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ZONIFICACIÓN GEOTÉCNICA SÍSMICA DE LA CIUDAD DE MOQUEGUA

Aguilar, Zenón(1), Chang, Luis A.(2), Castro-Cuba, Milagro E.(2), Chaiña, Wilber E.(2), Salas, Leonardo R. (3), Moreno, Rodolfo A.(3), Piedra, Ramiro.(3)

Resumen

La ciudad de Moquegua, ubicada en la región suroccidental del Perú, a lo largode su historia ha sufrido los efectos devastadores de una serie de eventossísmicos. Durante el terremoto del 23 de Junio del 2001, esta ciudad fue la quesufrió los mayores daños, registrándose intensidades de VIII en la Escala deMercalli Modificada. El objetivo de esta investigación es realizar la zonificacióngeotécnica–sísmica de la ciudad de Moquegua poniendo énfasis en las áreas deexpansión urbana, que es la zona destinada a la reubicación de los damnificadosde dicho terremoto. Con tal fin, se realizaron intensivos trabajos de exploracióngeotécnica que permitieron determinar las características de los suelos decimentación de las diferentes áreas urbanas, identificándose cuatro zonas queagrupan áreas cuyos comportamientos representan un nivel de peligro sísmicosimilar. En general se ha determinado que el comportamiento dinámico de lasdiferentes zonas presentan amplificaciones importantes en periodosrelativamente largos, lo cual incrementa el nivel de peligro al que estánexpuestas las edificaciones en esta ciudad.

1.0 Antecedentes

La ciudad de Moquegua se sitúa en el Cinturón de Fuego del Pacífico, una zona dealta actividad sísmica. El 23 de junio del 2001 a horas 15:33, ocurrió un movimientosísmico de Magnitud MS = 8.2 en la escala Richter, el cual alcanzó una Intensidad deVIII grados en la Escala de Mercalli Modificada en la ciudad de Moquegua. Elmovimiento sísmico afectó las zonas más vulnerables y dejó miles de viviendasdestruidas denotando las zonas de alto riesgo en toda esta región.

En general, las viviendas mas afectadas fueron las de adobe que en su mayoría hancolapsado, en menor escala fueron afectadas las edificaciones de albañilería, algunasse agrietaron y otras sufrieron fallas en la tabiquería en viviendas de uno o más pisos,lo mismo ocurrió en edificios de estructuras aporticadas. Luego de este desastre sevio la necesidad de reubicar las áreas que fueron devastadas por este evento y quepresentan un alto peligro ante fenómenos similares. Con la finalidad de seleccionar lasáreas más óptimas para la reubicación y la expansión urbana, en el presente estudiose realiza la zonificación geotécnica sísmica de la ciudad de Moquegua, esperandocon ello contribuir con el desarrollo sostenible de dicha ciudad.

2.0 Objetivo de la Investigación

El objetivo de esta investigación es realizar la zonificación geotécnica–sísmica de laciudad de Moquegua poniendo énfasis en las áreas de expansión urbana, que es lazona destinada a la reubicación de los damnificados por el sismo del 23 de Junio de

(1) Investigador Principal, Sub director Académico del CISMID-FIC-UNI(2) Investigador Asociado del Laboratorio Geotécnico del CISMID-FIC-UNI(3) Asistente de Investigación del Laboratorio Geotécnico del CISMID-FIC-UNI

CONCYTEC CISMID – UNI

2001. Se tiene conocimiento que las áreas de expansión están conformadas porsuelos con características especiales, habiéndose reportado daños en lasedificaciones convencionales debido principalmente a la expansión y/o colapso delsuelo de cimentación. Por lo tanto, en este estudio se ha realizado trabajos de campoy laboratorio para analizar el comportamiento del terreno y poder caracterizarlosadecuadamente, agrupándolos en zonas que representen similares niveles de peligrosante amenazas de origen natural.

3.0 Ubicación del Área en Estudio

El departamento de Moquegua se localiza al Sur Oeste del país. Se extiende entre ellitoral peruano y la cadena occidental de los Andes del Sur, abarcando dos regiones: lacosta y la sierra. Su relieve es bastante accidentado debido a su contextura volcánica,encontrándose entre los volcanes Omate y Ubinas.

Las zonas en estudio, que comprenden El Cercado de la ciudad de Moquegua, el CPMSan Francisco, el CPM San Antonio, el CPM Los Ángeles y la zona de expansiónurbana de Chen Chen, se encuentran situadas a una altitud promedio de 1,400 msnm,precisamente en los límites de ceja de sierra. La Figura 1 muestra la ubicación y latopografía de la ciudad de Moquegua.

Fig. 1 Ubicación de la Ciudad de Moquegua

4.0 Geología Regional

Geológicamente la zona de estudio está ubicada en la Región Sur Occidental de losAndes y la Llanura costanera, a una altura promedio de 2,200 m.s.n.m. (Provincia deMariscal Nieto). Específicamente esta zona se encuentra entre el flanco andino y lallanura costanera, de los cuales el primero está conformado por rocas volcánicas delcretáceo superior y del terciario inferior, siendo denominado como grupo Toquepala; y


la segunda está constituida por rocas sedimentarias del terciario superior, denominadacomo Formación Moquegua. La Figura 2 muestra el mapa de geología superficial de lazona de estudio.

Kti FORMACIÓN TOQUEPALATs-moi FORMACIÓN MOQUEGUA INFERIORTs-mos FORMACIÓN MOQUEGUA SUPERIORQ-co/al CUATERNARIO COLUVIAL/ALUVIAL RECIENTEQ-al/fl CUATERNARIO ALUVIAL/FLUVIAL RECIENTEQ-re/al CUATERNARIO RESIDUAL/ALUVIAL

Fig. 2: Mapa de Geología Superficial de la Ciudad de Moquegua

5.0 Geomorfología

El área de estudio está emplazada sobre el lecho y los flancos del valle que transcurreen dirección Noreste a Suroeste, dentro del cual se ubica la ciudad de Moquegua y laszonas agrícolas. La otra parte del territorio es árida, y está compuesta por colinas ypenillanura costera, en la cual se ubican los poblados de San Antonio, Chen Chen,Samegua y Los Angeles. Todas las unidades geomorfológicas están constituidas pordepósitos clásticos del terciario superior pertenecientes a la Formación Moquegua y adepósitos del cuaternario, los cuales están disectados por numerosas quebradas queconfluyen en el valle de los ríos Tumilaca, Torata, Huanrancane. En esta zona sepresentan cinco unidades geomorfológicas, las cuales se denominan: LlanurasCosteras, Valles, Colinas Costeras, Quebradas y Terrazas, cuya delimitación se indicaen la Figura 3

Q-al/flQ-co/al

Q-al/fl

Ts-mos

Q-re/al

Q-al/fl

Ts-mos

Ts-mos

Q-re/al

Kti

Ts-moi

Q-al/fl

Ts-moi


Fig. 3: Mapa Geomorfológico de la Ciudad de Moquegua

6.0 Exploración Geotécnica

Para determinar las características geotécnicas del terreno de fundación de lasdiferentes zonas de la ciudad se realizó un programa de exploración de campoconsistente en la excavación de calicatas, ejecución de ensayos de colapso in-situ y laejecución de ensayos geofísicos de refracción sísmica y medición demicrotrepidaciones, la ubicación de los cuales se muestran en la Figura 4. Duranteestos trabajos se obtuvieron un gran número de muestras de suelos, con las cuales serealizaron ensayos estándar y especiales de mecánica de suelos para determinar suscaracterísticas físicas y mecánicas.

Los resultados de los ensayos de laboratorio muestran que los suelos arcillosos de laFormación Moquegua Inferior, que afloran predominantemente en el CPM SanAntonio, presentan un alto potencial de expansión, con valores que alcanzan hasta el18% y cargas de expansión de hasta 4.4 kg/cm2. También se realizaron ensayos decolapso en los suelos arenosos que en grandes extensiones se encuentran sobre elsuelo expansivo, así como en el área de expansión urbana de Chen Chen. Losresultados de dichos ensayos muestran que éstos presentan un ligero potencial decolapso.

6.1 Comportamiento Dinámico del Terreno

Para determinar el comportamiento dinámico del terreno se utilizó la técnica demedición de microtrepidaciones, la cual permite estimar el periodo de vibraciónnatural de terreno y los factores de amplificación sísmica. Mediante este ensayo

LOS ANGELES

CHEN-CHEN

CERCADO

SAN FRANCISCO SAN ANTONIO

- VALLES- COLINAS COSTERAS- LANURASCOSTERAS- QUEBRADAS- TERRAZA


se definieron curvas isoperiodos de las diferentes zonas del área urbana,encontrándose los siguientes rangos de periodos:

En la zona de El Cercado las urbanizaciones aledañas, los periodospredominantes de vibración natural varían de 0.1 a 0.35 segundos,observándose amplificaciones importantes en este rango de periodos. En elCPM Los Angeles se presentan valores de periodos predominantes con pocorango de variación, encontrándose entre 0.2 y 0.3 s

En el CPM San Antonio se observan dos áreas , la primera con valores quevarían de 0.2 a 0.35 s, distribuidos en las laderas de los cerros. La segunda convalores que varían de 0.4 a 0.8 s, distribuidos en la parte baja de este centropoblado.

En la zona de Chen Chen, también se presentan dos áreas bien marcadas, convalores de periodos bastante diferentes. El sector aledañas a la planta detratamiento presenta periodos predominantes en el rango de 0.1 a 0.3 s,reflejando un comportamiento de suelo rígido. La zona destinada a la expansiónurbana presenta periodos de 0.9 a 1.5 s, con factores de amplificaciónimportantes en este rango de periodos.

En el CPM San Francisco los periodos predominantes varían de 0.20 a 0.35 s.En esta zona las amplificaciones son importantes especialmente por el efectotopográfico y las grandes pendientes de las laderas de los cerros.

Fig. 4 Ubicación de Sondajes


7.0 Zonificación Geotécnica Sísmica de la Ciudad de Moquegua

La evaluación de toda la información obtenida en el desarrollo de esta investigación,ha permitido definir cuatro zonas geotécnicas en la ciudad de Moquegua, de acuerdo alas características físico mecánicas y dinámicas de los suelos de fundación, las cualesse muestran en la Figura 5 y se describen a continuación.

La Zona I está conformada por la parte consolidada de la ciudad. Superficialmentepresenta un material de relleno medianamente compacto, que alcanzan hasta los 2.0m de profundidad. El terreno natural está conformado por gravas con matriz arenosa ylimosa, La capacidad de carga admisible del terreno de fundación para cimentacionestípicas varía de 1.2 a 2.0 kg/cm2, para profundidades de cimentación de 1.00 a 1.20 m.Los periodos predominantes obtenidos para esta zona varían desde 0.10 hasta 0.40s. Debido a las características de amplificación sísmica observados en los registrossísmicos obtenidos en esta zona, para el diseño sismoresistente se recomiendaconsiderar los parámetros sísmicos correspondientes a un Suelo Tipo S2 del RNC.

La Zona II, que abarca las Pampas de Chen Chen, es un área de deposición en formade plano inclinado, con pendientes de 3° a 7°, conformada por estratos de gravas conmatriz limosa y arenosa, de compacidad suelta a media. La capacidad de cargaadmisible para cimentaciones superficiales típicas a la profundidad de cimentación de1.0 m, sobre terreno natural, varía de 1.2 a 1.7 kg/cm2. En el sector destinado para laexpansión urbana, los periodos predominantes varían de 1.0 hasta 1.5 s, mostrandofuertes amplificaciones en este rango de periodos, por lo tanto, para el diseño sismo-resistente en esta zona se recomienda considerar los parámetros correspondientes alSuelo Tipo S3 del RNC.

La Zona III ha sido subdivididas en dos subzonas con las siguientes características:

Zona III A, Conformada por el sector llano del área central del CPM San Antonio, asícomo por la zona mas elevada del cerro El Siglo y los asentamientos humanos El sigloy Mariscal Nieto, terminando en la Quebrada del Pedregal. El terreno de fundaciónestá conformado por un material granular de compacidad media a suelta. Lacapacidad de carga admisible para edificaciones de interés social varía de 1.0 a 1.5Kg/cm2 a una profundidad de cimentación de 1.00 m. Los periodos predominantesregistrados en la zona que abarca el CPM San Antonio varían de 0.5 a 0.8 s,disminuyendo hasta 0.2 s en las partes altas. En la zona de AA.HH Mariscal Nieto y laQuebrada del Pedregal los periodos predominantes varían desde 0.16 s hasta 0.40 sen la zona baja de la quebrada. Los parámetros de diseño sismo-resistenterecomendados para esta zona corresponden al Suelo Tipo S3 del RNC. Para efectode diseño de cimentaciones en estos tipos de suelos se debe considerar la posibilidadde asentamientos diferenciales por un leve potencial de colapso del material granularcementado, así como pequeños levantamientos por expansión de las arcillas limosas.de baja plasticidad.

Zona III B, Esta zona abarca las dos partes laterales del CPM San Antonio, dondeexisten afloramientos de la Formación Moquegua Inferior. El terreno de fundaciónestá conformado por estratos de arcilla limosa y arena arcillosa, cubiertos por unmaterial gravoso de 1.0 m de espesor en promedio. El material arcilloso tiene unaconsistencia rígida, bajo contenido de humedad y alto potencial de expansión, por lo


que se debe considerar su efecto en las cimentaciones para evitar el agrietamiento delas edificaciones. La capacidad de carga admisible del terreno en condicionessaturadas varía de 0.8 a 1.0 Kg/cm2 para edificaciones de interés social, conprofundidades de cimentación de 1.0 m.

Los periodos predominantes determinados en esta zona tienen poca variación,encontrándose en el rango de 0.20 a 0.40 s. Sin embargo, en este sector también sehan observado grandes amplificaciones sísmicas (Lermo, 2002), por lo que sucomportamiento dinámico debe ser caracterizado como el de un Suelo Tipo S2 delRNC.

La Zona IV: Predominantemente abarca el área donde se ha situado el CPM SanFrancisco. El terreno de fundación está constituido superficialmente por rellenos ygravas angulosas, arenas medias a finas y limos inorgánicos, Subyaciendo a estematerial se encuentran areniscas arcósicas, lutáceas y arcillosos, rígida, que poseencaracterísticas expansivas. La topografía de esta zona es bastante accidentadapresentando pendientes mayores a los 70°. La capacidad de carga admisible paraviviendas de interés social varía de 0.6 a 0.8 Kg/cm2 en terreno saturado. Losperiodos predominantes del terreno varían de 0.2 a 0.35 s, sin embargo esta zona espropensa a sufrir grandes amplificaciones sísmicas por efectos topográficos y posiblesproblemas de inestabilidad de taludes. En consecuencia, esta zona presenta lascondiciones más desfavorables para ser utilizada como área urbana. En caso deproyectarse la construcción de edificaciones en esta zona, para el diseño sismo-resistente se deberá considerar el comportamiento dinámico del terreno similar al deun Suelo Tipo S3 del RNC.

Fig. 5 Mapa de Zonificación Geotécnica Sísmica de La Ciudad de Moquegua


8.0 Conclusiones y Recomendaciones

- La historia sísmica de la región sur occidental del Perú indica que la ciudad deMoquegua se encuentra en una zona de alta actividad sísmica, habiéndoseregistrado una serie de eventos de gran intensidad que han afectadoconsiderablemente a esta ciudad. El análisis de peligro sísmico indica que en laciudad de Moquegua pueden ocurrir eventos con mayores niveles de sacudimientoque el último evento ocurrido el 23 de Junio del 2001; en consecuencia, es desuma importancia que en las acciones de reconstrucción se considere estaamenaza natural en el diseño de las edificaciones

- La geología local del área de estudio muestra que la ciudad de Moquegua seencuentra asentada predominantes sobre dos unidades geológicas, constituidas porlas formaciones Moquegua Superior y Moquegua Inferior. La primera cubre lamayor parte del área de estudio y está constituida superficialmente por un sueloresidual, de un espesor de 5 a 15 m aproximadamente, compuesto por gravas yarenas de compacidad suelta a media y en sectores compactos y cementados. LaFormación Moquegua Inferior está conformada por lutitas, areniscas arcósicas,limolitas y arcillas cementadas de color marrón y marrón claro, altamentecompactas. Existen además depósitos cuaternarios recientes, los cuales se dividenen depósitos residuales y transportados, estos últimos conformados por sueloscoluviales, aluviales y fluviales.

- El programa de exploración geotécnica ha consistido en la ejecución de calicatas,ensayos estándar y especiales de laboratorio, ensayos de carga directa in situ, asícomo de ensayos geofísicos de refracción sísmica y medición demicrotrepidaciones. La evaluación de toda esta información ha permitido definircuatro zonas geotécnicas en la ciudad de Moquegua, de acuerdo a lascaracterísticas físico mecánicas y dinámicas de los suelos de fundación.

- Las zonas geotécnicas presentadas en este estudio representan la caracterizacióndel terreno de fundación del área urbana de la ciudad de Moquegua. Enconsecuencia, su utilización está orientada a la planificación urbana y laconstrucción de viviendas de interés social. Para la construcción de edificacionesde mayor importancia se recomienda hacer un estudio de suelos específico, paragarantizar la seguridad de la estructura.

- Las cuatro zonas identificadas representan no sólo el comportamiento del terrenobajo la acción de cargas transmitidas por las estructuras, sino que ademásrepresentan el grado de peligro al que éstas están expuestas ante la ocurrencia defenómenos naturales. Por lo tanto, se recomienda tomar en cuenta estascaracterísticas para orientar el crecimiento de la ciudad y reglamentar los tipos deestructuras que se pueden construir en las áreas apropiadas de las zonas de mayorpeligro.

- Si bien es cierto que el mayor peligro al que está expuesta la ciudad de Moqueguaes la ocurrencia de eventos sísmicos, no se debe descartar la posibilidad deprecipitaciones pluviales extraordinarias que también pueden generar grandesdesastres en las áreas de las torrenteras y quebradas secas que han sidopobladas. Se recomienda prohibir y controlar el asentamiento en estas áreas.


AGRADECIMIENTOS

Este estudio ha sido realizado por el Laboratorio Geotécnico del Centro PeruanoJaponés de Investigaciones Sísmicas y Mitigación de Desastres (CISMID), de laFacultad de Ingeniería Civil de la Universidad Nacional de Ingeniería, gracias alfinanciamiento recibido del Concejo Nacional de Ciencia y Tecnología, a través de suPrograma de Apoyo al Investigador, mediante la subvención económica N° 389-2001-CONCYTEC-AOJ del Concurso Santiago Antúnez de Mayolo – 2001.

Nuestro especial reconocimiento se hace extensivo a la Municipalidad Provincial deMariscal Nieto, al Consejo Transitorio de Administración Regional de Moquegua(CTAR-MOQUEGUA) y al Instituto Nacional de Desarrollo, instituciones que hanparticipado activamente, haciendo posible que esta investigación se logre concretar.De igual forma vaya nuestro reconocimiento al Consejo Departamental de Moqueguadel Colegio de Ingenieros del Perú, entidad que ha participado activamente en lagestión de este proyecto.

Este estudio no hubiera sido posible de realizarse de no ser por la desinteresada eincondicional dedicación del personal del Laboratorio Geotécnico del CISMID, enespecial de los Ingenieros Luis A. Chang, Milagro Castro Cuba, Wilber E. Chaiña yRamiro Piedra. A todos ellos les expresamos nuestro agradecimiento y admiración porsu dedicación al desarrollo de la investigación.

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