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CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA DE LOS SUELOS DE LA CIUDAD DE XALAPA, VERACRUZ

Geotechnical characterization of soils from city of Xalapa, Veracruz

OSCAR LENZ HERNÁNDEZ1

1 Facultad de Ingeniería Civil Xalapa, UV

RESUMEN: El trabajo revisa más de 30 años de actividad geotécnica que se ha llevado a cabo en la zona metropolitana de Xalapa, Veracruz y las zonas conurbadas con los poblados de Coatepec, Las Trancas y Banderilla. Se describe brevemente la historia geológica que dio lugar a la actual distribución de los geomateriales y la morfología representada por los pequeños estratovolcanes de la localidad. A partir de los informes geotécnicos se identifica la plasticidad de los suelos, su distribución granulométrica, actividad y posible expansividad. Considerando las propiedades físico-químicas se estudia de una manera sucinta la fábrica y la microestructura de las arcillas volcánicas, estudio soportado por microfotografías obtenidas por microscopia de barrido y de transmisión. Se presenta una miscelánea de valores de módulos de reacción obtenidos en ensayos de placa realizados en diversos materiales piroclásticos parcialmente saturados; así como también, se describen las características de compresibilidad de las arcillas que se encuentran en los cauces intermitentes.

ABSTRACT: This paper reviews more than 30 years of geotechnical activity that has been carried out in the metropolitan area of Xalapa, Veracruz and conurbations in the villages of Coatepec, Las Trancas and Banderilla. Geologic history that led to the current distribution of geomaterials and morphology represented by small stratovolcanoes of the town is briefly described. Based on the geotechnical reports plasticity of soils, their size distribution, activity and possible expansiveness is identified. Considering the physicochemical properties are studied in a succinct way the factory and the microstructure of volcanic clays study supported by microphotographies obtained by scanning microscopy and transmission. Miscellaneous reaction modules obtained in plate tests with various unsaturated pyroclastic material is presented; also, the characteristics of compressibility of clays which are in intermittent streams are described.

1 INTRODUCIÓN

La Ciudad de Xalapa se encuentra alojada en el oriente de la provincia fisiográfica denominada Eje Neovolcánico y ha crecido de forma anular sobre las laderas del Cerro Macuiltepetl.

Xalapa capital tiene más de 457,928 habitantes y en estos últimos 30 años, el crecimiento del aparato administrativo del Gobierno del Estado de Veracruz ha ocasionado un crecimiento acelerado de la población, que comprende a la misma ciudad y a sus áreas conurbadas con Coatepec, Banderilla y Las Trancas. Como consecuencia de lo anterior, el desarrollo urbano acelerado ha cubierto áreas inestables compuestas por lomeríos y de rellenos mal compactados, situación que impuso al sector de la construcción realizar estudios geotécnicos. Gracias a esta circunstancia, en este trabajo se ha podido acopiar casi todo este acervo de informes geotécnicos y ha permitido caracterizar los suelos que componen el subsuelo de Xalapa, con el objeto de implementar a futuro una zonificación geotécnica del lugar en estudio.

2 ANTECEDENTES

La primera caracterización geotécnica de los suelos que componen los depósitos volcánicos del subsuelo de la Ciudad de Xalapa fue presentada, de manera general, en las memorias de la VIII Reunión Nacional de Mecánica de Suelos, organizada por la Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos en el año 1976. El trabajo reporta un total de siete estudios dentro del área urbana, que comprenden 25 sondeos profundos y 18 pozos a cielo abierto (Esquivel, 1976). A partir de 1983 hasta el presente se ha recopilado más de 101 informes geotécnicos que reportan 101 sondeos realizados con máquina rotaria (incluyendo sondeos del libramiento de Xalapa) y 216 sondeos someros del tipo pozos a cielo abierto y con barrena manual, todos ellos con sus respectivos reportes de laboratorio. También se aprovechó las recientes investigaciones realizadas en estos diez últimos años, como estudios de la fábrica de las arcillas volcánicas (Lenz, 2009), y vulcanismo monogenético (González, 2005), por citar los de mayor interés para esta investigación.

SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.

2 Título del trabajo

3 GEOLOGÍA

La zona en estudio se encuentra en el oriente del Eje Neovolcánico, en la porción central del Estado de Veracruz y está limitada por los paralelos 19°29’ y 19°36’ latitud norte y entre los meridianos 96°48’ y 96°58’ de longitud oeste; altitud de 700 a 1600 msnm. El clima corresponde a semi-cálido húmedo, con lluvias abundantes en verano, con precipitacio-nes de 1100 a 1600 mm (INEGI, 2009).El inicio del vulcanismo del Eje Neovolcánico o Faja Volcánica Transmexicana (FVT) ocurre en la transición de las Épocas del Mioceno y Plioceno (5.3 a 1.8 Ma) y según Padilla y Sánchez (2007) adquiere su máxima actividad en el Plioceno y el Cuaternario. Dicha actividad volcánica está asociada a la zona de subducción formada por las placas de Cocos y la Continental Mexicana (INEGI, 1984), que es la que suministra el material magmático a la FVT. En el Pleistoceno-Cuaternario se forma el Campo Volcánico de Xalapa (CVX), compuesto por 20 volcanes del tipo monogenético (sólo una fase eruptiva) y a finales del Cuaternario ocurrieron eventos laháricos que aportaron sedimentos volcanoclásticos provenientes del volcán Cofre de Perote y se depositaron en la parte norte y centro del CVX (González, 2005). Se mencionan aquí los volcanes que se encuentran dentro del área metropolitana y zonas conurbadas de Xalapa, a saber: Cerro Macuiltepetl, Cerro Colorado 1 (según asignación de González, 2005), El Estropajo, Las Margaritas y Pitaya, pues fueron los que modelaron la actual morfología del terreno y suministraron los geomateriales a la localidad. La tabla 1 muestra su localización y tipo de volcán.

Tabla 1. Volcanes monogenéticos ubicados dentro la mancha urbana de Xalapa.Volcán Localización(*) Tipo de

volcánUbicación

Latitud LongitudMacuiltépetl 19°32’54’’ 96°55’09’ Cono de

escoriasCentro Xala-pa

Cerro Colo-rado 1

19°32’30’’ 96°56’44’’ Cono de escorias

Al oeste de Xalapa

El Estropajo 19°3340’’ 96°57’31’’ Cono de escorias

Al oeste de Xalapa

Las Margari-tas

19°29’55’’ 96°54’40’’ Tipo escu-do

Al sur de Xa-lapa

Pitaya 19°30’25’’ 96°57’30’’ Cono de lava

Al suroeste de Xalapa

(*) Según González Mercado, 2005.

La litología suministrada por estos volcanes está representada por fragmentos autoclásticos, piroclásticos y epiclásticos, (Fisher, 1961). Los materiales autoclásticos se encuentran dentro de la chimenea del volcán Macuiltepetl que corresponden a basaltos y escorias de color gris y rojo, y lavas de composición basáltica y andesítica (González, 2005). Los sedimentos piroclásticos están representados por materiales tobáceos compuestos por cenizas volcánicas de grano fino, con tamaños comprendidos entre 1/256 mm a 2.0 mm y se

encuentran repartidos por toda el área urbana, formando lomeríos que corresponden a las zonas altas de Xalapa. Otros sedimentos piroclásticos que se emplazan hacia el oriente de la ciudad son las ignimbritas, que presentan compacidades de media a muy compactas y las arenas pumíticas que se depositaron entre Coatepec y Xalapa. Los sedimentos epiclásticos son materiales que contienen residuos producidos por la meteorización y erosión (transporte de fragmentos) y se encuentran en las zonas que aquí denominamos cauces intermitentes o lo que fueron paleocanales que corresponden a zonas bajas. Las coladas provenientes del Cerro Macuiltepetl formaron rocas basálticas, andesitas basálticas y traquiandesita basáltica, predominando el basaltos y escorias que se emplazan por toda el área perimetral del Macuiltepetl y hacia el norte de la ciudad (González, 2005). Resumiendo, todos los geomateriales situados en el área en estudio son de origen volcánico y su edad corresponden al Pleistoceno (González, 2005, Morales e INEGI, 2009).

4 TRABAJOS DE CAMPO Y LABORATORIO4.1 Trabajos de campo

Según información reportada por los 101 estudios geotécnicos revisados, se llevaron a cabo sondeos profundos en los que se realizaban ensayos de penetración estándar (SPT), ejecutados bajo la metodología indicada por las Especificaciones Generales para Proyectos de Obras de PEMEX, equivalente a la norma ASTM D1586-11; toda vez ejecutado el ensayo SPT se recuperaba las muestras para su clasificación, embalado, etiquetado y su respectiva remisión al laboratorio. Además, reportaban sondeos con pozos a cielo abierto (PCA), que permitían observar la estratigrafía superficial y la extracción de muestras del tipo alterado e inalterado (muestras cúbicas). Los trabajos de campo complementario consistieron en realizar sondeos tipo PCA y ensayos de placa. En la figura 1 se muestra la localización de los estudios aludidos.

4.2 Trabajos de laboratorioLa relación de ensayos de laboratorio que reportan los mencionados estudios son de carácter rutinario, es decir, los ensayos ejecutados consistieron en: determinación del contenido de humedad, granulometría, densidad de los sólidos, límite líquido, límite plástico, peso volumétrico natural, peso volumétrico seco suelto, peso volumétrico seco suelto y humedad óptima (Proctor Estándar), ensayo triaxial no consolidado-no drenado (UU),


(sólo poner primer autor, ver ejemplo) APELLIDO Inicial del nombre et al. 3

Figura 1. Localización de estudios geotécnicos realizados en la zona urbana y conurbana de Xalapa.

resistencia a la compresión simple y consolidación unidimensional. Los ensayos de laboratorio se realizaron apegados a las normas ASTM.

5 CARACTERIZACIÓN DE LOS SUELOS VOLCÁNICOS5.1 Propiedades índiceToda la información de laboratorio reportada sirvió para elaborar la tabla 2, que resume las propieda-des índice de los suelos volcánicos, en ella puede apreciarse que se agrupan los valores índice de acuerdo al grupo de suelo, según el Sistema Unifi-cado de Clasificación de Suelos (Casagrande, 1948). Las propiedades gravimétricas y volumétri-cas de los suelos se calcularon considerando la posición del nivel de aguas freáticas reportado en los perfiles estratigráficos.

5.2 Características granulométricas y de permea-bilidad de los suelos granularesDe acuerdo a la información disponible, las arenas limosas son las que más predominan en la locali-dad con respecto a las arenas arcillosas y mal graduadas. Las gravas arcillosas abundan en las zonas bajas o en cauces intermitentes y como puede apreciarse en la tabla 2 los porcentajes de finos oscila entre 25% y 40 %. En la tabla 3 se in-dican los coeficientes de uniformidad y de curva-tura que presentan estos suelos granulares y se incluye el coeficiente de permeabilidad utilizando

el criterio de Hansen, con una constante C de 116 (Juárez y Rico, 1977).

5.3 Físico-químicas de la arcillasCon la finalidad de identificar los constituyentes mineralógicos de las arcillas volcánicas (las más abundantes en la localidad) y asociarlos con la po-sible expansividad, se incluye en la figura 2 el di-fragtograma de polvo de las mismas, en tamaños de partículas de 0.1 mm a 0.0001 mm. El difragto-grama reporta minerales de haloysita y alofana (minerales del grupo de los filosilicatos), como componentes mineralógicos únicos de las arcillas.

Figura 2. Difragtograma de rayos-X de polvo en fracción arcillosa (Lenz, 2004).


1. Predio Corregidora¹2. Condominio Los Berros¹3. Condominios Poeta Jesús Díaz¹4. Escuela Leonardo Vignolia¹5. Puente Acceso Murillo Vidal¹6. Casa Habitación Tomás Owen¹7. Calle 5 de Febrero¹8. Hotel Aries¹9. Club Britania¹10. Fraccionamiento La Mata¹11. Puente Atenas¹12. Balcones de Xalapa¹13. Muro de Cochera Municipal¹14. Edificio Contigua al PRI¹15. Dormitorio Gral. Seminario Mayor¹16. Restaurante Calle Manuel Tello¹17. Casa Habitación Capitán Barrera¹18. Edificio Los Sauces¹19. Fraccionamiento del Valle¹20. Muros Jardines de Xalapa¹21. Bancomer¹22. Tanque Niño Perdido¹23. Tanque Cerro de las Galaxias¹24. Tanque el Castillo¹25. Tanque CONASUPO¹26. Tanque Parque Hundido¹27. Unidad Habitacional Jardines de Coatepec¹28. Edificio Carrillo Puerto¹29. Teatro IMAC¹30. Escuela Ricardo Flores Magón¹31. Nueva Xalapa (1ra Etapa)¹32. Fraccionamiento Jacarandas¹33. Hospital Civil¹34. Edificio Clavijero¹35. Hotel Fiesta Inn.¹36. Torre Ánimas¹37. Banca SEFIPLAN¹38. Estacionamiento IPE¹39. Edificio Nora Elena¹40. Nueva Xalapa (2da Etapa)¹41. Condominio Molino de Pedreguera¹42. Casa Habitación Elio Flores¹43. Taller de encierros AU¹44. Casa Habitación Alfredo Hakim¹45. Edificio Nacional Financiera¹46. Fraccionamiento Jardines de las Flores¹47.Viviendas Murillo Vidal¹48. Pavimentación Fracc. Valle Loma¹49. Viviendas San Bruno¹50. Nueva Xalapa (3ra Etapa)¹51. Viviendas Lomas del Tejar¹52. Pavimentación Viviendas San Bruno¹53. Planta Potabilizadora Río La Marina¹54. Planta Potabilizadora Xalapa¹

55. Restaurante KFC¹56. Fraccionamiento San Carlos¹57. Pozo Absorción Nacional Financiera¹58. Puente Peatonal Tesoreria¹59. Estacionamiento Real Plaza Xalapa¹60. Ampliación Plaza Acrópolis¹61. Edificio Calle Montes de Xalapa¹62. Muros Lomas Verdes¹63. Escuela de Protección Civil¹64. Represa Monte Magno¹65. Torre Dragón¹66. Terreno la Padrera¹67. Edificio IPE¹68. Estudio en Colonia Revolución²69. Adecuación de Unidad Deportiva "La Lagunilla"²70. Estudio Av. Lázaro Cárdenas²71. Edificio para Recinto Sindical Sección 17²72. Estudio Av. Miguel Alemán²73. Edificio Anexo al Palacio de Justicia²74. Restaurante VIPS²75. Edificio PAN²76. Ampliación edificio SNTE²77. Laboratorios para la Facultad de Ingeniería y Ciencias Químicas²78. Parte posterior de la zona UV²79. Facultad de Psicología²80. Línea de conducción de la caja No.4 a la Reserva Territorial²81. Edificio de Colecciones²82. Estabilidad de taludes Circuito Presidentes²83. Alberca Eulalio Ríos²84. Edificios escolares COBAEV No.35²85. Facultad de Ciencas Administrativas y Sociales UV²86. Edificio para el Consejo Estatal de Seguridad Pública²87. Centro cristiano Amistad de Xalapa A.C.²88. Edificio de la PGJ²89. Edificio ORFIS²90. Entronque las Trancas²91. Nave para bodega en las Trancas²92. Paso a desnivel del parque Juárez³93. Ampliación del IMSS³94. Auditorio de la Escuela Normal Veracruzana³95. Libramiento Xalapa96. Terreno Libramiento Coatepec97. Sala de conciertos Tlaqná98. Planta de agua potable99. Av. Murillo Vidal100. Lázaro Cárdenas101. Lomas del Tejar (zona baja)

34

5

7

89

10

11

12

14

15

17

27

16

18

20

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282930

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80

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49

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4243

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82

83

89 90

91

93

94

1

6

36

57

2

64

66

Macuiltepetl

El Castillo

Coapexpan

Las Trancasmen

Nico

lás

Bra

vo

J.M

.Mat

a

39

52

N

UBICACIÓN DE ESTUDIOS

SIMBOLOGÍASondeo PCA

Parque Natura

19

1331

40 50

6179

6284

8586 87

33

38

2

67

75

76

59

Escala gráfica aproximada enkilómetros

1.Lenz, O.(paper); 2. Huesca, D.(2009); 3. Esquivel, R.(1976)

73

Sondeo

Cauce naturalCalles y avenidasLibramientoVía FerrocarrilÁreas verdes

95

Parque Los Berros

92

Banderilla

A Coatepec

L1

95L2

95L3

95L5

95L495

L6

95L795

L8

95L9

95L10

95L11

95L12

95L13

95L1495

L15

95L16

95L17

95L18

95L19

95L20

95L21

95L22

Xalapa

Sondeo complementario96

101

99

98

97

100

210


Tabla 2. Propiedades gravimétricas y volumétricas de los suelos de Xalapa.Tipo desuelo

Profundidadm

%

LL %

IP%

Gs

-ton/m3

e-

Sr

%F%

CH 0.15-27.00 29.48-61.83

55.54-90.72

26.82-60.2

2.44-2.72

1.48-1.78

0.89-1.75

63.76-100.00

72.10-99.54

OH-MH 0.20-34.80 35.29-94.91

51.84-99.82

20.84-52.90

2.40-2.62

1.29-1.66

1.22-2.93

68.48-100.00

59.79-99.88

CL 0.20-18.00 18.69-50.44

27.82-46.41

8.41-24.99

2.40-2.62

1.40-1.83

0.47-1.70

56.91-100.00

61.89-95.31

OL 1.00-11.10 17.53-53.95

31.70-46.74

7.51-18.26

2.42-2.71

1.43-1.76

0.73-1.22

66.65-91.07

63.53-98.00

ML 0.45-30.00 30.01-34.59

24.90-48.00

3.20-16.52 ~2.75 ~1.55 1.39-

1.5752.58-68.43

52.30-99.00

SC 2.80-39.20 18.52-47.80

24.60-58.70

5.80-30.30

2.22-2.45 ~1.80 0.43-

1.02 ~93.44 12.55-42.00

SM 0.90-45.49 14.46-60.34

27.50-59.00

3.90-24.40

2.22-2.62

1.03-1.65

1.23-2.10

26.39-96.39

12.18-48.00

SW 7.38-9.13 19.34-20.32 - - 2.74 ~1.70 ~0.94 56.98-

58.891.35-1.47

SP 1.20-4.00 8.39-26.28 - - 2.27-

2.351.50-1.60

0.76-0.94

26.67-65.70

1.26-5.80

GC 6.00-26.00 12.10-54.70

52.00-56.90

21.00-32.80 - ~1.80 - - 25.00-

41.00GW 2.15-8.31 12.59-

57.03 - - ~2.61 ~1.65 0.80-1.49

42.08-99.89

0.22-5.42

Tabla 3. Coeficientes de graduación y permeabilidad de los suelos granulares.

Tipos de suelo

D1

0

mm

Cu

-

Cc

-

Kv

*cm/seg

GW

0.30-8.70

4.48-20.60

1.21-3.06

-

SW

0.51-0.79

6.33-8.14

1.03-1.20

0.27-0.679

SP

0.073-0.15

2.75-5.8

0.58-0.96

0.011-0.026

(*) Determinado a partir del criterio de Hazen.

De acuerdo al espectrómetro que reporta Lenz (2009), los elementos que predominan en los minerales son: hierro, silicio, oxígeno, magnesio, potasio, titanio (en menor medida) y aluminio, y con la finalidad de completar la información respecto a las propiedades físico-químicas de estas arcillas se incluye la tabla 4.

Existe una fuerte correlación entre la superficie específica de las láminas de arcilla y su límite líquido (Yong and Warkentin, 1975) y el valor reportado en la tabla 4 justifica las altas plasticidades reportadas en el apartado 5.4.

En la figura 3 se muestra la morfología típica de cristales de haloysita y alofana, observadas en el microscopio electrónico de transmisión (MET). En la figura 3a puede apreciarse la forma tubular que presenta las laminas de haloysita debido a la inestabilidad de las capas tetraédricas y octaédricas y a la presencia de uniones débiles de las inter-capas (Bates, 1955), que es común en este tipo de minerales y en la figura 3b se muestra una lamina de alofana que presenta alteraciones en sus bordes por alteración debida a la meteorización que ha sufrido desde su emplazamiento hasta el presente.

La microfábrica que presentan estas arcillas es del tipo oolítica o nodular, compacta y de baja porosidad; la estructura se presenta en forma de agregados aglomerados (o peds) esféricos interconectados y en estado natural presenta una estructura total anisotrópica (Lenz, 2009). En la figura 4 pueden apreciarse microfotografías obtenida con microscopio electrónico de barrido (MEB); la microfotografía de la figura 4a ilustra la microfábrica tipo oolítico que presentan la arcillas volcánicas y la figura 4b muestra el tipo de conector entre peds.



5.4 Características de plasticidad de los suelos fi-nos

Los quinientos veinticinco ensayos de límites de consistencia reportados por los estudios permitieron formular la figura 5,

en la que se hace la distinción entre suelos de ladera, que corresponden a zonas altas de Xalapa (depósitos piroclásticos), suelos de pie de ladera que corresponden a cauces intermitentes (sedimentos



Tabla 4. Propiedades fisicoquímicas de las arcillas volcánicas.

Tipo de suelo pH-

Contenido de carbonatos%

Contenido de materia or-gánica húmica%

Superficie específicam2/gr

Observaciones

Arcilla volcánica(tobas)

5.6 0.0 0.10 92.7 El pH obtenido es un valor típico de suelos continentales

Figura 3. Partículas de cenizas volcánicas estudiadas en el MET. a) Haloysita en forma típica tubular; b) lámina de alofana (Lenz, 2009).

Figura 4.Microfábrica de la arcilla volcánica estudiada en el MEB.

5.5 Actividad de las arcillasComo parte complementaria de los trabajos de laboratorio, se determinaron ensayos granulométricos con densímetro utilizando la norma ASTM D422, para identificar la fracción arcillosa y asociar el índice de plasticidad (IP), con el objeto de identificar la actividad de las arcillas volcánicas (A), según el criterio de Skempton (1953) y a lo recomendado por Day (2000). La tabla 5 presenta valores de la actividad de las arcillas de alta plasticidad (CH) y las arcillas orgánicas de media a alta plasticidad (OH); en ella puede apreciarse que las arcillas volcánicas no son activas.

Tabla 5. Actividad de las arcillas volcánicas.Tipo de suelo

IP%

Fracción de arcilla%

A-

Observaciones

OH 43 60 0.72 Arcillas con va-lores de A<0.75, se con-sideran inacti-vas.*

CH 36-56 68-79 0.52-0.71

(*) Day, 2000.

5.6 Expansividad de las arcillasPara identificar la expansividad de las arcillas


a baConector


hinchamiento en edómetro convencional y en celda edométrica con aplicación de presión de succión variable de estas mismas arcillas volcánicas, bajo dos cargas verticales constantes, a saber: 98.10 kPa y 196.2 kPa. La tabla 6 presenta dichos resultados y se compara con suelos de comprobada expansividad. Los porcentajes de hinchamiento obtenidos con celda edométrica con succión controlada, que a criterio del que suscribe es una manera más fidedigna para determinar la expansión de estos suelos

parcialmente saturados, da valores mucho más bajos que los obtenidos en edómetro convencional, pues a las muestras ensayadas hay que sumergirlas en el ensayo de hinchamiento libre y presión de hinchamiento (AENOR- UNE103601 y 103602, 2001), y los ensayos referidos no representan las condiciones de campo.

Tabla 6. Hinchamiento de la arcilla volcánica y de algunos suelos españoles (Lenz, 2004).Suelo Composición minera-

lógicaEnsayo en edómetro convencional Ensayo de hinchamiento en celda edomé-

trica

Hinchamiento libre,%

Presión de hincha-miento,kPa

A presión vertical de 98.1 kPa,%

A presión vertical de 196.2 kPa,%

Arcilla volcánica Haloysita y alofana 2.60 68.0 0.81 0.30Arcilla de Madrid Mica, caolinita y es-

mectita4 al 12 - 3.2 -

Arcilla de la Cuenca del tajo

Esmectita magnésica y un poco de mica

4.7 a 9.1 137.3 a 215.8 - -

Arcillas azules del Guadalquivir

Esmectitas, ilita y muy poca caolinita

3.2 a 5.30 372.8 a 520.0 - -

Figura 6. Método empírico de Bara.

Dada la composición mineralógica que presentan las arcillas volcánicas (ver apartado 5.3) se esperaba que su expansividad fuera muy baja o nula, pues la información presentada en este epígrafe coincide con las observaciones de campo, en las que no se ha reportado en estos últimos 35 años caso alguno que presente problemas en estructuras por expansiones del suelo de cimentación.

5.7 Características de compresibilidad y permeabilidad de los suelos finosPara conocer las características de compresibili-dad se consideraron los ensayos de consolidación realizados a suelos arcillosos con plasticidades de media a alta. Con las curvas de compresibilidad (e-log. presión efectiva) pudo determinarse la pre-sión de preconsolidación (c), el índice de compre-sibilidad (Cc) y la relación de sobreconsolidación (OCR). Los parámetros de compresibilidad se muestran en la tabla 7, puede observarse que los suelos estudiados manifiestan preconsolidación, denotando a estos suelos como poco compresi-bles. Esta baja compresibilidad se debe a que las láminas de los agregados de la arcilla se ordenan cara-cara y las ligas de los “peds” se encuentran soldados por altas temperatura impuestas por las condiciones de deposición de estos suelos volcá-nicos (ver Figuras 4 a, b).

Tabla 7. Características de compresibilidad de los suelos finos.Tipo de suelo ′o

kg/cm2c

kg/cm2OCR-

Cc

-



Suelos de alta a media plasticidad (MH, OH Y CL)

0.10-0.62

0.55-1.20

1.10-2.35

0.01-1.01

Las curvas de compresibilidad dibujadas a es-cala aritmética y con presiones correspondientes a las del lugar (0) sirvieron para determinar los si-guientes parámetros: coeficiente de compresibili-dad (av), coeficiente de compresibilidad volumétri-co (mv) y con las curvas de consolidación obteni-das con las mismas presiones del lugar se calcu-laron los coeficientes de consolidación (Cv); y fi-nalmente, en base a los parámetros antes citados se calculó el coeficiente de permeabilidad (kv). En la tabla 8, puede apreciarse el resumen de los cál-culos de los parámetros antes mencionados. Los valores de Kv corresponden a suelos impermea-bles, es decir, de baja permeabilidad, suelos que en la práctica son difíciles de drenar.

Tabla 8. Permeabilidad de los suelos arcillosos.Tipo de suelo

′okg/cm2

av

cm2/kgCv

cm2/minmv

cm2/kgkv

cm/segSuelos de alta a media plasticidad (MH, OH Y CL)

0.10-0.62

0.01-0.42

0.60-18.23

0.004-0.10

8.9E-07-4.5E-06

5.8 Características esfuerzo-deformación en con-diciones no drenadasLamentablemente los informes geotécnicos sólo reportaron ensayos triaxiales no consolidados-no drenados (UU).

Cabe aclarar, que los ensayos revisados y presentados en este apartado en su mayoría corresponden a suelos parcialmente saturados y existen escasos reportes de ensayos tipo UU de suelos finos saturados. Por otro lado, los ensayos tipo UU de ninguna manera ofertan los parámetros de resistencia confiables de los suelos no saturados, pues esta prueba “no considera la succión” en el comportamiento del suelo, es decir, cómo influye ésta en la resistencia al esfuerzo cortante (f), tomando en cuenta que la componente de la succión mátrica (ua – uw ) juega un papel importante en la interacción interpartícula en los suelos no saturados.

Conscientes de la limitación de los ensayos tipo UU delimitada en el párrafo anterior, se describe el comportamiento de los suelos bajo condiciones no drenadas. En la figura 7, puede observarse el comportamiento esfuerzo-deformación de probetas inalteradas, que están sujetas a diferentes presiones de confinamiento y distintos contenidos de humedad. Se observa en la misma figura, que existe una marcada disminución de la resistencia máxima cuando aumenta el contenido de humedad en las probetas ensayadas;

independientemente de las presiones de confinamiento que se utilicen en el ensayo.

De acuerdo al comportamiento expuesto anteriormente, se procedió a formular la figura 8, que asocia la resistencia no drenada con la humedad, puede colegirse en la misma figura que el valor de correlación R vale 0.7947, valor que está muy por debajo de la unidad y que muestra la falta de confiabilidad del ensayo UU en estos suelos parcialmente saturados. Otro error que influye en los resultados del ensayo, además del muestreo, es la presencia de fisuras de estas arcillas volcánicas.

Con la finalidad de identificar los módulos elásticos (Et(uu)) representativos del lugar, se formuló la tabla 9, en la que considera la profundidad a la que se extrajo la muestra de suelo inalterado (z), el contenido de humedad (la presión geoestática del lugar (0) y la presión equivalente en el laboratorio (3), este último parámetro se cuido que estuviera muy próximo a la presión 0.

Figura 7. Comportamiento esfuerzo-deformación de suelos finos volcánicos en ensayos UU.

Figura 8. Relación entre resistencia no drenada y contenido de humedad en arcillas no saturadas.



Para finalizar en este rubro de resistencia no drenada se formuló la tabla 10, en la que se

incluyen además de los suelos parcialmente saturados a los saturados (población de datos escasa), con diferentes plasticidades.



Tabla 9. Módulos de elasticidad de los suelos finos.Tipo de suelo

zm

%

0

kg/cm23

kg/cm2Et(uu)

kg/cm2

CH 1.50-3.70

29.50-66.95

0.26-0.62

0.26-0.60

83.33-583.33

OH 1.30-4.82

34.46-64.72

0.23-0.80

0.25-0.75

62.50-482.00

MH 1.30-2.80

46.00-153.35

0.22-0.39

0.25-0.50

40.00-320.00

CL 1.80-2.00

22.90-30.24

0.32-0.35

0.35-0.37

100.00-240.00

OL ~1.80 ~31.40 ~0.31 ~0.26 ~425.00

Tabla 10. Parámetros de resistencia no drenada (UU).Condición del suelo Plastici-

dadzm

0

kg/cm2F%

Cuu

kg/cm2uu

°Parcial-mente saturado

Alta 0.80-4.30 0.10-0.71 79.50-99.80 0.25-2.00 2.00- 29.00

Baja ~2.00 ~0.32 ~81.10 ~0.27 ~2.00Saturado Alta ~2.70 ~0.39 ~96.99 ~0.16 0.00

5.9 Deformabilidad de los suelos en ensayo de placaPara conocer la deformabilidad de los suelos in situ se recurrió a los ensayos de placa, que sirvieron para determinar sus módulos de compresibilidad (Ev) y los de reacción (Ks) en el primer ciclo de carga. La norma-tiva utilizada en el ejercicio de este tipo de ensayos fue la AENOR NLT-357/98, basada a su vez en la norma DIN18134. En la tabla 11 se resume la experiencia con equipo de placa.

Tabla 11. Resultados de ensayos de placa sobre diferentes sedimentos volcánicos.Tipo suelo Ev

kg/cm2Ks

kg/cm3

Toba dura 448.10-2056.00

15.24-91.40

Toba media 267.78-418.82 11.71-18.32

Sedimentos epiclásticos sueltos (gra-vas y escorias mezcladas con finos)

79.92-351.63

3.52-7.62

Sedimentos piroclásticos muy com-pactos (mezcla de bombas, gravas, arenas y finos)

1023.22-1747.84

22.44-38.23

5.10 Succión inicial y curvas características

Se incluye en esta investigación la succión inicial y las curvas características succión-humedad de las arci-llas volcánicas, extraídas de Lenz (2004), única información disponible en la literatura geotécnica revisada. Según lo indicado en el mencionado trabajo, para identificar la succión inicial se prepararon dos series (para



tener valores comparativos) compuestas de cuatro probetas de arcilla con humedad y peso volumétrico natu-ral, estas muestras se colocaron en celdas de presión hasta encontrar la succión inicial. Para estimar las cur-vas características de la arcilla se realizaron dos determinaciones, a saber: una con un espécimen inalterado y otra con una muestra formada con compactación Proctor normal. En la figura 9 se indica el rango de suc-ción inicial que oscila entre 265 a 303 kPa y en la figura 10 se insertan las curvas características que se ven influenciadas por la microfábrica de las probetas ensayadas.

Figura 9. Succión inicial de la arcilla (Lenz, 2004).

Figura 10. Curvas características succión-humedad (Lenz, 2004).

5.11 Características de compactaciónLos informes geotécnicos reportan 11 ensayos de compactación Proctor estándar de los cuales 3 ensayos corresponden a arenas, los demás a suelos finos de media a alta plasticidad (CL, CH, OH y MH). En la figu -ra 11 se incluyen las curvas de compactación de los suelos aludidos y puede apreciarse que las arcillas de alta plasticidad consumen más cantidad de agua para alcanzar el máximo peso específico seco máximo.

Figura 11. Curvas de compactación Proctor estándar.

6 CONCLUSIONES



Sobre la base de lo discutido en los apartados anteriores, a la información recabada en este trabajo y a las observaciones de campo, puede formularse las siguientes conclusiones:

1. La superficie urbana y zonas conurbadas de Xalapa está desplantada sobre un Campo Volcánico, de-nominado de Xalapa (CVX), por tanto la Ciudad de Xalapa está cimentada sobre suelos volcánico. Los pe-queños volcanes que forman el CVX tienen la misma antigüedad geológica, es decir, pertenecen al Pleisto-ceno-Cuaternario. Por lo anterior, todos los sedimentos emplazados en la localidad son de origen volcánico de reciente deposición; que para nuestro estudio los hemos dividido en sedimentos autoclásticos, piroclásti-cos y epiclásticos (apartado 3).

2. De acuerdo a los índices de consistencia reportados en la tabla 2, los suelos finos tienen consistencias que van de muy firmes a duras, pero también existen en las zonas bajas (de cauces intermitentes) suelos de consistencia blanda. Los suelos granulares que predominan en el CVX son las arenas limosas (SM) y las arenas arcillosas (SC); y en menor medida las arenas mal graduadas (SP). En general, los suelos granulares presentan buenas características de drenaje (ver tabla 3)

3. Los componentes mineralógicos de la arcillas de alta plasticidad (tobas de grano fino) son: la Haloysita y alofana, y su morfología es tubular y laminar, respectivamente (figuras 3a, b).

La microfábrica de las arcillas volcánicas corresponden a la oolítica, con peds constituidos por láminas aglomeradas agrupadas cara-cara e interconectados y con poca porosidad nodular (ver figuras 4a, b). Estas uniones se encuentran soldadas por altas temperaturas, por lo que se explica la sobreconsolidación de los suelos arcillosos.

4. De acuerdo a lo presentado en la figura 5, podrá comprobarse que los suelos finos de alta plasticidad (CH, MH y OH), predominan con respecto a los de baja plasticidad (CL, ML y OL).

5. Sobre la base de los resultados vertidos en la tabla 5, las arcillas volcánicas del CVX no son activas.6. De acuerdo a lo discutido en el epígrafe 5.6, las arcillas que componen el CVX no son expansivas, ni

colapsan. La anterior afirmación es corroborada por la composición mineralógica de estos suelos (apartado 5.3), las condiciones climáticas del lugar y las observaciones de campo.

7. Las arcillas saturadas procedentes de las zonas bajas (de causes intermitentes) son de baja compresi -bilidad y permeabilidad. El tipo de microfábrica y las condiciones del emplazamiento de estos suelos condi-cionan las relaciones de sobreconsolidación (OCR), que se encuentran por arriba de la unidad, hecho que denota la sobreconsolidación de estos suelos.

8. El comportamiento esfuerzo-deformación que observan los suelos finos en el ensayo tipo UU es elasto-plástico (ver figura 7) y éste es influenciado por el contenido de humedad del suelo (figura 8).

9. A partir de los resultados obtenidos en ensayos de placa, las tobas o cenizas volcánicas resultaron ser las más rígidas (ver tabla 11).

10. La plasticidad de los suelos volcánicos influye en el consumo de agua para alcanzar su peso volumé-trico seco máximo.

11. Finalmente, las arcillas volcánicas, tanto en estado natural como compactadas, tienen una alta capa-cidad para retener el agua, pues la verticalidad que muestran las curvas características de la figura 10 así lo denotan. Esta capacidad de retención está influenciada por la superficie específica de las láminas de arcilla (Lenz, 2004).

AGRADECIMIENTOS

Aprovecho este espacio para agradecer al Ing. José Luis López Hernández de la DGAAT de la UV por el apoyo administrativo que permitió dedicar el tiempo completo a este trabajo. Agradezco a la Mtra. Friné Ri-vera Lima el tiempo dedicado a la revisión del texto y al tesista Aram Santiago Ruíz en el ordenamiento de la base de datos y por el maquetado de este trabajo. Se agradece al Ing. Victor García Pacheco de CMAS de Xalapa, Ver. y al Dr. René Álvarez Lima por las facilidades que brindaron para la realización de los ensayos de placa y a los alumnos de la Facultad de Ingeniería de Xalapa Erick García Martínez, Paola Hoyos mora-les y José Álvarez Garduza en la participación de los mismos.

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