) – PDF (Capítulo 3 Manualgeo). Vulcanismo) - PDF (Capítulo 6 Manualgeo.

IMÁGEN DE COMPLEMENTO:

Lahares asociados al V. N. del Ruiz, de 1595, 1845 y 1985, en Armero. Mojica, Jairo and Brieva, Jorge and Villarroel, Carlos and Colmenares, Fabio and Moreno, Manuel (2012). Imagen adaptada. http://www.bdigital.unal.edu.co/31455/

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CAPÍTULO 9 CONSOLIDACIÓN DE SUELOS La compresión que sufre un suelo se debe a la disminución del volumen de los poros, ya que las partículas se asumen incompresibles o de efecto despreciable. En suelos saturados la compresión ocurre solamente si se presenta drenaje de agua. La compresión gradual de un suelo por efecto de los esfuerzos originados por la presión que ejercen las estructuras superpuestas, recibe el nombre de consolidación.

Nivel del terreno Peso unitario sobre el nivel freático =  T

Nivel freático

9.1 Principio de esfuerzo efectivo

Peso unitario bajo el nivel freático =  sat

Z

Perpendicular a un plano cualquiera (oblicuo o no), que pase por el elemento A del terreno, existe un esfuerzo total () y una presión intersticial o de poros (U), a una profundidad (Z). Ahora, el esfuerzo efectivo (’) se define como el valor de la diferencia entre el esfuerzo total () y la presión de poro (p.p.) (U).

 '=  − U

Z

v

área A

Figura 9.1 Esfuerzos en un punto del suelo.

(9.1)

En la masa de suelo saturada se presenta una reacción por los esfuerzos que soporta el esqueleto mineral (’), que actúan interpartícula, y los esfuerzos por la presión de poro (U) dentro del fluido intersticial que ocupa los poros. La suma de ambos es igual al esfuerzo total (). En las caras del elemento A, de área a2, las partículas de suelo ejercen fuerzas en dirección normal y tangencial, N y T, como se muestra en la figura. Los esfuerzos serán, en ambas caras:

V =

NV N T T ;  h = 2h ;  V = V2 ;  h = h2 2 a a a a

Figura 9.2 Esfuerzos interpartícula

(9.2)

Si se carga el terreno, toda la masa de suelo será afectada. El agua recibirá las nuevas fuerzas y empezará a fluir, los esfuerzos serán transferidos, poco a poco, del agua al esqueleto mineral, y cuando se presente el drenaje total del suelo, habrá disminuido U y aumentado ’.

Figura 9.3 Esfuerzos normales (N) y de corte (T), interpartícula.

184

U.N. de Colombia

Geomecánica

VARIACIONES DE LOS ESFUERZOS EFECTIVOS (’) POR FLUJO DEL AGUA

Datum Datum

d

h

d

L

d

L

B

L

C

A

d

d

d

L

L

L A U

+DU



Aumenta U en DU Disminuye ’ en DU

DU = + W h

 =  SAT * L +  W * d Con flujo ascendente (A) PTO CE CP CT A -d d 0 A -d - L L + d + h h PA – Pa = +h ESFUERZOS en A

U A = (d + L + h ) W

 '=  ' L −  W h

U





U =  W (L + d )

Disminuye U en DU

 ' =  '*L  ' = ( SAT −  W )L  =  SAT * L +  W d Sin flujo (B) PTO CE CP CT B -d d 0 B -d - L d + L 0 PB – Pb = 0 ESFUERZOS en B

U B = (d + L ) W

Aumenta ’ en DU

DU = − W h

 =  SAT L +  W d Con flujo descendente (C) PTO CE CP CT c -d h h-d C -d - L L -d PC –Pc = -h ESFUERZOS en C

U C = (d + L − h ) W

 '=  ' L +  W h

 '=  ' L

z

b

c z

1

2

3

A

B

C

D ESFUERZOS en 1

U -DU

B

a z

C

D ESFUERZOS en 2

+ DU = −D ' = −i * Z *  W DU = D '= 0 9.2 Analogía del pistón con orificio estrecho.

D ESFUERZOS en 3

− DU = +D ' = +i * Z *  W

185

U.N. de Colombia

Geomecánica

El esqueleto mineral se puede asociar con un resorte o muelle que se comprime por las cargas aplicadas al terreno: conforme al agua sale por el orificio estrecho del pistón, el muelle se deforma; los esfuerzos, antes P soportados por el agua, los soporta ahora el muelle: P Si P = M + W también  = ’ + U, donde:  = Presión total o esfuerzo total. ’ = Presión intergranular o esfuerzo efectivo.

Fue rz a P

U = Presión de poros o esfuerzo neutro (p.p.)

W

9.3 Presión de percolación. (Pc).

M

P= M+W al muelle

al agua Tie mpo

Es la presión generada por el flujo al interior del suelo. Su valor es, en flujo vertical, Pc = i*Z*W. Vectorialmente, la fuerza de filtración es J = i  W , donde i es el gradiente hidráulico, y su dirección, la de las líneas de corriente.

Figura 9.4 Analogía del pistón

9.4 Deformaciones en el suelo ( = esfuerzo;  = deformación) Un suelo puede presentar deformaciones permanentes o no por causa de las cargas que soporta. Las deformaciones pueden ser:

9.4.1 Deformación elástica: El suelo puede recobrar su forma y dimensiones originales, cuando cesa la fuerza de deformación. 9.4.2 Deformación plástica: se da corrimiento de la masa del suelo pero la relación de vacíos permanece más o menos constante. Al retirar las cargas el suelo queda deformado, pero su volumen casi se mantiene. 9.4.3 Deformación compresiva: En este caso se presenta deformación en el suelo sometido a carga, y esta se conserva después de esa acción. Esta deformación puede ser por CONSOLIDACIÓN o por COMPACTACIÓN. a) Consolidación: Es la reducción gradual de volumen del suelo por compresión debido a la aplicación de cargas estáticas. También puede darse por pérdida de aire o agua, o por un reajuste de la fábrica textural.

186

U.N. de Colombia

Geomecánica

b) Compactación: Es la densificación del suelo, lograda por medios dinámicos, con el propósito de mejorar sus propiedades ingenieriles. 9.4.4 Clases de consolidación. Puede ser PRIMARIA o SECUNDARIA. Primaria, cuando cargado el suelo, la reducción de volumen se debe a la expulsión del agua, fenómeno en el que se transfiere la carga soportada por el agua al esqueleto mineral, esta es la consolidación propiamente dicha, típica del caso de los suelos de Ciudad de México y de la Torre de Pisa, y con la que nace la Mecánica de Suelos (Terzaghi, 1925). Secundaria, cuando la consolidación se da por reajuste del esqueleto mineral y luego de que la carga está casi toda soportada por este y no por el agua. EDÓMETRO o consolidómetro Es un aparato de laboratorio útil para conocer la compresibilidad de un suelo que va a ser objeto de un proceso de consolidación. La muestra inalterada es un suelo tomado en campo y cortado con cuidado para obtener una probeta, que quede ajustada al diámetro del anillo interior, y con altura de una pulgada. Es por eso que el ensayo se realiza en condiciones de compresión confinada, con una muestra saturada. Al aplicar la carga, el agua se evacúa por dos piedras porosas: una superior y otra inferior. La carga aplicada en el ensayo es incremental. En el ensayo se realiza el registro de las deformaciones Figura Edómetros (en el extensómetro) contra el tiempo. Otros valores que se 9.5. registran y seusuales calculan en el ensayo son la carga y la relación de vacíos. Las cargas se van doblando cada vez y los incrementos se hacen cada 24 horas. Finalmente, la descarga se hace gradual. Cada carga permanece constante sobre la muestra un tiempo conveniente, para lograr la consolidación completa bajo dicha carga. Se estima que en un tiempo mínimo de 24 horas se logra esta condición; transcurrido el tiempo se aplica una nueva carga, siguiendo una relación geométrica con la anterior. Se acostumbra aplicar una serie de 0,50, 1,00, 2,00, 4,00, 8,00, 16,00 Kg/cm 2. Al alcanzar a la presión predeterminada de carga dentro de la serie programada, se procede a realizar la descarga, por decrementos en el orden similar al de la carga. En el ensayo se toman los tiempos t1, t2, t3, …., y las deformaciones respectivas H1, H2, H3,.., en el dial vertical. Con los puntos obtenidos se dibuja la curva tiempo en minutos en el eje de las abscisas y en escala logarítmica, y los asentamientos en el eje de las ordenadas en escala aritmética. Se obtienen las curvas de la figura 9.7. Las curvas que relacionan las cargas (P), con la relación de vacíos son:

187

U.N. de Colombia

Geomecánica

1,5

1,45

1,4

e 1,35

1,52

De av = Dp

Cc = 1,47

a mv = v 1 + e0

e0

e0 De e

1,42

De e

De log( p0 + Dp ) − log p 0

e

e=

Vv Vs

1,37

1,3

1,32

p0

1,25 0

DP 2

p

p0

1,27 4

6

8

0,1

P (Escala aritmética)

DP

p 1

P (escala semilogarítmica)

10

Figura 9.6 Curvas relación de vacíos presión vertical.

De estas gráficas se obtienen COEFICIENTES (magnitud adimensional) y MÓDULOS (magnitud con dimensión) que califican la compresibilidad del suelo así:

2 Coeficiente de compresibilidad (av) (unidades L

F

):

aV =

2

Coeficiente de compresibilidad volumétrica (m v) ( L

F

De DP

(9.3)

), en el que e0 es la relación de vacíos del

suelo antes de un incremento de carga específico y de interés para el geotecnista:

mV =

aV (9.4) 1 + e0

Índice de compresión (CC), (adimensional), se obtiene de la curva semilogarítmica. 2

Coeficiente de consolidación (CV), ( L

F

). Para su cálculo es necesario tener la curva de

asentamiento contra tiempo (escala semilogarítmica), cuyo ajuste consiste en sobreponer la escala UV a la escala de deformación (d).

188

U.N. de Colombia

Geomecánica

Si se extiende el tiempo se logra representar la fase de consolidación secundaria.

Figura 9.7 Curva asentamiento contra tiempo.

AJUSTE. Las tangentes, abajo del punto de inflexión y de la rama final, dan el límite de las dos fases de consolidación (A). En la primera fase, la curva es parabólica, por lo que se pueden tomar dos puntos 1 y 2 tal que t2 = t1/4. El origen con grado 0% de consolidación está arriba del punto 1, una cantidad Z1 = UV 2 – UV Encontrados el 0% y el 100% de UV, 1. termina el ajuste.

Figura 9.8. Curva tiempo contra deformación unitaria

Las anteriores curvas e Vs P, no son rectas, como si lo pueden ser las curvas  -  (que siguen la ley de HOOKE) donde la pendiente da una medida del grado de rigidez o de deformabilidad del material (módulo de YOUNG “E”).

En la consolidación la compresibilidad cambia con la magnitud del esfuerzo, y el valor coeficiente de compresibilidad (aV) debe ser la pendiente que corresponda con las presiones del terreno. NOTA: CV = f(ti, TV, Hi): tiempo, factor tiempo y espesor de la muestra en ti. CURVA - t : Otra forma de obtener CV es dibujando esta curva en escala aritmética y que requiere un ajuste para obtener t90, así: la curva se inicia recta desde el origen M. Se prolonga esa parte inicial, que es lineal y sobre la cual quedará el punto B, que habrá de quedar sobre AD = ordenada para 90%. Debe buscarse al tanteo la altura de AD que satisfaga la condición de que AC = 1,15*AB, siendo c

189

U.N. de Colombia

Geomecánica

un punto de la curva con coordenadas (90%; t 90% ). Finalmente se leen las coordenadas de C que es el punto correspondiente al 90% de la consolidación promedio U para calcular CV. En esta curva, con U = 0% y U = 90% , sobrepongo UV.

9.6 Coeficiente de consolidación secundaria C Con la tangente desde I y la asíntota desde B, se obtiene el punto A, cuya ordenada da el 100% de consolidación PRIMARIA. Debajo del punto A, entre A y B, se tiene la curva de consolidación secundaria. Para Terzaghi la consolidación terminaba en A, al disiparse por completo la presión de poros; pero en realidad, el asentamiento continúa a una velocidad que es función del logaritmo del tiempo (el flujo del suelo es viscoso).

1.1. Figura 9.9 Método de ajuste basado en el logaritmo de tiempo

Si MN es un ciclo logarítmico, y M está debajo de A, C es: C = cambio de relación de vacíos para el ciclo log10 después de A.

9.7 Asentamiento “S” en el ensayo de consolidación (Deformación vertical, confinamiento lateral, material compresible) Para expresar el asentamiento total (de laboratorio), en función de las características de compresibilidad de la muestra, se puede hacer la analogía entre S y De.

De hV0

VACÍOS

hs

SOLIDO

e0

S e 0-De

1

Figura 9.10. Representación de un elemento de suelo antes y después de la consolidación.

h = altura inicial de la muestra. S = asentamiento total de la muestra. hV0 = altura inicial de vacíos =

hV = altura final de vacíos =

hS = altura de sólidos =

Volumen inicial de vacíos área de la muestra

Volumen final de vacíos área de la muestra

Volumen de sólidos área de la muestra

La muestra pierde volumen a expensas de los vacíos: el volumen de vacíos (VV) cambia, pero no el volumen de sólidos (VS), entonces:

190

U.N. de Colombia

S = hV0 − hV =

Geomecánica

hV0 − hV hV0 + hS

h=

hV0 hS hV0 hS

− hV hS +

hS hS

h

S=

e0 − e De h= h = Dh 1 + e0 1 + e0

S=

av  DP  h Pero de (9.3); De = aV * DP  trayendo (9.3) 1 + e0

(9.5)

Se calcula S que es el asentamiento total de una cimentación por la consolidación que experimenta el suelo arcilloso.

S = mv  DP  h

(9.6)

9.8 Analogía de la expresión 9.6 con la ley de Hooke. El coeficiente de compresibilidad volumétrica (mV), (también llamado módulo edométrico) para estimar el asentamiento, y el módulo de elasticidad “E” de la curva esfuerzo deformación ( - ) aparecen en estas dos relaciones: 1) S = mV*DP*h 2) 

=P

A

*L

E

= * L

1.2. Figura 9.11. Deformación vertical con confinamiento E

lateral.

P/A es esfuerzo y L longitud del material con deformación (); entonces h y L son análogos (longitud); DP y  son análogos (esfuerzo), y deformación (S) con  son análogos (L). Así mV con 1/E tienen 2 analogía ( L

F

). mV es el inverso de E: uno expresa COMPRESIBILIDAD, el otro RIGIDEZ.

Rigidez es, en efecto, lo opuesto a la deformabilidad.

9.9 Índices de compresión (Cc) y recompresión (CR).

191

U.N. de Colombia

Geomecánica

Sometiendo a compresión confinada un espécimen, las curvas de relación de vacíos (e), Vs (P=’), en escala logarítmica (Figura 9.12), son: I Curva teórica = nc = bc. II Curva de laboratorio para muestras inalteradas. III Curva de laboratorio para muestras disturbadas. IV Curva que representa una muestra remoldeada.

Figura 9.12 Curvas relación de vacíos (e) contra esfuerzo de compresión ().

Las curvas muestran el tramo virgen b-c o r-c, cuya pendiente es CC. También muestran el tramo de recompresión (Cr), con menor pendiente. (CR = índice de recompresión) en los cuales el suelo se somete a procesos de carga – descarga (a-b c-f). Para calcular CC o CR se utiliza la expresión (9.7)

C=

(e1 − e2 )

 log   ' 2    '1 

=

De D log P

(9.7)

Dependiendo del tramo seleccionado, se estará obteniendo CC o CR. Las curvas I, II, II y IV convergen en c, punto para el cual e = 0,4e0. También, después de cada ciclo de carga–descarga la trayectoria continúa por el “tramo virgen” con pendiente (C C). Las condiciones reales en el campo permitirán determinar si el suelo estará con ’REAL  ’c NOTA: Existe correlación entre el límite líquido y CC: CC = 0,009(LL – 10): para arcillas normalmente consolidadas4 CC = 0,007(LL – 10): para arcillas remoldeadas.

9.10 Cálculo de asentamiento: S = f(CC) De (9.7) se puede obtener

 P + DP   De = CC * log  0  P0 

(9.8)

Llevando (9.8) a (9.5), se puede calcular el asentamiento (S) en función del índice de compresión (CC), o de recompresión (CR). S = f(CC)

S=

4

 P + DP  CC   H  log  0 1 + e0  P0 

Asentamiento (9.9)

El concepto de arcillas normalmente consolidadas se discutirá más adelante.

192

U.N. de Colombia

a)

Geomecánica

9.11 Consolidación y permeabilidad k del suelo compresible

Dos relaciones básicas:

K = Cv  mv   w

(9.10)

Donde se expresa la permeabilidad en función del coeficiente de consolidación y del coeficiente de compresibilidad volumétrica, evidencias de que la deformación se puede evaluar por el volumen de agua drenada en el tiempo, y

mV * H 2 K= W t

(9.11)

En donde la permeabilidad se expresa en función del coeficiente de deformación volumétrica (mV), del tiempo de consolidación (t) y del espesor (H) de la capa drenante (ver H = H0 o H = H0/2, figura 9.16). El tiempo necesario para la consolidación completa del suelo es directamente proporcional a H 2  mv , e inversamente proporcional a la permeabilidad K. Entre dos suelos, las mayores diferencias de consolidación se explican por diferencias en el espesor del suelo y en la permeabilidad.

b)

9.12 Módulo de Young y relación de Poisson

El módulo de elasticidad de Young, E, y el coeficiente o relación de Poisson , NO son constantes de un suelo sino magnitudes que describen su comportamiento. En función de variaciones de esfuerzo  y deformación  son:

E=

(D Z + 2D X )(D Z − D X ) D X (D Z − 2D X ) + D Z D Z

; =

D X D Z − D Z D X (8.11) D X (D Z − 2D X ) + D Z D Z

8.13 Relaciones entre ‘parámetros de  -  en compresión confinada

c)

D=

D V (1 + e0 ) DeV mV =

1 D

1+ e0 D (1 + e0 ) Va CC = 0,435 D aV =

D=

mV =

1 mV

DeV D V (1 + e0 )

aV = (1+ e0 )mV CC =

(1 + e0 ) Va 0,435

1+ e0 aV a mV = V 1 + e0 − De aV = D V a  C C = V Va 0,435 D=

mV

D=

(1 + e0 ) Va

0,435CC 0,45CC mV = (1 + e0 ) Va 0,435CC aV =

 Va

CC =

− De D log  V

193

U.N. de Colombia

Geomecánica

Se han discutido el coeficiente de deformación volumétrica mV, el coeficiente de compresibilidad aV y el índice de compresión CC.

z

Ez =

D=

+e

D es módulo de confinamiento o módulo de compresión confinada que es teoría elástica para X = Y = 0 es:

D=

E (1 −  ) 1 (9.12) = (1 +  )(1 − 2 ) mV

De 1+ e z Ez

Figura 9.13. Módulo de compresión confinada

Ejercicio 9.1 Obtener la curva de deformación volumétrica contra presión vertical (en escala aritmética todo) con los siguientes resultados de una arena calcárea, SW, sometida a un ensayo edométrico. Comente la curva.

CURVA DE DEFORMABILIDAD

V =Kg/cm

2

DVolumen %

V

DV %

Presión Vertical  V (Kg/cm 2) 0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

0

0,36

(nuevo ciclo)

0,26

0,54

16,00

2,77

0,52

0,68

32,00

4,01

2,00

1,39

16,00

3,80

Comentario: los dos3,57 ciclos de 4,00 En la curva 1,86 aparecen8,00 carga, el ensayo con edómetro en la primera descarga, la deformación es del 0,32 4,00 (1,96 menos 8,00 recuperada1,90 3,42 1,64) y en el segundo ciclo, 0,89 (4,01 menos 3,10). Esto 1,65 recuperada 1,00en cada 3,23ciclo es significa4,00 que la deformación del 16% (0,32 sobre 1,96) y del 22% (0,89 sobre 4,01). 0,50 1,64 se debe 0,00a fracturas 3,10 La deformación residual no reversibles.

0,5

1

Dv%, Deformación Volumétrica

0,13

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

También, en el segundo ciclo, la arena inicia con menor rigidez que en el primer ciclo (observando las presiones menores que A la segunda curva es más tendida o menos inclinada). Esto porque ya se han producido deslizamientos entre partículas a esos niveles de carga, y fracturas como se comentó.

194

U.N. de Colombia

Geomecánica

Para cargas mayores, entre A y B, la curva  - DV es esencialmente la misma, como si no hubiera habido una descarga previa. d)

9.14 Carga de preconsolidación

Todo suelo tiene una historia geológica de esfuerzos que puede investigarse en las curvas del ensayo de consolidación. En la figura 9.12a se tiene un set que muestra comportamientos diferentes entre suelos remoldeados (IV) e inalterados (II); la figura 9.12b permite diferenciar, en un ciclo CARGA – DESCARGA, el tramo de recompresión y el tramo virgen de la curva e – (log), que se corresponden con dos situaciones así: presiones ya soportadas por el suelo y nunca antes sobrellevadas por él, de conformidad con lo discutido en el ejercicio 9.1 (comentarios a la curva).

Figura 9.14 Determinación de la presión de preconsolidación

Arturo Casagrande desarrolló el método para conocer la PRESIÓN DE PRECONSOLIDACIÓN. Se escoge el punto de mayor curvatura, en escala semilogarítmica; se traza la horizontal y la tangente a ese punto. Luego se obtiene la bisectriz del ángulo que forma la horizontal con la tangente. Se traza la asíntota al tramo virgen, y la intersección de la asíntota con la bisectriz genera un punto, cuya abscisa corresponde a la presión de preconsolidación (0). a) ARCILLA PRECONSOLIDADA: Es aquella que recibe hoy cargas menores de las que en su historia geológica ha tenido. Esta arcilla es más dura. b) ARCILLA NORMALMENTE CONSOLIDADA: Es aquella que nunca en su historia geológica ha soportado las cargas actuales. Esta es más compresible. Relación de sobreconsolidación RS RS =

Esfuerzo de Preconsolidación (P0 )

(9.13)

Presión de sobrecarga efectiva actual

Si RS < 1, se están aplicando cargas inferiores a la presión de preconsolidación, el suelo responde como suelo duro (situación 1). Si RS > 1, se están aplicando cargas superiores a la presión de preconsolidación P0 y el suelo se comporta como blando (situación 2). Obsérvese que para un incremento de esfuerzo DP = DP1 = DP2, la deformación del suelo De1 es menor que la deformación De2.

Figura 9.15 Relación de preconsolidación

Teoría de la consolidación. (Terzaghi 1925)

195

U.N. de Colombia

Geomecánica

Útil para conocer aproximadamente la rata de asentamiento de un suelo por cargas aplicadas, con base en el resultado del ensayo de consolidación (laboratorio). Hipótesis

•

Estrato de suelo homogéneo, isótropo y de espesor constante.

•

Estrato saturado 100% entre 1 ó 2 superficies más permeables.

•

Compresibilidad del agua y los granos, despreciable.

•

Acciones similares de masas infinitesimales o masas grandes.

•

Compresión unidimensional, en dirección normal a la capa de suelo.

•

Validez de la ley de Darcy.

•

Valores constantes de las profundidades del suelo (algunas cambian).

•

Relación lineal (idealizada) entre relación de vacíos y presión.

•

Deformaciones lentas que permitan despreciar las fuerzas de inercia.

NOTA: se asume que el suelo se consolida en medio de dos capas de arena. La capa superior es un estrato de arena horizontal con carga uniforme. (Ver figuras 9.16a y b; esta situación es la del experimento de la figura 9.6).

q Are na

a



Arcilla

t

t

Flujo

H

Flujo

Dp

e e1 e2

H



U

Are na

t

t t t

b

U1

U

p

p p1

p2

Figura 9.16 a Isócronas b Relación lineal entre P y e.

Figura. 9.16a: Isócronas mostrando cómo se disipa la presión de poros U en el tiempo t i. Como  = cte., ’ aumentará a medida que el agua sale del estrato compresible de arcilla hacia las capas de arena, superior e inferior. Figura. 9.16b: Hipótesis de relación lineal entre P y e. (ABC = recta)

196

U.N. de Colombia

Geomecánica

Figura 9.17a: Estratificación horizontal con flujo vertical y carga q uniforme. Un estrato de arcilla que se consolida entre dos suelos más permeables. Figura 9.17b: En un elemento de altura dz, comprimido, fluye agua verticalmente. En el tiempo dt, entra un volumen de agua dv2 y sale un volumen dv1. El movimiento de agua es producido por la diferencia de presiones de poros U1 y U2 entre los puntos 1 y 2. La ordenada del elemento infinitesimal es Z (figura 9.17a).

A

q

dv  U =U

1

a

Are na

Lámina

z

dz

b

dz 2

H H

A

dv 

U2 =U +

u dz z

Z Datum

Are na

Figura 9.17 a. Estratificación horizontal flujo vertical b Flujo vertical de agua. El elemento infinitesimal perderá volumen a causa de la salida de agua. La pérdida de agua se estima de dos modos: e) Diferencia entre dv1 y dv2 f) Cambio de volumen en función de mV Para el elemento de suelo escogido, fig. 9.17a y 9.17b, el agua sube, y el flujo se debe a la diferencia de presión entre 1 y 2 que es U1 – U2: U1 = U subpresión hidrostática en 1 (9.14)

U2 = U +

i1 = i2 =

1

W 1

W

U dz Z

subpresión hidrostática en 2 (9.15) Los gradientes hidráulicos i1 e i2 en 1 y 2 son:

*

U Z

*

  U  dz  U + Z  Z 

(9.16) (9.17)

Las pérdidas de volumen del suelo (por consolidación), evaluada por el agua que pierde o expulsa y que depende de la permeabilidad (1ª forma), se valora expresando su volumen en función de mV (2ª forma). El valor de dV será:

1ª forma (DARCY)

197

U.N. de Colombia

Geomecánica

El volumen dV1 de agua que sale durante el tiempo dt, es:

dV1 = K

1

W

*

U dt Z

(asumimos Área = 1)

El volumen dV2 de agua que entra durante el tiempo dt, es:

dV2 =

K

W

*

  U  dz dt U + Z  Z 

Restando, dV2 – dV1, obtenemos DdV, el volumen perdido:

DdV =

K

W

 2U * 2 dz dt Z

(9.18)

2ª forma Coeficiente de compresibilidad volumétrico (mV); (Sección 8.7). Recordando, S =

De h 1 + e0

o sea : DdV =

Pero De = aV DP, o sea, de = aV d’

de dz ; (área = 1) 1 + e0

(Figura 9.6)

Siendo d’ la diferencia en el esfuerzo efectivo (o presión efectiva)

DdV = dV1 − dV2 =

aV * d ' • dz = mV d ' dz 1 + e0

(Sección 9.7)

Pero, la carga del terreno es constante; entonces, aunque varían U y ’, no variará  y siempre  = U + ’. Esto sugiere, además, que o = dU + d’, que es lo mismo que dU = -d´. Luego:

U d ' U =−  d ' = − dt t dt t

Entonces, reemplazando d’ en la anterior expresión de DdV:

DdV = −mV

U dt dz t

(9.19)

Igualando (9.18) y (9.19), en valor absoluto, obtenemos:

mV =

U K  2U dt dz = dz dt t  W Z

198

U.N. de Colombia

Geomecánica

U K  2U = * 2 t mV  W Z

U  2U = CV t Z 2 En (8.20), CV =

K

=

mV  W

(9.20) “ECUACIÓN DIFERENCIAL DE CONSOLIDACIÓN”

V H 2 = coeficient e de consolidac ión (Figura 9.7) (Ecuación 9.10) t

Nota: La solución de una ecuación diferencial es una integral. La integral se resuelve con base en sumatorias (por intermedio de series). Estos resultados se presentan en ábacos. 9.16 Solución a la ecuación de comportamiento (Ecuación diferencial de consolidación) Si la extensión de la carga sobre el terreno es ilimitada y la presión aplicada “q” es constante con la profundidad, inicialmente los esfuerzos los asume el agua intersticial en la forma de un exceso de presión de poros, (U0e). ➢ En consecuencia, la llamada CONDICIÓN DE FRONTERA INICIAL es: Para tiempo t = 0, = U0e = q, para 0  Z  H

Ue

➢ Contrariamente, disipación de la presión de poro, la CONDICIÓN FINAL DE FRONTERA es: Para tiempo t = , Ue = 0, para 0  Z  H ➢ La CONDICIÓN DE FRONTERA para cualquier tiempo t será: Para 0 < t < :

U C = 0 en Z = 0; Ue = 0 en Z = H Z

La solución de la ecuación (8.20) está dada por:

U e m = 2   Z  =  sen  M 1 −  exp − M 2 V U 0 e m =0 M   H 

(

donde M =

 2

(2m + 1)

)

(9.21)

con m = 1, 2, 3, ., 

H = longitud máxima de la trayectoria de drenaje TV = Factor (adimensional) de tiempo vertical;

V =

CV t H2

(9.22)

(No confundir TV con t)

199

U.N. de Colombia

Geomecánica

mv

f  0

Relacipon de vacíos e

Deformación unitaria 

Ahora, el GRADO DE CONSOLIDACIÓN de un elemento de suelo UV se define como:

A 

 v0



v

e0 e e  v0



v



vf

v

Figura 9.18 Grado de Consolidación

UV =

(9.25)

e0 − e e0 − e f (9.23)

vf

Esfuerzo vertical efectivo 

UV =

av

si

e0 − e  '− '0 = (9.24) e0 − e f  ' f − '0

 '− ' 0  ' f − ' 0 (No confundir UV con U) Al aplicar el principio de esfuerzos efectivos  = ’ + U para t = 0 y antes de aplicar la carga q en la superficie, se tiene:

q he

S (H – Z) = ’0 + uh

hp

H-z

hh Dz

z

V(z+dz)

H

y luego de aplicar la carga q para t = 0 q + S (H – Z) = ’0 + uh +U0e

Vz

Datum

Uh = presión de poros (p.p.) Ue = sobrepresión o exceso de p.p.

para t = t

q + S (H – Z) = ’ + uh +Ue

para t = 

q + S (H – Z) = ’f + uh

U V = 1 −

Ue U 0e

(9.26)

U0e = exceso de p.p. en t = 0 o sobrepesión inicial

Figura 9.19 Esfuerzos en el suelo

200

U.N. de Colombia

Geomecánica

q

H=

H0 2

H0

+z -z

Drenaje doble

q

H = H0

H0

+z

Roca Drenaje simple

Figura 9.20. Fronteras de una muestra consolidada

El grado de consolidación es igual al grado de disipación del exceso de presión de poros; si se sustituye Ue / U0e en (1) se tiene: m = 2   Z UV = 1 −  sen  M  1 − m =0 M   H

  exp 

(− M 2 V )

(9.27)

La ecuación 8.27 puede resolverse para varios valores de UV en función de Z/H y de TV. Podemos hacer ZV = HZ . Si la lámina de agua reposa en una frontera impermeable y sólo drena hacia arriba, lo que se denomina drenaje simple, se trabaja con la itad superior del ábaco UV, TV, ZV, y en drenaje doble, con todo el ábaco. La figura aludida refleja el proceso de consolidación, ya que muestra la rapidez de aquel en las fronteras drenantes y la lentitud en la frontera impermeable. Además, muestra cómo la consolidación avanza en el tiempo, a medida que aumentan los valores de ’.

201

U.N. de Colombia

Geomecánica

Figura 9.21 ÁBACO DEL GRADO DE CONSOLIDACIÓN UV=f(ZV, TV) (ecuación (9.27)

ZV =

Z H

TV =

CV t H2

H = H0/2 Drenaje doble

Pero además de los valores UV, también se requiere el grado promedio de consolidación U V , que refleja el asentamiento en toda la superficie horizontal. Por analogía en la ecuación (9.26) y teniendo en cuenta la ecuación (9.21) H Ue 1 Ue UV = 1 − = 1−  dz U 0e H 0 U 0e

(reemplazo

Ue ) U 0e

202

U.N. de Colombia

Geomecánica

UV = 1 −

1 H

 

Z 

  M sen M 1 − M  exp (− M

H m =

2

0 m =0

m =

(

2 exp − M 2TV m =0 M

UV = 1 − 

)

2

)

TV dz

(9.28)

Para valores dados de TV puede calcularse el U V correspondiente. En la gráfica de la figura 9.22 UV = Consolidación en el plano medio

U V = Consolidación promedio.

Grado de consolidación en el plano medio Uv

Grado promedio de Uv consolidación

T

U (%)

0,001 0,008 0,018 0,031 0,049 0,071 0,096 0,126 0,159 0,197 0,238 0,287 0,342 0,405 0,477 0,565 0,684 0,848 1,127 ∞?

0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

Figura 9.22. Grados de consolidación en función del tiempo.

g)

9.17 Velocidad de consolidación

La velocidad de compresión secundaria (sección 9.6) depende de las propiedades físico – químicas del suelo y es independiente de su espesor. ➢ La línea de compresión secundaria representa un FLUJO VISCOSO. ➢ La línea de compresión primaria corta la línea de FLUJO VISCOSO en un tiempo t que depende de H2 (en la fórmula de la figura 9.17, ( TV =

CV t

H2

)

203

U.N. de Colombia

Geomecánica

Si comparo dos muestras con espesores diferentes Ha y Hb, los tiempos ta y tb para alcanzar el mismo grado de consolidación están relacionados así:

t=

t TV H 2 C T H2 ; para a y b  a = Vb Va * a2 t b CVaTVb H b CV

(9.29)

Para el mismo suelo y en virtud de que Ua = Ub, cancelo CV y TV

H  t  a = a tb  H b 

2

(9.30)

Debe recordarse que, si existe doble drenaje, el problema considera H = H0 / 2, y si existe drenaje simple, H = H0, por lo que con doble drenaje el tiempo se reduce a la cuarta parte. 8.18 Grado de consolidación promedio, (usar ábaco de la figura 9.22) El grado promedio de consolidación es de utilidad para el ingeniero por que refleja el asentamiento en superficie donde se encuentran las obras de ingeniería (pavimentos, edificaciones, etc.). Se utiliza entrando con un TV dado para obtener un U V en el ábaco de la figura 9.22. Este ábaco da, además, el grado de consolidación de una lámina5 que pasa por la mitad horizontal de la capa que se consolida, o por la frontera impermeable si el suelo experimenta drenaje simple. Ejercicio 9.2. En el perfil anexo, se tiene una capa de arcilla compresible, doblemente drenada y sometida a un efecto de consolidación; se estima que en un período de 5,7 años el NAF baja 15,5m. Elabore un diagrama de esfuerzos para el estrato de arcilla, mostrando la situación inicial y la final anunciadas en los dos contactos con la arena y en el punto A.

e= 0,54 Gs=2,65

15,5

N.A.F.

14,0

Superficie de contacto

A

9,00

Solución: ’ =  - U.

Arena

25,0

29,5

e= 1,20 Gs=2,70

Arcilla Arena

Figura E 9.3

Consideremos el punto A con Zw = 29,50 m, que corresponde al nivel freático inicial, localizado en la superficie del terreno (NAF1),

5

Lámina de espesor dz y de material compresible de la figura 9.17.

204

U.N. de Colombia

Geomecánica

G+e W 1+ e G −1  '= W 1+ e G d = W 1+ e G + S *e  =  1+ e

2,65 + 0,54 (9,81)(25) + 2,70 + 1,2 (9,81)(4,5) − 9,81(29,5) 1 + 0,54 1 + 1,2 = 296,87 KPa  con NAF1

 '0 =

 SAT =

A

Si desciende el nivel de agua freática (NAF2), a 15,5 m, y asumiendo que la arena retiene el 9% de su peso en agua, tenemos:

2,65(1 + 0,09) (9,81)(15,5) + 2,65 + 0,54 (9,81)(9,5) + 1 + 0,54 1 + 0,54 2,70 + 1,2 + (9,81)( 4,5) − 9,81(14) = 377,14 KPa  con NAF2 1 + 1,2

 'f = A

El cuadro presenta el diagrama de esfuerzos (KPa): en los contactos, el cálculo es similar. Además, D’= ’ f - ’0 Punto

Zm

0

U0

’0

f

Uf

’ f

D’

Contacto superior

25

508,02

245,25

262,77

478,25

93,20

385,05

+122,28

29,5

586,27

289,40

296,87

556,50

137,34

419,16

+122,29

34

664,53

333,54

330,99

634,76

181,49

453,27

+122,28

Punto medio A Contacto inferior

Situación con NAF – 1 Situación con NAF – 2

Figura E 8.3b

205

U.N. de Colombia

Geomecánica

Ejercicio 9.4. (de LAMBE). P=10,25 Ton/m2

Se muestra el perfil de un suelo, sobe el que se construyó un relleno. Determinar los efectos de la carga del terraplén en los puntos A, B, C y D de una arcilla, 4 meses después, si se presenta drenaje doble hacia el limo y la arena del perfil.

0,00

NAF =1,90 Ton/m3 Cv=0,30 cm2 /seg

5,20 Limo

Se adjuntan los resultados de la prueba edométrica y los pesos unitarios del limo y de la arcilla, y la permeabilidad de la arcilla. La arcilla es normalmente consolidada.

0,90

Contacto  =1,65 Ton/m3 K=0,018 m/año

Arcilla

4,20

Contacto 2 Arena

A B C

5,20

D

9,40

6,25 7,30

1) Esfuerzos iniciales (Ton/m2) Figura E 9.4 Esfuerzo inicial más sobrecarga

ESFUERZOS INICIALES PUNTO

Z (m)

Descripción Esf. parcial

Ton/m 2

DATUM

0,00

Superficie

5,20 * 1,90

= 9,86

A

5,20

Contacto #1

1,05 * 1,65

= 1,73

B

6,25

Arcilla (int}

1,05 * 1,65

= 1,73

C

7,30

Arcilla (pto medio)

2,10 * 1,65

= 3,47

D

9,40

Contacto #2

V

U

´v = v - U

v ’ + q

0,00

0,00

0,00

10,25

9,86

4,30

5,56

15,81

11,57

5,35

6,24

16,49

13,32

6,40

6,92

17,17

16,79

8,50

8,29

18,54

➢ La última columna, ’+q, muestra el incremento que tendrán los esfuerzos efectivos, después del proceso de consolidación. El estado inicial de esfuerzos sólo se muestra en las columnas anteriores. ➢ El punto C ¿en qué tramo de la curva queda? Antes era M y ahora N ➢ El punto C muestra que la arcilla soportará presiones que no conoce. ➢ mV y CV (Sección 9.14): como la arcilla es normalmente consolidada se utiliza la curva virgen MN. Esto porque ’C = 1,717 kg/cm2= 17,17 ton/m2 supera el valor de ’ in situ, que es el de M. ➢ De la curva de presión de consolidación se obtiene mV (Figura 9.6 y Sección 9.13)

206

U.N. de Colombia

Geomecánica

M  e0 = 1,83; 0 = 0,692

Kg cm 2

− De 1  mV = * 1 + e0 D V

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

1

2

3

4

5

1,9

e=1,92

e=1,83

1,8

N  e = 1,40;  = 1,720

Kg

M

1,7

cm 2

1,6

0,43 1 2 2 mV = * = 0,15 cm Kg = 0,15 *10 −3 cm gr (1 + 1,83) 1,028

e=1,45

MN  DeV = -0,43; DV = 1,028

e=1,40

1,4

 V=1.717

N 1,3

P e=1,25

1,2

Kg

e=1,50

Ñ V=0,692

1,5

O e=1,22

e=1,20

1,1

cm 2

Resultados del ensayo de consolidación

e 1,92 2 v Kg/cm 0

1,83 0,69

1,50 1,38

1,20 2,77

1,22 1,38

1,25 0,69

2,77

1,38

0,69

1,0

Esfuerzo vertical (v)

Figura E.92

Cálculo del coeficiente de consolidación CV (Figura 9.10 y Fórmula 9.10) CV = CV =

K  K = 0,018 m año = 5,7 *10 −8 cm sg  W * mV

De

5,7 * 10 −8 2 2 = 4 * 10 − 4 cm seg = 1,26 m año 1 * 0,15 * 10 −3

Asentamientos: Con la pérdida de agua el suelo se consolida. Comparando los valores de CV, de los suelos 0,3 >> 4*10-4 puedo ver que el asentamiento por consolidación significativo estará en el estrato de arcilla.

VACÍOS

e

SOLIDO

1

S

h

De S =  1+ e h

Diagrama unitario

Asentamiento en el punto medio de la arcilla, S C

SC =

De 0,43 * H0 = * 4,20 = 0,64m (según diagrama) 1 + e0 1 + 1,83

S C =  H 0 mV D = (4,20 *100)(0,15)(1,028) = 65cm = 0,65m Si eventualmente se retira el relleno, el suelo se levanta debido a la expansión de la arcilla (C pasa de N a N ) La reducción de esfuerzos es q = DV = 1,025 Kg/cm2 = 10,25 Ton/m2. En el laboratorio, la curva e – log V da la posibilidad de trazar la línea N N , paralela a la fase de expansión P-Q, que se corresponde con el comportamiento del suelo sometido a niveles de esfuerzos conocidos históricamente. Así (con las coordenadas de N y N ):

Sexp =

(1,40 − 1,45) (4,20 − 0,64) = 0,07m (hinchamie nto) De H0 =  (1 + 1,40) 1 + e0

207

U.N. de Colombia

Geomecánica

Cálculo de la presión de exceso o sobrepresión intersticial Ue, en los puntos B, C, y D de la arcilla (Figura 9.21, ábaco UV – ZV)

Punto

H

Z

B C D

2,10 2,10 2,10

1,05 2,10 4,20

Explicación de TV:

ZV = Z

½ 1 2

Limo

C t TV = V2 H 12,6 * 10 3 * 412 = (2,10 * 100 )2 = 0,095 adimensional

CV

4/12 4/12 4/12

12,6 * 103 12,6 * 103 12,6 * 103

Arena

A B C

D

0,00

Efectivos UV 0,24 0,05 1,00

CV t H2 0,095 0,095 0,095

TV =

t

H

0,50

1,00

1,50

2,00

Poro 1 - UV 0,76 0,95 0,00

Kg/cm 2

D 

Ue

0

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

Kg/cm 2

DIAGRAMA DE ESFUERZOS: F = ’0 + D’ + Ue ESFUERZOS Y PRESIONES DE POROS, 4 meses después: (Ton/m2) Punto B C D

Ue 7,79 9,74 0,00 q(Uv-1)

USS 5,35 6,40 8,50

USS +Ue 13,14 16,14 8,50

’0 6,24 6,92 8,29

D´ 2,46 0,51 10,25 q (Uv)

’0 + D’ 8,70 7,43 18,54

’FINAL 16,49 17,17 18,74

’INICIAL 6,24 6,92 8,29

Esfuerzos efectivos

Esfuerzos efectivos

finales

iniciales

208

U.N. de Colombia

Geomecánica

Donde Ue es la presión de poro en exceso. USS la presión de poros del cuadro anterior; además, se presentan los esfuerzos anteriores y los actuales (4 meses después). Ejercicio 9.5 (de BERRY). Se muestra una curva experimental de una caolinita remoldeada (Fig E9.5a). Muestra N01: espesor 79,6mm; diámetro = 250mm = . En la figura III, e–’(log), se dan más datos de 1. Drenaje simple; incremento de presión de 55 a 110 KN/m2. Abajo, la curva teórica del método de ajuste basado en el logaritmo del tiempo UV – TV (Figura E9.5.b). a) Relacione la curva teórica (de la figura E9.5b) y la experimental (Fig E.9.5a) Figura E9.5 a. Curva experimental de una caolinita

b) Calcule el coeficiente CV de consolidación vertical.

c) Calcule el coeficiente mV de compresibilidad volumétrica. d)

Calcule el coeficiente KV de permeabilidad vertical.

e) Calcule el coeficiente C y el índice CC. Curva de la figura E.9.5.c NOTA: El espesor H promedio de la muestra es 77,4 mm. a)

Curva teórica (E.9.b): Se observa que el 100% de

U V (grado de consolidación promedio) se da en el corte de la

U V 50 =

U 0 + U 100 2

asíntota con la tangente. Curva “I” aplicando el principio anterior obtengo A y leo que la deformación unitaria para el incremento D1 = 55 KN/m2 es 0,056 (adimensional) = A.

Para leer el t50 debo obtener U 0 y U 100, luego Figura E.9.5.b b) El valor CV se basa en el ajuste del punto del 50% y se calcula con la expresión:

TV 50 =

CV t 50 C t o con TV 90 = V 290 2 H H

De la fig E 9.5.a: t50 = 170 minutos; t90 = 689 minutos. Factor tiempo TV: En el ábaco UV – TV de la figura 9.22; cortando la curva U V tenemos: Para el 50% TV = 0,197; para el 90%, TV = 0,848

209

U.N. de Colombia

CV =

Geomecánica

2 2 TV H 2 0,197(77,4 ) 0,848(77,4)  C V 50 = ; C V 90 = t 170 689

Entonces; CV promedio =

CV 50 + CV 90 6,9 + 7,4 2 = = 7,15 mm minuto 2 2

CV promedio = 7,15 mm2 / min, equivale a 3,8 m2 / año c) Cálculo de mV (se utiliza la ordenada de A en la curva 9.5A: A) Para calcular mV, coeficiente de compresibilidad volumétrica, tenemos

mV =

pero

aV ; 1+ e

aV =

De DP

De S =  , ecuación (9.4) 1+ e h La deformació n final primaria  De 1 S 1 mV = * = *  unitaria en el ensayo1 es 0,056 1 + e0 D ' h D '  y D ' = 110 − 55 = 55 KN 2 m  0,056 1 2 mV = * = 0,00102 m KN 1,000 55

d) Cálculo de KV: (Esta estimación aproximada nunca suple el ensayo de permeabilidad directo, sea de campo, sea de laboratorio. ecuación 9.10) KV = CV mV W = CV mV (W * g) = 3,8 * 0,00102(9,81 * 1) KV = 0,038 m / año e) Cálculo de C (Cambio de relación de vacíos por ciclo log10 de tiempo) Se sabe que el valor típico de C en las arcillas normalmente consolidadas es 0,005 < CC < 0,05; en las preconsolidadas, menos de 0,002. Ahora: El ciclo 1 tiene en su registro  = 56,2%, S = 100%, GS = 2,65. Aplicando la fórmula:

GS  w = S  e , tenemos: e0 =

 * GS S

=

e = para t = 1400 minutos 0,562 * 2,65 = 1,489   1 1,00 e2 = para t = 14000 minutos

De la ecuación (9.4), mencionada en el cálculo de mV

210

U.N. de Colombia

Geomecánica

El efecto de la escala semilog es el trazo recto y no en curva Figura E9.5 c

0,056  = 1,350  1,000  C = 1,350 − 1,337 = 0,013 Cálculo del índice CC: Es la 0,061 e2 = 1,489 − (1 + 1,489) = 1,337   1,000

e1 = 1,489 − (1 + 1,489)

pendiente de la rama virgen de la curva de consolidación (en semilogarítmica), que se adjunta, y que proviene del laboratorio.

a  e0 = 1,489 log  0 = log 55 un ciclo log  log  1 = log 550   e = 1,030 De = −0,457 D log  = 1 − De − 0,459 CC = = = −0,46 D log  V 1 De manera aproximada, con a y b que valen

a  ea = 1,489 b  eb = 1,350

coordenada s 

log 55 = 1,74 log 110 = 2,04

De = −0,139 D log  = 0,30 − De − 0,139 CC = = = 0,46 D log  V 0,30 VALORES TÍPICOS

211

U.N. de Colombia

Geomecánica

➢ Los valores de CC para arcillas tienden a estar en el rango de 0,2 a 0,8, y para turbas, entre 5 y 10. ➢ Los valores de CV en muestras inalteradas, con  75mm y altura 20mm, en caolinitas, tienden a estar entre 1 y 10 m2 / año. ➢ Los valores de mV típicos en arcillas suelen estar en el rango 0,001 < mV < 0,0001 m2 / KN. ➢ La permeabilidad K, en cm/seg, varía así: Para depósitos aluviales, de 0,4 a 0,01. Para depósitos glaciares, de 2 a 1*10-4. Para depósitos eólicos, de 0,3 a 3*10-3. Para depósitos lacustres y arenas uniformes y muy finas, de 1*10-4 a 6*10-3. Para arcillas, menor de 1*10-5. ➢ Son más permeables las caolinitas ( K = 2 *10 −6 cm seg ) que las montmorillonitas (

K = 5 *10 −8 cm seg ). Los limos tienen K = 1,5 * 10 −5 cm seg Ejercicio 9.6. Vía de 30 m de ancho =2,00 Ton/m3

5,00

Terraplén

Capa de arena drenante

4,00

Conglomerado arcilloso

Arenizca permeable

NOTA: El conglomerado es matriz – soportado, con

Un terraplén de 30 m de ancho y 5,00 m de altura, para una vía, que se construirá en 8 meses, se cimenta sobre un conglomerado arcilloso de 4,00 m de potencia y cuyo basamento es una arenisca mal cementada.

•

Calcule el asentamiento último del terraplén (S = mV DP h)

•

Calcule el asentamiento total S’ al fin de la construcción si el proceso es gradual y continuo (Figura E9.6).

CV = 1,5 m2 / año y mV = 1,2 * 10-4 m2/KN

Solución. 30 >> 4: El ancho del terraplén, comparado con el espesor del conglomerado, garantiza drenaje vertical. La condición del 1.4. Figura E9.6 conglomerado, no clasto–soportado y el valor de CV que es bajo (para la matriz), garantiza la deformación del conglomerado, por la vía de su matriz arcillosa. La capa de arena drenante, en la base del terraplén, garantiza drenaje doble: H = H0 / 2 1.3.

Cálculo de la sobrecarga q (terraplén) y los asentamientos S y S’

q =   Z =   g  Z = 2  9,81 5 = 98,1 KN m 2 Como el conglomerado arcilloso es un suelo PRECONSOLIDADO, mV permanece sensiblemente constante en toda la profundidad de la capa, y el valor dado es válido (como promedio) para el rango de esfuerzos aplicado.

S = mV * DP * h = 1,2 *10 −4 * 9,81 * 4 = 0,047m

S = 47mm

Como el terraplén se construye gradualmente, en vez de 8 meses, se toman 4 meses:

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U.N. de Colombia

TV =

Geomecánica

CV * t 1,5 * 412 = = 0,125 ➔ U V = 0,40 (ábaco TV – UV) (Figura 9.22) H2 22

Respuesta:

Asentamiento al final de la consolidación S = 47 mm Asentamiento a los 8 meses:

S’ = UV * S = 0,4 * 47 = 19 mm

Asentamiento después de la construcción

S’’ = S – S’ = 28 mm

Ejercicio 9.7. Una capa de 4,20 m (H) de espesor se somete a una sobrecarga DP de 15,00 Ton/m2. La capa drena hacia dos estratos permeables e incompresibles. La carga inicial sobre el plano MM’ es 6,00 Ton/m2. Del ensayo de consolidación, e0 = 0,78, CC = 0,23; CV = 0,0021 m/día.

DP

M 4,20 m

Calcule la magnitud de la consolidación que puede darse y el tiempo requerido para el 90% de la consolidación del terreno.

M

Figura E9.7

DH =

H  Cc P + DP 4,2  0,23  6 + 15  log( 0 )= log   = 0,295m 1 + e0 P0 1 + 0,78  6 

T H2 t= v = cv

Tv  

H0  2  0,848(2,1)2 = = 1780,8 días cv 0,0021

Donde TV = 0,848, para el 90% de consolidación U V (Figura 9.22)

Ejercicio 9.8

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U.N. de Colombia

Geomecánica

Un estrato de una arcilla de 7,20 m de espesor se somete a una sobrecarga DP de 12,00 Ton/m2. La arcilla drena hacia el estrato superior, permeable 5,60 e incompresible. Al realizar la toma de muestras Limo de los suelos se obtienen los siguientes resultados de laboratorio. El limo arenoso presenta una 7,20 humedad natural de 35,8 %, la gravedad específica de sólidos es 2,62, el volumen de la Arcilla muestra para el ensayo de corte directo es 72 cm3 Roca impermeable y el peso de la muestra húmeda es 95 gr y el peso de los sólidos es 89 gr. La arcilla tiene una gravedad específica de 2,58, el volumen de la muestra saturada es 41,48 cm3, el peso de la muestra saturada es 56 gr, el peso de los sólidos es 45 gr y la permeabilidad es 1,6x10-5 cm/seg. Calcule la magnitud del asentamiento del terraplén por la consolidación que puede darse y el tiempo requerido para que se logre el 90% de la consolidación de la arcilla. Dq= 14,00 Ton/m2

NAF

El limo: De la fórmula de la gravedad específica de sólidos se obtiene la siguiente expresión: Vs =

Ws 89 = = 33,97 cm3 Gs   0 2,62  1,00

Vv = VT − Vs = 72 − 33,97 = 38,03 cm3

 sat =

e=

Vv 38,03 = = 1,12 Vs 33,97

Gs + e (2,62 + 1,12) gr = = 1,76 1+ e 1 + 1,12 cm3

La arcilla:

 sat =

Gs + e 2,58 + 3,534 gr = 1,35 3 1+ e 1 + 3,534 cm

Se hace el cálculo de las presiones geostáticas antes de considerar las cargas impuestas por el terraplén, aplicadas en el centro de la capa de arcilla, posteriormente se calculan los esfuerzos finales debido a la presión del suelo y del terraplén. Punto Limo Contacto superior Centro de la arcilla Contacto inferior

H

 sat

vT

U

´v0

Dq

´vF

m 5,60

ton/m3 1,76

ton/m2

ton/m2

ton/m2

ton/m2 12,00

ton/m2

7,20

1,35

9,86 14,72 19,58

5,60 9,20 12,80

4,26 5,52 6,78

16,26 17,52 18,78

Los resultados del ensayo de consolidación y la curva relación de vacíos y logaritmo de carga vertical es presentada a continuación y con estos se obtienen el coeficiente de compresibilidad volumétrica de la arcilla.

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Geomecánica

RESULTADO DE ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN DE LA ARCILLA

Esfuerzo (Kg/cm2 )

e

0,01 0,50 1,00 2,00 4,00 8,00 4,00 2,00 1,00 0,01

3,53448 3,49556 3,44296 3,29492 2,91084 2,48141 2,50341 2,54575 2,58742 2,78392

Con los esfuerzos inicial y final, aplicados en el centro del estrato de arcilla se procede al cálculo del asentamiento por efecto de la consolidación de la arcilla. Punto Limo Centro de la arcilla

´v0

e

Kg/cm2

0,55

3,49

´vF Kg/cm2

1,75

e 3,34

De 0,15

q

av

mv

S

Kg/cm2

cm2/Kg

cm2/Kg

cm

1,2

0,125

0,0278

24,05

Cálculo del tiempo para el 90% de la consolidación de la arcilla.

cv =

2 K 0,023 = = 827,60 cm día    mv 0,001  0,0278

Tv  H 2 0848  (720) = = 531,2 días cv 827,60 2

t=

El tiempo para lograr el 90% de la consolidación es 1,46 años. EXPANSIVIDAD DE SUELOS. Existen suelos que se hinchan cuando aumenta su cantidad de agua y se retraen cuando esta cantidad disminuye. Debe distinguirse el término POTENCIAL de EXPANSIÓN, de la EXPANSIÓN proviene dicha pérdida de agua. Las arcillas expansivas producen presiones verticales y horizontales afectando las cimentaciones, empujando muros y destruyendo pisos y tuberías enterradas, con esfuerzos que superan los 20 Kg/cm2, ocasionalmente. En las vías se presentan ascensos y descensos que afectan su funcionamiento. También, estos suelos expansivos se retraen y los taludes fallan.

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MECANISMO DEL HINCHAMIENTO (arcillas 2:1) O ENTUMECIMIENTO (sinónimo) a) Absorción de agua por una arcilla activa (montmorillonita, por ejemplo) b) Rebote elástico de las partículas del suelo. c) Repulsión eléctrica de los granos de arcilla y de sus cationes adsorbidos. d) Expansión del aire atrapado en los poros. En las arcillas preconsolidadas, por cargas o por desecación, estos fenómenos son factores altamente contribuyentes. En arcillas normalmente consolidadas (o cargadas), los factores dominantes son dos: a) Adsorción de agua y b) Repulsión eléctrica entre las partículas rodeadas de agua. Los factores significativos en el estudio de la expansión son los de: IP = Índice de plasticidad (IP = LL – LP) LR = Límite de retracción (S para el cual el volumen no varía). % de partículas con  < 0,001mm (porcentaje en peso). GE = Grado de expansión en el consolidómetro con carga de 1 lb/in2, para una muestra de suelo secada al aire y anegada en la prueba.

EL =

(V

f

− V0 ) Vi

*100 : Expansión en volumen de una muestra de 10 cm3 (pasa tamiz No 40 T40) que

se seca al aire y se vierte en una probeta, con agua, de 100 cm3. Cuando toca fondo se mide el nuevo volumen. PEX = Potencial de expansión (definido por Seed como el porcentaje de expansión vertical en el edómetro de una muestra compactada, con óptimo y densidad seca máxima. Se coloca en el edómetro y se anega con una carga de 1 lb / in2 = 0,07 Kg / cm2) El Potencial de Expansión es bajo: 0–1,5%; medio 1,5– 5%; alto 15– 25%; muy alto > 25% (esta es la escala de Seed). --TABLAS DE COMPLEMENTO CLASIFICACIÓN DE SUELOS EXPANSIVOS (Según Holta – Gibs) Potencial de expansión Muy alto. Alto. Medio.

G.E. consolidado > 30% 20% - 30% 10% 20%

LR

IP

% < 0,001

EL

< 10% 6% - 12% 8% - 18%

> 32% 23% 45% 12% 34%

> 37% 18% - 37% 12% - 27%

> 100% > 100% 50% - 100%

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Bajo.

< 10%

> 13%

< 20%

< 17%

< 20%

Compresibilidad Vs. Cc y LL Compresibilidad Ligera a baja Moderada a Media Alta

Índice de Compresión Cc Límite Líquido Wl 0 a 0,19 0 a 30 0,20 a 0,29 31 a 50 40 >51 Fuente: Sowers y Sowers. Londres 1978.

MÓDULO EDOMÉTRICO (Kogles y Scheiding) Material

Turba

Mv ( 10-3 cm2/kg)

1000-200

Arcilla plástica 200-25

Arcilla consistente 25-12,5

Arcilla de media a dura 12,5-6,7

Arena suelta 10 a 5

Arena densa 2 a 1,3

Fuente: Alfred Jumikis, 1965. Consistencia de Arcillas saturadas V.S. Resistencia a la Compresión Inconfinada Consistencia

Muy blanda < 0,25

Qu (kg/cm2)

Arcilla Medianamente Arcilla Blanda compacta Compacta 0,25 a 0,5 a 1,0 1,0 a 2,0 0,5 Fuente: Terzaghi y Peck, 1980

Muy compacta 2,0 a 4,0

Arcilla Dura > 4,0

CLASIFICACIÓN DE SUELOS EXPANSIVOS (Según Holta – Gibs) Potencial de expansión Muy alto. Alto. Medio. Bajo.

G.E. consolidado > 30% 20% - 30% 10% 20% < 10%

LR

IP

% < 0,001

EL

< 10% 6% - 12% 8% - 18% > 13%

> 32% 23% 45% 12% 34% < 20%

> 37% 18% - 37% 12% - 27% < 17%

> 100% > 100% 50% - 100% < 20%

EXPANSIBILIDAD Y COMPRESIBILIDAD (SUCS) GW GP GM GC

-------

SW SP SM SC

------

ML CL OL

m +

MH CH OH Pt

++ +++ + +++

Escala: +++ = muy alta; m = moderada; --- = prácticamente nula

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LECTURA 9: EL TERRITORIO CALDENSE: ¿UN CONSTRUCTO CULTURAL?

Imagen1: UMBRA: LA ECORREGIÓN CAFETERA EN LOS MUNDOS DE SAMOGA Para comprender los conflictos socioambientales y orientar la gestión del hábitat en la ecorregión caldense, resulta fundamental partir del derecho biocultural que ampara tanto a las comunidades como a los ecosistemas del territorio, a la luz de las trascendentales decisiones que ha tomado la Corte Constitucional de Colombia sobre la materia. Esta ponencia presentada a nombre de la Universidad Nacional de Colombia y de la SMP de Manizales, y que trata de las complejas y frágiles relaciones dialécticas de simbiosis y parasitismo entre las comunidades que lo habitan y los frágiles ecosistemas con su particular estructura ecológica de soporte, y de los activos naturales y bienes culturales de la región, subraya los desafíos caldenses que tenemos para hacer de Caldas un “constructo cultural”, bajo la siguiente premisa:

Un espacio geográfico en sí, no es el territorio, entendido éste como una construcción social e histórica, donde la cultura es el fruto de la Interacción de dos sistemas complejos: el natural y el social. El Paisaje Cultural Cafetero como sistema de producción adaptado a las laderas del trópico andino, los ríos Cauca y Magdalena con sus comunidades de pescadores y ecosistemas de tierra cálida, y nuestros páramos y reservas forestales protectoras que se ubican entre el bosque andino montano alto y el paisaje de glaciares, como bienes patrimoniales, son tres territorios diferenciados sujetos de derechos bioculturales, y no simples espacios con valiosos recursos objeto de explotación para satisfacer los apetitos del mercado.

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Cultura y medio ambiente

Imagen2: El Medio Ambiente; Claudia Torres Arango. El Medio ambiente que inicialmente es un medio fundamentalmente natural, gracias a la cultura, puede ser transformado y constituirse finalmente en un medio paranatural, ecológicamente sólido. La ecología es la ciencia que se estudia los seres vivos y su relación con el hábitat. Un ecosistema, es el conjunto de relaciones entre las comunidades de organismos vivos y el medio ambiente que habitan. Los ecosistemas, pueden ser acuáticos o terrestres: los primeros cuando habitan mares, costas, lagos, ríos, y humedales, y los segundos cuando se ubican en el relieve emergido, sobre montañas, planicies, valles, desiertos o glaciares. De otro lado, la cultura, donde se incluyen saberes, valores y creencias de un grupo social, incluye los medios materiales y organizacionales que desarrollan las comunidades para garantizar la pervivencia y el desarrollo. En el caso caldense, estos temas son relevantes por dos razones: desconociendo el carácter mestizo del territorio, hemos invisibilizando el fundamental aporte cultural de nuestras comunidades negras e indígenas en un propósito perverso de “blanquear la raza”, y la producción literaria de la provincia, e igualmente venimos degradando el medio ambiente presionado la estructura ecológica del territorio, a tal punto que en el Índice de Competitividad Nacional 2019, con una nota de 3,63/10 en sostenibilidad ambiental, por

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Caldas 1

Imagen3: Caldas: Biomas, Usos del suelo, y Mapas de Relieve y vías, cuencas hidrográficas y variables climáticas. Corpocaldas Caldas, departamento que le aporta el 1,6% al PIB de la Nación, con una superficie de 7888 km2, una altitud media de 3190 msnm, tiene una población de 993 870 habitantes, de los cuales 270 mil son rurales y 300 mil viven en las cabeceras menores. Gracias a su relieve y ubicación geográfica, además del sistema hidrográfico constituido por numerosos ríos y quebradas que nacen en las cordilleras Occidental y Central, cuenta con dos vertientes que drenan a las cuencas del Magdalena y del Cauca. Entre las zonas de recarga, sobresalen los bosques altoandinos y páramos en las altas cordilleras (mesa de Herveo, bosques de palma de Cera en Marulanda-Samaria, Cerros de Tatamá y Caramanta), el Parque Natural de los Nevados, la Selva de Florencia y el Alto del Nudo, como ecosistemas que alimentan tres acuíferos: el del valle del Magdalena, el del valle del Risaralda y el de la región de Santágueda. Dado el carácter escarpado del territorio, mientras en el oriente caldense existe un potencial hídrico excedentario, contrariamente entre el km 41 y La Pintada no existe agua subterránea por el alto grado de deforestación y presencia de rocas impermeables. Siendo su principal acuífero el valle del Magdalena Centro, la cuenca más degradada es la del Río Chinchiná tributario del Cauca, como cuna de una conurbación de 550 mil habitantes.

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Caldas 2

Imagen4: Escenarios de Cambio Climático 2011- 2100, para Colombia y el Eje Cafetero. Ideam 2015. . Aunque en promedio las lluvias anuales varían entre 2000 y 3000 mm, las precipitaciones alcanzan los 5000 mm anuales en el Nor-Oriente caldense y sólo 1500 mm al año en el Centro-Norte, sobre el corredor del Cauca y la alta cordillera. En cuanto a coberturas según Corpocaldas, de una extensión de 744 mil Ha, las áreas verdes del departamento en 2010 eran: 163 mil Ha en bosques (22%), 265 mil Ha en cultivos (36%) y 300 mil Ha en pastos y rastrojos (40%), tres cuantías que cubren el 98% de su escarpado y deforestado territorio. En el análisis de vulnerabilidad para el departamento dado el estado de las coberturas, habrá que intensificar acciones para enfrentar la amenaza del cambio climático, ya que, según el IDEAM para el fin de siglo, la temperatura podrá aumentar en 2,4°C en promedio, con valores mayores en la cuenca del Magdalena y en el cañón del Cauca, Y de acuerdo a los escenarios proyectados, la precipitación que se incrementará en la cuenca del Cauca, en el pie cordillerano, desde Villamaría y Manizales hasta Salamina, alcanzará máximos de un 30% y 40%. En el Oriente, no se esperan incrementos en las precipitaciones.

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La sociedad

Imagen5: Personajes de los Mundos de Samoga. Los habitantes de la “Tierra del café”, poseemos una cultura donde inciden determinantes de la caucanidad y la antioqueñidad, relacionados con los modos de producción de la minería en la Colonia y con los de la actividad agraria que florece en el siglo XIX, en ambos escenarios. Primero, en la minería aurífera los modos de producción fueron diferentes: en la Provincia del Cauca se soportaba en la esclavitud, mientras en la de Antioquia dependía del trabajo del minero independiente. Segundo, mientras el modelo agrario caucano era el latifundio soportado en un régimen de servidumbre, el modelo de producción cafetera al sur de Antioquia, surge del trabajo asalariado y del minifundio propiedad del colono. No obstante, el cafetero también se enriquece del aporte librepensador del caucano de clase media, fruto de una apertura cultural que lo orienta al comercio: el payanés que al explotar el oro de Barbacoas recibía información de la Capitanía de Panamá, también recibía información del Virreinato del Perú por depender de Quito, e información de la Nueva Granada con quien finalmente comerciaba. Pero tras décadas de verdaderas proezas cafeteras, abandonamos un modo de producción que engrandeció a Colombia entre 1900 y 1970, por apostarle a la Revolución Verde con el monocultivo del café y renunciar a la caficultura orgánica: los campesinos con solo dos años de escolaridad, al no poder asimilar el modelo financiero y tecnológico de la caficultura moderna, vendieron su tierra para emigrar a la ciudad generando una inversión demográfica en la que el país rural se urbaniza. Historia regional

Imagen6: Paisaje cafetero. Maestro Luis Guillermo Vallejo

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Históricamente, este territorio biodiverso, pluriétnico, mediterráneo y multicultural ubicado en el trópico andino, desde la fundación de Manizales hasta cerrar el siglo XX ha experimentado cambios estructurales, así: un primer período de supervivencia que parte de la fundación de Manizales, otro de crecimiento económico en el que se crea el departamento, uno más de verdadero desarrollo con sabor a café, otro de profunda crisis entre 1970 y final del siglo; y por último el actual de crisis después de abandonar la sociedad industrial de ayer. Veamos: Culminado el primer período caracterizado por una economía de subsistencia, en el que la aldea fundacional emplazada sobre una retícula ortogonal, pasa por las confrontaciones armadas entre Antioquia y Cauca, aún con la idea de que la propiedad era un derecho natural según la Constitución de 1886, entramos a una segunda fase de acumulación favorecida por el fin de la Guerra de los Mil Días (1903) en la que se crea el departamento (1905), ya que gracias al café se cambian los caminos de arriería por modos de transporte como el cable aéreo (1923), el ferrocarril (1927) y los vapores por el Cauca y Magdalena para exportar el grano. En este segundo período que cierra tras la gran crisis de 1929, en el que se dan los pavorosos incendios de los años 20 y evoluciona la arquitectura vernácula del bahareque gracias a la apertura cultural que acompaña la actividad exportadora, el meridiano económico de Colombia cruza por Manizales, y se crea además de la cámara de comercio (1913) la SMP (1912), cuando según el censo de 1912 Manizales contaba con 34.720 habitantes, Pereira con 18.418 y Armenia con 13.720. Vendrá luego la tercera etapa de verdadero desarrollo: el período de las “chivas y jeepaos” en el que los beneficios de la caficultura se irrigan al campo, para abrir caminos, electrificarlo y dotarlo de acueductos, escuelas y puestos de salud gracias a los Comités de Cafeteros. Y finalmente, con la revolución verde además de perder la salud del suelo y del agua, al sustituir el sombrío y la biodiversidad por monocultivos y agroquímicos, conforme destruimos los elementos tangibles e intangibles de nuestro patrimonio cultural y natural, la Colombia agraria se fue urbanizando. El territorio Para desarrollar la identidad del Eje Cafetero como región biodiversa y pluricultural, el Museo Interactivo Samoga de la U.N de Colombia Sede Manizales ha propuesto “Siete mundos”, que interpretan el territorio como una construcción social e histórica. En dicha propuesta, mientras tres mundos, los del arte, la cultura y la tecnología, contemplan las estrategias necesarias para dar respuesta a las problemáticas de la ecorregión a partir de su potencial natural y cultural, para su descripción se presenta el con cuatro subregiones, recurriendo a una analogía con los cuatro elementos aristotélicos, así: •Por el Mundo de la Tierra, Pachamama, que recoge el occidente minero con Anserma, Marmato y Riosucio, un lugar de marimbas, de resguardos, de carnavales y de negritudes, y además una subregión panelera con arquitectura de tapia pisada y vocación minera: en el oro de Marmato y Riosucio existe más novela y poesía que en el café; para este territorio triétnico y colonial, la música es el currulao. •Por el Mundo del Agua, Bachué, en la subregión magdalenense con su recurso hídrico excedentario; es el oriente caldense, tierra de ranchos de hamacas, de chinchorros, de

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subiendas de bagres, nicuros y bocachicos, del petróleo de Barranca, de la historia de los vapores por el río y de la Expedición Botánica. Es la subregión del bunde, donde sobresalen el bosque de Florencia y los humedales del Magdalena. •Por el Mundo del Aire, Yuruparí, donde el aroma de la tierra del café cubre los dos ejes de la colonización antioqueña; es la región Cafetera propiamente dicha, que empieza en Neira y llega hasta el norte del Valle; es la tierra de las chivas, del bahareque de guadua, de los cables aéreos, de los Ferrocarriles Cafeteros, del bambuco y la música de carrilera. En este territorio de guaduales y yarumos, la gastronomía se relaciona con el plato montañero. •Por elMundo del fuego, Chiminigagua, para la alta cordillera con sus volcanes y las fértiles tierras de San Félix-Murillo; un espacio geográfico que tiene sus propios íconos en el cóndor, el pasillo, la ruana de Marulanda, los caminos empalizados, la palma de cera, el pasillo y el sombrero aguadeño. Es el territorio del páramo y el bahareque “parado” o entablado. Pachamama, el mundo de la tierra

Imagen7: Íconos del Mundos de la Tierra. Samoga. Este territorio de la vertiente occidental del cañón del Río Cauca, fue reconocido desde la Colonia por su vocación minera. Y a pesar de que la comunidad indígena se creyó extinguida en 1625, existen vestigios de la cultura Umbra, diferente a la Embera, aún viva. Allí llegan legiones de esclavos africanos cuando los Cartamas fueron exterminados; y luego aparecen los ingleses para asegurarse con el oro el pago de los empréstitos de la independencia. En el siglo XVI España explotaba la mina aurífera más grande del orbe, localizada en el cerro Quiebralomo por entonces jurisdicción de la Gobernación de Popayán, donde existían dos parcialidades indígenas vecinas al lugar: Cañamomo y la Montaña. Riosucio, es el núcleo cultural más relevante del territorio, y de la artesanía folclórica más añeja del departamento. Brillan los artesanos de la alfarería en Cañamomo y Lomaprieta, de la cerámica en Portachuelo, de la cestería de bejuco en la Zulia y El Salado en la Montaña y en San Lorenzo, de las esteras de enea y caña brava de la Montaña, del cogollo de la caña brava y de la sombrerería en Travesías y Pasmí en San Lorenzo, y de las tallas en palo de naranjo de Tumbabarreto. Sabemos que unas cadenas productivas con identidad cultural y servicios ambientales de productores organizados, expresando los íconos culturales de la región como tierra de resguardos y negritudes, con sus comunidades indígenas en Anserma y Riosucio y ancestros afrodescendientes en Marmato y Guamal, son factores para aprovechar el potencial humano.

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Bachué, el mundo del agua

Imagen8: Íconos del Mundos del Agua. Samoga. Yuma (“río amigo”) o Huanca-hayo (“río de las tumbas”), bautizado en 1501 por Bastidas, Río de la Magdalena, fue a lo largo de cuatro siglos y medio el principal medio de transporte en Colombia y el eje de desarrollo nacional. Urge una declaratoria que priorice al río Magdalena como uno de los escenarios más representativos en la historia del país, a partir del concepto del territorio como sujeto de derechos. Si su cuenca es el hábitat donde se dan nuestras relaciones con el bioma andino tropical, también el río, pese a haber sido fundamental como ruta de acceso para la ocupación del territorio, y como medio para la consolidación de la nación durante el siglo XIX, hoy como víctima del olvido se encuentra degradado y contaminado. Amparar sus derechos ambientales, es darles primacía a sus 30 mil pescadores, y a los humedales y bosques secos que lo circundan, no sólo para ponerle límites a las intervenciones que buscan establecer un canal navegable para que no alteren su vaguada ni los humedales como ecosistemas vitales, sino también para ordenar el cumplimiento de las acciones que demanda su recuperación integral. Gracias al compromiso, trabajo y conocimiento ancestral aportados por las comunidades de base del Magdalena Centro de Colombia, y al acompañamiento de los actores estratégicos de dicha región, las acciones emprendidas para resolver los conflictos socio-ambientales en este territorio vecino al Río Magdalena, por el PDP-MC, se vienen transformando en hechos y en lecciones de Paz y de esperanza, aportados por sus propios habitantes. Yuruparí, el mundo del aire

Imagen9: Íconos del Mundos del Aire. Samoga.

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El Paisaje de la Ecorregión Cafetera tiene una importancia fundamental, no sólo para la apropiación de los procesos de construcción de este Territorio biodiverso, multicultural y mestizo de Colombia, y de la identidad cultural, sino también como instrumento para enfrentar sus desafíos socio ambientales, y para el fortalecimiento de la economía, lo que incluye la caficultura y el turismo, en beneficio de la economía campesina. Aspectos relevantes de la historia económica regional del Eje Cafetero, tales como la fundación de Manizales ocurrida en el marco de la colonización antioqueña; los impactos de los ferrocarriles cafeteros; la irrigación de los beneficios del café a las zonas rurales, y los impactos de la Revolución Verde en la ecorregión cafetera, son tres hitos que actúan como telón de fondo para enunciar las problemáticas socioambientales de la ciudad y la región. Resulta necesario diferenciar una caficultura autártica nutrida de elementos culturales, de otra caficultura de corte agroindustrial no amigable con el medio ambiente. La primera de carácter artesanal donde el valor agregado alienta a unas comunidades rurales que le han apostado a su organización como base para su cadena productiva y la producción orgánica limpia; y la segunda, intensiva en productos de base química, para enormes volúmenes de café pergamino, en la que se generan utilidades para quienes controlan el mercado a costa de la biodiversidad. Con la Revolución Verde, nuestros campesinos que no asimilaron los paquetes financieros y tecnológicos de la nueva caficultura, atraídos por el espejismo de la ciudad migraron para vivir otra crisis: la del empobrecimiento y notable desempleo que arrincona a las masas urbanas de las capitales cafeteras, entre la informalidad y la delincuencia.

Chiminigagua, el mundo del fuego

Imagen10: Íconos del Mundos del Fuego. Samoga. En la región San Félix-Murillo sobre la alta cordillera, una tierra de arrieros donde empalizadas entre neblina y pantanos imponen los desafíos del páramo y del bosque altoandino, también el cambio climático, donde las mayores precipitaciones que tendrán incrementos de hasta el 40%, irán acompañadas de un incremento de la temperatura que en Caldas para finales de siglo podría ser entre 1°C y 3°C, según el lugar, reclama investigación e instrumentación de la amenaza, cambios en los modelos

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socioambiental, agropecuario y de ocupación del territorio, y políticas públicas para una planificación que incorpore la adaptación al cambio climático y la gestión integral del riesgo. En el territorio, urge preservar el PNN de los Nevados y las Reservas Forestales del territorio, por ser fundamentales para la conservación de la biósfera como hábitat de especies endémicas y en peligro de extinción, y ecosistemas con funciones reguladora del patrimonio hídrico y del clima. No siendo despreciable el impacto de los fenómenos climáticos exacerbados para el medio urbano, para dimensionar su perjuicio en el transporte rural y la economía campesina, esta puede ser una cadena típica de eventos: al arreciar las lluvias, se incrementarán las tasas de erosión y remoción masal de las laderas de fuerte pendiente, conforme avance la socavación de los torrentes, causando la sedimentación de ciénagas y demás humedales en los valles de salida de los ríos. Además, el riesgo asociado a volcanes como el Ruiz y Cerro Bravo, que por sus coeficientes explosivos difieren por su alcance y tipos de erupciones así tengan en común un carácter explosivo, dado el cambio climático habrá que considerar el impacto sobre los ecosistemas asociados a un cambio altitudinal de 170 m por grado de temperatura. Mundos: Chía, Bochica y Chibchacum

Imagen11: Íconos de los Mundos del Arte, la Ciencia y la Tecnología. Samoga. Los tres mundos restantes, de las artes (Chía), la ciencia (Bochica) y la tecnología (Chibchacum), subrayan la importancia de la ciencia, la tecnología y la identidad cultural, como factores clave para resolver la brecha de productividad e ingresos que sume en la pobreza a cerca de 170 mil caldenses que habitan en los medios rurales y 300 mil más de las cabeceras menores. Cuando se enuncia el desarrollo sostenible y sustentable, se expresa en términos de tres pilares: el ecológico, el social y el económico; por lo que la cultura como campo que abarca a la ciencia, donde naturaleza y sociedad son variables culturales con relaciones dialécticas, siempre ha escapado al ser olvidada como determinante fundamental del

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desarrollo. En las universidades donde se sabe de Ciencia y Tecnología, poco se conoce de los Saberes Ancestrales. El bajo nivel educativo, va más allá de la baja calidad de la educación: se relaciona con un modelo educativo desmotivante, pensado para la sociedad industrial de ayer y no para esta época del protagonismo del conocimiento. Dicho modelo centrado en las ciencias naturales, las matemáticas y el lenguaje, no desarrolla el talento humano al dejar en un segundo plano las humanidades y olvidarse de las artes, la cultura y el desarrollo del cuerpo humano. En conclusión, debemos llegar a las metas propuestas en el documento “Colombia Al Filo de la Oportunidad” que proponía la Misión de Ciencia Educación y Desarrollo en 1994, cuyo objetivo era avanzar en una cultura científica, bajo el presupuesto de que sin ciencia, tecnología e innovación no hay desarrollo sostenible, PCCC

Imagen12: Los Mundos de Samoga: Diseñadora Visual, Carolina Calderón Franco. Se requiere un paisaje resiliente en este territorio biodiverso, multicultural y mestizo deforestado, cuya problemática pasa por la adaptación al cambio climático y por la crisis de la economía rural campesina de base artesanal: la clave estaría en el Paisaje Cultural Cafetero de Colombia PCC, por representar una oportunidad para hacer de dicho instrumento un factor de desarrollo rural integral en 47 municipios en su área principal y 4 más de su área de influencia, ya que allí se comprenden 340 mil hectáreas de la zona rural en 858 veredas cafeteras donde habitan cerca de 500 mil personas. Dada la disrupción del modelo cafetero, para lograr su desarrollo rural y adaptarlo al cambio climático: ¿por qué no declarar sujeto de derechos bioculturales el territorio del Paisaje Cultural Cafetero bajo los preceptos de la declaratoria de la UNESCO? Lo anterior permitiría recuperar la vida de las comunidades rurales y la reconversión de su modelo agrario cafetero, convertido en una agroindustria que ha destruido la biodiversidad, para abrir un claro de luz en este sector cuya crisis se explica por no haberle incorporado valor agregado al grano de oro. Con el PCC la suerte de los pequeños poblados cafetaleros dependerá de la salud del suelo y del agua, del sombrío para la biodiversidad, del transporte rural, del bahareque como arquitectura vernácula, del bioturismo, y de la venta de servicios y artesanías que expresen nuestro patrimonio cultural y natural.

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La gran cuenca del Magdalena

Imagen13: Perfil longitudinal del Río Grande de La Magdalena, por Hidrochina (Cormagdalena). Las declaratorias que han priorizado a los ríos Cauca y Magdalena como sujetos de derechos, no solo reconocen dos escenarios representativos en la historia del país, sino que también blindan a las comunidades de pescadores y ecosistemas presentes en sendos territorios, de los impactos asociados a la devastadora acción de la infraestructura: véase el caso de Hidroituango donde la presa interrumpiendo la conectividad biológica, afecta a los pescadores aguas arriba y aguas abajo. Si la cuenca de un gran río es el hábitat donde se dan nuestras relaciones con el bioma andino tropical, también el Magdalena, pese a haber sido fundamental como ruta de acceso para la ocupación del territorio, y como medio para la consolidación de la nación durante el siglo XIX, hoy víctima del olvido, degradado y contaminado, e igualmente con la amenaza de jarillones y otros factores que al dañar caños secan los humedales, con una carga de 150 MT anuales aportados desde las cuencas deforestadas de sus tributarios, es uno de los ríos de mayor aporte de sedimentos del planeta. Amparar los derechos ambientales, es darles primacía a sus decenas de miles de pescadores de ambos ríos, y a los humedales y bosques secos que los circundan, no sólo para ponerle límites a las intervenciones que buscan establecer un canal navegable por el Magdalena para que no alteren su vaguada ni los humedales como ecosistemas vitales, sino también para ordenar el cumplimiento de las acciones que demanda la comunidad del bajo Cauca para su recuperación integral.

El Río Cauca, Es el afluente más importante del Magdalena, en su recorrido de 1204 km de longitud entre el macizo colombiano y el Brazo de la Loba en la Depresión Momposina, baña 183 municipios de siete departamentos del país, dos de ellos -Antioquia y Caldas- compartiendo cuenca con el Magdalena. A la importancia de la cuenca del Cauca como hábitat de millones de habitantes y fuente de riqueza por las actividades productivas que alberga, entre las que sobresalen la generación eléctrica, el cultivo de café, la industria azucarera, la explotación minera, la actividad agropecuaria y otros sectores industriales, deben sumarse, además de las problemáticas de la sedimentación fruto de la deforestación en zonas de alta pendiente, de la

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contaminación urbana por vertimientos residenciales, industriales y agrícolas, de la fragmentación de los ecosistemas, los conflictos del suelo, las tensiones relacionadas con el ejercicio del gobierno y la autoridad relacionadas con problemáticas como la presencia de actores armados, narcotráfico y grandes inversionistas, y múltiples problemáticas del orden social, no sólo en los medios urbanos sino también en los rurales, por hacer parte de la dimensión socioambiental que gravita en los escenarios rurales de toda la cuenca. Habrá que tener en cuenta que en la cuenca hidrográfica de 63.300 km², el complejo territorio que baña el río presenta tres regiones: Las dos primeras en la región Andina, pasando por dos escenarios antagónicos: después de salir de la cuenca alta y recorrer desde su nacimiento en la laguna del Buey del Macizo Colombiano hasta Salvajina, continuar por la fértil región natural el valle geográfico del río entre Suárez (Cauca) y la Virginia (Risaralda) donde la corriente de suave pendiente es meándrica, entra a la cuenca media al pasar por el Eje Cafetero y Antioquia, donde el río que incrementa su pendiente y se encañona con su cauce tortuoso no es navegable; para finalmente entrar a la cuenca baja desde Tarazá (Antioquia) y bañar en el Bajo Cauca tierras de Sucre y Bolívar hasta su desembocará sobre el Brazo la Loba del Magdalena, en la Mojana. Igualmente, se deberá hacer una segunda diferenciación para separar las cabeceras urbanas ribereñas de primero y segundo orden, del resto de cabeceras: Los municipios ribereños de primer orden son 87 y los de segundo orden 103. Y las ciudades capitales que se encuentran dentro del área de influencia geográfica del Río Cauca son: Cali, Manizales, Medellín, Pereira y Popayán. El PNN de Los Nevados

Imagen14: PNN de los Nevados, y SRAP –Eje Cafetero.

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Cuenta la Ecorregión Cafetera, con cuatro Parques Naturales Nacionales PNN: el de los Nevados, el Tatamá, la Selva de Florencia, y el Santuario de Fauna y Flora Otún-Quimbaya. El Sistema Regional de Áreas de Protegidas, SIRAP de la Ecorregión Cafetera en jurisdicción de 92 municipios de cinco departamentos – Eje Cafetero, N de del Valle del Cauca y NW de Tolima-, conformado por las CAR y soportado en El Nodo Regional del Cambio Climático del Eje Cafetero creado hace 10 años, es un proceso de planeación participativa que incorpora conceptos de ordenamiento territorial para la gestión ambiental y un modelo de desarrollo sostenible, desde el año 2000 ha venido vinculando el tema de cambio climático en su plan de acción. No obstante, a pesar de la Ley 99 de 1993, cuyo Art.1. N4 dice: “Las zonas de páramos, subpáramos, los nacimientos de agua y las zonas de recarga de acuíferos, serán objeto de protección especial”, este valioso patrimonio está amenazado, no sólo por el cambio climático, sino también por los históricos pasivos ambientales y presiones actuales de naturaleza antropogénica. Opciones de Caldas

Imagen15: San Félix, Caldas. https://genteyalgomas.files.wordpress.com Mientras la participación en el PIB del Eje Cafetero, equivale al 4% del PIB nacional, la de Caldas que es del 1,6% muestra la siguiente estructura: 55% para el sector terciario, 25% para el sector secundario, 14% para el sector primario y 7% para los impuestos. Aún más, el PIB departamental entre 2004 y 2014 creció en promedio 2,6%, contra una media nacional anual del 4,8% para el mismo período. Cabe entonces preguntase ¿en cuáles sectores y actividades económicas, tienen la región y Caldas posibilidades de crecimiento, con qué estrategias y para cuáles objetivos? Para empezar, eso es

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posible si se parte de los siguientes elementos: a- del potencial minero-energético de Caldas señalado en el respectivo Plan 2006-2016, subrayado por 120 explotaciones y depósitos de minerales de 220 que posee el Eje Cafetero, según el Inventario Minero de Ingeominas (1972), y por un recurso hidroenergético aprovechable equivalente a 2000 Mw, del cual solo se ha aprovechado la cuarta parte; b- de la posición geoestratégica de La Dorada y del Km 41 para la implementación de un sistema intermodal de carga en la región Andina, si se articulan ambos escenarios mediante el modo ferroviario; y c- de los beneficios derivados de la declaratoria del Paisaje Cultural Cafetero PCC como Patrimonio Cultural de la Humanidad, como solución a la ya profunda crisis cafetera y como detonante del turismo regional. Sobre la importancia de extender la hidrovía a Purnio, por ser un sitio no inundable que integraría carretera, ferrocarril e hidrovía, con lo cual el Puerto Multimodal de la Dorada movilizaría 6 millones de toneladas anuales, es que el PIB de Caldas crecería 1,2% del PIB nacional, y un 0,4% más, con lo cual el PIB se duplicaría, si se incluyen ocho plantas minero-energéticas propuestas en el Plan Minero de Caldas 2010-2016 por Gabriel Poveda Ramos, que se señalarán más adelante. Turismo en Caldas En primer lugar, Caldas deberá potenciar el sector terciario, donde la principal barrera podría ser el factor educativo, dado que el nivel de escolaridad de nuestra población sólo alcanza a superar los 4 años en la zona rural y los 10 años en la urbana; y a futuro, el fortalecimiento de la economía verde y la economía naranja, gracias a la expansión de las TIC cuya red cubre el departamento: más oportunidades para acceder a programas de formación superior desde la provincia, y para la oferta de bienes y servicios desde dichos lugares. Mientras en Colombia el aporte del turismo al PIB 2005 fue del 2,3%, a nivel mundial ese aporte llegó al 10,6% generando uno de cada ocho empleos. Igualmente, la economía naranja tiene una participación del 3,3% en el PIB, cuantía cuatro veces superior a la del cultivo del café (0,8%). El Paisaje Cultural Cafetero PCC podría ser un factor detonante para una meta de mediano plazo en el sector turístico del 10% en el PIB de la ecorregión, con dos componentes: la línea ecológica y el área de la salud, mediante estrategias que articulen esfuerzos regionales. A modo de balance, este clúster de turismo Regional para Caldas: 1- El Termalismo tanto en el cañón del Chinchiná come del Río Claro. 2- La ruta del PNNN, con sus volcanes y paisajes del ecosistema de Páramo. 3-El patrimonio Arquitectónico de Neira, Salamina y Aguadas, soportes de la declaratoria patrimonial del PCC. 4- El Carnaval de Riosucio el Encuentro de la Palabra y los jolgorios del alto Occidente. 5- El Centro Histórico de Manizales con su arquitectura republicana, museos y monumentos. 6- La ruta de la Expedición Botánica y de los Vapores en el Magdalena Centro, entre Mariquita- Guaduas y Honda -La Dorada. 7- Los bosques alto andinos para el avistamiento de aves en Río Blanco, El Recinto del Pensamiento, Alto Corozal y la reserva de La Chec. 8- El Nodo Cafetero Chinchiná – Palestina con Buencafé Liofilizado de Colombia, el Centro de Investigaciones del Café (CENICAFE), la Cooperativa de Caficultores y las grandes haciendas y pequeñas fincas cafeteras. 9– El Bosque de Palmas de Cera en el Valle de la Samaria de San Félix.109- El “balcón del paisaje” del occidente caldense, en Belalcázar con su monumento al Cristo Rey, en San José y en Risaralda. 11El Parque Natural Selva de Florencia entre Samaná y Pensilvania. Plataformas logísticas

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Ferrocarril Cafetero, cruzando la cordillera Central por el Túnel Cumanday de 42 km a 1250 msnm, para unir La Dorada con el Km1. SMP Manizales-UN de Colombia. Y en segundo lugar, las plataformas logísticas imbricadas con los sectores primario y secundario, aprovechando la posición geoestratégica del territorio. En Purnio y en La Esmeralda, además de carbón en las vecindades, existen subestaciones de 320 mil Kw, necesarias para el desarrollo de industrias químicas de base minera, además de agua suficiente. Finalmente, estos dos desarrollos que deben ser paralelos para lograr sinergias regionales, deben partir de sendas asociaciones de municipios: una entre Honda, La Dorada y Puerto Salgar; y la segunda, entre las potenciales áreas metropolitanas de Pereira y Manizales. Además del aprovechamiento del manganeso de Apía y Viterbo, el yacimiento minero-metálico más importante de Caldas, están las jaguas de los beneficios y de las gangas de las explotaciones auríferas del occidente y de otros lugares,para obtener apreciables cantidades de sulfuros de zinc, de plomo, de hierro, de cobre, de antimonio y de arsénico, o zinc metálico y sus derivados; de las arenas silíceas de alta pureza en cuarzo (SiO2), existentes en Pueblo Rico y el Valle del Cauca, y posiblemente en Riosucio-Supía-Quinchía, explotadas y complementadas con otras de Antioquia y Tolima se podrían implementar industrias de transformación para silicato de sodio, sílice-gel y carburo de silicio; y de los yacimientos de calizas de La Victoria-La Dorada-Río La Miel, y de Neira-Aranzazu-Salamina, una industria de carburo y fosfatos fertilizantes que en un plano de mayor nivel de desarrollo daría origen a plantas de acetileno, cianamida, cloruro químicamente puro y cemento. El Ferrocarril Cafetero articulando la hidrovía del Magdalena y el Corredor Férreo del Cauca, gracias a una reducción significativa de los costos del transporte por la vía de los fletes, de conformidad con lo señalado en el citado Plan Minero de Caldas, la Ecorregión Cafetera puede emprender un desarrollo de industrias pesadas destinadas a transformar la riqueza del subsuelo, haciendo uso del potencial carbonífero e hidroenergético del territorio, y de los yacimientos propios y vecinos. Habrá que prospectar y valorar estos recursos para garantizar por 25 años el suministro de materias primas.

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¿Y la economía marrón qué?

Imagen del Museo Interactivo Samoga •También la actividad productiva, para un desarrollo pensado para la sociedad del conocimiento y no para la sociedad industrial de ayer, exige que se centren los esfuerzos mancomunados de empresarios, gobierno y academia para aprovechar las ventajas naturales y culturales de la Ecorregión, en la construcción de sinergias entre la nueva economía de las TIC, la economía verde y la economía naranja, con la economía del conocimiento soportada en centros de investigación con la Universidad Pública a la cabeza. •Con el advenimiento de una cuarta revolución industrial, proceso histórico que implica cambios trascendentales al introducirse nuevas tecnologías relacionadas con la inteligencia artificial y la robótica, Caldas y Manizales deben asumir este gran desafío estratégico global y regional, para el cual debe tomar acciones estructurales en relación con un nuevo modelo educativo, que además de desarrollar el talento humano, les permita prevenir impactos negativos, culturales, económicas y territoriales asociados a una brecha digital, previendo los cambios no sólo en la producción y el empleo, sino también en la sociedad y el medio ambiente. •Para el efecto, Manizales y Caldas bajo ese nuevo enfoque deberán trazar una estrategia que tenga como objetivo consolidar desarrollos estratégicos relacionados con dos áreas: las Tecnologías en Información y Computación (TIC) y la Biotecnología (verde, blanca, roja y transversal), encontrando en cada área una empresa ancla como atractora, y empleando la metodología de clúster para obtener ventajas asociativas y conformar masa crítica en sendas opciones, haciendo del carácter biodiverso del territorio y del notable potencial de las instituciones científicas y universidades de la ecorregión cafetera, además de los centros urbanos vecinos conurbados una ventaja competitiva.

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Epílogo

Imagen: Usos actuales y potenciales del suelo en la ecorregión cafetera: SIR-Alma Mater 2002. Urge reforestar las cuencas abastecedoras de agua y resolver los conflictos entre uso y aptitud del suelo, no solo en los medios rurales sino también en los urbanos donde igualmente se presiona la estructura ecológica del territorio, caso RFP de Río Blanco y Chec con el proyecto urbanístico de La Aurora y la Mina de Toldafria. Urge una gestión integral soportada en estrategias de gobernanza para la preservación del patrimonio hídrico, donde además de las aguas superficiales y las subterráneas, se contemplen el saneamiento básico y la cobertura del servicio en los medios rurales y urbanos. Según el IDEAM, con el cambio climático los principales efectos podrían presentarse en los sectores de infraestructura vial y cuencas deforestadas en zonas de alta pendiente, debido al aumento de precipitación y precaria regulación hídrica. Además, debido al incremento de la temperatura, las coberturas nivales hoy en retroceso, seguirán disminuyendo en volumen, al tiempo que los aumentos de humedad relativa afectarán el sector agrícola por plagas sostenidas en el tiempo. •Se requiere un esfuerzo coordinado en Políticas Públicas relacionadas con estrategias y acciones de planificación y ordenamiento del territorio no solo entre la capital caldense y el departamento, sino también a nivel de la RAP del Eje Cafetero, para implementar proyectos estratégicos de desarrollo económico y social para la Cultura y el Medio ambiente, entre ellos un Plan Maestro de Turismo que incluya El Paisaje Cultural Cafetero y la conformación e integración de las Áreas Metropolitanas como paso previo para la consolidación de la Ciudad Región del Eje Cafetero. •Se requiere priorizar el sector rural y corregir el modelo conflictivo de ocupación del territorio, buscando satisfacer la función social y ecológica de la propiedad, desarrollando instrumentos de gestión y de desarrollo comunitario para lograr una intervención que le apueste a la conservación ambiental e hídrica, y a la preservación de la cultura local y el rescate de los bienes patrimoniales culturales y naturales. •Para lo anterior, además de educación, formación, capacitación e investigación, se debe fortalecer la institucionalidad y formular de forma participativa los planes de manejo correspondientes.

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•Entre los desafíos del POT departamental, estas cinco propuestas: •En la Dimensión Humana y Social, se debe ubicar a las personas en el centro del desarrollo: para el desarrollo rural y en general de la provincia, la inequidad y la pobreza, la carencia de vivienda y de salud, la brecha educativa y de ingresos, la drogadicción, la exclusión y la violencia de género, la delincuencia y el desempleo, son entre otros los temas centrales y los grandes desafíos. •En la Dimensión Medio Ambiente y Territorio, soportar la sostenibilidad en la responsabilidad social y ambiental y en la gestión integral del riesgo. La asociatividad soportada en sinergias territoriales, y el transporte rural como catalizador de la pobreza, además de las barreras asociadas a la condición mediterránea del territorio, la conectividad de la ecorregión y del Eje Cafetero, son otros desafíos. •En la Dimensión Producción e Ingresos, priorizar la formación del capital social sobre el crecimiento económico, y desarrollar políticas de Ciencia, Tecnología y Cultura como estrategias para cerrar la brecha de productividad. •En la Dimensión Cultura y Educación, el desarrollo de la identidad cultural y de la civilidad como valor supremo de la cultura urbana, e implementar un nuevo modelo educativo de cara a la sociedad del conocimiento. •En la Dimensión Político Institucional, fortalecer la apropiación social de los procesos de intervención del territorio, como los procesos de gobernanza, de paz, de desarrollo institucional y de lucha contra la corrupción, con el concurso de la sociedad civil y ONG. La participación en el POT de los actores sociales estratégicos y comunidades de base, y los modelos de gestión del territorio entendido como el resultado de procesos sociales e históricos, resulta fundamental. •Corregir siglos de olvidos e incumplimientos sistemáticos en el territorio, invisibilizando referentes sociales y culturales, y sometiendo a la provincia a los a la falta de una planeación abierta y participativa, y a un modelo de intervención territorial de corte utilitarista emprendido por el Estado y actores económicos extraños, exige además de la reparación de los daños causados, el reconocimiento de la urgencia que amerita la solución de la grave problemática socioambiental del territorio caldense, fortaleciendo su apropiación social. •Bajo la premisa de que existe una brecha entre la acción del Estado y los derechos bioculturales del territorio, dada la evidente posibilidad de avanzar en la construcción de un plan de acción integral y concertado con propuestas viables y sostenibles de mediano y largo plazo fruto de un trabajo mancomunado de todos los actores sociales, se deberá priorizar una política pública soportada en dicha filosofía, para que mediante dicho plan de acción resuelva las graves afectaciones que padecen las diferentes regiones de Caldas. •De contarse con la voluntad política que no se tenido y con una política pública de alto contenido social y ambiental, ¿cómo proceder para la ejecución del plan de acción y para verificar su cumplimiento?: se deberán implementar un grupo motor conformado por representantes de las regiones, de los sectores comunitarios, gremiales y académicos, y otro de veeduría ciudadana con ¿Cómo estamos en Caldas?: aunque en el Índice de competitividad de 2019 con un puntaje de 5,91/10 aparecemos en el puesto 8 entre 32 departamentos, contra una media nacional de 4,81,

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donde el Eje Cafetero muestra a Risaralda con 6,05 y al Quindío con 5,52), falta mucho por hacer, ya que entre 13 los factores, estas son algunas de nuestras fortalezas y debilidades: •En Entorno para los Negocios con 7,34 punteamos; Risaralda tiene 7,20) y Quindío 6,87. •En TIC con 6,67, superamos a Risaralda (6,13) y Quindío (6,00). •En Innovación y Dinámica Empresarial con 5,44, superamos a Risaralda (4,86) y Quindío (4,13) •En Infraestructura con 5,04, superamos a Risaralda (4,75) y Quindío (4,84). •En Educación Superior con 6,01, aparecemos sobre Risaralda (5,20) y Quindío (5,55) •En Mercado Laboral con 6,48 superamos a Risaralda (6,25) y Quindío (4,92). •En Educación Básica con 6,59, aparecemos entre Risaralda (6,69) y Quindío (6,30). •En Sofisticación y Diversificación aparecemos entre Risaralda (8,07) y Quindío (4,65), •En el Desarrollo Institucional con 6,48, estamos por debajo de Risaralda (7,99) y Quindío (6,98). •En Salud con 5,90, estamos por debajo de Risaralda (6,09) y Quindío (6,06). •En Sostenibilidad Ambiental con 3,63 somos antepenúltimos; Risaralda obtuvo (5,00) y Quindío (6,05). *** Gracias Ponencia para el “II Encuentro de saberes Dachi Kuita: el valor público como construcción de paz”, “Red de Estudios Metateóricos sobre la Ciencia, el Territorio y las Políticas Públicas”, adscrita a la Escuela Superior de Administración Pública ESAP. La sede del evento, es la Universidad Católica de Manizales. Noviembre 7 y 8 de 2019.

ENLACES U.N. Bosques en la cultura del agua.

Cultura del agua en los ríos urbanos. Ciencias naturales y CTS. Cultura y Astronomía (CyA) Cultura y Turismo en Caldas. Del antropocentrismo al biocentrismo. Ecorregión y bioturismo. Educación con-ciencia para el desarrollo. El Paisaje Cultural Cafetero: ¿sujeto de derechos?

Institucionalidad en el Paisaje Cultural Cafetero.

PCC 2011-2016: desafíos de un patrimonio sustentable.

Introducción a la teoría económica.

Plan de CT&I y TIC en Caldas.

La dimensión cultural como catalizadora del desarrollo. La economía en la era del conocimiento. Latinoamérica en crisis.

Por la educación y la cultura en el pacto de gobernanza. Revolución urbana, desafío para el Eje Cafetero.

Territorio y Región: Caldas en la Ecorregión Cafetera.

Misión de Sabios de Caldas: Encuesta.

Tierra y ruralidad en Colombia.

Opciones de Caldas en medio ambiente, cultura y territorio.

Universidad, educación y región.

Un nuevo modelo educativo.

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Geomecánica CAPÍTULO 10 ESFUERZOS EN MASAS DE SUELO

10.1 Introducción Se han visto aspectos relacionados con las deformaciones de un suelo sometido a la acción de fuerzas externas (caso del edómetro), y se ha integrado el efecto del agua a su comportamiento; igualmente se han definido los límites y estudiado las relaciones de fase del suelo, visto como una estructura trifásica, compuesta por sólidos, agua y aire. Incremento de volúmen

LF: Límite de fluidez. LF

LL y LP Límites líquido y plástico.

LL LP LR Sólido

semisólido

Plástico

Líquido viscoso

IP

IP = LL – LP Rango de estado plástico

Líquido

LR: Límite de retracción



Incremento de volúmen de agua

Figura 10.1 fases del suelo

En el estudio de capilaridad (Sección 6.1.3), se vio el efecto de contracción de un suelo arcilloso por pérdida de agua. También en la sección 4.1 se discutió la actividad de las arcillas, ligada al estado plástico del suelo, por depender de la cantidad de agua adsorbida sobre las partículas del suelo. La utilidad de los límites es importante para clasificar suelos, pero también cuando se tienen que resolver problemas geotécnicos relacionados con los cambios de volumen por la variación de humedad en el suelo, frecuentes en taludes conformados por suelos arcillosos que sufren secado por el calor y el viento, se contraen, se agrietan y sufren la inestabilidad IP por deshidratación. Un suelo activo, expuesto a variaciones de A= (10.1) % en peso  2 humedad, puede desencadenar problemas de ingeniería por su inestabilidad volumétrica. Pero el comportamiento de un suelo sometido a esfuerzos, no es el mismo cuando la velocidad e intensidad de los esfuerzos varía. La consolidación enseña que, un suelo que responde rígidamente a una carga súbita e instantánea, responderá plásticamente, ante una carga de largo plazo, en virtud de un proceso de drenaje que es controlado por la permeabilidad del suelo.

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

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





Elástico

 Plástico







Elasto-viscoso

Asociaciones mecánicas con el tipo de curvas -

Visco-Elastico

Figura 10.2 Curvas esfuerzo deformación b)

10.2

Estructura del suelo y esfuerzos

La fábrica textural del suelo, tiene dos posibilidades extremas: es floculada como los suelos marinos que presentan contacto borde–cara, gracias a fuerzas de atracción eléctrica, o dispersa cuando las partículas se disponen paralelas, porque se repelen eléctricamente. Al cargar un suelo, los desplazamientos por deformación de carga tienden a desplazar las partículas y los enlaces electroquímicos pueden deshacerse, para que la fábrica estructural quede dispuesta en forma paralela. El comportamiento mecánico dependerá de la estructura del suelo. El suelo floculado ofrece mayor permeabilidad, alta resistencia y baja compresibilidad, gracias a las fuerzas electroquímicas entre las partículas.

Flocualda

Dispersa

Figura 10.3. Fábrica textural del suelo

Agua salada Agua dulce

Suelos inalterados

Suelo remoldeado

Figura 10.4 Estructura del suelo

Tabla 10.1 Factores de comportamiento del suelo. Suelo Consolidado

Compacto

Factores de formación del suelo Naturaleza de los sedimentos Método de transporte y sedimentación Naturaleza del medio de sedimentación Naturaleza del suelo Energía y tipo de compactación Humedad de la muestra en obra

→ → → → → →

Factores de comportamiento Esfuerzos Tiempo Agua Entorno físico Perturbación. Medio y factores intrínsecos.

a. Presión: Con el aumento de la presión, aumenta la resistencia al esfuerzo cortante, disminuye la compresibilidad y se reduce la permeabilidad. Lo contrario, cuando disminuye la presión de

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confinamiento de un suelo, después de retirar cargas (de suelo u otras). Si el suelo está en equilibrio, bajo la misma presión que ha experimentado en su historia geológica, se denomina suelo normalmente consolidado (NC). En el canal de Panamá, las lutitas de los taludes fallaron porque, después de las excavaciones, perdieron la resistencia al cortante. b. Tiempo: Esta variable también influye en el comportamiento, como las presiones, la humedad y las condiciones del medio. El agua puede salir por efecto de las cargas, y los esfuerzos son asumidos por el suelo. Las reacciones químicas y otros procesos de degradación, requieren tiempo, y también la velocidad de aplicación de las cargas condicionan el tipo de respuesta del suelo. c. Agua: Los dos efectos principales sobre el suelo, causados por el agua, son: la reducción de la cohesión entre las partículas arcillosas y la modificación de los esfuerzos del suelo al aumentar la presión de poro “U” y disminuir el esfuerzo efectivo “´”. La arcilla, en estado seco es resistente y sumergida no. d. El entorno: También puede condicionar y modificar el comportamiento: la naturaleza del fluido intersticial y la temperatura de una arcilla sedimentaria o compactada, pueden variar en el tiempo. Si la arcilla era marina, por lixiviación, el flujo primitivo se hace menos salino y con ello, se reduce la fuerza de atracción electrostática entre partículas del suelo, variando su resistencia al corte, la arcillas sensitivas, que son de elevada susceptibilidad a los fenómenos de lixiviación, son de naturaleza marina, depositadas en alto grado por floculación; pero si el lavado reduce los enlaces cara borde, la arcilla tiende a la dispersión y el suelo, a presentar fallas por cortante.

v

v

v

h

N T

h 0=h=v

v

v 0

 = 0/3 z

D = v/ z

 = z / z

N= cte v>h

 D 

G =  zx/ zx

Figura 10.5 Pruebas comunes de esfuerzo deformación

10.3 ESFUERZO VERTICAL Y HORIZONTAL (suelo drenado) En un elemento de suelo, a una profundidad Z, se puede considerar las fuerzas normales N y tangenciales T que, sobre sus caras, carga las partículas de suelo: sea “h” la dirección horizontal y “v” la dirección vertical. Entonces:

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NV ; a2 T  V = V2 ; a

V =

h =

Nh a2

T  h = h2 a

(10.2)

Elemento de suelo de área a x a = a2; (a → 0).

Figura 10.6 Esfuerzos en una masa de suelo. 10.4 ESFUERZOS GEOSTÁTICOS VERTICALES (v)  sobrecarga

V =  T  Z

Los esfuerzos al interior del suelo se generan por dos tipos de cargas: el peso propio del suelo y el efecto de las cargas exteriores aplicadas al suelo. Los esfuerzos geostáticos (verticales) son debidos al peso propio del suelo; y pueden variar con la profundidad, cuando varía el peso unitario del suelo.

(10.3)

Si T = 1,6 Ton/m3, para calcular V se tiene la siguiente tabla UNIDADES DE V Libras / pie2 Libras / pulgada2 Kg / cm2 Atmósferas

UNIDADES DE Z Pies Pies Metros Pies

Si T varía con la profundidad:

 V =  i (DZ i )

EXPRESIÓN DE V V = 100 Z V = 0,694 Z V = 0,160 Z V = 0,0473 Z

por tratarse de variación discontinua; o

Z

 V =   dz , para variación continua. 0

10.5 ESFUERZO GEOSTÁTICO HORIZONTAL, (K y K0)

 K = h (10.4) V 0  K  1;

La relación entre los esfuerzos horizontal h y vertical V, se expresa con el COEFICIENTE de ESFUERZO LATERAL “K” o coeficiente de presión de tierras. La relación no es exclusiva de los esfuerzos geostáticos y su valor TEÓRICO está en un rango amplio:

K=

 1− 

(10.5)

y max = 0,5. En la realidad, K > 1 y empíricamente K = 1 − sen  en arcillas NC. En arcillas NC y en arenas K < 1. En arcillas PC y arcillas compactas o arenas compactas K0 > 1.

241

U.N. de Colombia

Geomecánica

v, h

Cuando un depósito sedimentario se forma por acumulación en capas horizontales, se va incrementando V y no necesariamente h, por lo que K < 1. En depósitos de arena sedimentaria, K = 0,4 – 0,5.

Fuertemente consolidado

h max Normalmente consolidado

Z

c) Si no existe deformación horizontal por presión de lateral de sepultura, el valor de K es K0 coeficiente de tierras en reposo. Así que en procesos sedimentarios, es típico el valor h = K0*V, y el valor se representará en la Figura 10.7.

K=1

h min

Figura 10.7. Esfuerzo geostático horizontal

d)

tg  0 =

En rocas  = 0,25, normalmente, por lo que K =

0, 25 1 − 0, 25

 V −  h  V (1 − K 0 ) 1 − K 0 = =  V +  h  V (1 + K 0 ) 1 + K 0

(10.6)

, o sea, K(rocas) = ¾, lo que significa h =

¾ V, normalmente. 10.6 ESFUERZOS PRINCIPALES 1 2 3 Y PLANOS PRINCIPALES

Z  

y



b 1

-Y 



Z

a

z

x



2 3

X

a) Esfuerzos en las tres direcciones X, Y, Z. ij b)

-Y

X

0

Esfuerzos principales 1, 2 y 3. i j = 0. i ⊥ al plano i.

El Figura cubo a10.8. muestra las 3 componentes de los esfuerzos principales 1, 2 y 3; las caras de ese cubo Esfuerzos y planos principales en una masa de suelo. son paralelas a los 3 planos del sistema cartesiano. El cubo b muestra una rotación, tal que 1 2 y 3 no tengan componentes  sobre sus caras. 1, 2 y 3 son perpendiculares a las caras del cubo, llamadas PLANOS PRINCIPALES, mientras 1, 2 y 3 se denominan esfuerzos principales. 10.7 ESFUERZOS PRODUCIDOS POR CARGAS APLICADAS En la teoría de la elasticidad se emplea frecuentemente, para el cálculo en una masa del suelo, este tipo de esfuerzos. La teoría supone que ESFUERZO y DEFORMACIÓN son proporcionales; la

242

U.N. de Colombia

Geomecánica

mayoría de las soluciones útiles suponen el suelo homogéneo e isótropo; incluso suponen el suelo “CHILE” (continuo, homogéneo, isótropo y linealmente elástico). Problema 10.1. Dado un suelo y dada una estructura, la pregunta es. ¿Cuál es la magnitud del asentamiento en un tiempo dado? Solución: Se suponen 4 etapas de cálculo, que en su orden son: 1. Calculo de los esfuerzos iniciales. 2. Incremento de esfuerzos totales. 3. Incremento de los esfuerzos efectivos para el tiempo t. 4. Cálculo de las deformaciones para ese tiempo. De lo anterior, es importante destacar algunos conceptos: a) El numeral 1 alude a los esfuerzos geoestáticos (Ecuación 9.4) donde K =

h

V

(coeficiente

de esfuerzo lateral) puede escribirse en función del incremento de los esfuerzos y de la relación :

K=

D X   =  D h = D V ; ( máximo = 0,5) D Z 1 −  1− 

En esfuerzos geostáticos, las deformaciones sólo se dan en la profundidad: Z  0 = X = Y

Dx B

b) La relación de sobre-consolidación RS =

 'P

 '0

, que

K aparente

relaciona el máximo esfuerzo efectivo histórico con el efectivo, es RS > 1 en suelos sobre-consolidados. Estos suelos tienen memoria y al descargarlos pasan de C a A, en la curva D’X - D’Z, dando un K aparente (AB), diferente al K real (OC).

A

C K real

O

Dz

10.8 CASOS DE ESFUERZOS VERTICALES.

Figura 10.9 Historia de esfuerzos en el Como la solución analítica para unas determinadas cargas y condiciones de frontera, es bastante tediosa, los suelo libros de Mecánica de Suelos básicos no las reportan, pero sí las emplean. Algunas son:

a) Carga puntual vertical Q (con  y R)

243

U.N. de Colombia

D V =

3Q * Z 2

(

2 r 2 + Z 2

Geomecánica

Q

)

5

(x, y) = (r, )

2

x2 + z 2

V ⊥ R ⊥ 

Z

V ⊥ X ⊥ Y Q  3R 2 Z D R =  2  R 2 + Z 2

(

D RZ =

)

5

2

(

R Y

x y

Nb

X

Na



v

Figura 10.10 Carga puntual

3Q * R 2 Z 2 2 R 2 + Z 2

R2 = X2 + Y2

 1 − 2 −  R 2 + Z 2 + Z R 2 + Z 2 

)

5

(10.6) 2

Expresiones de BOUSSINESQ para el incremento del esfuerzo en un punto N a una profundidad Z y distancia horizontal R, del punto de aplicación de la fuerza Q. b) Carga lineal vertical de longitud infinita. (figura 10.11, con X y con Y)

D V =

2Q * Z 3

 (X 2 + Y 2 )

2

D X =

2Q *  * X 2 * Y 2

c) Carga uniformemente distribuida sobre una franja infinita

D V = D X = D XY = (10.8)

q

 q

 q



D XZ

 (X 2 + Y 2 )

2

sen  * sen ( + 2  )

(

)

(10.7)

B

B

 + sen  * cos( + 2  )  − sen  * cos( + 2  )

2Q * X * Z 2 =  X 2 +Y 2

q

x

Z

Z

N



L x



N

Figura 10.11. Esfuerzos por una carga uniforme

Se puede suponer los casos c) y d) en casos como terraplenes o cortes.

d) Carga con distribución triangular sobre franja infinita. (Figura 10.12)

244

U.N. de Colombia

Geomecánica

B q R1

Z X



R2



v

x

Figura 10.12 Carga triangular sobre franja infinita. q X 1  D V =  − sen (2  )    B 2 D X =

D XZ =

q



X  −  B q

2

2 R1 1 Ln + sen 2  2 B 2 R2

 1 + cos (2  ) −



( )

Z

2Z B





(10.9)

 

e) Carga uniformemente distribuida sobre un área rectangular. (Zapata) Para calcular el incremento del esfuerzo vertical DV total, bajo la esquina de un área rectangular, de lados B y L, que está uniformemente cargada. El punto N está a una profundidad Z a partir de la esquina del área cargada. I0 es el FACTOR DE INFLUENCIA, m y n son factores que pueden ser “intercambiables”

245

U.N. de Colombia

Geomecánica

D V = q  I 0

(10.10)

Rutina: n → m → I0 → DV. Cuando el punto a analizar no está bajo el área cargada, se acude a realizar el siguiente artificio que permite la solución del problema. Ejemplo: Para puntos que no están bajo la esquina, casos R, S y T, se puede aplicar el ábaco de FADUM, de la siguiente manera: subdivido el área de influencia en rectángulos que pasen por el punto dado y paralelos al área cargada. Aplico los principios de superposición que se muestran a continuación, dibujos en planta, para 3 casos: 1

R

1

2

3

4

 DR = Dárea 1 + Dárea 2 + Dárea 3 + Dárea 4 (Obsérvese que la partición se hace por R)

1

2

2

S

3 T

1

2

 DS = Dárea 1 - Dárea 2

3

4

(Obsérvese que el área cargada no es cuadrada)

Figura 10.13. Abaco de Fadum (1945) (Tomado de Mecánica de suelos de Peter L. Berry – David Reid. Pag 63)

 T = 1234 – 34 – 24 + 4

(Nótese que el área 4 se restó dos veces y se sumó una) f) Carga uniforme sobre un área circular de radio R (Tanque, por ejemplo)

   1  D V = q 1 −  2 1 + (R Z )    

3

2

    Para R = 0  

(9.11)

246

U.N. de Colombia

Geomecánica

Figura 10.14. Valores del factor de influencia para calcular el incremento de esfuerzo vertical total bajo un área circular uniformemente cargada. (Abaco de FOSTER – AHLVIN 1954. R  0) (Tomado de Mecánica de suelos de Peter L. Berry – David Reid. Pag 65)

Figura 10.15 Diagrama de Nwmark. g) Diagrama de influencia de Newmark (1942).

Útil para áreas de formas irregulares uniformemente cargadas. El método de cálculo es gráfico. El ábaco es una malla o red de cuadros radial y anular, con un centro para N. Se requiere conocer el efecto sobre el punto N de una carga q colocada en el terreno con área “A” de forma cualquiera. Se hacen iguales la escala AB del ábaco y la profundidad Z del punto (AB = Z). Ahora, los radios parten del origen y forman, con los anillos, áreas de influencia, cuadrilongos, cargados equivalentes con el mismo incremento de carga. Si el área total del ábaco equivale a q,

247

U.N. de Colombia

Geomecánica

y son 200 cuadrilongos, el área de un solo cuadrilongo representará un incremento de esfuerzo de

0,005q = q 200 .

Dibujada la planta a escala, tal que Z = AB, y puesto N en el origen, se cuentan el número n de áreas de influencia, cada una con un valor de influencia I0, ocupadas por la planta a escala, sobre el ábaco.

D V = q  I 0  n

(10.12)

Figura 10.16 Distribución de esfuerzos verticales bajo áreas cargadas. a) franja de longitud infinita con carga distribuida uniforme. b) Zapata cuadrada. (Tomado de

Mecánica de suelos Peter L. Berry – David Reid. del Pag 68, pag Para otradeprofundidad, el área contorno 70)

cambia, pero para otro punto N, a igual profundidad, desplazamos el mismo contorno.

248

U.N. de Colombia

Geomecánica

10.9 BULBOS DE ESFUERZO. Con las soluciones de los literales “a” hasta “g” se puede obtener el conjunto de líneas de igual incremento de esfuerzo, por la carga aplicada, utilizando la ecuación de BOUSSINESQ (carga puntual y superposición de cargas). El BULBO DE ESFUERZOS O DE PRESIONES, bajo el área cargada, muestra que el área más afectada, está bajo el centro. D V = f (q ) .

Obsérvese que Z = 6B en la figura 10.16ª, que corresponde a un bulbo de esfuerzos, generado por una cimentación continua o en franja, y Z = 3B que es un bulbo de presiones generado por una cimentación de forma cuadrada o una zapata fig. 10.16b.

D = 0,1q La zona de influencia de la carga es el bulbo, y se estima arbitrariamente hasta 0,1q. Las líneas de igual incremento de esfuerzo vertical total, están expresadas como una fracción de la presión total aplicada en una franja cargada de longitud infinita, y de un área cuadrada cargada. Las líneas presentan el bulbo de esfuerzos de esas áreas cargadas y se puede ver, que en cualquier profundidad, el mayor incremento de esfuerzo ocurre bajo el centro del área cargada. De ahí el interés de evaluar los esfuerzos que se presentan bajo el centro de las áreas.

249

a)

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Geomecánica

En áreas circulares, uniformemente cargadas, el bulbo tiene una influencia a profundidades similares a las de la figura 10.17.

III I

II

III

I CARGA RECTANGULAR EN FAJA (L >> a) (Tomado de Mecánica de Suelos por Lambe, T; Whitman Robert. Pag 119)

NOTA: El perfilTRIANGULAR obtiene del bulbo, leyendodeD punto central de la zona z  q se V por II CARGA EN FAJA (L >> a) (Tomado de Mecánica Suelos por debajo Lambe, T; del Whitman Robert. Pag 120) cargada.III CARGA EN SUPERFICIE CIRCULAR (Tomado de Mecánica de Suelos por Lambe, T; Whitman Robert. Pag 116) 10.10 MÉTODO APROXIMADO DEprincipales CÁLCULO PARA V Figura 10.17 Esfuerzos bajoD cargas uniformes (Lambe)

250

U.N. de Colombia

Geomecánica

q

D V = q

LXB Z

2 1

Dv

D V = q

(L+B)(B+Z)

Figura 10.18. Cálculo aproximado de presiones verticales

D V = q

LB (L + Z )(B + Z ) L2

( L + Z )2 R2

( R + Z )2

(10.13)

(10.14)

(10.15)

Se muestran expresiones para áreas rectangular (10.13), cuadrada (10.14) y circular (10.15). Si Z  3L, las discrepancias con otros métodos son muy pequeñas. 10.11 CONSOLIDACIÓN Y ASENTAMIENTO EN ÁREAS DE TAMAÑO FINITO

B q Arcilla saturada sometida a compresión

H

h

DS 0 U0e

DS con

Figura 10.19 Consolidación en áreas de tamaño finito

La teoría de la elasticidad permite los cálculos para estimar las deformaciones verticales del suelo, es decir, predecir la magnitud de los asentamientos que se produce en la superficie de una masa de suelo cuando una carga se aplica sobre el área de cimentación. Las soluciones para predecir los asentamientos basados en la teoría de la elasticidad utilizan el módulo de elasticidad “E” y la relación de Poisson “ ”. Cuando B es pequeño comparado con H (zapatas por ejemplo) la consolidación es tridimensional.

Por la sobrecarga (q), el elemento de suelo sufrirá un DV y un Dh. DU0e será el exceso de presión de poro y Dh < U0e < DV. Además, D’V = DV – U0e y D’h = Dh – U0e. Pero si el ’V aumenta y ’h disminuye, el elemento de suelo sufre un ASENTAMIENTO INMEDIATO DS0. Posteriormente se presenta la consolidación, la presión de poro U e se disipa y ’h aumenta hasta alcanzar nuevamente el nivel Dhi inicial existente antes de aplicar la carga y que será superado por h en la etapa final de consolidación, cuando aumentan los esfuerzos efectivos.

251

U.N. de Colombia

Geomecánica

Las deformaciones laterales serán el 15% de las verticales (SKEMPTON – BJECRUM) por lo que en la práctica se considera la deformación vertical, que continúa con la consolidación, denominada ASENTAMIENTO POR CONSOLIDACIÓN

DS con = 0  h  D V D Como U0e es menor que el incremento DV, el valor DSC0N será menor que el que predice el ensayo de consolidación, en una cuantía 0, factor que depende de la forma del área cargada y del parámetro A de SKEMPTON. Por lo tanto, para el elemento de altura h, el asentamiento total “DS” es DS0 + DSC0N. El asentamiento total, en un espesor total H = Sh, estará dado por la sumatoria de los asentamientos “SDS”. En consecuencia DS = DS0 + DSCON → deformación del elemento. DS0 = Asentamiento inicial. DSCON = 0 mV h DV = Asentamiento por consolidación. H = Sh = Espesor total del estrato permeable. S = SDS = Deformación total. De lo anterior:

Los valores A de Skempton dependen del tipo de arcilla (abscisas): PC, NC, o AMS, así: PC = preconsolidada; NC = normalmente consolidada y AMS = arcilla muy sensitiva.

Figura 10.20. Abaco de Scott, 1963. (Tomado de Mecánica de suelos de Peter L. Berry – David Reid. Pag 68, pag 158)

S = SDS = SS0 + SScon

S = S0 + 0  SmV  H  D V (9.16)

252

U.N. de Colombia

Geomecánica

En cimentaciones superficiales, en el cálculo del asentamiento “S”, es suficiente tomar entre 6 y 8 capas de espesor h, para lograr mejores aproximaciones en el rango de la influencia, que llega a unas 8 veces el lado de la zapata de ancho “B”.

h=

A: Bajo el centro B: Bajo el borde

1 B en zapatas cuadradas o circulares. 2

h=B

B

para cimentaciones corridas.

A

En cimentaciones flexibles, VA > VB por lo que se produce asentamiento diferencial. En cimentaciones rígidas, el esfuerzo VA es el 80% del valor en la flexible. Se asume que se presenta asentamiento uniforme en la cimentación rígida y asentamiento diferencial en la cimentación flexible. El asentamiento en la cimentación rígida es el 80% de asentamiento que presenta la flexible, y asentamiento diferencial en la flexible es la diferencia entre los asentamientos entre el borde y el centro. 10.12 ASENTAMIENTO INICIAL. El cálculo de los asentamientos que se presentan en la superficie, por efectos de las cargas de la cimentación, puede estimarse a partir de la teoría de la elasticidad, utilizando E y  (Sección 8.10). Sin embargo un suelo no tiene valores únicos de E y de  , y eso limita la aplicación del método. En arenas el módulo E varía con Z, con el ancho del área cuadrada, y la relación  varía con la deformación. En consecuencia, se recurre a los métodos empíricos, para las arenas. En arcillas saturadas el asentamiento inicial S0 se produce sin drenaje. Por ello  = 0,5 y con base en ello se estima el asentamiento inmediato S0, para áreas cargadas uniformemente, ya de forma rectangular (Figura 10.17 I y II) y de forma circular (Figura 10.17 III). e)

10.13 CARGA EN ÁREA RECTANGULAR: H FINITO S0 es el asentamiento inicial en la superficie y en la esquina del rectángulo de lados B y L; ÁBACO DE STEINBRENNER:

1 − 2  I S = F1 +   F2  1−  

S0 =

(

)

q * B 1−  2 IS E

(10.17)

(10.18)

Los valores de F1 y F2 dependen de L/B y H/B, siendo L el largo y B el ancho, “q” es la carga uniforme. I S el factor de influencia y H la profundidad del estrato de suelo.

253

U.N. de Colombia

Geomecánica

Figura 10.22 Ábacos de Karl Terzaghi. (Tomado de Mecánica de suelos de Peter L. Berry – David Reid. Pag 73)

254

U.N. de Colombia

Geomecánica

Figura 10.21. Abaco de Steinbrenner. (Tomado de Mecánica de suelos de Peter L. Berry – David Reid. Pag 71) f)

10.14 CARGA EN ÁREA DE FORMA CIRCULAR

El asentamiento inicial está dado por S0

S0 =

q * R * I0 E

(10.19)

I0 es el factor de influencia; S0 varía con X. E y  son el Módulo de Elasticidad y la Razón de Poisson. g)

La figura 10.22 presenta los LOS ÁBACOS son de KARL TERZAGUI – 1943

Obsérvese que los tres ábacos representan los valores de los factores de influencia para casos específicos: a) Espacio semi-infinito; b) y c), espacios finitos dados.

255

U.N. de Colombia h)

Geomecánica

Ejercicio 10.1.

Para el esquema de carga uniforme, calcular el esfuerzo DV a una profundidad Z = 3m debajo de A. (Figura 10.13) Solución: Se aplica el principio de superposición: Área

B-L

(1,2,3,4)

6,04,5 6,01,5 4,51,5 1,51,5

(2,4) (3,4) (4)

m=B n=L/ Io /Z Z 1,5 2,0 0,233

Dv ton/m² + 1,115

2,0

0,5

0,135

-0,675

1,5

0,5

0,131

-0,665

0,5

0,5

0,850

+0,425

A 1,5

3,0

5 Ton/m 2

4,5

3,0

1,5

2

4

1

3

4,0

+0,210 Nota: Obsérvese que las áreas todas pasan por A. Sólo que A es un punto exterior. Ejercicio 10.2 (Berry – Reid): Cimentación FLEXIBLE Un área rectangular flexible de 8,00 m por 4,00 m se carga con 40 KN/m2. El piso es un estrato arcilloso de Z = 20,00 m. La arcilla es saturada y tiene un módulo E no drenado de 3500 KN/m2 y  = 0,5. Calcule DV bajo el centro y bajo la esquina del área cargada, a Z = 5,00 m. También el asentamiento diferencial inmediato entre el centro y la esquina.

1 3

2

5,0

4

20,0

C

E

C 20,0 Arcilla

E

Solución:

256

U.N. de Colombia

Geomecánica

a) Las cuatro sub-áreas son iguales; C = centro; E = esquina.

Punto

B*L

Z

m

n

E

4*8

5

0,8 1,6

DV = q I0

I0

7

0,175

KN

m2

b) Asentamiento inmediato de la superficie, KN para área rectangular, (Ecuación 10.16) con m2 cimentación flexible y con estrato finito: STEINBRENNER. Como la arcilla es saturada,  = 0,5; entonces IS = F1; (fórmula 10.17) Pto E C

B*L 4*8 2*4

H 20 20

L/B 2 2

H/B 5 10

IS = F1 0,525 0,640 * 4

Formula (10.18): Se aplican aquí los valores de IS anteriores

S 0C

(

)

(

)

(

)

(

)

q * B 1−  2 40 * 4 * 1 − 0,5 2 IS = 0,525 = 0,018m E 3500 q * B 1−  2 40 * 4 * 1 − 0,5 2 = IS = 0,640 * 4 = 0,044m E 3500

S 0E =

R // El asentamiento diferencias es DS = S0 C – S0 E = 26mm Ejercicio 10.3 (Berry – Reid,) Una planta industrial está cimentada sobre un suelo arcilloso, como muestra la figura. Cerca al edificio, orientado E–W, y al túnel PP’, orientado N 45° W, se construirá un tanque de 18,00 m de diámetro, tal que la distancia QP = 12m tenga rumbo N 45° E. La cimentación está hecha sobre arcilla homogénea de gran potencia (H) la que cruza el túnel a 12 metros de profundidad. La cimentación del tanque será flexible y superficial. Calcule DV en P a una profundidad Z = 12m y calcule S0 en P y Q, en caso de construir el tanque.

P

q=9,30 KN/m 2 12,00

6

Edificio

6

P q=70 KN/m 2

18,00

E

Q Tanque

12,00

Tune l

Solución: Para P con Z = 12m, se calcula V (total) = VP 1) V = sobrecarga + incremento por edificio + incremento por tanque 

 V =  V 0 + D VE + D VT = 223,67 + 3,45 + 12,60 = 239,72 KN m P

2

a V 0 = SAT Z = SAT * g * Z b DV E = DV rect - DV cuadradito

257

U.N. de Colombia

Geomecánica

c DV T = DV NEWMARK (O FOSTER – A)

(a) V 0 = SAT Z = 1,9 * 9,81 * 12 = 223,67

KN

m2

(b) FIG

L

B

Z

m=

RECT CUAD

24 6

12 6

12 12

1 0,5

B Z

n=

I0

q

I0 * q

DV P

+ 0,198 - 0,083

30 30

+ 5,94 - 2,49

3,45 KN m 2

L Z

2 0,5

(c) Tanque: La escala AB = Z = 12m (d) Newmark: La escala AB = A = 12m. Luego 18  tanque = 12 AB = 1,5 AB .

 (Chequeo) 

Z=

12 m

D=

18 m

AB= 12 m Ddib= 1,50

Dibujo PQ a escala. PQ = 12m = AB (P en el origen) a la distancia PQ dibujo el tanque ( = 1,5 AB).

QP= 1,00

Contamos cuadrilongos: n = 36 DV T = q I n = 70 * 0,005 * 36 = 12,60

FOSTER – A.: R = 12m; r 0 9m; Z = 9m  Z r DVf =

KN

m2

= 1 13 ; R r = 1 13 ; I 0 = 0,18

q Io = 70 * 0,18 = 12,60

KN

m2

2) Asentamiento: (utilizo ábaco de Scott, figura 10.20). Los asentamientos por las estructuras anteriores ya se dieron. El asentamiento inmediato por el tanque solamente en la superficie (figura 10.22), se puede calcular con el ábaco de Terzagui para espacio seminfinito, que es el a). (Suponemos H indefinido).

q = 70 KN m2 ;

R = 9m;

E = 5500 KN m2 ;

 = 0,5;

H

R

=  Entonces

S0 =

q*R (I 0 ) = 70 * 9 (1,5) = 0,172m E 5500

(para X = 0; punto Q)

S0 =

q*R (I 0 ) = 70 * 9 (1,0) = 0,115m E 5500

(para X = R; borde)

S0 =

q*R (I 0 ) = 70 * 9 (0,75) = 0,086m E 5500

(para X = 12m; punto P)

258

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Geomecánica

7,5

Ejercicio 10.4 (Berry – Reid, ejemplo 4.3). Un tanque de petróleo de base flexible (fig E 10.4) se cimenta en arcilla blanda NC que descansa sobre roca. El NAF está 1,00 m abajo del terreno. Calcule los asentamientos máximos y diferencial para el tanque, si la arcilla tiene: SAT = 1,90

Mg m3

4

1

H=19 5

2

6

3

CC = 0,2. La muestra de arcilla

se obtuvo a Z = 3,5m (*); E = 2500

KN

m2

q= 60KN/m 2

Diam 15 m

;

h= 6,67m

H=20

h= 6,67m h= 6,67m

Ro ca

A = 0,7 (SKEMPTON). Los ensayos de e – ’V, en laboratorio, dieron: ´V (KN/m2)

25

50

100

200

400

e

1,06

1,03

0,97

0,91

0,85

datos para obtener   m V , para un determinad o nivel de σ V 

Solución. Se consideran aquí CONSOLIDACIÓN y ASENTAMIENTOS (Figura 10.19) Asentamiento inmediato, por carga circular (Sección 10.14) q = 60

KN

m2

; R = 7,5m; E = 2500

KN

m2

; H = 20m;

H

/R = h = 2,67m

 = 0,5 (arcilla saturada); I0 = f(H/R; ; X), interpolo situaciones de los ábacos b) y c), que tienen H /R = 5 y H/R = 2/3 (es aproximado) INTERPOLACIÓN DE I0

H R

=5

H R

=

2 3

H R

=

20 7 ,5

= 2,67

5  2,67 

Con  = 0,5 en b) y c)

I0

I0

Centro del tanque → X = 0

1,07

0,28

0,28 +

(1, 07−0, 28)(2, 67− 23 )

= I0

Borde del tanque → X = R

0,64

0,06

0,06 +

(0, 64−0, 06 )(2, 67− 23 )

= I0

2

3

El valor I0 está en este rango (5− 23 )

(5 − 2 3 )

Centro del tanque  I0 = 0,615 (valor intermedio entre 1,07 y 0,28) Borde del tanque  I0 = 0,353 (valor intermedio entre 0,64 y 0,06)

259

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Geomecánica

Con estos factores de influencia, podemos calcular S0, así: Centro del tanque S 0 =

q*R*I 0 E

=

60*7,5*0, 615 2500

= 0,111m

Borde del tanque S 0 =

q*R*I 0 E

=

60*7 ,5*0,353 2500

= 0,064m

Asentamiento por consolidación (ábaco de Scott, figura 9.20) Para cimentación circular, el espesor necesario es

h0 =

B 2

= 152 = 7,5m .

Como H = 20m, se requiere considerar un máximo de 3 capas, por lo que h= 6,67m (ver figura) El incremento de DV en el plano medio de cada subcapa (puntos 1 a 6), se determina con el diagrama de Newmark (Figura 9.15, con AB = Z variable). Para una arcilla NC, mV promedio (para nuestro caso son 3 valores) se obtiene en el plano medio (Z1, Z2, Z3). A esa profundidad se tienen 2 valores de ’V (antes y después del tanque): ’V i y ’V f. Luego:

( )

C C log  ''VfVi De 1 mV = * = 1 + e0 D 'V (1 + e0 )D 'V

(Ver Sección 8.13)

DSCONS = 0 mV h DV

 0 * CC * h

DS CONS =

(1 + e0 )

(tomando D por D’)

  'Vf  log    'V 0 

(1)

3

S CONS =  DS CONS 1

Se obtienen los siguientes valores para los 6 puntos, así: Punto Z (m) n # 1 2 3 4 5 6

3,34 10,00 16,67 3,34 10,00 16,67

188 100 48 84 55 35

E0 1,05 0,97 0,93 1,05 0,97 0,93

ANTES V i 62,25 186,39 310,91 62,25 186,39 310,71

KN

U 22,96 88,29 153,72 22,96 88,29 153,72

DESPUES

m2

’V i 39,29 98,10 156,99 39,29 98,10 156,99

DV 56,40 30,00 14,40 25,20 16,50 10,50

KN

V f 118,65 216,39 325,11 87,45 202,89 321,21

m2

’V f 95,69 128,10 171,39 64,49 114,60 167,49

DSCONS (m) 0,211 0,063 0,021 0,112 0,037 0,016

260

(1) (2) (3) (4) (5) (6)

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NOTAS: Z = La profundidad de cada punto. n = El número de cuadrilongos en el diagrama de Newmark. e0 = Relación de vacíos. V i = Esfuerzo total inicial (V = SAT z). U = presión de poro que es (Z – 1)W y que juega dos veces en  - U. ’V i = Esfuerzo efectivo inicial (V i – U). DV = q  I 0  n , el incremento del esfuerzo efectivo vertical. V f = V i + DV, el esfuerzo total final. ’V f = V f – U es el esfuerzo efectivo final. Los esfuerzos en KN m 2 i)

Por lo tanto

Asentamiento por consolidación bajo el centro del tanque (1) + (2) + (3): 3

S CONS =  DS CONS = 0,201 + 0,063 + 0,021 = 0,285m 1

Asentamiento por consolidación bajo el borde del tanque (4) + (5) + (6)

7,5

3

B

C

D B

S CONS =  DS CONS = 0,112 + 0,037 + 0,016 = 0,165 1

C= Centro B = B orde D = Asentamiento dif erencial

ASENTAMIENTOS TOTALES

S = S0 + SCONS (Fórmula (10.16) SC = 0,111 + 0,285 = 0,396m SB = 0,064 + 0,165 = 0,229m SD = SC – SB = 0,167m C = Centro del tanque B = Borde del tanque D = Asentamiento diferencial

261

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Ejercicio 10.5: (Berry – Reid, ejemplo 4.4.) Cimentación rígida.

520 KN

La zapata de la figura es de concreto y recibe una columna vertical. La zapata es cuadrada y está cimentada en una arcilla completamente saturada, cuyo basamento es una arenisca. La arcilla tiene en el registro E = 10500 KN m 2 , A = 0,4 (Skempton), mV = 0,00012

KN m

2

1,50

A= 2X2

. Desprecie la diferencia de densidades entre

concreto y arcilla, calcule el asentamiento total S = S0 + SCONS.

12,50

1

h= 1 m

2

h

3

h

4

h

5

h

6

h

14,00

Solución. En cimentación rígida, no hay asentamiento diferencial y basta calcular S en el centro, como si fuera cimentación flexible para tomar el 80% del valor (Sección 10.11) Asentamiento inmediato (Steinbrenner) partiendo la zapata

S '0 =

(

)

q * B 1− 2 I S donde E

6,00

Arcilla compacta cantos rodados

Are nisca

1 − 2  I S = F1 +   F2  1−  

Pero

q=

520 = 130 KN m 2 ;  = 0,5 (arcilla saturada); espesor del estrato H = 12,5 m 2*2

E = 10500

S '0 =

KN

m2

; IS = F1 (porque  = 0,5); B = 2/2 = 1m; F1 = 0,49

130 * 2(1 − 0,25) (0,49) = 0,0046 m 10500

(en la esquina)

NOTA: En el ábaco de Steinbrenner, con H B = 12.5 y IS para una esquina (Figura 10.21).

L

B

= 1 obtengo F1 = 0,49, que es el valor de

Se tomó B = 1,00 m porque el ábaco no permite calcular el centro sino la esquina. Luego, parto en 4 la zapata y realizo el cálculo por superposición. El asentamiento inmediato en la superficie y en el centro de la zapata es: S0 = 0,0046 * 4 = 0,018m  (4 veces S’0) Asentamiento por consolidación (Aplico fórmula pág. 9.16) DSCONS = 0 mV h DV 0 se obtiene en el ábaco de la figura 10.20 con A y con H/B. Para H B = 12,52 = 6,25 y A = 0,4, 0 = 0,60 (banda) y 0,53 (círculo). La zapata es más círculo que faja o banda: 0 = 0,53. Asumiendo mV constante en todo el depósito y tomando h = ½ B (cimentación cuadrada), con 6 subcapas (sección 10.11), calculando DV en el plano medio de cada subcapa, utilizando el ábaco de FADUM (Figura 10.12).

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Punto

Z(m)

B

L

1 2 3 4 5 6

0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5

1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1

B

Z

B/Z

L/z L Z

I0

2,0 0,67 0,40 0,29 0,22 0,18

0,229 0,123 0,060 0,037 0,024 0,016

2,0 0,67 0,40 0,29 0,22 0,18

DV

KN

m2

119,08 63,96 31,20 19,24 12,48 8,32

DSCONS (m) 0,0076 0,0041 0,0020 0,0012 0,0008 0,005 S = 0,0162 m

Entonces, el asentamiento total de una zapata flexible sería S = 0,018 + 0,016 = 0,034m. Debemos tomar el 80%. El asentamiento real de la zapata rígida, que es el caso, es el siguiente: S = (S0 + SCONS)*0,80 = (0,034)*0,80 = 0,027m (valor satisfactorio) j)

Nota

Estos ejercicios sólo ilustran la relación asentamiento–consolidación. Para que una zapata esté adecuadamente proyectada, se requieren dos requisitos: 1. Que DqS no supere la capacidad de carga del terreno. 2. Que el asentamiento sea inferior a un cierto valor admisible. No puede fallar, ni el suelo ni la estructura, en la realidad. --DOCUMENTO DE COMPLEMENTO ON LINE

El desastre de Armero a los 30 años de la erupción del Ruiz, Duque Escobar, Gonzalo (2015) Universidad Nacional de Colombia.

Fisiografía y geodinámica de los Andes de Colombia. Duque Escobar, Gonzalo and Duque Escobar, Eugenio (2016) Universidad Nacional de Colombia. Manizales.

Geotecnia para el trópico andino. Escobar Potes, Carlos Enrique; Duque Escobar, Gonzalo. Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales.

Vulnerabilidad de las laderas de Manizales. Duque Escobar, Gonzalo (2017) Presentación ante la Comisión Cuarta del Concejo de Manizales, del Jueves 11 de Mayo de 2017.

MANUAL DE GEOLOGÍA PARA INGENIEROS. Duque Escobar, Gonzalo. Universidad Nacional de Colombia (2020). See more at: https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/3145

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LECTURA 10: LA ECONOMÍA EN LA ERA DEL CONOCIMIENTO Gracias al progreso tecnológico, y en particular a al advenimiento de una nueva revolución tecnológica, la economía ha venido evolucionado hacia una nueva economía basada en el conocimiento, en un escenario donde, además de los la globalización económica acompañada de cambios en la estructura económica y en la estructura del empleo, también inciden la globalización de las tendencias ambientales y las determinantes sociales culturales. Veamos en nuestro caso, inicialmente algo sobre las revoluciones tecnológicas, para luego entrar al tema, a través de la economía verde, naranja y azul. Desarrollo y revoluciones tecnológicas

Imagen1: Las revoluciones industriales, en http://economipedia.com Se entiende por tecnología el conjunto de instrucciones aplicadas a un proceso productivo; por ejemplo, el café y el bahareque, o la tecnología para el control de la erosión, patrimonio de la región. Ahora, en una perspectiva más global, si entre las tecnologías fundamentales logradas por la humanidad, están el fuego y la rueda, o la agricultura y el pastoreo inventados durante el Neolítico, también uno de los desarrollos más portentosos de la humanidad ha sido el invento de las ciudades cuya evolución es evidente. No obstante, así como desde la invención del fuego, el deterioro del medio ambiente ha resultado significativo, también los problemas contemporáneos asociados a la tecnología, son múltiples: agotamiento de recursos y polución, guerras y exclusión, gasto público e innovación, crecimiento y desarrollo, dependencia y poder, ideología y cultura… Si miramos la historia del desarrollo, los principales cambios sucedidos después del neolítico, han sido las denominadas revoluciones industriales, de las cuales transcurrieron dos: la primera, impulsada y promovida por la máquina de vapor y la energía hidráulica, cuya importancia radicó en el proceso de transformación económica, social y tecnológica ocurrido en Europa Occidental, Estados Unidos y Japón, ocurrida desde la segunda mitad

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del siglo XVIII hasta 1850, cuando se da el paso de una economía rural a otra de carácter urbano, industrializada y mecanizada; y la segunda revolución, que partió de 1870 y cerró con la primera guerra mundial en 1914, donde los impactos de esa naturaleza pero alcance globalizado parten de los procesos de industrialización mediados por innovaciones técnicas intensivas en nuevas fuentes de energía como el gas, el petróleo o la electricidad, y en nuevos materiales, se traducen en una explosión de medios como el avión, el automóvil, el teléfono y la radio. Y mirando lo que es el desarrollo hoy, diríamos que estamos cerrando el ciclo de una tercera revolución iniciada a mediados del siglo XX: la también denominada revolución científico-técnica que ha servido como detonante de la llamada sociedad de la información, gracias a la conjunción de las TIC y las energías renovables, pero también que estaríamos ad portas de una cuarta revolución industrial marcada por la convergencia de tecnologías digitales, físicas y biológicas, puesto que se anticipan cambios estructurales en el mundo que conocemos, y por lo tanto en la forma en que vivimos, trabajamos y nos relacionamos. Así como la tercera revolución industrial partió de la llegada de la electrónica transformando la tecnología de la información y las telecomunicaciones, ahora con la automatización total de la manufactura mediada por los avances de la inteligencia artificial debidos a la ingeniería genética y las neurotecnologías, en las próximas décadas habrá un cuarto giro o revolución que cambiará radicalmente la estructura del empleo, con grandes consecuencias sociales, económicas y ambientales. Dados el modelo de desarrollo “energívoro y consumista”, con 7.300 millones de personas habitando el planeta que alcanzarán a 9.700 millones en 2050, y una huella ecológica percápita creciente que ya supera la capacidad global de 2,1 hectáreas bioproductivas por persona, para resolver las demandas futuras de la humanidad en energía, alimentos, hábitat, trabajo… parecen insuficientes las cinco tecnologías fundamentales surgidas desde mediados del siglo XX y previstas hasta el año 2030, que en su orden son: la informática, que nace en 1948 con la invención del transistor; la biotecnología, que surge gracias al microscopio electrónico la ultra-centrifugadora y el espectrómetro de masas; los nuevos materiales, obtenidos en procesos con ambientes a temperaturas extremas e ingravidez, bajo intensos campos magnéticos; las nuevas fuentes energéticas (energía solar y de fusión, biocombustibles, hidrógeno…) modificando el arco energético por fuentes ; y los nuevos espacios, como la órbita geoestacionaria y los fondos oceánicos, importantes para Colombia. Si queremos futuro, para superar esta sociedad industrial de ayer y entrar con opciones de desarrollo a la sociedad del conocimiento, el primer desafío va más allá de la calidad de la educación, puesto que el actual modelo educativo centrado en los tres objetivos de las pruebas PISA, al olvidar la cultura y las artes no desarrolla el talento humano; y el segundo, debemos implementar estrategias para una reconversión tecnológica del aparato productivo, e implementar un nuevo desarrollo soportado en sinergias entre la economía del conocimiento y las economías verde, digital y naranja. La economía verde y economía del conocimiento

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Imagen2: Selva de Florencia (Eltiempo.com), y Laguna de San Diego (Akelarre196). Aunque un siglo atrás el meridiano económico de Colombia pasaba por el Eje Cafetero, hoy, cuando padecemos una crisis que se explica por no haber incursionado en la transformación y mercadeo de la rubiácea, y quedar solo aplicados al desarrollo de una eficiente caficultura cuyos beneficios capitalizan las multinacionales que controlan el negocio del producto símbolo de nuestra economía, para salir de la actual crisis podríamos intentar acciones y estrategias de desarrollo a partir de acuerdos regionales, si aprovechamos las ventajas naturales y culturales del medio biogeográfico, articulando y reorientando las fortalezas académicas y culturales en la ecorregión cafetera para construir sinergias en el escenario de dos nuevas tendencias globales: la de la sociedad del conocimiento, que emerge conforme palidece la sociedad industrial de ayer, y la del surgimiento de una economía verde asociada a la biomasa, que llevará gradualmente al declive la economía de los combustibles fósiles causantes del calentamiento global. Evidentemente, las materias primas biológicas, antes que comercializarlas en bruto, deberán ser transformadas por nosotros mismos empleando las capacidades locales para desarrollar plataformas tecnológicas complejas basadas en la bioingeniería, propiciando un desarrollo autóctono que debe empezar por la transformación del café colombiano, tal cual lo hacemos ahora en la planta de café liofilizado en Chinchiná. A modo de reflexión, mientras promovíamos en tiempos de Lucho Herrera con la camiseta tricolor nuestro café pergamino, un producto que no aparecía en los supermercados, países no productores tomaban ventaja transformado y comercializando el café venido de nuestros países: hoy aparecen como primer productor de café soluble en el mundo Alemania, y como el más notable por los cafés exquisitos de variados y reconocidos sabores, Italia. Pero podemos integrar la economía verde y la economía del conocimiento, primero porque en cuanto al medio biótico, contamos con 38 cuencas pertenecientes al medio tropical andino biodiverso, que en medio de zonas de reserva como los parques naturales nacionales de los Nevados, Tatamá y Bosque de Florencia, ecosistemas acuáticos y de páramo, bosques alto andinos húmedos y secos, y manchones de guaduales, aunque fuertemente fragmentados pueden ser complemento de estrategias de conservación y desarrollo sostenible. Y segundo, dado que en lo cultural, además de la herencia asociada al carácter triétnico del territorio, gracias a la conurbación del Eje Cafetero hacen presencia instituciones como Cenicafé, importantes universidades públicas como la U.N. sede Manizales, U. de Caldas, U. Tecnológica de Pereira, U. del Quindío y U. del Tolima, y otras instituciones privadas de educación superior donde existen programas clave para

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incursionar en el terreno de la biotecnología, aplicada a procesos industriales, médicos, agrícolas o ambientales. Esta tarea no resulta fácil, por dos razones: en lo interno, por dificultades humanas no solo para articular esfuerzos entre sectores productivos, académicos y gubernamentales, sino y sobre todo entre grupos de trabajo académico aplicados a la investigación, que perteneciendo a una misma institución o a la misma ciudad, no comparten recursos complementarios, sin pensar que desatender las demandas sociales en materia de desarrollo conduce a una postura ética cuestionable por tratarse del uso de recursos públicos. Y en lo externo, por el colonialismo que se ejerce a través de las fuerzas del mercado por poderosas multinacionales que están invirtiendo en nuevas plataformas tecnológicas para transformar la biomasa, afectando derechos y culturas de comunidades vulnerables del planeta, caso Monsanto, Wal-Mart, Solazyme, Evolva SA, Amyris y otras, tal cual lo señala el Grupo ETC en múltiples documentos publicados en www.etcgroup.org Además del Paisaje Cultural Cafetero, que es una propuesta verde, entre otras para el Eje Cafetero, he creído en el desarrollo de la química del carbono en el campo de los alcoholes, complementando los enfoques de Santander en la UIS y Ecopetrol aplicados a la petroquímica, y de las universidades de Antioquia a la química del carbón mineral. En el marco de esa idea la Universidad Nacional presentó un portafolio de proyectos a la Industria Licorera de Caldas (2012), para abordar su reconversión empresarial y tecnológica, con estrategias como transformar productos de la región, por ejemplo, la papa en vodka, y avanzar más allá de los licores, dado que en la química de los alcoholes las opciones pasan por biocombustibles, sucroquímica, alimentos, medicamentos y productos industriales. De la economía marrón a la naranja

Imagen3: Colombia Biodiversa Mincultura.gov.co & Samoga Unal.edu.co Veamos algo sobre la economía naranja, una herramienta de desarrollo económico que soporta sus procesos en la cultura y la creatividad y, al tiempo, un concepto propio de la actual sociedad del conocimiento. Esto, dada su importancia para trazar una agenda pública concertada en la cual el Estado priorice la solución a las problemáticas socioambientales del territorio. Para empezar, definamos economía verde, como el estudio y valoración de la sustentabilidad, y economía naranja, como el sector de la economía creativa que involucra la generación de ideas y conocimiento. Este par de conceptos, que vienen con el cambio del milenio y que caracterizan la transición de una economía 267

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energívora hacia una economía sostenible post-carbono, superan con creces el alcance de la llamada economía marrón, entendida como la administración eficaz y razonable de los recursos a través del uso eficiente de insumos, capital físico y trabajo. En el año 2015, las industrias de la economía naranja fueron un importante motor del desarrollo económico en América Latina y El Caribe: generaron 1,9 millones de empleos, e ingresos por 124.000 millones de dólares; de ahí la importancia de la Ley Naranja (Ley 1834 de 2017) como una apuesta de política pública para proteger la propiedad intelectual y generar valor agregado a partir de la creatividad y la cultura en el país, dado que en Colombia dicho sector, que en 2012 representó cerca de 1,6 % del Producto Interno Bruto PIB gracias a unas dinámica tras un lustro de crecimiento en el cual los servicios crecen el doble que los bienes asociados, representa cerca del 3,3 % del PIB, cifra más representativa que la de la generación eléctrica que es 2%, y que la del cultivo del café, ya que una cosecha de 14,2 millones de sacos como la de 2015, sólo representó el 0,8% del PIB. Mientras la economía marrón, al no tomar en consideración las variables ambientales y sociales en la gestión del desarrollo, no puede corregir los patrones de acumulación y desigualdad vigentes, y la economía verde al no incorporar elementos de redistribución de la riqueza ni estrategias de equidad, entra en profunda contradicción con su objetivo de lograr la sustentabilidad en un mundo de recursos limitados, contrariamente mediante la innovación, con la economía naranja como complemento, surge un nuevo escenario de oportunidades de transformación y desarrollo al alcance de las economías de los países subdesarrollados y de los medios rurales, a partir de la creatividad y la innovación orientadas a la generación de bienes y servicios que aprovechen la oferta natural y cultural del territorio, lográndose la implementación de modelos económicos alternativos basados en el conocimiento como factor de producción, y por lo tanto en el talento humano. Sabemos que, aunque las tecnologías fundamentales de la sociedad industrial de ayer, tardaron décadas para entrar en escena, otras asociadas a la sociedad el conocimiento como la informática y la biotecnología, han mostrado una dinámica creciente caracterizada por la velocidad en su adaptación y expansión. Ahora, si con las TIC, el tránsito de la economía marrón a las economías verde y la naranja, soportado en la economía digital, se ha dinamizado, será clave comprender el momento en que nos encontramos para trazar políticas públicas de impacto social y ambiental, no sólo pensando en el crecimiento sino también en el desarrollo, lo que supone crear capital social y democratizar las oportunidades, en la actual transición entre la tercera y la cuarta revoluciones industriales. Lo anterior, que sirva para que en este territorio valoremos la importancia de la educación como estrategia de desarrollo humano, y apoyemos el esfuerzo de las universidades de investigación, de los gestores del teatro, los procesos ya consolidados con las bandas de nuestros municipios, la producción literaria, las artes y el diseño, y la necesidad imperante de certificar nuestras artesanías e impulsar otras manifestaciones culturales y actividades de reconversión productiva, que le dan soporte al Paisaje Cultural Cafetero, para intentar por lo menos la configuración de un punto de inflexión para el tránsito de una “sociedad de tecnología dura” como la de los medios fundamentalmente urbanos, a una “sociedad de tecnología blanda” típica de los ambientes rurales, donde las metodologías consideran las interacciones humanas y los procesos sociales, en beneficio de nuestra comarca.

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La economía azul en la esfera de la producción

Imagen4: Huella Hídrica de la agricultura en Colombia. WWF 2012. No se trata de la economía asociada a nuestros mares y ríos, ni tampoco a la del agua que participa con el 10% del PIB en Colombia incluyendo el 2% de la hidroelectricidad, y cuyos costos ambientales son el 3,5% y los ocultos el 1% relacionados con la calidad del vital líquido; se trata de la novedosa propuesta de Gunter Pauli, sobre una economía asociada a procesos que vinculen los residuos a la cadena de producción y donde los desperdicios o la basura no existen, dejan de ser despojos inutilizables que se incorporan a la cadena de valor. La economía azul reduce los costos sociales y económicos por el bienestar perdido como consecuencia de la degradación de los paisajes terrestres y marinos y la contaminación del aire, y los costos ambientales por el incremento y manejo de la eutroficación de cuerpos de agua y suelos, mayores costos de producción por reducción de emisiones y tratamiento de residuos, y pérdida de patrimonio natural biótico, hidrológico y edáfico. Colombia como potencia bioceánica, aunque empieza a hablar de la economía azul, sólo desde principios de siglo cuando se generaron los lineamientos de la Política Nacional del Océano y los Espacios Costeros, apenas ahora logra integrar en el Plan de Desarrollo, la Política Nacional del Océano y los Espacios Costeros: al reconocer que el país, pese a su potencial hídrico está geográficamente fragmentado, por lo que busca integrar y conectar las hidrovías con los modos de transporte terrestre y sus mares. Pero hay otra economía azul diferente que va más allá de los mares y ríos concebidos como motor del desarrollo, e incluso de la “Colombia Anfibia”, ese maravilloso estudio del IAvH que reconoce la importancia y la fragilidad de nuestros ecosistemas: se trata de aquella que propone otro relacionamiento de la cultura con la naturaleza para comprender su gran potencial productivo, haciendo de los residuos otra fuente de riqueza si se articula a la creatividad y a la innovación con la idea fundamental de lograr una producción de bienes y servicios eficiente, ambientalmente sostenible y socialmente responsable. Se trata del modelo del belga Gunter Pauli, autor de “La economía azul: 10 años, 100 innovaciones, 100 millones de empleos”, un concepto socio-económico propuesto en 1994 soportado en un planteamiento más profundo, que va más allá de la ineficiente y onerosa economía verde donde se obliga a la empresa privada a hacer grandes esfuerzos económicos, incurriendo en costos ambientales para que sus productos sean respetuosos

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con el medio ambiente; contrariamente, la economía azul al ser más eficiente produciendo para todos en la agricultura y la manufactura, es una apuesta por innovaciones, que inspiradas en la naturaleza impliquen bajos costos, generen empleo, amplíen el capital de las empresas y produzcan beneficios, a partir de la utilización de productos locales para satisfacer la demanda del lugar. Mientras en la economía verde se propende por el bienestar social, la reducción de los riesgos medioambientales y las amenazas ecológicas, el uso eficiente de los recursos y la disminución de las emisiones de carbono a un alto costo, que trasladado al consumidor privilegia un mercado de élites; en la economía azul el modelo parte de la Iniciativa e Investigación de Emisiones Cero ZERI, de conformidad con las ideas de Pauli. Allí los impactos socioambientales y económicos se logran cuando los residuos dejan de ser despojos inutilizables para convertirse en recursos del ciclo de producción que se incorporan a la cadena de valor. Los fundamentos de este innovador modelo, son: En lo social: el modelo es socialmente responsable y compatible con una economía de pleno empleo; en el sistema natural cada riesgo motiva la innovación; el aire, el agua y el suelo son bienes comunes; la naturaleza, al ser ambientalmente resiliente, optimiza recursos y procesos para orientarse hacia las necesidades básicas. En lo ambiental: el agua como principal soluble sirve de catalizador; en la naturaleza todo está conectado; la gravedad y la energía solar son el principal recurso; la naturaleza es realmente diversidad y está sujeta a cambios constantes; las soluciones parten de la física, la presión y la temperatura del lugar; y los sistemas naturales no responden a procesos lineales. En lo económico: el modelo cosecha los bienes y recursos del patrimonio natural, para reemplazar por “nada” cada recurso; en la naturaleza un proceso tiene múltiples usos, todo es degradable en el tiempo, y los desperdicios o la basura no existen; la naturaleza trabaja solo con lo disponible, persigue las ventajas de la diversificación, y promueve una economía de pleno empleo. En suma: la economía azul, no solo propone sino que también desarrolla proyectos empresariales en diversos sectores, demostrando la viabilidad de un modelo empresarial sostenible y competitivo, de producción ecológica amigables con el medio ambiente, generador de bienes accesibles, y de beneficios medioambientales, financieros y sociales: se han implementado proyectos como el cultivo de hongos comestibles a partir de desechos de café, e intervenido procesos de transformación reutilizando desechos mineros o agrícolas, además otros con ahorro de combustible y reducción de emisiones contaminantes, mostrando que el país innovador y creativo y la región tienen una nueva alternativa compatible con la economía naranja. EPÍLOGO En medio del lento crecimiento, la progresiva desigualdad y la emergencia ambiental como factores que afectan la economía y la sociedad, Colombia puede emprender una recuperación transformadora, con igualdad y sostenibilidad, basada en una combinación de políticas integrales que generen impactos cuantitativos sobre el crecimiento, la distribución del ingreso y el sector externo, sin recurrir a medidas inflacionarias, siempre y

270

U.N. de Colombia

Geomecánica

cuando se fortalezca el papel del Estado, y se construyan consensos incluyentes para apoyar con estrategias macroeconómicas, sectores estratégicos con responsabilidad social y ambiental, y particularmente con un viraje hacia la economía del conocimiento. Ahora, en relación con la economía creativa, sector donde el gobierno ha priorizado la economía naranja, cuya importancia radica en la posibilidad de expandir su participación en el PIB del 3,2% al 7% en la década 2020-2030, no sólo habrá que resolver la desigual dotación de los inputs necesarios para el desarrollo de las actividades intensivas en conocimiento, sino también identificar los clústeres innovadores que pueden perdurar, ya que la clave estaría en el carácter estratégico de las industrias de alta complejidad tecnológica, en los servicios intensivos en conocimiento y en las industrias culturales. Sobre este asunto, ahora más que nunca, vemos la importancia de la conectividad y transformación digital, como factores que se convierten en nueva realidad y exigencia para los empresarios. Pero el problema de la economía a más largo plazo, pasa por cuatro escenarios: 1- una deuda externa que ya ha llegado a límites impensables, al ubicarse en U$150 mil millones tras un crecimiento del 53,7% (30% pública y 23,7% privada); 2- una caída de la inversión extranjera que en los dos últimos lustros al pasar de una media de U$10 mil millones a tan sólo U$6 mil 300 millones, se ha reducido más del 34%; 3- el costo de la pandemia que ya supera los $33 billones, gravitando sobre el recaudo de una gran reforma tributaria, aún por implementar; y 4- un horizonte poco esperanzador de la locomotora del petróleo, que con el carbón en una proporción que supera 2 a 1, responde por el 47% de nuestras exportaciones. Como conclusión, si bien hemos hecho anotaciones al corto plazo, para una verdadera reconstrucción post-pandemia, habrá que reconsiderar la función redistributiva del Estado para poder cambiar el perfil de nuestra economía, caracterizada como proveedora de materias primas y mano de obra barata, favoreciendo la funcionalidad del capitalismo global, haciendo de esta crisis sin precedentes en Colombia y en el mundo subdesarrollado una oportunidad, para cambiar de dirección implementando, además de cambios profundos en el modelo educativo, un modelo de desarrollo apalancado en políticas públicas que favorezcan un cambio de primer orden, con transformaciones sociales y ecológicas. * Referencias: (1) La Patria. Manizales, 2017.12.18; (2) La Patria. Manizales, 2013.12.30; (3) La Patria. Manizales, 2018.02.12; (4) La Patria. Manizales, 2019.11.18. … ENLACES U.N. Aerocafé en tiempos de pandemia.

El inestable clima y la crisis del agua.

Ciencia y tecnología en la sociedad del conocimiento.

El ocaso de la universidad pública.

Conocimiento y prosperidad en Colombia.

El porqué de los aguaceros en Colombia.

Del antropocentrismo al biocentrismo.

Navegando el Río Grande de la Magdalena.

Plan de CT&I y TIC en Caldas. Reflexiones sobre tecnología y medio ambiente. Sinergia y pertinencia en las ciencias básicas. Un nuevo modelo educativo. Un TIM verde para el POT.

271

U.N. de Colombia

Geomecánica

CAPÍTULO 11 CIRCULO DE MOHR ESFUERZOS NORMALES Y TANGENCIALES EN EL SUELO 11.1

Notación:  = Sigma = Esfuerzo normal o directo a la superficie.  = Tau = Esfuerzo de cizalladura o cortante a la superficie.  > 0 = Compresión;  < 0 = Tracción. zx = Cortante en la dirección X, sobre el plano Z (el plano Z es el plano X–Y). z = Esfuerzo normal y en la dirección Z. Figura 11.1 Esfuerzos en una masa de suelo

Sobre las caras del cubo existen 9 elementos (fig. 11.1), las que se pueden escribir así:

 xx   yx   zx 

 xy  xz    yy  yz  =  = Tensor general de esfuerzos en R3  zy  zz  y

Y

 xy

Tomando momentos (esfuerzo, por área, por distancia) para hacer rotar el cubo en torno a un eje central paralelo al eje Z e igualando a 0 (cero), tenemos que xy y yx son los dos esfuerzos que pueden hacerlo.

 yx

A

 xy x B

O

 yx

(11.1)

X

Figura 11.2 Esfuerzos en un plano



xy

Entonces:

 



* a 2 * a 2 −  yx * a 2 * a 2 = 0 xy = yx

(11.2)

Reduciendo el problema a dos dimensiones únicamente, (11.1) puede escribirse con sólo 3 componentes y no 4, según (11.2).

 x  xy  2   =  = Tensor de esfuerzos en R (11.3)  y  xy

272

U.N. de Colombia

Geomecánica

En el plano Z (o X,Y), se dibuja las 4 componentes del esfuerzo. En este caso x, y compresivos. yx se ha hecho xy. Entonces, de las 4 componentes del esfuerzo, tres son independientes: Las de la ecuación (11.3). La ecuación (10.3) y la ecuación (10.1) se pueden expresar, para los esfuerzos principales, en R2 y R3, así:

0   = 1   0 2

0  1 0  =  0  2 0   0 0  3 

y

(11.4)

Los tensores expresados en (11.4) suponen una rotación del sistema, hasta que los esfuerzos cortantes se hagan nulos (i j = 0), según lo visto en la Sección 9.6.

Y

 xy

B



x

Y

P n= 

 xy

B



 A

O

y



A

X

 yx

P n= 

X

O

El problema es que, conocido el tensor en R2, calcular  y , siendo  el ángulo del plano con el eje Y (o del esfuerzo normal al plano, con el eje X). NOTA: La matriz de cosenos directores en R2 es la del coseno del ángulo de (, ) con (X, Y):

Figura 11.3 Esfuerzos en un plano.

 cos x' x T =  cos y ' x

11.2 ESFUERZOS EN UN PLANO.

cos x' y   cos cos(90 −  ) =  cos y ' y  cos(90 +  ) cos   cos  T =  − sen 

sen   cos  

(11.5)

Considerando el equilibrio estático, la SF = 0  AB PX = OB X + OA XY ; AB PY = OA X + OB XY Pero

OA = AB sen; OB = AB cos

(11.6) (11.7)

Llevo (11.7) a (11.6) y cancelo AB PX = TX cos + XY sen (10.8)

PY = Y cos + XY sen

Pero a) n = PX cos + PY sen

b) n = PY cos - PX sen

(11.9)

(11.8) en (11.9)  tendiendo en cuenta (11.2) y aplicando la identidad de las fórmulas 11.17:

273

U.N. de Colombia

Geomecánica

 = X cos2 + 2xy sen cos + Y sen2

 =

(

x

+ y ) 2

(

+

x

− y ) 2

que se transforma

cos 2 +  xy sen 2

(11.10)

 = xy (cos2 - sen2) – (x – y) sen cos

  =  xy cos 2 − Además, tg 2 =

(

x

− y ) 2

sen 2

(11.11)

− 2 xy

(

x

− y )

(11.12)

Por convención, los esfuerzos principales son 1  2  3. En R2 1  2.

1 =

1 ( x +  y ) + 1 ( x −  y )2 + 4 xy2 2 2





2 =

1 ( x +  y ) − 1 ( x −  y )2 + 4 xy2 2 2





1

2

1

(11.13)

2

(11.14)

A veces es conveniente el análisis de los ejes X e Y en la dirección de 1, 2, entonces de (11:10) y (11:11), cuando xy = 0:

 =

1 ( 1 +  2 ) + 1 ( 1 −  2 ) cos 2 2 2

 = −

(11.15)

1 ( 1 −  2 )sen 2 2

(11.10), (11.11), (11.13), PARAMÉTRICAS”

(11.16)

(11.14),

(11.15) y (11.16)

Cos2 = cos2 - sen2 IDENTIDAD

cos 2  =

1 2

(1 + cos 2 )

se

denominan

“ECUACIONES

sen2 = 2sen cos

sen 2  =

1 2

(1 − cos 2 )

(11.17)

11.2.1 El plano de máximo esfuerzo de cizalladura: Se encuentra con la ecuación (10.16); en ella  es máximo cuando sen 2 = 1   = 45°

274

U.N. de Colombia

 max =

Geomecánica

1 − 2 3

 = 45°

y

(11.18)

11.2.2 Esfuerzo hidrostático: Cuando 1 = 2 = 3 (en R3) y no existe cortante en el material (xy = yz = zx = 0). En este caso sólo existe cambio de volumen, elástico o permanente. 11.2.3. Esfuerzo octaédrico:  oct =

  + +   2 3   1

(11.19)

3

11.2.4 Esfuerzo desviador ’: Sobre un esfuerzo es del tipo hidrostático, puede darse un esfuerzo adicional normal y en una dirección, llamado esfuerzo desviador ’, que para la dirección 1 es:

 '1 =  1 −  =  1 −  '1 =

Igualmente:

( 1 +  2 +  3 ) 3

(2 1 −  2 −  3 ) 

 (2 2 −  1 −  3 )  '2 =  3 (2 3 −  1 −  2 )   '3 =  3 3

(11.20)

NOTA: El octaédrico es un invariante

275

U.N. de Colombia

Geomecánica

11.3 CÍRCULO DE MOHR (Estado bidimensional, R2)

3



a



1



c



b

A

1 −  3

1

2

3

3 1 + 3

Punto A de coordenadas A()

2





1

1 −  3 2

Figura 11.4 Circulo de Mohr. Consideremos el estado de esfuerzos en el PLANO PRINCIPAL de 3, plano en el que actúan los esfuerzos principales 1 y 3, ver Sección 10.6. Asumamos  > 0 en compresión y  > 0 en dirección retrógrada. El esfuerzo desviador es la magnitud 1 – 3, diámetro del CÍRCULO DE MOHR, cuyo centro es (1 + 3 )2 , con ordenada  = 0 en el plano considerado y que definimos como plano , . Dada la magnitud y dirección de 1 y 3 se pueden calcular los esfuerzos normal  y tangencial , en cualquier PLANO “ab” con dirección  medida en sentido retrógrado a partir de , así:

  =  1 cos 2  +  3 sen 2  =

1 +  3

  = ( 1 −  3 )sen  cos = −

2

+

1 −  3 2

1 −  3 2

sen 2

cos 2

(11.21)

(11.22)

Comparando (11.21) y (11.22) con las ecuaciones (11.10), (11.11), (11.15) y (11.16), vemos que se ha tomado 3 por 2, para asociarlas al círculo de Mohr. Entonces, EL CÍRUCLO DE MOHR tiene por circunferencia el lugar geométrico de puntos, como A, que representan los esfuerzos sobre un plano, cuya normal forma un ángulo  con la dirección del esfuerzo principal mayor 1. El punto A representa al plano “a-b”. POLO. La noción de polo es de gran utilidad para las construcciones gráficas del CÍRCULO DE MOHR.

276

U.N. de Colombia

Geomecánica

El polo es un punto del círculo de Mohr designado por P, con la siguiente propiedad única: una línea trazada a partir del polo paralela a un plano dado en el suelo, cortará el círculo de Mohr en un punto cuyas coordenadas corresponden a las componentes  y  del esfuerzo en ese plano. En consecuencia, existe una relación entre: 1. El estado de esfuerzos en cualquier plano. 2. La dirección de dicho plano del suelo. 3. La posición del polo en el círculo de Mohr. Ejemplo11.1:



El punto H tiene coordenadas (z, -zx) que definen el estado de esfuerzos en el plano cb, por lo que, al trazar por H la línea HP, paralela a la línea cb, obtengo el polo P.

S ()

K

0 



N

El punto K tiene coordenadas (z, zx) que definen el estado de esfuerzos en el plano ac, por lo que al trazar por K la línea KP, paralela a la línea ac, obtengo el polo P.

0

c

H0

Ambos puntos P son el mismo; sólo existe un polo (P) único en el círculo de Mohr.

a

En consecuencia, al trazar por P una línea PA, paralela a la línea ab, obtengo el punto A, cuyas coordenadas son (; ) (ambos positivos).

b

z

zx







0P

xz c

M

a

x





xz c

b

z

El ángulo  que hace  con la resultante de  y , es el ángulo AON.

Figura 11.5 Polo en el círculo de Mohr

Los esfuerzos 1 y 3 son OM y ON. máximo es

CS = (1 − 3 )2 .

zx

El ángulo , es diferente al ángulo  y vale la mitad del arco ACM El esfuerzo resultante ab está dado por

 2 +  2

El máximo es el radio del círculo de Mohr y este esfuerzo tangencial se produce en planos que forman 45° con el esfuerzo normal mayor 1. Si el estado de ESFUERZOS es GEOSTÁTICO, los máx estarán sobre planos que hacen 45° con el horizonte y la magnitud de max, dependerá de K, el COEFICIENTE DE PRESIÓN DE TIERRAS

277

U.N. de Colombia

Geomecánica

K = 1   max = 0

Si

K  1   max =

Si

K =

donde

V

h V

(K − 1)

2

Ejercicios 11.2 Para las figuras I y II dadas, obtenga los esfuerzos en el plano mn. Solución gráfica (Para I y II) 1

1) 1 = 4 Kg cm 2 ; 3 = 2 Kg cm 2

1

2

3

4



I n



2) dibujo el círculo de Mohr. 3) máx = R = (1 – 3)/2 = 1



P

O

0C

B

4Kg/cm 2

m

Kg

2Kg/cm 2

-1

cm 2

4) Por 2,0 trazo BP paralela al plano sobre el cual actúa el esfuerzo 2,0   = 2;  = 0

A0

1 1

5) Obtengo el polo P donde la paralela BP corta el círculo. 6) Por P trazo el plano PA paralelo a “mn” para obtener el punto A.

2

3

II

P

A

0 O

4

 0

60



B

-1

 m

n

C

2 Kg/cm 2 4 Kg/cm 2

7) Leemos las coordenadas de A, punto que representa al plano mn, esto es: Caso I

:  = 2,5

Kg

Caso II

:  = 3,5

Kg

cm 2

;

 = -0,87

cm 2

;

 = 0,87

Kg cm 2 Kg cm 2

 = 120°  = 30°

Otra solución: Los pasos 1, 2 y 3 iguales, lo mismo los pasos 6 y 7. El paso 4 puede ser: Por 4,0 trazo CP paralela al plano sobre el cual actúa el esfuerzo 4,0. El paso 5, obtener con CP el polo P y listo. Ejercicio 11.3. Obtener gráfica y analíticamente 1, 2 y  de la figura:

278

U.N. de Colombia

Geomecánica

2

1



1

B

0

P

3

4

()

(−)

0 -1

4 Kg/cm 2

2



-1 30

 m

O

n

C

A

-1

 =1 Kg/cm 2

4

-1

2 Kg/cm 2

0

Solución gráfica. 1) Sitúo en el plano los puntos A (4,-1) y B (2,1), que son las caras A y B. Los signos,  > 0 en compresión y  > 0 en sentido retrógrado. 2) El diámetro y el radio, gráficamente son definibles, a partir de A y B. 3) Por A, trazo AP paralela a la cara A, para obtener el polo P. (Este paso también puede ser: Por B trazo BP paralela a la cara B). 4) Uno P1 y P3. Estas son dos rectas paralelas a los planos principales sobre los que actúan 1 y 3, de magnitudes ya conocidas.



  =41 Kg/cm2

52 m

5) En el círculo ya se lee PC = 2 y P21 =  6) Dibujo el elemento de suelo, con , 1, 2 de acuerdo al círculo de Mohr obtenido.

n



  =9 Kg/cm2

7) Solución analítica Con las ecuaciones 11.12, 11.13, 11.14, tenemos:

 '=

 − 2 xy  1  − 2(−1)  1 ar tg   = ar tg   = +2230' 2  ( x −  y ) 2  (4 − 2) 

1 =

1 ( x +  y ) + 1 ( x −  y )2 + 4 xy2 2 2





2 =

1 ( x +  y ) − 1 ( x −  y )2 + 4 xy2 2 2





1

2

1

2

(*)









=

1 (4 + 2) + 1 (4 − 2)2 + 4(1)2 2 2

=

1 (4 + 2) − 1 (4 − 2)2 + 4(1)2 2 2

1

2

1

2

= 4,41 Kg cm 2 = 4,41 Kg cm 2 = 1,59 Kg m 2

(*) Como el ángulo  real es el que hace 1 con el horizonte, entonces  0 30° + ’ = 30° + (+22° ½) = 52° ½ 279

U.N. de Colombia

Geomecánica

Ejercicio 11.4. Se tiene una carga de 25 Ton/m2 uniformemente repartida sobre una superficie circular de 30 m de radio. Para una profundidad Z = 30 m bajo el borde de la superficie cargada calcular el Dh y las direcciones de D1 y D2. Para V, 1 y 3 (ábacos Figuras 10.14 y 10.17) Solución: Se dibuja el círculo de Mohr con los D, y con una horizontal por Dx localizo el polo P. Z

a) Ábacos:

r

=1 y

X

r

X

Z

D v

P

D h

0

Z

= 1 : (ábacos III de LAMBE Figura 10.17)

D 3 = 0,04; q

D 1 = 0,44; q

r

D 1 − D 3 = 0,40 q

D1 = 0,44q = 0,44(25) = 11 TT m2

incremento en 1

D2 = 0,04q = 0,04(25) = 1 TT m2

incremento en 2

(borde del tanque y Z = r)

b) Ábaco Foster – Ahlvin (donde R es X)

Z = 1; r

X = 1  I 0 = 0,33 r

(para borde del tanque y Z = r)

DV = q I0 = 25(0,33)= 8,25 TT m2

incremento en V

Como D2 < D < D1 existe cortante  sobre el plano horizontal. c) Construcción del círculo de Mohr:

R=

11 − 1

= 5;

O=

2

11 + 1

=6

2 Z

5,0



4

2

6

8

H(D  h,D  )

10

V

0

0

D v

2,5

D h 0

D 3

D 1

O

A

B





8,25 Ton/m 2 60



D 1

D 3 D v

P

0

D 1

D h

+D  D 3

-2,5

-5,0

11 Ton/m 2

−D 

1 Ton/m 2 D h D 3

3,6 Ton/m 2

D 1

D v

Z

0V(D  ,D  ) v

280

U.N. de Colombia

Geomecánica

Con Dt = DV = 8,25 obtengo VV’ Por la simetría del círculo, existen dos puntos con diferente . Escojo V con  < 0. Con VP  horizonte, obtengo P (polo). Con PH ⊥ al horizonte obtengo H. Se lee Dh = 3,6; D = 4,5 Uniendo P con A y B obtengo los planos principales. El ángulo , de Vi con X: i actúa sobre el plano BP. Luego  = ángulo BAP = ar tg



4, 5

 = −60

(3, 6−1, 0 )

Ejercicio 11.5. Con la figura, las cargas normales aplicadas en las caras de un cubo de suelo son F1 = 45 Kg y F2 = 30 Kg; las cargas cortantes son F3 = F4 = 10 Kg. La arista de suelo es de 40 mm. Construya el círculo de Mohr de los esfuerzos totales y obtenga los planos y esfuerzos.

8) 100

F1

 z =275,9  z x =61,3

eje x

F4

P. principal menor

50

F2

= 6

3

0,0

1 346

154

F3

 x =183,9  xz = -61,3

-50 eje z

F1 -100 0

50

100

150

200

250

300

350

9) 10) Solución Se definen los ejes X y Z de la figura y se tienen como base la dirección de F 1, F2, F3, F4. Luego se calculan

 x = F g A = 183,9 KN m 2

 xz =  zx = F g A = 611,3 KN m 3

2

2

;

 z = F g A = 275,9 KN m 1

2

y el cortante

. xz < 0 por el sentido negativo y  zx > 0 por el sentido retrógrado.

281

U.N. de Colombia

Geomecánica

El polo P se localiza desde (z; zx) y el plano principal mayor genera  = 26° con X. Ejercicio 10.6 Partiendo de los esfuerzos totales del cubo del ejercicio anterior, y conociendo que la presión de poros es U = 50 KN m 2 , construya el círculo de Mohr de los esfuerzos efectivos. Dibuje el polo en el nuevo círculo, de esfuerzos efectivos, y dibuje los cubos sobre cuales caen los esfuerzos efectivos normales y cortantes. Solución: El agua no asume resistencia al corte. xz = zx = 61,3 KN m 2 . Además, OO’ = U = 50

KN m

P’ se desplaza hacia atrás 50

2

100 P

3

3

0,0

eje z

-100 0

50

100

150

 z´

KN

’z = z – U = 275,9 – 50 = 225,9

KN

’1 = 1 – U = 306 – 50 = 256

KN

’3 = 3 – U = 154 – 50 = 104

KN

 xz

.

200

 zx

Z

 xz  x´

 x´

’x = x – U = 183,9 – 50 = 133,9

346

U 50

-50

Z

m2

1

1

154

. KN

P

U

50

 zx

 z´

300

250

350

 1´

 2´

 2´  1´ 26

X

X

m2

m2

m2

m2

Nota: Se obvia el cálculo con fórmula Ejercicio 10.7. Para la figura, la ecuación de esfuerzos principales está dada por

 3 = q ( − sen  )

 1 = q ( + sen  )

y la dirección de 1 bisecta el ángulo . Calcule x (horizontal), el y (vertical) y xy

en el punto A (x = 0,75B; y = B/2) (ver expresiones 10.11, para fajas con carga uniforme q)

(x,xy)



o=

1 +  3

R=

1 −  3

2

B

 + 2

=8 

3

1

O

2

= 0.2313q = 0.2115q



  =977

y A (y,xy)

P

Polo

x  yx A

 xy 0,2489q 0,2188q

-0,2188q 0,2137q

282

U.N. de Colombia

 +  = arctg

Geomecánica

X + B2 = ar tg 2,5 = 68,20 Y

X − B2 = arctg 0,5 = 26,57 Y  = 68,20 − 26,57 = 41,63

 = arctg

 + 2 = 26,57 + 412, 63 = 47,38 =  1 = 3 =

q

 q



(0,7267 + sen 41,63) = 0,4428q (0,7267 − sen 41,63) = 0,0198q

Con 1 y 3 se dibuja el círculo, con centro en O = 0,2313q y radio R = 0,2115q. Como la dirección de 1 bisecta el ángulo , entonces A =  +  2 = 47,38 .

CARGA EN FAJA

B/2

B/2

Con , gráficamente obtengo el polo P. Por P trazo PA horizontal y obtengo el plano sobre el cual actúa el esfuerzo vertical pedido; este es A(y; -xy).

X





Para calcular A, calculo    = 180° - 2 = 180° - 94°,77 = 85°,23

y = x =  xy

1 +  y 2 1 +  y

 A(x,y)

Y

− R cos  = 0,2313q − 0,0176q = 0,2137 q

+ R cos  = 0,2313q + 0,0176q = 0,2489q 2 = R 2 sen  = 0,2115q * sen 8523 = 0,2108q

Ejercicio 10.8. Dado el plano B con los esfuerzos x, y, xy en KPa (150, 50 y 50); calcular , el polo, 1, 2 y su orientación.

 Y=150

 (Kpa)

 x =50

B

P

 xy=50

B

3 3

O

  = 

1

 (Kpa)

1 R = 50 2

3 1 100

 − 2 xy  1 1 − 2 * 50   = arctg   = arctg   = 22,5 2  50 − 150    x − y  2

Fórmula 11.12

283

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1 = 3 =

 x + y 2  x + y 2

Geomecánica

+ R = 100 + 70,7 = 170,7 KPa − R = 100 − 70,7 = 29,3KPa

CÍRCULO DE MOHR PARA VARIOS ESTADOS DE ESFUERZOS REPRESENTATIVOS. Los suelos soportan, por lo general, esfuerzos de compresión; sin embargo, los suelos cohesivos pueden presentar alguna resistencia a la tracción. La figura 11.6 presenta una serie de círculos de Mohr que representan varios estados de esfuerzos.

 Tracción

Compresión

A

B

Envolvente de Mohr

C

A

B

C

D

E



D,E

C írculo de Mohr A: T racción B:Cortante puro C:Compresión pura D, E: Esfuerzos biaxiales

Figura 11.6 Estados de esfuerzos soportados por materiales.

284

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Geomecánica

a) Estado triaxial, 1 > 2 > 3 > 0 











1 −  3

3

1 3





 max =

1 −  3 2

d) Suelo friccionante (arena)  = ’ + U



Totales

Tangente

C





2

c) Suelo cohesivo (arcilla)  = ’ + U



max





 max =

Estado triaxial, 1 > 2 = 0 > 3  

b)



max

1

C

 3

3 1



Totales

 11

U

Efectivos

U

Efectivos

e) Plano de falla F: (U = 0) 1´



 = c +   tan  



F





3

C





3´

1 Paralela al plano de falla

Plano de falla

f)

g)

El origen de los planos es el polo P

Envolvente de debilitamiento (roca)

A = Tracción uniaxial +90

max



2

C = Compresión triaxial

x x

3

3

B = Compresión uniaxial

1 +  3

+90



1

O



1

1

C 3

T

 

B A T Tracción

Polo P

C

3

1

C Compresión

(,)

10.4 DIAGRAMA p – q:

Figura 11.7 Otros estados y situaciones de interés.

285

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Geomecánica

Para dibujar una trayectoria de esfuerzos, de un ensayo, no es fácil obtener una sucesión de círculos de Mohr, por lo que la literatura moderna utiliza los diagramas p – q, donde cada círculo tiene un punto de coordenadas (p, q), cuya sucesión da la TRAYECTORIA DE ESFUERZOS.

Si

p=

1 +  2 2

q=

y

1 +  3 q=

1 −  3

2

1=cte

2

1 −  2 2

=  máx puedo dibujar las siguientes trayectorias:

= cte

q=

II

 1 − K0    1 + K0 

 h −v

 0 = arctan 

2

3=cte

0 P=

1 +  3 2

1=3

K=1

P=

h +v 2

Figura 11.9 Trayectorias de esfuerzos

D

I



q

Trayectoria de esfuerzos

3 B C

O

1

A

C

D



A O

D

B

P

Con O :  1 =  3 Luego :  = cte. 3   =  + nD 10  i1 i = 1, 2, 3, 4 

Figura 11.8. I Trayectorias de esfuerzos.

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LECTURA 11: ECONOMÍA COLOMBIANA: CRISIS Y RETOS

Portada: Los pronósticos de desempleo, pobreza y crecimiento para Colombia. Revista Semana, en: https://www.semana.com ** La nueva economía

Imagen1: Según Fedesarrollo, la pobreza promedio en Colombia para 2020 aumentará desde el 26,9% hasta el 38%. La pobreza extrema también aumentará desde el 7,4% hasta 11,3%. www.dinero.com En medio del lento crecimiento, la progresiva desigualdad y la emergencia ambiental como factores que afectan la economía y la sociedad, Colombia puede emprender una recuperación transformadora, con igualdad y sostenibilidad, basada en una combinación de políticas integrales que generen impactos cuantitativos sobre el crecimiento, la distribución del ingreso y el sector externo, sin recurrir a medidas inflacionarias, siempre y cuando se fortalezca el papel del Estado, y se construyan consensos incluyentes para apoyar con estrategias macroeconómicas, sectores estratégicos con responsabilidad social y ambiental, y particularmente con un viraje hacia la economía del conocimiento. Ahora, en relación con la economía creativa, sector donde el gobierno ha priorizado la economía naranja, cuya importancia radica en la posibilidad de expandir su participación en el PIB del 3,2% al 7% en la década 2020-2030, no sólo habrá que resolver la desigual dotación de los inputs

287

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Geomecánica

necesarios para el desarrollo de las actividades intensivas en conocimiento, sino también identificar los clústeres innovadores que pueden perdurar, ya que la clave estaría en el carácter estratégico de las industrias de alta complejidad tecnológica, en los servicios intensivos en conocimiento y en las industrias culturales. Sobre este asunto, ahora más que nunca, vemos la importancia de la conectividad y transformación digital, como factores que se convierten en nueva realidad y exigencia para los empresarios. ** Crecimiento y dependencia

Imagen2: desempleo para mayo de 2020, rumbo a cerrar el peor semestre de la historia reciente. https://www.larepublica.co/ A nivel global, en un escenario de alza en las tasas de interés por los países desarrollados, por la volatilidad en el precio de los bienes primarios y la guerra comercial que libran las mayores economías del planeta entre otros factores, podrían generarse efectos negativos en las economías en desarrollo o de países emergentes con una economía reprimarizada, con fuerte impacto para cerca de 1500 millones de trabajadores en condiciones de empleo vulnerable, dada su precariedad y desprotección consecuencia de la ausencia de estructuras sociales. En relación con el crecimiento, según las proyecciones del Departamento de Agricultura de EE.UU. este era el panorama al 2030, antes de la pandemia: China duplicará su PIB situándose cerca de EE.UU. y La India será la tercera economía del mundo; a su vez, en América Latina, Brasil que superará de forma significativa el PIB de los países de la región, será seguida por México y luego aparecerán en su orden, Argentina, Venezuela, Colombia, Chile y Perú. Pero frente a ese panorama ahora agravado por la pandemia, dado que no tenemos los mismos recursos económicos para enfrentar sus consecuencias, sabiendo que la longevidad aumentará dos años en promedio debido a la genómica, y que la robótica sustituirá empleos, aunque el número de países pobres seguirá

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disminuyendo, frente a los desafíos de la década entrante la pregunta es: ¿qué hacer para que los gobiernos puedan garantizar asistencia y prestaciones sociales suficientes, ante situaciones de necesidad, especialmente en caso de paro laboral? ** A democratizar la democracia

Imagen3: Pese a la recuperación en el PIB después de 25 del regreso de la democracia tras cruentas dictaduras, aún en América Latina el 53% de la población económicamente activa, no tiene protección laboral, ni de salud, ni pensión: en especial las mujeres, los jóvenes, los migrantes y los grupos indígenas y afros. Fuente Cepal. En América Latina, tras el desplome de la economía global en la última década, los correspondientes ajustes a la crisis financiera en la región, con su poca capacidad financiera para afrontar problemas de devaluación e iliquidez, la creciente inconformidad social alimentada por la desigualdad que aún persiste y la desesperanza, se han traducido en una crisis que expresa las falencias del modelo neoliberal. Ahora, bajo el presupuesto de que la concentración del poder económico y del político no son dos asuntos diferentes, dado que la dimensión económica como infraestructura de la sociedad condiciona la política y por lo tanto la superestructura del establecimiento, la actual crisis alimentada por la desesperanza, agravada por el atractivo de los mayores beneficios de una actividad ilegal amparada en el crimen organizado y el tráfico de drogas, no es otra cosa que un enfrentamiento entre ciudadanos y élites: habrá que resolver a tiempo un juego peligroso que puede conducir al abismo. Se trata entonces de la dicotomía entre la justicia social o la convulsión ciudadana, puesto que los países sacudidos por crisis políticas y protestas violentas frente a medidas como las sugeridas por el FMI que sólo han sido un detonante, requieren fortalecer la democracia, combatir la corrupción y las extremas desigualdades sociales, recurriendo a políticas sociales innovadoras, y reducir la dependencia de las materias primas mediante la diversificación e incremento de la productividad. Esto además de permitir que nuestros jóvenes y campesinos, encuentren opciones diferentes a la rentabilidad de las actividades criminales en la ciudad y en el campo, es un asunto que no se resuelve luchando contra la pobreza, sino con equidad en la distribución de la tierra y en las oportunidades, dos estrategias que suponen más Estado para la nueva sociedad latinoamericana.

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** Un pacto y un plan

Imagen4: Según el Dane, en junio de 2020, perdieron su ocupación 4,2 millones de personas en comparación con el mismo periodo de 2019, por lo que la tasa de desempleo llegó a 19,8%, cuantía por debajo del récord de 21,4% de mayo 2020. www.larepublica.co Colombia que en el presupuesto general de la nación para el 2021, proyecta $238,1 billones para inversión y funcionamiento, lo que supone un incremento del 13,5%, y $76 billones adicionales para el servicio de la deuda, según el Ministerio de Hacienda -con lo cual esta cuantía crece un 41% respecto al año anterior-, muestra que la apuesta para la recuperación económica y el empleo, es la inversión cuya cuantía asciende a $53,1 billones, ya que en gastos de funcionamiento se comprometerán $185 billones. Como referente, si en 2020 el PIB llegaría a $815 billones con una contracción del 5% según el Banco de la República, para el 2021 subiría 4%; esto según Fedesarrollo, quien subraya el impacto de las medidas de aislamiento, sobre el ritmo a la actividad y el consumo de los hogares. Debido a la pandemia contrayendo la inflación en 2020 a valores que llegarán al 1.8%, entre otros el desempleo que subirá a tasas del 12,3% en hombres y del 20,7% en mujeres, además de expresar inequidad de género, resultará difícil de revertir la situación a un solo dígito. Como referente, la informalidad con niveles del 60% en Colombia, agravada por una migración de 1,7 millones de venezolanos, donde de cada 10 migrantes 6 no se registran, es una situación de enorme gravedad que, no siendo posible resolverse por la vía de las reformas tributarias, según expertos como el exministro Jorge Valencia Jaramillo, reclama una reforma que modifique la estructura pensional quitando privilegios, y extienda la edad de jubilación. ** La ruralidad

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Imagen5. La estructura de la propiedad de la tierra en Colombia, donde Caldas muestra valores altos, está caracterizada por un Gini promedio del 0,88, según Informe de Desarrollo Humano 2009. Sabemos que las causas estructurales del desempleo son de carácter global y parten del cambio en la estructura del empleo, consecuencia de una nueva sociedad en la que el avance tecnológico ha creado nuevas circunstancias, para las cuales Colombia no está preparada. Siendo así, para la sostenibilidad del empleo se deberán implementar políticas de largo aliento, tales como elevar los niveles de escolaridad en el medio rural y urbano, y de la calidad de una educación pública cuyos recursos son precarios y el modelo obliga a cambios profundos, puesto que el empleo ahora depende cada vez más de unas competencias sociales e intelectuales, que en promedio los jóvenes no han desarrollado, máxime ahora cuando muchos oficios vienen desapareciendo, y el avance del conocimiento obliga a procesos de reaprendizaje, conforme las empresas se están haciendo más competitivas al estar obligadas a entrar al mundo de la automatización y de la robótica. Ahora, además de priorizar la formación del capital social sobre el crecimiento económico, conforme va palideciendo la sociedad industrial de ayer y el conocimiento asume el protagonismo entre los factores de producción, Colombia deberá desarrollar políticas de Ciencia, Tecnología y Cultura como estrategias para cerrar la brecha de productividad, en las que se diferencien la producción rural y artesanal, de la industria y agroindustrial donde la metodología de los clúster es clave, y ajustar las actuales políticas rurales, agrarias, mineras, e industriales, dada la vulnerabilidad de los primeros a los efectos de los TLC. **

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El medio ambiente …

Imagen6: En Colombia, el segundo país más biodiverso del mundo, el 46 % de los ecosistemas están en riesgo. Imagen: especies endémicas, SiB; y ecosistemas amenazados, IAvH y U. Javeriana. La huella ecológica es un indicador del impacto ambiental asociado a la demanda humana presionando los ecosistemas del planeta, relacionándola con la capacidad ecológica de la Tierra, de regenerar tales recursos y absorber nuestros desechos. Si se tiene en cuenta que para mediados del siglo la población mundial que hoy alcanza 1os 7 mil 300 millones llegará a los 10 mil millones de habitantes, ya no podemos continuar hablando de abundancia, de un lado porque si con la inequidad incremental llevando a la pobreza a 821 millones de personas que en 2019 estaban en situación de inseguridad alimentaria, la cuantía con o sin pandemia tiende a intensificarse, y también -sobre todo-, porque con la cultura del despilfarro que caracteriza al capitalismo salvaje, al año 2020 se ha superado la biocapacidad del planeta en un 75%. Si bien la firma del histórico acuerdo de la Habana no es la Paz, si es una oportunidad para crear condiciones propicias que permitan emprender los complejos procesos con que ésta se construye, a partir de una aceptación colectiva y de un cambio de actitud personal, como condiciones necesarias de soporte para las reformas estructurales, urgentes pero de largo plazo, que resolverán las disfunciones socioambientales que se han venido acumulando por más de medio siglo, como consecuencia de un Estado débil y de un modelo económico que al cooptarlo con la reforma a la Carta de hace 25 años, ha acentuado la inequidad, facilitado la corrupción y favorecido la violencia que explica cerca de ¾ de millón de víctimas mortales y más de cinco millones de desplazados, causados por el conflicto armado. ** El largo plazo …

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Imagen7: Según el DANE, aunque las ventas externas de Colombia crecieron en mayo 1,2% jalonadas por los combustibles con una participación del 5,2%, en lo corrido cayeron 0,01%. Lo anterior, dado que en exportaciones la economía extractiva representa cerca del 60%. Pero el problema de la economía a más largo plazo, pasa por cuatro escenarios: 1- una deuda externa que ya ha llegado a límites impensables, al ubicarse en U$150 mil millones tras un crecimiento del 53,7% (30% pública y 23,7% privada); 2- una caída de la inversión extranjera que en los dos últimos lustros al pasar de una media de U$10 mil millones a tan sólo U$6 mil 300 millones, se ha reducido más del 34%; 3- el costo de la pandemia que ya supera los $33 billones, gravitando sobre el recaudo de una gran reforma tributaria, aún por implementar; y 4- un horizonte poco esperanzador de la locomotora del petróleo, que con el carbón en una proporción que supera 2 a 1, responde por el 47% de nuestras exportaciones. Como conclusión, si bien hemos hecho anotaciones al corto plazo, para una verdadera reconstrucción post-pandemia, habrá que reconsiderar la función redistributiva del Estado para poder cambiar el perfil de nuestra economía, caracterizada como proveedora de materias primas y mano de obra barata, favoreciendo la funcionalidad del capitalismo global, haciendo de esta crisis sin precedentes en Colombia y en el mundo subdesarrollado una oportunidad, para cambiar de dirección implementando, además de cambios profundos en el modelo educativo, un modelo de desarrollo apalancado en políticas públicas que favorezcan un cambio de primer orden, con transformaciones sociales y ecológicas. ** Gracias

Contraportada: Buenaventura (Colombia), en: https://semana/sostenibilidad.com Documento para el Contexto en CTS de la Universidad Nacional de Colombia, Sede Manizales. http://godues.webs.com Manizales. Noviembre 16 de 2020.

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Geomecánica CAPÍTULO 12 COMPACTACIÓN DE SUELOS

12.1 DEFINICIÓN Es la densificación del suelo por medios mecánicos. El objetivo, mejorar la resistencia y estabilidad volumétrica, afectando la permeabilidad, como consecuencia del proceso de densificación de la masa. 12.2 ESTABILIZACIÓN DE SUELOS. Concepto más amplio y general que el de COMPACTACIÓN, pues incluye cualquier procedimiento útil para mejorar las propiedades ingenieriles del suelo, como estructura. La a) b) c)

estabilización comprende: Compactación Mezcla granulométrica Adición de compuestos especiales (antes de mezcla y/o compactación)

Los estabilizantes son de tres tipos: a) Cemento b) Material bituminoso (asfalto, por ejemplo) c) Productos químicos (óxidos e hidróxidos de Ca, cloruro de Ca y Na, cloruro férrico, silicato Na y recinas) 12.3 MEDIDA DE LA COMPACIDAD DEL SUELO. Se califica la compacidad por la comparación cuantitativa de las densidades secas o pesos unitarios secos, d, que el suelo va adquiriendo gradualmente, al variar la humedad, la energía o el método de compactación. 12.4 MÉTODO PROCTOR. Consiste en compactar el material dentro de un molde metálico y cilíndrico, en varias capas y por la caída de un pistón. Existen dos variaciones del MÉTODO PROCTOR. a) Proctor estandar o normal, con pistón de 5 ½ lbs, h = 12’’, N = 25 golpes y 3 capas a compactar. El molde de  = 4’’ y volumen 1/30 ft3. b) Proctor modificado, con pistón de 10 lbs, h = 18’’, N = 25 golpes, y compactando en 5 capas, con el mismo molde. 14.4.1 Curva de humedad – densidad o de COMPACTACIÓN. Esta curva da la variación, d Vs , que se obtiene en laboratorio. La densidad seca (y también el d) va variando al modificar la humedad, , de compactación.

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Geomecánica

La humedad óptima es la que se corresponde con el máximo de la curva de densidad. La rama seca es la que se corresponde al suelo bajo de humedad, donde la fricción y cohesión dificultan su densificación. La rama Figura 12.1 Curva de saturación S y de compactación para el Proctor Modificado: húmeda, es asintótica PM y el Proctor Estándar: PE a la línea de saturación, que se desplaza hacia la derecha de la humedad óptima de compactación, dado que la energía de compactación de un suelo muy húmedo la absorbe el agua y no el esqueleto mineral. La curva de saturación, o de contenido de aire nulo, es dibujada como auxiliar para el análisis, es teórica y no depende de los resultados del ensayo. La ecuación es:

d =

GS *  W  * GS 1+ S

Para S = 1 y W = 1, se tiene

d =G

S

GS = Gravedad específica  = Peso unitario del agua  W   = Humedad del suelo S = Grado de saturación 1+*GS  . Esto facilita el dibujo rápido de la curva S = 100%.

La curva S de los valores de d que debe tener el suelo saturado para cada valor de . En la compactación, sale aire, y no agua. Como es imposible sacarlo todo, la curva de compactación no podrá llegar a confundir su rama húmeda con la curva S 0 100%. Esta propiedad nos permite tener en evidencia errores en la curva d Vs . Las otras curvas (S = 80%, por ejemplo) dicen qué porcentaje de aire queda en el suelo (20%, por ejemplo). 12.4.2 Penetrómetro Proctor. Herramienta que se hinca a mano. Se trata de una aguja o varilla con un dispositivo para medir la fuerza requerida (en libras), para que la penetre (variable en tamaño y forma) profundice en el suelo 3’’ por lo general. La operación se hace en laboratorio y en campo, simultáneamente, para comparación de d, o de la humedad si se quiere. (No debe existir grava en el suelo). 12.4.3 Energía de compactación. La calidad de la compactación depende de: Contenido de humedad, método de compactación y energía de compactación. (ver fig  Vs d –  y # de pasadas Vs d) En el ensayo proctor, la energía específica Ee, está dada por:

Ee = n * N * W * h

V

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Geomecánica

Siendo N = # de capas; n = # de golpes; W = peso del pistón; h = altura de caída del pistón; V = volumen del molde y muestra. La AASHTO (departamento de carreteras de USA), tiene dos normas: La T99 para el proctor estándar que exige E e = 6,03

Figura 14.2

Kg cm cm 3

y la T180, para proctor

1 Resistencia a la penetración con aguja proctor

cm óptimonormas de pasadas con equipo de compactación opt. modificado, con Ee = 27,4 2Kg Número . Ambas aplicables a materiales “Pasa tamiza#4”. cm 3

12.3 VARIABLES DEL PROCESO. Son 3: Suelo, método y energía: a. Suelo: Puede ser granular (friccionante) o fino (cohesivo) b. Método de compactación: En campo (rodillos); en laboratorio (varios). c. Energía: Energía específica, temperatura y humedad. Los métodos de laboratorio son impacto, amasado y de carga estática. Ellos dan resultados diferentes y afectan las condiciones del suelo de manera distinta. La compactación de campo se hace con rodillos lisos, neumáticos o con “pata de cabra”. Los rodillos pueden ser vibratorios y los sistemas suelen hacerse mixtos. Se pueden usar ranas o canguros (vibrocompactadores), en áreas pequeñas. En carga estática, la Ee es difícil de evaluar y está afectada por el tiempo de aplicación y la deformalidad del suelo. En amasado, la Ee es más difícil y compleja de evaluar, pero se puede cuantificar variando el número y espesor de las capas, y la presión de apisonado y número de aplicaciones. El contenido de agua  del suelo se relaciona con la permeabilidad. En arcillas se dan tensiones capilares que favorecen la formación de grumos que dificultan la compactación. El resultado no es el mismo, en d, aumentando agua que esperando a que el suelo la pierda; es decir, compactando por la rama húmeda o por la rama seca, pues el suelo tarda tiempo en admitir agua que se agrega, en el primer caso. En suelos recompactados, el resultado es diferente al de los suelos vírgenes. Los pesos unitarios resultan mayores. La temperatura genera evaporación o condensación, con lo que se afecta la humedad del suelo. Esto obliga a compactar iniciando con humedades diferentes a la óptima.

296

U.N. de Colombia

Geomecánica

El equipo puede condicionar la humedad de trabajo, obligándose a una humedad diferente a la óptima. •

12.6 MÉTODOS DE CAMPO

Amasado → Presión → Impacto Vibración→ Mixtos →

Rodillo pata de cabra Rodillo neumático o liso, tractor → Canguro y pisones Rodillos y ranas Presión y vibración

PC RN, RL, TR C, P RV, R PV Comparación de diferentes suelos

1=

Cascajo arenoso.

2,19

gr

2=

Arena.

2,00

gr

3=

Arcilla arenosa.

1,84

gr

4=

Arcilla limosa.

1,65

gr

 = 8%

cm 3

cm 3

 = 12%

cm 3

 = 14%

cm 3

 = 15%

Figura 12.3 Curva  vs.  de diferentes 12.7 DENSIDAD DE CAMPO. gr suelos cm 3 Se hace un hueco en el terreno, de forma cilíndrica; se pesa el suelo extraído en estado húmedo y seco, y el volumen, que es el del hueco, se mide llenándolo de arena curzosa (de Ottawa o Guamo, Tolima), que debe lavarse y gradarse periódicamente. En su defecto, con aceite grueso o con una vejiga de agua, siendo este último un método poco exacto. Grado de compactación: Se mide de dos posibles maneras, con el porcentaje de compactación GC, o con la relación de compactación Cr

Figura 12.4 Equipo para ensayo de densidad de campo “Cono de d  GC =   *100 Arena” 



dMAX



Cr =

 d −  dMIN *100  dMAX −  dMIN

GC = 90% es el mínimo para pocas exigencias de resistencia e incompresibilidad. GC = 95% es el mínimo para terraplenes. GC = 100% es el mínimo para subrasante. Relaciones de compacidad entre los suelos, según SUCS.

297

U.N. de Colombia Suelo

Posibilidades

GW

+++

GP GM GC SW SP SM SC ML CL OL MH CH OH Pt

++ ++ + +++ ++ ++ + + ------No utilizar

Geomecánica Equipo recomendable en campo TR, RN, RL, PV TR, RN, RL, PV RN, PC RN, PC TR, RN, PV TR, RN, PV RN, PC RN, PC RN, PC PC, RN PC, RN PC, RN PC PC

Valores típicos 1,9 – 2,1 1,8 1,9 1,8 1,7 1,6 1,7 1,6 1,5 1,5 1,3 1,1 1,3 1,0

– – – – – – – – – – – – –

TT

m3

2,0 2,2 2,1 2,0 1,9 2,0 2,0 1,9 1,9 1,6 1,6 1,7 1,6

ENLACES U.N. Aerocafé en tiempos de pandemia.

El aporte ético y técnico de la UN en Aerocafé.

Manizales, ¿entrando a la era del conocimiento?

Ciencias naturales y CTS.

El inestable clima y la crisis del agua.

Misión de Sabios de Caldas: Encuesta.

El ocaso de la universidad pública.

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Ciencia y tecnología en la sociedad del conocimiento. Chinchiná Siglo XXI. Cifras para el arqueo de CT and I en Colombia. Conectividad Regional y Ciudad Región del Eje Cafetero.

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Ferrocarril Interoceánico Verde para Colombia.

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Introducción a la teoría económica.

Corredor Bimodal Cafetero.

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Del antropocentrismo al biocentrismo. Desarrollo y revoluciones tecnológicas. Educación con-ciencia para el desarrollo.

La economía azul en la esfera de la producción. La dimensión cultural como catalizadora del desarrollo.

Sinergia y pertinencia en las ciencias básicas. Un nuevo modelo educativo. Un país con grandes retos ambientales. Una Visión y Dos Enfoques de Manizales.

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LECTURA 12: EL CALENTAMIENTO GLOBAL ARRECIA… ¿Y LAS HELADAS QUÉ?

Explicación comprensible de por qué y dónde se producen las heladas – y de qué se puede hacer para atenuar o prevenir sus daños-. Por: Gonzalo Duque Escobar*

Los pronósticos Los pronósticos de la Organización Meteorológica Mundial y organismos como el International Research Institute for Climate and Society (IRI) o el Climate Prediction Center (CPC) del gobierno de Estados Unidos siguen pronosticando “normalidad” – o “condiciones del “El Niño-Southern Oscillation” (ENSO) de carácter neutral durante el verano del hemisferio norte. En Colombia sin embargo se han presentado sequías intensas y además fuertes heladas en ciertas partes del Altiplano Cundiboyacense – cuya extensión, 220 mil hectáreas, es igual a la del fértil valle del río Cauca-. Aunque los modelos habían anticipado escenarios climáticos “neutrales” para este verano, hoy se estima que dichas condiciones podrían cambiar hacia un episodio de El Niño para finales del año en curso (Ver grafica siguiente). Pronóstico ENSO de diciembre de 2019, mostrando las tendencias inciertas para la temporada de septiembre

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Fuente: CPC-IRI. El problema

Después del riesgo de inundaciones y deslizamientos en temporadas invernales que coinciden con la fase húmeda del ENSO conocida como La Niña- Colombia enfrenta el riesgo de las sequías que se asocian con El Niño -un fenómeno atmosférico exacerbado por el cambio climático-. De aquí a su vez tienden a resultar las heladas en los altiplanos andinos, que ocupan el 7% de la superficie agropecuaria colombiana y conllevarían pérdidas económicas para 1.758.000 habitantes expuestos (3,6% del total nacional), particularmente en actividades como la producción de leche en praderas, y los monocultivos a cielo abierto de cereales, hortalizas, frutas, flores, papa y otros perecederos.

Factores de las heladas

Una helada climática se produce cuando el termómetro marca menos de 0°C en los dos primeros metros sobre el terreno, así existan temperaturas ligeramente superiores en el subsuelo de labranza o en el entorno inmediato de las plantas. Estas heladas pueden resultar de una corriente de aire frío, o pueden ser mayores si resultan de un estado de alta presión atmosférica con vientos en calma. También existen heladas de irradiación térmica, sobre todo en altiplanos, cuando el terreno se enfría durante la noche porque el calor ha subido hacia la atmósfera sin presencia de nubes, lo cual intensifica las heladas en la madrugada.

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Ahora bien, para valorar el grado de exposición a las heladas hay que tener en cuenta: ▪

La altitud del territorio, ya que la temperatura disminuye 6°C por cada mil metros sobre el nivel del mar (msnm), de modo que el riesgo es Alto sobre los 3000 msnm, Moderado entre 2800 y 3000 msnm, y Bajo entre 2500 y 2800 msnm;

▪

La morfología del terreno, donde planicies y hondonadas presentan condiciones de exposición Alta, los terrenos ondulados nivel Moderado, y las llamadas “formas dómicas” nivel Bajo;

▪

La compacidad del suelo, siendo Alto el nivel de susceptibilidad en suelos granulares sin finos, Medio en suelos granulares semicompactos o con pocos finos, y Bajo en suelos compactos y densos;

▪

La cobertura vegetal. Mientras que los pastos limpios y sabanas, al igual que los cultivos menos densos ofrecen un grado de exposición Alto, y los mosaicos de cultivos arbustivos con pasturas y matorrales ofrecen exposición Moderada, en las coberturas boscosas o arbóreas altas y densas, el grado es Bajo;

▪

Y finalmente, la cercanía a cuerpos de agua, donde la distancia a ríos y lagos mayor de 3 Km se califica con exposición Alta, entre 1 y 3 Km como Moderada, y menor de 1 Km como Baja.

Antecedentes en la región y en Colombia Pero el fenómeno no es nuevo.

Según la Comunidad Andina, entre 1970 y 2007 se reportaron 639 casos de heladas en la región con diversos niveles de pérdidas en población, cultivos y ganadería, distribuidos así: 553 eventos corresponden a Perú -dada la mayor extensión territorial y población expuesta-, 35 a Bolivia, 40 a Colombia y 11 a Ecuador (Cuadro adjunto).

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Mapa: Zonas Susceptibles a las Heladas. Fuente: http://www.comunidadandina.org Comunidad Andina – Las heladas Superficie agropecuaria expuesta – Miles de Kilómetros cuadrados

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Parte I

Área total

Área expuesta

% Área

Bolivia

269

100

37

Colombia

533

37

7

Ecuador

115

25

21

Perú

256

193

75

Comunidad Andina

1 173

355

30

Población expuesta

% Poblac.

Población expuesta a heladas Miles de habitantes Parte II

Población total

Bolivia

9 427

2 922

31

Colombia

45 000

1 758

3,6

Ecuador

13 215

2 470

19

Perú

27 254

5 669

21

Comunidad Andina

94 896

12 819

14

Fuente: Cuando hiela. Comunidad Andina, en http://www.comunidadandina.org/ Las heladas en Colombia afectan áreas localizadas a más de 2500 msnm -como el Altiplano Cundiboyacense, la sabana de Túquerres-Ipiales y tierras frías de Antioquia y la Cordillera Central-, principalmente en los meses secos del año. Estas heladas han ocasionado pérdidas cuantiosas en cultivos de flores, maíz, papa y hortalizas, y para productores de leche. Entre 1978 y 2007, los municipios más afectados según el número total de heladas fueron Sogamoso (200 heladas), Tenjo (270), Zipaquirá (240), Sopó (200), Mosquera (100) y Sesquilé (100). En febrero de 2007 las heladas en Cundinamarca y Boyacá llegaron a registros por debajo de -8° Celsius y afectaron cerca de 160 mil hectáreas.

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¿Qué hacer? El pronóstico cuantitativo de las heladas puede hacerse con métodos estadísticos distintos, como decir los métodos de Katz, Murphy y Winkler (1982) y el método de Allen (1957). Este último estima la Temperatura mínima en función del punto de rocío y porcentaje de humedad relativa, medidos dos horas antes de la puesta de Sol. El método anterior permitiría pronosticar la temperatura mínima para las noches de heladas con cielo despejado y viento en calma. Es importante el pronóstico para poner en marcha los métodos activos de protección contra las heladas, entre ellos: ▪

Los riegos por aspersión cerrando el día para bajar las temperaturas en el predio;

▪

Los riegos por inundación para mantener el suelo húmedo y reducir considerablemente el riesgo;

▪

El calentamiento del aire y la plantación para mantener los tejidos vegetales por encima de la temperatura letal;

▪

La ventilación del predio para reducir el efecto de radiación al homogenizar la temperatura del aire;

▪

El aislamiento térmico de los cultivos, empelando materiales comunes en el mercado.

Hay por supuesto que evaluar el costo- beneficio de las opciones anteriores, pero además hay que pensar en las medidas preventivas, entre las cuales se destacan: ▪

Elección de especies y variedades cuya producción no coincida con el período de heladas;

▪

Emplazamiento del cultivo, evitando depresiones topográficas y ocupando zonas convexas del terreno por ser dispersoras de aire frío;

▪

Eliminar la floración precoz para que no coincida con la época de heladas, usando productos químicos o técnicas de enfriamiento como la aspersión de agua;

▪

Utilizar cercas de plantas para evitar los flujos de aire frío sobre el cultivo;

▪

Manejo adecuado en la fertilización y mínimo laboreo del suelo para disminuir la pérdida de energía; y

▪

Técnicas de cultivo como la compactación del terreno para sacar el aire contenido en la masa de suelo que favorece la helada.

***

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ANEXOS Manual de Geología para ingenieros (2003) Rev. 2014.

Gonzalo Duque-Escobar. Universidad Nacional de Colombia

https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/3145 Cap11 Geología estructural

Presentación •

Contenido

•

Cap12 Macizo rocoso

•

Cap01 Ciclo geológico

•

Cap13 Rocas Metamórficas

•

Cap02 Materia y Energía

•

Cap14 Montañas y teorías orogénicas

•

Cap03 El sistema Solar

•

Cap15 Sismos

•

Cap04 La Tierra sólida y fluida

•

Cap16 Movimientos masales

•

Cap05 Los minerales

•

Cap17 Aguas superficiales

•

Cap06 Vulcanismo

•

Cap18 Aguas subterráneas

•

Cap07 Rocas ígneas

•

Cap19 Glaciares y desiertos

•

Cap08 Intemperismo ó meteorización

•

Cap20 Geomorfología

•

Cap09 Rocas sedimentarias

•

Lecturas complementarias

Cap10 Tiempo geológico

•

Bibliografía

•

Anexo 1:

Aspectos geofísicos de los Andes de Colombia.

Anexo 2:

Bosques, Cumbre del Clima y ENSO.

Anexo 3:

El cuidado de la casa común: agua y clima.

Anexo 4:

Gobernanza Forestal en la Ecorregión Andina.

Anexo 5:

¿Qué hacer con la vía al Llano?

Anexo 6:

Río Blanco, cuna de vida…

Index: https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/57121

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