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ANÁLISIS DINÁMICO DE DEFORMACIÓN EN LA SECCIÓN 5A Y 6 DEL DIQUE DE TIERRA, UBICADO EN
CAMPO CARABOBO, SECTOR LAGUNILLAS EN LA COSTA ORIENTAL DEL LAGO DE MARACAIBO ESTADO
ZULIA. by González De Brito, Esther María is licensed under a Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-
CompartirIgual 4.0 Internacional License
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD NUEVA ESPARTA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL
Línea de Investigación: Análisis Dinámico de Deformaciones.
Tema: Mecánica de Suelos (Deformaciones), Obras Hidráulicas (Dique de Tierra).
ANÁLISIS DINÁMICO DE DEFORMACIÓN EN LA SECCIÓN 5A Y 6 DEL
DIQUE DE TIERRA, UBICADO EN CAMPO CARABOBO, SECTOR
LAGUNILLAS EN LA COSTA ORIENTAL DEL LAGO DE MARACAIBO
ESTADO ZULIA.
Trabajo de grado para optar por el Título de:
Ingeniero Civil
Tutor: Presentado por:
Ing. Jaime Azuaje Br: González De Brito, Esther María
C.I: V- 13.714.487 C.I.: V- 22.666.682 PDVSA-INTEVEP, S.A.
Abril, 2014.
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD NUEVA ESPARTA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL
ANÁLISIS DINÁMICO DE DEFORMACIÓN EN LA SECCIÓN 5A Y 6 DEL
DIQUE DE TIERRA, UBICADO EN CAMPO CARABOBO, SECTOR
LAGUNILLAS EN LA COSTA ORIENTAL DEL LAGO DE MARACAIBO
ESTADO ZULIA.
JURADO JURADO
Nombre y Apellido Nombre y Apellido
Cédula de Identidad Cédula de Identidad
Firma Firma
Abril, 2014.
Caracas, Venezuela.
i
DEDICATORIA
Este trabajo de grado va dedicado a una gran mujer que siempre será una parte
fundamental en mi vida. Gracias por tu ayuda, cariño y comprensión.
En honor a mi abuela María Teresa De Canha.
ii
AGRADECIMIENTOS
En primer lugar le agradezco a Dios y a la Virgen por darme absolutamente todo lo que
tengo y haberme dado las fuerzas para culminar esta etapa de mi vida.
Agradezco a mis padres, por apoyarme en todo momento, por los valores que me han
inculcado, por su paciencia y tolerancia, y por haber estado ahí cuando lo necesité.
A mi hermano y abuelos, que con sus consejos y apoyo me ha ayudado a afrontar los
retos que se me han presentado a lo largo de mi vida.
Agradezco a mi familia completa porque sin su apoyo no habría llegado hasta aquí,
espero que siempre permanezcamos unidos.
A mis compañeros y amigos de la UNE, por apoyarme en las buenas y en las malas, y el
haber hecho este camino una gran experiencia llena de aprendizaje y gratos momentos.
Agradezco a los profesores de Ingeniería Civil de la Universidad Nueva Esparta por
brindarme su apoyo y enseñanza a lo largo de mi carrera.
A PDVSA Intevep S.A y al Ingeniero Jaime Azuaje por su excelente tutoría y darme la
oportunidad de desarrollar mi proyecto de tesis dentro de esta Empresa que tanta
importancia tiene para mi familia y que ahora influye en mi desarrollo como futuro profesional
siendo mi primera experiencia laboral.
A la Ing. Mary Oropeza por brindarme su apoyo durante la elaboración de este grandioso
proyecto, José Brito y Armando Bello por apoyarnos en los trabajos de campo realizados en
Lagunillas, y a todo el personal de la Gerencia de Diques y Drenajes de PDVSA Occidente,
por haber sido tan atentos y haber colaborado con nosotros.
A mis compañeros de trabajo que me acompañaron durante estos siete meses dentro de
la empresa, gracias por su ayuda y enseñanza, sin ustedes no hubiera sido lo mismo.
iii
UNIVERSIDAD NUEVA ESPARTA
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL
TÍTULO: ANÁLISIS DINÁMICO DE DEFORMACIÓN EN LA SECCIÓN 5A y
6 DEL DIQUE DE TIERRA, UBICADO EN CAMPO CARABOBO, SECTOR
LAGUNILLAS, EN LA COSTA ORIENTAL DEL LAGO DE MARACAIBO
ESTADO ZULIA.
AUTOR:
Br. González De Brito, Esther María C.I. 22.666.682.
Tutor: Ingeniero Azuaje, Jaime C.I. 13.714.487.
PALABRAS CLAVE: Dique de Tierra, Análisis, Factor de Seguridad, Estático,
Pseudo-estático, Dinámico, Flac 3D, PLAXIS, INTEVEP, S.A.
RESUMEN
La Costa Oriental del Lago de Maracaibo a raíz de la explotación petrolera ha
venido presentando un fenómeno llamado subsidencia, el cual consiste en el
descenso progresivo de la superficie del suelo ocasionando inundaciones en las
zonas bajas adyacentes al lago; debido a esto existe un sistema de protección
conformado por diques de tierra el cual se encuentra en constante evaluación por la
Gerencia de Diques y Drenajes en conjunto con la empresa INTEVEP, S.A, para
garantizar la estabilidad y confiabilidad de dicha estructura.
El presente Trabajo Especial de Grado tiene como objetivo principal analizar el
comportamiento dinámico de los tramos críticos de la sección 5A y 6 del dique de
tierra, tomando como zona de estudio el sector Lagunillas, ubicado en campo
Carabobo, Costa Oriental del Lago de Maracaibo, Estado Zulia; mediante la
iv
utilización de dos software uno de diferencias finitas y otro basado en elementos
finitos. Para ello es necesaria la obtención de los datos de entrada, los cuales serán
adquiridos en campo por medio de equipos basados en métodos geofísicos para el
estudio de dispersión de ondas y métodos geotécnicos, además de la selección de
las señales sísmicas que serán utilizadas para la evaluación de dicho estudio.
La metodología empleada para la realización del análisis dinámico, así como la
evaluación de la estabilidad y confiabilidad de los diques servirá de referencia para
futuras investigaciones que se le realicen al sistema.
v
NUEVA ESPARTA UNIVERSITY
FACULTY OF ENGINEERING
DEPARTAMENT OF CIVIL ENGINEERING
TITTLE: DYNAMIC DEFORMATION ANALYSIS OF SECTION 5A AND 6 OF THE
EARTH DAM, LOCATED IN CAMPO CARABOBO, LAGUNILLAS´S SECTOR, IN
THE ORIENTAL MARACAIBO´S LAKE SHORE, ZULIA STATE.
AUTHOR:
Br. González De Brito, Esther María C.I. 22.666.682.
Tutor: Engineer Azuaje, Jaime C.I. 13.714.487.
KEYWORDS: Earth Dam, Analysis, Security Factor, Estatic, Pseudo-estatic,
Dynamic, Flac 3D, PLAXIS, INTEVEP, S.A.
ABSTRACT
Due to oil extraction, the Oriental Maracaibo’s Lake Shore has been presenting a
phenomena called subsidence, which consist on a progressive descent of the soil
surface causing floods on lower zones close to the lake; because of this, a protection
system conformed by earth dam exists and it’s under constant evaluation by Dam
and Drainage Management together with Intevep, S.A., with the specific objective of
guarantee the stability and reliability of the structure.
This thesis has the principal objective of analyze the dynamic behavior of the
critical segments of section 5A and 6 of the earth dam, taking as study zone the
Lagunillas’s sector, located in Campo Carabobo, on the Oriental Maracaibo’s Lake
Shore, Zulia State; through the use of two software, one based on finite differences
and other on finite elements. It’s therefore necessary the acquisition of entry data,
which are obtained on field through advance equipment based on geophysical
vi
methods for the study of wave dispersion and geotechnical methods, besides the
selection of seismic signals that will be used for the evaluation of the study.
The methodology used for the dynamic analysis, as well as the stability and
reliability evaluation of the earth dam will work as reference for future researches to
be performed on the system.
vii
ÍNDICE GENERAL
DEDICATORIA ...........................................................................................................i
AGRADECIMIENTOS ............................................................................................... ii
RESUMEN ........................................................................................................... iii
ABSTRACT ............................................................................................................v
INTRODUCCIÓN .................................................................................................... xix
CAPÍTULO I: EL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN
1.1. Planteamiento del Problema ................................................................ 22
1.2. Formulación del Problema ................................................................... 23
1.2.1. Interrogante Principal ........................................................................... 24
1.3. Objetivos .............................................................................................. 24
1.3.1. Objetivo General .................................................................................. 24
1.3.2. Objetivos Específicos ........................................................................... 24
1.4. Justificación e Importancia ................................................................... 25
1.5. Delimitaciones ..................................................................................... 26
1.5.1. Delimitación Temática .......................................................................... 26
1.5.2. Delimitación Geográfica ....................................................................... 26
1.5.3. Delimitación Temporal ......................................................................... 27
CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO
2.1. Antecedentes ....................................................................................... 29
2.2. Bases Teóricas .................................................................................... 32
2.2.1. Suelos.................................................................................................. 32
2.2.1.1. Definición, Origen ................................................................................ 32
2.2.1.2. Descripción y Clasificación de los Suelos ............................................ 33
2.2.1.2.1. Según su Granulometría ...................................................................... 33
2.2.1.2.2. Según su Plasticidad ........................................................................... 37
viii
2.2.1.3. Parámetros de Estudio de los Suelos .................................................. 39
2.2.1.4. Resistencia al Esfuerzo Cortante de los Suelos ................................... 40
2.2.1.4.1. Teoría de Mohr-Coulomb ..................................................................... 41
2.2.1.5. Resistencia al Corte en Suelos Cohesivos y Friccionantes .................. 43
2.2.1.5.1. Resistencia al Corte en Suelos Cohesivos ........................................... 43
2.2.1.5.2. Resistencia al Corte en Suelos Friccionantes ...................................... 43
2.2.1.6. Ensayos para medir la Resistencia al Corte ......................................... 44
2.2.1.6.1. Ensayo de Corte Directo ...................................................................... 44
2.2.1.6.2. Ensayo de Compresión Triaxial Cíclica ................................................ 45
2.2.1.7. Sondeo y Muestreo de los Suelos ........................................................ 46
2.2.2. Sismicidad ........................................................................................... 48
2.2.2.1. Movimiento Sísmico ............................................................................. 48
2.2.2.2. Tectónica de Placas............................................................................. 49
2.2.2.3. Propagación de los Sismos .................................................................. 52
2.2.2.3.1. Ondas Sísmicas ................................................................................... 52
2.2.2.3.2. Ondas Superficiales ............................................................................. 53
2.2.2.4. Intensidad Sísmica .............................................................................. 55
2.2.2.5. Magnitud Sísmica ................................................................................ 55
2.2.2.6. Aceleración Sísmica ............................................................................ 57
2.2.2.7. Efectos de los Sismos en los Suelos ................................................... 58
2.2.2.7.1. Licuación ............................................................................................. 58
2.2.2.7.2. Asentamientos Diferenciales ................................................................ 58
2.2.2.7.3. Deslizamientos de Tierra ..................................................................... 59
2.2.2.8. Actividad Sísmica en Venezuela .......................................................... 59
2.2.2.8.1. Historia Sísmica en Venezuela ............................................................ 60
2.2.2.8.2. Fallas Geológicas ................................................................................ 62
2.2.2.9. Incidencias en la Industria Petrolera .................................................... 63
2.2.3. Obras de Tierra: Diques ....................................................................... 64
2.2.3.1. Definición ............................................................................................. 64
2.2.3.2. Tipos de Dique ..................................................................................... 64
2.2.3.2.1. Diques Artificiales ................................................................................ 64
ix
2.2.3.2.2. Diques Naturales ................................................................................. 65
2.2.3.3. Partes de un Dique .............................................................................. 65
2.2.3.4. Factores que Afectan el Proyecto en Diques ....................................... 66
2.2.3.4.1. Características de la Fundación ........................................................... 66
2.2.3.4.2. Características de los Materiales de Construcción ............................... 67
2.2.3.4.3. Drenes, Filtros y Red de Drenajes ....................................................... 68
2.2.3.4.4. Actividad Sísmica ................................................................................ 68
2.2.3.5. Diques de la Costa Oriental del Lago de Maracaibo ............................ 69
2.2.3.5.1. Generalidades ..................................................................................... 69
2.2.3.5.2. Reseña Histórica ................................................................................. 70
2.2.3.5.3. Parámetros de Diseño ......................................................................... 72
2.3. Terminología Básica ............................................................................ 75
2.4. Cuadro de Operacionalización de Variables ........................................ 77
2.5. Cronograma ......................................................................................... 81
CAPÍTULO III: MARCO METODOLÓGICO
3.1. Tipo de Investigación ........................................................................... 84
3.2. Diseño de la Investigación ................................................................... 84
3.3. Población y Muestra ............................................................................ 84
3.4. Técnica e Instrumentos de Recolección de Datos ............................... 85
CAPÍTULO IV: METODOLOGÍA DEL PROYECTO DE GRADO
4.1. Caracterización Estática, Pseudo-estática y Dinámica ......................... 89
4.1.1. Recopilación Bibliográfica .................................................................... 89
4.1.1.1. Estudios Previos .................................................................................. 89
4.1.1.1.1. Estado Pre-sísmico .............................................................................. 92
4.1.1.1.2. Estado Post-sísmico ............................................................................ 93
4.1.2. Trabajos de Campo ............................................................................. 95
4.1.2.1. Métodos Geofísicos ............................................................................. 96
x
4.1.2.1.1. Metodología utilizada ........................................................................... 97
4.1.2.1.2. Equipos utilizados .............................................................................. 100
4.1.2.1.3. Procedimiento de Campo................................................................... 102
4.1.2.1.4. Procesamiento de los datos de campo .............................................. 107
4.1.2.2. Ensayo de Penetración del Cono (CPT) ............................................ 109
4.1.2.2.1. Equipos utilizados .............................................................................. 112
4.1.2.2.2. Procedimiento de campo ................................................................... 113
4.1.2.2.3. Resultado del Ensayo Geotécnico ..................................................... 121
4.1.3. Parámetros del Suelo ........................................................................ 124
4.1.3.1. Análisis Pre-sísmico ........................................................................... 124
4.1.3.2. Análisis Post-sísmico ......................................................................... 126
4.2. Selección de las Señales Sísmicas .................................................... 128
4.2.1. Descarga de registros sismológicos ................................................... 128
4.2.1.1. Strong-motion Virtual Data Center (VDC) .......................................... 130
4.2.1.2. Pacific Earthquake Engineering Research Database (PEER) ............ 130
4.2.2. Selección de las Señales Sísmicas .................................................... 130
4.2.3. Cálculo del Espectro .......................................................................... 131
4.2.3.1. Resumen de Datos Obtenidos ........................................................... 131
4.2.4. Comparación con el espectro de diseño COVENIN 1756:2001. ........ 133
4.3. Definición de la Geometría ................................................................. 135
4.3.1. Selección de las secciones transversales .......................................... 135
4.3.2. Modelo Bidimensional de las Secciones ............................................ 138
4.3.2.1. Creación de la Malla .......................................................................... 138
4.3.2.2. Factor de Seguridad Post-sísmico ..................................................... 138
4.3.2.3. Modelado de las Secciones Críticas .................................................. 139
4.4. Software ............................................................................................ 139
4.4.1. FLAC 3D ............................................................................................ 140
4.4.1.1. Datos de Entrada FLAC 3D ............................................................... 140
4.4.1.2. Datos de la Geometría del Dique FLAC 3D ....................................... 141
4.4.1.3. Datos Geotécnicos FLAC 3D ............................................................. 145
4.4.1.4. Modelo Analítico Constitutivo ............................................................. 147
xi
4.4.1.5. Cálculo del Factor de Seguridad ........................................................ 148
4.4.1.6. Datos de Salida ................................................................................. 149
4.4.2. PLAXIS .............................................................................................. 150
4.4.2.1. Datos de Entrada PLAXIS.................................................................. 150
4.4.2.2. Datos de la Geometría del Dique PLAXIS .......................................... 151
4.4.2.3. Datos Geotécnicos PLAXIS ............................................................... 153
4.5. Análisis de Sensibilidad ..................................................................... 158
CAPÍTULO V: ANÁLISIS DE RESULTADOS
5.1. Pre-Sísmico (Estático) Progresiva A .................................................. 161
5.2. Post-Sísmico (Reducido) Progresiva A .............................................. 165
5.3. Dinámico Progresiva A (Sismo de Corta Duración) ............................ 169
5.4. Dinámico Progresiva A (Sismo de Larga Duración) ........................... 172
5.5. Pre-Sísmico (Estático) Progresiva B .................................................. 173
5.6. Post-Sísmico (Reducido) Progresiva B .............................................. 177
5.7. Dinámico Progresiva B (Sismo de Corta Duración). ........................... 181
5.8. Análisis de Sensibilidad Progresiva A ................................................ 184
5.9. Tabla Resumen de Resultados .......................................................... 189
CAPÍTULO VI: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
6.1. Conclusiones ..................................................................................... 191
6.2. Recomendaciones ............................................................................. 194
ANEXOS ....................................................................................................... 196
PLANOS ....................................................................................................... 204
BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................... 207
xii
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. – Símbolos. .............................................................................................. 35
Tabla 2. – Tipología de Suelos. .............................................................................. 35
Tabla 3. – Características de los Suelos. ............................................................... 36
Tabla 4. – Escala de Ritchter. ................................................................................ 56
Tabla 5. – Escala de Mercalli. ................................................................................ 57
Tabla 6. – Gravedad Específica por tipo de suelos................................................. 68
Tabla 7. – Estratos del Suelo de Fundación. .......................................................... 91
Tabla 8. – Parámetros Geofísicos del suelo de fundación Prog.A. ....................... 108
Tabla 9. – Parámetros Geofísicos del suelo de fundación Prog.B. ....................... 108
Tabla 10. – Características de resistencia de la Arenas y Arcillas. ....................... 110
Tabla 11. – Zonas de tipo de suelo según su comportamiento. ............................ 121
Tabla 12. – Parámetros Geotécnicos del suelo de fundación Prog.A. .................. 122
Tabla 13. – Parámetros Geotécnicos del suelo fundación Prog.B. ....................... 122
Tabla 14. – Estratigrafía del suelo de fundación Prog.A. ...................................... 123
Tabla 15. – Estratigrafía del suelo de fundación Prog.B. ...................................... 123
Tabla 16. – Parámetros de caracterización del suelo de fundación Prog.A. ......... 124
Tabla 17. – Parámetros de caracterización del suelo de fundación Prog.B. ......... 125
Tabla 18. – Parámetros degradados del suelo de fundación Prog.A. ................... 126
Tabla 19. – Parámetros degradados del suelo de fundación Prog.B. ................... 127
Tabla 20. – Parámetros de búsqueda de registros acelegráficos. ........................ 129
Tabla 21. – Características Geotécnicas del cuerpo del dique A (FLAC 3D). ....... 146
Tabla 22. – Características Geotécnicas del cuerpo del dique B (FLAC 3D). ....... 146
Tabla 23. – Características Geotécnicas del cuerpo del Dique A (PLAXIS). ......... 154
Tabla 24. – Características Geotécnicas del cuerpo del Dique B (PLAXIS). ......... 154
Tabla 25. – Características Geotécnicas de la Progresiva A (PLAXIS)................. 155
Tabla 26. – Características Geotécnicas de la Progresiva B (PLAXIS)................. 155
Tabla 27. – Resultados Progresiva A. .................................................................. 189
Tabla 28. – Resultados Progresiva B. .................................................................. 189
xiii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. – Carta de plasticidad de Casagrande. ................................................... 39
Figura 2. – Diagrama de esfuerzos de la teoría Mohr-Coulomb. ............................ 42
Figura 3. – Ensayo de Corte Directo. ..................................................................... 45
Figura 4. – Ensayo de Compresión Triaxial. .......................................................... 46
Figura 5. – Ensamblado de la Veleta en campo. .................................................... 48
Figura 6. – Principales Placas Tectónicas de la Corteza Terrestre. ....................... 50
Figura 7. – Convergencia Oceánica- Oceánica ..................................................... 51
Figura 8. – Convergencia Continental- Continental ............................................... 51
Figura 9. – Ondas Primarias (P)............................................................................. 52
Figura 10. – Ondas Secundarias (S). ..................................................................... 53
Figura 11. – Ondas Rayleigh (R)............................................................................ 54
Figura 12. – Ondas Love (L). ................................................................................. 54
Figura 13. – Mapa de Sismicidad Instrumental en Venezuela ................................ 61
Figura 14. – Mapa del sistema de fallas principales en Venezuela. ....................... 62
Figura 15. – Bloque Triangular de la Cuenca del lago Maracaibo. ........................ 63
Figura 16. – Partes de un Dique. ........................................................................... 66
Figura 17. – Ubicación Geográfica de la Zona. ...................................................... 69
Figura 18. – Evolución de los Diques en el Tiempo................................................ 71
Figura 19. – Perfil Típico del Dique. ....................................................................... 72
Figura 20. – Método de Refracción Sísmica. ......................................................... 98
Figura 21. – Método de MASW. ............................................................................. 99
Figura 22. – Equipo de medición Stratavisor NZXP marca GEOMETRICS. ......... 100
Figura 23. – Geófonos. ........................................................................................ 101
Figura 24. – Mandarria. ........................................................................................ 101
Figura 25. – Cable del Trigger y conexión con la plancha. ................................... 102
Figura 26. – Reconocimiento de la zona. ............................................................. 103
Figura 27. – Tendido conectado a los Geófonos. ................................................. 104
Figura 28. – Plancha metálica y mandarria, conectados al cable del Trigger. ...... 104
Figura 29. – Equipo de medición y conexiones. ................................................... 105
xiv
Figura 30. – Ejecución del impacto. ..................................................................... 105
Figura 31. – Proceso de impresión de registros. .................................................. 106
Figura 32. – Registros impresos por el equipo. .................................................... 106
Figura 33. – Registrando el ruido ambiental. ........................................................ 107
Figura 34. – Estudio CPT. .................................................................................... 109
Figura 35. – Perforaciones. .................................................................................. 112
Figura 36. – Perforaciones. .................................................................................. 113
Figura 37. – Fijación de los anclajes en el suelo. ................................................. 113
Figura 38. – Instalación de la plataforma y equipo de empuje. ............................. 114
Figura 39. – Conexiones de la Interfase. .............................................................. 114
Figura 40. – Fuente de energía. ........................................................................... 115
Figura 41. – Computadora. .................................................................................. 115
Figura 42. – Splitter.............................................................................................. 116
Figura 43. – Piezocono. ....................................................................................... 116
Figura 44. – Preparación del cono antes de iniciar el ensayo. ............................. 117
Figura 45. – Verificación de la verticalidad del cono durante su descenso. .......... 117
Figura 46. – Inicio del ensayo de CPT. ................................................................ 118
Figura 47. – Resultados del CPT. ........................................................................ 119
Figura 48. – (SBT, Soil Behavior Type), Tipo de suelo. ........................................ 120
Figura 49. – Espectro de Diseño. ......................................................................... 132
Figura 50. – Espectro de Diseño. ......................................................................... 132
Figura 51. – Espectros de los Sismos Seleccionados .......................................... 134
Figura 52. – Acelerogramas. ................................................................................ 134
Figura 53. – Secciones 5A y 6 de la COLM (Campo Lagunillas). ......................... 136
Figura 54. – Pre-dimensionado de la Sección Transversal Lagunillas. ................ 137
Figura 55. – Sistema Dique-fundación (FLAC 3D). .............................................. 141
Figura 56. – Restricciones del Sistema Dique-fundación. .................................... 142
Figura 57. – Boque Central de la Fundación. ....................................................... 143
Figura 58. – Bloques extremos de la Fundación. ................................................. 143
Figura 59. – Modelo Geométrico y Discretización Progresiva A. .......................... 144
Figura 60. – Modelo Geométrico y Discretización Progresiva B. .......................... 144
xv
Figura 61. – Dique de la Progresiva A (FLAC 3D). ............................................... 146
Figura 62. – Dique de la Progresiva B (FLAC 3D). ............................................... 146
Figura 63. – Tipos de suelo de la sección transversal de la Progresiva A. ........... 147
Figura 64. – Tipos de suelo de la sección transversal de la Progresiva B. ........... 147
Figura 65. – Asignación de las unidades y dimensiones de la hoja de trabajo. .... 151
Figura 66. – Geometría de la sección transversal de la Progresiva A. ................. 152
Figura 67. – Geometría de la sección transversal de la Progresiva B. ................. 152
Figura 68. – Restricciones del Sistema Dique-fundación (PLAXIS). ..................... 153
Figura 69. – Dique de la Progresiva A PLAXIS. ................................................... 154
Figura 70. – Dique de la Progresiva B PLAXIS. ................................................... 154
Figura 71. – Estratos de la Progresiva A PLAXIS. ............................................... 156
Figura 72. – Estratos de la Progresiva B PLAXIS. ............................................... 156
Figura 73. – Asignación de las Propiedades de los Suelos. ................................. 156
Figura 74. – Nivel Freático de la Progresiva A PLAXIS. ....................................... 157
Figura 75. – Presión de Poros de la Progresiva A PLAXIS. ................................. 157
Figura 76. – Nivel Freático de la Progresiva B PLAXIS. ....................................... 157
Figura 77. – Presión de Poros de la Progresiva B PLAXIS. ................................. 157
Figura 78. – Magnitud de Desplazamiento Progresiva A. ..................................... 161
Figura 79. – Deformación Cortante Progresiva A. ................................................ 162
Figura 80. – Esfuerzos Progresiva A. ................................................................... 163
Figura 81. – Factor de Seguridad (FOS) la Progresiva A. .................................... 164
Figura 82. – Magnitud de Desplazamiento Progresiva A Reducido. ..................... 165
Figura 83. – Deformación Cortante Progresiva A Reducido. ................................ 166
Figura 84. – Esfuerzos Progresiva A. ................................................................... 167
Figura 85. – Factor de Seguridad (FOS) la Progresiva A Reducido. .................... 168
Figura 86. – Desplazamientos Totales Progresiva A Dinámico. ........................... 169
Figura 87. – Deformación Cortante Progresiva A Dinámico. ................................ 170
Figura 88. – Esfuerzos Efectivos Horizontales Progresiva A Dinámico. ............... 171
Figura 89. – Factor de Seguridad (FOS) la Progresiva A Dinámico. .................... 171
Figura 90. – Desplazamientos Totales Progresiva A Dinámico 2. ........................ 172
Figura 91. – Deformación Cortante Progresiva A Dinámico 2. ............................. 173
xvi
Figura 92. – Magnitud de Desplazamiento Progresiva B. ..................................... 174
Figura 93. – Deformación Cortante Progresiva B. ................................................ 175
Figura 94. – Esfuerzos Progresiva B. ................................................................... 176
Figura 95. – Factor de Seguridad (FOS) la Progresiva B. .................................... 177
Figura 96. – Magnitud de Desplazamiento Progresiva B Reducido. ..................... 178
Figura 97. – Deformación Cortante Progresiva B Reducido. ................................ 179
Figura 98. – Esfuerzos Progresiva B Reducido. ................................................... 180
Figura 99. – Factor de Seguridad (FOS) la Progresiva B Reducido. .................... 181
Figura 100. – Desplazamientos Totales Progresiva B Dinámico. ......................... 182
Figura 101. – Deformación Cortante Progresiva B Dinámico. .............................. 183
Figura 102. – Esfuerzos Progresiva B Dinámico. ................................................. 183
Figura 103. – Factor de Seguridad (FOS) la Progresiva B Dinámico. .................. 184
Figura 104. – Magnitud de Desplazamiento Progresiva A (Sensibilidad). ............ 185
Figura 105. – Deformación Cortante Progresiva A (Sensibilidad)......................... 185
Figura 106. – Factor de Seguridad (FOS) la Progresiva A (Sensibilidad). ............ 185
Figura 107. – Magnitud de Desplazamiento Progresiva B (Sensibilidad). ............ 186
Figura 108. – Deformación Cortante Progresiva A (Sensibilidad)......................... 186
Figura 109. – Factor de Seguridad (FOS) la Progresiva A (Sensibilidad). ............ 187
Figura 110. – Magnitud de Desplazamiento Progresiva A (Sensibilidad). ............ 187
Figura 111. – Deformación Cortante Progresiva A (Sensibilidad)......................... 188
Figura 112. – Factor de Seguridad (FOS) la Progresiva A (Sensibilidad). ............ 188
xvii
LISTA DE SÍMBOLOS
Coeficiente de cohesión del material.
Cohesión reducida.
Cohesión real.
Módulo de Elasticidad.
Fricción reducida.
Fricción real.
Fricción sobre el vástago.
Relación de fricción.
Módulo de Resistencia al Corte.
Profundidad
Número de golpes SPT.
Resistencia de punta.
Resistencia al Corte no drenada.
Ángulo de fricción interno del material.
Presión de poros.
Velocidad de ondas de corte.
Velocidad de ondas de compresión.
LISTA DE SÍMBOLOS GRIEGOS
Esfuerzo cortante actuante tangencial.
Esfuerzo cortante actuante normal
Densidad de masa.
Peso Unitario seco.
Peso Unitario húmedo.
Esfuerzo total.
xviii
Esfuerzo efectivo.
Ángulo de fricción.
Coeficiente de Poisson.
LISTA DE ABREVIATURAS
Costa Oriental del Lago de Maracaibo.
Ensayo de Penetración del Cono.
Factor de Seguridad.
Análisis Espectral Multicanal de Ondas Superficiales.
xix
INTRODUCCIÓN
Venezuela es un país productor y exportador de petróleo, representando éste la
principal fuente de ingresos a la nación. Por ello, parte de los recursos son
invertidos en todo lo relacionado con la continuidad operacional de la industria
petrolera, así como el financiamiento para nuevas investigaciones.
La Costa Oriental del Lago de Maracaibo es una de las zonas del país con
importantes reservas petroleras, encontrándose entre uno de los primeros campos
de explotación. Debido a la constante extracción de crudo en esta zona en los
últimos 80 años, se ha producido el hundimiento de las zonas costeras del lago,
producto de un fenómeno llamado subsidencia, por lo que debido a esto se realizó
la construcción de diques de protección a lo largo de 47 km de la costa.
Con el paso del tiempo los diques se han ido reformando y mejorando de
acuerdo a los estudios que se han realizado tanto sísmicos, geotécnicos y de
diversa índole. Por ello el Instituto Tecnológico Venezolano del Petróleo (INTEVEP,
S.A) en conjunto con la Gerencia de Diques y Drenajes, evalúa la confiabilidad de
los diques para establecer mejoras y soluciones a los problemas encontrados.
En el presente Trabajo Especial de Grado se analizará el comportamiento
dinámico de los tramos críticos de las secciones 5A y 6 del dique de tierra, bajo la
incidencia de un movimiento sísmico. Para ello es necesario la selección de los
modelos constitutivos y la obtención de los parámetros del suelo, por medio de
ensayos geofísicos y geotécnicos. Posteriormente, se procederá a la selección del
acelerograma a utilizar, para incorporarlo en los programas de cálculo numérico
basado en elementos finitos Flac 3D y diferencias finitas PLAXIS.
El proyecto de grado está estructurado de la siguiente manera:
xx
El primer capítulo está referido al planteamiento del problema, en donde se
describe la problemática actual y su incidencia tanto en la industria petrolera, como
en las poblaciones adyacentes que se podrían ver afectadas. Se presenta el
objetivo principal de la investigación así como sus objetivos específicos, los cuales
son indispensables para la realización del presente trabajo. También se describe la
justificación e importancia por la cual se está realizado el presente trabajo y su
respectivo alcance; estableciendo las limitaciones y delimitaciones que se
presentan.
El segundo capítulo abarca todo el fundamento teórico, como lo son
definiciones, caracterizaciones, teorías, antecedentes y demás, que facilita la
comprensión del lector y la realización del trabajo correspondiente para el análisis
dinámico de la sección 5A y 6 del dique de tierra. En este capítulo se engloban tres
grandes temas que componen este trabajo: suelos, sismicidad y las obras de tierra
tipo diques. También se encuentra el cuadro de operacionalización de variables
donde se describen cada uno de los objetivos, y la terminología básica.
El tercer capítulo indica cual es el nivel y el diseño de investigación, se
determina la población y muestra a utilizar, y por último se especifican las técnicas e
instrumentos de recolección de datos.
El cuarto capítulo contiene el procedimiento que se llevó a cabo para lograr el
cumplimiento de los objetivos propuestos en la investigación.
El quinto capítulo consiste en la presentación de los análisis de resultados
obtenidos mediante la utilización de los programas Flac 3D y PLAXIS.
El sexto capítulo está compuesto por las conclusiones, las cuales se basan en
los resultados obtenidos, las recomendaciones para futuras investigaciones y por
último las referencias bibliográficas utilizadas para realizar el trabajo de grado.
CAPÍTULO I: EL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN
22
1.1. Planteamiento del Problema
En la actualidad, la demanda de energía en nuestra sociedad es cada vez más
alta, debido a los avances tecnológicos y al alto consumo de bienes de servicio que
atienden necesidades fundamentales para la calidad de vida del ser humano. Una
de las principales fuentes de energía utilizadas es la de origen térmico, basada en el
uso de combustibles fósiles, entre los que se encuentra el petróleo.
Venezuela por sus características geográficas y geológicas, posee inmensas
reservas de petróleo en diferentes áreas del territorio nacional, que se han
explotado desde el año1878 cuando se inicia la actividad petrolera en el país, hasta
la actualidad (Brailovsky, A, 1992).
Una de las zonas de más larga trayectoria de explotación de petróleo en
Venezuela se encuentra ubicada en la Costa Oriental del Lago de Maracaibo
(COLM), en el estado Zulia al occidente de Venezuela. En esta zona la continua
extracción de petróleo, ha producido un descenso progresivo de la superficie del
suelo, que es conocido como el fenómeno geotécnico denominado subsidencia,
llegando incluso a alcanzar en la actualidad hasta 8 metros bajo el nivel del lago
(Gerencia de Diques y Drenajes, 2010). Para impedir la inundación de estas zonas
bajas, se han construido diques a lo largo de una franja costera de
aproximadamente 47 km de longitud. Estos diques son terraplenes construidos para
evitar el paso del agua, desde el lago a las tierras bajas.
El Instituto Tecnológico Venezolano del Petróleo (INTEVEP, S.A), filial de
Petróleos de Venezuela (PDVSA), tiene a su cargo la responsabilidad de desarrollar
investigación básica y aplicada, así como dar asistencia técnica para garantizar la
integridad de todo el sistema de diques de la Costa Oriental del Lago de Maracaibo
(COLM), a fin de incrementar la confiabilidad de dichas estructuras.
23
A través de los años estos diques han sido objeto de ampliaciones, refuerzos y
mejoras, que han incorporado nuevos elementos de diseño que consideran la
incidencia de eventos sísmicos de alta magnitud con un período de retorno de
aproximadamente 3000 años (Gerencia de Diques y Drenajes, 2004). Según los
estudios previos realizados en INTEVEP, S.A por Echezuría, Celis y Parra (1995),
se considera de vital importancia el cálculo del Factor de Seguridad post-sísmico,
tomando en cuenta los diferentes tipos de riesgos no comunes que puedan
comprometer la estabilidad del sistema, debido a que anteriormente estos riesgos
no se tomaron en cuenta de manera específica para el diseño de los diques.
Por lo antes mencionado, este Trabajo Especial de Grado a ser realizado en
INTEVEP, S.A para la Gerencia de Diques y Drenajes de PDVSA Occidente,
proyecta realizar el análisis dinámico de los tramos críticos de la sección 5A y 6 del
dique, ubicado en el Campo Carabobo, sector Lagunillas en la Costa Oriental del
Lago de Maracaibo; siendo necesario para ello evaluar los diferentes parámetros de
resistencia y las propiedades índice de cada uno de los materiales que conforman el
cuerpo del dique y el terreno de fundación.
1.2. Formulación del Problema
En vista de la problemática descrita en líneas anteriores, referida a la situación
de riesgo que presenta el dique de tierra mencionado ante un movimiento sísmico,
la presente investigación plantea la realización de un análisis dinámico del mismo,
partiendo de la siguiente interrogante principal:
24
1.2.1. Interrogante Principal
¿Cuál será el comportamiento dinámico de los tramos críticos de la sección 5A y
6 del dique de tierra, ubicado en el Campo Carabobo, sector Lagunillas, en la Costa
Oriental del Lago de Maracaibo, estado Zulia, bajo la incidencia de un movimiento
sísmico?
1.3. Objetivos
1.3.1. Objetivo General
Analizar el comportamiento dinámico de los tramos críticos de la sección 5A y 6
del dique de tierra, ubicado en el Campo Carabobo, sector Lagunillas en la Costa
Oriental del Lago de Maracaibo, estado Zulia, bajo la incidencia de un movimiento
sísmico.
1.3.2. Objetivos Específicos
1) Caracterizar estática, pseudo-estática y dinámicamente los suelos de
fundación de los tramos críticos del dique Lagunillas.
2) Definir un procedimiento para la selección de señales sísmicas para el
análisis dinámico.
3) Determinar el análisis estático, pseudo-estático y dinámico de deformación,
mediante los software Flac 3D y PLAXIS.
4) Determinar los factores de seguridad estático, pseudo-estático y dinámico.
25
5) Comparar los valores del factor de seguridad post-sísmico, obtenidos a
través de la reducción de la resistencia del suelo y el factor de seguridad
obtenido bajo un análisis dinámico.
6) Determinar la sensibilidad del factor de seguridad ante la variación de los
parámetros de resistencia del suelo.
1.4. Justificación e Importancia
Los diques de la COLM son una estructura de vital importancia que sirve de
protección ante la inundación de las poblaciones ubicadas en la región oriental del
Lago de Maracaibo, además de ser fundamental para la protección y preservación
de las instalaciones de la industria petrolera ubicadas en la zona. Por lo antes
indicado es de gran relevancia efectuar estudios que permitan disminuir los riesgos
asociados a fallas en dicha estructura.
Cabe destacar que en la zona de diques se encuentran asentados
aproximadamente 60.000 habitantes, localizados casi en su totalidad en la zona de
estudio del presente trabajo y más de 150.000 en sus adyacencias (INE, 2001), en
donde puede haber un riesgo real ante cualquier evento o fenómeno que
comprometa la estabilidad y confiabilidad de los diques, y que traiga como
consecuencia hechos catastróficos.
De igual forma el sistema de diques constituye una estructura que resguarda
instalaciones de la industria petrolera, que en caso de ser afectada tiene un valor de
reemplazo por el orden de millones de dólares, unido a la suspensión de la
producción de petróleo que se maneja en las áreas que potencialmente podrían ser
afectadas, lo cual representaría un alto porcentaje en la merma de la producción de
barriles de crudo diarios con respecto al total nacional (Gerencia de Diques y
Drenajes, 2004), por lo que se hace necesario desarrollar nuevos estudios del
26
comportamiento de la estructura ante un fenómeno sísmico destructivo en la zona,
a través del análisis dinámico de las deformaciones que pudieran presentarse.
1.5. Delimitaciones
1.5.1. Delimitación Temática
El siguiente trabajo de investigación abarca las áreas de Mecánica de Suelos,
en la línea de investigación de Análisis Dinámico de Deformaciones, y de Obras
Hidráulicas, ya que el mismo es una estructura que tiene como fin impedir que el
agua del lago pase a las zonas bajas.
El estudio de la geometría del dique de tierra en conjunto con sus características
geomorfológicas y realizando un análisis dinámico ante un sismo, se podrá observar
su comportamiento por medio del uso de los software de diferencias finitas Flac 3D
y elementos finitos PLAXIS, para así determinar el factor de seguridad post-sísmico.
1.5.2. Delimitación Geográfica
El presente estudio contempla la realización del análisis dinámico de
deformaciones bidimensional para dos (2) progresivas, ubicadas en el Campo
Carabobo, sector Lagunillas, en la Costa Oriental del Lago de Maracaibo, estado
Zulia, que corresponden a las secciones 5A y 6 del dique Lagunillas.
27
1.5.3. Delimitación Temporal
La realización del trabajo de grado se contempló en un lapso de nueve (9)
meses continuos en la Universidad Nueva Esparta, entre los cuales siete (7) se
realizaron en Intevep, S.A, desde el14 de Mayo hasta el 13 de Diciembre.
CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO
29
En el siguiente capítulo se presenta el soporte y basamento teórico, así como la
definición de las teorías necesarias para el inicio del estudio y cálculo del factor de
seguridad post-sísmico del sistema de diques de suelo ubicados en la Costa
Oriental del Lago de Maracaibo.
2.1. Antecedentes
Oropeza, M; Azuaje, J (2013) Informe Técnico (INT-14157,13) preparado por
INTEVEP, S.A, donde se realizó un informe que lleva por título “Análisis de
estabilidad Post-Sísmico para la Evaluación de las secciones del dique
Lagunillas”. Los Teques, Venezuela. Este tiene como objetivo el análisis de
estabilidad y determinación del factor de seguridad en estado pre-sísmico y post-
sísmico de las secciones en estudio, y el pre-dimensionado a los fines de mantener
el borde libre de 4m con referencia al nivel actual del lago.
En base a las recomendaciones de este informe, se propone la realización de
este proyecto; ya que en el mismo se indica que las progresivas en estudio,
requieren de un análisis dinámico, con el fin de comparar y corroborar los resultados
obtenidos en el análisis pseudo-estático, y así poder evaluar de manera más
completa y cercana a la realidad, las condiciones de estabilidad presentes en el
dique Lagunillas.
Además, representó un gran aporte debido a que en él se muestra
detalladamente todos los pasos que se realizaron durante el proceso del análisis
estático y pseudo-estático del sistema dique-fundación, de las progresivas con las
que se trabajaron. Esto permitió tener la información necesaria para comparar los
resultados con los obtenidos en los análisis realizados.
30
Pertuz, F. Vladimir, S (2011) de la Universidad Central de Venezuela, realizó
un trabajo de grado que lleva por título “Determinación del factor de seguridad
post-sísmico de las secciones críticas del dique de la Costa Oriental del Lago
de Maracaibo”. Zulia, Venezuela. Este trabajo de investigación tiene como objetivo
principal determinar el factor de seguridad existente en condiciones posteriores a un
evento sísmico de las secciones críticas del dique, tomando como zona de estudio
el campo de Lagunillas y utilizando como herramienta un software de diferencias
finitas.
Esta investigación resulta notable para la elaboración del estudio a realizar, ya
que se basó en la determinación del factor de seguridad post-sísmico de las
secciones críticas del tramo de dique de suelos en la región de Lagunillas (Edo.
Zulia) de la Costa Oriental del Lago de Maracaibo, entre las cuales se encuentra las
utilizadas para este proyecto de grado.
La metodología empleada para el cálculo del factor de seguridad post-sísmico,
así como la evaluación de la estabilidad y confiabilidad de los diques servirá de
base para la presente investigación. Cabe destacar que se utilizará el mismo
software de diferencias finitas FLAC 3D.
Duque, H; Azuaje, J; Berrios, I (2010) Informe Técnico (INT-13151,10)
preparado por INTEVEP, S.A, donde se realizó un informe que lleva por título
“Características dinámicas de los suelos de fundación en una localidad
ubicada en la Península de Araya”. Los Teques, Venezuela. En dicho estudio se
planteó como objetivo principal conocer las propiedades dinámicas y velocidades de
ondas de corte, con el fin de determinar los diferentes parámetros geotécnicos que
permita definir las características mecánicas y físicas de los suelos presentes en la
zona.
31
Este estudio resulta de gran relevancia para la realización de esta investigación,
ya que en él se ejecutaron dos pruebas en campo basados en geofísica somera,
conformados por el ensayo de Refracción Sísmica y el Análisis Multicanal Espectral
de Ondas Superficiales (M.A.S.W), los cuales sirvieron para obtener las velocidades
de ondas elásticas y el conocimiento de los estratos presentes en el subsuelo.
La información de los equipos y la metodología contemplada para la ejecución
de los ensayos, será utilizada como base para llevar a cabo los estudios en campo
y para el procesamiento de los datos obtenidos en las secciones críticas.
Echezuría, H; et al. (1995) Informe Técnico (INT-TEIG-0054,95) preparado por
INTEVEP, S.A, MARAVEN, S.A y GEOPROYECTOS, C.A, quienes realizaron un
informe que lleva por título “Análisis Crítico de la Confiabilidad de los Diques
Costaneros de la COLM”. Maracaibo, Venezuela. Este estudio tiene como
objetivo presentar un análisis crítico de la información, los criterios de diseño y la
confiabilidad de los diques que corresponden al sistema de protección costanero de
la COLM.
El informe técnico resultó de gran contribución para la elaboración de esta
investigación, ya que aportó información geotécnica y sismológica de los diques de
la COLM. En él se puede encontrar una recopilación de los diversos trabajos que se
han realizado sobre la caracterización geotécnica del sistema dique-fundación
desde sus inicios, instrumentación geotécnica y sismológica utilizada, y
comportamiento dinámico de dicho sistema. Con esto se pudo obtener un
conocimiento del estado y evolución, además de datos importantes que fueron
utilizados para llevar a cabo los objetivos propuestos en este trabajo.
32
2.2. Bases Teóricas
Están conformadas por todos los conceptos y teorías necesarias, que
representan el sustento teórico de referencia para el problema tratado. Cabe
destacar que abarca tres grandes temas, como lo son los suelos, la sismicidad y las
obras de tierra tipo dique, los cuales resultan de gran importancia ya que engloban
los fundamentos requeridos para lograr el entendimiento y la realización de la
investigación.
2.2.1. Suelos
2.2.1.1. Definición, Origen
La superficie de la corteza terrestre se encuentra recubierta en una gran
extensión por un manto delgado de material fragmentario, compuesto de partículas
de grava , arena, limo y arcilla, cuyo espesor puede variar entre fracciones que van
desde un metro hasta varias decenas de metros. Este material es el producto
residual de la descomposición o del intemperismo de las rocas (Korol, B, 1972).
La formación del suelo es un proceso mediante el cual las rocas se fraccionan
en partículas de menor tamaño uniéndose con materia orgánica en descomposición.
Este proceso de fragmentación ocurre cuando el aire y el agua ejercen su acción
generando mecanismos de desintegración mecánica y descomposición química de
las rocas.
33
2.2.1.2. Descripción y Clasificación de los Suelos
2.2.1.2.1. Según su Granulometría
La granulometría puede definirse como el estudio de la distribución de
fracciones del suelo comprendidas entre tamaños (diámetros significativos) con
propiedades características.
A manera de referencia existen diferentes sistemas de clasificación
granulométrica de los suelos, entre los cuales se citan algunos a continuación:
El Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS), adoptado por la
American Society for Testing and Materials como método estándar de clasificación
de suelos, (ASTM, D-2487).
Basándonos en los parámetros del Sistema Unificado de Clasificación de Suelos
(SUCS), el suelo se clasifica en cinco grandes grupos:
2.2.1.2.1.1. Gravas
Son rocas fragmentadas que se pueden ver a simple vista y el tamaño de su
partícula varía entre 2 centímetros (cm) y 70 milímetros (mm). Estas no contienen
material cementante, ni tienen la capacidad de retención de agua. (Badillo, J; 2010).
2.2.1.2.1.2. Arenas
Es el conjunto de partículas disueltas derivadas de otros tipos de rocas que
también se pueden ver a simple vista; su tamaño varía entre 0,1 y 2 milímetros (mm)
34
y debido a su casi nula cohesividad, la arena no tiende a unirse con otros agregados
cuando se mezcla con el agua (Badillo, J; 2010).
2.2.1.2.1.3. Limos
Conformado por un material fino no plástico, con una granulometría
comprendida entre la arena y la arcilla. Este es transportado en suspensión por los
ríos y por el viento; tiene una mayor capacidad de absorción de agua haciéndolos
inestables y con tendencia a licuación cuando se saturan. Sus partículas varían
entre 0,002 y 0,2 milímetros (mm) (Badillo, J; 2010).
2.2.1.2.1.4. Arcillas
Son materiales finos plásticos, conformados por partículas procedentes de la
descomposición de rocas; éstas tienen una alta capacidad de retención de agua,
haciendo que su resistencia a la deformación sea baja cuando presenta humedad, y
dureza cuando se calientan; formando masas duras cohesivas. Presenta un tamaño
comprendido entre 0,0002 y 0,002 milímetros (mm) (Badillo, J; 2010).
2.2.1.2.1.5. Materia Orgánica
Formados a partir de residuos procedentes de animales o vegetales. La
presencia elevada de ésta en un suelo puede ocasionar espacios vacíos al
descomponerse y es inadecuada para el uso de obras civiles.
35
Tabla 1. – Símbolos. Fuente: Manual de Carreteras, Volumen I: Elementos y Proyectos, 1999.
Tabla 2. – Tipología de Suelos. Fuente: Manual de Carreteras, Volumen I: Elementos y Proyectos, 1999.
36
Tabla 3. – Características de los Suelos. Fuente: Manual de Carreteras, Volumen I: Elementos y Proyectos, 1999.
37
Aparte del Sistema Unificado de Clasificación de Suelos, existen otros usados
también como el Sistema de Clasificación de Suelos AAHSTO (Asociación
Americana de Funcionarios de Carreteras Estatales y Transporte o por sus siglas en
inglés American Association of State Highway and Transportation Officials) y el
“Burmeister Modificado”, los cuales no serán estudiados en el presente trabajo.
2.2.1.2.2. Según su Plasticidad
La plasticidad puede definirse como la propiedad de un material, por la cual es
capaz de soportar deformaciones rápidas, sin rebote elástico, sin variación
volumétrica apreciable y sin desmoronarse y agrietarse (Badillo, J y Rodríguez, R;
2010).
Otro sistema utilizado en la clasificación de los suelos se fundamenta en la
plasticidad de los mismos, lo cual tiene una relación directa con las propiedades
físico-químicas determinantes del comportamiento mecánico especialmente de las
arcillas. Esto asociado al contenido de partículas más finas, depositados en forma
laminar y el contenido de agua.
De allí que la consistencia de los suelos según su plasticidad, varía con el
contenido de humedad. Así una arcilla en estado seco se comporta en forma
diferente a cuando está saturada; con el aumento de agua contenida en una arcilla
en estado sólido pasaría a un estado semisólido, luego a uno plástico y por último a
un estado líquido.
Entonces se tiene la siguiente clasificación basada en los límites de
ATTERBERG:
38
Sólido: El contenido de humedad en el suelo es bajo, estando en el rango no
plástico, por lo cual cualquier cambio de humedad del suelo no afecta su
volumen.
Semisólido: O también denominado no plástico, es el estado del suelo en el
que cualquier modificación en el contenido de humedad conlleva un cambio
en su volumen.
Plástico: En este estado el suelo es perfectamente moldeable.
Líquido: El suelo por su alto contenido de humedad tiene las propiedades de
un fluido viscoso.
Por consiguiente, considerando la existencia de estos estados, dependientes del
contenido de humedad se han definido fronteras divisorias entre ellos conocidos
como los límites de ATTERBERG, (LL- Límite Líquido, LP- Límite plástico y LC-
Límite de retracción o consistencia).
SOLIDO SEMI – SOLIDO PLASTICO LÍQUIDO
0 LC LP LL %W
Limite Líquido: Separa el estado plástico del semilíquido.
Limite Plástico: Separa el estado semisólido del plástico.
Límite de Retracción o Consistencia: Separa el estado sólido del semisólido.
A partir de diversos estudios se estableció que los suelos con WL mayor de 50
son de alta plasticidad y los suelos con WL menor que 50 son de baja plasticidad.
39
Producto de esto Casagrande (1998) definió tanto la carta de plasticidad (Fig.1)
como el sistema unificado de clasificación de suelo antes mencionado en la Tabla.3.
Figura 1. – Carta de plasticidad de Casagrande. Fuente: ASTM D2487, 2010.
2.2.1.3. Parámetros de Estudio de los Suelos
Seguidamente se describen solo ciertos parámetros de estudio de suelos
(Lambe & Whitman, 1997; González de Vallejo et al., 2004) de interés para la
ejecución de este estudio:
Cohesión (C): Es la propiedad que tienen los elementos de un suelo a
permanecer unidos, dependiendo proporcionalmente del número de puntos
de contactos entre las partículas. En consecuencia la cohesión es mayor en
arcillas y limos que en suelos gruesos. Debido a que la cohesión es muy
variable, esta propiedad solo es tomada en cuenta en suelos puramente
cohesivos.
Angulo de fricción o de rozamiento interno (Φ): Este parámetro depende
directamente de la compacidad y rugosidad de las partículas del suelo. En
40
base a éste se deriva la fuerza de fricción y la determinación de las
presiones que ejerce un suelo para vencer un obstáculo.
Presión intersticial (U): También llamada presión neutra, es la presión que
actúa sobre el agua y sobre las partículas sólidas del suelo con igual
intensidad. Al encontrarse el agua en condiciones hidrostáticas, la presión
intersticial a una profundidad determinada del nivel freático viene dada por la
multiplicación del peso específico por la profundidad. (Therzaghi, K, 1956).
Módulo de Poisson (ν): Es una constante elástica de los materiales
determinada por la relación de deformaciones longitudinales y transversales.
2.2.1.4. Resistencia al Esfuerzo Cortante de los Suelos
En los suelos es de gran importancia garantizar que no se produzcan
mecanismos de falla que pongan en peligro la estabilidad de la obra. Para realizar el
análisis de estabilidad es necesario determinar la resistencia al esfuerzo cortante
de los suelos involucrados en el mecanismo potencial de falla.
Cuando una masa de suelo se encuentra sometida a incrementos de cargas, se
producen esfuerzos contrarios que buscarán mantener el equilibrio que existía antes
de verse expuesto ante una carga externa.
Los esfuerzos cortantes solo serán resistidos por la estructura de las partículas
del suelo, debido a que el agua no tiene resistencia al esfuerzo cortante. En el
momento que la magnitud de la carga exterior sea mayor que la resistencia
admisible de la masa de suelo, se producirá un desequilibrio interno de fuerzas
produciendo planos de falla o deslizamientos.
41
Para explicar el proceso por el cual pasa un suelo al aplicarle esfuerzos
cortantes, se establecieron diversas teorías de fallas que se basan en:
Rankine: Máximo esfuerzo normal.
Saint-Venant: Máxima deformación unitaria elástica.
Guest: Máximo esfuerzo cortante.
Mohr y Coulomb: Máximo esfuerzo cortante, teoría que será aplicada para
esta investigación.
2.2.1.4.1. Teoría de Mohr-Coulomb
Representa la combinación de las teorías de Mohr y Coulomb. Esta se atribuye
a la falla al esfuerzo cortante y depende del esfuerzo normal actuante en el plano de
falla; siendo la relación entre ambos esfuerzos no constante, produciendo líneas de
falla curvas (Lambe, Whitman, 1997). Dicha ley es representada de la siguiente
manera:
(2.1.)
Donde:
: Esfuerzo cortante actuante tangencial.
: Coheficiente de cohesión del material.
: Esfuerzo cortante actuante normal
: Ángulo de fricción interno del material.
El siguiente método consiste en realizar el gráfico de los estados de esfuerzos,
asignando los puntos máximos de las curvas esfuerzo-deformación, en las cuales
se le aplicaron diferentes presiones de confinamiento ( ). Una vez culminado, se
42
realizan los círculos y tangente a ellos se pasa una curva o recta, que formará la
envolvente de Mohr (Figura 2), que dependiendo de su ubicación, se pueden
presentar los siguientes casos:
Si el círculo de Mohr para un determinado estado de esfuerzo queda por
debajo de la envolvente, el suelo será estable para ese estado de esfuerzo.
Si es tangente a la envolvente, el suelo ha alcanzado su máxima resistencia
en el plano de falla. En este caso el ángulo formado por la envolvente con la
horizontal, será el ángulo del plano de falla.
Cuando el caso es que la envolvente corta la circunferencia en uno o más
puntos, significa un estado de deformación más allá de los esfuerzos límites,
lo cual sería imposible. Al igual que el caso anterior, todo punto más allá de
la envolvente significa que el suelo ha fallado.
Figura 2. – Diagrama de esfuerzos de la teoría Mohr-Coulomb. Fuente: Lambe, Whitman, 1997
43
2.2.1.5. Resistencia al Corte en Suelos Cohesivos y Friccionantes
2.2.1.5.1. Resistencia al Corte en Suelos Cohesivos
El término “cohesivo” es el nombre utilizado para aquellos suelos que sin alguna
presión exterior normal apreciable, presentan resistencia a esfuerzos cortantes,
como en el caso de suelos arcillosos y limosos. Pero en realidad la resistencia
cortante es producto de la fricción entre las partículas sólidas del suelo.
Por la poca permeabilidad que presenta la estructura de los suelos “cohesivos”,
es difícil lograr la determinación de la resistencia al esfuerzo cortante, esto es
debido a que estos suelos no pueden adaptarse con suficiente flexibilidad a las
nuevas condiciones de esfuerzo que se presenten (Badillo, J; Rodríguez, R, 2008).
Badillo, J y Rodríguez, R (2008), señalan que así como en diferentes materiales
no hay problema de tomar la resistencia al esfuerzo cortante como una constante,
en los suelos “cohesivos” existe una serie de factores circunstanciales que impide
utilizar formulas determinadas o criterios ya fijados, en consecuencia es necesario la
realización de estudios de suelos para garantizar que los valores obtenidos sean
confiables. Los principales factores que pueden influir son: historia previa de
consolidación, condiciones de drenaje, velocidad de aplicación de cargas y
sensibilidad de su estructura.
2.2.1.5.2. Resistencia al Corte en Suelos Friccionantes
Los suelos “friccionantes” abarcan las arenas sueltas, gravas sueltas y la
combinación de estos materiales. La explicación de la resistencia al esfuerzo
cortante parte de los mecanismos de la fricción mecánica, considerando que estos
actúan en los puntos de contacto entre las partículas que conforman el material.
Mientras más grande sea el tamaño de la partícula menor serán los puntos de
44
contacto y mayores las concentraciones de presiones sobre ellos. La resistencia al
esfuerzo cortante de un suelo “friccionante” dependerá de las características del
material: compacidad, forma de los granos, distribución granulométrica, resistencia
individual y tamaño de las partículas; además se puede agregar dos factores
circunstanciales que son los niveles de esfuerzo y el tipo de prueba a la cual estará
sometido el suelo, ya que éstos también influyen en la resistencia (Badillo, J;
Rodríguez, R, 2008).
2.2.1.6. Ensayos para medir la Resistencia al Corte
Existen diferentes tipos de ensayo para determinar la resistencia al esfuerzo
cortante de los suelos, los cuales son realizados en laboratorio y predominan: el
ensayo de Corte Directo y el de Compresión Triaxial.
2.2.1.6.1. Ensayo de Corte Directo
El ensayo de corte directo consiste en la aplicación de cargas sobre una
muestra de suelo, de forma horizontal y vertical, generando una presión normal a
dichas cargas de forma graduable.
En esta prueba se hace deslizar una porción de suelo, respecto a otra a lo largo
del eje de falla, mediante la aplicación de una fuerza de corte horizontal en
aumento, mientras que a su vez se aplica una carga normal perpendicular al plano
de movimiento. La deformación obtenida de la muestra se debe medir tanto
horizontalmente como vertical.
Para la determinación de la resistencia al deslizamiento en diques de tierra se
debe tener el valor de cohesión y ángulo de resistencia al corte (Badillo, J;
Rodríguez, R, 2008).
45
Figura 3. – Ensayo de Corte Directo. Fuente: Laboratorio UCV, 2011.
2.2.1.6.2. Ensayo de Compresión Triaxial Cíclica
Para la determinación de las propiedades esfuerzo-deformación y la resistencia
de los suelos, se aplica la prueba de compresión triaxial, debido a que es una de las
más versátiles y arroja buenos resultados. Es un ensayo que consiste en aplicar
presiones variables en las tres direcciones ortogonales de una muestra de suelo.
La muestra cilíndrica del suelo en estudio es colocada dentro de una cámara
hermética, para ser sometida a una presión de confinamiento (laterales) en todas
sus caras, la cual es producida por agua; y el esfuerzo axial es aplicado mediante
un vástago que atraviesa la parte superior de la cámara, hasta que la muestra se
rompe. La presión ejercida por el agua, produce esfuerzos principales sobre la
muestra iguales en todas las direcciones, tanto lateral como axialmente y en su
base actuarán además de las presiones ejercidas por el agua, el efecto que es
transmitido por el vástago de la cámara desde el exterior. La deformación obtenida
es medida en las tres direcciones (Badillo, J; Rodríguez, R, 2008).
46
Figura 4. – Ensayo de Compresión Triaxial. Fuente: Trujillo, S; 2013.
2.2.1.7. Sondeo y Muestreo de los Suelos
Existen muchos métodos en la mecánica de suelos para el muestreo y
conocimiento del suelo.
a) Métodos de Exploración
b) Métodos de Sondeo
c) Métodos Geofísicos
Para efecto de este estudio dentro de los métodos de exploración de suelos el
Método de Penetración Estándar (SPT, por sus siglas en Ingles Standard
Penetration Test), Veleta y el Ensayo de Penetración del Cono (CPT, Cone
Penetration Test), son los que proporcionan los mejores resultados en la práctica.
Por otro lado están los métodos geofísicos que engloban diferentes ensayos de
gran importancia para la elaboración de esta investigación, debido a que ayudarán a
complementar las características geotécnicas del terreno.
47
El método SPT consiste en un muestrador llamado cuchara partida que no es
más que un tubo de diámetro exterior de 2”,3” o 4” que en su parte central está
dividida por la mitad para obtener la muestra, se enrosca en la tubería de
perforación y se hinca por medio de uno de los dos martillos del método; uno de 140
kg. (300 lbs.), o el de 63,5 kg. (140 lbs.), que caen de una altura de (76 cm) 30” y
se cuenta el número de golpes para lograr penetrar un pie (30 cm), cada 60 cm se
retira el penetrómetro y se remueve el suelo interior para obtener la muestra que
será colocada en un pote roscado e identificado con la ubicación y la profundidad.
(Badillo, J y Rodríguez, R; 2008).
El equipo está conformado en su extremo inferior por la veleta, la cual se
compone de cuatro aspas montadas en el extremo de una barra de acero. El
método de Veleta según Díaz Vivanco (2013), consiste en hincar la veleta en el
suelo, haciéndola girar mediante la aplicación de un par de torsiones en el extremo
libre de la varilla. Se gira primero la veleta entre 6° y 12º por minuto para determinar
el parámetro de resistencia al corte sin perturbación y luego se mide la resistencia
remoldeada haciendo girar con rapidez la veleta. La superficie afectada constituye el
perímetro y los extremos de un cilindro.
48
Figura 5. – Ensamblado de la Veleta en campo. Fuente: Díaz, V, et. al; 2013.
El método del Cono de Penetración será explicado en el capítulo de la
metodología del proyecto, en conjunto con los otros tres ensayos basados en
métodos geofísicos, que serán realizados en campo (Díaz, V, et. al; 2013).
2.2.2. Sismicidad
2.2.2.1. Movimiento Sísmico
Se entiende por movimientos símicos la vibración del suelo ocasionada por la
liberación súbita de energía debido a las deformaciones acumuladas en la corteza y
en el manto superior de la Tierra. (Fratelli, M; 1998).
El origen del movimiento o zona de liberación de energía por lo general no se
concentra en un punto, sino en un área comúnmente alargada en la dirección de
fallas geológicas, siendo los movimientos superficiales los que producen mayores
efectos destructivos.
49
2.2.2.2. Tectónica de Placas
Harry Hess y Robert Dietz en 1960 corroboraron la teoría de Wegener quien en
el año 1912 planteó que la litosfera está fragmentada en una serie de placas que se
desplazan sobre un manto ubicado a mayor profundidad y con mayor densidad,
mediante la teoría de la expansión del fondo oceánico.
La litósfera está formada por siete grandes placas principales y siete
secundarias (Earthquake Education Environment):
Las principales son: Placa Sudamericana, Placa Norteamericana, Placa
Euroasiática, Placa Indoaustraliana, Placa Africana, Placa Antártida y Placa
Pacífica.
Las placas secundarias son: Placa de Cocos, Placa de Nazca, Placa Filipina,
Placa Arábiga, Placa Escocesa, Placa Juan de Fuca y Placa del Caribe.
50
Figura 6. – Principales Placas Tectónicas de la Corteza Terrestre. Fuente: FUNVISIS, (Moore, 1996).
51
Figura 7. – Convergencia Oceánica- Oceánica Fuente: FUNVISIS (Moore, 1996).
Figura 8. – Convergencia Continental- Continental Fuente: FUNVISIS (Moore, 1996).
52
2.2.2.3. Propagación de los Sismos
2.2.2.3.1. Ondas Sísmicas
Según Fratelli, M (1998), dada la compleja variedad de la composición de los
suelos, los movimientos sísmicos de comportamiento aleatorio generarán los
diferentes tipos de ondas sísmicas dentro de las cuales tenemos:
2.2.2.3.1.1. Ondas de Volumen
a) Ondas Primarias (Ondas de Dilatación o Longitudinales) P
Consisten en movimientos alternados de compresión o dilatación, con partículas
que se desplazan en la misma dirección de la propagación con velocidades
comprendidas entre 7 Km/s a 13 Km/s, según se representa en la Figura 9.
Figura 9. – Ondas Primarias (P) Fuente: Pereira, Z; Publicación (La investigación sismológica en Venezuela, 2002).
53
b) Ondas secundarias (Ondas de Distorsión o Transversales) S
Son aquellas cuya onda está acompañada de una distorsión en el plano
perpendicular (cortante), sin cambio de volumen en donde las partículas se
propagan con velocidades entre 3 Km/s y 8 Km/s (Figura 10).
Figura 10. – Ondas Secundarias (S). Fuente: Zoraida Pereira; Publicación (La investigación sismológica en Venezuela, 2002).
2.2.2.3.2. Ondas Superficiales
a) Ondas Rayleigh (Ondas Longitudinales) R
Se forman en la superficie por la interacción entre las Ondas P y S verticales
describiendo elipses en el plano con movimientos similares al generado en el agua
cuando se lanza una piedra (Figura 11).
54
Figura 11. – Ondas Rayleigh (R). Fuente: Zoraida Pereira; Publicación (La investigación sismológica en Venezuela, 2002).
b) Ondas Love (Ondas Transversales) L
Son el resultado de la interacción de las Ondas S horizontales con las capas
superficiales del terreno que se desplazan en un plano tangencial a la superficie y
no tienen componente vertical (Figura 12).
Figura 12. – Ondas Love (L). Fuente: Zoraida Pereira; Publicación (La investigación sismológica en Venezuela, 2002).
55
2.2.2.4. Intensidad Sísmica
Mide cualitativamente el potencial destructivo de los sismos, mediante el grado
de daños realizados a las construcciones ejecutadas por el hombre y a la cantidad
de perturbaciones en la superficie del suelo; también delimita las áreas con
resultados similares.
Existen varias escalas de Intensidad, entre las cuales se destacan (FUNVISIS,
2002):
Escala de Ritcher (ML): llamada magnitud local, es logarítmica y arbitraria
asignándole un número a la energía liberada.
La realizada por el sismólogo y vulcanólogo Marcalli, la cual tiene por
nombre Escala Mercalli Modificada (MM) y está conformada por 12 grados,
ésta fue desarrollada para evaluar la intensidad a través de los daños
ocasionados a diferentes estructuras.
La Escala Medvedev-Sponheuer-Karnik (MSK), que evalúa la fuerza de los
movimientos basados en el grado de destrucción sobre construcciones,
cambios producidos en el terreno y el grado de afectación a personas y
animales.
2.2.2.5. Magnitud Sísmica
Según Ritcher (1958) la magnitud de un evento sísmico representa la energía
liberada durante un sismo en el hipocentro; ésta es posible medirla desde cualquier
lugar por medio de la utilización de equipos especiales como son los sismógrafos.
Esta magnitud se determina midiendo la máxima amplitud de las ondas registradas
en el sismograma correspondiente al evento.
56
La magnitud es una constante única que representa una medida cuantitativa del
tamaño del sismo.
Las escalas más utilizadas son las siguientes:
Escala de Ritcher (ML): Llamada magnitud local, es logarítmica y arbitraria
asignándole un número a la energía liberada.
Escala de magnitud de momentos (Mw): Usada para medir y comparar
sismos, es logarítmica y mide la energía total liberada.
Escala de magnitud de onda superficial (MS) y escala de magnitud de onda
de cuerpo (MB): Se usan para medir terremotos lejanos, siguen el mismo
principio de escala logarítmica.
Magnitud en la Escala de
Richter Efectos del Terremoto
Menos de 3,5 Generalmente no se siente, pero es registrado.
3,5 – 5,4 A menudo se siente, pero sólo causa daños menores.
5,5 – 6,0 Ocasiona daños ligeros a edificios.
6,1 – 6,9 Puede ocasionar daños severos en áreas muy pobladas.
7,0 – 7,9 Terremoto mayor. Causa graves daños.
8 o mayor Gran Terremoto. Destrucción total a comunidades cercanas.
Tabla 4. – Escala de Ritchter.
Fuente: SIGWEB, 2011.
57
2.2.2.6. Aceleración Sísmica
Representa una medida utilizada en terremoto, la cual consiste en una medida
directa de las aceleraciones que ocurren en la superficie del terreno. La unidad de
aceleración utilizada es la del campo gravitatorio (g). Es una medida de Intensidad y
se puede medir por medio de acelerómetros.
El daño ocurrido en las infraestructuras producto de un terremoto, está
relacionado con la velocidad y la aceleración sísmica.
Escala de Mercalli
Aceleración sísmica (%g)
Velocidad sísmica (cm/s)
Percepción del temblor
Potencial de daño
I ˂ 0,0017 ˂ 0,1 No apreciable Ninguno
II-III 0,0017 – 0,014 0,1 – 1,1 Muy leve Ninguno
IV 0,014 – 0,039 1,1 – 3,4 Leve Ninguno
V 0,039 – 0,092 3,4 – 8,1 Moderado Muy Leve
VI 0,092 – 0,18 8,1 - 16 Fuerte Leve
VII 0,18 – 0,34 16 - 31 Muy fuerte Moderado
VIII 0,34 – 0,65 31 - 60 Severo Moderado a fuerte
IX 0,65 – 1,24 60 - 116 Violento Fuerte
X+ ˃ 1,24 ˃ 116 Extremo Muy fuerte
Tabla 5. – Escala de Mercalli.
Fuente: SIGWEB, 2011.
58
2.2.2.7. Efectos de los Sismos en los Suelos
En el período de tiempo que ocurre un sismo o después de haberse presentado,
éste puede afectar de diferentes maneras a los suelos, generando una variedad de
problemas que pueden afectar la estabilidad del sistema dique-fundación y por ello
es de suma importancia tener conocimiento de esto:
2.2.2.7.1. Licuación
Es uno de los fenómenos más destructivos y se basa en el cambio de estado de
un suelo cuando está en contacto con el agua y sujeto a la acción de una fuerza
externa (fuerza cíclica sin drenar o carga sísmica), pasa de estado sólido a líquido o
a líquido pesado. Es más probable que se presente en suelos granulares sueltos
saturados o moderadamente saturados con un drenaje pobre, tales como arenas y
gravas. Se manifiesta cuando las ondas de corte ocasionadas por el sismo
producen que la presión de poros sea tan elevada que las partículas pierden la
resistencia al corte y el terreno su capacidad portante. (Youd, L; Idriss, I, 2001).
2.2.2.7.2. Asentamientos Diferenciales
Es la diferencia de nivel entre dos zonas contiguas en una estructura, debido a
desplazamientos en dirección vertical o hundimientos irregulares del suelo. Se
produce en suelos heterogéneos y sueltos más la presencia del agua, que con el
movimiento sísmico genera un desequilibrio de esfuerzos, dando lugar al
reacomodamiento de las partículas de un suelo. (CRECIT, 2005).
59
2.2.2.7.3. Deslizamientos de Tierra
Los deslizamientos de tierra son fenómenos producidos por la pérdida de
estabilidad del suelo, a causa de la exposición de éste a cargas producidas por
movimientos sísmicos. Generando un arrastre de las masas del suelo de forma
lenta y progresiva, o rápida. Los factores que influyen en la probabilidad de que en
una ladera se presente deslizamiento durante un terremoto son:
Laderas inestables o en precarias condiciones.
Pendientes elevadas.
Suelos de baja resistencia.
Niveles freáticos altos.
Movimientos sísmicos de alta magnitud.
Mala canalización de las aguas.
2.2.2.8. Actividad Sísmica en Venezuela
Venezuela se encuentra en la interacción de la Placa del Caribe que se
desplaza hacia el Oeste y la Placa Suramericana hacia el Este, produciendo una
geodinámica haciendo que el país sea susceptible a movimientos sísmicos.
(FUNVISIS, 2002).
La zona de contacto entre estas placas conforman tres sistemas de fallas con un
ancho promedio de ≈ 100 km, las cuales conforman las fallas de: Boconó (Los
Andes), San Sebastián (Cordillera de la Costa) y El Pilar (Serranía del Interior).
Estas son las causantes de los eventos más fuertes ocurridos en el Territorio
Nacional.
60
2.2.2.8.1. Historia Sísmica en Venezuela
En la historia sísmica de Venezuela tenemos que entre el año (1530 – 2004)
han ocurrido más de 130 eventos sísmicos, los cuales han ocasionado algún tipo de
daño en algunas ciudades del país (FUNVISIS, 2005).
En el año 1812 se presentó un evento devastador que según Gunther Friedler
(1961), tuvo tres epicentros y afectó a Ciudades como Mérida, Barquisimeto, San
Felipe y Caracas; causando 20.000 víctimas que para ese entonces era el 20% de
la población.
En 1997 se presenta el Terremoto de Cariaco, entre otros de gran intensidad e
importantes pérdidas.
Producto del Terremoto ocurrido en Caracas en el año 1967, se empezó a
profundizar más en el tema sísmico y lo que ello conlleva; así como la creación de
instituciones y nuevas normativas que abordan la actividad sismológica.
61
Figura 13. – Mapa de Sismicidad Instrumental en Venezuela Fuente: FUNVISIS, 2005.
62
2.2.2.8.2. Fallas Geológicas
Entre las fallas presentes en la zona Occidental del país que inciden de alguna
manera en la zona de la Costa Oriental del Lago de Maracaibo se encuentran:
Boconó, Valera, Oca, Ancón, Cabimas, Icotea, Piedemonte, Tía Juana y Pueblo
Viejo.
Figura 14. – Mapa del sistema de fallas principales en Venezuela. Fuente: FUNVISIS, 2002.
Para el año 2002 Sayago define la Cuenca del Lago de Maracaibo como una
depresión de 52.000 Km² ubicada en su mayor parte en el estado Zulia y en un
menor porcentaje en los estados Táchira, Mérida y Trujillo.
63
Ya para el año 2005 (Man, Escalona y Castillo) la definen como un área menor
de 50.000 Km² con un espesor máximo de sedimentos cretácicos y post- cretácicos
de 36.000 Km²; la cual está construida sobre el bloque triangular de Maracaibo
limitada por la Fallas de Santa Marta- Bucaramanga y la Falla de Oca.
Figura 15. – Bloque Triangular de la Cuenca del lago Maracaibo. Fuente: FUNVISIS, 2005.
2.2.2.9. Incidencias en la Industria Petrolera
Las instalaciones de la Industria Petrolera no se han visto directamente
afectadas debido a movimientos sísmicos; por lo cual no se han comprometido los
procesos de investigación, producción y operatividad. Esto es gracias a las
normativas internas, al control de calidad y a la mano de obra de calificada que ahí
trabaja para la construcción y mantenimiento de las distintas estructuras que
64
pertenecen a esta importante y estratégica industria. Un ejemplo de la labor que
estos trabajadores han desempeñado, es la construcción de los diques de
protección de la Costa Oriental del Lago de Maracaibo, que tienen una longitud de
47 Km y a pesar del tiempo que ha transcurrido desde su construcción, ha venido
soportando diferentes acontecimientos sísmicos y sigue cumpliendo la función
principal de barrera de protección de las poblaciones y de las instalaciones
pertenecientes a PDVSA.
2.2.3. Obras de Tierra: Diques
2.2.3.1. Definición
Un dique es un terraplén que tiene como función evitar el paso del agua
proveniente de un lago, mar u otro cuerpo de agua. Puede ser natural o artificial; por
lo general son construidos a base de tierra y tienden a tener forma trapezoidal si es
visto transversalmente, ya que tienen una base ancha y un tope o corona más
delgado. Su longitud y altitud pueden variar dependiendo de las características de la
región donde se construyó (U.S Department of the Interior, 1981).
2.2.3.2. Tipos de Dique
2.2.3.2.1. Diques Artificiales
Son diques artificiales los que son construidos por el hombre de acuerdo a sus
propias necesidades, éstos pueden ser de suelos o de roca dependiendo del uso
para el que fue diseñado, como por ejemplo:
Evitar inundaciones de campos cercanos a ríos o mares.
La canalización de los ríos para aumentar su flujo.
65
Para la protección de áreas contra el oleaje.
La formación de caminos a través de un cuerpo de agua.
2.2.3.2.2. Diques Naturales
Se denomina dique natural al resultado del depósito de material arrastrado por
un río o por el borde del mismo durante las crecidas del caudal, ocasionando la
elevación de la ribera de forma progresiva (Strahler, 1960).
2.2.3.3. Partes de un Dique
Según Bolinaga (1999) las partes que conforman a un dique son:
1) Cresta o corona.
2) Los taludes exteriores que pueden ser continuos o interrumpidos por una
berma. Los que tienen contacto con el agua se llaman talud aguas arriba y
los que se encuentran en la zona protegida talud aguas abajo.
3) Punto de intersección entre la fundación y el talud, llamado pie.
4) La base o extremo inferior en contacto con la fundación.
5) Núcleo impermeable que evita el paso excesivo de agua.
6) Los espaldones que son áreas de la sección que confinan el núcleo y
proporcionan peso y estabilidad a la estructura.
7) Los drenes, son filtros que sirven para conducir el agua filtrada a través del
núcleo o fundación hacia fuera.
8) Capa protectora, puede estar constituida por material asfáltico o con
enrocado, tiene como función evitar la erosión del talud.
9) Borde libre, es la altura entre el nivel máximo del agua y la parte superior o
corona.
66
Figura 16. – Partes de un Dique. Fuente: Pertuz,V 2011.
2.2.3.4. Factores que Afectan el Proyecto en Diques
Existen diversos factores que deben ser tomados en cuenta para garantizar un
diseño seguro; debido a que éstos influyen o pueden afectar la estabilidad del dique
de tierra.
2.2.3.4.1. Características de la Fundación
Bolinaga (1999) afirma que se puede construir un dique de tierra prácticamente
sobre cualquier tipo de fundación, aunque su diseño y proceso constructivo está
condicionado con las características inherentes del suelo de fundación, si éstos son
blandos.
Toda fundación siempre va a requerir de tratamientos para resolver o controlar
los problemas que ésta presenta, donde los principales a enfrentar son: posibilidad
de filtración y arrastre de partículas, compresibilidad excesiva que puede ocasionar
67
asentamientos diferenciales, presencia de arenas susceptibles a licuación,
presencia de materiales débiles y deficiencia de la resistencia cortante en la
fundación.
2.2.3.4.2. Características de los Materiales de Construcción
Para la construcción del dique se utilizaron los materiales más finos e
impermeables para el núcleo y los materiales permeables en los espaldones aguas
arriba y aguas abajo.
Mastíc Asfáltico: Consiste en la colocación de piedra caliza de 30 cm de
diámetro, recubiertas con una mezcla de arena y cemento asfáltico con una relación
60-70. Este sistema de protección tiene como función evitar la erosión del talud
aguas arribas.
Rompeolas: Está compuesto por piedras de 300 a 800 kg, con densidades que
oscilas entre 2,1 y 2,4 / , las cuales fueron colocadas con maquinarias pesadas
y tiene el propósito de disipar la energía del oleaje.
Materiales de relleno del dique: Se obtienen de zonas cercanas a Lagunillas y
pasan por un proceso de análisis granulométrico y de límite de consistencia, a fin de
clasificarlo según los requerimientos para el diseño del dique:
Tipo I: Sirve de pantalla impermeable aguas arriba, presenta un límite plástico entre
15 y 30.
Tipo II: Se utiliza como base de fundación y para el cuerpo del dique, con un límite
plástico entre 10 y 15.
68
Material % Arcilla % Arena % Limo % Wop Proctor Normal
(Kg/m3)
Tipo I 40-60 0-25 15-60 14-20 1600-1800
Tipo II 25-70 20-60 0-50 8-12 1800-2000
Tabla 6. – Gravedad Específica por tipo de suelos.
Fuente: Informe Técnico (INT-TEIG-0054,95), INTEVEP, S.A, realizado por Echezuría, H; Celis, E;
Salvador, P (1995).
2.2.3.4.3. Drenes, Filtros y Red de Drenajes
Los drenes y filtros ayudan a la estabilidad interna de la estructura en caso de
que se presente filtración, éstos son construidos con materiales característicos en
su granulometría y calidad. La red de drenaje, impide la acumulación del agua,
mediante la canalización y disposición, de las zonas de protección del dique a causa
de las precipitaciones.
2.2.3.4.4. Actividad Sísmica
La actividad sísmica tiene una gran influencia en la creación del dique de tierra,
ya que el análisis de estabilidad de una presa sometida a cargas sísmicas,
dependerá de las características del sismo de diseño y de los materiales que
conforman al cuerpo del dique.
El margen de seguridad utilizado para el diseño del dique va a depender de su
tamaño, ubicación y su uso.
Para la creación de un diseño conservador se utilizan: filtros más anchos,
drenes con mayor capacidad de descarga, crestas más anchas, núcleos más
gruesos, uso de materiales finos resistentes a tubificación, tratamientos de
materiales susceptibles a licuación, mayor altura del borde libre, entre otras.
69
2.2.3.5. Diques de la Costa Oriental del Lago de Maracaibo
2.2.3.5.1. Generalidades
El sistema de diques de la Costa Oriental del Lago de Maracaibo, comprende
una franja costanera de 47 Km de longitud, que abarca los municipios Simón
Bolívar, Lagunillas y Valmore Rodríguez. Esta extensión está dividida en tres
campos con longitudes diferentes, primero se encuentra el campo Tía Juana (8 km),
le sigue Lagunillas (20 km) y por último Bachaquero (19 km), en sentido Norte-Sur,
los cuales representan actualmente un total de 9.800 hectáreas bajo el nivel del
mar. Además tiene un sistema de drenaje formado por estaciones de drenaje y
canales conductores de las aguas de lluvia (Gerencia de Diques y Drenajes, 2004).
Figura 17. – Ubicación Geográfica de la Zona. Fuente: Gerencia de diques y Drenajes, 2004.
70
Los diques fueron construidos debido a un fenómeno que se estaba
presentando llamado subsidencia, el cual consiste en el descenso progresivo de la
superficie, producto de la extracción de hidrocarburos. Tiene como función principal
la protección de la población e instalaciones petroleras que se encuentran ubicadas
en la zona, de posibles inundaciones provenientes del lago.
2.2.3.5.2. Reseña Histórica
En un principio los campos de Lagunillas, Bachaquero y Tía Juana eran un área
de pantano separada del Lago de Maracaibo por una estrecha y larga franja de
tierra; la cual se inundaba en períodos tempestuosos y no llegaba a medir medio
kilómetro de ancho.
El inicio de la explotación petrolera en Lagunillas empezó en 1925 por
intermedio de la Venezuela Gulf Oil Company y otras empresas. En aquel entonces
ya empezaron a utilizar los diques para rodear los pozos y evitar que entrara agua a
sus localizaciones.
Para 1929 se detectó un hundimiento o descenso lento del terreno en la zona,
dando lugar a la hipótesis de que estaba ocurriendo el fenómeno de subsidencia; el
cual fue confirmado por medio de mediciones topográficas, obligando a las
compañías petroleras a construir diques con dimensiones mayores y más
resistentes a lo largo de la costa.
Luego en 1931 se preparó un plan más elaborado para la elevación de los
diques los cuales serían de arcilla con un revestimiento de concreto en la cara que
está expuesta al lago; éstos fueron tratados por campos y a su vez divididos en
secciones similares de subsidencia y condiciones de suelo de fundación, y por
último numerados en forma ascendente de norte a sur. También se vieron en la
necesidad de construir una pared de concreto en la costa, constituida por una tabla-
estacado soportada con pilotes inclinados. La cual en 1937 se vio que no era
71
efectiva a la acción de la erosión y se decidió colocar únicamente un dique que se
pudiera elevar gradualmente y que tuviera un revestimiento asfáltico o de concreto
en la cara expuesta al oleaje. De ahí en adelante bajo la asesoría de otras
empresas y laboratorios se crearon nuevas propuestas de mantenimiento y de
diseño como la creación de un rompeolas para garantizar la estabilidad del dique. A
partir de 1960 la longitud total del dique se elevó con la construcción del rompeolas.
Después del terremoto de Caracas en 1967 y el surgimiento de la Ingeniería
Sísmica, se evalúa el potencial de riesgo sísmico en los diques costaneros, y en los
años 80 se involucra a INTEVEP, S. A y a un grupo de expertos internacionales en
los estudios de riesgo. Posteriormente comienza una campaña de implantación de
medidas de refuerzo para adaptar la geometría del dique y su función a los
requerimientos de diseño.
Figura 18. – Evolución de los Diques en el Tiempo. Fuente: Gerencia de Diques y Drenajes, 2004.
72
2.2.3.5.3. Parámetros de Diseño
Los diques costaneros son estructuras de tierra (areno-arcillosa) compactadas.
Su diseño se basó en los factores que representan riesgos tales como: deficiencia
de los suelos de fundación, riesgo sísmico, oleaje y erosión de taludes; involucrando
las especialidades de mecánica de suelos, hidráulica, sísmica, ingeniería de costa,
geología, geomorfología y geodesia (Echezuría et al., 1995).
El cuerpo principal del dique debe tener una elevación de al menos 2,30 metros
por encima del nivel medio del lago, en su tope un ancho de 4 metros y los taludes
con una inclinación de 1:3. En dirección hacia el lago el talud se encuentra cubierto
de un material asfáltico que garantiza la impermeabilidad y la protección del oleaje
para evitar la erosión. Tiene un sistema conformado por rocas entre 300 y 800 Kg;
del lado contrario del dique que da hacia tierra se presenta una berma de
aproximadamente 60m de ancho y una altura mínima de 1,20m, para lograr una
mejor distribución de los esfuerzos. Todo el sistema compuesto por bermas, taludes
y topes están protegidos con un material petrolizado en contra de la acción erosiva y
de los vehículos que por ahí transitan. (Echezuría et al., 1995).
Figura 19. – Perfil Típico del Dique. Fuente: Gerencia de Diques y Drenajes, 2004.
73
Para considerar los parámetros geotécnicos relacionados con el riesgo sísmico y
dimensionar los diques de cada sección, se realizan estudios a través de modelos
matemáticos que simulan el comportamiento de los diques ante eventos sísmicos.
2.2.3.5.3.1. Parámetros Geotécnicos
Los diques costaneros son estructuras relativamente homogéneas, fundados
sobre un suelo muy heterogéneo y de poca resistencia portante. La geometría y su
fundación están condicionadas por la problemática de estabilidad, principalmente
por el potencial de licuación que presenta las arenas. Si llegara a ocurrir un evento
sísmico, éste podría producir dicho fenómeno, el cual se presenta en suelos no
cohesivos saturados generando que la masa del suelo pierda su resistencia
(Documento preparado por el Equipo Gerencia de Diques y Drenajes).
Dentro de los parámetros geotécnicos se tomó en cuenta la resistencia al corte
no drenado de los materiales utilizados para la construcción del sistema dique-
fundación (cuerpo, fundación y subsuelo del dique). Para el cuerpo del dique se
empleó una resistencia al corte no drenado en las superficies potenciales a falla,
dependiendo de las zonas:
• Zonas Activas: Se empleó una resistencia de hasta 2 / .
• Zonas Pasivas: Se empleó una resistencia de 4 / .
En cuanto a las fundaciones se basó en el modelo Stress History and
Normalized Soil Engineering Properties (SHANSEP), utilizando una ley empírica
aplicable para los suelos de la COLM, en función del esfuerzo efectivo de estos
(Echezuría et al., 1995). Para los suelos cohesivos (arcillas y limos) el 22% y para
los suelos granulares (gramas y arenas) el 12%; mientras que para el subsuelo que
está formado por refuerzos de columnas de piedra, la resistencia efectiva aplica la
74
misma ecuación donde la constante es tangente del ángulo de fricción interna de las
piedras apisonadas (Ecuaciones 2.2, 2.3 y 2.4).
( ) (2.2)
( ) (2.3)
( ) (2.4)
2.2.3.5.3.2. Parámetros Sísmicos
El sistema de la COLM se encuentra en una zona clasificada de bajo a
moderado riesgo sísmico, debido a que en un radio de 100 Km no existen fallas que
generen sismos mayores a 6 en la escala de Richter. Sin embargo se debe tomar
en cuenta la influencia de la falla de Boconó que hasta los momentos es la más
activa y puede producir terremotos que afecten al sistema.
El diseño de los diques puede resistir sin deformaciones importantes hasta un
valor de 7 en la escala de Richter, con un período de retorno de 3000 años, es decir
que presenta una probabilidad de que ocurra un sismo de esta magnitud una vez en
3000 años y lo convierte en una estructura estable durante e inmediatamente
después de que ocurra un sismo.
Los estudios de amenazas sísmicas en los diques de la COLM realizados por
INTEVEP, S.A y otras empresas, establecen que con una caracterización de tipo de
suelo S3, de acuerdo a los niveles de riesgo de obras similares con asentamientos
humanos aguas abajo y tomando en cuenta la influencia de las fallas menores de la
región así como los sistemas de falla de Boconó y Oca-Ancón; las aceleraciones
máximas obtenidas para una magnitud (Ms) igual a 7,5, son de 0,25g con un
periodo de retorno de 3000 años como se dijo anteriormente y un período de vida
útil de 100 años (Echezuría et al., 1995).
75
2.3. Terminología Básica
Amortiguamiento Sísmico: Disipación de energía que ocurre cuando el
movimiento de las partículas en un sistema vibrante es desacelerado por una fuerza
cuya magnitud es proporcional a la velocidad de la partícula.
(Fuente: Universidad Nacional de Colombia, 2013)
Deformación: Cambio de tamaño o de forma de un cuerpo sólido.
(Fuente: GEOTÉCNIA, Diccionario básico, 2012)
Desplazamiento: Cambio de posición de un cuerpo o de un punto material en un
cuerpo dado.
(Fuente: GEOTÉCNIA, Diccionario básico, 2012)
Esfuerzo: Se define como la intensidad de las fuerzas componentes internas
distribuidas que resisten un cambio en la forma de un cuerpo. Se expresa en
términos de fuerza por unidad de área.
(Fuente: GEOTÉCNIA, Diccionario básico, 2012)
Esfuerzo Cortante: Esfuerzo resultante de la aplicación de un par de fuerzas no
colineales sobre un plano paralelo a ellas.
(Fuente: GEOTÉCNIA, Diccionario básico, 2012)
Espectro de Diseño: Función que relaciona el desplazamiento, la velocidad o la
aceleración espectral máxima con el periodo de vibración de las estructuras para
efectos de diseño.
(Fuente: GEOTÉCNIA, Diccionario básico, 2012)
Espectro de Respuesta: Conjunto de respuestas máximas de un conjunto
de osciladores armónicos simples de diferentes períodos naturales cuando son
sometidos matemáticamente al movimiento del terreno de un sismo dado.
(Fuente: GEOTÉCNIA, Diccionario básico, 2012)
76
Estados Críticos: Cuando un suelo es sometido a tensiones de corte,
eventualmente alcanzará un estado en el que continuará deformándose sin que se
produzcan cambios volumétricos o tensionales.
(Fuente: CALIBRACIÓN DEL CAM CLAY PARA SUELOS DEL POSTPAMPEANO, Ledesma, O;
2012)
Modelo Constitutivo: Conjunto de ecuaciones que describen el comportamiento de
un material en términos de relaciones empíricas, semiempíricas y teóricas. Los
modelos constitutivos están expresados en forma de ecuaciones diferenciales de
manera que los incrementos infinitesimales en un elemento dado están asociados
con incrementos infinitesimales en un elemento asociado.
(Fuente: GEOTÉCNIA, Diccionario básico, 2012)
Período: Período de oscilación o de vibración de un sistema en ausencia de una
fuerza oscilatoria que la altere.
(Fuente: GEOTÉCNIA, Diccionario básico, 2012)
77
2.4. Cuadro de Operacionalización de Variables
OBJETIVO ESPECÍFICO VARIABLE DIMENSIÓN INDICADOR
Caracterizar estática, pseudo-estática y dinámicamente los suelos de fundación de los tramos críticos del dique Lagunillas.
Caracterizar estática, pseudo-estática y dinámica de los suelos de fundación.
Estático
Tipo de suelo.
Peso Unitario húmedo (ɣ)
Número de golpes (SPT).
Módulo de Elasticidad (E).
Cohesión (C).
Ángulo de Fricción (Ø).
Módulo de Resistencia al Corte (G).
Módulo de Poisson (v).
Pseudo-estático
Tipo de suelo.
Peso Unitario húmedo (ɣ)
Número de golpes (SPT).
Módulo de Elasticidad (E). (25%).
Cohesión (C). (80%).
Ángulo de Fricción (Ø). (54%).
Módulo de Resistencia al Corte (G).
Módulo de Poisson (v).
Dinámico
Tipo de suelo.
Peso Unitario húmedo (ɣ)
Número de golpes (SPT).
Módulo de Elasticidad (E).
Cohesión (C).
Ángulo de Fricción (Ø).
Módulo de Resistencia al Corte (G).
Módulo de Poisson (v).
78
OBJETIVO ESPECÍFICO VARIABLE DIMENSIÓN INDICADOR
Determinar el análisis estático, pseudo-estático y dinámico de deformación en la sección 5A y 6 del dique Lagunillas.
Análisis estático, pseudo-estático y
dinámico de deformación.
Análisis Estático
Desplazamiento.
Deformación.
Factor de Seguridad (Fs).
Análisis Pseudo-estático
Análisis Dinámico
OBJETIVO ESPECÍFICO VARIABLE DIMENSIÓN INDICADOR
Establecer un procedimiento para la selección de señales sísmicas para el análisis dinámico.
Procedimiento para la selección de
señales sísmicas para el análisis
dinámico.
Norma COVENIN 1756:2001 Espectro de diseño
Bases de datos:
Strong-motion Virtual Data Center (VDC).
Pacific Earthquake Engineering Research Center NGA Database).
Espectro de respuesta
Señales acelerográficas
79
OBJETIVO ESPECÍFICO VARIABLE DIMENSIÓN INDICADOR
Determinar los factores de seguridad estático, pseudo-estático y dinámico de la sección 5A y 6 del dique por medio de los software de diferencias finitas Flac 3D y PLAXIS.
Los factores de seguridad estático, pseudo-estático y
dinámico
Flac 3D
PLAXIS
Factor de seguridad estático.
Factor de seguridad pseudo-estático.
Factor de seguridad dinámico.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
VARIABLE DIMENSIÓN INDICADOR
Comparar los valores del factor de seguridad post-sísmico, obtenidos a través de la reducción de la resistencia del suelo y el factor de seguridad obtenido bajo un análisis dinámico.
Los valores del
factor seguridad post-sísmico.
Reducción de la resistencia del suelo
Factor de seguridad post-sísmico (Fs).
Análisis dinámico Factor de seguridad
dinámico (Fs).
80
OBJETIVO ESPECÍFICO
VARIABLE DIMENSIÓN INDICADOR
Determinar la sensibilidad del factor de seguridad ante la variación de los parámetros de resistencia del suelo en cada uno de los estratos del terreno de fundación de los diques.
La sensibilidad del factor de seguridad.
Variación de los parámetros de resistencia del suelo en cada uno de los estratos del terreno de fundación de los diques.
Factor de seguridad post-sísmico (Fs).
Factor de seguridad dinámico (Fs).
81
2.5. Cronograma
ACTIVIDADES Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Ene
Búsqueda Bibliográfica
Revisión de literatura e integración al grupo
de trabajo.
Entrega Capítulo I
Selección de las Secciones Críticas.
Selección de los parámetros del suelo a
utilizar y modelos constitutivos.
Entrega Capítulo II
Entrenamiento con Flac 3D y PLAXIS
Entrega Capítulo III
Estudio y realización de ensayos geofísicos y
geotécnicos.
Caracterización de las secciones críticas
Creación de la base de datos de sismos.
82
ACTIVIDADES Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Ene
Selección de las señales sísmicas.
Entrega Capítulo IV.
Análisis estático, pseudo-estático y dinámico.
Interpretación de resultados.
Entrega Capítulo V
Conclusiones y Recomendaciones.
Entrega Capítulo VI
Correcciones y entrega de informe final
CAPÍTULO III: MARCO METODOLÓGICO
84
3.1. Tipo de Investigación
Fidias Arias (2006) afirma que el tipo de investigación se refiere “al grado de
profundidad con que se aborda un fenómeno u objeto de estudio”. De acuerdo a
esto se puede clasificar la siguiente investigación de tipo “Descriptiva”, debido a que
se describió el comportamiento de las secciones 5A y 6 del dique de tierra en caso
de que ocurriese un sismo.
Arias, F. (2006) la define como: “La investigación descriptiva se encarga de
la caracterización de un hecho o fenómeno, para establecer su estructura o
comportamiento”.
3.2. Diseño de la Investigación
Este proyecto se realizó en base a un diseño de investigación de campo, siendo
esta la estrategia para responder al problema planteado; cabe destacar que la
misma se refiere a “informaciones obtenidas directamente de la realidad,
permitiéndole al investigador cerciorarse de las condiciones reales en que se han
conseguido los datos” Sabino, C (1996). La naturaleza de los datos son primarios,
ya que la información se obtuvo directamente de la zona en estudio (Campo). Por
otra parte también existen datos secundarios, debido a la documentación
suministrada por la empresa INTEVEP, S.A.
3.3. Población y Muestra
Según Fidias Arias (2006), “La población es el conjunto finito o infinito de
elementos con características comunes para los cuales serán extensivas las
conclusiones de la investigación”.
85
Se entiende como población un conjunto de elementos que se caracterizan por
tener cualidades en común; para este estudio la población corresponde al dique de
tierra en estudio. Debido a que éste tiene una extensión de 47 Km, se trabajó con
una muestra representativa, siendo éstas las secciones 5A y 6.
3.4. Técnica e Instrumentos de Recolección de Datos
Las técnicas e instrumentos de recolección de datos, son las distintas formas de
obtener la información por medio de la utilización de un conjunto de herramientas
(Fidias, A, 2006).
Se utilizó la observación directa como técnica de recolección de datos, “en este
caso el investigador pasa a formar parte de la comunidad o medio donde se
desarrolla el estudio” (Fidias, A, 2006). Mediante esta técnica se pudo observar el
comportamiento del dique de tierra bajo la presencia de un sismo.
Los instrumentos de recolección de datos son elementos que utiliza el
investigador para obtener información para el aporte de datos importantes para la
realización de la investigación (Fidias, A; 2006), en este caso se realizó la
caracterización de las secciones 5A y 6, mediante la aplicación de dos métodos
sísmicos en campo (Refracción Sísmica, MASW) y un método geotécnico (CPT),
donde los datos obtenidos se introdujeron en dos simuladores (Flac 3D y PLAXIS)
para ser modelados y obtener los resultados de los análisis realizados. Estos
software se basan en modelos numéricos de diferencias finitas y elementos finitos
respectivamente, bajo condición no lineal; adicionalmente se empleó un block de
notas el cual sirvió para llevar un control de todo lo que se hizo durante la
realización de esta investigación, además de las anotaciones que fueron
necesarias.
CAPÍTULO IV: METODOLOGÍA DEL PROYECTO DE GRADO
87
Para llevar a cabo una investigación es necesaria la realización de un conjunto de procedimientos y seguimientos de
ciertos parámetros y pasos para alcanzar con éxito y de forma eficiente y satisfactoria los objetivos propuestos que rigen
dicha investigación. En el presente Trabajo de Grado se formuló una metodología a seguir dividida en actividades, las
cuales se pueden observar en el siguiente mapa mental:
Definición de la geometría
Selección de las secciones
transversales
Modelo bidimensional de las
secciones
Creación de la malla
Comparación de los espectros
obtenidos en las bases de datos con
el de la norma.
Selección de las señales sísmicas
Cálculo de espectro según norma
COVENIN 1756:2001
Descarga de registros
sismológicos
Selección de los sismos
(acelerogramas)
VDC PEER
Determinación del sismo de respuesta a utilizar enel
análisis dinámico
Recopilación bibliográfica
Estudios previos
Estado Pre-símico
Estado Post-símico Ensayo de
Penetración del Cono
Análisis Espectral Multicanal de
Ondas Superficiales
Características intrínsecas de los suelos
Caracterización estática, pseudo-estática y dinámica
Trabajos de campo
Geotecnia
Geofísica
Refracción Sísmica
Software FLAC 3D PLAXIS
Datos Geométricos
Nivel Freático Datos Geotécnicos
Esfuerzos Verticales
88
Continuación del mapa mental:
Tipo de suelo. Peso Unitario húmedo (ɣ) Módulo de Elasticidad (E). Cohesión (C). Ángulo de Fricción (Ø). Módulo de Poisson (v).
Datos Geométricos
Características de los suelos
Nivel Freático
Malla Restricciones Condiciones de borde
Estático Dinámico Pseudo-estático
Datos Geotécnicos
Pre-sísmico Post-sísmico
Tipo de suelo. Peso Unitario húmedo (ɣ) Módulo de Elasticidad (E). Cohesión (C). Ángulo de Fricción (Ø). Módulo de Poisson (v). Acelerograma
Tipo de suelo. Peso Unitario húmedo (ɣ) Módulo de Elasticidad (E). (25%). Cohesión (C). (80%). Ángulo de Fricción (Ø). (54%). Módulo de Poisson (v).
Análisis
Modelos constitutivos
Elástico Mohr- Coulomb
Se colocan según el análisis a realizar
Estático
Dinámico
Pseudo-estático
Cada análisis arroja los siguientes resultados
FS Deformación Desplazamiento
Esfuerzos Verticales
Columna de Agua
89
4.1. Caracterización Estática, Pseudo-estática y Dinámica
Representan las características intrínsecas del suelo que conforma la estructura
en estudio, las cuales fueron obtenidas mediante estudios geofísicos que son
explicados más adelante dentro de los trabajos de campo; es importante señalar
que los valores que no se pudieron obtener a partir de estos estudios, se
determinaron mediante correlaciones especificadas en informes técnicos. Estas
características serán analizadas bajo tres casos: estático, pseudo-estático y
dinámico.
4.1.1. Recopilación Bibliográfica
Se basa en la ejecución de lecturas, análisis y comprensión de textos referentes
al área de ingeniería geotécnica, en la bibliografía e informes técnicos de INTEVEP,
S.A. sobre temas sísmicos, geológicos, hidrológicos y todo lo relacionado al proceso
de evolución del sistema diques costanero del Lago de Maracaibo, específicamente
al sector de Lagunillas (Edo. Zulia). Además se complementó con información
extraída de trabajos especiales de grado del área sísmica y geotécnica. Se recopiló
toda la información existente referente a estudios técnicos, estudios de suelo,
planos y resultados de ensayos realizados en la zona hasta el presente año.
4.1.1.1. Estudios Previos
Desde la construcción del dique de la COLM se han venido realizando diversos
estudios que muestran el estado y evolución de éste a lo largo del tiempo. A pesar
de que en el Campo Lagunillas se cuenta con abundante información geotécnica,
las dos (2) secciones en específico donde se realizan los análisis carecen de
información que contenga los parámetros necesarios para alimentar los programas
de cálculo. Debido a esto se requirió viajar a la zona de estudio y obtener los datos
90
característicos mediante ensayos geofísicos y geotécnicos, los cuales serán
explicados más adelante.
En la poca información encontrada en los informes realizados en años
anteriores, se pudo observar que se aplicaron diferentes ensayos de campo
permitiendo conocer las propiedades características de los suelos, tales como:
composición granulométrica, profundidad, nivel freático, límites de consistencia o de
Atterberg, humedad natural, pesos unitarios, número de golpes SPT y gravedades
específicas; como también algunas propiedades mecánicas del suelo de fundación:
el módulo de elasticidad, parámetros de resistencia al corte, cohesión y ángulo de
fricción, en estado pre-sísmico y post-sísmico, calculados mediante correlaciones.
Los ensayos de campo que fueron ejecutados y especificados en los informes
técnicos revisados, están compuestos por:
Ensayos Geotécnicos: Ensayo a la Penetración Estándar (SPT) y Ensayo de
Veleta.
Ensayos de Laboratorio de Suelo: Granulometría, Límites de Atterberg,
Ensayos Triaxiales Cíclicos y de Corte Directo.
De acuerdo a lo encontrado en el Informe Técnico (INT-TEIG-0054,95) de
INTEVEP, S.A; de Echezuría, H y colaboradores (1995), en Lagunillas se distinguen
cuatro estratos principales, los cuales se muestran en la Tabla 7.
91
Estratos del Suelo de Fundación
PROFUNDIDAD
(Respecto a la superficie
del terreno)
ESTRATO
Entre 0 y 7,5 m
Estrato de arena limosa (SM) y limos no plásticos
(MNP), de compacidad suelta a medianamente
densa.
Entre 3 y 15,5 m
Estrato intermedio de materiales arcillosos de baja a
mediana plasticidad (CL y CI) con alto contenido de
finos limosos y de consistencia muy blanda a
medianamente firme.
Entre 11 y 30 m
Estrato inferior de arcillas de baja a alta plasticidad
(CL y CH) de consistencia firme a dura, con
intercalaciones de lentes de arena limosas.
Mayores de 30 m
Predomina los materiales de la formación el Milagro.
Tabla 7. – Estratos del Suelo de Fundación.
Fuente: INTEVEP, S.A (INT-TEIG-0054, 95).
Tanto para el cuerpo del dique como para los suelos de fundación, se han
establecido los parámetros de resistencia al corte, módulo de elasticidad, cohesión y
ángulo de fricción, en estado pre-sísmico y post-sísmico, tal y como se indica a
continuación:
92
4.1.1.1.1. Estado Pre-sísmico
Cuerpo del Dique:
La resistencia al corte no drenada o cohesión, para el cuerpo del dique se
estableció con un valor de Su = 196 kPa, según lo indicado en Informe
Técnico (INT-TEIG-0054,95), INTEVEP, S.A, realizado por Echezuría, H;
Celis, E; Salvador, P (1995).
Fundación del Dique:
Los parámetros del suelo fueron obtenidos anteriormente de resultados de
ensayos triaxiales que consideran la trayectoria de esfuerzos, ensayo SPT, ensayos
de Veleta, entre otros.
En los casos de estratos del suelo donde no se contaba con dichos parámetros,
se utilizaron las siguientes correlaciones que se basaron en los estudios realizados
por Calzadilla, E y Luis, A (1986).
Suelos Cohesivos: La resistencia al corte no drenada se estableció en
función del número de golpes SPT reportados en los estudios realizados en
el campo de Lagunillas:
(4.1)
Suelos Granulares: Los valores de ángulo de fricción fueron definidos con el
número de golpes SPT.
(4.2)
93
Igualmente los valores de módulo de elasticidad del cuerpo del dique y de cada
uno de los estratos que conforman el suelo de fundación en estado pre-sísmico, se
establecieron a partir del número de golpes SPT, tanto para los suelos granulares
como los suelos cohesivos, tal como se muestra a continuación:
(4.3)
Una vez calculado el módulo de elasticidad, se obtiene el módulo de corte
máximo con la siguiente expresión:
(4.4)
Al aplicar los parámetros pre-sísmicos en el análisis del sistema dique-fundación
se está considerando que el comportamiento mostrado se asemeja a la condición
actual del sistema.
Debido a que en la siguiente investigación se obtendrán los valores de
resistencia y las características de los suelos directamente de la realidad, estas
correlaciones no serán utilizadas; pero de igual manera se plasmaron a fines de
conocer y tener como referencia el método utilizado hasta la actualidad.
4.1.1.1.2. Estado Post-sísmico
Los siguientes parámetros establecidos se basaron en estudios realizados en
INTEVEP, S.A, los cuales fueron determinados mediante ensayos de corte directo y
ensayos triaxiales cíclico.
94
Los ensayos triaxiales cíclicos y las pruebas de centrífugas, buscan simular a
escala de laboratorio un sismo, para obtener parámetros del suelo y la relación
esfuerzo-deformación a través de la determinación del esfuerzo cortante.
Por otro lado el ensayo de corte directo permite la determinación de la resistencia al
corte de una muestra de suelo.
Fundación del Dique
Suelos Cohesivos: Para este estudio se consideró una degradación de la
resistencia al corte en arcillas a un 80% de su valor, el cual fue obtenido en
el Informe Técnico (INT-13151,10) de INTEVEP, S.A; de Azuaje, J, et al.
(2010).
Suelos Granulares: Según González, M y Echezuría, H (1994), en este caso
para el suelo arenoso se contempló una degradación del ángulo de fricción
al 54% de los valores aplicados en el estudio pre-sísmico, especificado en el
Informe Técnico (INT-TEIG-0044,94) INTEVEP, S.A.
Para la determinación del valor de 54%, se tomaron muestras de arena y se le
realizaron varios ensayos triaxiales iguales, y luego por medio de estadísticas se
obtuvo un promedio de todos los resultados obtenidos y así determinar cuánto se
reduce el valor de la resistencia al corte. Sabiendo la resistencia inicial del suelo y
determinando la resistencia residual (después de ser expuesto a una carga cíclica),
el cual arrojó un valor de 54%, se pudo obtener el valor que representaría cuanto
disminuyó la resistencia.
Los valores del módulo de elasticidad en arenas y arcillas fueron degradados
al 25% del valor aplicado en el estudio pre-sísmico, tanto para el cuerpo del
dique como para el suelo de fundación. Este valor se obtuvo del informe
realizado por Alviar, J (2002) en FUNDATEC.
95
Los parámetros post-sísmicos fueron aplicados en el análisis considerando la
degradación de los parámetros de resistencia al corte y fricción ante una carga
sísmica, lo que se asemejará al estado final del sistema dique-fundación una vez
ocurrido un sismo. Es decir, los resultados que arroje este estudio serán los
obtenidos bajo la condición más desfavorable que pueda ocurrir en el sistema dique-
fundación.
Con lo antes indicado se puede deducir que la diferencia entre los parámetros
de resistencia al corte (pre-sísmico y post-sísmico), dependerá del tipo de análisis
que se quiera realizar, es decir que con el uso de los parámetros pre-sísmico se
evalúa el equilibrio del sistema antes de que ocurra un sismo, lo que representa la
condición inicial; mientras que los parámetros de resistencia al corte post-sísmico
son utilizados para realizar el análisis de estabilidad al considerar la degradación de
los parámetros bajo carga sísmica.
4.1.2. Trabajos de Campo
Los trabajos de campo se basaron en estudios geotécnicos y geofísicos, los
cuales son métodos experimentales y dependen de diversos elementos técnicos
para el estudio del comportamiento de los suelos bajo solicitaciones sísmicas.
Las técnicas que mejor se adecúan a este estudio son especialmente los
métodos sísmicos, que consisten en generar por medio de una fuente, ondas
mecánicas que viajan a través del suelo amplificándolas o atenuándolas. Estas
ondas serán registradas mediante receptores, para luego observar el
comportamiento de la onda por el medio y poder determinar las propiedades de los
materiales que conforman la fundación.
Los métodos geofísicos aplicados en campo para esta investigación fueron el
ensayo de Refracción Sísmica de superficie y el Análisis Espectral Multicanal de
96
Ondas Superficiales (M.A.S.W); con estos estudios se pudo obtener la velocidad de
ondas de corte (Vs) y la velocidad de ondas de compresión (Vp). En cuanto al
estudio geotécnico se utilizó el Ensayo de Penetración del Cono (CPT), para
determinar la resistencia en la punta (qt), la fricción sobre el vástago (fs) y la presión
de poros o intersticial (u).
4.1.2.1. Métodos Geofísicos
Con la aplicación de los métodos geofísicos se busca conocer las propiedades
dinámicas, velocidades de ondas de corte y de compresión, con el fin de determinar
los diferentes parámetros geotécnicos que permiten conocer las características
mecánicas y físicas de los suelos presentes en la zona de estudio.
Para la obtención de los datos geofísicos, fue necesario el uso de correlaciones
geofísicas que relacionan las velocidades de ondas de corte Vs y de compresión Vp,
medidas en campo, con los valores de resistencia, y así obtener los parámetros
necesarios para realizar el análisis, entre los que están el módulo de resistencia al
corte, módulo de elasticidad y el coeficiente de Poisson.
Módulo de Resistencia al Corte:
( ) (4.5)
Poisson:
( )
(
)
(4.6)
97
Módulo de Elasticidad:
( ) (4.7)
4.1.2.1.1. Metodología utilizada
4.1.2.1.1.1. Refracción Sísmica
Dentro de los métodos sísmicos se encuentran el método de Refracción
Sísmica, el cual consiste en medir el tiempo de propagación de las ondas
mecánicas desde el punto donde son generadas hasta donde serán captadas por
los geófonos; los cuales están ubicados en línea recta con una cierta distancia entre
ellos formando la línea de refracción (Figura 20).
Uno de los extremos de la línea de refracción será el punto de impacto, en éste
se producirán las ondas sísmicas con la ayuda de un martillo, generando
vibraciones a lo largo del terreno que van a ser percibidas por los geófonos. Estas
ondas se trasladarán a través del subsuelo a una velocidad que dependerá del
medio, hasta llegar al punto donde existan cambios representativos en las
propiedades mecánicas del suelo; cuando esto ocurre la onda se refracta y se
produce una división de la energía generando que parte de ella regrese a la
superficie y sea captada por los geófonos, y la otra continúe su propagación hacia el
interior de la tierra.
Los sismógrafos guardan toda la información de los movimientos del terreno
registrados por los geófonos, la cual viene expresada en función del tiempo; para
luego ser analizada y obtener el tiempo de llegada de las primeras ondas a cada
sensor. Estos registros adquiridos generan curvas que relacionan la distancia
recorrida por la onda versus el tiempo de duración, dando como resultado modelos
de capas con sus velocidades respectivas.
98
Esta técnica utiliza la llegada de las primeras ondas P y S, arrojando los valores
de las Velocidades de Ondas de Corte (Vs) y Ondas de Compresión (Vp), para
luego obtener el Módulo de Elasticidad o de Young (E), Módulo de Resistencia al
Corte (G) y Coeficiente de Poisson (v).
Figura 20. – Método de Refracción Sísmica. Fuente: INTEVEP, S.A (INT-13151,10).
4.1.2.1.1.2. Análisis Espectral Multicanal de Ondas Superficiales
(M.A.S.W)
Se fundamenta en la determinación de las propiedades de dispersión de los
tipos de ondas sísmicas superficiales (Rayleigh), las cuales se trasladan
horizontalmente, y la obtención de las velocidades de ondas de corte en el
subsuelo. Este ensayo arrojará resultados más completos que el de Refracción
Sísmica, ya que se puede detectar la presencia de estratos blandos intercalados,
99
así como también estratos de muy poco espesor. Se puede utilizar el mismo tendido
utilizado para el ensayo de Refracción Sísmica.
Cuando ocurre un sismo se producen varios tipos de ondas, como las ondas P,
ondas S, ondas Love y ondas Rayleigh. Donde las ondas Love y Rayleigh son
generadas en la superficie y su capacidad de dispersión va a depender de las
características del medio. La velocidad de propagación de la onda S se obtiene
invirtiendo la velocidad de fase de la onda Rayleigh.
Esta técnica consiste en producir una señal de frecuencia conocida, generada
por el impacto de un martillo, la cual se propagará de forma horizontal a lo largo de
la superficie, desde el punto de impacto hasta los receptores, para luego registrar la
respuesta por medio de sensores o geófonos, los cuales se encontrarán a cierta
distancia de la fuente (Figura 21).
Figura 21. – Método de MASW. Fuente: INTEVEP, S.A (INT-13151,10).
100
Para obtener las velocidades de ondas de corte, se debe analizar el dominio de
la frecuencia de la onda producida por el impacto, para esto se debe utilizar la
transformada rápida de Fourier, para obtener los espectros de Fourier y luego
proceder a determinar los parámetros necesarios para calcular las velocidades de
fase, y por último, mediante un proceso de mínimos cuadrados, se obtienen las
velocidades de ondas de corte.
Con este ensayo se puede obtener la Velocidad de Ondas de Corte (Vs) y luego
con la utilización de correlaciones geofísicas se calcula el Módulo de Elasticidad o
de Young (E), Módulo de Resistencia al Corte (G) y Coeficiente de Poisson (v).
4.1.2.1.2. Equipos utilizados
a) Equipo de adquisición y almacenamiento
Conformado por un sismógrafo Stratavisor NZXP marca GEOMETRICS, el
cual tiene puertos de entrada para 48 canales y dos cables de 24 canales, con
una longitud máxima de 240 metros (Figura 22).
Figura 22. – Equipo de medición Stratavisor NZXP marca GEOMETRICS. Fuente: Elaboración Propia.
101
b) Unidad de detección
Consiste en 48 geófonos marca OYO de componentes vertical y frecuencia
natural de vibración de 14 Hz (Figura 23).
Figura 23. – Geófonos. Fuente: Elaboración Propia.
c) Fuente de energía
Se utilizó una mandarria como fuente de energía para la generación de
ondas sísmicas, de baja frecuencia (Figura 24).
Figura 24. – Mandarria. Fuente: Elaboración Propia.
102
d) Gatillo “Trigger”
Es el accionador para que el sismógrafo empiece a grabar; está constituido
por un cable conectado a la plancha y a la mandarria. Tiene como función llevar
la señal de activación, para que el equipo empiece el proceso de grabación de
las señales registradas por los geófonos del tendido, justo en el instante que se
genere el impacto (Figura 25).
Figura 25. – Cable del Trigger y conexión con la plancha. Fuente: Elaboración Propia.
4.1.2.1.3. Procedimiento de Campo
Se realizaron los siguientes pasos para efectuar los ensayos de campo:
Paso 1: Se recorrió la zona de estudio para delimitar las progresivas A y B de la
zona en estudio y determinar cuáles serían los puntos de fácil acceso para la
colocación del tendido sin generar impactos ambientales (Figura 26).
103
Figura 26. – Reconocimiento de la zona. Fuente: Elaboración Propia.
Paso 2: Luego del reconocimiento vial se diseñó el levantamiento sísmico, donde se
estableció la distribución del tendido. Se realizaron 2 tendidos de 120 metros cada
uno, con una configuración de 24 geófonos con una distancia de 5 metros entre sí,
con un punto inicial de disparo donde se efectúa el golpe, el cual se encontraba a 5
metros del primer geófono.
Paso 3: Se colocó el cable principal del tendido y luego se conectaron los geófonos
que se enterraron con una separación de 5 metros respectivamente en la línea de
refracción. Se conectó al equipo de medición StrataVisor NZXP, que a su vez
estaba conectado a una fuente de energía (batería) y al Trigger (Figura 27).
104
Figura 27. – Tendido conectado a los Geófonos. Fuente: Elaboración Propia.
Paso 4: Por otro lado el cable del Trigger cuyo extremo está dividido en dos puntas,
se unió extremo a la mandarria y el otro a la plancha metálica (Figura 28).
Figura 28. – Plancha metálica y mandarria, conectados al cable del Trigger. Fuente: Elaboración Propia.
Paso 5: Una vez terminada toda la instalación del equipo, se procedió a iniciar el
ensayo, el cual consiste en golpear la plancha con la mandarria y generar un
impulso sísmico que es captado por los geófonos y registrado en el sismógrafo
(Figura 29 y Figura 30).
105
Figura 29. – Equipo de medición y conexiones. Fuente: Elaboración Propia.
Figura 30. – Ejecución del impacto. Fuente: Elaboración Propia.
Luego de recolectar toda la información captada por los geófonos, el sismógrafo
imprime los registros en un papel, los cuales vienen expresados en función del
tiempo y son analizados para obtener el tiempo de llegada de las primeras ondas a
cada sensor y determinar las características mecánicas del suelo (Figura 31 y
Figura 32).
106
Figura 31. – Proceso de impresión de registros. Fuente: Elaboración Propia.
Figura 32. – Registros impresos por el equipo. Fuente: Elaboración Propia.
Esta actividad se repitió en tres oportunidades en un proceso de apilado, con la
finalidad de eliminar el ruido que perturbaba la señal obtenida, se registraron 10
grabaciones de señales producidas para separar el ruido ambiental. Se realizó todo
el procedimiento para ambas progresivas. Por último se levantaron las coordenadas
107
UTM de los puntos de inicio de cada tendido mediante el uso de un navegador GPS
(Figura 33).
Figura 33. – Registrando el ruido ambiental. Fuente: Elaboración Propia.
Como se puede observar con el mismo equipo se realizaron los dos estudios
geofísicos descritos anteriormente. La diferencia entre ellos es que con el análisis
de Refracción Sísmica se analizan las ondas de corte, mientras que en el MASW se
analizan las ondas superficiales.
4.1.2.1.4. Procesamiento de los datos de campo
Se utilizó el programa de computación SeisImager para el procesamiento de las
líneas sísmicas obtenidas en los ensayos de campo, este paquete informático es de
la misma casa del sismógrafo utilizado GEOMETRICS y está conformado por cuatro
(4) programas, Pickwin (Pick First Break for Dispersion Curves), Plotrefa (Refraction
Analysis), WaveEq (Surface Wave Analysis) y Surface Wave Analysis Wizard; los
cuales fueron utilizados de forma secuencial para el procesamiento de los datos.
108
4.1.2.1.4.1. Resultado de los ensayos de Geofísica.
Una vez obtenidas las velocidades de ondas de corte y de compresión, se
introducen en las correlaciones geofísicas y fórmulas descritas anteriormente para
obtener los parámetros geofísicos del suelo de fundación para las progresivas A y B
(Tabla 8 y Tabla 9), los cuales serán utilizados más adelante para los análisis.
Tipo de
Suelo Prof. (m)
Peso
Unitario
Húmedo
(t/m3)
Vs Vp
DENSIDAD
DE MASA
(ρ)
(E)
(kPa)
(G)
(kPa) POISSON
ML1 0 – 4,0 1,650 385 757 1,68367E-06 126318 244741 0,33
CH-ML1 4,0 – 10,0 1,533 105 316 1,56429E-06 136959 16913 0,44
CL1 10,0 – 11,0 1,748 105 316 1,78367E-06 98895 19285 0,44
CL-ML2 11,0 – 30,0 1,823 305 625 1,8602E-06 73440 169702 0,34
Tabla 8. – Parámetros Geofísicos del suelo de fundación Prog.A.
Fuente: Elaboración Propia.
Tipo de
Suelo Prof. (m)
Peso
Unitario
Húmedo
(t/m3)
Vs Vp
DENSIDAD
DE MASA
(ρ)
(E)
(kPa)
(G)
(kPa) POISSON
SM-ML1 0 – 1,0 1,650 192 277 1,68367E-06 126318 60868 0,20
CL1 1,0 - 3,0 1,789 192 277 1,82551E-06 136959 65995 0,20
ML1 3,0 – 5,0 1,650 147 341 1,68367E-06 98895 35680 0,39
ML-CH1 5,0 – 10,0 1,533 132 294 1,56429E-06 73440 26730 0,37
ML2 10,0 – 13,0 1,748 132 294 1,78367E-06 83740 30478 0,37
SP-SM1 13,0 – 30,0 1,823 357 873 1,8602E-06 650815 232501 0,40
Tabla 9. – Parámetros Geofísicos del suelo de fundación Prog.B.
Fuente: Elaboración Propia.
109
4.1.2.2. Ensayo de Penetración del Cono (CPT)
EL ensayo CPT o Ensayo de Penetración con el Piezocono (Piezocone
Penetration Test), consiste en introducir una sonda en el suelo mediante la
aplicación de una fuerza. Es considerado uno de los ensayos disponibles más
eficientes para determinar las variaciones estratigráficas del suelo del área en
estudio; además sirve para determinar el tipo de suelo, presencia de estratos
suaves críticos, resistencia al corte no drenada, potencial de licuación, grado de
consolidación, permeabilidad; y con el suministro de otros accesorios especiales se
puede también determinar la aceleración, la resistividad eléctrica y la conductividad
térmica, entre otros (Figura 34).
Figura 34. – Estudio CPT. Fuente: Elaboración Propia.
110
Mediante este ensayo se puede medir la resistencia en la punta (qt), la fricción
sobre el vástago (fs) y la presión de poros o intersticial (u) a través de la piedra
porosa colocada en el equipo. La relación de fricción Rf viene dada por el cociente
entre la fricción y la resistencia de punta. Durante las pruebas de campo se
registraron medidas cada 0,05 m de profundidad.
(4.8)
Suelo qt Fs FR% u
Arena Altos valores de qt,
forma dentada de
la curva de
penetración.
Bajos valores de
fs, aumenta si
existe
cementación.
Bajos
valores de
FR%
Valores de u
dinámico similares a
u hidrostático, con
tendencia bajos.
Puede ser negativo
en arenas dilatantes.
Arcilla Bajos valores de
qt, tiende a ser
lineal a mayor
profundidad.
Valores
relativamente
más altos fs que
en las arenas.
Valores
elevados de
FR%.
Valores de u
elevados en arcillas
normalmente
consolidadas.
Tabla 10. – Características de resistencia de la Arenas y Arcillas.
Fuente: Elaboración Propia.
El ensayo de CPT se realizó hasta una profundidad de 17,5 metros para obtener
la Resistencia de punta (qt) y por medio de fórmulas geotécnicas obtener el Ángulo
de Fricción (ϕ) y Cohesión (C), cada 0,05 m de la zona en estudio.
Ángulo de fricción: El ángulo de fricción correspondiente a los estratos
granulares, se obtuvo de la siguiente expresión dada por Robertson y
Campanella:
111
(4.9)
(4.10)
(4.11)
Resistencia al Corte o Cohesión: La cual corresponde a los estratos
cohesivos como las arcillas y limos, se obtuvo de la siguiente expresión.
(4.12)
Debido a que este ensayo solo se aplicó en la progresiva B, esta
fórmula se aplicó nada más en esta sección, los valores de resistencia al
corte (Su) en la progresiva A se obtuvieron de ensayos de veleta realizados
en ensayos anteriores.
(4.13)
112
Figura 35. – Perforaciones. Fuente: Elaboración Propia.
4.1.2.2.1. Equipos utilizados
El equipo del piezocono está conformado por:
a) Plataforma
b) Unidad de empuje
c) Cabeza de empuje
d) Batería
e) Varillaje
f) Motor y bomba de alimentación
g) Cables y conexiones
h) Data Pack
i) Computadora
113
4.1.2.2.2. Procedimiento de campo
Paso 1: El personal de apoyo con la ayuda de herramientas (pico y pala) realizó 4
perforaciones para anclar la plataforma del equipo de empuje, hasta llegar a una
profundidad de 70 cm y un diámetro de aproximadamente 35 cm (Figura 36).
Figura 36. – Perforaciones. Fuente: Elaboración Propia.
Paso 2: Una vez culminada la excavación de los cuatro (4) hoyos, se introdujeron
los anclajes del equipo, y para garantizar la fijación de éstos al suelo se procedió a
compactar el material de relleno cada 15 cm con la aplicación de 25 golpes (Figura
37).
Figura 37. – Fijación de los anclajes en el suelo. Fuente: Elaboración Propia.
114
Paso 3: Se instaló la plataforma y el equipo de empuje sobre las bases, para
proceder a colocar cada uno de los componentes que integran el equipo de
medición (Figura 38).
Figura 38. – Instalación de la plataforma y equipo de empuje. Fuente: Elaboración Propia.
Paso 4: Se realizaron todas las conexiones de los instrumentos a la interfase de
medición (Data Pack), el cual tiene como función registrar las lecturas obtenidas
durante el ensayo (Figura 39). A su vez estas conexiones se describirán de derecha
a izquierda como se encuentran conectadas en el equipo:
Figura 39. – Conexiones de la Interfase. Fuente: Elaboración Propia.
115
a) Primer cable: Va a la fuente de energía (Figura 40).
Figura 40. – Fuente de energía. Fuente: Elaboración Propia.
b) Segundo cable: Se conecta a la computadora, en la cual se podrán observar
los datos obtenidos durante el ensayo (Figura 41).
Figura 41. – Computadora. Fuente: Elaboración Propia.
116
c) Tercer cable: Va conectado al Splitter (caja amarilla) (Figura 42).
Figura 42. – Splitter. Fuente: Elaboración Propia.
El Splitter sirve como interface para recolectar la información de los diferentes
cables que en él se conectan, conformados por el contador de distancia y el Trigger.
Este último activa el sistema de registro para que el equipo inicie la grabación una
vez que se ha generado la onda sísmica proveniente del impacto de una mandarria.
d) Cuarto cable: Es la conexión directa a la sonda o piezocono (Figura 43).
Figura 43. – Piezocono. Fuente: Elaboración Propia.
117
Paso 6: Antes de iniciar el ensayo se procedió a preparar el cono; como éste mide
presión de poros se recomienda que antes de colocar el filtro poroso presaturado se
llene internamente de glicerina tanto el vástago como la punta cónica, y así evitar
que este espacio vacío afecte los resultados. Para que se mantenga la saturación
del filtro hasta el armado del equipo, se coloca una membrana de látex en su parte
exterior.
Figura 44. – Preparación del cono antes de iniciar el ensayo. Fuente: Elaboración Propia.
Paso 7: Se colocó el cono unido a la primera barra de 1m de longitud para dar
inicio a la penetración de éste en el suelo. Con la finalidad de mantener su descenso
vertical se realizó un monitoreo continuo en la pantalla del equipo, verificando que
el indicador se mantuviese dentro del radio de seguridad (circunferencia de color
amarillo) indicado en la (Figura 45) y así garantizar su integridad durante el
descenso.
Figura 45. – Verificación de la verticalidad del cono durante su descenso. Fuente: Elaboración Propia.
118
Paso 8: Luego de realizar el armado del equipo, se empieza a ejecutar el ensayo
que consiste en hincar el piezocono o sonda en el suelo a una velocidad máxima
controlada de 2 cm/seg, mediante la aplicación de una fuerza proveniente del
equipo de empuje sobre cada una de las varillas de 1 m. Estas varillas se irán
colocando progresivamente para ser introducidas una por una, hasta alcanzar la
profundidad total de 17.5 metros (Figura 46).
Figura 46. – Inicio del ensayo de CPT. Fuente: Elaboración Propia.
Paso 9: Una vez concluido y llegado hasta los 17.5 metros de profundidad el
programa arroja una serie de resultados, los cuales se pueden observar en la
Figura 47, que está compuesta por cinco gráficos: el primero representa la
resistencia de punta (qc), el segundo la fricción lateral (Fs), el tercero la presión de
poros (Pw), el cuarto la relación entre la fricción y la resistencia de punta (Fs/qc)
(Rf), y por último el tipo de comportamiento del suelo, en éste se puede identificar el
material característico presente en cada estrato, durante todo el recorrido del
ensayo.
119
Figura 47. – Resultados del CPT. Fuente: Elaboración Propia.
Una de las aplicaciones que tiene el CPT, es determinar la estratigrafía y el
tipo de suelo presente en la zona de estudio, mediante el uso del gráfico propuesto
por el Ingeniero Ph.D Peter Robertson, que consiste en una relación entre la
resistencia de punta (qc) y la fricción (Rf), como se puede observar en la Figura 48.
El siguiente ábaco abarca 12 zonas donde cada una representa un tipo de
suelo, los cuales se describen en la Tabla 11.
120
Figura 48. – (SBT, Soil Behavior Type), Tipo de suelo. Fuente: Elaboración Propia.
121
ZONA TIPO DE SUELO SEGÚN SU
COMPORTAMIENTO
1 Grano fino sensible
2 Material orgánico
3 Arcilla
4 Arcilla limosa a arcilla
5 Limo arcillosos a franco arcilloso
6 Sedimentos de arena a limo arcilloso
7 Arena limosa a limo arenoso
8 Arena limosa a arena
9 Arena
10 Arena gravosa a arena
11 Granos finos muy duros*
12 Arena a arena arcillosa*
*Sobre consolidado o cementado.
Tabla 11. – Zonas de tipo de suelo según su comportamiento. Fuente: Robertson, 1986.
4.1.2.2.3. Resultado del Ensayo Geotécnico
Luego de haber procesado los datos obtenidos y determinar el valor de
resistencia al corte (qt), se calculan los valores de resistencia del suelo conformados
por la cohesión y la fricción. Cabe destacar que los valores de resistencia (Su)
fueron obtenidos de ensayos anteriores en los cuales se aplicaron ensayos de
Veleta.
122
Tipo de
Suelo Prof. (m)
Pu
(t/m3)
Su
(Kg/cm2)
Esfuerzo
Total
(K/cm2)
Presión
de Poros
(Kg/cm2)
Esfuerzo
Efectivo
(Kg/cm2)
C (kPa=
kgN/m2)
ML1 0 – 4,0 1,650 0,184 0,66 0,2 0,46 0,184
CH-ML1 4,0 - 10,0 1,533 0,092 1,53 0,8 0,73 0,092
CL1 10,0 – 11,0 1,748 0,215 1,92 0,9 1,02 0,215
CL-ML2 11,0 – 30,0 1,823 0,58 5,47 2,8 2,67 0,58
Tabla 12. – Parámetros Geotécnicos del suelo de fundación Prog.A.
Fuente: Elaboración Propia.
Tipo de
Suelo Prof. (m)
Pu
(t/m3)
Qt
(Kg/cm3)
Esfuerzo
Total
(K/cm2)
Presión
de Poros
(Kg/cm2)
Esfuerzo
Efectivo
(Kg/cm2)
C (kPa=
kgN/m2) Ø
SM-ML1 0 – 1,0 1,650 117,18 0,17 0,1 0,07 - 42
CL1 1,0 - 3,0 1,789 117,18 0,54 0,3 0,24 100 -
ML1 3,0 – 5,0 1,650 112,30 0,83 0,5 0,33 100 -
ML-CH1 5,0 – 10,0 1,533 4,88 1,53 1 0,53 16,42 -
ML2 10,0 – 13,0 1,748 9,76 2,27 1.3 0,97 48,98 -
SP-SM1 13,0 – 30,0 1,823 39,06 5,47 3 2,47 - 26
Tabla 13. – Parámetros Geotécnicos del suelo fundación Prog.B.
Fuente: Elaboración Propia.
Con los ensayos de campo y las búsquedas bibliográficas, se determinó que en
las progresivas en estudio predominan los siguientes tipos de suelos:
123
Tipo de Suelo Descripción
ML1 Limo de baja plasticidad
CH-ML1 Arcilla de alta plasticidad con
presencia de Limos de baja
plasticidad
CL1 Arcilla de baja plasticidad
CL-ML1 Arcilla de baja plasticidad
con presencia de Limos de
baja plasticidad
Tabla 14. – Estratigrafía del suelo de fundación Prog.A.
Fuente: Elaboración Propia.
Tipo de Suelo Descripción
SM-ML1 Arena con presencia de
limos de baja plasticidad
CL1 Arcilla de baja plasticidad
ML1 Limo de baja plasticidad
ML-CH1 Limo de baja plasticidad con
presencia de arcillas de alta
plasticidad
ML2 Limos de baja plasticidad
SP-SM1 Arena pobremente gradada
con presencia de
componentes limosos
Tabla 15. – Estratigrafía del suelo de fundación Prog.B.
Fuente: Elaboración Propia.
124
4.1.3. Parámetros del Suelo
4.1.3.1. Análisis Pre-sísmico
Una vez obtenido la recopilación bibliográfica necesaria en base a las características geotécnicas del suelo y
ejecutados los trabajos de campo de las progresivas en estudio, se procedió a definir las propiedades geotécnicas pre-
sísmicas de cada uno de los estratos que conforma el suelo de fundación, como se muestra en las siguientes tablas.
Prof. (m) Tipo de
Suelo
Peso
Unitario
Húmedo
(t/m3)
N
(SPT)
Módulo de
Elasticidad
(E) (kPa)
Cohesión
(C) (kPa)
Ángulo
de
fricción
(Ø)
Módulo de
resistencia
al Corte
(G) (kPa)
0 – 4,0 ML1 1,650 8 648831 18,04 - 244741
4,0 - 10,0 CH-ML1 1,533 4 48640 9,02 - 16913
10,0 – 11,0 CL1 1,748 1 55462 21,08 - 19285
11,0 – 30,0 CL-ML1 1,823 3 456061 56,88 - 169702
Tabla 16. – Parámetros de caracterización del suelo de fundación Prog.A.
Fuente: Elaboración Propia.
125
Prof. (m) Tipo de
Suelo
Peso
Unitario
Húmedo
(t/m3)
N
(SPT)
Módulo de
Elasticidad
(E) (kPa)
Cohesión
(C) (kPa)
Ángulo
de
fricción
(Ø)
Módulo de
resistencia
al Corte
(G) (kPa)
0 – 1,0 SM-ML1 1,650 23 126318 - 42 60868
1,0 - 3,0 CL1 1,789 4 136959 100 - 65995
3,0 – 5,0 ML1 1,650 13 98895 100 - 35680
5,0 – 10,0 ML-CH1 1,533 1 73440 16,42 - 26730
10,0 – 13,0 ML2 1,748 6 83740 48,98 - 30478
13,0 – 30,0 SP-SM1 1,823 15 650815 - 26 232501
Tabla 17. – Parámetros de caracterización del suelo de fundación Prog.B.
Fuente: Elaboración Propia.
126
4.1.3.2. Análisis Post-sísmico
Una vez culminado el análisis pre-sísmico, se procedió a realizar el análisis bajo condición post-sísmica, para ello se
degradó el valor de la rigidez de los suelos que conforman el sistema de dique-fundación en un 25%, para los suelos
granulares el ángulo de fricción en un 54% y para los suelos arcillosos se degradó la resistencia al corte en un 80% de su
valor. Considerando esta condición extrema después de que ocurra un sismo, cuyos resultados serán los más
desfavorables para el análisis de pérdida de borde libre.
Prof. (m) Tipo de
Suelo
Peso
Unitario
Húmedo
(t/m3)
N
(SPT)
Módulo de
Elasticidad
(E)
(25%) kPa
Cohesión
(C) (80%)
kPa
Ángulo de
Fricción
(Ø) (54%)
Módulo de
resistenci
a al Corte
(G) (kPa)
0 – 4,0 ML1 1,650 8 162208 14,44 - 244741
4,0 - 10,0 CH-ML1 1,533 4 12160 7,22 - 16913
10,0 – 11,0 CL1 1,748 1 13865 16,87 - 19285
11,0 – 30,0 CL-ML1 1,823 3 114015 45,50 - 169702
Tabla 18. – Parámetros degradados del suelo de fundación Prog.A.
Fuente: Elaboración Propia.
127
Prof. (m) Tipo de
Suelo
Peso
Unitario
Húmedo
(t/m3)
N
(SPT)
Módulo de
Elasticidad
(E)
(25%) kPa
Cohesión
(C) (80%)
kPa
Ángulo
de
Fricción
(Ø) (54%)
Módulo de
resistencia
al Corte (G)
(kPa)
0 – 1,0 SM-ML1 1,650 23 126318 - 23 60868
1,0 - 3,0 CL1 1,789 4 136959 80 - 65995
3,0 – 5,0 ML1 1,650 13 98895 80 - 35680
5,0 – 10,0 ML-CH1 1,533 1 73440 13,14 - 26730
10,0 – 13,0 ML2 1,748 6 83740 39,19 - 30478
13,0 – 30,0 SP-SM1 1,823 15 650815 - 14 232501
Tabla 19. – Parámetros degradados del suelo de fundación Prog.B.
Fuente: Elaboración Propia.
128
4.2. Selección de las Señales Sísmicas
Para la selección de las señales sísmicas a utilizar en el análisis dinámico del
dique de tierra, se realizó una serie de procedimientos tomando como referencia los
datos sismológicos de la zona en estudio.
A fin de obtener dicha información se evaluaron las características sísmicas del
sitio, las cuales se basaron en investigaciones realizadas en INTEVEP, S.A, de
sismos que han ocurridos en la zona. Con esto se pudo establecer según análisis
de amenaza sísmica realizados en Lagunillas, que de acuerdo a los niveles de
riesgo, corresponde un tiempo de vida útil de 100 años, lo que equivale a un período
de retorno de 3000 años. Dicho riesgo es aceptable, dada la importancia de la obra
y las consecuencias que esto conllevaría si llegara a fallar.
Para la selección del sismo se procedió a realizar: la descarga de registros
sismológicos, selección de las señales sísmicas, cálculo del espectro de respuesta
de cada uno de los sismos, comparación con el espectro de diseño establecido
según la norma COVENIN 1756:2001 y por último la selección del sismo con su
espectro correspondiente.
4.2.1. Descarga de registros sismológicos
Consistió en la búsqueda de registros acelerográficos en tres (2) bases de datos
internacionales disponibles en la web, (Strong-motion Virtual Data Center (VDC) y
Pacific Earthquake Engineering Research Center NGA Database); las cuales
sirvieron para la obtención de gran cantidad de señales acelerográficas en diversos
lugares del mundo. Estos sitios de Internet que se utilizaron presentan excelentes
opciones de búsqueda confiable, que permitieron encontrar las señales necesarias
para llevar a cabo el estudio sísmico.
129
Los parámetros de búsqueda se basaron en las características sísmicas de la
zona, los cuales fueron registrados en roca y cumplen con las siguientes
especificaciones (Tabla 20).
DATOS
Aceleración Aο 0.25g
Estructura Ground Suelo
Geología del
sitio
Hard rock,
Rock, Very
dense soil
Roca dura,
roca, suelo
denso
Distancia al
Hipocentro 10 a 100 Km
Magnitud 6 a 7,5
Amortiguamiento 5%
Tabla 20. – Parámetros de búsqueda de registros acelegráficos.
Fuente: Elaboración Propia.
A continuación se presenta cada una de las bases de datos utilizadas, el método
para introducir los datos, la información arrojada de los sismos y las seleccionadas
para este trabajo.
130
4.2.1.1. Strong-motion Virtual Data Center (VDC)
Esta herramienta resultó de gran ayuda para la realización del análisis dinámico,
debido a que se pudo obtener treinta (30) sismos con las características de la zona
en estudio, con toda la información de éstos: instrumentos, la localización y los
datos de las estaciones sísmicas donde fueron registrados.
4.2.1.2. Pacific Earthquake Engineering Research Center NGA
Database (PEER)
Este instrumento aportó parte de la información necesaria para llevar a cabo el
análisis dinámico del dique de tierra. En esta base de datos se pudo obtener
veintidós (22) sismos que contienen toda la información y características de éstos,
ubicación, distancia y datos de la estación.
4.2.2. Selección de las Señales Sísmicas
Con todos los registros obtenidos en Pacific Earthquake Engineering Research
Center NGA Database (PEER) y Strong-motion Virtual Data Center (VDC), se
realizó una base de datos con toda la información que se extrajo de éstas, tanto del
sismo como de la estación. Una vez ejecutado, se descargó todos los registros de
aceleración en base a un período de tiempo estipulado, tanto en dirección (“Z”),
como en dirección horizontal (“X” o “Y”) dependiendo de cuál sea la aceleración
mayor; para luego proceder a realizar los espectros de diseño de cada uno.
Para la selección de las señales sísmicas, se graficó el espectro de respuesta
de todos los sismos seleccionados, donde se utilizaron los valores de período (t) y la
aceleración (g) de cada uno de ellos, tomando en cuenta que el amortiguamiento es
de 5%.
131
Una vez obtenidos los espectros de respuesta, se procedió a crear el espectro
de diseño según la norma COVENIN 1756:2001, siguiendo los parámetros
requeridos, basado en las características del tipo de suelo de la zona, que en este
caso es S3.
4.2.3. Cálculo del Espectro
Se obtuvieron de acuerdo a la norma COVENIN 1756:2001, los datos
correspondientes para la creación del espectro de diseño; el cual dependió de las
condiciones geográficas, geológicas y del tipo de estructura.
4.2.3.1. Resumen de Datos Obtenidos
Zona Sísmica: Art 4.1: 3 (Estado Zulia)
Coeficiente de Aceleración Horizontal (Aο): Art 4.2: 0,25
Coeficiente de Aceleración Vertical (AοY): Art 4.2:0,175
Forma Espectral: Art 5.1: S3
Tipo de Suelo: Art. 5.1: Suelo blando/suelto
Factor de Corrección del coeficiente de aceleración horizontal (φ): Art 5.1:
0,70
Grupo: Art. 6.1.1: A
Factor de Importancia (α): Art. 6.1.3: 1,30
Factor de Reducción de Respuesta (R): Art. 6.1: 1
Material de la estructura: Suelo
Factor de magnitud promedio (β): Art. 7.1 7.2: 2,8
Exponente que defina la rama del espectro (ρ): Art. 7.1 y7.2: 1,0
Máximo Período (T*): 1,0
132
Todos los valores antes señalados en el resumen de los datos obtenidos, se
introducen en las fórmulas indicadas en la Figura 49 y así poder obtener el
espectro de diseño según la norma.
Figura 49. – Espectro de Diseño. Fuente: COVENIN 1756:2001.
Una vez calculado los valores que conforman la gráfica del espectro de diseño
se podrá obtener el siguiente espectro reflejado en la Figura 50.
Figura 50. – Espectro de Diseño. Fuente: Elaboración Propia.
133
4.2.4. Comparación con el espectro de diseño establecido según la
norma COVENIN 1756:2001.
Para la selección del espectro que se utilizará en el análisis dinámico de las
secciones críticas, se realizó una comparación de los espectros característicos de
cada sismo descargado en las bases de datos, con el calculado según la norma.
El proceso de selección consistió en determinar qué espectro de respuesta
resultaba ser más similar al espectro de diseño; lo cual se llevó a cabo viendo el
comportamiento de la gráfica y comparándolas entre sí. Este procedimiento se
repitió con todos los registros obtenidos y se seleccionó un sismo de corto período
llamado Loma Prieta (18/10/1989), el cuál ocurrió en San Francisco con una
Magnitud de 6,93 y fue captado por la estación Presidio ubicada a una distancia del
hipocentro de 99,34 Km.
Para disminuir la incertidumbre de que el sismo seleccionado sea el correcto, se
decidió descargar otro sismo pero de largo período, para evaluar su influencia en el
comportamiento del sistema y realizar una comparación entre los resultados
obtenidos en ambos casos. El sismo descargado lleva por nombre Landers
(28/06/1992), ocurrió en Los Ángeles con una Magnitud de 7,50 y fue captado por
la estación North Palm Springs a una distancia del hipocentro de 33,01 Km.
Por último se descargó los acelerogramas de ambos sismos para ser utilizado
en el análisis dinámico.
134
Figura 51. – Espectros de los Sismos Seleccionados Fuente: Elaboración Propia.
0.001
0.01
0.1
1
0.01 0.1 1 10
ESPECTROS DE LOS SISMOS SELECCIONADOS
LOMA PRIETAPRESIDIO
LANDERS
135
Figura 52. – Acelerogramas. Fuente: Elaboración Propia.
4.3. Definición de la Geometría
Se procedió a la modificación de la geometría de las progresivas de la sección
5A y 6, a fin de garantizar un borde libre de 4 m sobre el nivel medio del Lago. Para
ello se utilizaron todos los parámetros originales de ingeniería de costas y de diseño
de los diques.
A partir de las nuevas geometrías, se elaboró un modelo bidimensional para
cada una de ellas, estableciéndose en primer lugar el equilibrio del sistema dique-
fundación en estado pre-sísmico y post-sísmico.
4.3.1. Selección de las secciones transversales
Teniendo como objeto de estudio la sección 5A y 6 del dique del campo
Lagunillas, se seleccionaron dos secciones transversales partiendo de
recomendaciones de estudios previos realizados por INTEVEP, S.A. con las cuales
136
se realizó un modelo bidimensional, estableciéndose el equilibrio del sistema dique-
fundación en estado pre-sísmico.
Se ejecutó el análisis post-sísmico basado en la degradación de los parámetros
geotécnicos y por último un análisis dinámico de deformación, utilizando las
aceleraciones de un sismo real. Con la finalidad de determinar los factores de
seguridad contra el deslizamiento y cuantificar la pérdida de borde libre.
Para la selección de las secciones transversales se utilizaron como criterio los
parámetros establecidos en el Informe Técnico (INT-TEIG-0054,95) de INTEVEP,
S.A; de Echezuría, H, et al. (1995) que se indican a continuación:
Los datos geotécnicos de las secciones seleccionadas, se tomaron de
estudios realizados en un radio máximo de 200 metros con respecto a la
sección.
Las medidas de subsidencia presentes en las secciones transversales en
estudio, se obtuvieron de los registros suministrados por los equipos de
medición, en un radio de 200 metros.
Se procedió a ubicar en los planos de la COLM la progresiva A perteneciente a
la sección 5A y la progresiva B de la sección 6), como se muestra en la Figura 53.
Figura 53. – Secciones 5A y 6 de la COLM (Campo Lagunillas). Fuente: INTEVEP, S.A (INT- 14157,13).
137
Luego de seleccionadas y ubicadas las secciones transversales de estudio que
serán modeladas, se procedió a realizar el pre-dimensionado de cada una de ellas,
basándonos en las especificaciones establecidas por la Gerencia de Diques y
Drenajes, donde se establece como premisa que el dique debe mantener un borde
libre de 4 metros, con respecto al nivel actual del lago (2012), sin que sean
modificadas las dimensiones de la berma estabilizadora.
Para esto fue necesario obtener la información geográfica de cada una de las
progresivas y los datos de subsidencia disponibles a la fecha.
En la Figura 54 se puede visualizar el criterio de pre- dimensionado que se
aplicaron en las secciones, para cumplir con las especificaciones y mantener la
altura de borde libre recomendado.
Figura 54. – Pre-dimensionado de la Sección Transversal del Campo Lagunillas. Fuente: INTEVEP, S.A (INT- 14157,13).
138
4.3.2. Modelo Bidimensional de las Secciones
4.3.2.1. Creación de la Malla
Para generar la malla de las secciones transversales, se utilizó el software de
diferencias finitas Flac 3D y el de elementos finitos PLAXIS. Estos programas se
describirán más adelante y se explicará el procedimiento a seguir para introducir la
geometría del sistema dique-fundación.
Las dimensiones para cada sección son las siguientes:
Progresiva A
Sentido Horizontal “X” (sentido longitudinal del dique): 121 metros.
Atura “Y” (incluye cuerpo del dique y suelo de fundación): 30 metros.
Progresiva B
Sentido Horizontal “X” (sentido longitudinal del dique): 94 metros.
Atura “Y” (incluye cuerpo del dique y suelo de fundación): 30 metros.
El diseño del suelo de fundación del dique se simuló con elementos de forma
rectangular y para el cuerpo del dique se utilizó un mallado similar, mediante la
combinación de paralelepípedos.
4.3.2.2. Factor de Seguridad Post-sísmico
Se entiende por Factor de Seguridad en Geotecnia, el resultado de la división
del valor calculado de la capacidad máxima de un sistema entre el valor esperado al
cual será sometido dicho sistema; es decir la relación que existe entre la capacidad
y la demanda. Debido a esto es de gran importancia que al momento de diseñar o
evaluar la estructura, el cociente sea mayor a uno (1), lo cual garantizará un margen
139
de confiabilidad por encima del valor mínimo requerido; teniendo como objetivo final
evitar las fallas del sistema o estructura.
Se utiliza el término post-sísmico, debido a que se evaluará la deformación y
estabilidad con la resistencia al corte residual de las secciones críticas en estudio,
mediante la degradación de las propiedades de los materiales que componen los
suelos y en base a la degradación real de la resistencia en caso de que ocurra un
sismo. Para el caso de estructuras tipo dique el Factor de Seguridad establecido por
el comité de expertos internacionales conformado para el estudio de los diques de la
COLM es de 1,20.
4.3.2.3. Modelado de las Secciones Críticas
Consiste en la discretización de las secciones críticas, para luego realizar un
proceso iterativo con el fin de buscar la estabilidad de cada uno de los diferenciales
finitos. Por ello es de gran importancia el mallado del modelo ya que esto indicará la
cercanía o no de los valores reales en sitio.
Los valores que se utilizaron para la definición del mallado y para el proceso de
discretización se basaron en recomendaciones establecidas por INTEVEP, S.A.
4.4. Software
El Factor de Seguridad pre-sísmico y post sísmico se determinó utilizando dos
software de análisis por elementos finitos, FLAC 3-D y PLAXIS, los cuales se
adaptan a los fines de la presente investigación.
140
4.4.1. FLAC 3D
Flac 3D (Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3-Dimensions o Análisis
Rápido Lagrangiano de Elementos Continuos en 3-Dimensiones) es una
herramienta numérica para el modelado avanzado de análisis geotécnico del suelo,
rocas y estructuras en tres dimensiones que puedan presentar comportamiento
plástico cuando alcanzan su límite de fluencia; creado por ITASCA S.A, una
empresa estadounidense perteneciente al grupo consultor ITASCA Internacional
Inc, con la intensión de resolver modelos lineales y no lineales.
Esta herramienta se utiliza para la realización de análisis, pruebas y diseño, en
el área de ingeniería de minas, geotecnia y civil. Es un software basado en el
cálculo para la resolución de ecuaciones diferenciales por medio de diferencias
finitas, aplicando el método explícito; logrando modelar diferentes comportamientos,
tales como grandes desplazamientos y esfuerzos, comportamiento no lineal de
materiales y sistemas inestables, como la ocurrencia de cedencia en grandes áreas,
falla o ruptura total.
El uso del programa FLAC 3D, permite determinar por medio de un análisis no
lineal en dos dimensiones el factor de seguridad después de la ocurrencia de un
sismo; basado en la reducción de la resistencia residual al corte.
4.4.1.1. Datos de Entrada FLAC 3D
EL software Flac 3D, para empezar a realizar los análisis; requiere de la
asignación de los datos de entrada, los cuales están constituidos por los datos
geotécnicos y los datos geométricos, dando lugar a las características que
conforman la estructura a modelar. También es importante la especificación de las
unidades con las que se está trabajando, para que los valores que arroje el
programa sean correctos.
141
4.4.1.2. Datos de la Geometría del Dique FLAC 3D
Se refiere al tipo de geometría utilizada para definir y crear el modelo del
sistema. En este caso Flac 3D utiliza ecuaciones diferenciales para elementos con
cualquier forma y puede tomar cualquier tipo de propiedad; pero con la finalidad de
ejecutar un análisis confiable y fácil de diseñar, se utilizan geometrías básicas como
paralelepípedos.
A pesar de que el análisis a realizar es bidimensional se construyen volúmenes,
debido a que la dirección perpendicular al plano se toma con una profundidad de un
(1) metro. Para el diseño de la fundación la sección se separó en tres bloques: el
primero representa la fundación directa del dique y los otros dos que se encuentran
a ambos lados del bloque central, expresan la continuidad del terreno. La geometría
del cuerpo del dique dependió de las secciones donde se encuentran las
progresivas en estudio.
Figura 55. – Sistema Dique-fundación (FLAC 3D). Fuente: Elaboración Propia.
El tipo de vínculo a utilizar en todos los modelos será de tipo rodillo, el cual
permite el desplazamiento en el Eje “Z” en ambos planos de la estructura, tanto en
el cuerpo del dique como en cada uno de los estratos que conforman el suelo de
fundación; donde el plano “XZ” representa el plano transversal de la sección y el
142
plano YZ el longitudinal. En cambio para la base del modelo que pertenece al plano
XY, se utilizan empotramientos para restringir el movimiento en cualquier dirección.
Esto es debido a que se desea reproducir las condiciones de confinamiento de la
Formación El Milagro, la cual se encuentra a profundidades mayores.
Con el fin de no afectar en términos de esfuerzo el cálculo y modelado de cada
sección del dique, los vínculos utilizados de tipo rodillo fueron colocados a una
distancia de 30 metros del límite entre ellas y con esto poder simular la continuidad
de las secciones.
Figura 56. – Restricciones del Sistema Dique-fundación. Fuente: Elaboración Propia.
Para la realización de la malla se ejecutó el mismo procedimiento en las dos
secciones críticas, según la siguiente distribución:
En el subsuelo se utilizaron dos tipos de mallado:
143
A) Bloque Central: El cual se encuentra directamente debajo del cuerpo del
dique, se dividió en pequeños rectángulos de un metro de largo por un metro
de ancho (Figura 57).
Figura 57. – Boque Central de la Fundación. Fuente: Elaboración Propia.
B) Bloques Extremos: También se dividieron en rectángulos pero con 1 metro
de largo por 5 metros de ancho, debido a que éstos no son representativos
en los respectivos cálculos (Figura 58).
Figura 58. – Bloques extremos de la Fundación. Fuente: Elaboración Propia.
En el caso del cuerpo del dique varía dependiendo de la geometría que
corresponde a cada sección, pero en todos los casos se aplicó una división
horizontal a cada metro, mientras que la vertical varío entre 0,1 a 1 metro de altura
como se puede observar en la Figura 59 y Figura 60.
A continuación se muestra el modelo geométrico y el mallado utilizado para
modelar las progresivas A y B.
144
Figura 59. – Modelo Geométrico y Discretización Progresiva A. Fuente: Elaboración Propia.
Figura 60. – Modelo Geométrico y Discretización Progresiva B. Fuente: Elaboración Propia
Una vez culminado el proceso de construcción de la estructura, se procede a
introducir las propiedades geotécnicas pre-sísmicas, las cuales serán asignadas a
las mallas creadas para cada progresiva. En éstas se podrá observar cada uno de
los estratos que la conforman y ver el paso a paso del proceso constructivo; además
el programa tiene la capacidad de evaluarlos por separado y así tener un
conocimiento del comportamiento de cada uno de los estratos; lo que es de gran
importancia para evitar la ocurrencia de fallas, o por el contrario saber en cual sector
está ocurriendo.
145
4.4.1.3. Datos Geotécnicos FLAC 3D
Están conformados por los valores que representan las características
intrínsecas del suelo que componen al sistema dique-fundación, los cuales fueron
introducidos en el software por separado, ya que cada uno de los estratos de las
progresivas en estudio presenta características diferentes.
Los datos que corresponden a la fundación, están constituidos por los diferentes
estratos del suelo, los cuales abarcan una profundidad de 30 metros para todas las
secciones; y por otro lado están los valores característicos del cuerpo del dique que
será igual para las dos secciones en estudio.
Para el suelo de fundación de las progresivas A y B se obtuvieron los datos que
les corresponden en los ensayos realizados en campo nombrados anteriormente, y
los valores que no se pudieron determinar con estas pruebas, se obtuvieron del
Informe Técnico (INT-13151,10) de INTEVEP, S.A y los estudios geotécnicos
realizados por la Gerencia de Diques y Drenajes (2009).
Estos valores están compuestos por la profundidad, el peso unitario húmedo,
nivel freático, Módulo de Elasticidad, Módulo de Poisson, la resistencia al corte y
ángulo de fricción de cada uno de los estratos; tal como se aprecia en la Tabla 16 y
Tabla 17 para el caso pre-sísmico y en la Tabla 18 y Tabla 19 para el post-sísmico.
Para el cuerpo del dique se tomaron como referencia los datos establecidos en
el Informe Técnico (INT-TEIG-0054,95) de INTEVEP, C.A, debido a que proporciona
datos de diseño confiables de la zona de estudio.
146
Altura.
(m)
Tipo de
Suelo
Peso
Unitario
Húmedo
(t/m3)
Poisson
Módulo de
Elasticidad
(E) (kPa)
Cohesión
(C) (kPa)
0 – 8,0 Cl 22 0,30 160000 196
Tabla 21. – Características Geotécnicas del cuerpo del dique A (FLAC 3D).
Fuente: Propia.
Figura 61. – Dique de la Progresiva A (FLAC 3D). Fuente: Elaboración Propia.
Altura.
(m)
Tipo de
Suelo
Peso
Unitario
Húmedo
(t/m3)
Poisson
Módulo de
Elasticidad
(E) (kPa)
Cohesión
(C) (kPa)
0 – 6,0 Cl 22 0,30 160000 196
Tabla 22. – Características Geotécnicas del cuerpo del dique B (FLAC 3D).
Fuente: Propia.
Figura 62. – Dique de la Progresiva B (FLAC 3D). Fuente: Elaboración Propia.
147
Cada uno de los tipos de suelo será asignado al modelo de acuerdo a las
profundidades estipuladas, lo cual se puede ver reflejado a continuación; donde ya
se han definido y establecido para cada modelo los tipos de suelo, pesos unitarios,
módulo de elasticidad y parámetros de resistencia al corte en estado post-sísmico.
Figura 63. – Tipos de suelo de la sección transversal de la Progresiva A. Fuente: Elaboración Propia.
Figura 64. – Tipos de suelo de la sección transversal de la Progresiva B. Fuente: Elaboración Propia.
4.4.1.4. Modelo Analítico Constitutivo
Describe el comportamiento de los materiales que conforman el cuerpo del
dique utilizado en el modelado. Existen diferentes modelos de análisis entre los
cuales se útil izó el modelo Mohr-Coulomb, basado en el teorema del mismo
148
nombre. Dicha teoría atribuye la falla a la combinación de los esfuerzos cortantes y
normales, siendo la relación entre ambos esfuerzos no cortantes. Este modelo es el
indicado ya que se adapta al comportamiento que pueden presentar los suelos tanto
en el rango elástico como en el rango inelástico o plástico.
Una de las ventajas del Modelo Mohr-Coulomb es que los parámetros que lo
constituyen (c, ϕ) se pueden obtener mediante ensayos de campo y laboratorio
convencionales, mientras que otros modelos constitutivos más sofisticados
requieren ensayos altamente especializados.
4.4.1.5. Cálculo del Factor de Seguridad
El cálculo del factor de seguridad es realizado por los programas mediante un
proceso de reducción de las propiedades de resistencia al corte de los suelos
(cohesión y fricción), hasta que se produzca la falla o colapso del sistema. Este
proceso se basa en calcular la proporción de la resistencia real del suelo con
respecto a la resistencia reducida, de forma iterativa mediante la ejecución de
corridas o simulaciones hasta que se produzca la falla.
(4.13)
Los software reducen los parámetros de resistencia al corte mediante las
siguientes ecuaciones:
(4.14)
(
) (4.15)
149
DONDE:
Cohesión reducida.
Cohesión real.
Fricción reducida.
Fricción real.
Factor de seguridad provisional.
Cuando la superficie falla el factor de seguridad provisional se convierte en el
factor de seguridad de cálculo (F´= F). Esta metodología tiene dos ventajas respecto
a otras técnicas: una es que la superficie de falla es calculada automáticamente sin
necesidad de asignar una geometría específica, y la otra es que por medio de los
métodos numéricos satisfacen el equilibrio traslacional y rotacional automáticamente
(Lorig, L, 2011).
Para el caso del cálculo del factor de seguridad post-sísmico se realizó el mismo
procedimiento, con la diferencia de la disminución de los parámetros de resistencia
de los suelos en los datos de entrada al modelo.
4.4.1.6. Datos de Salida
Los datos y gráficos arrojados por el Flac 3D son variados, dependiendo de la
necesidad del analista o usuario. Entre los resultados necesarios para la
interpretación y análisis son el factor de seguridad y las magnitudes de
desplazamiento de la superficie con respecto a la falla.
Las magnitudes de desplazamiento muestran los diferentes valores a los cuales
se desplazaría la superficie afectada en caso de la ocurrencia de una falla, dividido
en diferentes rangos para una mejor visualización. En el caso del factor de
seguridad el programa muestra directamente el valor calculado.
150
4.4.2. PLAXIS
El programa de ordenador de elementos finitos bidimensionales llamado
PLAXIS, fue creado en la Universidad Técnica de Delft y tiene como objetivo
principal el análisis de deformación y estabilidad de problemas geotécnicos, como lo
son diques construidos sobre las capas del suelo.
Los modelos de elementos finitos corresponden a problemas que pueden ser de
deformación plana o con axisimetría. Para este caso se utilizó un modelo de
deformación plana, que abarca los casos de geometrías con una sección trasversal
más o menos uniforme, donde se pueda suponer que los estados tensionales y de
cargas son iguales a lo largo de la longitud perpendicular a la sección transversal en
dirección “Z”. Los valores que corresponde a los desplazamientos y deformaciones
en “Z”, se consideran nulos y se toman en cuenta únicamente los esfuerzos en
dicha dirección. Dando como resultado un modelo de elementos finitos en dos
dimensiones con solo dos grados de libertad de desplazamiento por nodo, tanto en
dirección “X” como en “Y”.
PLAXIS permite al usuario crear con facilidad el modelo geométrico y la malla de
elementos finitos basada en la sección transversal vertical en estudio, gracias a que
tiene una interfaz gráfica práctica y sencilla de utilizar.
4.4.2.1. Datos de Entrada PLAXIS
Para iniciar el proceso de análisis en el software PLAXIS, se debe colocar en
primer lugar las unidades con las que se van a trabajar a lo largo del modelado de
las secciones, una vez culminado se introducen los datos de entrada que
comprenden los datos geométricos y seguido por los datos geotécnicos, los cuales
se componen de las características que conforman a la estructura.
151
Para el fácil manejo del programa se procedió a utilizar una metodología basada
en la selección de los diferentes elementos de entrada en un orden especificado de
izquierda a derecha, lo cual es recomendado por los creadores del programa ya que
con esto garantizará el cumplimiento de todos los pasos necesarios para realizar los
análisis.
4.4.2.2. Datos de la Geometría del Dique PLAXIS
Para la creación de un modelo de elementos finitos en PLAXIS, se empieza
creando el modelo geométrico representativo del sistema, el cual está conformado
por líneas, puntos y dominios; donde las líneas y puntos son realizados por el
usuario y el dominio que es el área cerrada conformada por un conjunto de líneas,
ejecutado por el programa.
Antes de proceder a dibujar cada una de las secciones, se debe indicar las
unidades básicas de longitud, fuerza y tiempo y las dimensiones de la zona del
dibujo (Figura 65).
Figura 65. – Asignación de las unidades y dimensiones de la hoja de trabajo. Fuente: Elaboración Propia.
152
Debido a que el análisis es bidimensional se dibuja el contorno de la geometría
del dique-fundación en dirección “X” y “Z”; una vez culminado se dibujan los estratos
que le corresponde según las profundidades establecidas anteriormente (Figura 66
y Figura 67).
Figura 66. – Geometría de la sección transversal de la Progresiva A. Fuente: Elaboración Propia.
Figura 67. – Geometría de la sección transversal de la Progresiva B. Fuente: Elaboración Propia.
Se utilizó el vínculo tipo rodillo para permitir los desplazamientos en dirección “Z”
en todos los modelos, tanto para el cuerpo del dique como para cada uno de los
estratos que conforman el suelo de fundación. En cuanto a la base del modelo se
colocaron empotramientos para restringir los movimientos en cualquier dirección y
así poder simular las condiciones de confinamiento de la Formación El Milagro, la
cual se encuentra a profundidades mayores (Figura 68).
153
Figura 68. – Restricciones del Sistema Dique-fundación (PLAXIS). Fuente: Elaboración Propia.
Luego de haber construido la estructura del sistema, se procedió a introducir las
propiedades geotécnicas pre-sísmicas en cada uno de los estratos que componen a
la fundación.
4.4.2.3. Datos Geotécnicos PLAXIS
Están conformados por el conjunto de datos que representan las características
intrínsecas del suelo que componen al sistema dique-fundación, los cuales fueron
medidos en campo, obtenidos de informes previos y mediante la utilización de
correlaciones. Estos valores se asignaron en cada uno de los dominios que
conforman la geometría.
Los datos que corresponde al suelo de fundación de las progresivas A y B,
constituyen los diferentes estratos establecidos en las Tablas 16 y Tabla 17, y que
a su vez, están conformados por las propiedades características de cada suelo,
como lo son el Peso Unitario seco y saturado, Permeabilidad, Módulo de
Elasticidad, Módulo de Poisson, la Resistencia al Corte o Cohesión, Ángulo de
Fricción y por último las Velocidades de Ondas de Corte y de Compresión; tal como
se aprecia en la Tabla 25 y Tabla 26.
154
Altura. (m)
Peso
Unitario
Seco (t/m3)
Peso Unitario
Húmedo (t/m3) Poisson
Módulo de
Elasticidad
(E) (kPa)
Cohesión
(C) (kPa)
0 – 8,0 20 22 0,30 160000 196
Tabla 23. – Características Geotécnicas del cuerpo del Dique A (PLAXIS).
Fuente: Propia.
Figura 69. – Dique de la Progresiva A PLAXIS. Fuente: Elaboración Propia.
Altura. (m)
Peso
Unitario
Seco (t/m3)
Peso Unitario
Húmedo (t/m3) Poisson
Módulo de
Elasticidad
(E) (kPa)
Cohesión
(C) (kPa)
0 – 6,0 20 22 0,30 160000 196
Tabla 24. – Características Geotécnicas del cuerpo del Dique B (PLAXIS).
Fuente: Propia.
Figura 70. – Dique de la Progresiva B PLAXIS. Fuente: Elaboración Propia.
Por otro lado se asignan los esfuerzos verticales gravitatorios, la presión de
poros y el peso producto de la columna de agua del lago, estableciendo la línea del
nivel freático. El peso por acción de las instalaciones en el sitio se toma como
despreciable y con alteraciones insignificantes para el cálculo
155
Tabla 25. – Características Geotécnicas de la Progresiva A (PLAXIS).
Fuente: Propia.
Prof. (m) Tipo de
Suelo
Peso Unitario
Seco (kN/m3)
Peso Unitario Húmedo (kN/m3)
Módulo de Elasticidad (E) (kN/m2)
Poisson Cohesión
(C) (kN/m2)
Ángulo de
fricción (Ø)
Vs Vp
0 – 1,0 SM-ML1 16.18 17.96 126318 0.20 - 42 192 277
1,0 - 3,0 CL1 17.54 19.83 136959 0.20 100 - 192 277
3,0 – 5,0 ML1 16.18 20.06 98895 0.39 100 - 147 341
5,0 – 10,0 ML-CH1 15.03 21.50 73440 0.37 16.42 - 132 294
10,0 – 13,0 ML2 17.14 21.09 83740 0.37 48.98 - 132 294
13,0 – 30,0 SP-SM1 17.88 21.10 650815 0.40 - 26 357 873
Tabla 26. – Características Geotécnicas de la Progresiva B (PLAXIS). Fuente: Propia.
Prof. (m) Tipo de
Suelo
Peso Unitario
Seco (kN/m3)
Peso Unitario Húmedo (kN/m3)
Módulo de Elasticidad (E) (kN/m2)
Poisson Cohesión
(C) (kN/m2)
Vs Vp
0 – 4,0 ML1 16.18 22.30 648831 0.33 18.04 385 757
4,0 - 10,0 CH-ML1 15.03 24.47 48640 0.44 16 105 316
10,0 – 11,0 CL1 17.14 21.09 55462 0.44 21.08 105 316
11,0 – 30,0 CL-ML1 17.88 20.86 456061 0.34 56.88 305 625
156
Figura 71. – Estratos de la Progresiva A PLAXIS. Fuente: Elaboración Propia.
Figura 72. – Estratos de la Progresiva B PLAXIS. Fuente: Elaboración Propia.
Figura 73. –. Asignación de las Propiedades de los Suelos. Fuente: Elaboración Propia.
157
Figura 74. – Nivel Freático de la Progresiva A PLAXIS. Fuente: Elaboración Propia.
Figura 75. – Presión de Poros de la Progresiva A PLAXIS. Fuente: Elaboración Propia.
Figura 76. – Nivel Freático de la Progresiva B PLAXIS. Fuente: Elaboración Propia.
Figura 77. – Presión de Poros de la Progresiva B PLAXIS. Fuente: Elaboración Propia.
158
4.5. Análisis de Sensibilidad
En vista de que el parámetro de resistencia que estaba controlando la
estabilidad del sistema dique-fundación de la progresiva A, se encontraba en el
estrato con presencia de arcilla de baja plasticidad, se vio en la necesidad de
realizar un análisis de sensibilidad variando el valor de cohesión presente en este
estrato para determinar el mínimo valor de resistencia para que el Factor de
Seguridad sea mayor o igual a 1 (Fos≥1), siendo este el límite permitido para este
tipo de estructuras.
Para llevar a cabo esta actividad se utilizó el programa PLAXIS, debido a que
puede aplicar este tipo de análisis rápidamente. Consistió en realizar un análisis
dinámico colocando diferentes valores de cohesión mayores 10, siendo este el
límite recomendado por los asesores expertos internacionales y obtener un valor de
Factor de Seguridad lo más cerca de 1.
CAPÍTULO V: ANÁLISIS DE RESULTADOS
160
Para efectos comparativos se efectuaron simulaciones tanto en condiciones pre-
sísmicas como post-sísmicas. En la pre-sísmicas se realizó en primer lugar
simulaciones para recrear las condiciones normales del dique, considerando solo
efectos gravitatorios y de esfuerzos que normalmente se encuentran en la realidad
tales como presión de poros y peso del agua, en la dirección aguas arriba del
dique. El peso por acción de instalaciones encontradas a lo largo de la estructura se
supone despreciable y con alteraciones insignificantes para el cálculo. En el caso
post-sísmico se tomaron en cuenta las mismas condiciones para el cálculo de los
análisis.
Se determinó tanto en Flac 3D como en PLAXIS los desplazamientos,
deformaciones cortantes, esfuerzos y el factor de seguridad con su superficie de
falla respectiva para las progresivas A y B, bajo las tres condiciones de análisis pre-
sísmico, post-sísmico reducido y dinámico.
El análisis dinámico se realizó con dos tipos de sismos, uno de corta duración
seleccionado del proceso de comparación con la norma COVENIN 1756:2001 y otro
sismo de larga duración como método de prueba para evaluar su influencia en este
tipo de estructuras.
Por último se evaluaron los tres casos establecidos para el análisis de
sensibilidad, donde se puede observar el parámetro representativo que controla la
estabilidad de los diques y cómo influye éste en los resultados obtenidos
anteriormente.
161
5.1. Pre-Sísmico (Estático) Progresiva A
Figura 78. – Magnitud de Desplazamiento Progresiva A. Fuente: Elaboración Propia.
Se realizó el análisis en condición Pre-sísmica, tomando en cuenta las cargas
gravitatorias (peso propio del suelo), la presión de poros y los esfuerzos producidos
por el agua en el talud y pie del talud aguas arriba. Se pudo observar que existen
valores de desplazamiento máximo entre 4 cm y 6 cm en el cuerpo del dique, donde
el mayor valor ocurre en la cresta. Tomando en cuenta que la altura libre del dique
es de 4 m estos valores de desplazamiento son aceptables.
162
Figura 79. – Deformación Cortante Progresiva A. Fuente: Elaboración Propia.
La máxima deformación cortante de 0,00000016% y 0,4225% no ocurre en el
cuerpo del dique, se presenta en la fundación, siendo estos resultados los que se
esperan para garantizar la estabilidad del sistema, además los valores se
encuentran por debajo del límite establecido de 0,7%, por lo que no se espera la
generación de grietas, ni el paso de flujo a través del cuerpo del dique.
163
Figura 80. – Esfuerzos Progresiva A. Fuente: Elaboración Propia.
Se puede observar que no se encuentran valores con esfuerzos positivos
(tracción), debido a que todos están por debajo de 0, evitando la generación de
grietas en el cuerpo del dique. Cabe destacar que al final del tope de la berma
estabilizadora se presenta una pequeña zona con esfuerzo positivo entre 0 /
y 2,44 / , y en todo el cuerpo del dique (incluyendo la berma estabilizadora)
esfuerzos por debajo de 0 / en ambos casos.
164
Figura 81. – Factor de Seguridad (FOS) la Progresiva A. Fuente: Elaboración Propia.
De igual manera se obtuvo el Factor de Seguridad Pre-Sísmico con un valor de
1,37 en Flac 3D y 1,291 en PLAXIS. Se puede observar que la superficie potencial
de falla ocurre aguas abajo, abarcando la zona del talud (incluyendo la berma
estabilizadora), pie del talud y gran parte de la fundación. Por otro lado se presenta
otra superficie de falla aguas arriba en el análisis realizado en el programa PLAXIS
donde los desplazamientos son muy bajo.
165
5.2. Post-Sísmico (Reducido) Progresiva A
Figura 82. – Magnitud de Desplazamiento Progresiva A Reducido. Fuente: Elaboración Propia.
En la simulación post-sísmica con la reducción de la resistencia del suelo, se
observan desplazamientos máximos de hasta 5,6 cm para Flac 3D y 17,4 cm para
PLAXIS, los cuales se encuentran ubicados en ambos casos en el cuerpo del dique
específicamente en la cresta, siendo éstos prácticamente iguales a los obtenidos en
el análisis estático. Se proyecta una forma de los desplazamientos concentrada de
forma vertical abarcando el cuerpo del dique y parte del suelo de fundación,
166
deduciéndose de esto que la superficie de falla esté ocurriendo en alguno de los
estratos que conforman el suelo de fundación.
Figura 83. – Deformación Cortante Progresiva A Reducido. Fuente: Elaboración Propia.
Se puede observar que la máxima deformación cortante presenta valores más
altos a los conseguidos en el análisis bajo una condición estática, ocurriendo en el
cuerpo de fundación y no en el dique, con valores de 0,00000035% y 2,64%
respectivamente. Cabe destacar que existen dos secciones de falla donde los
mayores desplazamientos se encuentran ubicados en el tercer estrato compuesto
167
por suelos cohesivos de baja plasticidad, y en el cuerpo del dique presenta valores
negativos, siendo esto lo que se espera para que no se produzcan grietas.
Figura 84. – Esfuerzos Progresiva A.
Fuente: Elaboración Propia.
En la cresta del dique y en dos sectores de la berma estabilizadora existen
pequeñas zonas con esfuerzos positivos máximos de 2,4 / , los cuales no
representan gran relevancia para la estabilidad del sistema. Por otro lado el resto de
los esfuerzos se encuentran por debajo de 0 / .
168
Figura 85. – Factor de Seguridad (FOS) la Progresiva A Reducido. Fuente: Elaboración Propia.
Una vez realizado el análisis post-sísmico, se observó que existe la presencia de
dos zonas de falla, una aguas arriba y otra aguas abajo. En el análisis realizado por
Flac 3D los mayores desplazamientos se concentran en el pie de apoyo de la berma
estabilizadora, en cambio en PLAXIS se concentran valores más altos en los dos
primeros estratos de la fundación, disminuyendo en dirección al pie de la berma. Se
obtuvo el Factor de Seguridad (FOS) contra el deslizamiento, el cual se evaluó para
verificar que sea mayor a 1,20, donde se alcanzaron valores cerca del límite siendo
éstos 1,27 y 1,196.
169
5.3. Dinámico Progresiva A (Sismo de Corta Duración)
Figura 86. – Desplazamientos Totales Progresiva A Dinámico. Fuente: Elaboración Propia.
Por último se realizó el análisis dinámico, donde en Flac 3D se puede observar
que la zona más afectada se encuentra en el pie de la berma estabilizadora con
valores máximos de desplazamiento de 68 cm y en PLAXIS se concentran en el
cuerpo del dique, con 25 cm; los cuales son menores al 10% de la altura libre y no
representa un riesgo para el sistema, debido a que es un valor mucho menor al
límite permitido (20% de la altura libre). Por otro lado se visualiza que la sección de
falla concentrada en el cuerpo del dique a medida que nos acercamos a la
fundación, la misma se divide en dos zonas de falla, donde predomina la sección
ubicada aguas arriba con desplazamientos concentrados de 22 cm en los dos
primeros estratos. Por otro lado en Flac 3D se encontraron valores altos, indicando
170
que en este pudieran ocurrir desplazamientos representativos bajo condición
dinámica.
Figura 87. – Deformación Cortante Progresiva A Dinámico. Fuente: Elaboración Propia.
Las deformaciones cortantes se ubican en el segundo estrato CH-ML, con 9,01%
lo cual es un valor representativo ya que el mínimo permitido es 0,7%, pero al estar
en el suelo de fundación no representa un peligro para la estabilidad del sistema. Lo
que sí es importante destacar son las deformaciones cortantes que se ubican en
una parte del talud aguas arribas con un valor de 2,5%, ya que al ser mucho mayor
que el límite, en esta zona se pueden producir micro grietas permitiendo el paso del
agua.
171
Figura 88. – Esfuerzos Efectivos Horizontales Progresiva A Dinámico. Fuente: Elaboración Propia.
En cuanto a los esfuerzos horizontales todos se encontraron por debajo de 0
/ con valores negativos, tanto en el cuerpo del dique como en el suelo de
fundación; representando un resultado positivo ya que esto indica que bajo esta
condición no se generarán grietas.
Figura 89. – Factor de Seguridad (FOS) la Progresiva A Dinámico. Fuente: Elaboración Propia.
Al realizarse la simulación dinámica se obtuvo un FOS de 1,287 siendo este
mayor al Factor de Seguridad Post-sísmico Reducido, deduciendo de esto que el
análisis basado en la reducción de la resistencia del suelo es muy conservador.
172
Cabe destacar que el valor de 1,287 se encuentra muy cerca del límite 1,20 y la falla
se localiza aguas abajo, en este caso al final de la berma estabilizadora.
5.4. Dinámico Progresiva A (Sismo de Larga Duración)
Figura 90. – Desplazamientos Totales Progresiva A Dinámico 2. Fuente: Elaboración Propia.
Se puede observar en la Progresiva B que para el análisis dinámico utilizando el
sismo de larga duración, se presentaron grandes desplazamientos con valores
máximos hasta de 2,69 m concentrándose entre el pie del talud aguas arriba y los
dos primeros estratos del suelo de fundación; pudiendo esto afectar la estabilidad
del sistema.
173
Figura 91. – Deformación Cortante Progresiva A Dinámico 2. Fuente: Elaboración Propia.
Los valores de deformación cortante se encontraron entre 50% y 80 % en el
primer y segundo estrato, siendo estos valores muy altos con respecto al límite
permitido; generando que se produzcan grandes desplazamientos tanto en los
estratos superiores como en el cuerpo del dique; por otro lado se puede observar
que en el talud aguas arriba existen deformaciones de 30%, dando lugar a la
formación de grietas en esta zona.
5.5. Pre-Sísmico (Estático) Progresiva B
174
Figura 92. – Magnitud de Desplazamiento Progresiva B. Fuente: Elaboración Propia.
Se realizó la simulación Pre-sísmica, donde se puede observar una superficie
uniforme con desplazamientos máximos entre 4,05 cm y 2,66 cm, afectando en
primer lugar la cresta y disminuyendo los valores por el cuerpo del dique hasta
llegar a la fundación, generando una sección de falla en forma de U producto del
peso propio y del peso del agua.
175
Figura 93. – Deformación Cortante Progresiva B. Fuente: Elaboración Propia.
Se evaluó la deformación cortante, en la cual se puede observar que las
secciones de falla varían dependiendo del programa. Los puntos donde se
concentran las mayores deformaciones solo coinciden entre ellos en la fundación,
ya que únicamente en Flac 3D se pueden ver desplazamientos en la cresta del
dique. Los valores arrojados son 0,00000005977% y 0,29479%, al ser menores que
0,7% son aceptables. Con esto se puede asumir que el estrato limoso es el que está
controlando la estabilidad del sistema.
176
Figura 94. – Esfuerzos Progresiva B. Fuente: Elaboración Propia.
En la cresta del dique se presentan valores de esfuerzos positivos de 2,29
/ , lo cual no es bueno ya que eso significa que esa zona se está comportando
a tracción y se pueden producir grietas, pero al ser la zona tan pequeña no se
esperan resultados desfavorables; en el resto del cuerpo del dique los valores se
encuentran entre -40 / y -100 / , siendo esto aceptable.
177
Figura 95. – Factor de Seguridad (FOS) la Progresiva B. Fuente: Elaboración Propia.
Luego de realizar el análisis Pre-sísmico y calculado el Factor de Seguridad
(FOS) contra el deslizamiento, se obtuvieron valores de FOS de 2,46 y 2,17,
estando éstos muy por encima de los límites de 1,20 tomados como referencia.
5.6. Post-Sísmico (Reducido) Progresiva B
178
Figura 96. – Magnitud de Desplazamiento Progresiva B Reducido. Fuente: Elaboración Propia.
Se realizó la simulación Post-sísmica, obteniendo desplazamientos mayores al
análisis Pre-sísmico, aquí se puede observar una superficie uniforme muy parecida
a la condición estática con una leve desviación hacia la izquierda, en ésta se
encuentran desplazamientos máximos de 17,3 cm y 2,97 cm, concentrándose tanto
en la cresta como en el cuerpo del dique.
179
Figura 97. – Deformación Cortante Progresiva B Reducido. Fuente: Elaboración Propia.
En cuanto a la deformación cortante obtenida en el análisis Post-sísmico se
consiguieron valores entre 0,000000222% y 0,47962%, donde los mayores
desplazamientos se concentraron en el cuarto estrato de la fundación, coincidiendo
con el análisis Pre-Sísmico. Por otro lado se puede observar en cuanto a Flac 3D
que los desplazamientos también toman parte del dique a diferencia de PLAXIS que
los resultados en esa zona tienden a ser negativos.
180
Figura 98. – Esfuerzos Progresiva B Reducido. Fuente: Elaboración Propia.
Al igual que en el análisis Pre-sísmico se presenta el mismo comportamiento
solo que los esfuerzos en la cresta aumenta a 3,04 / y en el cuerpo del dique
van desde -40 / a -100 / , en cuanto al suelo de fundación los
esfuerzos más altos están entre -100 / y -252,9 / .
181
Figura 99. – Factor de Seguridad (FOS) la Progresiva B Reducido. Fuente: Elaboración Propia.
Se puede observar una sección de falla en forma de cuña igual a la descrita
anteriormente en el análisis Pre-sísmico, la cual tiene una desviación hacia la zona
que se encuentra aguas abajo. De igual forma se calculó el Factor de Seguridad
Post-sísmico de 1,93 y 1,715, con valores menores a los obtenidos en el Pre-
sísmico.
5.7. Dinámico Progresiva B (Sismo de Corta Duración).
182
Figura 100. – Desplazamientos Totales Progresiva B Dinámico. Fuente: Elaboración Propia.
Los desplazamientos totales en el análisis post-sísmico bajo condición dinámica
presentaron valores máximos en PLAXIS de 16 cm en el cuarto estrato de la
fundación en la zona aguas arriba, debido a la presencia de suelos cohesivos. En el
cuerpo del dique el máximo valor se encontró entre 12 cm y 8 cm, valores
relativamente bajos para esta condición. En cuanto a Flac se encontraron
desplazamientos hasta de 50,87 cm en el suelo de fundación y en el cuerpo de
dique entre 25 cm y 30 cm, aumentando en dirección a la berma estabilizadora que
ocurren desplazamientos máximos de 40 cm.
183
Figura 101. – Deformación Cortante Progresiva B Dinámico. Fuente: Elaboración Propia.
Se evaluó las deformaciones cortantes las cuales se concentran en el cuarto
estrato con un porcentaje de 16,57%, siendo este un valor mucho mayor al mínimo
permitido, pero aceptable si se encuentra en la fundación como en el siguiente caso;
en cuanto al cuerpo del dique se encuentran por debajo de 0% evitando la
generación de micro grietas.
Figura 102. – Esfuerzos Progresiva B Dinámico. Fuente: Elaboración Propia.
184
En cuanto a los esfuerzos horizontales todos se encontraron por debajo de 0
/ con valores negativos, tanto en el cuerpo del dique como en el suelo de
fundación; representando un resultado positivo ya que esto indica que bajo esta
condición no se generarán grietas.
Figura 103. – Factor de Seguridad (FOS) la Progresiva B Dinámico. Fuente: Elaboración Propia.
Al proceder al cálculo del Factor de Seguridad dinámico se obtuvo como
resultado un FOS de 2,17, siendo éste mucho mayor al mínimo de 1,20 y superior al
Factor de Seguridad Post-sísmico Reducido de 1,71, los cuales representan
resultados positivos. La falla se localiza aguas abajo, en este caso al final de la
berma estabilizadora.
5.8. Análisis de Sensibilidad Progresiva A
Caso 1: Cohesión=10; Desplazamiento= 5,34 cm; Deformación= 1,24%; Fos= 0,905
A pesar de que los valores de desplazamiento son bajos, el material blando
presenta fallas por esfuerzos cortantes debido a su baja compacidad.
185
Figura 104. – Magnitud de Desplazamiento Progresiva A (Sensibilidad). Fuente: Elaboración Propia.
Figura 105. – Deformación Cortante Progresiva A (Sensibilidad). Fuente: Elaboración Propia.
Figura 106. – Factor de Seguridad (FOS) la Progresiva A (Sensibilidad). Fuente: Elaboración Propia.
186
Caso 2: Cohesión=11; Desplazamiento= 4,98 cm; Deformación= 1,02%; Fos= 0,967
Presenta valores de desplazamiento bajos y fallas por esfuerzos cortantes en el
material blando debido a su baja compacidad.
Figura 107. – Magnitud de Desplazamiento Progresiva B (Sensibilidad). Fuente: Elaboración Propia.
Figura 108. – Deformación Cortante Progresiva A (Sensibilidad). Fuente: Elaboración Propia.
187
Figura 109. – Factor de Seguridad (FOS) la Progresiva A (Sensibilidad). Fuente: Elaboración Propia.
Caso 3: Cohesión=12; Desplazamiento= 4,71 cm; Deformación= 0,85%; Fos= 1,032
Para la geometría propuesta en la Progresiva A, el valor mínimo de resistencia
(Cohesión) del estrato blando, tiene que ser 12, para que el Fos≥1.
Figura 110. – Magnitud de Desplazamiento Progresiva A (Sensibilidad). Fuente: Elaboración Propia.
188
Figura 111. – Deformación Cortante Progresiva A (Sensibilidad). Fuente: Elaboración Propia.
Figura 112. – Factor de Seguridad (FOS) la Progresiva A (Sensibilidad). Fuente: Elaboración Propia.
189
5.9. Tabla Resumen de Resultados
Resultados Límite Estático Pseudo-estático Dinámico
Flac PLAXIS Flac PLAXIS Flac PLAXIS
Magnitud de Desplazamiento 80 cm 5,60 cm 4,00 cm 5,60 cm 17,40 cm 68,38 cm 25,20 cm
Deformación Cortante 0,7% 1,6*10-7% 0,4225% 3,5*10-7% 2,64% 1,96*10-2% 9,01%
Esfuerzos Negativos <0* / -324,71 / <0* / -350,12 / - -440,56 /
Fos 1,20 1,37 1,291 1,27 1,196 - 1,287
Tabla 27. – Resultados Progresiva A. Fuente: Propia.
Resultados Límite Estático Pseudo-estático Dinámico
Flac PLAXIS Flac PLAXIS Flac PLAXIS
Magnitud de Desplazamiento 80 cm 4,05 cm 2,65 cm 17,3 cm 2,97 cm 50,87 cm 16,67 cm
Deformación Cortante 0,7% 1,6*10-8% 0,29479% 2,22*10-8% 0,47962% 7,18*10-3% 16,57%
Esfuerzos Negativos <0* / -259,93 / <0* / -252,90 / - -333,60 /
Fos 1,20 2,46 2,17 1,97 1,715 - 2,17
Tabla 28. – Resultados Progresiva B.
Fuente: Propia.
CAPÍTULO VI: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
191
6.1. Conclusiones
El uso de las características intrínsecas de los suelos obtenidas mediante
ensayos de campo, arroja valores más reales que los calculados mediante
correlaciones, simulando condiciones más certeras a la realidad.
Para el sismo seleccionado de corta duración, el comportamiento dinámico de
las progresivas A y B del dique Lagunillas, resulto ser estable y muy similar al
obtenido bajo una condición post-sísmica (reducida). En cuanto al sismo de larga
duración los resultados fueron desfavorables, ya que si ocurriera un sismo de este
tipo la estabilidad del sistema se vería afectada.
Las secciones críticas A y B del dique Lagunillas, resultaron ser estables y
seguras, tanto en condiciones pre-sísmicas como post-sísmicas (análisis con la
reducción de la resistencia y análisis dinámico).
Los Factores de Seguridad obtenidos bajo las tres condiciones (estática,
pseudo-estática y dinámica), en las secciones críticas A y B del dique Lagunillas
resultaron por encima del límite requerido.
Los Factores de Seguridad (FOS) pre-sísmico en la progresiva A se ubicaron
por encima del límite establecido para este tipo de estructuras (1.20), tomando en
cuenta las cargas gravitatorias que actúan sobre el dique.
Los Factores de Seguridad (FOS) post-sísmico bajo condición reducida en la
progresiva A resultaron estar muy cerca del límite (1.20), debido principalmente al
alto factor de reducción aplicado a cada uno de los materiales, representando la
condición más desfavorable a la que puede estar sometida el dique.
Los principales problemas en la Progresiva A se encontraron a partir de los 4m
hasta los 9m de profundidad, debido a la baja resistencia en estos estratos, medida
192
mediante el ensayo de CPT y corroborado con estudios previos mediante ensayos
de Veleta de campo, donde se pudo observar como la misma cayó a valores
mínimos.
El Factores de Seguridad (FOS) post-sísmico bajo condición dinámica en la
progresiva A, resultó con valores cercanos al obtenido mediante la reducción de la
resistencia del suelo. Con esto se puede concluir que el método de reducción es
muy conservador, debido a que estos se comportan muy parecidos y no existe una
degradación de la resistencia tan marcada.
Los Factores de Seguridad (FOS) pre-sísmico en la progresiva B se ubicaron
por encima de 2, muy superior a lo mínimo establecido, debido a las bajas
deformaciones cortantes, producto de los altos módulos de elasticidad que posee el
cuerpo del dique y los materiales de fundación
Los Factores de Seguridad (FOS) post-sísmico bajo condición reducida en la
progresiva B resultaron muy por encima del límite (1,20), los desplazamientos
fueron menores al 0,05% (20 cm) de la altura libre (4 m) y las deformaciones
cortantes menores al 0,7%, donde en ambos casos los mayores valores se
encontraron en la fundación siendo esto lo que se quiere para evitar tanto la pérdida
de borde libre, como la generación de grietas en el cuerpo del dique.
Los Factores de Seguridad (FOS) post-sísmico bajo condición dinámica en la
progresiva B, se comportó de la misma forma que en la progresiva A, ya que su
valor resultó ser mayor al obtenido mediante la reducción de la resistencia del suelo,
pero muy cercanos. De igual manera estos valores se encontraron muy cerca del
límite permitido (1,20).
Para materiales muy sueltos es conveniente caracterizarlo desde el punto de
vista de estado crítico mediante el uso de modelos constitutivos avanzados que
193
representen de mejor manera los efectos de no linealidad y la resistencia residual
del suelo.
El parámetro de resistencia más influyente en el cálculo de Factor de Seguridad
(FOS) es la cohesión, ya que para suelos blandos con valores de cohesión
menores a 12 el FOS es menor al límite permitido.
194
6.2. Recomendaciones
Se recomienda que los datos a utilizar en los análisis sean obtenidos mediante
ensayos de campo, para garantizar que los valores sean correspondientes a la
realidad del entorno de los diques y que los resultados que se obtengan sean los
correspondientes a la condición real en sitio.
Se sugiere realizar una base de datos que contenga toda la información
actualizada de los diques, tanto los obtenidos en investigaciones previas, como en
nuevas investigación, ya que facilitará un mejor acceso de la información al personal
encargado de realizar dichos análisis.
Se recomienda realizar un análisis de amenaza sísmica espectral para la zona
de los diques de la COLM, a fin de determinar las características del sismo de
diseño en cuanto a magnitud, distancia a la fuente y contenido frecuencial; y así
poder seleccionar de una forma más exacta el tipo de sismo a utilizar.
También se recomienda realizar un análisis de deformación de las secciones
críticas, evaluando la influencia de los asentamientos diferenciales, tomando en
cuenta los esfuerzos producidos por las estaciones de drenajes y el efecto del peso
del enrocado de protección ubicado a lo largo del dique.
A pesar que los factores de seguridad pre-sísmico y post-sísmico arrojaron
valores aceptables con respecto al límite establecido, se debería realizar un nuevo
análisis de la progresiva A de la sección 5A. Con distintas propuestas de
modificación de geometría, como por ejemplo, realizar una elevación del talud o una
ampliación del rompeolas y evaluar la influencia en el Factor de Seguridad (FOS).
Se recomienda para futuras investigaciones realizar la caracterización del
material presente en el estrato blando, a fin de conocer los valores reales de lambda
y kappa, para simular el comportamiento del suelo mediante modelos constitutivos
195
avanzados que tomen en cuenta el comportamiento del material en estado crítico.
Esto evitará una sobreestimación de la resistencia por el uso del modelo Mohr-
Coulomb.
Para suelos con valores de cohesión menores a 12 se debe considerar el
mejoramiento del terreno, mediante la inyección de mezcla de concreto para lograr
la estabilidad del suelo de fundación o la ampliación de la berma estabilizadora para
ayudar a distribuir mejor los esfuerzos.
ANEXOS
197
Anexo 1. –Ensayo del CPT. Fuente: Elaboración Propia.
Anexo 2. –Bermas Estabilizadoras. Fuente: Elaboración Propia.
198
Anexo 3. –Cresta del Dique. Fuente: Elaboración Propia.
Anexo 4. –Enrocado del Dique. Fuente: Elaboración Propia.
199
Anexo 5. –Vista aérea de una zona de Lagunillas. Fuente: Gerencia de Diques y Drenajes, 2004.
200
Anexo 6. –Comandos de entrada para el cálculo del factor de seguridad de un dique en Flac 3D (Ejemplificación).
; Ejemplo
; Unidades
; Longitud m
; Densidad tn/m3
; Fuerza kN
; Esfuerzo Kpa
; Gravedad m/s2
;
set log on
set logfile scalog.log
plot show base
;
def setup
; Propiedades del suelo
; Estrato1
esue1=648831.
nsue1=0.33.
ksue1=esue1/3./(1.-2.*nsue1)
gsue1=esue1/2./(1.+nsue1)
; Estrato2
esue2=48640.
nsue2=0.44.
ksue2=esue2/3./(1.-2.*nsue2)
gsue2=esue2/2./(1.+nsue2)
; Estrato3
esue3=55462.
nsue3=0.44.
ksue3=esue3/3./(1.-2.*nsue3)
gsue3=esue3/2./(1.+nsue3)
; Estrato4
esue4= 456061.
nsue4= 0.34.
ksue4= esue4/3./(1.-2.*nsue4)
gsue4= esue4/2./(1.+nsue4)
; cd
201
esue= 160000.
nsue= 0.30.
ksue= esue/3./(1.-2.*nsue)
gsue= esue/2./(1.+nsue)
end
setup
;
; Construcción del grid del Subsuelo
; Bloque izquierdo
gen zone brick size 5,1,30 p0 -40,0,-30 p1 -20,0,-30 p2 -40,1,-30 p3 -40,0,0
; Bloque central
gen zone brick size 111,1,30 p0 -20,0,-30 p1 91,0,-30 p2 -20,1,-30 p3 -20,0,0
; Bloque derecho
gen zone brick size 5,1,30 p0 91,0,-30 p1 121,0,-30 p2 91,1,-30 p3 91,0,0
;
; Defino valor de gravedad
set grav 10.
; Defino la profundidad de los tipos de suelo
group Estrato1 range z 0 -3.999
group Estrato2 range z -4 -9.999
group Estrato3 range z -10 -10.999
group Estrato4 range z -11 -30
;
; Pesos unitarios (saturado) del subsuelo
ini den 2.27 range group Estrato1
ini den 2.50 range group Estrato2
ini den 2.15 range group Estrato3
ini den 2.13 range group Estrato4
;
; Construcción del cuerpo del dique
; Triangulo 1a
gen zone brick size 3,1,1 p0 -20,0,0 p1 -17,0,0 p2 -20,1,0 p3 -20,0,0.1 &
p4 -17,1,0 p5 -20,1,0.1 p6 -17,0,1 p7 -17,1,1 group cd
; Rectángulo 1
gen zone brick size 104,1,1 p0 -17,0,0 p1 87,0,0 p2 -17,1,0 p3 -17,0,1 &
group cd
; Triangulo 1b
gen zone brick size 4,1,1 p0 87,0,0 p1 91,0,0 p2 87,1,0 p3 87,0,1 &
202
p4 91,1,0 p5 87,1,1 p6 91,0,0.1 p7 91,1,0.1 group cd
;
ini den 2 range group cd
;
; Condiciones de borde
fix x range x -40.1 -39.9 z -30 0
fix x range x 121.1 120.9 z -30 0
fix x y z range z -30.1 -29.9
fix y
; Defino el Modelo elástico
model elastic
prop shear=gsue1 bulk=ksue1 range group Estrato1
prop shear=gsue2 bulk=ksue2 range group Estrato2
prop shear=gsue3 bulk=ksue3 range group Estrato3
prop shear=gsue4 bulk=ksue4 range group Estrato4
prop shear=gsue bulk=ksue range group cd
; Solución Modelo elastico
solve
save ejemplo.sav
;
; Defino el Modelo Mohr Coulomb
model mohr range z -40 50
prop shear=gsue1 bulk=ksue1 di=0. fri=0. coh=18.04. ten=0. range group Estrato1
prop shear=gsue2 bulk=ksue2 di=0. fri=0. coh=16. ten=0. range group Estrato2
prop shear=gsue3 bulk=ksue3 di=0. fri=0. coh=21.08. ten=0. range group Estrato3
prop shear=gsue4 bulk=ksue4 di=0. fri=0. coh=56.88. ten=0. range group Estrato4
prop shear=gsue bulk=ksue di=0. fric=0. c=196. ten=0. range group cd model mohr
;
; Se aplican esfuerzos verticales
; Aplicación esfuerzo sobre cuerpo del dique
apply nstress -41.98 gradient 0 0 1 range plane below origin 84 0 0 dd 270 dip 168 z 0 4.28 x 73.89 91
; Aplicación esfuerzo sobre fondo del lago
apply szz -41.98 range x 91.1 120.9 z 0 4.28
step 1
;
; Colocación del nivel freático
; Se define la densidad primero
water den 1
203
; Se colocan varios planos de nivel freático a distintas z
water table origin -20 0 0 table normal 0 0 -1 range x 0 10
water table origin 10 0 0.25 table normal 0 0 -1 range x 10 20
water table origin 20 0 0.50 table normal 0 0 -1 range x 20 30
water table origin 30 0 0.75 table normal 0 0 -1 range x 30 40
water table origin 40 0 1 table normal 0 0 -1 range x 40 50
water table origin 50 0 2 table normal 0 0 -1 range x 50 60
water table origin 60 0 4.28 table normal 0 0 -1 range x 60 73.89
;
; Se coloca el plot para visualizar el análisis
;plot block group
plot add cont disp
;
; Solución Modelo Mohr Coulomb
solve
save ejemplo.sav
;
; Solución FOS
solve
solve fos file ejemplo.sav
ret
; Fin del cálculo
PLANOS
205
206
207
BIBLIOGRAFÍA
Alva, J. (2011). Diseño Sísmico de Presas de Tierra y Enrocado. Lima, Perú:
Universidad Nacional de Ingeniería.
Alviar, J. (2002). Evaluación de la formación de gritas transversales en los
diques de la COLM por licuación de arenas superficiales. FUNDATEC,
LACOVIC, Venezuela.
ASTM D2487. (2010). Standard Practice for Classification of Soils for
Engineering Purposes (Unified Soil Classification System). USA: American
Society for Testing and Materials International.
Brailovsky, A. E. (1992). Ecología y medio ambiente. Buenos Aires
(Argentina): Ediciones Larousse Argentina, S.A.
Badillo, J; E, Rico Rodriguez, A (2008). Mecánica de Suelos. Tomo 1:
Fundamentos de la Mecánica de Suelos. Ciudad de México, Venezuela:
Ediciones Limusa.
Bolinaga, J. (1999). Proyectos de Ingeniería Hidraúlica (Vol. 1). Caracas:
Fundacion Polar.
Bohdan, K. (1972). Geología para Ingenieros. Caracas, Venezuela:
Universidad Santa María.
Bañón, L. (1999).Manual de carreteras, Volumen I: elementos y proyecto.
Alicante, España.
Caballero, C. (2010). Verificación a la estabilidad dinámica de la presa las
Tunas. Provincia de Catamarca, Argentina: Empresa Red Ingeniería SRL.
Calzadilla, E; Luis, A. (1986). Interrelaciones de los parámetros de suelos. La
Habana (Cuba), Ediciones IPSJAE.
Centre de Recerca en Ciènces de la Terra (CRECIT). (2005). La didàctica
del riscos naturals. Terceres Jornades del CRECIT. Juliá de Lòri (Andorra).
COVENIN 1756-1. (2001). Edificaciones sismorresistentes. Parte 1:
Articulado. Caracas: Fondonorma.
208
COVENIN 2002. (1988). Criterios y acciones mínimas para el proyecto de
edificaciones. Caracas: MINDUR.
COSMO. (2013, 20 de Agosto). [Strong-motion Virtual Data Center (VDC)].
Recuperado de: http://strongmotioncenter.org/vdc/scripts/default.plx.
Duque, H; Azuaje, J; et al. (2010). Características dinámicas de los suelos de
fundación en una localidad ubicada en la península de Araya. Informe
Técnico INT- 13151,10. Intevep S.A. Los Teques.
Diáz, V. (2013). Ensayo de Veleta o Molinete, Geotecnia IC-448). Ayacucho,
Perú. Universidad Nacional San Cristóbal de Huamanga.
Echezuría, H; Celis, E; Parra, S. (1995) Análisis crítico de la confiabilidad de
los diques costaneros de la COLM. Informe técnico INT-TEIG-0054,95,
Intevep S.A. Maracaibo, Edo. Zulia.
Fernández, A. (2002). Análisis de Respuesta Dinámica, para la Represa de
Rio Blanco: Ejemplo de Microzonificación Lineal. Revista Internacional de
Desastres Naturales, Accidentes e Infraestructura Civil. Vol 2, No 1. Puerto
Rico: Geoconsul, Inc.
Fidias, A. (2006).El proyecto de Investigación, introducción a la metodología
científica, 5ta edición. Venezuela.
Fratelli, M. (1998). Edificios Altos. Caracas, Venezuela.
FUNVISIS. (2002). La Investigación Sismológica en Venezuela. Caracas,
Venezuela.
FUNVISIS. (2003). La investigación sismológica en Venezuela. Caracas:
FUNVISIS.
García, E. (2003). Identificación de secciones del dique potencialmente
susceptible al agrietamiento transversal debido a asentamiento diferencial.
Los Teques: INTEVEP.
Gunther, Fiedler. (1972). La liberación de energía en Venezuela, volúmenes
sísmicos y mapas de isosistas, Memorias del IV Congreso Geológico
Venezolano. Caracas, Venezuela.
209
Grases, J. (2005). Algunas contribuciones de Gunther Friedler a la
sismología venezolana. Revista Geográfica Venezolana, Número especial
257-266. Caracas, Venezuela.
González de Vallejo, L. Ferrer, M. Ortuño, L. Oteo, C. (2004).Ingeniería de
geológica. Madrid, España: editorial Pearson Education, S.A.
González M, Echezuría H. (1994). Resistencia al corte y análisis de
esfuerzos en los suelos de fundación del Dique COLM. Informe técnico INT-
TEIG-0044,94. Intevep S.A. Los Teques.
García, R; Eduardo, J. (2003). Identificación de secciones del dique de la
COLM potencialmente susceptibles al agrietamiento transversal debido a
asentamientos diferenciales. Informe Técnico INT-10157,03, Intevep, S.A.
Los Teques.
Gerencia de Diques y Drenajes. (2004). Descripción del sistema de
protección costanero dela COLM: Los Teques, Venezuela: INTEVEP.
Gerencia de Diques y Drenajes. (2010). Levantamiento topográfico; Dique
costanero, campo Lagunilla. Los Teques, Venezuela: INTEVEP.
Hoyos, F. (2012).Geotecnia, Diccionario Básico. Medellín, Colombia.
Korol, B. (1972). Evaluación de yacimientos de magnesita de Loma Guerra.
Nueva Esparta, Venezuela.
Lorig, L. (2011). Lecciones Aprendidas de Análisis de Estabilidad de
Taludes. Santiago de Chile (Chile): Itasca, S.A.
Ledesma, O (2012). Calibración del Cam Clay para Suelos del
postpampeano. Buenos Aires, Argentina: UBA.
Lambe, T. Whitman, R (1997). Mecánica de Suelos. Ciudad de México,
México: Editorial Limusa.
Moore, E. (1996). Volcanes y Terremotos. Maracaibo, Venezuela.
Mann, P; Castillo, N; Escalona, A. (2006). Regional geologic and tectonic
setting of the Maracaibo supergiant basin. España.
Oropeza, M; Azuaje, J. (2013). Análisis de estabilidad Post-sísmico para la
evaluación de las secciones del dique Lagunillas. Informe Técnico INT-TEIG-
14157,13. Intevep S.A. Los Teques.
210
Pertuz, V. (2011). Determinación del factor de seguridad post-sismico de las
secciones criticas del dique de la Costa Oriental del Lago de Maracaibo.
Caracas, Venezuela. Universidad Central de Venezuela.
Pereira, Z. (2002). La investigación sismológica en Venezuela. Venezuela.
PEER. (2013, 25 de Agosto). [Pacific Earthquake Engineering Research
CenterNGADatabase].Recuperadode:http://peer.berkeley.edu/nga/search.ht
ml.
Ritcher, C. (1958). Elementary seismology. New York (USA): W.H. Freeman
& Co.
Recuperado de: http://www.sigweb.cl/biblioteca/RichterMercalli.pdf.
Robertson, P; Fear, C. (1996). Liquefaction of sands and its evaluation. USA.
1st International Conference on Earthquake Geotechnical Engineering.
Strahler, A. (1960). Physical Geography. New York (USA): John Wiley &
Sons, Inc.
Sabino, C. (1992). El Proceso de Investigación. Caracas, Venezuela.
Seed, H. Idriss, I. (1971). Simplified Procedure for Evaluating Soil
Liquefaction Potential. USA: Soil Mechanics and Foundations ASCE.
SIGWEB. (2013, 13 de Septiembre) [Tablas de Richter y de Mercalli].
Sulfy, J. (1982). Microzonificación Sísmicas en la Costa Oriental del Lago de
Maracaibo. Zulia, Venezuela: MARAVEN e INTEVEP.
Sayago, N. (2002). Interpretación Estructural del Área del Sur del Lago
(Cuenca del Lago de Maracaibo). Caracas, Venezuela: USB.
Scherer, W. (2007). Evidencias geológicas de licuación reciente en capas
cuaternarias de las zonas de Lagunillas, Pueblo Nuevo y Bachaquero. Los
Teques: INTEVEP.
Therzagui, K. (1956). Theoretical Soil Mechanics. New York (USA): John
Wiley & Sons, Inc.
Trujillo, S. (2013). Ensayo Triaxial ASTM D 2850. Quito, Ecuador.
211
Universidad Central de Venezuela. (2011). (2013, 25 de Septiembre)
[EnsayodeCorteDirecto,Informen°2].Recuperadode:http://es.scribd.com/doc/
103635273/Informe-de-Mecanica-de-Suelos-II-Ensayo-de-Corte-Directo.
Universidad Nacional de Colombia. (2013, 10 de Septiembre).
[AmortiguamientoSísmico].Recuperadode:http://www.virtual.unal.edu.co/curs
os/sedes/palmira/5000155/docs curso/ contenido. html.plx.
Ugas, C. (1985). Ensayos de Laboratorio en Mecánica de Suelos: Discusión,
evaluación y procedimientos. Caracas, Venezuela: Universidad Central de
Venezuela.
U.S. Department of the Interior, Bureau of Reclamation. (1981). Diseño de
Presas Pequeñas: una publicación técnica de recursos hidraúlicos. México:
Compañía Editorial Experimental, S.A.
Youd, L., Idriss, I. (2001). Liquefaction resistance of soils: Summary report
from the 1996 NCEER and 1998 NCEER/NSF workshops on evaluation of
liquefaction resistance of soils. Geothecnical and Geoenvironment
Engineering ASCE.
Vallejo, J. (1985). Práticas de Mecánica de Suelos. Venezuela.
