https://doi.org/10.22463/2011642X.4702
Recibido: 31 de julio de 2024 - Aprobado: 03 de diciembre de 2024
Cómo citar:
C.A. Buenahora-Ballesteros, F. Castellanos-Prada y A.M. Martínez-Graña, “Determinación de los niveles de cimentación en roca para la ampliación del Centro Comercial Cañaveral a partir de ensayos geofísicos y correlación con exploración directa”, Rev. Ingenio, vol. 22, n º1, pp. 16-23, 2025, doi: https://doi.org/10.22463/2011642X.4702
El centro comercial cañaveral se localiza sobre depósitos aluviales recientes de baja consistencia, soportados sobre roca sedimentaria, la cual se encuentra a profundidades que cambian abruptamente, influenciado por la presencia de un lineamiento de una falla geológica. Teniendo en cuenta las cargas de gran magnitud, se hace necesaria la construcción de cimientos profundos para llegar hasta la roca. Sin embargo, realizar múltiples sondeos representaba un costo muy alto. Por lo anterior, se planteó una alternativa de determinar los niveles de la roca mediante ensayos de geofísica. Durante la fase de ejecución de los ensayos geofísicos, se presentaron dificultades por el nivel de ruido ambiental y la obtención de los registros de las ondas, dada la variabilidad de los niveles de roca e incluso el efecto que en algunos sectores del área de estudio la roca se encuentra muy superficial. Como conclusión se logró identificar las fortalezas y debilidades de cada uno de los métodos y generar un mapa 3D de las profundidades de los niveles de roca, insumo que sirvió para el diseño y presupuesto de los cimientos, los cuales fueron verificados mediante supervisión constante durante la construcción determinando los porcentajes de error.
Palabras clave: Exploración geotécnica, geofísica, MASW 2D, Refracción
The Cañaveral shopping center is located by recent alluvial deposits of low consistency, supported on sedimentary rock, influenced by the presence of a geological fault. Considering that the loads on the foundation are of great magnitude, it is necessary to build deep caisson foundations to reach the rock. However, performing a borehole on each one of them represented a very high cost and long execution times. Therefore, an alternative was proposed to determine the depth levels of the rock through different geophysical tests and try to calibrate the results through the correlation of some boreholes. During the execution and data processing phase of the geophysical tests, difficulties were encountered due to the level of environmental noise and the obtaining of the wave records, given the variability of the rock levels and eventhe effect that in some sectors of the study area the rock is very sub-surface. In conclusion, it was possible to identify the strengths and weaknesses of each of the exploration methods and generate a 3D map of the depths of the rock levels that served as input for the design and budget of the foundations, which were verified by constant supervision during construction to determine the error percentages.
Keywords: Geotechnical Exploration, Geophysics, MASW 2D, Refraction.
1. Introducción
Desde tiempos remotos, la comprensión de las propiedades del suelo ha sido fundamental para el éxito de numerosos proyectos de construcción e ingeniería, es por esta razón que, a lo largo de la historia, la caracterización del suelo junto con la determinación del perfil estratigráfico ha sido un objetivo constante de estudio en el ámbito geotécnico. La variabilidad de suelos ha estado presente en múltiples proyectos a lo largo del mundo, lo cual se ha podido verificar con varios incidentes producto de una pobre exploración geotécnica, sobre todo en proyectos en los que las solicitaciones de carga son muy grandes o en zonas en las que los suelos pueden llegar a tener un carácter especial por la sismicidad o por los antecedentes geológicos de la zona [1], ahora bien, teniendo en cuenta que la expansión tecnológica avanza de manera acelerada buscando facilitar la vida a las personas [2], la geofísica ha surgido como una herramienta esencial para esta tarea ya que permite explorar el suelo en profundidad con apenas afectación del entorno.
Usualmente cuando se realiza una exploración geotécnica se busca obtener la mayor cantidad de información posible. Sin embargo, muchas veces obtener esta información puede resultar costoso e inclusive inviable como, por ejemplo, el caso de una gran estructura con altas cargas en cada uno de sus apoyos. Si bien podría pensarse en ejecutar un sondeo mecánico por cada apoyo, pero desde el punto de vista económico resultaría demasiado costoso y aumentaría los tiempos de ejecución de las obras. Estas actividades podrían incluso llegar a afectar o molestar a terceros producto del polvo y ruido generado al perforar, más aún en entornos urbanos. Un caso similar se presentó en el centro comercial Cañaveral, en donde se planteaba la expansión de sus instalaciones mediante la construcción de una nueva edificación en el costado sur. Sin embargo, el sector en donde se planteaba la construcción se caracterizaba por estar en una zona ampliamente urbanizada y con diversidad de locales comerciales.
El suelo fundación se encuentra conformado por depósitos aluviales recientes de baja consistencia, lo que podría generar un gran inconveniente a futuro teniendo en cuenta las altas cargas que presentan normalmente los centros comerciales, además, el suelo del sector se caracteriza por presentar baja capacidad y cuando el terreno superficial es de mala calidad, es decir, de baja resistencia al esfuerzo cortante y/o muy compresible, existen varias alternativas de solución, incluyendo evitar o sustituir los suelos superficiales de mala calidad,apoyar la estructura en una cimentación profunda sobre estratos de buena calidad o cambiar el proyecto de localización [3], según lo anterior y teniendo en cuenta un análisis de costos realizado por el constructor, se consideró como mejor alternativa cimentar a una mayor profundidad hasta llegar a un estrato de roca competente.
El suelo medianamente competente se encontraba normalmente a más de 6.0 metros de profundidad, con lo cual, el uso de una cimentación superficial resultaba inviable, así que se propuso una cimentación profunda mediante la construcción de caissons soportados sobre roca. No obstante, debido a que las formaciones de rocas sedimentarias como Girón, presentan diferentes tipos de inclinaciones y pliegues producto de la tectónica, hace que los espesores de la roca varíen en profundidad y sean difíciles de identificar mediante técnicas convencionales de exploración como los sondeos mecánicos, por ende, se decidió complementar los resultados obtenidos con ensayos geofísicos que permitieran determinar la profundidad de la roca a lo largo de todo el sector de interés generando la menor afectación posible.
El análisis de dichos tiempos de viaje, bajo ciertas hipótesis definidas y siguiendo las leyes de la propagación de ondas, permite en principio obtener un perfil en profundidad de la distribución geométrica de los diferentes refractores, con las correspondientes velocidades a las cuales la onda sísmica se propaga a través de ellos [5].
Es importante destacar, que una de las limitaciones del método sísmico de refracción es, su incapacidad para modelar inversiones de velocidad en el subsuelo (intercalaciones de estratos más blandos debajo de estratos más duros), puesto que la presencia de tal característica anula la posibilidad de que se produzca la refracción a ángulo crítico (paralela a la interfaz entre los dos medios), que es fundamental para que la onda pueda ser detectada de nuevo en la superficie [5]. Por lo tanto, una de las condiciones para la aplicación de la refracción sísmica es que exista un aumento de la velocidad con la profundidad en el subsuelo.
Es importante destacar, que una de las limitaciones del método eléctrico es, la presencia de capas muy resistividad en la superficie del terreno, lo que genera la imposibilidad de un buen funcionamiento del método, siendo necesario la utilización de otras técnicas, en este caso las electromagnéticas, en los que no se precisa un contacto físico con el suelo [8].
4. Análisis del sitioEs importante resaltar que las formaciones de rocas sedimentarias como Girón y otras presentan diferentes tipos de inclinaciones y pliegues que hace que los espesores donde aflora la roca varíen en profundidad y sean difíciles de identificar (Figura 3).
Por otro lado, esta formación geológica presenta intercalaciones de rocas más blandas entre otras más duras, tal como se identificó en el sondeo 2 (Tabla 1) en donde se observó una secuencia de suelo suelto – roca – roca “triturada” – suelo residual.
Adicional a lo anterior, se logró identificar un lineamiento de falla en la tomografía eléctrica realizada (Figura 4). Esto es concordante con la actividad tectónica que originó las inclinaciones y pliegues en la roca. Además, se evidencian sectores con posibles zonas de alto fracturamiento en la roca y con acumulación de agua.
Teniendo en cuenta lo anterior y debido a que existen diferentes tipos de inclinaciones y pliegues en la roca, los espesores de esta varían en profundidad y son difíciles de identificar con precisión, por esta razón, se emplearon los ensayos geofísicos consistentes en MASW 2D y refracción sísmica, en donde se definieron velocidades de ondas compresionales de 1830 m/s y de cortante de 760 m/s como valores de referencia según las tablas 2 y 3 respectivamente para la roca tipo arenisca encontrada en el sector.
Con base en los valores determinados, se realizó un modelo 3D del área de estudio (Figura 5 y Figura 6) el cual fue calibrado mediante la exploración directa realizada y los ensayos geofísicos disponibles, lo cual dio como resultado el siguiente mapa de zonificación de la profundidad de la roca de acuerdo con los resultados tanto del ensayo de MASW 2D como del ensayo de refracción, en donde se obtuvieron valores de velocidad de onda cortante y compresional respectivamente.
Estos valores fueron luego comparados con las profundidades de roca realmente encontradas en campo durante la fase de excavación de los caissons del centro comercial, cabe resaltar que durante la extracción del material se pudo identificar superficialmente un suelo aluvial compuesto principalmente por arenas arcillosas y arcillas arenosas con presencia de bolos, y se realizó una clasificación de tres tipologías de roca según su resistencia.
El material rocoso fue clasificado dentro de tres categorías principales:
• Roca tipo I: Roca blanda, se parte con la mano. No apto para cimentación de cargas altas.
• Roca tipo II: No es deleznable con la mano, pero si a los impactos con el suelo u otras rocas. No apto para cimentación de cargas altas.
• Roca tipo III: Roca muy dura, la definida en diseño para cargas altas, no se parte con golpes con suelo u otras rocas y menos con la mano. Apto para cimentación de cargas altas.
A continuación, se presenta una tabla comparativa en donde se muestra las diferencias encontradas en la profundidad de la roca empleando las velocidades de onda Vs y Vp respecto a los valores de profundidad de roca reportados en campo. Nota: La Figura 7 muestra la nomenclatura de cada uno de los caissons referenciados en la Tabla 4.
Según lo anterior, se encontró que las profundidades en campo reportadas se ajustan en promedio con un porcentaje de error entre el 27 y 29%. Es posible que estos errores se deban a la gran cantidad de interferencias presentadas en el área de estudio mayormente relacionadas con el ruido ambiental y la presencia de humedad superficial en algunos sectores al momento de la ejecución de los ensayos. Pese a que estas pruebas fueron realizadas en horas nocturnas, el sector donde se encuentra el centro comercial se caracteriza por estar rodeado de avenidas muy concurridas inclusive en horario nocturno, con lo cual el ruido y vibraciones de los vehículos pudo haber alterado de cierta forma la toma de datos. A continuación, se presenta el perfil estratigráfico determinado (Figura 8).
Durante la ejecución del proyecto se pudo evidenciar la presencia de intercalaciones entre rocas más blandas a rocas más duras tal y como se evidenció en los sondeos realizados. Además, esto confirmó la disposición de la roca en el sector como una roca con inclinaciones y pliegues los cuales hacen difícil la identificación de las profundidades de la roca para la cimentación. La geofísica permitió estimar de mejor forma estas profundidades e inclusive determinó un lineamiento de falla existente en el sitio el cual es concordante con la variabilidad de los niveles de roca encontrados.
Los desfases encontrados respecto a los valores reales reportados en campo pueden obedecer a distintos factores entre los cuales se encuentra principalmente el nivel de ruido encontrado en el sector al momento de hacer los ensayos, sumado a lo anterior, tenemos la presencia de intercalaciones de rocas blandas a rocas duras y viceversa. Un claro ejemplo de esto fue el reporte del sondeo 2 en donde se observó una secuencia de suelo suelto - roca – roca “triturada – suelo residual y nueva mente roca. Otro de los factores importantes para tener en cuenta fue la alta variabilidad de la roca con cambios abruptos en las profundidades de estas, los cuales al emplear una separación entre geófonos relativamente alta (4.4 m) pudieron quedar tramos considerables sin información en los cuales la información faltante fue interpolada descartando algunos lomos y plegamientos naturales en la roca (Figura 9). Además, la presencia de humedades altas en el terreno evidenciadas en la tomografía eléctrica realizada pudo interferir en la toma de datos reduciendo los valores de resistividad.
En futuros proyectos en donde se apliquen estas técnicas para la determinación de la profundidad de los niveles de roca, se recomienda, emplear líneas sísmicas cortas con separaciones entre geófonos inferiores a 2.5 metros, para de esta forma reducir la incertidumbre en sitios donde se presenten plegamientos e inclinaciones de la roca. Además, se recomienda también, realizar los ensayos en un horario en donde se presente la menor cantidad de ruido ambiental ya que este puede afectar considerablemente los resultados. No se recomienda aplicar estos métodos en zonas industriales o de procesos que contengan altos niveles de vibraciones y ruidos externos. Además, es importante resaltar la necesidad de amarrar la exploración que se realice a un levantamiento topográfico, esto con motivo de garantizar que la ubicación de todos los ensayos sea la correcta y que al momento de generar los modelos 2D, estos se ajusten de una mejor manera a las condiciones reales de la zona.
[1] [1] C. Lazaro, C. Valencia y C. Torres, “Optimización de la identificación de variabilidad del subsuelo usando métodos indirectos (MASW 2D y refracción sísmica) en la Av. Carlos Izaguirre”. Lima, Perú, 2021.
[2] M. Pérez-Giraldo y J. D. Yepes- Tumay, “Diseño geométrico de una zapata doble para cimentación aplicada en torres de transmisión eléctrica”, Revista Ingenio, vol. 18, n.º 1, pp. 17–24, ene. 2021, doi: https://doi.org/10.22463/2011642X.2385
[3] O. A. Cuanalo-Campos, R. Ayala- Aranda, y L. J. Quintero-Lemus, “Diseño geotécnico y dinámico de la cimentación para una máquina laminadora de mármol en la ciudad de Puebla, México” Rev. Ingenio, vol. 21, n.º 1, pp. 1–8, ene. 2024, doi: https://doi.org/10.22463/2011642X.3588
[4] Syncrona “Refracción por Microtremores – ReMi”. 2024. [online] Available: https://www.syncrona.cl/ensayo-remi/#:~:text=La%20s%C3%ADsmica%20d e%20refracci%C3%B3n%20constituye,son%20refractadas%20en%20las%20interfaces
[5] Redpath, B. B. “Seismic Refraction Exploration for Engineering Site Investigations”. Technical Report E-73-4, US Army Engineer Waterways Experiment Station, Vicksbury, MS. 1973
[6] Instituto Geológico de Catalunya (IGC), “Mapa de mesozonación sísmica de Catalunya (1:100.000), adaptado a la clasificación EC-8”.Informe IGC GS- 008/11. Instituto. C/Balmes, 209-211 08006 Barcelona, España, 2021.
[7] Arias, D. “Exploración Geotécnica - Relaciones Geoeléctricas” (Tesis de Maestría). Universidad Nacional de Colombia, Medellín, Colombia. 2011
[8] Empresas Públicas de Medellín (EPM). “Medida de Resistividad Eléctrica Del Suelo” (RA6014). 2010. [online] Available: https://www.epm.com.co/content/dam/epm/p roveedores-y-contratistas/RA6-014.pdf
[9] Geotecnología. “Proyecto: Ampliación sector sur Centro comercial cañaveral Calle 30 -carrera 25” Floridablanca - Santander. 2021.
[10] Villar, A., Alarcón, H., Jiménez, G., y Velandia, F. “Zonas transversales en el dominio axial de la Cordillera Oriental - bloque yacente de la Falla de Soapaga (Sátiva sur - Sátiva norte, Boyacá)”. Boletín de Geología, 39(3): 13-23, 2017
[11] ASTM Designation D5777. “Standard Guide for Using the Seismic Refraction Method for Subsurface Investigation”, American Society for Testing and Materials, Philadelphia, U.S.A. 1995
[12] Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica. Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente NSR-10 Tomo 2, 2010
* Magister.Correo:director@ingeotecnia.com.co
** Ingeniero.Correo: fcastellanos@ingeotecnia.com.co
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