da proceso

PROYECTO: PUENTE VEHICULAR CARRERA 35 SOBRE LA

QEBRADA LA AROMA MUNICIPIO DE DUITAMA

ESTUDIO GEOTÉCNICO DE SUELOS Y FUNDACIONES

S.I SERINCO LTDA SERVICIOS INTEGRALES DE INGENIERÍA, GEOTECNIA Y CONSTRUCCIÓN

ÁREA: GEOTECNIA

SOGAMOSO – BOYACÁ

OCTUBRE DE 2.011

S.I. SERINCO LTDA. PUENTE VEHICULAR CARRERA 35 SOBRE LA QUEBRADA LA AROMA ÁREA: GEOTECNIA MUNICIPIO DE DUITAMA

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TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................................. 3 1. ASPECTOS GENERALES DEL ESTUDIO GEOTÉCNICO ................................................................. 4

1.1. LOCALIZACIÓN DEL PROYECTO .................................................................................................................................. 4

1.2. CARACTERÍSTICAS ARQUITECTÓNICAS Y ESTRUCTURALES DEL PUENTE .................................................. 4 1.3 CARACTERÍSTICAS GEOLÓGICAS DE LA UBICACIÓN DEL PROYECTO…………………………………..……….5 1.3.1 Estratigrafía regional y local…………………………………………………………………………………….…………5 1.3.2 Características tectónicas y de Sismicidad………………………………………………………………………………..5 1.3.3 Características geomorfológicas y morfodinámicas……………………………………………………….…………….5 1.4 CARACTERÍSTICAS. GEOTÉCNICAS DEL SITIO DE PONTEADERO…………………………………………………..6 2. CARACTERÍZACIÒN GEOTÉCNICA DEL SUELO DE FUNDACIÓN ............................................. 7

2.1.EXPLORACIÓN DEL PERFIL DEL SUELO MEDIANTE PERFORACIONES ............................................................ 7 2.2. EXPERIMENTACIÓN MEDIANTE ENSAYOS EN CAMPO Y LABORATORIO ........................................................... 8

3. RESULTADOS DE LA CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA DEL SUELO DE FUNDACIÓN .....10

3.1. DESCRIPCIÓN DEL PERFIL DEL SUELO……………………………………… ……………………………..……...10

3.2. NIVEL DE AGUAS FREÁTICAS .................................................................................................................................. 15 3.3 PROPIEDADES GEOMECÁNICAS E ÍNDICE DEL SUELO DE FUNDACIÓN……………………………………..15 4. ANÀLISIS Y VARIABLES APLICADAS AL DISEÑO DE LA CIMENTACIÓN DEL PROYECTO….17

4.1. ALTERNATIVA DE FUNDACIÓN .................................................................................................................................. 17

4.2. NIVEL DE FUNDACIÓN O CIMENTACIÓN ................................................................................................................ 17 4.3. CAPACIDAD PORTANTE O CAPACIDAD DE CARGA DE LOS ELEMENTOS DE FUNDACIÓN ......................... 19

4.4 CÁLCULO DE ASENTAMIENTO O DEFORMACIONES ELÁSTICAS……………………………………….……….20 4.5 PARAMETROS DE PRESIÓN DE TIERRAS……………………………………………………………………..…………21 4.6 PARÁMETROS DE DISEÑO SISMORESISTENTE…………………………………………………………………………23 5. CONCLUSIONES……………………………………………………………………………….…………24 6. RECOMENDACIONES ...............................................................................................................................25

61. DISPOSICIÓN DE LOS ELEMENTOS DE LA SUBESTRUCTURA DEL PUENTE, TIPO Y PROFUNDIDAD DE

CIMENTACIÓN ....................................................................................................................................................................... 25 6.2. RECOMENDACIÓNES GENERALES PARA LA OCNSTRUCCIÓN DE LA CIMENTACIÓN……………………….25

6.3 OTRAS RECOMENDACIONES………………………………………………………………………..…………….26

7. LIMITACIONES ................................................................................................................................................................ 28 8. ANEXOS………………………………………………………………………………………………….29


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INTRODUCCIÓN El informe presenta los resultados y memorias del estudio geotécnico de suelos y fundaciones para el diseño y construcción del puente vehicular sobre la quebrada La Aroma, en la carrera 35, del área urbana del municipio de Duitama. El estudio geotécnico de suelos y fundaciones incluyó un reconocimiento geológico y geotécnico del sitio del ponteadero y las zonas perimetrales, la exploración del subsuelo mediante dos (2) sondeos o perforaciones, uno en cada sitio de ubicación de los estribos, utilizando el método de percusión, con sus respectivos ensayos en campo y muestreo sistemático de acuerdo a las normas CCP 200-94 y A.S.T.M D1586-67; adicionalmente se realizó la caracterización del perfil del suelo mediante ensayos de laboratorio para determinar la resistencia al corte, la compresibilidad, las propiedades índice y expansión volumétrica potencial; propiedades necesarias para el análisis de interacción Suelo-Estructura y en conjunto con los resultados del estudio hidráulico y de socavación realizado a la quebrada en otro proyecto, permitieron establecer las alternativas de cimentación de la infraestructura del puente. Los estudios se realizaron a solicitud de CPD INGENIERÍA LTDA, firma encargada de los estudios y diseños de ingeniería del proyecto.


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1. ASPECTOS GENERALES DEL ESTUDIO GEOTÉCNICO

1.1. LOCALIZACIÓN DEL PROYECTO El sitio de ponteadero se localiza sobre el paso o intersección de la carrera 35, con la quebrada La Aroma; zona urbana ubicada al costado sur oriental del perímetro urbano del Municipio de Duitama. El puente antiguo o existente presentó falla, tal como se observa en las fotografías 1y 2. En la figura 1 (Localización del proyecto), se observa el sitio del ponteadero y sus características perimetrales.

Fotografía 1y 2. Características del sitio de ubicación del puente antiguo y de la estructura del

puente a construir.

1.2. CARACTERÍSTICAS ARQUITECTÓNICAS Y ESTRUCTURALES DEL PUENTE

De acuerdo con las características del sitio de ponteadero y de uso de la vía, el puente vehicular proyectado se construirá en estructura de concreto reforzado en dos carriles bidireccionales, con andén peatonal, con luz aproximada de 10m, a partir de los cuales se proyectaran los estribos y terraplenes de empalme mediante losas de aproximación de 2.50 m, a nivel de las vías existentes con posible altura de conformación del gálibo necesario. Se plantean dos estribos normales en concreto reforzado cuyas alturas dependen del nivel de rasante con el gálibo incluido y las cotas de fundación establecidas. Debido a la pendiente topográfica media a baja del cauce del sitio en el sitio de ponteadero y la condición torrencial del flujo en las crecidas o avenidas; la altura del gálibo recomendada será en promedio del orden de 0.40 m respecto al nivel de aguas máximas esperadas, según el estudio hidráulico existente, correspondiente a la cota 2.499,2 msnm; es decir la cota 2499,6 msnm, tomando como referencia las cotas del levantamiento topográfico suministrado. Las cargas estructurales de servicio oscilan entre 100 tn y 120 tn, aproximadamente, por estribo.


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1.3 CARACTERÍSTICAS GEOLÓGICAS DE LA UBICACIÓN DEL PROYECTO

En la zona correspondiente a las márgenes de la quebrada La Aroma, se encuentran depósitos cuaternarios de tipo aluvial y fluviolacustres semiconsolidados, de espesor variable, que yacen discordantes sobre las formaciones rocosas. 1.3.1 Estratigrafía regional y local: La totalidad de las formaciones aflorantes en el Municipio de Duitama son de tipo sedimentario y litológicamente están constituidas de estratos de materiales tipo areniscas, limolitas y arcillolitas; igualmente se encuentran capas de material conglomerático, que indican ambientes de depositación continentales. Estructuralmente las formaciones rocosas se disponen a lo largo de la franja noroccidental de la cuenca con una dirección norte, haciendo parte de los sectores altos de montaña. Los materiales Cuaternarios existentes en el área de estudio son de tipo aluvial, conformando zonas de terraza que bordean el curso o valle de la quebrada La Aroma; estos materiales están compuestos por conglomerados con cantos redondeados de areniscas y limolitas de dimensiones variables, en matriz areno-limosa. Los depósitos fluviolacustres conforman la zona central del valle y están compuestos de capas de granulometrías más finas tipo arenas, arcillas y limos, así como niveles altamente orgánicos, producto de la desecación de antiguos pantanos. Geológicamente el sitio de ponteadero se encuentra ubicado sobre materiales pertenecientes al depósito cuaternario de origen aluvial, conformado por arenas, cantos, bolos y eventuales bloques de areniscas, embebidos dentro de una matriz areno-limosa.

1.3.2 Características Tectónicas y de Sismicidad: Los sistemas de fallamiento y plegamiento de la región, han sido el resultado de la intensa actividad tectónica compresional a la que han sido sometidas las unidades geológicas a través de su historia, reflejado en la existencia de fallas de tipo inverso y estructuras tipo anticlinales y sinclinales.

Dentro de los sistemas de plegamiento mas importantes de la región se encuentra el anticlinal de Arcabuco y el sinclinal de Los Medios; Estas estructuras están afectadas y limitadas por la falla de Boyacá en inmediaciones al municipio de Duitama. Por la disposición de los ejes de plegamiento, las ondas sísmicas más peligrosas serán las que siguen en dirección paralela a los esfuerzos principales de plegamiento en dirección Este-Oeste.

Los sismos más frecuentes de la región son de tipo tectónico, transmitidos de zonas distantes y también generados localmente por la actividad de la falla de Boyacá.

El municipio de Duitama se ubica en "Zona de Amenaza Sísmica Alta", donde el coeficiente de aceleración pico efectiva para diseño (Aa) es igual a 0,20 y el coeficiente que representa la aceleración pico efectiva para el umbral de daño (Ad) es 0,07; según la Norma Colombiana de Diseño y Construcciones Sismo resistentes. (N.S.R - 10).

1.3.3 Características geomorfológicas y morfodinámicas: Las unidades geológicas aflorantes y las condiciones estructurales existentes condicionan las características del paisaje al interior del municipio. La presencia de la falla de Boyacá pone en evidencia, además de un contacto geológico, un contacto entre dos provincias con rasgos geomorfológicos diferentes que dependen de la competencia de estos materiales. Hacia el sureste de la falla predominan formas onduladas con pendientes moderadas sobre rocas areno-arcillosas. Al noreste de la falla se encuentran materiales


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limosos y arenosos con presencia de pendientes fuertes sobre areniscas cuarzosas y conglomeráticas de la formación Rusia, donde los procesos de erosión se encuentran más asentados y el principal agente modelador del paisaje es el agua.

Los sistemas de drenaje se desarrollan con patrones de tipo subdendrítico y subparalelo y las corrientes principales de agua son los Ríos Suárez y el Río Surba, localizados en la parte oriental y occidental del municipio respectivamente. El área de estudio hace parte de las zonas bajas y de topografía ligeramente inclinada a plana de valle evolucionado de la acumulación de materiales aluviales y fluviolacustres, a través del tiempo geológico. Teniendo en cuenta las condiciones topográficas mencionadas anteriormente el área y la zona de extensión perimetral, no presenta inconvenientes geotécnicos de tipo externo, procesos de transformación morfodinámica y/o amenazas por fenómenos de remoción en masa. Los procesos erosivos son prácticamente inexistentes y los agentes modeladores del paisaje se limitan exclusivamente a los inducidos por la actividad antrópica.

1.4 CARACTERÍSTICAS GEOTÉCNICAS DEL SITIO DE PONTEADERO

El área de ponteadero del proyecto está ubicada dentro de una zona de topografía moderadamente plana, con la morfología característica del valle del depósito cuaternario aluvial y aferente al curso de la quebrada La Aroma. El perfil del suelo de fundación corresponde a un depósito aluvial y fluviolacustre de la quebrada, compuesto de arenas, gravas subredondeadas de areniscas tipo bolos en tamaños pequeños, dentro de matriz areno-arcillosa y capas de granulometrías más finas tipo arenas, arcillas y limos hacia la parte superior del perfil. El cauce de la quebrada es simple, definido y estrecho en forma de V, el régimen de flujo es de tipo permanente y el material del lecho está constituido de gravas en tamaños variables, arcillas orgánicas y arenas- limosas. El ancho del cauce es relativamente constante sobre amplios trayectos y las orillas están cubiertas de pastos y árboles. Las márgenes están constituidas de los mismos materiales del lecho, con niveles superiores de materia orgánica y cobertura vegetal. En los taludes de las márgenes, donde se fundarán los estribos del puente, no se evidencia algún tipo de inestabilidad geotécnica, al igual que el entorno global externo donde se desarrolla el proyecto. Por las condiciones topográficas, geológicas y geomorfológicas, se espera un potencial erosivo o de socavación general medio a bajo, el cual fue analizado con base en datos hidrológicos e hidráulicos del proyecto: “Plan de restauración, recuperación y protección de la quebrada La Aroma” realizado por la Universidad del Valle para Empoduitama, de modo que las afectaciones a causa de la hidrodinámica de la corriente sobre el proyecto serán moderadas en cuanto a socavación se refiere.


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2. CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA DEL SUELO DE FUNDACIÓN

2.1. EXPLORACIÓN DEL PERFIL DEL SUELO MEDIANTE PERFORACIONES

La caracterización del perfil del suelo de fundación se llevó a cabo siguiendo los tres pilares básicos de la investigación en geotecnia: exploración con sondeos o perforaciones, experimentación o caracterización mediante ensayos en campo y laboratorio y análisis de los resultados obtenidos. El número, profundidad y ubicación de los sondeos, se estableció conforme a los lineamientos dados en el CCP 200-94 y el título H de la NSR-10, de acuerdo a las características arquitectónicas y estructurales del puente, así como las características estratigráficas encontradas en el suelo al momento de la exploración, el cual no mostró variaciones laterales ni verticales. La exploración se realizó mediante dos sondeos o perforaciones, ubicados uno en cada margen del cauce actual de la quebrada, con el fin de establecer la continuidad lateral del perfil. Debido a la naturaleza aluvial del suelo, se procedió inicialmente a realizar apiques manualmente, con lo que se logro avanzar hasta -0.50m. Posteriormente se continúo la exploración a partir de los apiques, utilizando equipos de perforación con métodos mecánicos de percusión, perforando hasta profundidad promedio de -12 m.

Fotografías 3 y 4. Exploración del suelo utilizando equipo de percusión, con ejecución simultánea de los ensayos de resistencia dinámica en campo tipo SPT y DCPT

En la figura 1 se muestra la ubicación esquemática en planta del sitio del ponteadero, junto con la localización de los sondeos efectuados para la exploración.


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Figura No 1. Esquema en planta de localización del sitio de ponteadero y ubicación de perforaciones.

2.2. EXPERIMENTACIÓN MEDIANTE ENSAYOS EN CAMPO Y LABORATORIO

En cada perforación se realizó un muestreo representativo del perfil de suelo explorado, mediante muestras manuales de amplia representatividad y muestras semialteradas con empleo de Split spoon (cuchara partida) y muestras inalteradas con tubo shelby. Simultáneamente en cada sondeo se efectuaron en campo ensayos de resistencia a la penetración dinámica tipo SPT y DCPT.

Fotografía 5. Muestras semialteradas recuperadas con cuchara partida (Split spoon).

Las muestras obtenidas se describieron e identificaron en campo y laboratorio para posteriormente realizar el siguiente programa de ensayos:


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- Humedad natural

- Granulometría y gradación

- Limites de consistencia o Atterberg para el suelo cohesivo

- Peso o gravedad específica

A partir del registro estratigráfico del suelo de cada perforación, así como los resultados obtenidos de los ensayos para determinar las propiedades índice y de resistencia en campo y laboratorio; se estableció el modelo geotécnico del suelo, el cual constituye la base para el análisis y cálculo de estabilidad y deformación para las condiciones de fundación de la estructura del proyecto.


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3. RESULTADOS DE LA CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA DEL SUELO DE FUNDACIÓN

De acuerdo a los resultados obtenidos en la exploración se determinaron las características estratigráficas del perfil de suelo para el área de fundación del proyecto, su variabilidad lateral y vertical, el comportamiento y ubicación de los niveles de aguas freáticas, las propiedades geomecánicas e índice, la resistencia al corte y la deformabilidad o compresibilidad.

3.1. DESCRIPCIÓN DEL PERFIL DEL SUELO Conforme a los registros estratigráficos de campo, el perfil estratigráfico del suelo explorado mostró características estratigráficas homogéneas, en los dos sondeos realizados; con diferencias mínimas en cuanto a espesores de las capas. Cada uno de los registros estratigráficos tomados en las perforaciones realizadas, se correlacionó teniendo en cuenta las características litológicas y de propiedades índice, tal como se muestra en la figura No 2. En la figura No 3 se presenta el perfil promedio de propiedades y resistencias, obtenido a partir de la correlación estratigráfica de los sondeos 1 y 2. La figura sintetiza y resume la información extractada mediante ensayos en campo y laboratorio para cada uno de los sondeos de exploración efectuados. Esta figura muestra de forma general en escala, los valores la humedad natural, los límites de Atterberg (Límites líquido y plástico), el peso unitario, la resistencia a la compresión uniaxial y la resistencia a la penetración dinámica en campo SPT y DCPT; escalas que están relacionadas contra la profundidad de exploración. Las figuras Nos 4 y 5, muestran los registros individuales de cada perforación de exploración en el área de ponteadero o de fundación del proyecto. En estos se muestra detalladamente la disposición del muestreo, la clasificación USC por muestras y capas, los registros de ensayos de penetración dinámica, propiedades índice y de caracterización geotécnica obtenidas, en escala gráfica. El nivel 0.0 m de referencia para la elaboración de los perfiles descritos, corresponde a la topografía actual del terreno, para la ubicación de las dos perforaciones.


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Figura No 2. Correlación estratigráfica de los registros de los sondeos o perforaciones 1 y 2.


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Figura No 3. Perfil estratigráfico promedio y de propiedades y resistencias, tomando todos los resultados de sondeos y los ensayos realizados en campo y de caracterización en laboratorio.


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Figura No 4. Perfil estratigráfico y de propiedades y resistencias para el sondeo No 1. Los resultados de los ensayos para el muestreo de este sondeo, se presentan en las Figuras Nos 1 a 4 del Anexo No 1.


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Figura No 5. Perfil estratigráfico de propiedades y resistencias para el sondeo No 2. Los resultados de los ensayos para el muestreo en este sondeo, se presentan en las Figuras Nos 5 a 7 del Anexo No 1.


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3.2 NIVEL DE AGUAS FREÁTICAS En las perforaciones y apiques realizados en el sitio de ponteadero, se evidenció la presencia de un perfil de suelo compuesto por una sucesión granodecreciente de materiales hacia el techo, el cual se caracteriza por poseer permeabilidad media a alta hacia profundidad, lo cual sumado a las condiciones topográficas, la sección hidráulica y la influencia de la quebrada La Aroma; determinan el comportamiento y posición de las aguas freáticas. La posición de estas aguas durante la exploración, se encontró a una profundidad media de -2.4 m tomando como referencia la cota de rasante de la vía. La variación de estos niveles depende de la distancia del sitio de perforación o apique, respecto al cauce de la quebrada. El estado saturado de los materiales bajo el lecho o las fluctuaciones estacionales de humedad que estos puedan experimentar, no implican cambios relevantes en cuanto a sus propiedades físico-mecánicas, debido a las características del material granular gravo-arenoso, de condiciones de deformabilidad y capacidad de soporte constantes. Los niveles de aguas freáticas sobre las márgenes del río, están sujetos a las fluctuaciones del caudal de la quebrada, que dependerán de la época climática del año, así como de los mismos cambios que experimente la lámina de agua de la quebrada La Aroma. En el proceso de excavación para construcción de los elementos de cimentación, se encontraran los niveles de aguas freáticas más altos o más bajos con relación a los encontrados durante la exploración, dependiendo de la época climática del período de construcción.,

3.3 PROPIEDADES GEOMECÁNICAS E ÍNDICE DEL SUELO DE FUNDACIÓN Tal como se observa en las figuras 4 y 5, el perfil de suelo de fundación, está constituido en la parte superior por capas arcillosas y limosas, seguidos hacia la parte inferior de materiales granulares conformados por cantos de rocas tipo areniscas, de formas subredondeadas, en matriz areno-limosa y arenosa; materiales clasificados según la U.S.C como SC. De acuerdo con la historia geológica, el perfil del suelo en el área del proyecto, se clasifica geotécnicamente como un material de depósito Cuaternario de origen fluvio-lacustre, de composición mixta, estratificación sencilla y normalmente consolidado. Geotécnicamente el perfil fluvio-lacustre de fundación en el sitio de ponteadero, se caracteriza por tener capacidad de soporte media a baja, deformabilidad media y potencial de licuación medio, ante la ocurrencia de sismos de alta intensidad. En la figura 6 se presenta a manera cuantitativa los valores obtenidos para las propiedades geomecánicas e índice para cada una de las capas establecidas para el perfil promedio de los sondeos 1 y 2 del suelo de fundación en el sitio de ponteadero.


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Figura No 6. Propiedades geomecánicas e índice para cada una de las capas establecidas para el perfil promedio estratigráfico de los sondeos 1 y 2.


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4. ANÁLISIS Y VARIABLES APLICADAS AL DISEÑO DE LA CIMENTACIÓN DEL PROYECTO

Basados en los resultados de investigación del subsuelo, en cuanto a su resistencia y compresibilidad y teniendo las condiciones hidráulicas e hidrodinámicas del sitio del ponteadero y las características arquitectónicas y estructurales del proyecto; se efectuaron los análisis de estabilidad (Capacidad portante) y deformación (Asentamientos).

4.1 ALTERNATIVAS DE FUNDACIÓN Se establece una sola alternativa de fundación para los elementos de subestructura del puente, mediante elementos tipo Caissons, puesto que se ajustan más a las condiciones técnicas y al perfil del suelo de fundación del puente. 4.2 NIVEL DE FUNDACIÓN O CIMENTACIÓN

Las cotas de fundación o implantación para los elementos tipo Caissons, están condicionadas tanto por las características hidráulicas del sitio de ponteadero y por las características geotécnicas del perfil del suelo de fundación. La magnitud de empotramiento o desplante necesario, depende de la profundidad teórica de socavación general y total determinadas en el estudio hidráulico de la quebrada en el sitio del ponteadero, así como la presencia de capas limosas y arcillosas de baja resistencia al corte y alta compresibilidad del perfil del suelo. Igualmente, para el proceso constructivo, considerando la interacción negativa que puede generarse, resulta más conveniente a partir de Caissons, para esos niveles o cotas de empotramiento requeridas. En el perfil esquemático mostrado en la figura No 7, se presentan las cotas de fundación, de gálibo recomendado, de socavación geológica o general y de nivel de aguas máximas esperadas. Se muestra también la posición o sitio de ubicación óptima recomendad para los estribos, a aproximadamente 2.0 m a lado y la do de la respectiva línea o talud de rivera de la quebrada. El nivel o cota de implantación de los elementos de cimentación tipo Caissons, corresponde a la 2492, según el perfil de la topografía levantada y suministrada por la firma solicitante de este estudio, según la figura No 7. El lecho del cauce de la quebrada corresponde a la cota 2496,8 y el nivel de fundación está a -5.0 m con respecto a la cota del cauce y -4.0 m por debajo del nivel o cota de socavación general teórica esperada para el nivel de aguas máximas en un período de retorno de 100 años.


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Figura 7. Perfil esquemático de cotas y nivel de fundación recomendado. De acuerdo a los niveles de fundación establecidos, la estructura de cimentación estará implantada directamente sobre la capa 3 del perfil, compuesta por gravas de roca tipo areniscas, de formas subredondeadas, en matriz areno-limosa y arenosa. Los niveles de fundación establecidos, corresponde a los mínimos por adoptarse. Si por condiciones de implantación del proyecto, movimiento de tierras o cualquier otro motivo, se requiere modificarla, solo será acertado cuando esta modificación implique un aumento del nivel o profundidad recomendado, pero nunca su disminución.


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4.3 CAPACIDAD PORTANTE O CAPACIDAD DE CARGA DE LOS ELEMENTOS DE FUNDACIÓN

Dada la similitud del perfil estratigráfico obtenido en las dos márgenes de la quebrada, se unifican para efectos de cálculo de capacidad portante. En este análisis se considera que los elementos tipo Caissons asumirán la carga por punta y por fricción o fuste, en proporciones totalmente distintas. La capacidad portante del suelo de fundación, utilizando la alternativa de cimentación mediante Caissons, se evalúa utilizando la siguiente ecuación general:

Qu = Qp +Qs Donde: Qu : Capacidad de Carga Ultima Qp : Capacidad de Carga Ultima en la Base Qs : Capacidad de Carga Ultima por fricción en el fuste

Qp = Ap(CN*c+q`N*q+0.3γDbN*γ) Donde: N*c, N*q y N*γ son factores de capacidad de carga

q`: Esfuerzo efectivo vertical al nivel de fundación γ : peso unitario del suelo Db: Diámetro de la Base

Ap: Área de la Base = 3.1416*Db2/4

Dado que el tercer factor de la ecuación es muy pequeño, se desprecia para el análisis, obteniéndose entonces:

Qp(neta) = Ap(CN*c+q`N*q)

La capacidad de carga neta en la base, es decir la carga total menos el peso de la pila se aproxima a:

Qp(neta) = Ap(CN*c+q`(N*q-1))

Qs = nQQQQ*p*c*∆L

Donde: Q:factor de adhesión= 0.93

P: perímetro de la sección del caisson C: cohesión ∆L: longitud del estrato que se está estimando La tabla No 1, resume los valores de capacidad de carga calculados.


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Tabla No 1. Valores de capacidad portante neta para diferentes diámetros de elementos a la cota de

fundación establecida.

Diámetro (m) 1,2 1,4 1,6 1,8

Qp neta (tn) 115.35 157.01 205.08 259.55

Qs neta (tn) 29.22 39.77 51.95 65.75

Qp (neta) + Qs (neta) 144.58 196.79 257.03 325.31

Qadm por fricción y punta (tn) 48.20 65.59 85,67 108.43

Qadm por punta (tn) 38.45 52.33 68.36 86.51

Qadm por fricción (tn) 9.74 13.25 17.31 21.91

El ingeniero estructuralista debe elegir las dimensiones del diámetro de los elementos, en función de la alternativa planteada y las magnitudes de las cargas estructurales.

4.4 CÁLCULO DE ASENTAMIENTOS O DEFORMACIONES ELÁSTICAS Debido a que el perfil del suelo de fundación corresponde a una capa aluvial homogénea de constitución granular, se calcula el asentamiento por el método elástico, considerando una deformación producida simultáneamente con la aplicación de la carga durante la construcción. No existirán deformaciones o asentamientos por consolidación, debido a la ausencia de lentes o capas de composición cohesiva. El asentamiento total es causado por la suma de tres factores:

ST= S1+S2+S3 Donde ST = Asentamiento total S1 = Asentamiento Elástico del Caisson S2 = Asentamiento del Caisson causado en la base S3 = Asentamiento del Caisson causado por la carga transmitida a lo largo del fuste S1= (Qwp+Ε*Qws)L/(ApEp) S2=qwpD(1-µs2)Iwp / Es S3= (QwsD(1-µs2)Iws/pLEs) Donde: Qwp : Carga en la punta del caisson bajo condición de carga de trabajo Qws : Carga por resistencia de fricción superficial bajo condición de carga de trabajo Ap : Área de la sección transversal de Caisson Ep : Modulo de elasticidad del material del Caisson = 2700000 ton/m2 Ε: : Factor que depende de la distribución de la resistencia por fricción = 0.62 D : Diámetro del Caisson qwp : Carga puntual por área unitaria en la punta del Caisson = Qwp/A Es : Modulo de elasticidad del suelo bajo la punta del Caisson µs : relación de Poisson =0.30


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Iwp : Factor de influencia = 0.85 P : perímetro L : Longitud de empotramiento del caisson

Iws : Factor de influencia = 2+(0,35*(L/D)0.5) En la tabla que se presenta a continuación, se resumen los resultados obtenidos de los cálculos de asentamientos para las diferentes condiciones de capacidad portante admisible calculadas; considerando los Caissons implantados en la capa 3. Dado a la similitud en el perfil tanto de las dos márgenes del río, se asume condiciones iguales para las dos riveras para efectos de cálculo de asentamientos. La tabla No 2 presenta el resumen de resultados del cálculo de los asentamientos.

Tabla No 2. Asentamientos teóricos calculados para las condiciones de análisis de la capacidad de carga neta admisible para Caissons.

Parámetro Margen derecha e izquierda

Diámetro (m) 1,2 1,4 1,6 1,8 S1 (m) 0,0000709 0,0000709 0,0000709 0,0000709

S2 (m) 0,00473 0,00552 0,00631 0,00710

S3 (m) 0,000764 0,00104 0,00135 0,00172

ST (m) 0,00556 0,00663 0,00773 0,00889

ST (mm) 5.56 6,6309 7,73 8,89

En términos generales, los valores de asentamientos teóricos totales, resultan cuantitativamente bajos y tolerables; de acuerdo a los requerimientos exigidos para este tipo de proyectos. En el caso de los elementos de cimentación tipo Caissons, los asentamientos son independientes del número de elementos que finalmente se utilicen, se asume que cada uno de los mismos experimentada la misma cuantía de deformación. Es posible que pueda ocurrir otro tipo de asentamientos o que se incremente las cuantías previstas en los cálculos, por maniobras erróneas en el proceso constructivo, situación que no se predice mediante este cálculo y es de entera responsabilidad del proceso constructivo.

4.5 PARAMETROS DE PRESIÓN DE TIERRAS Los muros y aleros de estribos deben diseñarse para contrarrestar los empujes activos producidos por el material granular de los terraplenes conformados en los accesos o aproximaciones. El material puede ser de recebo granular, opcional o parcialmente mezclado con el material de aluvión del suelo de fundación o el existente en la parte inferior del perfil del suelo en el cruce fluvial o sitio de ponteadero. Los parámetros de diseño son:


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Angulo de fricción interna φ = 28° Peso unitario total γt = 2.0 tn/m2

Coeficiente activo de presión de tierras Ka = 0.35 Coeficiente pasivo de presión de tierras Kp = 2.85 El empuje activo del suelo se debe calcular considerando la teoría de los suelos de composición granular, conforme a la teoría de análisis de estado plástico de Mohr o de Rankine; considerando adicionalmente la presión hidrostática, en el evento que no se diseñen elementos de drenaje o alivio de presiones hidrostáticas en el cuerpo de los estribos, de acuerdo a la posición del nivel de aguas freáticas y también el efecto de sobrecarga generada en las aproximaciones, por el camión de diseño.

El empuje activo del suelo se calcula considerando la teoría de los suelos de composición mixta (cohesión y fricción), conforme al análisis de estado plástico de Mohr, a partir de la siguiente ecuación:

HCKaHKaEa **2***2

1 2 −= γ

Donde: γ : Peso unitario del suelo C: Cohesión del suelo H: Altura de la pantalla a diseñar Ka: Coeficiente activo de presión de tierras

En los accesos o aproximaciones a los puentes, el valor del empuje de presión lateral se incrementa por efecto de las sobrecargas generadas por el tráfico de los vehículos, en la siguiente forma:

HSHCKaHKaEa σγ +−= **2***2

1 2

Donde:

σHS : empuje horizontal producto de sobrecargas en función de la profundidad.

4

2

*

***2

R

zxPH π

σ =

Donde:

)( 22 zxR +=

P: Carga unitaria por unidad de longitud (tn/m) x. Distancia horizontal de aplicación de la carga a la pantalla (m) z: Profundidad del punto de evaluación del empuje

Debe tenerse en cuenta que para el caso de los empujes horizontales generados por las sobrecargas transitorias o definitivas, las pantallas de contención serán quienes los asumirán de manera directa.


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4.6 PARÁMETROS DE DISEÑO SISMORESISTENTE De acuerdo con el Código Colombiano de Puentes CCP 200-94 y considerando las características geotécnicas del perfil del suelo explorado en el sitio de ponteadero, las variables de diseño son: - Zona de amenaza sísmica = Alta - Coeficiente de aceleración pico efectiva (Aa) = 0.25 - Coeficiente de aceleración pico efectiva para el umbral de daño (Ad) = 0.04 - Perfil de suelo = S2 - Coeficiente de sitio = 1.2

Según la NSR – 10:

- Zona de amenaza sísmica = Alta - Aceleración pico Aa = 0.20 - Aceleración pico efectiva para umbral de daño = 0.07 - Perfil de suelo = D


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5. CONCLUSIONES - De acuerdo al método de exploración mediante apiques y perforaciones, fue posible obtener

información de los materiales que constituyen el perfil de suelo de fundación del sitio de ponteadero; el cual corresponde a un deposito de origen fluvio lacustre constituido por una sucesión de gravas, de formas sub redondeadas, en matriz areno-arcillosa, hacia la parte inferior y capas Arcillo limosas de baja resistencia y alta compresibilidad, hacia la parte superior.

- Geológicamente, el perfil del suelo de fundación explorado para el sitio de fundación de los

estribos del puente corresponde a un depósito Cuaternario fluvio lacustre, con características homogéneas y de baja variabilidad.

- Según los registros de ensayos de penetración dinámica, SPT y DCPT, se obtuvo que la

resistencia al corte del perfil del suelo de fundación muestra un incremento gradual y directamente proporcional a la profundidad. La compresibilidad del material mostrará un decremento en esa misma proporción, lo que obedece a un mayor confinamiento de los materiales hacia profundidad, al aumento de los diámetros de los materiales gravosos y la ausencia de niveles o lentes de materiales cohesivos o colapsables.

- Las propiedades geotécnicas del perfil del suelo de fundación, en cuanto a la resistencia al

corte y el comportamiento de la deformación, no ofrecen inconvenientes respecto al apoyo de los elementos de cimentación del puente. El proceso de deformación de los materiales por efectos de las sobrecargas estructurales se asocia a la teoría elástica, razón por la cual las cuantías de asentamientos teóricos obtenidos resultan cuantitativamente bajos y tolerables. Sin embargo, en el proceso constructivo existirán algunos inconvenientes relacionados con el manejo y estabilidad de las excavaciones, por efecto de los gradientes hidráulicos nocivos que puedan generarse, los cuales, pueden ser obviamente controlados y manejados con buenas prácticas constructivas, de acuerdo a las recomendaciones dadas en este informe.

- En el área de implantación del proyecto no se evidencia inconvenientes geotécnicos naturales

que afecten las condiciones externas de estabilidad del terreno. Aunque el cauce del sitio de ponteadero puede clasificarse como geológicamente inestable, por su naturaleza de depósito fluvio lacustre de la misma quebrada, los procesos erosivos de socavación de la quebrada serán más acentuados en sentido vertical que lateral, debido a las condiciones morfológicas existentes; de lo que se deduce igualmente la baja probabilidad de divagación de la quebrada en sentido lateral, en el sitio de implantación del puente.

- Las cotas de fundación de las estructuras de apoyo o subestructura del puente, están condicionadas por las características hidráulicas y geomorfológicas del sitio de ponteadero y por el perfil y tipo de suelo, el cual a nivel superficial presenta inconvenientes de resistencia al corte, capacidad de soporte y alta compresibilidad.

- Las cotas de desplante o de fundación, se definieron conjuntamente con los criterios hidráulicos

y geotécnicos, por debajo del nivel de socavación general y las capas del perfil del suelo de condiciones no adecuadas para la implantación.


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6. RECOMENDACIONES

6.1 DISPOSICIÓN DE LOS ELEMENTOS DE LA SUBESTRUCTURA DEL PUENTE, TIPO Y PROFUNDIDAD DE CIMENTACIÓN -. Las cotas de fundación de las estructuras de apoyo o subestructura del puente, están condicionadas por las características hidráulicas y geomorfológicas del sitio de ponteadero y por las condiciones geotécnicas desfavorables del perfil del suelo en la parte superior. -. El nivel o cota de implantación de los elementos de cimentación tipo Caissons, corresponde a la 2492, según el perfil de la topografía levantada y suministrada por la firma solicitante de este estudio. El nivel de fundación está a -5.0 m con respecto a la cota del cauce y -4.0 m por debajo del nivel o cota de socavación general teórica esperada para el nivel de aguas máximas en un período de retorno de 100 años.

-. El sitio de implantación y/o ubicación de los estribos, debe ser a dos (2.0) metros a partir de las líneas de rivera de la quebrada.

6.2 RECOMENDACIONES GENERALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE LA CIMENTACIÓN. Aunque se recomienda que las excavaciones se realicen en épocas de verano, las características de flujo permanente de la quebrada implican que las excavaciones y construcción de los elementos de cimentación se realizaran con presencia permanente de agua, por lo cual se hacen las siguientes recomendaciones: -. Es necesario construir sistemas de desviación, abatimiento y desagüe de flujo en inmediaciones a las áreas de implantación y excavaciones para la construcción de los estribos del puente, lo cual se logra con la construcción de ataguías aguas arriba, o ademes reforzados tipo tablestacas.

-. Teniendo en cuenta los niveles de aguas freáticas encontrados al momento de la exploración y las características de los materiales de fundación, el proceso de excavación para la construcción de los elementos de cimentación del puente no reviste inconvenientes geotécnicos relevantes, específicamente si la construcción se planea en épocas de verano o de mínimos caudales de la quebrada. Sin embargo, las excavaciones y en general todo el proceso constructivo, debe hacerse con la pericia adecuada y la clase de equipo técnicamente apto para evitar malos resultados o deterioro en el perfil de suelo.

-. Teniendo en cuenta que los ademes o forros se construirán temporalmente y los caudales de la quebrada serán relativamente “bajos” en la época constructiva de verano, es posible que estos elementos se construyan en madera reforzada o preferiblemente en acero mediante una secuencia constructiva de un elemento en voladizo parcial que implica: primero excavar el suelo por tramos de altura, segundo colocar la estructura de ademado hasta el nivel excavado, luego continuar excavando y deslizando el soporte o ademe hasta el fondo requerido, colocando simultáneamente


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apuntalamiento interno para el manejo de presiones y luego rellenar la parte posterior y frontal hasta el nivel original (nivel del lecho del cauce).

-. El ademe utilizado debe garantizar el colocado perfecto del concreto en condiciones secas y la extracción de lodos. Si se observa perdida del suelo, detrás del ademe por socavación de líneas de flujo, se hace necesario inyectar cemento o bentonita detrás del ademe, para llenar el espacio y reducir la perdida. Si el control de la inestabilidad en las paredes excavadas, se vuelve inmanejable por efectos del agua, debe utilizarse bentonita para favorecer a la vez el colocado del concreto. -. El proceso de construcción de ataguías y de elementos de cimentación debe ser combinado con excavaciones de encauzamiento y desviación temporal de la quebrada hacia los bordes o costados opuestos de implantación de los elementos de cimentación. -. La implantación de los elementos de cimentación requiere un encajonamiento completo y perimetral para lograr condiciones óptimas de trabajo por la presencia de agua y particularmente para evitar erosión y colapso del perfil del suelo adyacente. Esto se puede lograrse mediante forros metálicos o con tableros de tablestacas tipo ataguías que encamisen la excavación y se construyan con apuntalamiento interno, a medida que avance la excavación hasta el nivel de fundación recomendado. Teniendo en cuenta las condiciones de excavación y construcción de los elementos de infraestructura del puente, es conveniente considerar que los elementos de ademado no se recuperen luego de la construcción. -. Para lograr mejores condiciones de estabilidad y colocación del concreto dentro del fondo de las excavaciones, se puede recurrir a la utilización de bentonita.

-. El mantenimiento de la sección de flujo, debe programarse para que se haga en forma frecuente, de modo que se pueda garantizar la circulación de los caudales máximos, con menos inconvenientes de efectos de materiales flotantes durante las crecientes.

6.3 OTRAS RECOMENDACIONES

-. El terraplén para las vías de acceso debe construirse utilizando granulometría gruesa en la parte inferior hasta un 50% a 60% de la altura total con el propósito de lograr una base filtrante que no altere las condiciones del terraplén.

-. No debe hacerse excavaciones de descapote o préstamo en las márgenes de los sitios de fundación de los estribos y menos aun aguas arriba de los estribos o terraplenes pues se aumentaría la corriente en las márgenes y se generarían líneas de infiltración peligrosas para el socavamiento en el suelo de fundación.

-. Durante la excavación de los estribos y Caissons, debe verificarse que los cuerpos de estos elementos estén dentro de las tolerancias de verticalidad y de dimensiones, que las paredes de la excavación no se hayan derrumbado y que el fondo se haya limpiado adecuadamente y que las líneas de flujo subterráneo estén totalmente controladas.

-. No se descarta la necesidad de obras de protección para los estribos durante la vida útil del proyecto, ante una avenida de régimen hidráulico alto de la quebrada en época de invierno, para lo


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cual las entidades competentes deberán estar muy atentas realizando inspecciones técnicas periódicas que permitan establecer medidas correctivas y preventivas oportunas.

-. Todo el proceso constructivo de los elementos de cimentación, debe estar supervisado por el ingeniero Geotecnista.

-. Para dar una correcta interpretación y aplicabilidad al estudio geotécnico de suelos y fundaciones; se deben contemplar en su totalidad sin limitaciones a los capítulos de conclusiones y recomendaciones.

-. Se debe remitir al ingeniero de suelos una copia de los planos estructurales de la cimentación para su revisión desde el punto de vista de interacción suelo-estructura y para su referencia posterior, una vez definida la alternativa estructural de la infraestructura, superestructura del puente y alternativa tipo de cimentación elegida.


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7. LIMITACIONES -. Los resultados obtenidos en este estudio, lo mismo que las recomendaciones dadas, están basadas en la información dada por los proyectistas, respecto a la tipología conceptual de la alternativa estructural del proyecto, lo mismo que las condiciones geológicas, hidrológicas, hidráulicas y geotécnicas existentes en el sitio del ponteadero; exploradas mediante investigación de campo, laboratorio y consulta de información secundaria. -. Cualquier modificación a las tipologías referidas, implicará nuevas condiciones de interacción suelo-estructura y diferente comportamiento hidráulico de la quebrada, por lo cual será necesario introducir las variables de ajuste necesarias a los estudios respectivos. -. Si durante el diseño estructural o durante la construcción aparecen circunstancias no previstas en este informe, se deberá oficiar al ingeniero de suelos para buscar las soluciones y recomendaciones convenientes, ya sea en reunión técnica programada por los proyectistas o en forma escrita. -. El suelo de fundación a los niveles o cotas recomendadas, deberán ser aprobados por el Ingeniero Geotecnista en visita oportuna concertada y pactada con los proyectistas y constructores, una vez realizadas las excavaciones. -. Una vez definida y diseñada la alternativa estructural de la subestructura del puente y el tipo de cimentación adoptada, deberá ser remitida al ingeniero Geotecnista para su revisión desde el punto de vista del comportamiento geotécnico y de interacción suelo - estructura. Sogamoso, Octubre de 2.011

Ing. PEDRO ANTONIO IBÁÑEZ GÓMEZ Esp. en Geotecnia - Esp. en Gerencia y Construcción de Obras Civiles Diplomado en Aseguramiento y Control de Calidad en Obras Civiles

T.P. No 15223-42978 COPNIA


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ANEXO No 1

RESULTADOS DE LA CARACTERIZACIÓN DEL PERFIL DEL SUELO DE FUNDACIÓN MEDIANTE ENSAYOS DE LABORATORIO

da proceso

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