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MODELO GEOTÉCNICO BASADO EN PROPIEDADES ÍNDICE SECTOR
PISCINAS TERMALES PÚBLICAS DEL MUNICIPIO DE PAIPA
HEIDI KATHERINE ALCANTAR SALAZAR
MILDRED JOHANA VARGAS LARROTTA
UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL
TUNJA
2019
MODELO GEOTÉCNICO BASADO EN PROPIEDADES ÍNDICE SECTOR
PISCINAS TERMALES PÚBLICAS DEL MUNICIPIO DE PAIPA
HEIDI KATHERINE ALCANTAR SALAZAR
MILDRED JOHANA VARGAS LARROTTA
Trabajo de investigación para optar por el título de
INGENIERA CIVIL
DIRECTOR UPTC
LESLY NATHALIE LOPEZ VALIENTE
I.C MSC Geotecnia
UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL
TUNJA
2019
Tunja, Mayo 2019
Nota de aceptación:
_____________________________
_____________________________
_____________________________
_____________________________
_____________________________
_____________________________
Firma del presidente del jurado
Firma del Jurado
Firma del Jurado
DEDICATORIA
Todo este esfuerzo está dedicado a mi Madre porque sé que ella me ayudo
en las buenas y en las malas, además de brindarme su infinito amor y
confianza a lo largo de los años para convertirme en lo que soy.
A Osvaldo por convertirse en mi Padre y un gran ejemplo a seguir, ofreciendo
siempre su cariño y tan valiosos consejos para guiar mi vida de la mejor
manera, y así mismo crecer como persona.
A mi hermana por estar siempre presente y ser la mejor compañera de vida,
por ser mi gran motivación y que veas en mí que con esfuerzo los sueños se
cumplen.
A mis abuelos, por sus enseñanzas, por los mensajes de aliento y su gran
manera de enseñarme a afrontar la vida. En general a toda mi familia por ser
un pilar fundamental y constante apoyo durante este largo camino.
Johana Larrotta
En cada etapa de mi vida he podido contar con grandes y generosas almas que
con mucho amor han dejado parte de ellas en lo que hoy día soy. Dedico no solo
mis triunfos, sino el vencer el temor de que no se puede a mis padres, ejemplo
de amor y superación. A ustedes mi infinito amor y gratitud, quienes a pesar de
los obstáculos creen plenamente en mis capacidades y me impulsan a no dejar
de soñar guiando mi camino agradeciendo a la vida por todas las alegrías y
bendiciones.
A mi hijo, que contigo de la mano todo se ha logrado y los sueños a tu lado no
son solo eso, son metas que poco a poco se ido materializando. A Camilo, mi
compañero de vida que siempre
A mis hermanos, Julián mi más constante e incondicional apoyo de vida y
Melissa, mi hermanita que teniendo un carácter tan diferente al mío me ha
enseñado que la felicidad no radica en la perfección.
A mi tía Esther, a mi prima Janeth y mi madrina Lucila quienes me han adoptado
como una hija y han contribuido diariamente en nuestro bienestar.
A mi Familia Alcántar, que ha acompañado cada etapa en mi vida. A mi familia
Salazar, que a pesar de la distancia acompaña mi crecimiento.
Heidi Katherine Alcántar
AGRADECIMIENTOS
De manera especial a nuestra tutora la ingeniera Nathalie López, por ser nuestra
guía, no solo en la elaboración de este trabajo de titulación, sino a lo largo de la
carrea universitaria. Agradecemos el compromiso por ser mejores, por involucrar
más del tiempo destinado a las asesorías, fortalecernos cuando nos
desanimábamos y por la dedicación con la que acepta cada tarea.
Agradecemos al grupo de personas que hacen parte del laboratorio de Suelo, en
especial al ingeniero Christian Pinilla que fue de gran apoyo desde el inicio en el
desarrollo de la investigación. Al ingeniero Dairo Gómez que nos permitió formar
parte de su investigación.
Finalmente, agradecemos a cada Ingeniero que a lo largo de nuestra formación
como Ingenieras fortalecieron nuestros conocimientos
RESUMEN
El presente trabajo de investigación se basa en la construcción del modelo
geotécnico teniendo en cuenta las propiedades índices del sector piscinas
termales públicas del municipio de Paipa, el cual geológicamente el sector se
localiza en el depósito aluvial en Paipa, donde se encuentran afloramientos de
agua termal. Lo anterior basados en la aplicación de métodos directos e
indirectos de exploración donde se pretende avanzar en el conocimiento de la
relación entre los dos tipos de resultados obtenidos mediante las exploraciones
mencionadas. Además, se desarrolla como proyecto enmarcado como apoyo al
trabajo de investigación de posgrado del ingeniero Dairo Gómez denominado
Modelo Geotérmico de Paipa mediante exploración del subsuelo y análisis físico
químico de aguas termales
Respecto a la exploración indirecta evaluada mediante los S.E.V, se llevaron a
cabo 5 sondeos de los cuales se distinguieron entre 4 a 5 capas de materiales
describiendo materiales arcillo-arenosos, arenosos y gravas con resistividades
entre los 10 ohmnios-m hasta los 1000 ohmnios-m.
El método directo de exploración se ejecutó manualmente mediante ensayo de
penetración estándar SPT a una profundidad de 15 metros recolectando 18
muestras con características arenosas, arcillosas y bajo contenido de gravas; a
las cuales se les realizo ensayo de caracterización de las siguientes propiedades
índice: humedad natural, relaciones volumétricas y gravimétricas, gravedad
específica, límites de atterberg, densidad relativa, granulometría entre otros...
Para determinar la relación entre los diferentes resultados obtenidos en las
exploraciones se correlacionaron la variación del peso unitario, densidad relativa,
humedad natural y porcentaje de finos respecto a la resistividad de los sondeos
geo eléctricos realizados sobre la misma zona geológica de la perforación
directa, identificando con esto los materiales presentes en la zona de estudio y
la variación de las propiedades antes descritas.
ABSTRACT
This research work is based on the application of the geotechnical model
consider by the index properties of the public thermal pools sector in the
municipality of Paipa, geologically the sector is located in the alluvial deposit in
Paipa, Where there are thermal water outcroppings. The foregoing is based on
the application of direct and indirect methods of exploration where it is intended
to advance in the knowledge of the relationship between the two types of results
obtained through the aforementioned explorations. In addition, it is developed as
a project framed as support to the work of postgraduate research of the engineer
Dairo Gómez called geothermal model of Paipa by exploration of the subsoil and
physical chemical analysis of thermal waters
With regard to the indirect exploration evaluated by the S.E. V, five surveys were
carried out, of which four to five layers of materials were distinguished describing
clay-sandy, sandy and gravel materials with resistivities between 10 ohm-M up
to the 1000 Ohm-M.
The direct method of exploration was executed manually using SPT standard
penetration test at a depth of 15 meters, collecting 18 samples with characteristic
Sandy, clayey and low-gravel characteristics; To which they were performed
characterization tests of the following properties index: Natural humidity,
volumetric and gravimetric relationships, specific gravity, limits of Atterberg,
relative density, particle size among others...
To determine the relationship between the types of results obtained in the
explorations correlated the variation of unit weight, relative density, natural
humidity and percentage of fines compared to the resistivity of the geoelectric
probes performed On the same geological zone of direct perforation, identifying
with this the materials present in the study area and the variation of the properties
described above.
CONTENIDO
INTRODUCCIÓN 16
1. OBJETIVOS 17
1.1 OBJETIVO GENERAL 17
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 17
2 ALCANCE 18
3 JUSTIFICACIÓN 19
4 MARCO REFERENCIAL 20
4.1 MARCO CONCEPTUAL 20
4.1.1 Propiedades índices y básicas 20
4.1.2 Caracterización geotécnica 20
4.1.3 Ensayos de caracterización 20
4.1.4 Relaciones gravimétricas y volumétricas 20
4.1.5 Humedad natural 23
4.1.6 Granulometría 24
4.1.7 Densidad relativa 25
4.1.8 Límites de Atterberg 26
4.1.9 Peso unitario 28
4.1.10 Gravedad específica 30
4.1.11 Correlación entre variables 31
4.2 MARCO TEORICO 31
4.2.1 Sondeo geoeléctrico 32
4.2.2 Resistividad 33
4.2.3 Correlaciones entre N y resistencia efectiva de los suelos 34
4.2.4 Modelo geotécnico 35
4.3 MARCO LEGAL 36
4.3.1 INV E-122-07 36
4.3.2 INV E - 123 - 07. 36
4.3.3 INV E – 128 – 07. Gravedad específica 36
4.3.4 INV E – 125 – 07. Límite líquido 36
4.3.5 INV E - 126 - 07. Límite plástico 37
4.3.6 INV E - 214 - 07. Cantidad de material fino que pasa el tamiz nº 200 en
los agregados 37
4.3.7 INV E N- 136 - 07- determinación de masa unitaria máxima y mínima para
el cálculo de la densidad relativa 37
5 LOCALIZACIÓN 38
5.1 GEOGRAFÍA DEL AREA DE ESTUDIO 38
5.2 GEOLOGÍA LOCAL 40
5.2.1 Formación tibasosa 40
5.2.2 Formación une 40
5.2.3 Grupo churuvita 41
5.2.4 Formación conejo 41
5.2.5 Formación plaeners 41
5.2.6 Formación los pinos 41
5.2.7 Formación guaduas 41
5.2.8 Formación labor-tierna 41
5.2.9 Brecha hidrotermal 42
5.2.10 Depósitos cuaternarios 42
5.2.11 Depósitos aluviales 42
5.3 DESCRIPCIÓN DE LA ZONA DE INTERES 43
6 DISEÑO METODOLÓGICO Y EXPERIMENTAL 45
6.1 METODOLOGÍA 45
6.1.1 Etapa A. Reunión y análisis de información 45
6.1.2 Etapa B: Recopilación de los resultados del ensayo geofísico, realizado
por Ingeniero Dairo Alexander Gómez Romero, para la propuesta de grado
maestría: Modelo Geotérmico De Paipa Mediante Exploración Del Subsuelo Y
Análisis Físico Químico De Aguas Termales 45
6.1.3 Etapa C: Acompañamiento en el trabajo de campo 45
6.1.4 Etapa D: Caracterización geotécnica en laboratorio 46
6.1.5 Etapa E: Análisis de resultados obtenidos del trabajo de laboratorio 51
6.1.6 Etapa F: Correlación de datos obtenidos por medio de los métodos
directos e indirectos de exploración 51
6.1.7 Etapa G: Conclusiones y realización del libro 51
6.2 DISEÑO EXPERIMENTAL 52
7 RESULTADOS 55
7.1 RESULTADOS DE LABORATORIO 55
7.2 RESULTADOS DE SONDEOS ELÉCTRICOS VERTICALES 9
8 ANALISIS DE RESULTADOS 9
8.1 PROPIEDADES INDICE 9
8.1.1 Humedad Natural. 9
8.1.2 Peso unitario. 10
8.1.3 Relación de Vacíos 12
8.1.4 Gravedad Específica. 12
8.1.5 Ángulo de Fricción 13
8.1.7 Granulometría. 15
8.2 CARACTERISTICAS GEOELÉCTRICAS 17
9 CORRELACIONES RESISTIVIDAD CON PROPIEDADES INDICE 22
9.1 HUMEDAD NATURAL Y RESISTIVIDAD 22
9.2 PESO UNITARIO Y RESISTIVIDAD 23
9.3 COMPACIDAD RELATIVA Y RESISTIVIDAD 24
9.4 GRANULOMETRÍA Y RESISTIVIDAD 25
10 MODELO GEOTENICO EN BASE A PROPIEDDES ÍINDICE DEL SUELO
26
10.1 PROPIEDADES GEOTÉCNICAS Y GEOELÉCTRICAS. MODELO
CONCEPTUAL 29
10.2 MODELOS MATEMÁTICOS 33
10.2.1 Resistividad y compacidad relativa 33
10.2.2 Resistividad y peso unitario 34
10.3 APLICACIÓN HERRAMIENTA ANÁLISIS GEOESTADÍSITICO 35
11 CONCLUSIONES 39
12 RECOMENDACIONES 43
BIBLIOGRAFÍA 45
ANEXO 46
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Valores típicos para peso unitario saturado de diferentes materiales 29
Tabla 2. Índice de vacíos, contenido de humedad y peso unitario seco (Coduto,
1999) 30
Tabla 3. Valores típicos de resistividad (Peck, 1974) 33
Tabla 4. Ecuaciones estimativas para parámetros de resistencia de un suelo
granular. 35
Tabla 5. Coordenadas de perforación y sondeos. 39
Tabla 6. Diseño Experimental 52
Tabla 7. Resumen de Resultados 8
Tabla 8. Resumen datos entregados de los sondeos geo eléctricos 9
Tabla 9. Comparación de Resistividad vs Profundidad de los 5 sondeos 17
Tabla 10. Propiedades del modelo 28
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Diagrama de Fases. 21
Figura 2. Definición de los límites de Atterberg 26
Figura 3. Rangos índices de liquidez 27
Figura 4. Carta de Casagrande 28
Figura 5. Valores de gravedad especifica de los materiales 31
Figura 6. Esquema ensayo geo eléctrico 32
Figura 7. Angulo de fricción real y equivalente 34
Figura 8. Localización Municipio de paipa 38
Figura 9. Piscinas Municipales de Paipa. Zona de realización de la perforación. 39
Figura 10. Mapa de Geología Municipio de Paipa 43
Figura 11. Geología del área Geotérmica de Paipa 44
Figura 12. Perforación Manual. 46
Figura 13. Evidencias ensayo de laboratorio de Humedad Natural 46
Figura 14. Evidencias ensayo de laboratorio de Limites de Atterberg 47
Figura 15. Evidencia ensayo de laboratorio Gravedad Específica 47
Figura 16. Evidencia ensayo de laboratorio Compacidad Relativa 48
Figura 17. Evidencia ensayo de laboratorio Relaciones Volumétricas y Gravimétricas.
49
Figura 18. Evidencia ensayo de laboratorio Peso Unitario. 49
Figura 19. Evidencia ensayo de laboratorio Ángulo de Fricción experimentalmente 50
Figura 20. Evidencia ensayo de laboratorio Granulometría 50
Figura 21. Evidencia ensayo de laboratorio Lavado sobre tamiz Nº200 51
Figura 22. Muestra 1, Sondeo 1. 55
Figura 23. Muestra 2, Sondeo 1 45
Figura 24. Muestra 3, Sondeo 1 45
Figura 25. Muestra 4, Sondeo 1 8
Figura 26. Muestra 5, Sondeo 1 8
Figura 27. Muestra 6, Sondeo 1 9
Figura 28. Muestra 7, Sondeo 1 9
Figura 29. Muestra 8, Sondeo 1 10
Figura 30. Muestra 9, Sondeo 1 10
Figura 31. Muestra 10, Sondeo 1 8
Figura 32. Muestra 11, Sondeo 1 8
Figura 33. Muestra 12, Sondeo 1 9
Figura 34. Muestra 13, Sondeo 1 9
Figura 35. Muestra 14, Sondeo 1 10
Figura 36. Muestra 15, Sondeo 1 10
Figura 37. Muestra 16, Sondeo 1 8
Figura 38. Muestra 17. Sondeo 1 8
Figura 39. Muestra 18, Sondeo 1 8
Figura 40. Ubicación sondeos eléctricos verticales 3 y 5 20
Figura 41. Perfil estratigráfico generado de los sondeos eléctricos 3 y 5 21
Figura 42. Ubicación sondeos eléctricos verticales 4 y 1 18
Figura 43. Perfil estratigráfico generado de los sondeos eléctricos 1 y 4 19
Figura 44. Modelo con escala 1:1000 27
Figura 45. Variación media de la resistividad eléctrica 36
Figura 46. Histograma de los valores de resistividad 37
Figura 47. Grafica normal QQ Plot 38
LISTA DE GRAFICAS
Gráfica 1. Humedad Natural vs Profundidad 9
Gráfica 2. Peso Unitario vs Profundidad 11
Gráfica 3. Relación de vacíos vs Profundidad 12
Gráfica 4. Gravedad específica vs Profundidad 13
Gráfica 5. Ángulo de fricción vs Profundidad 14
Gráfica 6. Compacidad relativa (experimental) vs Profundidad 15
Gráfica 7. Granulometría vs Profundidad 16
Gráfica 8. Resistividad Sondeo 1 vs profundidad 17
Gráfica 9. Resistividad Sondeo 2 vs Profundidad 17
Gráfica 10. Resistividad Sondeo 3 vs Profundidad 17
Gráfica 11. Resistividad Sondeo 4 vs Profundidad 17
Gráfica 12. Resistividad Sondeo 5 vs Profundidad 17
Gráfica 13. Resistividad vs Humedad Natural 22
Gráfica 14. Resistividad vs Peso unitario 23
Gráfica 15. Resistividad vs Compacidad relativa 24
Gráfica 17. Resistividad vs Porcentaje de Finos 25
Gráfica 19. Modelo: Resistividad vs Profundidad 29
Gráfica 20. Modelo: Humedad vs Profundidad 30
Gráfica 21. Modelo: Relación de vacíos vs Profundidad 30
Gráfica 22. Modelo: Limites de Atterberg vs Profundidad 31
Gráfica 23. Modelo: Gravedad específica vs Profundidad 31
Gráfica 24. Modelo: Relación de vacíos vs Profundidad 32
Gráfica 25. Modelo: Compacidad Relativa vs Profundidad 32
Gráfica 26. Modelo: Angulo de Fricción vs Profundidad 33
Gráfica 16. Tendencia Resistividad vs Compacidad Relativa 34
Gráfica 26. Tendencia Resistividad vs Peso Unitario 35
LISTA DE ANEXOS
Anexo A. Geología plancha 171 Duitama, extraída del Servicio Geológico
Colombiano. 46
Anexo B. Informe entregado de ensayos perforación manual 46
Anexo C. Informe entregado de sondeos eléctrico verticales 46
Anexo D. Humedad Natural 46
Anexo E. Peso unitario – Fases 47
Anexo F. Peso unitario – Medidor volumétrico 47
Anexo G. Relación de vacíos 47
Anexo H. Gravedad específica 47
Anexo I. Ángulo de fricción – SPT 47
Anexo J. Ángulo de fricción – Inclinómetro 48
Anexo K. Compacidad – Método experimental 48
Anexo L. Compacidad – SPT 48
Anexo M. Límites de Atterberg 48
Anexo N. Resumen límites de Atterberg 48
Anexo O. Granulometría 49
Anexo P. Clasificación del suelo 49
Anexo Q. Sondeo eléctrico 1 49
Anexo R. Sondeo eléctrico 2 49
Anexo S. Sondeo eléctrico 3 49
Anexo T. Sondeo eléctrico 4 50
Anexo U. Sondeo eléctrico 5 50
Anexo V. Resumen sondeo eléctrico 50
Anexo W. Relación humedad natural y limites de atterberg con respecto a la
profundidad 50
Anexo X. Comparación pesos unitarios 50
Anexo Y. Resumen granulometría 51
Anexo Z. Comparación ángulo de fricción 51
Anexo AA. Comparación compacidad relativa 51
Anexo BB. Correlación Resistividad y Humedad natural 51
Anexo CC. Correlación Resistividad y Peso unitario 51
Anexo DD. Correlación Resistividad y Compacidad relativa 53
Anexo EE. Correlación Resistividad y Porcentaje de finos 53
Anexo FF. Modelo matemático. Resistividad y Compacidad relativa 53
Anexo GG. Modelo matemático. Resistividad y Peso Unitario 53
Anexo HH. Modelo. ArcGis 53
16
INTRODUCCIÓN
Los estudios de caracterización geotécnica comúnmente en nuestro medio se
llevan a cabo mediante técnicas de perforación manual o mecánica, lo cual
depende de la escala de investigación que se desee alcanzar; manualmente
mediante barreno manual o calicatas y mecánicamente por percusión y lavado o
rotación.
El presente trabajo está encaminado a identificar la similitud y correlación de los
resultados obtenidos en los métodos de exploración directos e indirectos,
identificando los tipos de materiales y características de cada uno de estos
resultados.
El método de prospección física comúnmente empleado en la caracterización del
subsuelo es la geoeléctrica mediante sondeos eléctricos verticales, técnica
orientada a distinguir o reconocer formaciones geológicas localizadas en
profundidad mediante interpretaciones de la resistividad a partir de los contrastes
y anomalías que se van presentado estableciendo una distribución espacial de
los materiales y modelos característicos técnica que sirve para poder conocer en
primera instancia el subsuelo.
Si bien no se ha potencializado las ventajas de contar con la participación de
métodos directos e indirectos en estudios geotécnicos, en la presente
investigación se muestra como a partir de la caracterización en las propiedades
índice del perfil de suelo obtenido mediante la exploración directa manual y los
5 sondeos eléctricos verticales realizados cerca de la perforación se presenta
una propuesta en donde se evidencie la correlación entre características de los
suelos como humedad natural, compacidad relativa y peso unitario respecto a la
resistividad interpretada.
Igualmente se brindan recomendaciones y conclusiones de acuerdo a lo
observado para el caso específico del proyecto asimismo se logrará evidenciar
las tendencias de las propiedades geotécnicas y de resistividad que tiene el
subsuelo respecto a la profundidad
17
1. OBJETIVOS
1.1 OBJETIVO GENERAL
Realizar un modelo geotécnico en términos de sus propiedades índice para la
zona de estudio en el municipio de Paipa en el sector de las piscinas termales
públicas apoyado en datos correlativos.
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
● Analizar los resultados obtenidos a partir de los 5 sondeos indirectos
realizados en el trabajo de grado de Maestría: MODELO GEOTÉRMICO
DE PAIPA MEDIANTE EXPLORACIÓN DEL SUBSUELO Y ANÁLISIS
FÍSICO QUÍMICO DE AGUAS TERMALES, a cargo del Ingeniero DAIRO
ALEXANDER GOMEZ ROMERO.
● Interpretar mediante ensayos de caracterización (INV E - 122 - 07, INV E
- 123 - 07, INV E - 128 - 07, INV E - 125 - 07, INV E - 126 - 07, INV E -
127 - 07), ensayos de Deformabilidad (INV E - 151 - 07) y ensayos de
resistencia (INV E - 154 - 07) los materiales provenientes de perforación
directa con recuperación continua de muestras mediante barreno manual
a mínimo 10 metros de profundidad.
● Correlacionar los datos obtenidos en la perforación directa con el método
geofísico SEV el cual consta de 5 sondeos con propiedades índice (Peso
Unitario, Densidad Relativa, Humedad Natural)
18
2 ALCANCE
Para definir el proyecto de investigación se tuvieron en cuenta factores como el
alcance y limitaciones, ya que son base fundamental al momento de determinar
la viabilidad del proyecto bajo las condiciones sugeridas, en este caso la
investigación se orientó hacia la obtención de la siguiente información:
a) Tipos de material del subsuelo
b) Profundidad del nivel freático
c) Reconocimiento de la variación del subsuelo a una profundidad de mínima
de 10m por medio del ensayo de penetración estándar.
d) Correlación de la variación de los suelos horizontalmente.
e) Caracterización geotécnica del perfil estratigráfico del subsuelo.
El procedimiento del cual se extrajo la información base del estudio, fue una
perforación mediante un ensayo de penetración estándar que se realizó a una
profundidad 15 metros, paralelamente se cuenta con métodos indirectos de
exploración (Geofísicos) a partir del trabajo de grado de maestría1, del cual se
utilizó el método Geo eléctrico que consto de 5 sondeos eléctricos verticales.
En cuanto a limitación se tuvo en cuenta el tiempo que se tardó en ejecutar la
perforación en campo ya que esta información va a ser suministrada a partir del
trabajo de grado de Maestría.
Se realizó una planeación preliminar de los ensayos que se ejecutaron, sin
embargo, existió la incertidumbre si las características de los materiales
recuperados de la perforación eran las óptimas para cada procedimiento
propuesto. Adicionalmente, se tuvo en cuenta la disponibilidad del laboratorio de
suelos de la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia ya que se
desarrollaron una serie de ensayos de caracterización del material extraído al
mismo tiempo que otros trabajos investigativos y normal ejecución de horas de
laboratorio en las diferentes materias.
1 GOMEZ ROMERO, Dairo Alexander. Modelo geotérmico de paipa mediante exploración del subsuelo y análisis físico químico de aguas termales. Tesis de maestría Tunja: Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. 2018
19
3 JUSTIFICACIÓN
El planteamiento del problema de investigación ¿Cómo es el perfil del suelo en
presencia de aguas termales en la zona de piscinas termales públicas del
municipio de Paipa y cuáles son las características geotécnicas? del modelo
geotécnico en base a propiedades índice, surgió en base a la necesidad de
fortalecer y apoyar un proceso más general denominado Modelo Geotérmico de
Paipa mediante exploración del subsuelo y análisis físico químico de aguas
termales. A través de la resolución del interrogante enunciado, proyecto que
actualmente se encuentra vinculado al Departamento Administrativo de Ciencia,
Tecnología e Innovación, Colciencias, contribuyendo en el posicionamiento del
país generando innovación y competencia mediante la vinculación de diferentes
investigaciones promueve una cultura donde se valora el conocimiento.
Al establecer la necesidad de identificar unas tipologías en el subsuelo propias
de una zona, los métodos de exploración, son la herramienta justa para ello ya
que tienen como fin determinar un conocimiento razonable de las características
del subsuelo, mediante la definición de la disposición de los materiales y
propiedades físicas de cada uno. Estos métodos de exploración, directos e
indirectos son el conjunto de operaciones de campo y laboratorio necesarias
para obtener esta información, de acuerdo a lo anterior esta investigación
pretende investigar correlaciones entre estos métodos.
En el presente trabajo investigativo se cuenta con información de exploración
directa (perforación manual) e indirecta (5 Sondeos Eléctricos Verticales) para la
determinación de las estructuras geotécnicas y sus propiedades en el área de
estudio. Sin embargo, no en todos los contextos tiene acceso a estas
herramientas, por lo cual, en el actual trabajo se proyecta establecer una base
teórica que facilite un proceso correlativo y comparativo entre los métodos
descritos anteriormente debido a que en la literatura existente se cuenta con
poca información al respecto.
20
4 MARCO REFERENCIAL
Para el desarrollo de la investigación es necesario conocer ciertos conceptos,
los más relevantes se desarrollarán a continuación.
4.1 MARCO CONCEPTUAL
A continuación, se van a encontrar los conceptos más importantes con respecto
a las propiedades y características más importantes que se utilizaron para la
creación del modelo geotécnico.
4.1.1 Propiedades índices y básicas. Las propiedades índices y básicas de
los suelos generalmente incluyen volumen-peso, relaciones de humedad-
densidad, densidad relativa, granulometría, límites de Atterberg y contenido de
material orgánico2, la definición de estas tiene como fin diferenciar distintos tipos
de suelo de una misma categoría. En este sentido, dos suelos de idéntico origen
con diferentes propiedades índice, pueden presentar diferente comportamiento
como terreno de cimentación o material de construcción.
4.1.2 Caracterización geotécnica. Consiste en la asignación de parámetros
físicos, mecánicos y químicos a las diferentes unidades geológicas que se
pueden distinguir en el subsuelo, mediante ensayos de laboratorio o in-situ y así
pode clasificarlas.
4.1.3 Ensayos de caracterización. Para la identificación de un suelo en
laboratorio se utilizan diferentes procedimientos de ensayo; relaciones
volumétricas de los suelos, humedad natural, límites de consistencia, peso
unitario, gravedad específica, análisis granulométrico, densidad y coeficientes de
permeabilidad.
4.1.4 Relaciones gravimétricas y volumétricas. El suelo consta de tres fases
de acuerdo a el grado de saturación que posea las cuales son: sólido (posee
fragmentos de roca o en algunos casos material orgánico), líquido y gaseoso
2 HUNT, Roy E. Geotechnical Engineering Investigation Handobook. Second Edition. 2005
21
(comprenden los volúmenes de vacíos del suelo); el siguiente diagrama varía
con cada tipo de suelo así: si este se encuentra totalmente saturado este tendrá
únicamente dos fases, que son líquido y sólido; pero si el suelo se encuentra
semi saturado se presentaran las tres fases observadas en el diagrama; y por
último cuando se tiene un suelo seco se presentaran las fases de gaseoso y
sólidos.
Figura 1. Diagrama de Fases.
Fuente. AMERATUNGA, Jay, SIVAKUGAN, Nagaratnam y M. DAS, Braja.
Correlations of soil and rock properties in geotechnical Engineering. Springer
(India). 2016
En el esquema anterior se encuentran en la parte izquierda las relaciones con
respecto al volumen y en la derecha las relaciones de peso que son:
Vt: Volumen total
𝑉𝑡 = 𝑉𝑉 + 𝑉𝑆 ( 1 )
Vv: Volumen de vacíos
𝑉𝑉 = 𝑉𝐴 + 𝑉𝑊 ( 2 )
Vs: Volumen de sólidos
Vw: Volumen de agua
22
Va: Volumen de aire
Wt: Peso total
𝑊𝑡 = 𝑊𝑆 + 𝑊𝑊 ( 3 )
Wa: Peso del aire
Ww: Peso del agua
Ws: Peso de sólidos
Teniendo las anteriores relaciones es posible determinar las siguientes
propiedades con respecto libro de Apuntes de Geotecnia básica del Ingeniero
Oscar Ramírez:
Porosidad: es una relación dada en porcentaje entre el volumen de vacíos y
volumen total.
𝜂 =𝑉𝑉
𝑉𝑡∗ 100 (%)
( 4 )
Esta propiedad define el índice de velocidad con el que el agua puede atravesar
el suelo, más conocida como la permeabilidad.
Relación de vacíos o índice de poros: es la relación entre el volumen de
espacios vacíos y el volumen de solidos
ℯ =𝑉𝑉
𝑉𝑆
( 5 )
Para un mismo suelo se pueden determinar ℯ𝑚𝑎𝑥 (corresponde al estado más
suelto del suelo), ℯ𝑚𝑖𝑛(se refiere al estado denso del suelo) y ℯ𝑖𝑛𝑡. Con respecto
al valor obtenido con esta relación se puede obtener el índice de deformación
que puede deformación del suelo.
Grado de Saturación: es la porción de espacios vacíos de un suelo que
contiene un fluido. Se expresa como el porcentaje de volumen de vacíos de
una muestra que está llena de agua.
𝑆 =𝑉𝑤
𝑉𝑡∗ 100 (%)
( 6 )
23
Contenido de Humedad: es la cantidad de agua que se encentra en un suelo
respecto a la masa de sólidos:
𝓌 =𝑊𝑤
𝑊𝑠∗ 100 (%)
( 7 )
Esta medida sirve para prever comportamientos de deformación y cambios
volumétricos por adición o disminución en el contenido de humedad.
4.1.5 Humedad natural. Es la propiedad que determina la cantidad de agua que
posee un suelo. Este se puede hallar tanto para muestras alteradas como
inalteradas3. El contenido de humedad se determina con la siguiente ecuación:
𝑤 =𝑃1 − 𝑃2
𝑃2 − 𝑃3∗ 100
( 8 )
Dónde:
P1: Peso de la muestra húmeda + recipiente
P2: Peso de la muestra seca + recipiente
P3: Peso del recipiente
El agua presente en el suelo depende del tamaño de las partículas que lo
componen, la cantidad de materia orgánica y establece su consistencia junto con
sus límites líquidos y plástico4.
La consistencia de un suelo se define como la capacidad que tiene un suelo de
mantener las partes del conjunto integradas, indicando cuanto pueden fluir sin
romperse y depende del contenido de agua y mineralogía5.
Los límites de atterberg describen los diferentes estados que presenta un suelo
fino o granular debido a la influencia de su contenido de agua en el
comportamiento mecánico de estos, es decir, se relacionan con la cantidad de
3 RAMIREZ, Oscar. Apuntes de Geotecnia Básica. Segunda Edición. 4 FUNDACION PARA EL CONOCIMIENTO MADRIMASD.ORG. El Agua en el Suelo 4: Textura del Suelo y Propiedades Hídricas. Disponible (en línea): https://www.madrimasd.org/blogs/universo/2006/07/05/33887 5 DUQUE ESCOBAR, Gonzalo, ESCOBAR POTES, Carlos Enrique. Geomecanica. Universidad Nacional de Colombia – Sede Manizales. Capítulo 4. Plasticidad de los suelos
24
humedad que logran absorber definiendo los estados de consistencia que
presenta.6
4.1.6 Granulometría. Para el estudio de los suelos, el tamaño de los granos que
lo componen varía de gran manera, por lo cual es necesario clasificarlo de
acuerdo a la distribución granulométrica.
Con respecto al tipo de suelo que se posea se deben realizar diferentes ensayos
de laboratorios, como el tamizado por diferentes filtros para materiales gruesos
o el ensayo de hidrómetro cuando se van a estudiar suelos finos.
Análisis por medio de tamizado: este se realiza tomando una cantidad
medida de suelo seco pulverizado y pasándolo por medio de una serie de
mallas con aperturas cada vez más pequeñas. Se mide la cantidad de
suelo retenido y se determina el porcentaje acumulado del suelo que pasa
por cada una7.
Ensayo de hidrómetro: es basado en el principio de sedimentación de un
suelo en el agua. Para realizar este ensayo se basa en la ley de Stokes,
la cual dice que, si en un recipiente cualquiera se introduce material, la
sedimentación se produce a una velocidad proporcional al peso de las
partículas.8 Con la siguiente ecuación se determina el tamaño de las
partículas del suelo:
𝐷 = √18𝜂
(𝐺𝑆 − 1)𝛾𝑤
√𝐿
𝑡
( 9 )
Donde:
D: diámetro de la partícula del suelo
𝐺𝑆: gravedad específica de los sólidos del suelo
η: viscosidad del suelo
𝛾𝑤: peso unitario del agua
L: longitud efectiva
t: tiempo
6 RODRIGUEZ PUENTES, Jorge Isaac. Método para determinar el limite plástico en suelos con un limite liquido alto. Tesis Pregrado. Bogotá. Universidad de los Andes. 2013. 7 AMERATUNGA, Jay, SIVAKUGAN, Nagaratnam y M. DAS, Braja. Correlations of soil and rock properties in geotechnical Engineering. Springer (India). 2016 8 RAMIREZ, Oscar. Apuntes de Geotecnia Básica. Segunda Edición.
25
Con respecto a la ecuación presentada anteriormente se determina el porcentaje
de suelo fino.
4.1.7 Densidad relativa. El estado de “empaquetamiento” que presenta un suelo
granular, no cohesivo y que permite el drenaje es relativo a los granos dentro del
mismo y se cuantifica a través de la propiedad de densidad relativa Dr (también
conocida como Id. índice de densidad). La densidad relativa es una medida de
cuán densamente (o sin apretar) los granos se envasan dentro de una
distribución específica de tamaño de grano. Al definir esta propiedad en un suelo
granular permite establecer su resistencia y rigidez, y determina la relación de
vacíos máxima y la densidad seca mínima, que se producen en el estado más
libre posible, indicándose con emax y ρd,min, respectivamente. La relación de
vacíos mínimos y la densidad seca máxima que tienen lugar en el estado más
denso posible se indican con emin y ρd,max, respectivamente. Ellos son fácilmente
obtenibles en ensayos de laboratorio.
A continuación, se presenta como se define la densidad relativa en función de la
relación de vacíos máxima, insitú y mínima:
𝐷𝑟(%) =𝑒𝑚𝑎𝑥 − 𝑒
𝑒𝑚𝑎𝑥 − 𝑒𝑚𝑖𝑛∗ 100 ( 10 )
Y en función de la densidad seca máxima, densidad seca mínima y densidad
seca in-sitú:
𝐷𝑟(%) =𝜌𝑑,𝑚𝑎𝑥
𝜌𝑑∗
𝜌𝑑 − 𝜌𝑑,𝑚𝑖𝑛
𝜌𝑑,𝑚𝑎𝑥 − 𝜌𝑑,𝑚𝑖𝑛∗ 100 ( 11 )
Sin embargo, a no todos los suelos granulares se les puede atribuir el termino
de densidad relativa, ya que al establecer la granulometría de este si presenta
más de 15% de finos se denominaría Compacidad Relativa9. Lo cual también se
refiere a la determinación de la masa unitaria máxima y mínima para el cálculo
de la densidad relativa norma Invias 136-07, donde especifica que el
procedimiento no aplica para muestra que contenga más de un 10% del material
que pase por el tamiz 0.075 mm (No.200).
9 AMERATUNGA, Jay, SIVAKUGAN, Nagaratnam y M. DAS, Braja. Correlations of soil and rock properties in geotechnical Engineering. Springer (India). 2016
26
4.1.8 Límites de Atterberg. se realizan con la finalidad de caracterizar el suelo
que por lo general son arcillosos. Teniendo en cuanta la cantidad de agua que
posee el suelo se determina el estado en el que se encuentra el mismo, como lo
muestra la siguiente figura:
Figura 2. Definición de los límites de Atterberg
Fuente. Fundamentos de ingeniería de cimentaciones. Braja M. Das. Séptima
Edición. 2012
Como se muestra en la figura, de acuerdo al contenido de humedad y los puntos
donde cambio de estado se denominan:
LC - Límite de contracción: a partir del contenido de los cambios de
contenido de humedad la muestra presentará cambios volumétricos, los
cuales son reflejados como agrietamientos.
LP – Limite plástico: es el punto en el que el suelo deja de comportarse
como un material semisólido y pasa a ser un material plástico, lo que
implica que si se llegan a imprimir esfuerzos este obtendrá deformaciones
permanentes.
LL – Límite líquido: caso en el que el suelo comienza a comportarse como
un fluido debido a su contenido de humedad, por lo que el material se
comportará como un fluido viscoso.
27
Con respecto a los limites se proceden a determinar los índices que son de ayuda
para la caracterización del suelo. Los índices son:
Índice Plástico: es la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico
𝐼𝑝 = 𝐿𝐿 − 𝐿𝑃 ( 12 )
Índice de Liquidez: es la consistencia de un suelo en estado natural.
𝐼𝐿 =𝑤 − 𝐿𝑃
𝐼𝑃
( 13 )
De acuerdo con el valor que este posea se puede caracterizar el suelo como: No
plástico, plástico o líquido viscoso; como lo muestra la siguiente figura:
Figura 3. Rangos índices de liquidez
Fuente. RAMIREZ, Oscar. Apuntes de Geotecnia Básica. Segunda Edición.
Índice de consistencia: establece la consistencia del material con respecto a la
humedad que posea:
𝐼𝐿 =𝐿𝐿 − 𝑤
𝐼𝑃
( 14 )
Teniendo la caracterización completa de los materiales se debe emplear la carta
de plasticidad de Casagrande con el fin de conocer el tipo de material.
28
Figura 4. Carta de Casagrande
Fuente. CLASIFICACIÓN UNIFIACADA DE SUELOS. Ing. Mateus Lazo, Ing.
Marvin Blanco
Los límites de atterberg describen los diferentes estados que presenta un suelo
fino o granular debido a la influencia de su contenido de agua en el
comportamiento mecánico de estos, es decir, se relacionan con la cantidad de
humedad que logran absorber definiendo los estados de consistencia que
presenta.10
4.1.9 Peso unitario. El peso unitario esta dado como la relación entre el peso
de la muestra por unidad de volumen, de acuerdo a esto, esta propiedad
depende del contenido de agua del suelo.
𝛾 =𝑊
𝑉
( 15 )
Este puede variar desde el estado seco (γd) hasta un estado saturado (γsat), los
demás valores se determinan de acuerdo al porcentaje de humedad del suelo.
10 RODRIGUEZ PUENTES, Jorge Isaac. Método para determinar el limite plástico en suelos con un límite liquido alto. Tesis Pregrado. Bogotá. Universidad de los Andes. 2013.
29
Peso unitario saturado, que corresponde a un material que se encuentra
100% saturado y corresponde al máximo peso unitario que se puede
poseer la muestra.
𝛾𝑠𝑎𝑡 =𝑊
𝑉
( 16 )
A continuación, se encuentras los valores típicos del peso unitario saturado.
Tabla 1. Valores típicos para peso unitario saturado de diferentes materiales
Fuente. Elaboración propia en base: AMERATUNGA, Jay, SIVAKUGAN,
Nagaratnam y M. DAS, Braja. Correlations of soil and rock properties in
geotechnical Engineering. Springer (India). 2016. P.17.
Peso unitario seco, es el que presenta la muestra en condiciones secas,
por lo que será el menor peso unitario que presente la misma.
𝛾𝑑 =𝑊𝑠
𝑉
( 17 )
En la siguiente tabla se representan los valores típicos de peso unitario seco.
TIPO DE SUELO PESO UNITARIO SATURADO
(kN/m3)
SUELTO DENSO
Suelos granulares
Grava 20.0 21.0
Arena bien gradada y grava
21.5 23.0
Arena gruesa o mediana
20.0 21.5
Arena bien gradada 20.5 22.5
Arena fina o limosa 20.0 21.5
Relleno con roca 19.5 21.0
Bloque duro 16.5 19.0
Relleno con escoria 18.0 20.0
Relleno con ceniza 13.0 15.0
30
Tabla 2. Índice de vacíos, contenido de humedad y peso unitario seco (Coduto, 1999)
Fuente. Proyectos y apuntes teórico-prácticos de Ingeniería Civil. Relaciones de
peso. Disponible (en línea): https://www.ingenierocivilinfo.com/20101/relione s–
de–peso.html
4.1.10 Gravedad específica. Es la relación entre el peso de sólidos y el peso de
un volumen de agua igual al volumen de sólidos.11
𝐺𝑠 =𝑊𝑆
𝑉𝑆 ∗ 𝛾𝑤
( 18 )
Para la mayoría de los suelos, esta propiedad se encuentra entre el rango de 2.6
y 2.8. Para materiales más ricos en minerales puede llegar a un valor de 4.0 o
incluso más grande y para materiales más livianos pueden ser significativamente
menor con respecto al rango dado.
Determinar la gravedad especifica del material es necesaria para establecer las
características índices de los suelos tales como: la porosidad, relación de vacíos,
saturación.
De acuerdo con los valores que se encuentren de esta propiedad es posible
determinar los minerales de los que puede estar compuesto, como se puede
observar en la siguiente figura:
11 RAMIREZ, Oscar. Apuntes de Geotecnia Básica. Segunda Edición.
31
Figura 5. Valores de gravedad especifica de los materiales
Fuente. RAMIREZ, Oscar. Apuntes de Geotecnia Básica. Segunda Edición.
4.1.11 Correlación entre variables. Es una técnica estadística usada para
determinar la relación entre dos o más variables. La correlación puede ser de al
menos dos variables o de una variable dependiente y dos o más independientes,
denominada correlación múltiple.12
4.2 MARCO TEORICO
La resistividad es un elemento importante para la creación del modelo
geotécnico, por tal motivo a continuación se profundizará en cuanto a su utilidad
y como esta permite determinar el material que se encuentra en la zona de
estudio.
12 S, Gustavo Ramón. Correlación entre variables. Apuntes de clase del curso Seminario Investigativo Vl. Investigador Instituto Universitario de Educación Física. Medellín. Universidad de Antioquia
32
4.2.1 Sondeo geoeléctrico. Los sondeos geo eléctricos permiten estudiar la
constitución y posición de los sedimentos, socas y agua subterránea, utilizando
la resistividad eléctrica a través de la profundidad. Este método permite
suministrar información cuantitativa de las propiedades conductoras del
subsuelo y se puede determinar aproximadamente la distribución de su
resistividad. El método de resistividades permite el estudio de fallas, filones,
zonas de contacto, entre otros.
Una medición geo eléctrica, cualquiera que ella sea, se efectúa desde la
superficie del terreno mediante una disposición de cuatro electrodos, colocados
de manera lineal generalmente en forma simétrica respecto a un punto central.
En esencia, el método consiste en que a través de un par de electrodos (A,B) se
hace pasar una corriente eléctrica por el subsuelo y esto produce una caída
potencial, comúnmente llamada perdida de voltaje, que se mide entra pareja de
electrodos (M,N). El aumento de la distancia entre los electrodos significa una
penetración mayor de la corriente en el subsuelo (l).
Las resistividades medidas en campo resultan em la llamada curva de campo la
cual es procesada con el software adecuado para obtener la resistividad
verdadera y el espeso de cada capa.13
Figura 6. Esquema ensayo geo eléctrico
Fuente. ENSAYOS GEO-ELÉCTRICOS. Ulloa & Diez Ltda.
13 ULLOA & DIEZ LTDA. Ensayos Geo-Eléctricos. Disponible [en línea] URL: https://sites.google.com/a/ulloaydiez.com/www/ensayos-electricos
33
El método geo eléctrico es probablemente el más utilizado para investigaciones
a poca profundidad y muy especialmente para la búsqueda de napas freáticas o
reservorios de agua, teniendo en cuenta que esta puede variar de acuerdo al
contenido de humedad en el transcurso del tiempo.
Pese a que este método es efectivo en cuanto a la detección de agua e interpreta
los diferentes tipos de material del subsuelo no puede hacer una interpretación
detallada de los mismos; por lo cual no puede llevarse a cabo correlaciones
directas entre la resistividad y las propiedades geotécnicas, ya que como se
mencionó anteriormente un estudio geo eléctrico dará unos resultados de
resistividad del suelo en un tiempo puntual (con un contenido de humedad)
mientras que los parámetros geotécnicos son características invariables a pesar
de la presencia de agua.
4.2.2 Resistividad. Consiste en la colocación de una corriente eléctrica a través
del suelo y mediciones de la resistencia. La presencia de humedad y sales
disueltas dentro de los poros del suelo o la roca controlan generalmente, la
conductividad aparente de los materiales14. De acuerdo a la variación de la
humedad, las resistividades tienden a ser bajas en épocas de lluvia y altas en
épocas secas.
De acuerdo a la resistividad que posea la muestra está se podrá clasificar en
algún tipo de material como lo muestra la siguiente tabla:
Tabla 3. Valores típicos de resistividad (Peck, 1974)
Material Resistividad (ohm-cm)
Arena o limo saturado 0 – 10.000
Arcilla Arenosa 10.000 – 25.000
Arena Arcillosa 25.000 – 50.000
Arena 50.000 – 150.000
Grava 150.000 – 500.000
Roca meteorizada 100.000 – 200.000
Roca sana 150.000 – 4.000.000
Fuente. SUAREZ DIAZ, Jaime. Deslizamientos y estabilidad de taludes en zonas
tropicales. 1 ed. Bucaramanga: Ingeniería de Suelos Ltda. Julio de 1998.
14 SUAREZ DIAZ, Jaime. Deslizamientos y estabilidad de taludes en zonas
tropicales. 1 ed. Bucaramanga: Ingeniería de Suelos Ltda. Julio de 1998.
34
4.2.3 Correlaciones entre N y resistencia efectiva de los suelos. Al establecer
el comportamiento geotécnico de un suelo, particularmente de un suelo granular
se hace necesario evaluar la propiedad característica, la fricción interna “ɸ’”,
definida como, el máximo ángulo que garantiza el reposo de un material granular,
depende de factores como el tamaño de los granos, forma de los granos,
distribución de los tamaños de granos y densidad.
Existen numerosas correlaciones entre N y ɸ’, pero, antes de mencionar algunas
de ellas, es conveniente discutir cual valor de ɸ’ es el que se está obteniendo.
Dado que la mayor parte de estas correlaciones fueron obtenidas con materiales
granulares, para los cuales usualmente c’=0, lo que realmente se obtiene es las
relaciones entre esfuerzos cortantes y esfuerzos normales efectivos, es decir:
Figura 7. Angulo de fricción real y equivalente
Fuente. GONZALEZ G, Álvaro J. Estimativos de parámetros efectivos de
resistencia con el SPT. Facultad de Ingeniería. Bogotá. Universidad Nacional.
Con lo anterior, algunas relaciones entre ɸ’eq y N1, son las siguientes y para uso
en Colombia, se deben transformar a una energía e= 45% con el siguiente
resultado:
35
Tabla 4. Ecuaciones estimativas para parámetros de resistencia de un suelo granular.
𝑃𝑒𝑐𝑘 ɸ′𝑒𝑞 = 28.5 + 0.25𝑥𝑁145
𝑃𝑒𝑐𝑘, 𝐻𝑎𝑛𝑠𝑜𝑛 𝑦 𝑇ℎ𝑜𝑟𝑛𝑏𝑢𝑟𝑛 ɸ′𝑒𝑞 = 26.25𝑥(2 − exp (−𝑁145
62)
𝐾𝑖𝑠ℎ𝑖𝑑𝑎 ɸ′𝑒𝑞 = 15 + (12.5𝑥𝑁145)0.5
𝑆𝑐ℎ𝑒𝑚𝑒𝑟𝑡𝑚𝑎𝑛𝑛 ɸ′𝑒𝑞 = arctan [(𝑁145
43.3)
0.34
]
𝐽𝑎𝑝𝑎𝑛 𝑁𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 𝑅𝑎𝑖𝑙𝑤𝑎𝑦 (𝐽𝑁𝑅) ɸ′𝑒𝑞 = 27 + 0.1875𝑥𝑁145
𝐽𝑎𝑝𝑎𝑛 𝑅𝑜𝑎𝑑 𝐵𝑢𝑟𝑒𝑎𝑢 (𝐽𝑅𝐵) ɸ′𝑒𝑞 = 15 + (9.375𝑥𝑁145)0.5
Fuente. GONZALEZ G, Álvaro J. Estimativos de parámetros efectivos de
resistencia con el SPT. Facultad de Ingeniería. Bogotá. Universidad Nacional.
4.2.4 Modelo geotécnico. En un modelo geotécnico se deben representar las
propiedades físicas y mecánicas también se debe precisar la profundidad del
material y la extensión que se tiene del mismo, esto se realiza con la finalidad de
conocer y mejorar las condiciones determinantes de un lugar para así tomar
decisiones en cuanto al diseño de una obra civil.
Dicho modelo geológico debe incluir:
La información de los sondeos que se realizaron, con la profundidad de
cada uno y la ubicación del nivel freático (si se encuentra)
Identificación del terreno en estado natural.
Incluir la información de cada uno de los ensayos de laboratorio que se
deben realizar, como límites de atterberg, granulometría, ensayos de
resistencia, ensayos de deformabilidad o ensayos químicos; todo
depende del tipo de material que se esté estudiando.
Datos obtenidos de los ensayos geofísicos que se realicen que pueden
ser métodos eléctricos o métodos sísmicos.
En el análisis de estabilidad de taludes15, Suarez, sugiere 2 tipos de modelos
para analizar los problemas de estabilidad de taludes: Conceptuales y
determinísticos. El primero describe analiza y valora las causas y mecanismos
que producen un fenómeno, explicando en base a sus características como es
el modelo, mientras el modelo el segundo debe ser la representación matemática
del modelo conceptual.
15 WWW.EROSION.COM.CO. SUAREZ DIAZ, Jaime. Mecanismos de falla de los taludes. Disponible [en línea]: http://www.erosion.com.co/presentaciones/category/45-tomo-i.html?download=445:librodeslizamientosti-cap2
36
4.3 MARCO LEGAL
Para el desarrollo de los diferentes ensayos de laboratorio se debe tener en
cuenta la normatividad que compete a cada ensayo que se realizará, con esto
se manejara la norma INVIAS del año 2007, las cuales se encargan de
reglamentar los estudios de laboratorio que se realizan a los suelos y
pavimentos, con la finalidad de conocer las características de los materiales que
se están utilizando y la calidad de los mismos. Las normas que son aplicables
en este caso son:
4.3.1 INV E-122-07 Humedad. En base al procedimiento descrito en la norma se
va a determinar en contenido de agua que presenta el suelo, la cual será
expresada en porcentaje (%) y está definida como la relación entre la masa del
agua y la masa de las partículas sólidas.
4.3.2 INV E - 123 - 07. Granulometría. La finalidad de este ensayo es realizar
un análisis de la distribución de tamaños de las partículas del suelo. Para
conocer su tamaño el material primero debe realizar una preparación a la
muestra y luego se procede a ser será tamizado por diferentes tipos de tamices,
descritos en la norma
.
4.3.3 INV E – 128 – 07. Gravedad específica. La gravedad específica se define
como la relación entre la masa de un cierto volumen de sólidos a una temperatura
dada y la masa del mismo volumen de agua y libre de gas. Esta gravedad es
necesaria para distintos cálculos como la realización del diagrama de fases. En
la realización de este procedimiento se debe utilizar un picnómetro el cual se
debe calibrar antes del procedimiento, después de tener esto se prepara la
muestra y se realiza el procedimiento que se encuentra en la norma.
4.3.4 INV E – 125 – 07. Límite líquido. El límite líquido es el contenido de agua,
expresado en porcentaje respecto al peso del suelo seco, que delimita la
transición entre el estado líquido y plástico de un suelo remoldeado o amasado.
Para la realización de este ensayo primero se debe hacer una preparación de la
muestra, la cual debe ser mezclada con agua destilada. Luego de tener la
muestra lista es necesario el uso de una cazuela de Casagrande y ranurador
curvo. Para este caso se va a emplear el método A descrito en la norma.
37
4.3.5 INV E - 126 - 07. Límite plástico. Se le llama plasticidad a la propiedad
que presentan algunos suelos de modificar su consistencia en función de la
humedad; esta característica se da en suelos finos como arcillas y limos. Para
determinar este límite se deben realizar una serie de rollos con la mezcla de
material y agua de un diámetro aproximado de 3mm. Teniendo este límite es
posible determinar el índice de plasticidad es cual corresponde a la diferencia
entre el limite líquido y limite plástico.
4.3.6 INV E - 214 - 07. Cantidad de material fino que pasa el tamiz nº 200 en
los agregados. Este ensayo se realiza con la finalidad de determinar la cantidad
de material fino que pasa por el tamiz Nº 200 en un agregado. La norma describe
dos procedimientos para realizar este ensayo, pero de acuerdo al material que
se encontró se realizará el lavado con agua natural sin necesidad de agregar
ningún tipo de agente humectante.
4.3.7 INV E N- 136 - 07- determinación de masa unitaria máxima y mínima
para el cálculo de la densidad relativa. La densidad relativa se utiliza para
indicar el grado de compactación de un suelo, es empleado generalmente para
gravas y arenas o en materiales con partículas que no pasan el tamiz Nº200.
Para realizar este ensayo de laboratorio es necesario el uso de un molde, martillo
de compactación, embudo, horno y tamices entre otros.
38
5 LOCALIZACIÓN
5.1 GEOGRAFÍA DEL AREA DE ESTUDIO
Municipio situado en el centro-riente de Colombia. Administrativamente se
encuentra en la provincia de Tundama del departamento de Boyacá. Cuenta,
según los datos del censo de 2005, con una población de 27.274 habitantes, lo
que la convierte en la sexta ciudad más poblada de Boyacá.
Figura 8. Localización Municipio de paipa
Fuente. Mapa base Pagina Alcaldía de Paipa-Boyacá. Disponible [en línea]:
Paipa-boyaca.gov.co. Adaptado por autores
La zona a estudiar se encuentra en cercanías a las piscinas municipales, en
donde hay afloramiento de aguas termales en las siguientes coordenadas:
39
Tabla 5. Coordenadas de perforación y sondeos.
NÚMERO DE
PERFORACIÓN/SONDEO
COORDENADAS
NORTE
COORDENADAS
ESTE
PERFORACIÓN MANUAL
1 5º44’57’’ -73º06’43’’
SONDEOS ELECTRICOS VERTICALES
1 5º45’42’’ -73º06’37’’
2 5º45’25’’ -73º06’25’’
3 5º45’12’’ -73º06’32’’
4 5º45’40’’ -73º06’31’’
5 5º45’14’’ -73º06’40’’
Fuente. Elaboración Propia
A continuación, se encuentra la ubicación de los sondeos eléctricos verticales y
perforación manual
Figura 9. Piscinas Municipales de Paipa. Zona de realización de la perforación.
Escala 1:1000
Fuente. Elaboración propia mediante software ArcGIS
40
5.2 GEOLOGÍA LOCAL
El municipio de Paipa se localiza en la parte axial de la Cordillera oriental de
Colombia, en una región cuyo basamento lo componen rocas metamórficas y
sedimentarias del Paleozoico, así como las intrusivas y extrusivas del jurásico
que afloran en el Macizo de Floresta, hacia el NE de Paipa.16
En la zona afloran rocas sedimentarias jurásicas en estructuras regionales como
el anticlinal de Arcabuco. Se presentan también rocas del Paleógeno y depósitos
inconsolidados del Neógeno y Cuaternario.
La litología que presenta la zona es especialmente afloramientos volcánicos y
pueden tener relación con la fuente de calor del sistema geotérmico. El área de
estudio se encuentra ubicada en la parte sur de Paipa por lo que se van a
caracterizar algunas de las unidades geológicas a partir de la plancha 171, la
cual se encuentra en el Anexo A. A continuación, se describe la litología de la
zona:
5.2.1 Formación tibasosa (Kt): yace sobre las rocas antiguas de la región, en
el borde del valle de Sogamoso el contacto inferior es con la formación Girón, en
donde se presenta un pequeño ángulo de discordancia. Al SE de Paipa el
conjunto denominado Miembro del Calcáreo superior (Kmt1), compuesto por
shales oscuros, calizas y areniscas, ricos en restos fósiles (Renzoni 1981 y
Rosas 1983).
5.2.2 Formación une (Ku): aparece hacia el oriente del área con niveles
predominantemente duros en morfología alomada a escarpada. Se observa n
afloramientos de capas delgadas a gruesas con laminación cruzada de areniscas
cuarzosas de grano tamaño grueso a fino según conformen paquetes más
espesos o delgados. Se presentan intercalaciones relativamente abundantes de
shale pardo a gris en capas finas a gruesas. (Renzoni 1981)
16 INGEOMINAS, Informe Técnico Cartografía Geología y Estructural Sector Sur del Municipio de Paipa. Bogotá. 2003
41
5.2.3 Grupo churuvita (Kch): aflora con intercalaciones de capas delgadas con
estratificación plana paralela continua de shale negro con areniscas cuarzosas
de grano fino, con niveles abundantes de glauconita, muscovita, restos fósiles
de bivalvos, escamas de peces e ichnofósiles, también algunos niveles de caliza.
(Rezoni y Rosas 1983).
5.2.4 Formación conejo (Kc): es una sucesión de shales negros con
intercalaciones de areniscas, limolitas y calizas. En la zona aflora en capas
medias a muy gruesas de shale negro con intercalaciones delgadas de areniscas
cuarzosas de grano fino. (Renzoni 1981)
5.2.5 Formación plaeners (Kpl): esta formación hace parte del grupo
Guadalupe, unidad ampliamente distribuida en el Altiplano Cundiboyacense.
Aflora en capas delgadas a medias de liditas silíceas intensamente fracturadas,
con niveles ricas en fosforitas, foraminíferos, escamas y restos de peces.
(Renzoni 1981)
5.2.6 Formación los pinos (Klp): En la zona predominan los paquetes blandos
de limolitas negras a verdes en capas medias a muy gruesas con intercalaciones
de areniscas cuarzosas en capas medias a delgadas en estratificación ondulada
paralela. (Díaz & Sotelo 1995)
5.2.7 Formación guaduas (KPgg): aflora como arcillolitas y limolitas color
violeta, gris y crema en capas medias a gruesas y con intercalaciones
abundantes de areniscas cuarzosas, de grano fino en capas medias a muy
delgadas con estratificación ondulada paralela continua con óxidos de hierro.
(Renzoni, 1981)
5.2.8 Formación labor-tierna (Klt): La unidad se presenta en morfología
alomada con capas medias a muy gruesas de arenisca cuarzosa de grano
grueso a fino, redondeado a subredondeado; madura y friable. Es posible que
esta exposición corresponda con la sucesión superior de areniscas de la
Formación Labor-Tierna de (Renzoni, 1981)
42
5.2.9 Brecha hidrotermal (Qhh): se trata de un material anómalo por su
exposición en medio de limolitas y carbones de la Formación Guaduas y que es
explotado como puzolana en la cantera de El Durazno. En el afloramiento se
distinguen fragmentos angulares de variado tamaño, de liditas, areniscas
cuarzosas y carbón en matriz de arcilla silícea. Se interpreta como resultado de
una explosión de vapor que trituró y arrastro fragmentos de las formaciones
Plaeners, Los Pinos, Labor Tierna y Guaduas. Se le asigna una edad cuaternaria
ya que se infiere como correspondiente a una fase tardía de los eventos
volcánicos.17
5.2.10 Depósitos cuaternarios: estos depósitos se encuentran extendidos en
la depresión que marca el nacimiento del río Chicamocha, incluyendo zonas
bajas como la del Pantano de Vargas, Lago Sochagota y El Salitre al sur de
Paipa. Se trata de depósitos de arenas, limos, arcillas y conglomerados
correspondientes a la actividad más reciente de tipo aluvial, lecuestre y fluvio-
lacustre, los cuales estarían descansando en forma discordante sobre la
formación Tilatá. 18
5.2.11 Depósitos aluviales: La conformación de los depósitos aluviales
corresponden a la concentración mecánica fluvial la cual sucede cuando la
velocidad del río disminuye súbitamente, depositándose los granos más pesados
en el fondo. De acuerdo a lo anterior, este material tiene como característica que
el tamaño de grano disminuye desde el fondo hacia la superficie19. Entre los
materiales que se compone el depósito se distinguen las arenas de grano con
tamaño variable, arcillolitas de color gris oscuro, limolitas y en algunos casos
niveles conglomeráticos20.
En la siguiente figura, que identifica la geología local del municipio se localiza la
zona de estudio.
17 INGEOMINAS, Informe Técnico Cartografía Geología y Estructural Sector Sur
del Municipio de Paipa. Bogotá. 2003 18 INGEOMINAS, Informe Técnico Cartografía Geología y Estructural Sector Sur del Municipio de Paipa. Bogotá. 2003 19 INGEOMINAS, Caracterización de Depósitos Aluviales con Manifestaciones de Tantalio y Niobio (“Coltán”) en las Comunidades Indígenas De Matraca y Caranacoa, Departamento Del Guainía. Bogotá. 2011 20 VELANDIA NOSSA, Fabio Andrés. Estudio geológico-geofísico para la búsqueda de aguas subterráneas y pre diseño de un pozo, vereda Toibita, Paipa Boyacá. 2015. Facultad seccional Sogamoso. Escuela de Ingeniería Geológica
43
Figura 10. Mapa de Geología Municipio de Paipa
Fuente. POT Municipio de Paipa
5.3 DESCRIPCIÓN DE LA ZONA DE INTERES
El área de estudio corresponde a la zona geotérmica de Paipa la cual cuenta con
extensión de 130km2. En la zona se presenta afloramientos de rocas
sedimentarias de edad cretácica (formaciones Tibasosa, Une, Churuvita,
Conejo, Plaeners, Los Pinos, Labor y Tierna y Guaduas), de edad Paleógena
(Formación Bogotá), Neógena (Tilata) y Cuaternaria (depósitos aluviales,
lacustres y fluvio-lacustres) y una brecha Hidrotermal.
44
Figura 11. Geología del área Geotérmica de Paipa
Fuente. Cartografía 1:25.000, Velandia (2003); cartografía de vulcanitas,
Cepeda & Pardo (2004); Cartografía de domos (RuedaGutiérrez, 2016).
En general, estas formaciones sedimentarias están conformadas por niveles de
areniscas, arcillolitas, limolitas, con excepción de las formaciones Labor y Tierna
y Plaeners, caracterizadas por el dominio de arenitas cuarzosas y liditas silíceas
fracturadas, respectivamente. Algunas de las formaciones de esta secuencia
presentan particularidades como la presencia de mantos de carbón (Formación
Guaduas), capas de lignito (Formación Tilatá), niveles de calizas (Tibasosa,
Churuvita, Conejo, Los Pinos) y niveles de shales (Tibasosa, Churuvita, Conejo).
El basamento está conformado por rocas metamórficas (filitas, esquistos y
gnéises).21
21 SERVICIO GEOLÓGICO COLOMBIANO. Actualización del Modelo Conceptual del Área Geotérmica de Paipa. Bogotá, enero 2017.
45
6 DISEÑO METODOLÓGICO Y EXPERIMENTAL
El diseño metodológico de una investigación define y describe un proceso que
tiene como fin la resolución de un interrogante. En este caso la metodología fue
una herramienta que permitió delimitar el alcance de las etapas en la
investigación y establecer objetivos.
6.1 METODOLOGÍA
Las actividades que se establecieron para el desarrollo de la investigación que
describen como se generó, recolecto y analizó son las siguientes:
6.1.1 Etapa A. Reunión y análisis de información. En esta etapa se recopiló
la información primaria de la zona (geología y topografía…), a partir de POT
(Plan de Ordenamiento Territorial Paipa, 2010) e INGEOMINAS (Servicio
Geológico Colombiano, 2003), a partir de investigaciones seleccionándose las
más afines de acuerdo a los objetivos.
6.1.2 Etapa B: Recopilación de los resultados del ensayo geofísico,
realizado por Ingeniero Dairo Alexander Gómez Romero, para la propuesta
de grado maestría: Modelo Geotérmico De Paipa Mediante Exploración Del
Subsuelo Y Análisis Físico Químico De Aguas Termales. El análisis de los
sondeos eléctricos verticales fue suministrado por parte del trabajo de
investigación de Maestría Modelo Geotérmico De Paipa Mediante Exploración
Del Subsuelo Y Análisis Físico Químico De Aguas Termales.
6.1.3 Etapa C: Acompañamiento en el trabajo de campo. En el procedimiento
realizado en campo se llevó a cabo el reconocimiento de la zona de estudio en
donde se ejecutó la perforación manual mediante el Ensayo de Penetración
Estándar (SPT) a 15m de profundidad obteniendo 18 muestras alteradas.
La perforación se realizó en las coordenadas 5º44’57’’N 73º06’43’’W, por la
empresa SERVICIOS DE INGENIERÍA LTDA el día 16 de agosto del año 2018,
esta fue realizada por los perforadores Andrés Duque y Edilson Rojas, en los
Anexos B se encuentran los resultados entrega
46
Figura 12. Perforación Manual.
Fuente. Elaboración Propia
6.1.4 Etapa D: Caracterización geotécnica en laboratorio. Se recibieron 18
muestras alteradas de la perforación manual y se realizaron los siguientes
ensayos de caracterización de propiedades índice de acuerdo con la
normatividad INVIAS y bibliografía:
Humedad Natural: este laboratorio realizó para todas las muestras que se
tenían (18 muestras)
Figura 13. Evidencias ensayo de laboratorio de Humedad Natural
Fuente. Elaboración Propia
47
Límites de Atterberg: se realizó limite líquido para las muestras de 1 a 5 y
de 10 a 18 con un total de 14 ensayos, mientras que para limite plástico
se realizaron para las muestras 1, 2, 3, 5, 12 y 16 con un total de 6
ensayos.
Figura 14. Evidencias ensayo de laboratorio de Limites de Atterberg
Fuente. Elaboración Propia
Gravedad Específica: en este caso se realizan una totalidad de 18
ensayos de laboratorio, uno por cada muestra obtenida.
Figura 15. Evidencia ensayo de laboratorio Gravedad Específica
Fuente. Elaboración Propia
48
Compacidad Relativa: de acuerdo a las propiedades que se necesitaban
obtener para determinación de la compacidad relativa, densidad mínima
y máxima, con referencia en el peso unitario de relaciones volumétricas y
gravimétricas. El ensayo de laboratorio se realizó a las muestras 2, 3, 5,
10, 11, 12, 14, 16 y 18 con un total de 9 ensayos de acuerdo a la muestra
disponible.
Figura 16. Evidencia ensayo de laboratorio Compacidad Relativa
Fuente. Elaboración Propia
En donde a partir de volúmenes conocidos en el caso de la máxima
relación de vacíos se depositó el material seco para luego determinar la
masa evaluada en la unidad de volumen.
En cuanto a la mínima relación de vacíos, con ayuda de un material
plástico se depositó el material seco por capas, 3 en total, mediante
golpes en el recipiente se reacomodaron las partículas y entre capas se
apisonaba el material con ayuda de una varilla de 1” hasta que el material
sufriera la menor acomodación de partículas.
Relaciones Volumétricas y Gravimétricas22: para la realización de este
laboratorio se tuvieron en cuenta las muestras 2, 3, 5, 10, 11, 12, 14, 16 y
18 con un total de 9 ensayos.
22 RAMIREZ, Oscar. Apuntes de Geotecnia Básica. Segunda Edición.
49
Figura 17. Evidencia ensayo de laboratorio Relaciones Volumétricas y
Gravimétricas.
Fuente. Elaboración Propia
Peso Unitario mediante medidor volumétrico de densidad en campo: para
determinar esta propiedad se utilizaron las muestras 2, 3, 5, 10, 11, 12,
14, 16 y 18 con un total de 9 ensayo.
Figura 18. Evidencia ensayo de laboratorio Peso Unitario.
Fuente. Elaboración Propia
50
Angulo de Fricción: este ensayo de aproximación se realizó mediante un
inclinómetro23 desarrollado en trabajo de investigación, este ensayo se
realizó a las 18 muestras que se tenían.
Figura 19. Evidencia ensayo de laboratorio Ángulo de Fricción
experimentalmente
Fuente. Elaboración Propia
Granulometría: el ensayo de laboratorio se realizó para las 18 muestras
que se tenían.
Figura 20. Evidencia ensayo de laboratorio Granulometría
Fuente. Elaboración Propia
23 Trabajo a cargo de estudiantes en el área de mecánica de rocas en Maestría en Geotecnia. 2011
51
Lavado sobre tamiz Nº200: para la realización de este ensayo se utilizaron
las 18 muestras que se tenía.
Figura 21. Evidencia ensayo de laboratorio Lavado sobre tamiz Nº200
Fuente. Elaboración Propia
6.1.5 Etapa E: Análisis de resultados obtenidos del trabajo de laboratorio.
En base a los procedimientos de cálculo sugeridos en la normatividad INVIAS se
tabularon los resultados de las propiedades índice y posteriormente la
clasificación del suelo verificando que correspondan las bases teóricas con
respecto a las obtenidas experimentalmente para poder generar el modelo
geotécnico en conjunto a los resultados suministrados de los sondeos eleéctricos
verticales.
6.1.6 Etapa F: Correlación de datos obtenidos por medio de los métodos
directos e indirectos de exploración. A partir de la resistividad propia del suelo
se establecerá la variación de las propiedades índice en función de la
profundidad, generando tendencias entre estas. Analizando el comportamiento
que presenta cada uno con respecto a la resistividad, mediante expresiones
matemáticas.
6.1.7 Etapa G: Conclusiones y realización del libro. modelo
52
6.2 DISEÑO EXPERIMENTAL
El alcance de un proyecto se limita mediante la definición de unos objetivos, si bien permiten establecer cuáles van a ser los
resultados del trabajo el estimar como vamos a evaluarlos también proporcionan al investigador herramientas de análisis muy
rigurosas que garantizan, si se aplican los métodos adecuados, que los resultados obtenidos sean más confiables24
Tabla 6. Diseño Experimental
PARAMETROS
PROCESO VARIABLES
INDEPENDIENTES VARIABLES DEPENDIENTES RESULTADOS
Modelo Geotécnico Basado en
Propiedades Índice Sector Piscinas
Públicas del Municipio de Paipa
Ensayos de Caracterización
Humedad Natural Interpretar mediante ensayos de caracterización (INV E-122-07,
INV E-123-07, INV E – 128 – 07, INV E – 125 – 07, INV E – 126 – 07, INV E – 127 – 07), ensayos de Deformabilidad (INV E – 151 – 07) y ensayos de resistencia
(INV E – 154 – 07) los materiales provenientes de perforación
directa con recuperación continua de muestras mediante
barreno manual a mínimo10 metros de profundad.
Características
geológicas, Topográficas…
presentes en la zona
Gravedad Específica
Angulo de fricción (Inclinómetro)
Granulometría
Límites de Atterberg
Tipo de Suelo Relaciones volumétricas y gravimétricas
Peso Unitario (In sitú)
Analizar los resultados obtenidos
a partir de los 5 sondeos
24 MEDINA SUÁREZ, María Nuncia. La investigación aplicada a proyectos. Volumen l Identificación del proyecto y formulación de la investigación. Segunda Edicion.2014. Pág. 14.
53
Resistividad Eléctrica
indirectos realizados en el trabajo de grado de Maestría: MODELO GEOTÉRMICO DE
PAIPA MEDIANTE EXPLORACION DEL
SUBSUELO Y ANÁLISIS FÍSICO QUÍMICO DE AGUAS
TERMALES, a cargo del Ingeniero DAIRO ALEXANDER
GOMEZ ROMERO.
Perforación directa Manual
Correlacionar los datos obtenidos en la perforación
directa con el método geofísico sondeos eléctricos verticales el cual consta de 5 sondeos con
propiedades índice (Peso Unitario, Densidad Relativa,
Humedad Natural)
Resistividad
Eléctrica Propiedades
Índice del Suelo
Peso Unitario Humedad Natural
5 sondeos Eléctricos Verticales Compacidad Relativa
Fuente. Elaboración Propia
54
En la medición y análisis del Modelo Geotécnico Basado en Propiedades Índice
Sector Piscinas Públicas del Municipio de Paipa (objetivo general), la
herramienta con la que se dota a la investigación para generar resultados afines
(Características geológica, Topográficas… presentes en la zona, Perforación
directa Manual, 5 Sondeos Eléctricos Verticales). Con el objeto de caracterizar
al proyecto mediante variables que pueden o no variar a partir a los resultados
que se intentan obtener, objetivos específicos (Interpretar mediante ensayos de
caracterización (INV E-122-07, INV E-123-07, INV E – 128 – 07, INV E – 125 –
07, INV E – 126 – 07, INV E – 127 – 07), ensayos de Deformabilidad (INV E –
151 – 07) y ensayos de resistencia (INV E – 154 – 07) los materiales provenientes
de perforación directa con recuperación continua de muestras mediante barreno
manual a mínimo 10 metros de profundad, Analizar los resultados obtenidos a
partir de los 5 sondeos indirectos realizados en el trabajo de grado de Maestría:
MODELO GEOTÉRMICO DE PAIPA MEDIANTE EXPLORACION DEL
SUBSUELO Y ANÁLISIS FÍSICO QUÍMICO DE AGUAS TERMALES, a cargo
del Ingeniero DAIRO ALEXANDER GOMEZ ROMERO y Correlacionar los datos
obtenidos en la perforación directa con el sondeo eléctrico vertical el cual consta
de 5 sondeos con propiedades índice (Peso Unitario, Densidad Relativa,
Humedad Natural)). Y estableciendo el concepto de variable como una
característica que puede tomar valores diferentes y además los cambios
ocurridos en dicha característica pueden ser medidos. Conviene para el proceso
de investigación distinguir variables que puedan ser probables en términos de
otras, es decir, variables independientes (Tipo de Suelo y Resistividad Eléctrica)
las cuales establecerán un resultado a partir de la alteración de las variables
dependientes (Ensayos de Caracterización, Resistividad Eléctrica y Propiedades
Índice del Suelo).
55
7 RESULTADOS
Para la caracterización de la zona se realizaron ensayos de caracterización a 18
muestras alteradas, también se recopilaron los resultados de los sondeos
eléctricos entregados en el estudio25.
7.1 RESULTADOS DE LABORATORIO
Se encuentra una descripción general de cada muestra, especificando el tipo de
suelo y las propiedades índice encontradas en cada una.
Muestra 1
Figura 22. Muestra 1, Sondeo 1.
Fuente. Elaboración Propia
Con una profundidad de 0.4m este
material presenta las siguientes
propiedades:
Humedad Natural: 17.8%
Gravedad específica: 2.62
Ángulo de fricción: 25º
Limite Liquido: 33.08 %
Limite Plástico: 22.14 %
Índice Plástico: 10.95 %
Al tacto presenta gravas y arcillas de
un color gris.
Su composición granulométrica
presenta un mayor porcentaje de
finos. De acuerdo con lo anterior este
suelo se clasifica según la norma
INVIAS como arcilla de baja
plasticidad CL.
25 GOMEZ ROMERO, Dairo Alexander. Modelo geotérmico de paipa mediante exploración del subsuelo y análisis físico químico de aguas termales. Tesis de maestría Tunja: Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. 2018
45
Muestra 2
Figura 23. Muestra 2, Sondeo 1
Fuente. Elaboración Propia
Tiene una profundidad de 0.9 m y
posee las siguientes propiedades:
Humedad Natural: 19.2%
Gravedad especifica: 2.71
Peso Unitario: 19.60 kN/m3
Relación de vacíos: 0.61
Compacidad Relativa: 89.53%
Ángulo de Fricción: 22º
Limite liquido: 43.19 %
Limite plástico: 28.32 %
Índice Plástico:14.87 %
Tiene un color gris con presencia de
algunas gravas con presencia de
arcillas. Presenta una granulometría
con mayor presencia de finos. Se
clasifica según la norma INVIAS como
un limo orgánico ML
Muestra 3
Figura 24. Muestra 3, Sondeo 1
Fuente. Elaboración Propia
Se encuentra a una profundidad de
1.5m y posee las siguientes
propiedades:
Humedad Natural: 8.4 %
Gravedad especifica: 2.66
Relación de vacíos: 0.41
Peso Unitario: 19.92 kN/m3
Compacidad Relativa: 97.21%
Ángulo de Fricción: 31º
Limite Liquido: 31.66 %
Limite Plástico: 28.47 %
Índice Plástico: 3.19 %
Se encontraron dos tipos de
muestras, una contiene una cantidad
de gravas de un color café y la otra es
similar a una arena de color gris.
Este material presenta de acuerdo
con la granulometría una mayor
cantidad de arenas. Lo anterior
permite clasificar según la norma
INVIAS el suelo como arenas limosas
SM
8
Muestra 4
Figura 25. Muestra 4, Sondeo 1
Fuente. Elaboración Propia
Posee una profundidad de 2.1m y lo
caracterizan las siguientes
propiedades:
Humedad Natural: 7.1%
Gravedad específica: 2.63
Ángulo de fricción: 27º
Limite liquido: 17.88
Este material presenta un tono café y
al tacto parece contener trozos de
arcilla, pero una mayor cantidad de
arenas.
Este material por tener una
granulometría con una mayor
cantidad de arenas, lo que no permite
determinar algunas propiedades y se
clasifica según la norma INVIAS como
arena arcillosa SC.
Muestra 5
Figura 26. Muestra 5, Sondeo 1
Fuente. Elaboración Propia
Está a una profundidad de 2.8m. y
contiene las siguientes
características:
Humedad Natural: 16.9 %
Relación de Vacíos: 0.66
Gravedad específica: 2.64
Peso Unitario: 19.30kN/m3
Compacidad relativa: 96.37%
Ángulo de fricción: 27º
Limite liquido: 29.37%
Limite plástico:18.6%
Índice Plástico: 10.77 %
Se obtuvo un gran trozo de arcilla de
tonalidad oscura junto con arenas
sueltas de tonalidad gris.
De acuerdo con la granulometría, este
material posee una mayor cantidad de
gravas y se clasifica según la norma
INVIAS como una arcilla de baja
plasticidad CL
9
Muestra 6
Figura 27. Muestra 6, Sondeo 1
Fuente. Elaboración Propia
Extraída a una profundidad de 4.0m y
presenta las siguientes propiedades:
Humedad Natural: 20.1 %
Gravedad especifica: 2.61
Ángulo de Fricción: 24º
De tonalidad café oscuro, esta
muestra presenta al tacto una alta
cantidad de arenas y pequeña
presencia de arcillas, lo cual se
corrobora con la granulometría
determinada de la misma; por esta
misma razón no fue posible
determinar la totalidad de sus
propiedades. De acuerdo con la
norma INVIAS este suelo se clasifica
como una Arena Arcillosa SC
Muestra 7
Figura 28. Muestra 7, Sondeo 1
Fuente. Elaboración Propia
Encontrada a una profundidad de
4.5m comprende las siguientes
propiedades:
Humedad Natural: 18.0%
Gravedad especifica: 2.68
Ángulo de Fricción: 24º
Posee una tonalidad gris compuesta
en su mayoría por arenas y un poco
presencia de arcillas. De acuerdo con
la granulometría determinada esta
contiene un mayor porcentaje de
arenas y de acuerdo con la norma
INVIAS se clasifica como Arenas
Arcillosa SC
10
Muestra 8
Figura 29. Muestra 8, Sondeo 1
Fuente. Elaboración Propia
Extraída a una profundidad de 5.5m
posee las siguientes propiedades:
Humedad Natural:37.9%
Gravedad Específica: 2.62
Ángulo de fricción: 24º
El aumento abrupto de la humedad
se debe a que el nivel freático se fue
encontrado a los 5.0m.
Al tacto está compuesta en mayor
cantidad por arenas y una pequeña
parte de arcilla. Presenta tonalidad
oscura entre grises y cafés. Con
respecto a la granulometría
encontrada contiene en mayor
porcentaje arenas, sabiendo esto se
clasifica como una Arena Arcillosa
SC según la normatividad INVIAS.
Muestra 9
Figura 30. Muestra 9, Sondeo 1
Fuente. Elaboración Propia
Se encuentra a 6.2m de profundidad
y tiene las siguientes propiedades:
Humedad natural: 18.8%
Gravedad específica: 2.67
Ángulo de fricción: 24º
Este material presenta un color gris
oscuro y pequeños fragmentos cafés,
al tacto se encuentra compuesto en
su mayoría por arenas, lo cual se
corrobora con la granulometría
determinada. Según la norma INVIAS
este material se clasifica como Arena
Arcillosa SC.
8
Muestra 10
Figura 31. Muestra 10, Sondeo 1
Fuente. Elaboración Propia
Tiene una profundidad de 7.4m y se
encontraron las siguientes
propiedades:
Humedad Natural: 32.8%
Gravedad especifica: 2.65
Peso Unitario: 17.90 kN/m3
Relación de vacíos: 0.95
Compacidad Relativa: 87.12%
Ángulo de Fricción: 24º
Limite liquido: 16.66 %
Este material tiene una tonalidad gris
y está compuesta en su mayoría por
arenas. De acuerdo a la
granulometría calculada está
dispuesta en su mayoría con arenas,
pero también tiene un alto porcentaje
de finos. Acorde a la norma INVIAS
se clasifica como una Arena Arcillosa
SC.
Muestra 11
Figura 32. Muestra 11, Sondeo 1
Fuente. Elaboración Propia
Está a una profundidad de 8.0m y se
aprecian las siguientes propiedades:
Humedad Natural: 24.0%
Gravedad especifica: 2.67
Peso Unitario: 19.0 kN/m3
Relación de vacíos: 0.71
Compacidad Relativa: 77.71%
Ángulo de Fricción: 24º
Limite liquido: 16.15 %
Posee una tonalidad oscura entre
grises y cafés, ya al tacto se presenta
una muy pequeña cantidad de
gravas, pero en su mayoría eran
arenas. Según la granulometría
calculada esta compuesta en mayor
porcentaje de arenas. De acuerdo a
la norma INVIAS el suelo se clasifica
como Arena Arcillosa SC.
9
Muestra 12
Figura 33. Muestra 12, Sondeo 1
Fuente. Elaboración Propia
Extraída a una profundidad de 8.5m
posee las siguientes propiedades:
Humedad Natural: 18.0 %
Gravedad especifica: 2.61
Peso Unitario: 19.80 kN/m3
Relación de vacíos: 0.52
Compacidad Relativa: 46.96%
Ángulo de Fricción: 25º
Limite liquido: 20.91 %
Limite plástico: 13.88%
Índice plástico: 7.03%
Este fue el único shelby que se
extrajo de la zona de estudio, en su
mayoría está compuesto por arcilla
de tonalidad gris. De acuerdo con la
granulometría tiene un mayor
porcentaje de arenas. Se clasifica
como una Arena Arcillosa SC de
acuerdo a la norma INVIAS
Muestra 13
Figura 34. Muestra 13, Sondeo 1
Fuente. Elaboración Propia
Está a una profundidad de 8.9m y
tiene las siguientes propiedades:
Humedad Natural: 13.3 %
Gravedad especifica: 2.57
Ángulo de Fricción: 26º
Limite liquido: 17.91 %
Material compuesto principalmente
por arenas al tacto y una muy
pequeña cantidad de arcillas, de
tonalidad café oscura.
Con respecto a la granulometría
calculada presenta un mayor
porcentaje de arenas y en menor
cantidad se encuentran los finos, con
una mínima presencia de gravas. Se
clasifica como una Arena Arcillosa
SC según la norma INVIAS
10
Muestra 14
Figura 35. Muestra 14, Sondeo 1
Fuente. Elaboración Propia
Con una profundidad 10.6m el
material presenta las siguientes
propiedades:
Humedad Natural: 21.5 %
Gravedad especifica: 2.72
Peso Unitario: 18.90 kN/m3
Relación de vacíos: 0.81
Compacidad Relativa: 83.86%
Ángulo de Fricción: 18º
Limite liquido: 19.95 %
Al tacto la muestra esta compuesta
por arenas y pequeños fragmentos
de arcillas de tonalidades entre gris y
café.
Según la granulometría calculada
contiene un alto porcentaje de arenas
un poco menor de finos y una mínima
parte de gravas. Se clasifica según la
norma INVIAS como una Arena
Arcillosa SC
Muestra 15
Figura 36. Muestra 15, Sondeo 1
Fuente. Elaboración Propia
Extraída a una profundidad de 12m,
presenta las siguientes propiedades:
Humedad Natural: 21.2 %
Gravedad especifica: 2.76
Ángulo de Fricción: 24º
Limite liquido: 17.36 %
En apariencia la muestra presenta
arenas y pequeños fragmentos de
arcilla, de color gris.
Con respecto a la granulometría
calculada tiene un alto porcentaje de
arenas y una menor cantidad de
finos. Se clasifica según la norma
INVIAS como una Arena Arcillosa.
8
Muestra 16
Figura 37. Muestra 16, Sondeo 1
Fuente. Elaboración Propia
Se encuentra a una profundidad de
13m, con las siguientes propiedades:
Humedad Natural: 21.2 %
Gravedad especifica: 2.77
Peso Unitario: 18.80 kN/m3
Relación de vacíos: 0.81
Compacidad Relativa: 89.87%
Ángulo de Fricción: 16º
Limite liquido: 29.94 %
Limite plástico: 21.04%
Índice plástico: 8.91%
Se encontró un fragmento compuesto
principalmente de arcilla de tonalidad
café oscura.
De acuerdo con la granulometría está
compuesta en mayor porcentaje por
arenas, una menor cantidad de finos
y una mínima parte de gravas. Con
respecto a lo anterior se clasifica
como una Arena Arcillosa SC de
acuerdo a la normatividad INVIAS.
Muestra 17
Figura 38. Muestra 17. Sondeo 1
Fuente. Elaboración Propia
Se encuentra a una profundidad de
13.7m y posee las siguientes
propiedades:
Humedad Natural: 27.4 %
Gravedad especifica: 2.74
Ángulo de Fricción: 21º
Limite liquido: 23.37 %
Al tacto el material contiene algunos
fragmentos de arcilla de color café
claro y arenas con una tonalidad mas
oscura.
Según la granulometría encontrada el
material tiene un alto porcentaje de
arenas, en menor cantidad están los
finos y una muy pequeña parte de
gravas. De acuerdo con la norma
INVIAS se clasifica el suelo como una
Arena Arcillosa SC
8
Muestra 18
Figura 39. Muestra 18, Sondeo 1
Fuente. Elaboración Propia
Extraída a una profundidad de 15m,
tiene las siguientes características:
Humedad Natural: 1652 %
Gravedad especifica: 2.7
Peso Unitario: 19.70 kN/m3
Relación de vacíos: 0.58
Compacidad Relativa: 96.56%
Ángulo de Fricción: 22º
Limite liquido: 18.76 %
Al tacto está compuesto por arenas y
fragmentos de arcillas, con una
tonalidad café oscura.
De acuerdo con la granulometría
calculada contiene un alto porcentaje
de arenas y una menor cantidad de
finos. Se clasifica como una Arena
Arcillosa SC según la norma INVIAS.
8
Tabla 7. Resumen de Resultados
Fuente. Elaboración propia
9
7.2 RESULTADOS DE SONDEOS ELÉCTRICOS VERTICALES
Tabla 8. Resumen datos entregados de los sondeos geo eléctricos
Sondeo Coordenada
Norte Coordenada
Este Capa
Profundidad Resistividad
aparente Interpretación
(Metros) (Ohmios*m)
1 5º45`42" (-)73º06`37"
1 0 – 0.89 36.95 Suelo arcilloso
2 0.89 – 3.34 12.23 Arenas y gravas parcialmente saturadas
3 3.34 – 101.3 18.84 Arenas y gravas parcialmente saturadas
4 101.3 – ∞ 34.11 Arcillas
2 5º45`25" (-)73º06`25"
1 0 – 2.14 21.3 Suelo arcilloso
2 2.14 – 11.8 15.1 Arenas y gravas parcialmente saturadas
3 11.8 – 58.5 10.3 Arenas y gravas parcialmente saturadas
4 58.5 – ∞ 27.7 Arcillas
3 5º45`12" (-)73º06`32"
1 0 – 0.75 173 Suelo arenoso
2 0.75 – 1.59 1020 Cantos y gravas
3 1.59 – 3.21 47.8 Arcillas
4 3.21 – 63.8 403 Arenas compactas
5 63.8 – ∞ 13.7 Arenas y gravas parcialmente saturadas
4 5º45`40" (-)73º06`31"
1 0 – 1.17 42.5 Suelo arcilloso
2 1.17 – 3.18 14.9 Arenas y gravas parcialmente saturadas
3 3.18 – 82.8 22.5 Arcillas
8
5 82.8 – ∞ 35 Arcillas
5 5º45`14" (-)73º06`40"
1 0 – 0.87 190 Suelo arenoso
2 0.87 – 1.90 1069 Cantos y gravas compactas
3 1.90 – 3.75 50.8 Arcillas
4 3.75 – 63.3 404.4 Arenas compactas
5 63.3 – ∞ 22.85 Arenas y gravas parcialmente saturadas
Fuente. Elaboración propia
Los datos fueron extraídos del informe entregado por el ingeniero Dairo Alexander Gómez Romero que utilizó para su tesis de
maestría Modelo Geotérmico De Paipa Mediante Exploración Del Subsuelo Y Análisis Físico Químico De Aguas Termales,
dicho informe se encuentra en el Anexo C.
9
8 ANALISIS DE RESULTADOS
La finalidad de la investigación es encontrar un modelo geotécnico en donde se
relacionen las propiedades índices del área de estudio de acuerdo a la
identificación de materiales reconocida en la prospección eléctrica.
8.1 PROPIEDADES INDICE
8.1.1 Humedad Natural. La humedad natural como se indicó en el marco
referencial es el contenido de agua presente en la porción de suelo, teniendo en
cuenta esto se expone a continuación los resultados obtenidos para este
parámetro.
El comportamiento de la humedad natural vs la profundidad (Anexo D) se
evidencia que el máximo valor de esta propiedad se encuentra a 5 m
aproximadamente. La variación de los limites de Atterberg se encuentra en los
Anexos M y Anexo N.
Gráfica 1. Humedad Natural vs Profundidad (Anexo W)
0 10 20 30 40 50
0.4
0.9
1.5
2.1
2.8
7.4
8
8.5
8.9
10.6
12
13
13.7
15
Limite de atterberg - Humedad Natural (%)
Pro
fun
ida
d (
m)
L ì m i tes de a t t e r be rg - W n ( %) VS Pr o f und idad ( m )
LL
LP
IP
wn
10
Fuente. Elaboración propia
Teniendo en cuenta los resultados presentados en la gráfica 1 para los ensayos
de humedad natural y límites de consistencia se puede observar que en las
primeras muestras en comportamiento del suelo tiende a ser semisólido al
encontrarse la humedad natural por debajo de los p de liquidez y plasticidad;
comportamiento que cambia después de los 7 metros de profundidad
aproximadamente donde se evidencia que la humedad natural es igual y el
algunos casos superior a los límites de consistencia generando con eso un
cambio de comportamiento de plástico a líquido.
De acuerdo a lo anterior el suelo encontrado podría ser susceptible de
deformación ante la aplicación de cargas o antes los cambios de volumen que
se pueden presentar.
En la caracterización del suelo, al definir el tipo de partículas presentes en el
mismo y su relación con el contenido de humedad es fundamental, el cual lleva
a cabo mediante procedimientos definidos según la norma para la determinación
de los límites de atterberg en los que se refleja para la presente investigación
que las muestras de una profundidad de 0 - 2.8m (muestras 1 a 5) y 7.4 – 15m
(muestras 10 a 18) evidenciaron limite líquido. Mientras que las muestras que
presentaron limite plástico fueron 1, 2, 3, 5, 12 y 16 ya que el material presente
en la zona es arenoso.
8.1.2 Peso unitario. Esta propiedad depende del contenido de humedad que
posea el suelo, los espacios de aire y peso de las partículas sólidas, de acuerdo
con esto a medida que la humedad aumenta, el peso unitario tiende a disminuir
y cuando el contenido de solidos aumente en determinada masa de suelo el
espacio disponible para las fases de agua y aire es menor. En el Anexo E se
presentan los datos encontrados del peso unitario realizado por medio de fases
y en el Anexo F el peso unitario realizado con el medidor volumétrico
11
Gráfica 2. Peso Unitario vs Profundidad (Anexo X)
Fuente. Elaboración propia
Según lo anterior y debido a la variación entre los dos ensayos realizado para la
obtención del parámetro de peso unitario se trabajará con el peso unitario
obtenido por medio de relaciones de fase teniendo en cuenta que este involucra
mayores parámetros en su obtención, sin embargo, el peso unitario medido en
laboratorio por medio del medidor volumétrico de densidad en campo será tenido
en cuenta únicamente para evidenciar el cambio de este en relación con la
profundidad.
De acuerdo a lo observado en la gráfica 2 se evidencia que el suelo presenta sus
valores máximos en superficie y a una profundidad aproximada de 8 metros
indicando con esto que los suelos en estas profundidades son más resistentes y
por ende más densos. En las demás profundidades se observar un
comportamiento similar en los valores de peso unitario encontrándose un rango
de 18 a 19 KN/m3.
Los datos obtenidos para el peso unitario en condiciones secas la literatura
consultada establece valores tipo descritas en la tabla 2, las tres primeras
muestras a las que se realizó el ensayo de laboratorio se pueden clasificar como
arenas limosas densas con excepción de la muestra 4 que se clasifica como una
arena limosa suelta.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00P
rofu
nd
ida
d (
m)
Peso Unitario ( kN/m3 )
Peso Unitario ( kN/m3 ) Vs Profundidad ( m )
PESOUNITARIOMEDIDOR kN/m3
12
8.1.3 Relación de Vacíos. La relación de vacíos se define como la relación entre el volumen de espacios vacíos y el volumen de partículas sólidas, con respecto a esto se puede decir que entre mayor sea la relación de vacíos más sueltas se encuentras las partículas que componen el material. Los resultados encontrados para esta propiedad se encuentran en el Anexo G.
Gráfica 3. Relación de vacíos vs Profundidad
Fuente. Elaboración propia
De acuerdo a lo obtenido en la gráfica 3 se tiene un comportamiento similar al
evidenciado en la propiedad anterior peso unitario, donde se encuentra que la
relación de vacíos presenta su valor pico a 8 metros de profundidad
aproximadamente e igualmente se evidencia que después de esta profundidad
el suelo Tiende aumentar su compacidad.
8.1.4 Gravedad Específica. El concepto de gravedad especifica se deriva de
una cantidad de masa por unidad de volumen, no presenta unidades, donde la
densidad de un material es en relación con la del agua y cada material presenta
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00
Pro
fun
did
ad
(m
)
Relación de Vacíos
Relación de Vacíos Vs Profundidad ( m )
13
un valor de acuerdo a los minerales que posea en su composición26. Los
resultados discretizados se encuentran en el Anexo H.
Gráfica 4. Gravedad específica vs Profundidad
Fuente. Elaboración propia
En la figura 5, se presentan los valores típicos de gravedad en los diferentes
minerales los cuales se encuentran inmersos en los distintos tipos de suelo,
concluyendo como valor representativo 2.7.
Si bien los resultados presentan en algunas profundidades valores atípicos de
los suelos, la dispersión obedece al distinto origen de estos materiales, ya que
corresponde a un depósito aluvial. Se expresa una variación a mayor
profundidad, lo cual se relaciona con el mayor contenido de material identificado
“dunas de arena” en la exploración.
8.1.5 Ángulo de Fricción. Para determinar el ángulo de fricción de un material se debe tener en cuenta diferentes factores (Bilz, 1995), como pueden ser: el tamaño de los granos, forma de los granos, distribución de los tamaños de granos y la densidad27; en la presente investigación se utilizaron un método teórico (ver tabla 3 del marco referencial). Con el fin de establecer el
26 KALPAKJIAN, Serope y R. SCHMID, Steven. Manufactura, Ingeniería y Tecnología. Pearson Educación.2002. P.91. 27 SUAREZ DIAZ, Jaime. Deslizamientos y estabilidad de taludes en zonas
tropicales. 1 ed. Bucaramanga: Ingeniería de Suelos Ltda. Julio de 1998.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
2.55 2.60 2.65 2.70 2.75 2.80
Pro
fun
did
ad
(m
)
Gravedad Específica
Gravedad Específica Vs Profundidad ( m )
14
comportamiento de esta propiedad se realizó una comparación entre los siguientes dos métodos: empleando un inclinómetro22 y otro teórico utilizando el SPT. Los resultados encontrados del ángulo de fricción realizado con el método de SPT están en el Anexo I. El ángulo de fricción inclinómetro está en el Anexo J
Gráfica 5. Ángulo de fricción vs Profundidad (Anexo Z)
Fuente. Elaboración propia
Teniendo en cuenta la gráfica 5 y los valores de resistencia obtenidos para el
ángulo de fricción interna se observa una tendencia similar en los dos métodos
analizados encontrando que para una profundidad aproximada de 2 a 6 metros
el suelo se encuentra menos denso, presentando unos ángulos de fricción
menos en cuanto se sobrepasa la profundidad de 8 metros el suelo tiende a
mejorar su resistencia presentando ángulos de fricción mayores, encontrando
valores cercanos a los 35º por el método de SPT.
8.1.6 Compacidad Relativa. Al establecer la compacidad relativa en la exploración geotécnica es importante saber que esta propiedad define el grado de acomodo que poseen las partículas del suelo dejando más o menos vacíos entre ellas, cuando se presentan suelos compactos tiene una baja compacidad, para suelos poco compactos su compacidad será mayor28. Los datos
28 GEOMECÁNICA. Duque Escobar, Gonzalo y Escobas P., Carlos Enrique. Universidad Nacional de Colombia. 2016
28.00; 1515; 15
0
2
4
6
8
10
12
14
16
10 20 30 40 50
Pro
fun
did
ad
(m
)
Angulo de fricción (°)
Angulo de Fricción (°) Vs Profundidad (m)
ANGULODEFRICCIÓNSPT (º)
ANGULODEFRICCIÓN
15
compacidad relativa realizada por el método experimental están en los Anexos K y el realizado con SPT se encuentra en el Anexo L.
Gráfica 6. Compacidad relativa (experimental) vs Profundidad (Anexo AA)
Fuente. Elaboración propia
A partir de los resultados obtenidos se identifica como las gravas presentes en
la exploración están principalmente depositadas a menor profundidad, sin
embargo, para la muestra 1 se presenta una variación respecto a las siguientes
y en base a la inspección inicial, se sugiere que es relleno de origen antrópico;
el cual tiene predominancia de finos, en menor porcentaje arenas y bajo cantidad
de gravas. Lo anterior se sustenta en las referencias [16] y [17], evidenciando
que el material sobresaliente a profundidad es la arena de color gris aumentando
su contenido con la profundidad, y en un menor porcentaje el contenido de finos
el cual disminuye a medida que aumenta la profundidad.
Según la gráfica 7 se evidencia que los materiales son heterogéneos
condicionando su comportamiento principalmente a los suelos gruesos con alto
contenido de finos.
8.1.7 Granulometría. Los depósitos fluvio-lacustres del altiplano Boyacense
(parte plana entre Tunja y Paipa) se encuentran discordantes sobre la Formación
Tilatá que en su proceso erosivo ha suministrado al depósito con materiales
0.1
2.1
4.1
6.1
8.1
10.1
12.1
14.1
16.1
16.00 36.00 56.00 76.00 96.00 116.00
Pro
fun
did
ad
(m
)
Compacidad Relativa( % )
Compacidad Relativa( % ) Vs Profundidad ( m )
COMPACIDAD RELATIVA(%) SPT
COMPACIDAD RELATIVA(%) BASE ARELACIONES DE FASES
16
arenosos, limolitas y arcillolitas, característicos de su formación29, dentro de la
zona de estudio se encuentra esta característica encontrando materiales
gruesos y finos. Los datos encontrados se evidencian en el Anexo O.
Gráfica 7. Granulometría vs Profundidad
Fuente. Elaboración propia
A partir de los resultados obtenidos se identifica como las gravas presentes en
la exploración están principalmente depositadas a mayor profundidad, sin
embargo, para la muestra 1 se presenta una variación respecto a las siguientes
y en base a la inspección inicial, es sugiere que es relleno de origen antrópico;
el cual tiene predominancia de finos, en menor porcentaje arenas y bajo cantidad
de gravas. Lo anterior se sustenta en las referencias [16] y [17], evidenciando
que el material sobresaliente a profundidad es la arena de color gris aumentando
su contenido con la profundidad, y en un menor porcentaje el contenido de finos
el cual disminuye a medida que aumenta la profundidad.
29 REYES CH, Italo. Observaciones sobre el cuaternario del altilano Tunja – Sogamoso. Geología colombiana. 1990. Bogotà. P 151-157
15%2%3%2%1%0%1%0%1%2%3%
0%2%1%0%
5%3%5%
31%39%
53%77%
38%80%
83%80%
82%57%
70%58%
51%59%
69%62%
60%59%
54%59%
44%21%
61%20%
16%20%
17%41%
27%42%
47%40%
31%33%
37%36%
0% 20% 40% 60% 80% 100%
123456789
101112131415161718
Pro
fun
did
ad (
m)
Granulometría (%) vs Profundidad (m)
PORCENTAJE DE GRAVAS (%) PORCENTAJE DE ARENAS (%)
PORCENTAJE DE FINOS (%)
17
8.2 CARACTERISTICAS GEOELÉCTRICAS
Tabla 9. Comparación de Resistividad vs Profundidad de los 5 sondeos (Anexo V)
Gráfica 8. Resistividad Sondeo 1 vs profundidad (Anexo Q)
Gráfica 9. Resistividad Sondeo 2 vs Profundidad (Anexo R)
Gráfica 10. Resistividad Sondeo 3 vs Profundidad (Anexo S)
Gráfica 11. Resistividad Sondeo 4 vs Profundidad (Anexo T)
Gráfica 12. Resistividad Sondeo 5 vs Profundidad (Anexo U)
Fuente. Elaboración propia.
0
10
20
30
40
10 20 30 40
Pro
fun
did
ad
(m
)
Resistividad (°ohmios*m)
Resistividad (Ohmios*m) Vs Profundidad (m)
0
20
40
60
80
100
120
5 15 25 35
Pro
fun
did
ad
(m
)
Resistividad (°ohmios*m)
Resistividad (Ohmios*m) Vs Profundidad (m)
-20
0
20
40
60
80
20 520 1020 1520
Pro
fun
did
ad
(m
) Resistividad (°ohmios*m)
Resistividad (Ohmios*m) Vs Profundidad (m)
-20
0
20
40
60
80
100
120
5 25 45
Pro
fun
did
ad
(m
) Resistividad (°ohmios*m)
Resistividad (Ohmios*m) Vs Profundidad (m)
-20
0
20
40
60
80
20 520 1020 1520
Pro
fun
did
ad
(m
)
Resistividad (°ohmios*m)
Resistividad (Ohmios*m) Vs Profundidad (m)
18
De acuerdo con la tabla 7, los sondeos 1, 2 y 4 coinciden en comportamiento
entre sí, en donde su tendencia es realizar una curva cóncava presentado igual
comportamiento con la profundidad. Además, a partir de la tabla 1 en donde se
presentan unos rangos de variación de resistividad típicos los cuales permiten
definir el material presente. En base a esto el material presente es un limo o
arcilla saturado.
Perfil estratigráfico a partir de los sondeos verticales de coordenadas:
Punto 1: 5°45’42’’N 73°06’37’’W
Punto 4: 5°45’40’’N 73°06’31’’W
Figura 40. Ubicación sondeos eléctricos verticales 4 y 1
Fuente. Elaboración propia mediante software ArcGIS.
A continuación, se presenta el perfil estratigráfico para la sección mostrada en
la figura 40.
19
Figura 41. Perfil estratigráfico generado de los sondeos eléctricos 1 y 4
Fuente. Elaboración propia mediante software ArcGis.
Por otra parte, los sondeos 3 y 5, que presentan semejanza en cuanto al
comportamiento variable con respecto a la profundidad, la primera capa de los
dos sondeos de acuerdo a la resistividad establece como material arcilla
arenosa; la segunda capa en los dos sondeos corresponde a arenas; para la
capa 3 se encuentra una arcilla o limo saturado en los dos sondeos; en la capa
4 se halla una arena arcillosa y, por último, en la capa 5 se relaciona una arcilla
o limo saturado. En estos sondeos es particular el que se presente para la
segunda capa valores de resistividad tan altos respecto a los demás al igual que
la capa número 4, los cuales son contrastantes con los demás sondeos.
Comportamiento atribuido a la presencia de un cuerpo de agua cercano a estos
sondeos, el cual se reconoce como afloramiento de agua termal, y que originaría
migración de finos hacia materiales contiguos generando un aumento atípico en
la resistividad.
20
Perfil estratigráfico a partir de los sondeos eléctricos verticales de
coordenadas:
Punto 3: 5°45’12’’N 73°06’32’’W
Punto 5: 5°45’14’’N 73°06’40’’W
Figura 42. Ubicación sondeos eléctricos verticales 3 y 5
Fuente. Elaboración propia mediante software ArcGis.
A continuación, se presenta el perfil estratigráfico para la sección mostrada en
la figura 40.
21
Figura 43. Perfil estratigráfico generado de los sondeos eléctricos 3 y 5
Fuente. Elaboración propia mediante software ArcGIS.
Para llevar a cabo la ejecución del modelo, se van a tener en cuenta únicamente
los sondeos 3 y 5 ya que son los más cercanos a la perforación manual donde
se caracterizaron los materiales, además comparten su localización en el
depósito aluvial (Qal).
22
9 CORRELACIONES RESISTIVIDAD CON PROPIEDADES INDICE
Como se mencionó anteriormente los S.E.V 3 y 5, serán las variables
independientes a analizar mientras la humedad natural, peso unitario, densidad
relativa y porcentaje de finos como variables dependientes.
9.1 HUMEDAD NATURAL Y RESISTIVIDAD
El contenido de agua en un material es una propiedad la cual sugiere que entre
mayor sea, menor resistividad va a presentar debido a que el agua es un medio
conductor de electricidad. Sin embargo, el contenido de agua en un suelo se ve
condicionado por el peso unitario en el mismo, granulometría, permeabilidad de
los materiales adyacentes, mientras la resistividad establece unas limitaciones
interpretaciones en la información generada a partir de los sondeos geo
eléctricos los cuales generan resultados relativos a la época del año (temporada
de lluvias- temporada seca), escala de estudio, heterogeneidad en las
características del área a estudiar. En la gráfica 13 se presenta el
comportamiento de esta propiedad teniendo en cuenta los resultados de
resistividad obtenidos.
Gráfica 13. Resistividad vs Humedad Natural (Anexo BB)
Fuente. Elaboración propia
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
0 200 400 600 800 1000 1200
Hu
me
da
d n
atu
ral
(%)
Resistividad (ohmnio-m)
Resistividad (ohmnio*m) vs Humedad Natural (%)
SONDEOELECTRICO 5(5º45`14"N,-73º06`40"E)
SONDEOELECTRICO 3(5º45`12"N,-73º06`32"E)
23
Al comparar las variables Resistividad vs Wn determinadas para la zona de
estudio, se obtiene que en el valor de máxima resistividad es menor la humedad
del material mientras para menores resistividades las humedades son mayores,
sin embargo, no se logra establecer una tendencia ya que en diferentes zonas
tiene un comportamiento en proporción, a más resistividad mayor es su humedad
natural, condición que puede deberse a la diferencia en la realización de los
ensayos de geo eléctrica y de la perforación manual.
9.2 PESO UNITARIO Y RESISTIVIDAD
Al analizar los componentes del suelo tiene que comprenderse como un sistema
con fases (solido, poros y agua), en donde si la parte solida aumenta queda
menos espacio que ocupar por poros y agua, lo cual establece que a mayor
contenido de agua menor va a ser la relación entre la masa de esa parte solida
del suelo y el volumen que ocupa el mismo. De acuerdo a lo anterior, en un medio
solido que en el caso de los suelos sería el porcentaje correspondiente a gravas,
arenas y/o finos se impide el paso de la corriente.
Gráfica 14. Resistividad vs Peso unitario (Anexo CC)
Fuente. Elaboración propia
De acuerdo a lo evidenciado en la gráfica 14 se evidencia que en superficie que
es donde se registra la primera resistividad el pesó unitario tiende a ser mayor
19.0
19.1
19.2
19.3
19.4
19.5
19.6
19.7
19.8
19.9
20.0
10 210 410 610 810 1010 1210
Pe
so
un
itari
o (
kN
/m3)
Resistividad (ohmnios-m)
Resistividad (ohmnios-m) VS Peso Unitario (kN/m3)
SONDEOELECTRICO5(5º45`14"N,-73º06`40"E)
SONDEOELECTRICO3(5º45`12"N,-73º06`32"E)
24
sin embargo una vez se gana profundidad la resistividad empieza a aumentar a
igualmente el peso unitario lo que contribuye a generar relación de la resistividad
versus el peso unitario a profundidad y la superficie.
9.3 COMPACIDAD RELATIVA Y RESISTIVIDAD
En esta propiedad se analiza una fase en el suelo que si bien en suelos finos no
es determinante en suelos gruesos (gravas y arenas) lo es, los poros. Como se
ha concluido el agua conduce, mientras la parte sólida del suelo impide entonces
los vacíos determinan que al reacomodarse los granos ocupando esos espacios
sea mayor el componente sólido, impidiendo el paso de los impulsos eléctricos.
Gráfica 15. Resistividad vs Compacidad relativa (Anexo DD)
Fuente. Elaboración propia
El rango de variación de compacidad se encuentra entre 92% a 99%, donde el
mayor valor se relaciona a la mayor resistividad interpretada tendencia que
guardan la mayoría de datos, sin embargo, como sucede en las demás
propiedades se presenta un valor atípico.
De acuerdo a los cuatro puntos establecidos en cada sondeo se evidencia que
para los puntos superficiales de resistividad la compacidad relativa es
correlacionable, ya que aumentan proporcionalmente con la profundidad
91.0%
92.0%
93.0%
94.0%
95.0%
96.0%
97.0%
98.0%
99.0%
100.0%
1 201 401 601 801 1001
Co
mp
ac
ida
d r
ela
tiva
(%
)
Resistividad (ohmnios-m)
Resistividad (ohmnios-m) vs Compacidad Relativa (%)
SONDEOELECTRICO 5(5º45`14"N,-73º06`40"E)
SONDEOELECTRICO 3(5º45`12"N,-73º06`32"E)
25
registrando un valor atípico donde la compacidad resistividad disminuye, sin
embargo, una vez se supera este valor la resistividad vuelve aumentar junto con
la compacidad relativa.
9.4 GRANULOMETRÍA Y RESISTIVIDAD
La variación de la granulometría en la caracterización geotécnica confirma que
el área de estudio contiene materiales arenosos con intercalaciones de arcillas
en menor cantidad y baja proporción de gravas de acuerdo a la descripción
realizada en el informe (Anexo C). La concentración de finos está en la superficie,
donde se distingue la mayor variación de resistividad en los sondeos de acuerdo
a lo descrito.
Gráfica 16. Resistividad vs Porcentaje de Finos (Anexo EE)
Fuente. Elaboración propia
De acuerdo al comportamiento de resistividad respecto porcentaje de finos
descrito, hay valores que no corresponden a la relación establecida por lo que
no puede generarse correlación, no obstante, los demás valores describen como
a medida que aumenta el porcentaje de finos disminuye la resistividad
interpretada en los S.E.V. 3 y 5.
0
200
400
600
800
1000
1200
10% 20% 30% 40% 50% 60%
Re
sis
tivid
ad
(o
hm
nio
s-m
)
Porcentaje de finos (%)
PORCENTAJE DE FINOS (%) VS RESISTIVIDAD
SONDEOELECTRICO 5(5º45`14"N,-73º06`40"E)
SONDEOELECTRICO 3(5º45`12"N,-73º06`32"E)
26
10 MODELO GEOTENICO EN BASE A PROPIEDDES ÍINDICE DEL SUELO
Los materiales del área en donde se llevaron a cabo las exploraciones se
encuentran cubiertos con un depósito cuaternario el cual de acuerdo a la
topografía y granulometría corresponden a arenas con intercalaciones de finos y
gravas de los materiales. Por tanto, se define como un depósito aluvial
asociando que en esa área se debieron presentar flujos de agua. Buzando con
dirección NE aflora la formación Tilata, la cual tiene origen de rocas
sedimentarias y se compone por areniscas, limolitas y arcillolitas; en la figura 44
se evidencia el bloque diagrama propuesto como idea inicial de modelo
conceptual para la zona de estudio representado mediante el programa ArcGis,
el cual para la presente investigación será una herramienta que permita
visualizar las unidades del subsuelo.
A continuación, el modelo describe las propiedades geotécnicas interpretadas
en la estratigrafía de la perforación, incluye el análisis de resistividad descrito
anteriormente para la ejecución del mismo y correlaciona los resultados
estableciendo unidades con características y comportamientos semejantes.
27
Figura 44. Modelo con escala 1:1000
Fuente. Elaboración propia mediante software ArcGis.
28
Tabla 10. Propiedades del modelo
Tipo de
Suelo
Profundidad
(m)
Resistividad
(ohm*m)
Humedad
(%)
Relación
de
vacíos
(e)
Límites de
Atterberg Gravedad
Específica
Peso
Unitario
(kN/m3)
Compacidad*
(%)
Ángulo
de
Fricción
(º) LL
(%)
LP
(%)
0 – 0.9 173 – 190
17.8 –
19.2 0.61
33.08
–
43.19
22.14
–
28.32
2.62 –
2.71
19.60 89.53 25 – 22
0.9 – 2.1 1020 – 1069 8.4 – 7.1 0.41 31.7 –
17.9 28.47
2.66 –
2.63 19.92 97.21 - 50 20 – 40
2.1 – 4.0 47.8 – 50.8 7.1 –
20.1 0.66 17.9 -
2.63 –
2.61 19.3 96.37 - 50 18 - 34
4.0 – 15 403 – 404.4 13.3 –
37.9 0.58
16.2 –
29.9
13.88
–
21.04
2.57 –
2.76 19.8 25 – 96.56 14 - 34
15 – 64 13.7 – 22.85
Fuente. Elaboración propia
CL
SC
SC
SC
Arenas y
gravas
parcialme
nte
saturadas
29
10.1 PROPIEDADES GEOTÉCNICAS Y GEOELÉCTRICAS. MODELO
CONCEPTUAL
Las propiedades que se encuentran en la tabla 10 presentan una variación con
respecto a la profundidad, como se describe a continuación donde se realizan
graficas para poder evidenciar las variaciones de los parámetros que se tienen
respecto a la profundidad:
Gráfica 17. Modelo: Resistividad vs Profundidad
Fuente. Elaboración propia
Al observar la variación de la
resistividad respecto a la
profundidad del modelo, se
tiene que esta varia de 0 a
1000ohm*m
aproximadamente, teniendo
una mayor concentración de
datos en las capas superiores
del modelo. También se tiene
que la mayoría de las
resistividades son menores a
500 ohm*m.
El comportamiento que se
presenta identifica un valor
atípico a los demás,
estableciendo que este
material presenta una
propiedad distinta.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 500 1000 1500
Pro
fun
did
ad (
m)
Resistividad (ohm*m)
Resistividad (ohm*m) vs Profundidad (m)
Minima
Maxima
30
Gráfica 18. Modelo: Humedad vs Profundidad
Fuente. Elaboración propia
En la presenta gráfica se
observa que la humedad
varía de un 8 % a y 40 %
aproximadamente. Se debe
tener en cuenta que el nivel
freático se encuentra
después de los 5.0 metros,
por lo que la humedad
presente a una mayor
profundidad es tan alta con
respecto a la encontrada en
las capas superiores.
Gráfica 19. Modelo: Relación de vacíos vs Profundidad
Fuente. Elaboración propia
En la gráfica se identifica que
la relación de vacíos que
presenta el modelo tiene una
variación entre 0.4 y 0.7
aproximadamente, según
esto y la literatura existente
corresponde a un tipo de
suelo que este compuesto
por arenas compactas,
arenas sueltas o arena
uniforme compacta.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 10 20 30 40
Pro
fun
did
ad (
m)
Humedad (%)
Humedad (%) vs Profundidad (m)
Minima
Maxima
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 0.2 0.4 0.6 0.8
Pro
fun
did
ad (
m)
Relación de Vacios
Relación de vacios vs Profundidad (m)
31
Gráfica 20. Modelo: Limites de Atterberg vs Profundidad
Fuente. Elaboración propia
Se evidencia en la gráfica 20
que el límite líquido varía
entre los rangos de 17 a 42%
aproximadamente, mientras
que el límite liquido tiene un
rango de variación entre 13 y
28% aproximadamente. Esta
caracterización no posee
todos los limites en las 4
capas caracterizadas debido
al material que se encuentra
en la zona, que en su
mayoría son arenas.
Gráfica 21. Modelo: Gravedad específica vs Profundidad
Fuente. Elaboración propia
En la gráfica 21 se observa
que la gravedad especifica
en las capas superiores
presenta un rango entre 2.6 y
2.5 aproximadamente,
mientras que para la capa
inferior se encuentra una
variación un poco más
amplia entre los rangos de
2.55 y 2.75
aproximadamente.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 20 40 60
Pro
fun
did
ad (
m)
Limites de Atterberg (%)
Limites de Atterberg vs Profundidad (m)
Minimo LL
Maximo LL
Minimo LP
Maximo LP
0
2
4
6
8
10
12
14
16
2.5 2.6 2.7 2.8
Pro
fun
did
ad (
m)
Gravedad Específica
Gravedad Específica vs Profundidad (m)
Minima
Maxima
32
Gráfica 22. Modelo: Relación de vacíos vs Profundidad
Fuente. Elaboración propia
El peso unitario que se
evidencia en la gráfica 22
presenta una variación entre
los rangos de 19 a 10
(kN/m3). Esta propiedad tiene
una gran dispersión en cada
capa, pero en su valor
coincide el tipo de suelo que
lo determina con respecto a
la literatura.
Gráfica 23. Modelo: Compacidad Relativa vs Profundidad
Fuente. Elaboración propia
Se evidencia en la gráfica 23
que la compacidad relativa
tiene unos altos rangos de
variación en cada una de las
capas. Para la parte
superficial del modelo se
encuentran unos rangos
entre 50 y 100 % mientras
que para la capa inferior
presenta una variación entre
25 y 100%
0
2
4
6
8
10
12
14
16
19.2 19.4 19.6 19.8 20
Pro
fun
did
ad (
m)
Peso Unitario (kN/m3)
Peso Unitario (kN/m3) vs Profundidad (m)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 50 100 150
Pro
fun
did
ad (
m)
Compacidad Relativa (%)
Compacidad Relativa (%) vs Profundidad (m)
Minima
Maxima
33
Gráfica 24. Modelo: Angulo de Fricción vs Profundidad
Fuente. Elaboración propia
El ángulo de fricción en las
capas superiores tiene un
rango mayor de variación
que la capa inferior. Como se
observa en la figura 24,
rango de variación de esta
propiedad se encuentra entre
14º y 40º.
10.2 MODELOS MATEMÁTICOS
A continuación, se presentan las relaciones encontradas entre la resistividad con
respecto al peso unitario y la compacidad relativa:
10.2.1 Resistividad y compacidad relativa. De acuerdo al valor atípico que se
presentaba para esta correlación y observando que había valores que
presentaban similitud en su comportamiento para poder establecer correlación
se decidió omitir este punto encontrando con esto un modelo matemático que
lleve a poder establecer una ecuación que para este caso será representativa
únicamente.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 20 40 60
Pro
fun
did
ad (
m)
Angulo de Fricció (º)
Angulo de fricción (º) vs Profundidad (m)
Minima
Maxima
34
Gráfica 25. Tendencia Resistividad vs Compacidad Relativa (Anexo FF)
Fuente. Elaboración propia
Según el modelo se establece que:
CR = 9E-05(R) + 0,8968
R² = 0,9683
Donde:
CR: Compacidad relativa (%)
R: Resistividad (ohm*m)
10.2.2 Resistividad y peso unitario. De acuerdo al valor atípico que se
presentaba para esta correlación y observando que existen valores que
presentaban similitud en su comportamiento para poder establecer correlación
se decidió omitir este punto encontrando con esto un modelo matemático que
lleve a poder establecer una ecuación que para este caso será representativa
únicamente.
y = 9E-05x + 0.8968R² = 0.9683
90.0%
91.0%
92.0%
93.0%
94.0%
95.0%
96.0%
97.0%
98.0%
99.0%
100.0%
1 201 401 601 801 1001
Co
mp
ac
ida
d r
ela
tiva
(%
)
Resistividad (ohmnios-m)
RESISTIVIDAD VS COMPACIDAD RELATIVA
SONDEOELECTRICO5 (5º45`14"N,-73º06`40"E)
SONDEOELECTRICO3 (5º45`12"N,-73º06`32"E)
35
Gráfica 26. Tendencia Resistividad vs Peso Unitario (Anexo GG)
Fuente. Elaboración propia
Según el modelo se establece que
ɣ= 0,0007(R)+ 19,085
R² = 0,664
Donde:
ɣ: Peso Unitario (kN/m3)
R: Resistividad (ohm*m)
10.3 APLICACIÓN HERRAMIENTA ANÁLISIS GEOESTADÍSITICO
El software ArcGIS el cual fue la herramienta para representar el modelo la cual
además nos brinda la posibilidad de modelar seleccionando e identificando los
datos que contiene lo componen.
El software ArcGIS fue la herramienta para representar el modelo, la cual
además nos brinda la posibilidad de extraer información adicional de los datos
SIG que podría no ser evidente y mostrarla en forma de gráficos.
De acuerdo a lo anterior, se asignó los valores de resistividad en cada capa a los
diferentes sondeos realizados para el área de estudio en el programa, mostrando
los siguientes análisis (Anexo HH):
y = 0.0007x + 19.085R² = 0.664
19.0
19.1
19.2
19.3
19.4
19.5
19.6
19.7
19.8
19.9
20.0
10 210 410 610 810 1010 1210
Pe
so
un
itari
o S
ec
o (
kN
/m3)
Resistividad (ohmnios-m)
RESISTIVIDAD VS PESO UNITARIO
SONDEOELECTRICO5(5º45`14"N,-73º06`40"E)
SONDEOELECTRICO3(5º45`12"N,-73º06`32"E)
36
Figura 45. Variación media de la resistividad eléctrica
Fuente. Elaboración propia mediante el software ArcGIS
El mapa de resistividad se establecieron 5 intervalos, se identifica la mayor
variación desde los sondeos 3 y 5 disminuyen hacia los sondeos 1,2 y 4.
37
Figura 46. Histograma de los valores de resistividad
Fuente. Elaboración propia mediante el software ArcGIS
El histograma de resistividad nos muestra la agrupación de las resistividades en
las diferentes capas y sondeos de acuerdo a la frecuencia en que se presenta
cada valor. Este análisis muestra cual es el menor y mayor valor de la serie, la
mediana entre otras propiedades estadísticas.
38
Figura 47. Grafica normal QQ Plot
Fuente. Elaboración propia mediante el software ArcGIS
Ya que los datos presentan dispersión la tendencia lineal no se ajusta a la serie,
sin embargo, el programa facilita el que se evalué en comportamiento de forma
logarítmico.
Los resultados presentados son solo una de las formas en como mediante el uso
de esta herramienta podemos ir complementando el modelo para la zona, se
presentan los diferentes análisis en el Anexo HH. Se realizó con la propiedad de
resistividad ya que se contaba con más información respecto al área de estudio,
y como se evidencia en los análisis es de gran utilidad con información más
detallada.
.
39
11 CONCLUSIONES
De acuerdo a lo evidenciado en la perforación geotécnica se observa a los 8
metros la presencia del pico mínimo del peso unitario, mientras que la relación
de vacíos alcanza su valor máximo, definiendo que el material a esta profundidad
es poco denso y tipifica un cambio de suelo ya que otras propiedades como lo
son, la gravedad específica y ángulo de fricción modifican su comportamiento
tendiendo a disminuir. Igualmente, para esta profundidad de 8 metros La
compacidad relativa a pesar de tener su máximo valor al iniciar la perforación, a
esta misma profundidad, 8 metros, presenta diferenciación en los resultados
distinguiendo un aumento.
Corroborando que a los 8 metros las características del perfil del suelo varían,
se evidencia que el material encontrado en esta profundidad es más arenoso de
acuerdo con la granulometría determinada; y relaciona un valor de limite liquido
bajo y no presenta limite plástico, siendo cualidades representativas de un
material fácilmente deformables.
El contenido de humedad en el perfil del suelo varía entre 5% y 40%, se identifica
nivel el freático a 5 metros aproximadamente, y se evidencia que después de la
muestra número 8 la humedad presenta un cambio de tendencia, aumentando
sus valores con respecto a las muestras anteriores a está.
El tipo de suelo, el cual es arenoso con bajo contenido de finos y gravas restringió
la obtención del límite líquido con resultados entre 15% y 45% y en mayor
cantidad del límite plástico con valores aproximados entre 3% y 15%; pese a que
no presenta una alta diferencia de profundidades cada muestra el suelo tiene
una gran heterogeneidad.
De acuerdo con el contenido de humedad y resultados en los límites se concluye
que para profundidades menores a 3 metros el suelo presenta un
comportamiento solido a semisólido, mientras para más de 8 metros su cambio
de comportamiento es de plástico a líquido. Características indicativas de los
materiales representados ante la aplicación de cargas por diferentes
solicitaciones y cambios de volumen podría deformarse.
40
Mediante el empleo del medidor volumétrico de densidad en campo se pretendía
comparar los resultados obtenidos de la ejecución de las relaciones
gravimétricas y volumétricas, proceso del cual se comprobó que el
comportamiento es similar, estimando mayores valores en superficie y
disminución a 8 metros; sin embargo, a causa de que es un procedimiento que
involucra diversos factores para su obtención y define mayor dispersión en los
datos se adoptan como valores representativos del peso unitario, para el área de
estudio de acuerdo al material encontrado los resultados de las relaciones.
La relación de vacíos presenta de acuerdo a la tabla 2 del marco conceptual,
valores representativos de un suelo arenoso que está entre el rango de 0.4 a 0.8.
De acuerdo a la densidad de los materiales, se encuentra que entre mayor sea
está, menor será su relación de vacíos como se observa a partir de la
granulometría, donde a menos de 2 metros y a más de 8 metros, el porcentaje
de finos es mayor, y los valores de “e” son los más bajos.
En el perfil estratigráfico la gravedad especifica de los materiales en los primeros
8 metros conserva la particularidad de estar entre 2.6 a 2.7, sin embargo,
después de los 8 metros la dispersión en los datos concluye que si bien la
presencia de agua determina esta característica también se define por la
composición mineralógica del suelo, por lo que con una descripción de los
minerales que se identifican en la perforación se ajustaría mejor la transición a
los 8 metros.
La obtención del ángulo de fricción se realizó mediante dos procedimientos,
teórico y experimental los cuales al compararlos permiten establecer como varia
esta propiedad en las diferentes profundidades, observando que estos tienen
una tendencia similar. Aunque se destaca que los resultados del procedimiento
experimental se pueden adoptar de forma preliminar en un estudio si no se
cuenta con las muestras óptimas para la determinación de esta.
Los resultados teóricos del ángulo de fricción en base a la referencia en la tabla
4, se puntualizan mayores y con alta dispersión entre sus límites mínimos y
máximos; mientras los alcanzados con el inclinómetro relacionan una menor
dispersión en los datos, registrando menor valor en la propiedad de los
materiales por medio de este método. Hacia los 8 metros con SPT se denota
claramente una variación en el comportamiento, aumentando. Ya que los valores
en base a los estimativos son muy superiores y atípicos a un suelo con
propiedades arenosas con bajo contenido de gravas se asemejan más los
41
valores determinados con el inclinómetro de a las propiedades que se han
analizado e inspección visual realizada a cada muestra.
La resistividad con respecto a la humedad natural presenta una variación
inversamente proporcional, es decir, que entre mayor sea la resistividad
encontrada por el material menor será la humedad. Pero se debe tener en cuenta
que la humedad puede variar con respecto a otras características que posea
como la granulometría, el peso unitario y la permeabilidad del mismo.
A pesar de que se pretende establecer correlaciones entre las características
geoeléctricas y propiedades geotécnicas las pocas investigaciones especifican
que los resultados indican que la resistividad de los geomateriales permite
discriminar adecuadamente entre diferentes tipos de materiales y condiciones de
saturación, aunque no se hace factible relacionar valores de resistividad y
propiedades geomecánicas.
Al momento de relacionar las propiedades geotécnicas con respecto a la
resistividad, se observo que no fue posible generar una tendencia como tal entre
estas, esto se debe a que la humedad natural, peso unitario, compacidad relativa
y el porcentaje de finos no tuvo una relación directa con la resistividad.
La diferencia entre las escalas de detalle a las cuales se realizaron los ensayos
que se pretendían relacionar no eran equiparable, ya que solo se realizó una
perforación manual a una baja profundidad comparándola con los resultados que
arrojaron los cinco sondeos eléctricos verticales.
De acuerdo a las correlaciones realizadas entre la resistividad y el peso
unitario, humedad natural, compacidad relativa y contenido de finos se encontró
que se pueden presentar algunas tendencias como: La resistividad con el peso
unitario tiene una relación directa; resistividad con la compacidad presenta una
relación directa. Las demás propiedades no fue posible relacionarlas, debido a
que las variaciones que se encontraron no fueron consistentes para generar las
mismas.
El uso de herramientas informáticas en investigaciones de este tipo facilita una
mejor difusión de la información ya que con su aplicación el lector identifica mejor
lo se explica en el análisis.
42
Se representó un modelo en el software ArcGis que contiene las características
eléctricas de la zona. Sin embargo, no es una característica limitante para el
presente, pues si se cuenta con información de otras perforaciones podría
ejecutarse de igual manera en base a las propiedades geotécnicas.
43
12 RECOMENDACIONES
Para futuras investigaciones que tengan afinidad al tema se recomienda que,
para garantizar el modelo, la perforación de la cual se extraerá el material para
la caracterización geotécnica se lleve a cabo al mismo tiempo o con lapso corto
de tiempo de los sondeos eléctricos verticales.
Cuando se pretenda establecer relaciones entre propiedades in-sitú y
propiedades medidas en laboratorio se debe procurar adquirir muestras en su
estado natural, lo cual se ejecuta mediante la recolección de muestras mediante
shelby.
Para realizar el ensayo de densidad relativa o compacidad relativa de acuerdo al
tipo de suelo; se sugiere garantizar la extracción del suficiente material para la
ejecución adecuada del procedimiento de acuerdo a la normatividad sugerida.
Contar con diferentes sondeos eléctricos de la zona para diferentes temporadas
del año y con una mayor discretización de los resultados respecto a la
profundidad.
Para la caracterización geotécnica, sería importante contar con otras
investigaciones con la finalidad de corroborar los resultados obtenidos y construir
así un perfil geotécnico más completo.
Con el propósito de minimizar las fuentes de error y cumplir con la normatividad
establecida en el marco legal para la determinación de cada propiedad, se
sugiere previo a cada ensayo llevar a cabo calibración de los equipos en
laboratorio.
Para trabajos de grado a fines es de gran importancia contar con instalaciones
específicas de quienes desarrollan investigación, ya que al tener que compartir,
hornos, recipientes, instrumentos en general no se garantiza el adecuado manejo
de los mismos, estableciendo cierto grado error en la obtención de resultados.
En la etapa A. Reunión y análisis de información, se consultó referencias de
investigaciones en donde se intentaba hacer relación entre resistividad eléctrica
y condiciones geológicas y/o geotécnicas, actividad que tuvo resultados
44
limitados y escasos. Por lo anterior, es importante continuar evaluando el uso de
métodos geoeléctricos para la caracterización de los parámetros geotécnicos.
En las correlaciones se estableció comparar propiedades como el peso unitario,
densidad relativa y humedad natural. De acuerdo a lo anterior otros temas de
investigación que pueden derivarse de la investigación es el correlacionar otras
características como relación de vacíos, gravedad específica, limite líquido,
ángulo de fricción y si se presentan la cohesión.
En futuras investigaciones se recomienda representar por medio de algún
software las características que se encuentren de la zona, con el fin de facilitar
el entendimiento del mismo.
45
BIBLIOGRAFÍA
MORENO RODRIGUEZ, Nayib. Zonificación y Caracterización Geotécnica de
los Suelos de Barranquilla. Fase 1. Programa de Ingeniería Civil. Barranquilla.
Corporación Universidad de la Costa.
HUNT, Roy E. Geotechnical Engineering Investigation Handbook. Segunda
Edicion. Editorial: Taylor y Francis
GEOMECÁNICA. Duque Escobar, Gonzalo and Escobar P., Carlos Enrique.
Universidad Nacional de Colombia. 2016
AMERATUNGA, Jay, SIVAKUGAN, Nagaratnam y M. DAS, Braja. Correlations
of soil and rock properties in geotechnical Engineering. Springer (India). 2016
RAMIREZ, Oscar. Apuntes de Geotecnia Básica. Segunda Edición.
BRAJA M. Das. Fundamentos de Ingeniería de Cimentaciones. Séptima edición.
ISBN. 987-607-481-823-9.
JAIME, J. Métodos geofísicos aplicados a la caracterización de los suelos.
Universidad Industrial de Santander - Facultad de Físico mecánicos, 8.
LÓPEZ LAFUENTE, Antonio, VALVERDE ASENJO, Inmaculada, QUINTANA
NIETO, José Ramón, MARTÍN SANZ, Juan Pedro, MARTÍN, Ana de Santiago,
GONZÁLEZ HUECAS, Concepción. Estudio de los suelos del entorno del
Balneario de San Nicolás (Almería) Departamento de Edafología, Facultad de
Farmacia. Universidad Complutense de Madrid. Plza. Ramón y Cajal s/n. 28040
Madrid, España. Instituto IMDEA Agua. Avenida Punto Com, 28805 Alcalá de
Henares, Madrid, España.
SUAREZ DIAZ, Jaime. Mecanismos de falla de los taludes. Disponible [en línea]:
http://www.erosion.com.co/presentaciones/category/45-tomo-
i.html?download=445:librodeslizamientosti-cap2
46
ANEXO
Anexo A. Geología plancha 171 Duitama, extraída del Servicio Geológico Colombiano.
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Anexo B. Informe entregado de ensayos perforación manual
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Anexo C. Informe entregado de sondeos eléctrico verticales
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Anexo D. Humedad Natural
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47
Anexo E. Peso unitario – Fases
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Anexo F. Peso unitario – Medidor volumétrico
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Anexo G. Relación de vacíos
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Anexo H. Gravedad específica
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Anexo I. Ángulo de fricción – SPT
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48
Anexo J. Ángulo de fricción – Inclinómetro
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Anexo K. Compacidad – Método experimental
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Anexo L. Compacidad – SPT
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Anexo M. Límites de Atterberg
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Anexo N. Resumen límites de Atterberg
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49
Anexo O. Granulometría
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Anexo P. Clasificación del suelo
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Anexo Q. Sondeo eléctrico 1
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Anexo R. Sondeo eléctrico 2
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Anexo S. Sondeo eléctrico 3
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50
Anexo T. Sondeo eléctrico 4
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Anexo U. Sondeo eléctrico 5
(Disponible en digital)
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Anexo V. Resumen sondeo eléctrico
(Disponible en digital)
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Anexo W. Relación humedad natural y límites de atterberg con respecto a la profundidad
(Disponible en digital)
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Anexo X. Comparación pesos unitarios
(Disponible en digital)
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51
Anexo Y. Resumen granulometría
(Disponible en digital)
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Anexo Z. Comparación ángulo de fricción
(Disponible en digital)
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Anexo AA. Comparación compacidad relativa
(Disponible en digital)
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Anexo BB. Correlación Resistividad y Humedad natural
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Anexo CC. Correlación Resistividad y Peso unitario
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52
53
Anexo DD. Correlación Resistividad y Compacidad relativa
(Disponible en digital)
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Anexo EE. Correlación Resistividad y Porcentaje de finos
(Disponible en digital)
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Anexo FF. Modelo matemático. Resistividad y Compacidad relativa
(Disponible en digital)
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Anexo GG. Modelo matemático. Resistividad y Peso Unitario
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Anexo HH. Modelo. ArcGis
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54
Recommended