Capítulo 2. Origen y Distribución de los Materiales Geotécnicos PDF

CAPÍTULO 2 Origen y distribución de los materiales geotécnicos. 2.1 INTRODUCCIÓN: IMPORTANCIA DE LA GEOLOGÍA PARA LA INGENIERÍA. La ingeniería se enfrenta a una serie de problema...

CAPÍTULO 2 Origen y distribución de los materiales geotécnicos. 2.1 INTRODUCCIÓN: IMPORTANCIA DE LA GEOLOGÍA PARA LA INGENIERÍA. La ingeniería se enfrenta a una serie de problemas en los cuales es necesario tomar en cuenta e interpretar adecuadamente los diversos factores geológicos que determinan las condiciones de un lugar. Debido a esto, el ingeniero deberá conocer al menos los aspectos básicos de geología que le permitan llevar a cabo investigaciones realmente útiles y diseños geotécnicos racionales. En este capítulo se presentarán algunos de esos aspectos geológicos básicos que se deben tomar en cuenta, y relacionarán con las características geológicas de nuestro país. Al hacer uso de los conocimientos geológicos, el ingeniero obtendrá, entre otras cosas, las siguientes ventajas (Aguilar, pág. 12):  Poseerá un mejor conocimiento del comportamiento de los materiales naturales, suelos y rocas ante las cargas a que sean sometidos, de la manera que el emplazamiento, presente condiciones geológicas de seguridad y económicas desde el punto de vista constructivo.  Investigará y localizará yacimientos de agua subterránea, al hacer uso de ciertos métodos geofísicos de resistividad eléctrica.  Actuará con mejor criterio técnico ante problemas relacionados con el comportamiento de la escorrentía superficial y sus efectos colaterales: erosión, arrastre y acumulación.  El conocimiento de la sísmica contribuirá a la realización de investigaciones científicas y a la evaluación de este fenómeno, con el propósito de reducir al máximo este riesgo, o sea, los efectos perjudiciales que pueda ocasionar un movimiento muy fuerte en un determinado sitio.  Localizará y evaluará con mayor facilidad depósitos de materiales de construcción, como por ejemplo, piedra, grava, arena, arcilla, ya sea que las dos primeras se encuentren en canteras o en bancos de préstamo; la tercera en el curso de un río o en una planicie aluvial, y la última, en depósitos pétreos que han sufrido una intensa meteorización.  Tendrá un mejor criterio acerca del comportamiento y reacción de los minerales considerados como nocivos en el concreto.  De acuerdo a la naturaleza de los materiales geológicos, planificará más adecuadamente labores de corte y relleno.  Tendrá la capacidad de comprender e interpretar informes, planos, y mapas geológicos, así como también fotografías aéreas, lo cual es un aporte valioso en la planificación de muchas obras de ingeniería. Universidad Centroamericana “José Simeón Cañas” 15  CAPÍTULO 2 – Origen y distribución de los materiales geotécnicos. Para ilustrar la importancia de la geología para la ingeniería y en específico, para la ingeniería geotécnica, se presentan en la tabla 2.1, algunos aspectos de la geología que influyen en el comportamiento geotécnico de los materiales y los problemas geotécnicos que éstos provocan. INFLUENCIA DE LA LITOLOGÍA EN EL COMPORTAMIENTO GEOTÉCNICO DEL TERRENO Litología. Factores característicos. Problemas geotécnicos. Abrasividad. Rocas duras. Minerales duros y abrasivos. Dificultad de arranque. Roturas en taludes. Resistencia de media a baja. Rocas blandas. Deformabilidad en túneles. Minerales alterables. Cambio de propiedades con el tiempo. Problemas en cimentaciones con arcillas Suelos duros. Resistencia de media a alta. expansivas y estructuras colapsables. Asentamientos de fundaciones. Suelos blandos. Resistencia de baja a muy baja. Roturas en taludes. Alta compresibilidad. Suelos orgánicos y biogenéticos. Subsidencia y colapsos. Estructuras metaestables. ESTRUCTURAS GEOLÓGICAS Y PROBLEMAS GEOTÉCNICOS. Estructuras geológicas. Factores característicos. Problemas geotécnicos. Superficies muy continuas; espesor Roturas, inestabilidades, acumulación de Fallas y fracturas. variable. tensiones, filtraciones y alteraciones. Superficies continuas; poca Planos de estratificación. Roturas, inestabilidades y filtraciones. separación. Superficies poco continuas, Roturas, inestabilidades, filtraciones y Discontinuidades. cerradas o poco separadas. alteraciones. Inestabilidades, filtraciones y tensiones Pliegues. Superficies de gran continuidad. acumuladas a la orientación. Superficies poco continuas y Foliación, esquistosidad. Anisotropía en función de la orientación. cerradas. EFECTOS DE LOS PROCESOS GEOLÓGICOS RELACIONADOS CON EL AGUA Y SU INCIDENCIA GEOTÉCNICA. Los procesos geológicos en Efectos sobre materiales. Problemas geotécnicos. relación al agua. Pérdida de material en rocas y Cavidades. Disolución. suelos solubles. Hundimientos. Karstificación (disolución de rocas). Colapsos. Hundimientos y colapsos. Pérdida de material y lavado. Asentamientos. Erosión - arrastre. Erosión interna. Sifonamientos y socavaciones. Aparecimiento de cárcavas. Aterramientos. Cambios en la composición Ataque a cementos, áridos, metales y Reacciones químicas. química. rocas Pérdida de resistencia. Cambio de propiedades físicas y Alteraciones. Aumento de la deformabilidad y químicas. permeabilidad. Tabla 2.1: Aspectos geológicos que provocan problemas geotécnicos. Adaptado de González, págs. 8, 9 y 10. 16 Universidad Centroamericana “José Simeón Cañas”  CAPÍTULO 2 – Origen y distribución de los materiales geotécnicos. 2.2 MINERALES QUE FORMAN LAS ROCAS. Definición de mineral y cristal (Aguilar, págs. 33 y 34). Los minerales son considerados como sustancias de origen natural e inorgánico que poseen una composición química definida y una estructura atómica interna determinada. Según este concepto, todas las sustancias sintéticas elaboradas en los laboratorios no son minerales, aun cuando su apariencia sea similar a la de estos. Igualmente el carbón y los hidrocarburos, por su origen orgánico, no son considerados como minerales. Los minerales pueden ser sólidos, líquidos y gaseosos. Como único mineral líquido está el agua, y como gaseosos, que también son pocos, el dióxido de carbono, el sulfuro de hidrógeno y el dióxido de azufre. Los cristales se originan cuando la formación de minerales reúne ciertas condiciones generales, relacionadas con el transcurso de un tiempo excesivamente prolongado, que puede comprender varios miles de años. De esta manera, los minerales adquieren determinadas formas geométricas bien características y definidas, que se conocen con el nombre de cristales, que son cuerpos homogéneos limitados por superficies planas que son la expresión externa de una distribución atómica interna ordenada. Lo contrario ocurre con los minerales amorfos, los cuales presentan una distribución de sus átomos totalmente desordenada, ya que su tiempo de formación fue muy rápido. Minerales sólidos más importantes (Coduto, págs. 17 y 18). Más de 2000 minerales diferentes están presentes en la corteza terrestre. Ellos pueden ser identificados por sus propiedades físicas y químicas, por ensayos estandarizados, o por examen bajo el microscopio. Sólo unos pocos de ellos ocurren en grandes cantidades y ellos forman el material para la mayoría de las rocas. Los minerales más comunes son:  Feldespatos: es el material más abundante y un componente importante de muchas clases de rocas. Los feldespatos ortoclasa contienen potasio y usualmente varían de blancos a rosados. Los feldespatos plagioclasa contienen sodio, calcio o ambos, y su color varía entre blanco, gris y negro. Los feldespatos tienen una dureza moderada.  Cuarzo: también es muy común, es otro de los mayores ingredientes en muchas clases de rocas. Es un silicato y usualmente tiene color traslúcido de blanco leche. El cuarzo es más duro que la mayoría de los minerales y muy resistente a la intemperización. El horsteno (chert) es un tipo de cuarzo que algunas veces puede encontrarse en algunas rocas sedimentarias. Estos pueden causar problemas cuando son usados en el concreto. Figura 2.1: A la derecha de la figura se muestra un fragmento de Feldespato y a la derecha, un fragmento de Cuarzo (Foto: Minerals Education Coalition). Universidad Centroamericana “José Simeón Cañas” 17  CAPÍTULO 2 – Origen y distribución de los materiales geotécnicos.  Minerales ferromagnésicos: una clase de minerales, todos ellos contienen hierro y magnesio. Esta clase incluyen los piroxenos, anfíboles, la hornablenda y la olivina. Estos materiales tienen color oscuro y dureza moderada.  Óxidos de hierro: todos contienen hierro, incluyen la limonita y la magnetita. Aunque menos comunes, estos minerales dan un color rojizo distintivo a algunas rocas y suelos, y pueden actuar como agentes cementantes.  Calcita: un mineral hecho de carbonato de calcio; usualmente, blanco, rosado o gris. Es soluble en agua, pudiéndose trasportar por aguas subterráneas o freáticas dentro de las grietas existentes en las rocas, donde se precipita afuera en solución. Esta también puede precipitarse en el suelo y actuar como un agente cementante. La calcita es muchos más blanda que el cuarzo o el feldespato, y efervesce vigorosamente cuando se trata de diluir en ácido clorhídrico. Figura 2.2: A la derecha de la figura se muestra un fragmento de Calcita y a la derecha, un fragmento de Dolomita (Foto: Minerals Education Coalition).  Dolomita: similar a la calcita, con magnesio añadido. Presenta una reacción menos vigorosa al diluirse con ácido clorhídrico.  Mica: son delgadas láminas o escamas translúcidas. La muscovita o mica blanca tiene escamas plateadas, mientras la biotita es gris oscura o negra. Esta lámina tiene un coeficiente de fricción muy bajo, el cual puede producir fallas por corte en ciertas rocas, como los esquistos. Figura 2.3: A la derecha de la figura se muestra un fragmento de Mica y a la derecha, un fragmento de Yeso (Foto: Minerals Education Coalition). 18 Universidad Centroamericana “José Simeón Cañas”  CAPÍTULO 2 – Origen y distribución de los materiales geotécnicos.  Yeso: un mineral más blando, a menudo encontrado como una precipitación en rocas sedimentarias. Este tiene un blanco descolorido o incoloro y posee valor económico cuando se encuentra en depósitos de gran espesor. Es soluble al agua, lo que permite ser disuelto bajo la acción del agua subterránea y conducir a otro tipo de problemas. Microfábrica de los suelos y su influencia en las propiedades geotécnicas (González, págs. 94 a 99). Las propiedades del suelo están relacionadas con su estructura o microfábrica, resultado de los distintos procesos geológicos y ambientales que han actuado a lo largo de su historia geológica. Se denomina “fábrica” o “microfábrica” de un suelo al ordenamiento o disposición espacial de las partículas, al grupo de partículas, sus poros, discontinuidades y demás elementos presentes en el suelo. La fábrica está directamente relacionada con el grado de orientación de los elementos del suelo, su porosidad y densidad, y condiciona otras propiedades de gran importancia para la ingeniería como la resistencia, la compresibilidad y la permeabilidad. El estudio de la microfábrica se realiza habitualmente mediante el microscopio electrónico de barrido y de trasmisión. El estudio de la microfábrica de un suelo se vuelve de mucha importancia para el caso de las arcillas. Mientras que la distribución espacial de las partículas que constituyen la denominada fracción gruesa de los suelos (grava y arena), depende básicamente de la forma, tamaño y grado de empaquetamiento de las partículas, en las fracciones finas (limos y arcillas), la microfábrica depende de las propiedades físico – químicas, sobre todo del grado de interacción entre los cristales. En el caso de las arcillas, dicha interacción se deben a las fuerzas de enlace Van der Waals, y las de repulsión a las cargas negativas presentes en la superficie de las arcillas. En función del tipo de asociación elemental de partículas, y de los distintos factores ambientales que intervienen en el sedimento, los suelos arcillosos presentan múltiples tipologías de microfábrica, algunas de las más características son las siguientes:  Turbostrática o regular: matriz arcillosa continua y compacta; estructura muy densa, sin orientación preferente; característica de sedimentos marinos sobreconsolidados.  Laminar u orientada: matriz homogénea formada por láminas de arcillas orientadas según una dirección preferente; estructuras compactas y anisótropas.  Panal de abeja: estructuras abiertas formadas por flóculos de partículas de arcilla unidas entre sí por fuerzas de adherencia. Presenta gran cantidad de poros intercomunicados y es característica de medios salinos y suelos susceptibles.  Esqueletal: organización metaestable de fragmentos y agregados de arcilla unidos mediante conectores de larga distancia; abundan los poros y conectores; característica de suelos meteorizados y colapsables.  Oolítica o nodular: constituida por nódulos o agregados esféricos, que pueden formar un empaquetamiento denso; característica de medios continentales ricos en óxidos de hierro. Además de las partículas sólidas, también están presentes en la microfábrica otros elementos como los poros, discontinuidades, microfisuras, superficies de despegue, conectores y agentes cementantes. Dos características de las arcillas que están determinadas por el tipo de microfábrica, son la colapsabilidad y la susceptibilidad. La colapsabilidad se refiere a la disminución brusca de volumen en un suelo al inundarse (colapso hidráulico), siendo el ejemplo más característico los loess (ver figura 2.4). La susceptibilidad, también llamada Universidad Centroamericana “José Simeón Cañas” 19  CAPÍTULO 2 – Origen y distribución de los materiales geotécnicos. sensitividad, indica la pérdida de resistencia de un suelo al sufrir remoldeo. Los suelos susceptibles tienen fábricas abiertas e inestables. Figura 2.4: La foto muestra un yacimiento de loess (palabra alemana que significa “suelto”) en Palouse, una región del noroeste de Estados Unidos (Foto: Stu Witmer). Por otro lado la presencia de microfisuras y discontinuidades constituye superficies de muy baja resistencia, frecuentes en arcillas sobreconsolidadas y en fábricas de tipo laminar y turbostráticas. Los agentes cementantes intergranulares (carbonatos, sulfatos, etc.), pueden influir en las propiedades resistentes, aumentando considerablemente la cohesión. La microfábrica también puede sufrir modificaciones tanto naturales como antrópicas, por ejemplo el cambio en la composición química del agua, las cargas externas, el remoldeo y la compactación, etc., aspectos que deben ser tenidos en cuenta. En la tabla 2.2 se muestran algunas de las implicaciones geotécnicas que tiene el tipo de microfábrica en las propiedades de las arcillas. Tipo de Porosi- Colapsa- Suscepti- Resistencia. Implicaciones geotécnicas. fábrica. dad. bilidad. bilidad. Característica de arcillas Turbostrá- sobreconsolidadas. tica o Baja. Muy alta. No. No. Planos de discontinuidad en regular. profundidad. Planos de rotura según orientaciones Laminar u Muy Dependiente de la preferentes. No. No. orientada. baja. orientación. Presencia de discontinuidades profundas. Alta en estado Suelos inestables con formación de Panal de Alta. inalterado. Muy baja en Posible. Muy alta. deslizamientos tipo flujo. abeja. estado remoldeado. Arcillas rápidas. Suelos meteorizados y residuales. Muy Esqueletal. Baja. Posible. Alta. Rápida alteración en taludes. alta. Suelos inestables. Anomalías en los resultados de los Oolítica o Baja. Alta. Baja. Alta. ensayos de identificación y en otras nodular. propiedades de los suelos tropicales. Tabla 2.2: Microfábricas de arcillas y propiedades geotécnicas. 20 Universidad Centroamericana “José Simeón Cañas”  CAPÍTULO 2 – Origen y distribución de los materiales geotécnicos. 2.3 El CICLO GEOLÓGICO Y EL ORIGEN DEL SUELO. Las partículas que forman la fase sólida de un suelo son esencialmente el producto de la meteorización de las rocas. La meteorización es el proceso mediante el cual la acción de ciertos agentes físicos, químicos y biológicos desintegra y descompone a las rocas en forma conjunta, dando como resultado la formación de un suelo (Aguilar, pág. 71). En este sentido, la rocas que dan lugar a la formación de un suelo reciben el nombre de roca madre o material parental. Esta formación puede tardar varios siglos o el paso de algunos miles de años, lo cual contrasta con la rapidez con que un suelo puede ser destruido por los efectos de la erosión acelerada. De acuerdo a los agentes mencionados, la meteorización experimentada por las rocas puede ser clasificada como física, química o biológica. Entre los procesos de meteorización podemos mencionar (Coduto, pág. 21):  La acción erosiva del agua, hielo y viento.  Reacciones químicas inducidas por la exposición al oxígeno, agua y químicos  El aparecimiento de grietas como resultado de la descarga debido a la erosión y a sobreponer suelo y rocas.  Aflojamiento del suelo debido al crecimiento de raíces.  Aflojamiento del suelo debido a la filtración y subsiguiente congelamiento (y expansión) del agua.  Crecimiento de minerales en las grietas, lo que produce que se expandan.  Expansión térmica y contracción del día a día y de estación a estación.  Deslizamiento y desprendimiento de rocas.  La abrasión debido a movimientos colina abajo de suelo o rocas cercanas. El Ciclo Geológico. Las rocas se han clasificado en tres grandes grupos basándose en la manera en que fueron originadas; estos tres grandes grupos son: ígneas, sedimentarias y metamórficas. Las teorías geológicas que clasifican a las rocas de esta manera y que explican sus transformaciones tanto de un grupo a otro como de un grupo transformándose en suelo y viceversa, están sustentadas en un marco conceptual llamado Ciclo Geológico (ver figura 2.5). A continuación se definen los tres grupos de rocas: Rocas Ígneas. Estas rocas son las que se han formado partiendo del enfriamiento y subsiguiente solidificación de una masa viscosa que se mantiene a altas temperaturas, que los geólogos denominan magma si se encuentra por debajo de la superficie terrestre y lava cuando el magma logra llegar a la superficie como un flujo de lava o lanzado con mucha fuerza a la atmósfera como material piroclástico. Estas rocas se clasifican según el lugar y las condiciones físicas existentes en el momento en que se efectuó la solidificación del magma que se encontraba sometido a altas temperaturas. Esta clasificación es la siguiente (Aguilar, pág. 41, 44 y 45):  Rocas intrusivas o plutónicas: son las que se forman a grandes profundidades en el interior de la corteza terrestre, a partir de un magma que ha sufrido un enfriamiento muy lento, lo cual proporciona el tiempo suficiente para que pueda verificar de una manera completa su cristalización y solidificación.  Rocas extrusivas o volcánicas: estas rocas se subclasifican en rocas volcánicas efusivas y rocas volcánicas piroclásticas. Estas rocas son las que han sido arrojadas a la superficie terrestre por la actividad de un volcán, ya sea en forma de rocas volcánicas efusivas constituidas por lavas, o como Universidad Centroamericana “José Simeón Cañas” 21  CAPÍTULO 2 – Origen y distribución de los materiales geotécnicos. materiales lanzados violentamente al espacio, los que al depositarse sufren una solidificación posterior, formándose así las rocas volcánicas piroclásticas. Figura 2.5: Procesos más importantes en el ciclo geológico. (Adaptado de Coduto, pág. 19). Las rocas ígneas más comunes incluyen (Coduto, págs. 19 y 20):  Granito: es una roca intrusiva de las más comunes y familiares. Contiene principalmente feldespatos ortoclasa y cuarzo, con algo de biotita y anfibolita.  Basalto: una roca densa y oscura, la roca extrusiva más abundante. Muy difícil de traspasar en la construcción de túneles debido a su dureza; sin embargo el rápido enfriamiento asociado con la extrusión, produce juntas en este tipo de rocas, provocando que los taludes hechos de basalto a menudo fallen a lo largo de dichas juntas.  Diorita: similar al granito con feldespatos plagioclasa en lugar de ortoclasa y un poco de cuarzo o no.  Andesita: una roca extrusiva muy dura.  Riolita: la roca extrusiva equivalente al granito.  Gabro: la intrusiva equivalente al basalto menos oscura en color que el granito y la diorita. Las rocas ígneas no intemperizadas generalmente tienen excelentes propiedades ingenieriles y son buenos materiales de construcción. Para este fin, las rocas intrusivas son especialmente buenas. 22 Universidad Centroamericana “José Simeón Cañas”  CAPÍTULO 2 – Origen y distribución de los materiales geotécnicos. Rocas Sedimentarias. Los depósitos de suelo pueden ser transformados de nuevo en rocas a través de un proceso de endurecimiento llamado litificación, este se da generalmente a través de la cementación o compactación, formando así la segunda categoría de rocas, las sedimentarias. La litificación es un proceso por el cual un sedimento depositado en un determinado medio se convierte lentamente en una roca sedimentaria de características estables, casi siempre más coherente (dura) que el sedimento de partida. Ocurre principalmente cuando los sedimentos se encuentran en las cuencas sedimentarias, por efecto de la presión y de la circulación de fluidos. Pueden formarse a las orillas de los ríos, en el fondo de barrancos, valles, lagos y mares, y en las desembocaduras de los ríos. Se hallan dispuestas formando capas o estratos. Cubren más del 75 % de la superficie terrestre, formando una cobertura sedimentaria sobre un zócalo formado por rocas ígneas y, en menor medida, metamórficas. Sin embargo su volumen total es pequeño cuando se comparan sobre todo con las rocas ígneas, que no sólo forman la mayor parte de la corteza, sino la totalidad del manto. Las rocas sedimentarias se caracterizan por dos rasgos esenciales:  Presentan una estructura estratificada, con capas producidas por el carácter a la vez progresivo y discontinuo del proceso de sedimentación. Estas capas son llamadas estratos.  Contienen generalmente fósiles, cuando no están directamente formadas por fósiles. Los procesos magmáticos destruyen los restos de los seres vivos, lo mismo que los procesos metamórficos, salvo los más suaves. Además las rocas sedimentarias suelen ser más o menos permeables, sobre todo las detríticas, lo que favorece la circulación o depósito de agua subterránea y otros fluidos, como los hidrocarburos. Tipos de rocas sedimentarias son las clásticas y los carbonatos.  Rocas clásticas: formadas cuando depósitos de suelo pasan a un estado endurecido como resultado de la presión ejercida por estrato o capa sobrepuesto, y la cementación a través de la precipitación de minerales solubles en agua, tales como carbonato de calcio u óxido de hierro. Por su modo de deposición, muchas rocas clásticas son capeadas o estratificadas, lo cual las hace totalmente diferentes de las formaciones masivas.  Rocas carbonatadas: un tipo diferente de rocas sedimentadas se forman cuando materiales orgánicos se acumulan y pasan a endurecerse. Las rocas carbonatos más comunes incluyen la piedra caliza, el yeso, y la dolomita. Las rocas carbonatadas pueden ser disueltas por una exposición prolongada al agua, especialmente si contiene una leve solución de ácido carbónico. El agua subterránea puede adquirir pequeñas cantidades de este acido a través de la exposición al dióxido de carbono en la superficie. Este proceso puede generar una “topografía kárstica”, la cual expone a la superficie rocas de textura muy irregular y crea cavernas subterráneas. A veces estas rocas quedan cubiertas por algún estrato de suelo por lo que es difícil identificar la topografía kárstica. Sin embargo, las cavernas permanecen ahí, lo que puede generar que el suelo sobre ellas se derrumbe (Coduto, pág. 24). Este proceso genera los llamados Sinkholes, conocidos como Cenotes en México (ver figura 2.6). Universidad Centroamericana “José Simeón Cañas” 23  CAPÍTULO 2 – Origen y distribución de los materiales geotécnicos. Figura 2.6: La imagen izquierda muestra el sinkhole llamado Great Blue Hole situado en las costas de Belice el cual tiene 124 metros de profundidad y fue declarado Patrimonio Mundial por la UNESCO. A la derecha se muestra un “sinkhole artificial” con 100 metros de profundidad formado en la ciudad de Guatemala en el 2010, denominado así por ser causado por las actividades del hombre, pues las tuberías de la ciudad infiltraban agua al suelo haciéndolo colapsar durante la tormenta Agatha (Fotos: charterworld.com y Moisés Castillo). Rocas Metamórficas. Las rocas metamórficas son formadas por la presión y las altas temperaturas, proceden indistintamente de la transformación de rocas ígneas y de rocas sedimentarias. El proceso para que se conviertan en metamórficas se denomina metamorfismo. Se trata de un proceso lento. A medida que estas rocas son sometidas a altas presiones y temperaturas, de los elementos químicos existentes surgen gradualmente nuevos minerales que cristalizan para formar la nueva roca. Las rocas metamórficas son clasificadas según sus propiedades físicas. Los factores que definen o clasifican las rocas metamórficas son dos: los minerales que las forman y la textura que presentan dichas rocas. Las texturas son de dos tipos, foliada y no foliada. En las rocas metamórficas foliadas, los granos están orientados similarmente a los planos de estratificación de las rocas sedimentarias. Estas foliaciones son importantes porque la resistencia cortante es menor para los esfuerzos que actúan paralelos a las foliaciones. Las rocas metamórficas más comunes incluyen (Coduto, pág. 25):  Rocas foliadas:  Pizarras: derivadas principalmente de esquistos; densas, pueden fácilmente desprenderse en láminas delgadas paralelas a la foliación.  Esquisto: una roca fuertemente foliada con preponderancia de minerales laminares tales como mica, clorita, talco, hornblenda, grafito y otros; propensa al deslizamiento a lo largo de los planos de foliación.  Gneis: pronunciado “nice”, derivado del granito y rocas similares, contiene foliaciones en franjas o bandas.  Rocas no foliadas:  Cuarcita: compuesta principalmente o enteramente de cuarzo, derivada de la arenisca, muy fuerte y dura. 24 Universidad Centroamericana “José Simeón Cañas”  CAPÍTULO 2 – Origen y distribución de los materiales geotécnicos.  Mármol: derivado de piedras calizas o dolomitas, usado para propósitos decorativos y estatuas. El proceso metamórfico generalmente mejora el comportamiento ingenieril de estas rocas por el incremento de su dureza y resistencia. Las rocas no foliadas y no intemperizadas generalmente proveen excelentes soportes, para trabajos de ingeniería, y son similares en su calidad a las rocas ígneas intrusivas. Sin embargo, algunas rocas foliadas son propensas al resbalamiento a lo largo de su foliación. Las rocas metamórficas también están sujetas al intemperismo formando así rocas intemperizadas, suelos residuales y suelos transportados para que, de esta manera, comience un nuevo ciclo. 2.4 FORMACIÓN, TRANSPORTE, DEPOSICIÓN Y CARACTERÍSTICAS GEOTÉCNICAS DE LOS SEDIMENTOS. Los depósitos sedimentarios se forman por la acción de los procesos geomorfológicos y climáticos, destacando el medio de transporte y la meteorización. Los distintos medios de sedimentación originan una serie de depósitos cuyas características geotécnicas están relacionadas con las condiciones de formación de estos sedimentos. Así, la clasificación de los materiales, granulometría, forma y tamaño, dependen del medio de transporte. Con estos objetivos se describen los siguientes tipos de depósitos, en función de sus relaciones geológico-geotécnicas más características (González, pág. 99): Suelos residuales (Coduto, pág. 33). Cuando el proceso de intemperización de la roca es más rápido que el proceso de transporte inducido por agua, viento y gravedad, muchos de los suelos resultantes permanecen en el lugar. El suelo producto de este proceso es conocido como “suelo residual”, y generalmente retiene muchas de las características de la roca madre. La transición con la profundidad del suelo a la roca intemperizada a la roca intacta es típicamente gradual con contornos no distinguidos. En regiones tropicales, las capas de suelos residuales pueden ser muy gruesas, algunas veces extendiéndose por cientos de metros antes de alcanzar el lecho de roca no intemperizado. Regiones más áridas y frías normalmente tienen capas mucho más delgadas y a menudo no todo es suelo residual. El tipo de suelo depende de la roca madre. Por ejemplo, el granito descompuesto es un suelo residual arenoso obtenido de rocas graníticas, este es usado comúnmente en construcciones como un material de relleno de alta calidad. Algunos ejemplos de estos tipos de suelos son:  Saprolita (saprolite): es un término general para suelos residuales que no son extensivamente intemperizados y que aún retienen mucho de la estructura de la roca madre.  Laterita: es un suelo residual encontrado en regiones tropicales. Este tipo de suelo está cementado con óxido de hierro, el cual le da una alta resistencia seca. Las propiedades ingenieriles de los suelos residuales varían desde pobres a buenas y generalmente mejoran con la profundidad. Suelos glaciares. Universidad Centroamericana “José Simeón Cañas” 25  CAPÍTULO 2 – Origen y distribución de los materiales geotécnicos. Muchas áreas de la tierra alguna vez estuvieron cubiertas con enormes masas de hielo llamadas “glaciares”. Los glaciares han tenido un efecto dramático sobre el terreno y han creado una categoría de suelos llamados suelos glaciares. El hielo glaciar no es estacionario, se mueve a lo largo del terreno, a menudo pulverizando por debajo algunas áreas y rellenando en otras. En algunos lugares, los glaciares han ensanchados valles, dejando extensos lagos (Coduto, pág. 34). La heterogeneidad y anisotropía es la característica típica de estos depósitos, pues coexisten desde las arcillas hasta las gravas gruesas y grandes bloques. Por tanto, las propiedades geotécnicas son altamente variables. Al estar la permeabilidad directamente relacionada son la granulometría, estos suelos son muy sensibles a los incrementos de presión intersticial producidos por las lluvias torrenciales y por el deshielo. En estos depósitos son muy frecuentes los fenómenos de solifluxión y de inestabilidad de laderas. La investigación geotécnica es compleja, y los espesores pueden ser igualmente muy variables (González, pág. 102). Suelos aluviales. También conocidos como suelos fluviales, son aquellos transportados a su posición presente por ríos y arroyos. Estos suelos son muy comunes, y un número muy grande de estructuras de ingeniería es construida sobre ellos. Los suelos aluviales a menudo contienen grandes acuíferos de agua subterránea, esto es importante en el desarrollo de pozos para suplir agua en ingeniería geo-ambiental. Cuando el río o arroyo está fluyendo rápidamente, los limos y arcillas permanecen en suspensión y son llevados aguas abajo; sólo la arena, grava y cantos rodados son depositados. Sin embargo, cuando el agua fluye más lentamente, más suelo fino es depositado. El río fluye rápido durante el período de lluvia o cuando el hielo se derrite, y fluye lento durante los períodos de sequía, por lo tanto los suelos aluviales contienen capas horizontales de diferentes tipos de suelo (Coduto, pág. 37). Son suelos muy anisotrópicos en su distribución, con propiedades geotécnicas altamente variables, estrechamente relacionadas con la granulometría, su continuidad es irregular, pudiendo tener altos contenidos de materia orgánica en determinados medios. La permeabilidad depende de la granulometría. Generalmente presentan un nivel freático alto. La investigación geotécnica precisa de un elevado número de reconocimientos dada su heterogeneidad y anisotropía. Los aluviales constituyen una fuente de recursos de materiales para la construcción, sobre todo como áridos (González, pág. 102). Suelos lacustres. Suelos lacustres son aquellos depositados debajo de los lagos. Estos depósitos pueden estar aún bajo el agua o estar expuestos debido al descenso del nivel del agua del lago; la mayoría de los suelos lacustres son principalmente limos y arcillas. Su adecuación para el sostenimiento de fundaciones varía desde pobre hasta promedio (Coduto, pág. 39). El contenido de materia orgánica puede ser muy alto, sobre todo en zonas pantanosas. Frecuentemente presentan estructuras laminadas en niveles muy finos. En condiciones de agua salada se forman precipitados de sales. Los principales problemas geotécnicos están en relación con su alto contenido en materia orgánica, siendo en general suelos muy blandos (González, pág. 101). Suelos marinos (Coduto, pág. 39). 26 Universidad Centroamericana “José Simeón Cañas”  CAPÍTULO 2 – Origen y distribución de los materiales geotécnicos. Los suelos marinos también son depositados bajo el agua, excepto los formados en el océano. Los deltas son un tipo especial de depósitos marinos formados cuando los ríos encuentran grandes cuerpos de agua y gradualmente agrandan la superficie del agua. Este modo de deposición crea terrenos muy planos así que los flujos de agua son muy lentos. Los depósitos de suelo resultante son principalmente limos y arcillas y son muy blandos por su modo de deposición. La mayoría de suelos lacustres y marinos son muy uniformes y consistentes, no obstante sus propiedades ingenieriles son a menudo pobres, pueden ser más predecibles que otros suelos más erráticos. Suelos eólicos (Coduto, págs. 40 y 41). Son aquellos depositados por el viento. Este modo de transporte generalmente produce suelos muy pobremente graduados (estrecho rango de partículas), debido al fuerte poder clasificador del viento. Estos suelos son usualmente muy sueltos por lo que sólo poseen propiedades pobres. Hay tres modos principales en el que el viento induce el transporte del suelo:  Suspensión: ocurre cuando el viento levanta partículas individuales de limo a grandes altitudes y las transporta a grandes distancias.  Saltación: es un proceso intermedio donde las partículas de suelo vienen transportadas aéreamente y luego caen a la tierra.  Creep (resbalamiento): ocurre en partículas muy grandes para transportarse por aire, tales como arenas medias a gruesas. Todos los suelos eólicos son muy propensos a la erosión y a menudo tienen cárcavas profundas. Es especialmente importante proporcionar buenas medidas de control de erosión en este tipo de suelo. Suelos coluviales. Son transportados pendiente abajo por la gravedad. Hay dos tipos de movimientos de pendiente abajo: lento y rápido. Ambos tipos ocurren solamente sobre o cerca de un terreno inclinado. Los movimientos lentos son del orden de milímetros por año, y son llamados “creep”. Este ocurre debido a los esfuerzos cortantes inducidos por la gravedad pendiente abajo, la expansión y contracción de arcillas, la acción de las heladas y otros procesos. El creep típicamente se extiende a profundidades de 0.3 a 3 metros, con los mayores desplazamientos en la superficie del terreno. Este proceso es totalmente diferente al proceso de creep de los suelos eólicos. Los movimientos lentos podrían aparecer primero sin consecuencias, pero con el tiempo pueden producir distorsiones significativas en las estructuras fundadas en tales suelos. Las fundaciones que se extienden a través de suelos resbalándose a terrenos firmes bajo la pendiente, pueden estar sujetas a fuerzas significativas pendiente abajo y necesitan ser diseñadas consistentemente. Además las propiedades ingenieriles del suelo deteriorándose en su movimiento pendiente abajo produce entonces un material que es inferior al suelo madre. Los movimientos rápidos pendiente abajo tales como los deslizamientos y flujos de lodo son eventos más dramáticos. Aunque estos movimientos rápidos pueden ocurrir en cualquier tipo de suelo, el producto se considera ser un suelo coluvial (Coduto, págs. 42). Tienen una gran importancia geotécnica cuando se trata de masas inestables. La resistencia de estos materiales es baja, sobre todo en la zona de contacto con el sustrato rocoso, y cuando se desarrollan altas presiones intersticiales como consecuencia de lluvias intensas. La identificación de estos materiales es fundamental en Universidad Centroamericana “José Simeón Cañas” 27  CAPÍTULO 2 – Origen y distribución de los materiales geotécnicos. cualquier estudio geológico – geotécnico, y por tanto constituye una prioridad en las investigaciones in situ. Su sola presencia puede suponer un problema geotécnico (González, pág. 100). Aun cuando los suelos coluviales ocurren naturalmente, algunas actividades de construcción aceleran su formación. Por ejemplo, hacer una excavación al pie de un talud puede cambiar una condición de creep lenta en un deslizamiento. Figura 2.7: Suelos coluviales (a) formados lentamente por creep y (b) Formados rápidamente por deslizamientos o flujos de lodos. (Adaptado de Coduto, pág. 43). 2.5 GEOLOGÍA DE EL SALVADOR. Geológicamente hablando El Salvador es un país extremadamente joven. Una cuarta parte del territorio nacional es de edad pleistocénica y tres cuartas partes están cubiertas por rocas de edad terciaria, predominando la época pliocénica. Por eso, las capas de edad cretácica, que cubren aproximadamente un 5% del territorio salvadoreño no juegan un papel importante para la constitución geológica total de la República. Solamente estas últimas capas son de origen sedimentario marino, todas las demás rocas, con pocas excepciones, están originadas por fenómenos volcánicos. En otros lugares se conocen además rocas intrusivas que pertenecen a la época miocénica, es decir también son terciarias. Para poder formarse una mejor idea se anexa el Mapa Geológico General de El Salvador (www.snet.gob.sv, recuperado en julio de 2015). 28 Universidad Centroamericana “José Simeón Cañas”  CAPÍTULO 2 – Origen y distribución de los materiales geotécnicos. Universidad Centroamericana “José Simeón Cañas” 29  CAPÍTULO 2 – Origen y distribución de los materiales geotécnicos. Las características principales que describen algunos aspectos del territorio son: 2.5.1 Elementos geológicos (Aguilar, págs. 46 a 54). Rocas ígneas. Las rocas ígneas han sido clasificadas atendiendo a sus texturas y composición mineralógica. De esta manera se tiene entre las rocas intrusivas a las siguientes: granito, granodiorita, sienita, cuarzodiorita, diorita y gabro, las cuales tienen como equivalente mineralógicos a las rocas efusivas de nombre riolita, latita, traquita, dacita, andesita y basalto, respectivamente. Esto significa que el granito y la riolita poseen los mismos componentes minerales formando una familia de rocas, es decir, si un magma de composición granítica no se solidifica en el interior de la tierra, sino que sale a la superficie por medio de una erupción volcánica, entonces se forma una roca efusiva de nombre riolita y así sucede con las demás rocas mencionadas. Haciendo esta distinción, podemos mencionar ejemplos de estas formaciones en nuestro país, atendiendo a la siguiente clasificación: Rocas intrusivas y extrusivas efusivas: A continuación se presentan ejemplos de estas rocas dependiendo de su familia:  Granito – riolita: En El Salvador existen afloramientos de granito en San Rafael y Santa Rita, ambos en el departamento de Chalatenango, en tanto que rocas riolíticas se encuentran en diferentes regiones de la zona norte del país.  Granodiorita – latita: Algunos lugares en los que se puede encontrar granodiorita son el norte de Tejutla, departamento de Chalatenango y Caserío Aldea El Zapote, en jurisdicción de Metapán.  Sienita – traquita: Se localizan en la región de Metapán – La Palma y más al sur en Tejutla.  Cuarzodiorita – dacita: A la cuarzodiorita se le puede encontrar en la región de Metapán, La Palma y Tejutla, mientras que la dacita es la roca que conforma a los domos volcánicos situados en el interior del lago de Ilopango y sus alrededores inmediatos.  Diorita – andesita: Afloramientos de rocas dioríticas se ven en el camino que desde el caserío El Roble conduce al caserío El Zapote en las cercanías del yacimiento de cobre de “El Brujo”, jurisdicción de Metapán. Las andesitas son rocas extremadamente abundantes, presentando como ejemplo las que forman parte de la cantera El Manguito, en las cercanías del balneario de Los Chorros.  Gabro – basalto: No se tiene conocimiento de la existencia de gabro en el país, en cambio el basalto, al igual que la andesita, es muy común, ya que ha sido arrojado en innumerables ocasiones por los volcanes activos de Santa Ana, Izalco, San Salvador, San Vicente, San Miguel, etc. Rocas extrusivas piroclásticas: Ejemplos de este tipo de roca se tienen en los afloramientos de pómez que se observan en la carretera Panamericana desde San Martín hasta las cercanías de Cojutepeque, lo mismo que desde Apopa hasta Guazapa en la carretera Troncal del Norte. Otro ejemplo se tiene en las ignimbritas que se encuentran a ambos lados de la carretera que conduce al Puerto de La Libertad, en el municipio de Zaragoza. Rocas Sedimentarias. A continuación se presentan ejemplos de rocas sedimentarias que se encuentran en nuestro país: 30 Universidad Centroamericana “José Simeón Cañas”  CAPÍTULO 2 – Origen y distribución de los materiales geotécnicos.  Areniscas, conglomerados de cuarzo y lutitas: Esta roca se encuentra formando parte de la región sedimentaria marina de Metapán de edad jurásica – cretácica, por lo que se trata de las rocas más antiguas localizadas en el país.  Calizas: Se le encuentra formando extensos depósitos en la zona sedimentaria marina de Metapán, que se explotan como materia prima para la fabricación de cemento.  Diatomitas: Estas rocas son muy comunes en nuestro país; uno de los más grandes depósitos es el que está situado en la “Barranca de El Sisimico”, jurisdicción de Apastepeque, departamento de San Vicente. Otros depósitos de importancia relativa son los que existe en Miraflores, departamento de San Miguel; en la hacienda El Dorado, departamento de Chalatenango y en la hacienda San Diego, jurisdicción de Metapán.  Carbón: Existen ciertas variedades de carbón, por ejemplo, el lignito, del cual se tienen pequeños afloramientos sin ningún valor económico en el río Los Frailes, que se encuentra en Ilobasco, departamento de Cabañas. Rocas Metamórficas. Las rocas Metamórficas son bastante escasas en El Salvador. La que más abunda es el mármol orgánico a partir del metamorfismo experimentado por la roca caliza, lo cual da a entender que se le localiza en la región de Metapán, departamento de Santa Ana, donde se le explota para fines ornamentales. 2.5.2 Elementos estratigráficos. Un perfil esquemático de la sucesión estratigráfica de El Salvador, desde la superficie hacia el fondo, es el siguiente (Tomado de www.snet.gob.sv):  Aluvión (Reciente). Compuesto por gravas, arenas y arcillas a lo largo de los ríos y en depresiones locales. Depósitos de este material se encuentra en gran escala en las planicies costeras al SW y SE del país.  Estratos de San Salvador (Holoceno hasta Pleistoceno). Se encuentran en la cadena volcánica joven que atraviesa la parte sur del país y están compuestos por productos extrusivos de los volcanes individuales. Estos productos son: corrientes de lava, cúpulas de lava, tobas fundidas, tobas, pómez, escoria y cenizas volcánicas, que se encuentran a veces con intercalaciones de sedimentos lacustres. El espesor de los estratos y la sucesión varía de volcán a volcán. También se encuentran suelos fósiles color café y negro.  Estratos de Cuscatlán (Pleistoceno Inferior hasta Plioceno Superior). Se encuentran en la cadena volcánica vieja que atraviesa la parte Norte del país y están compuestos por productos extrusivos de los volcanes individuales. Estos productos son: corrientes de lava, aglomerados, tobas, escorias y cenizas volcánicas endurecidas y tobas fundidas con intercalaciones de sedimentos lacustres y fluviales. El espesor de los estratos y su sucesión varía de volcán a volcán. También se encuentran suelos fósiles de color rojo de poca profundidad (hasta 4 metros).  Estratos de la Cordillera del Bálsamo (Plioceno). Compuestos por productos volcánicos en los cuales abundan los aglomerados con intercalaciones de tobas volcánicas endurecidas y corrientes de lava basáltica-andesítica con un espesor aproximado de 500 m. También hay suelos fósiles de color rojo de gran profundidad (hasta 20 m). Además se encuentran rocas extrusivas con pocas intercalaciones de tobas volcánicas y de aglomerados; la parte inferior es de carácter Universidad Centroamericana “José Simeón Cañas” 31  CAPÍTULO 2 – Origen y distribución de los materiales geotécnicos. andesítico y en la parte superior, basáltico. Hay algunos afloramientos más ácidos (hasta riolíticos) sobre todo en el este del país. El espesor aproximado de estos últimos es mayor de 1000 m.  Estratos de Chalatenango (Mioceno Superior). Son rocas volcánicas ácidas de carácter riolítico-dacítico; prevalecen las tobas muy endurecidas de colores claros; el espesor de esta serie es aproximadamente mayor de 500 m.  Estratos de Morazán (Mioceno). Compuestos por rocas extrusivas, básicas intermedias; ácidas, piroclásticas, tobas fundidas, riolitas y epiclásticas volcánicas.  Estratos de Metapán (Mioceno Inferior hasta Cretácico Inferior). Al Mioceno Inferior pertenecen areniscas finas de color rojo violeta, con bancos de conglomerados cuarcíticos; hacia abajo se encuentran conglomerados rojos de caliza con capas de areniscas. Esta serie representa los productos de erosión de las capas más inferiores; su espesor es mayor de 400 m. Al Albiense (Cretácico Superior) pertenecen tobas volcánicas de carácter andesítico color violeta, con un espesor aproximado de 100 m. Del Cretácico Inferior son las areniscas rojas de granos finos, con cemento arcilloso y estratificaciones finas; hacia abajo hay conglomerados de cuarzo que en su parte inferior generalmente están silificados y metamorfizados; su espesor es mayor de 350 m. El lecho es desconocido hasta hoy. 2.5.3 Principales sistemas de fallas geológicas (Aguilar, págs. 101 y 102). De acuerdo a investigaciones realizadas en el país, son cuatro los principales sistemas de fallas que han sido localizados, los cuales se detallan a continuación:  El primero, que posiblemente es el más antiguo, corre de este a oeste y es el que más sobresale por su morfología. Se inicia al norte de la Cordillera del Bálsamo, continúa por la depresión volcano – tectónica del Ilopango, el curso inferior del río Lempa y finaliza al este de la ciudad de San Miguel, donde constituye el límite norte de la Cuenca de Olomega.  El segundo sistema corre de norte a sur. Se distingue menos y se extiende a través de distancias muy cortas. No tiene mayor importancia en lo que a la actividad sísmica se refiere.  El tercero está formado por las fallas más jóvenes que tienen un rumbo noroeste, poseyendo una morfología de fácil reconocimiento. Son las más importantes porque los sismos que más daño han ocasionado están relacionados en gran parte con ellas, ya que el fracturamiento que experimentan los originan. Otro aspecto que es muy importante, es que en forma paralela o casi paralela a ellas, el terreno se agrieta, tal como aconteció en el año de 1985 en los caseríos EL Tablón, Virginia y otros pertenecientes a Berlín, departamento de Usulután. En esa ocasión la grieta alcanzó una longitud cercana a los seis kilómetros, un ancho máximo de 0.4 metros y un desplazamiento vertical también de 0.4 metros.  El cuarto sistema se puede considerar como subordinado del tercer sistema, tal como acontece al este y noreste de la ciudad de San Salvador y en las proximidades del lago de Ilopango. Corre en dirección noreste, y en lo que respecta a su morfología, es también similar al tercero. 32 Universidad Centroamericana “José Simeón Cañas”  CAPÍTULO 2 – Origen y distribución de los materiales geotécnicos. Todas estas fallas buzan entre 65 grados y la vertical y se han desarrollado en diferentes épocas, así como también se han reactivado en muchas ocasiones. El origen del sismo del 10 de octubre de 1986 estuvo relacionado con un deslizamiento de masas geológicas del tipo lateral izquierdo, que fue provocado por una falla con una inclinación de aproximadamente N 25° E, con una profundidad focal de 8 kilómetros. El epicentro se localizó a unos 5 kilómetros al sur del centro de la ciudad de San Salvador, donde se intersectan dos sistemas de fallas tectónicas, llevando uno una dirección hacia el noroeste a lo largo del cerro de San Jacinto, habiéndose comprobado que fue el primero que se activó con el sismo principal; mientras que el otro, que corre hacia el noroeste, se activó inmediatamente después, produciéndose enseguida una serie de réplicas con epicentros en varias partes del área metropolitana de San Salvador, pero siempre siguiendo las mismas direcciones noreste y noroeste. BIBLIOGRAFÍA DEL CAPÍTULO 2:  Aguilar, Carlos E. (2010). Geología Aplicada. El Salvador. UCA Editores.  Atkinson, John (2007). The Mechanics of Soils and Foundations. Estados Unidos. Taylor & Francis Group.  Coduto, Donald P. (1999). Geotechnical Engineering: principles and practices. Estados Unidos. Pretince-Hall.  Das, Braja y Sobhan, Khaled. (2012). Principles of Geotechnical Engineering. Estados Unidos. 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