Zonificación Geotécnica Sísmica de la Ciudad de Moquegua

¿Que entendemos por Suelo?

Existen varias definiciones de 5uelo. Para esta Cartilla, definiremos al 5uelo como la cubierta superficial de la tierra donde el Hombre edifica sus viviendas, infraestructuras y otras obras buscando su bienestar y desarrollo.

Propiedades de los Suelos

Los suelos tienen propiedades físicas que están en función de los materiales que la constituyen (Inorgánicos y Orgánicos), así como del tamaño y forma, granulometría, textura, color, peso, etc. Todo esto influye en la estabilidad o inestabilidad de los suelos.

La granulometría se refiere al tamaño de los elementos que componen el suelo. Según el tamaño de los componentes podemos distinguir suelos finos 0 gruesos que adoptan denominaciones variados; tal como se indica en el cuadro adjunto:

La textura se refiere a los tamaños que prevalecen en el sedimento del suelo, la que influye en la denominación que adopta. Por ejemplo, si prevalecen los gruesos la textura será gravosa. Se prevalece el tamaño de la arena, la textura del suelo será arenosa y estaremos frente a un suelo arenoso. Si predomina el tamaño fino, el suelo será arcilloso.

PROPIEDADES Y CLASIFICACION

En la naturaleza se encuentran combinaciones de tamaños y texturas y la que prevalece le atribuye el nombre. De esta manera los suelos pueden clasificarse en

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función de las proporciones de arena, limo y arcilla y la denominación de los suelos se organiza según la prevalencia. As! Tenemos: La arcilla arenosa, la arcilla limosa, el limo arcilloso, el limo arcilloso arenoso, el fango arcilloso, el limo arenoso y la arena limosa.

La textura de un suelo influye en la medida a su existencia o capacidad de cargo.

Los suelos de textura gruesa tienen mayor capacidad de cargo y son mejores que los suelos finos; Mucho mejor serán los que se combinan donde uno textura heterogénea.

Mientras que los suelos de textura fina que contienen uno proporci6n mayor de fragmentos pequeños por ejemplo las arcillas y los limos, tienden a ser impermeables, retener el agua y alterar su estabilidad, disminuyendo por tanto, su capacidad de cargo.

El color

Es uno propiedad de los suelos que está influenciada por 1ª presencia de sustancias 0 materiales orgánicos o inorgánicos. Nos indica los componentes que predominan.

Así tenemos que los suelos rojos castaño-rojizos suelen contener uno gran proporción de óxidos de hierro.

Casi todos los suelos amarillos 0 amarillentos deben su color a óxidos de hierro que han reaccionado con agua. Los suelos grisáceos pueden tener deficiencias de hierro u oxígeno, 0 un exceso de sales alcalinas, como carbonato de calcio. Los Suelos negros contienen materia orgánica.

Según el color también se puede conocer cuál es 10 estabilidad del suelo. Por lo general, son INESTASLES los suelos rojizos, amarillentos, blancos y negros, mientras que son más ESTASLES los suelos de color gris.

Según la Granulometría y Textura

Los Suelos son BUENOS (Tienen mayor capacidad de carga) cuando la mayoría de sus componentes son gruesos Como las rocas, gravas, grava arenosa y grava limosa, grava arenosa arcillosa y arenas gravosas. Son MALOS (Tienen menor capacidad de carga, se deforman) cuando son finos. En esta calificación se encuentran los suelos arenosos, suelos limosos y suelos arcillosos.

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Según el Peso especifico

El peso específico se refiere a cuánto pesa una porción de un tipo de suelo. Nos indica cuantos vacíos tiene en su interior; será más pesado mientras menos espacios vacíos tengan. Esto también influye en su estabilidad. Entre mayor sea el peso unitar io de un suelo, mejor es la Calidad de éste

o Si la mayoría de los componentes del suelo son homogéneos; entonces, el suelo es

malo, Porque tiene muchos vacíos y poco peso unitario.

o Si el suelo tiene variedad de tamaños; o sea es heterogéneo. El suelo es bueno

1.0 Antecedentes

La ciudad de Moquegua se sitúa en el Cinturón de Fuego del Pacífico, una zona de alta actividad sísmica. El 23 de junio del 2001 a horas 15:33, ocurrió un movimiento sísmico de Magnitud M S = 8.2 en la escala Richter, el cual alcanzó una Intensidad de VIII grados en la escala Mercalli Modificada en la ciudad de Moquegua.

El movimiento sísmico afectó las zonas más vulnerables y dejó miles de viviendas destruidas denotando las zonas de alto riesgo en toda esta región.

En general, las viviendas más afectadas fueron las de Adobe que en su mayoría han colapsado, en menor escala fueron afectadas las edificaciones de albañilería, algunas se agrietaron y otras sufrieron fallas en la tabiquería en viviendas de uno o más pisos, lo mismo ocurrió en edificios de estructuras aporticadas. Luego de este desastre se vió la necesidad de reubicar las áreas que fueron devastadas por este evento y que presentan un alto peligro ante fenómenos similares. Con la finalidad de seleccionar las áreas más óptimas para la reubicación y la expansión urbana, en el presente estudio se realiza la zonificación geotécnica sísmica de la ciudad de Moquegua, esperando que éste sea un aporte para el desarrollo sostenible de dicha ciudad.

2.0 Objetivo de la Investigación

El objetivo de esta investigación es realizar un estudio geotécnico – sísmico de la ciudad de Moquegua poniendo énfasis en las áreas de expansión urbana que es la zona destinada a la reubicación de los damnificados por el sismo del 23 de junio de 2001. Debido a que se tiene conocimiento que las áreas de expansión están conformadas por suelos con características especiales, habiéndose reportado daños en las edificaciones convencionales debido principalmente a la expansión y/o colapso del suelo de cimentación, en el estudio de suelos se ha realizado trabajos de campo y laboratorio para analizar este comportamiento del terreno, con lo cual ha sido posible caracterizarlos adecuadamente y proponer alternativas constructivas en este tipo de materiales.

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El plan de trabajo realizado nos permitió una exploración geotécnica extensiva en las distintas zonas de expansión y en el centro histórico de la ciudad de Moquegua, con lo cual se definió zonas con características geotécnicas similares, dándose recomendaciones para el diseño de estructuras convencionales de interés social e indicando el uso del suelo para el plan de desarrollo urbano.

En la primera etapa de este estudio, cuyos resultados se reportan en el presente informe, se ha realizado el estudio geológico superficial de todas las zonas involucradas. Así mismo, se ha realizado una campaña de exploración geotécnica mediante la excavación de calicatas de 4 m de profundidad y ensayos de colapso in situ. En la segunda etapa se ha realizado una campaña de densificación de sondajes para poder definir con mayor criterio las diferentes zonas geotécnicas identificadas.

Paralelamente se llevó a cabo la campaña de ensayos geofísicos de medición de micro trepidaciones y de refracción sísmica, los cuales permitirán conocer la potencia de los diferentes estratos superficiales encontrados y sus características dinámicas.

3.0 Ubicación del Área en Estudio

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

Su capital es la ciudad de Moquegua (Figuras 1), que está situada entre las coordenadas:

Longitud Oeste 71º 55 ' 54"

Latitud Sur 17º 11' 27"

Las zonas en estudio, que comprenden El Cercado, el CPM San Francisco, el CPM San Antonio, el CPM Los Ángeles y la zona de expansión urbana de Chen Chen, se encuentran situadas a una altitud promedio de 1,400 msnm, precisamente en los límites de ceja de sierra.

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Fig. 1 Ubicación de la Ciudad de Moquegua4.0 Geología Regional

La ciudad de Moquegua está emplazada en la porte media del valle formado por la confluencia de los ríos Moquegua, Torata y Huaracane. En el área afloran principalmente rocas sedimentarias y volcánicas. Las rocas sedimentarias pertenecen a la formación Moquegua donde prevalecen con contenidos de sales, con capas de arcillitas de color marrón localmente conocido como "Moro moro" que es muy vulnerable a presencia del agua.

En el parte bajo del valle prevalecen los sedimentos gruesos de gravas aluviales depositados por los ríos que atraviesan la zona. EI relieve del valle es llano limitado por terrenos escarpados, tiene la configuración de una depresión tectónica de modo de un gran hundimiento- influenciada por la presencia de folios geológicas como Inca puquio Trapiche, Jahuay, EI Siglo, entre otros, que determinan un paisaje de relieve escalonado.

Geológicamente la zona de estudio está ubicada en la Región Sur Occidental de los Andes y la Llanura costanera, a una altura promedio de 2,200 m.s.n.m. (Provincia de Mariscal Nieto). Específicamente esta zona se encuentra entre el flanco andino y la llanura costanera, de los cuales el primero está conformado por rocas volcánicas del cretáceo superior y del terciario inferior, siendo denominado como grupo Toquepala; y la segunda está constituida por rocas sedimentarias del terciario superior, denominada como Formación Moquegua.

El grupo Toquepala está compuesto por riolitas, andesitas, dacitas y flujos piroclásticos (Formación Toquepala), mientras que la Formación Moquegua está constituida por lutitas, areniscas arcósicas y limolitas (Moquegua Inferior); conglomerados y areniscas arcósicas y tufáceas (Moquegua Superior). La zona media de la ciudad de Moquegua está sentada sobre la formación

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“Moquegua Inferior” y la zona alta sobre la formación “Moquegua Superior”, la parte baja está ubicada sobre depósitos cuaternarios recientes.

Estructuralmente la Formación Moquegua tiene una suave ondulación que en conjunto se presenta como un extenso plano inclinado en la dirección Sur - Oeste, con un ángulo de 0° a 12° y con rumbo NO-SE. Muy próximo a la zona de estudio existe un sistema de fallamiento regional denominado Inkapuquio con rumbo NO-SE que transcurre paralelo al flanco andino; a su vez, por ser una geoforma escarpada con dirección coincidente al fallamiento, las laderas del Sur Oeste de los cerros Los Angeles, Estuquiña y Huarancane posiblemente sean la prolongación de dicha falla. La Figura 2 muestra el mapa de geología superficial de la zona de estudio.

Ts-mos FORMACIÓN MOQUEGUA SUPERIORQ-co/al CUATERNARIO COLUVIAL/ALUVIAL RECIENTEQ-al/fl CUATERNARIO ALUVIAL/FLUVIAL RECIENTE Q-re/al CUATERNARIO RESIDUAL/ALUVIAL

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

5.0 Geomorfología

En el área de estudio se presentan cinco unidades geomorfológicas, las cuales se denominan: Llanuras Costeras, Valles, Colinas Costeras, Quebradas y Terrazas, cuya delimitación se indica en la Figura 3

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Fig. 3: Mapa Geomorfológico de la Ciudad de Moquegua

6.0 Exploración Geotécnica

Para determinar las características geotécnicas del terreno de fundación de las diferentes zonas de la ciudad se realizó un programa de exploración de campo consistente en la excavación de calicatas, ejecución de ensayos de colapso in-situ y la ejecución de ensayos geofísicos de refracción sísmica y medición de microtrepidaciones.

6.1 Excavación de Calicatas

La exploración directa del subsuelo se realizó mediante la excavación de calicatas de hasta 4 m de profundidad, mediante la cual se logró caracterizar el terreno de fundación de las diferentes zonas de la ciudad. Durante esta etapa de exploración se ha realizado también ensayos de carga directa in situ con saturación para determinar el grado de colapsabilidad y/o expansividad de los suelos. Esta exploración se realizó en toda el área urbana y las zonas de expansión, como se muestra en la Figura 4.

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Fig. 4 Ubicación de Calicatas

6.2 Ensayo de Refracción Sísmica

Estos ensayos fueron realizados en la Zona de Chen Chen, donde se efectuaron tres perfiles de refracción sísmica de 240.0 m de longitud. El primero de ellos en la parte superior del canal Pasto Grande, donde se determinaron tres horizontes, el primero con una velocidad de que fluctúa entre los 270.0 m/seg. Con un espesor de 2.00 m, el estrato subyacente con velocidades promedio de 525.0 m/s y un espesor de 9.0 m en promedio, y el tercer estrato con velocidades que varían alrededor de los 965.0 m/s, como se puede apreciar en la Figura 5

6.3 Ensayos de Medición de Microtrepidaciones

En la ciudad de Moquegua se han realizado un total de 150 puntos de medición de microtrepidaciones, los cuales han sido convenientemente distribuidos en todo el área en estudio. La ubicación de estos puntos de medición de microtrepidaciones se indica en la Figura 6.

El análisis de la información ha permitido obtener periodos naturales de acuerdo a las características geotécnicas de las zonas identificadas. Para las zonas de Chen Chen y Los Angeles se registraron periodos de vibración superiores a 1.0 s; para la zona que abarca el cercado de Moquegua periodos predominantes que varían de 0.6 a 0.8 s y para la zona del CPM San Antonio periodos predominantes alrededor de 1.0 s. Estos valores son consistentes con los resultados obtenidos por

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investigadores japoneses y mexicanos, quienes realizaron mediciones de microtrepidaciones y observación de microsismos en algunos puntos de esta ciudad. Similar comportamiento se observa en el espectro de respuestas del registro sísmico obtenido durante el evento principal del sismo del 23 de junio del 2001, donde se presentan amplificaciones importantes hasta periodos de 0.8 a 1 s. En consecuencia, en las diferentes zonas geotécnicas de la ciudad de Moquegua se presentan amplificaciones sísmicas importantes para periodos de vibración relativamente largos, las cuales pueden afectar en mayor medida a edificaciones con periodos de vibración en los rangos mencionados.

Fig. 5 Perfil sísmico en la Zona de Chen Chen

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7.0 Zonificación Geotécnica de la Ciudad de Moquegua

La ciudad de Moquegua se ha zonificado en cuatro zonas geotécnicas que representan adecuadamente el comportamiento de los suelos de fundación ante las solicitaciones externas. Cada una de estas zonas agrupa áreas con características geotécnicas similares, variando desde la Zona I, constituido por un terreno competente y con menores niveles de peligros ante fenómenos naturales, hasta la Zona IV conformado por terrenos menos adecuados para la cimentación de edificaciones convencionales y con mayores niveles de peligros.

La delimitación de estas zonas está basada en toda la información procesada en este estudio, para lo cual no solo se han elaborado los perfiles estratigráficos del terreno de fundación de las diferentes áreas, sino que además, con la ayuda de herramientas de información geográficas se han elaborados mapas de tipos de suelos a diferentes niveles de profundidad. Las Figuras 7 y 8 presentan dos de estos mapas de tipos de suelos observados a nivel superficial y a 1.0 m de profundidad respectivamente.

Fig. 7 Tipos de Suelos Observados a Nivel Superficial en La Ciudad de Moquegua

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Fig. 8 Tipos de Suelos a Nivel -1.0m en La Ciudad de Moquegua

ZONA I

Esta zona está conformada por la parte consolidada de la ciudad.

Superficialmente presenta material de relleno constituido por arenas y gravas limosas medianamente compacta que en algunas zonas llegan hasta los 2.00 m

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de profundidad. El terreno natural está conformado por gravas con matriz arenosa y limosa, de compacidad media suelta a densa. La capacidad portante del terreno para cimentaciones típicas varía de 1.2 Kg/cm2 a 2.00 Kg/cm2 para profundidades de cimentación de 1.00 a 1.20 m.

ZONA II

Zona de deposición en forma de plano inclinado con pendientes de 3° a 7 °, conformada por estratos de grava con matriz limosa y arenosa, de compacidad suelta a media. En ciertas zonas se encuentran intercalaciones de tufos volcánicos. La capacidad portante para la cimentación superficiales a la profundidad de cimentación de 1.00 m, sobre el terreno natural varia de 1.2 Kg/cm2 a 1.7 Kg/cm2. Es recomendable no cimentar en el material de relleno generado durante la nivelación del terreno a menos que éste haya sido convenientemente conformado.

ZONA III A

El terreno de fundación está conformado por un material granular de compacidad media suelta, el cual en algunas zonas se encuentra cubierto por estratos de rellenos de poca potencia. Subyaciendo a este material, en algunos casos a profundidades mayores a los 4.00 m, se encuentran estratos de arcillas limosas y arenosas de baja plasticidad, que presentan un moderado potencial de expansión. La capacidad de carga admisible para estructuras de interés social varia de 1.0 Kg/cm2 a 1.5 Kg/cm2 a una profundidad de cimentación de 1.00 m. En el diseño de cimentaciones en estos tipos de suelos se debe considerar la posibilidad de asentamientos diferenciales por un ligero comportamiento colapsable del material granular cementado, así como pequeños levantamientos por expansión de las arcillas limosas.

ZONA III B

El terreno de fundación está conformada por estratos de arcillas limosa y arena arcillosa, cubiertos por un material gravoso de 1.0 m de espesor en promedio. El material arcilloso tiene una consistencia rígida, baja humedad y alto potencial de expansión (hasta 18% de expansión libre y cargas de expansión de 4.35 Kg/cm2). La capacidad admisible para estructuras de interés social varia de 0.8 Kg/cm2 a 1.0 Kg/cm2 en condiciones saturadas. En esta zona el problema de expansión de suelos es severo, por lo que se debe considerar su efecto en las cimentaciones para evitar el agrietamiento de las edificaciones.

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ZONA IV

Esta zona está conformada por relleno superficial de material gravoso con matriz limosa, cuyo espesor varía de 0.20 m a 2.00 m, según su ubicación topográfica. El material subyacente está constituido predominantemente por gravas limpias, limosas y arcillosas, y en algunas zonas por arcillas limosas con propiedades expansivas. La topografía es bastante accidentada presentando pendientes mayores a los 70°, lo cual es un elemento desfavorable para su uso como área urbana. Esta zona es propensa a sufrir grandes amplificaciones sísmicas por efectos topográficos y posibles problemas.

La Figura 9 presenta la zonificación geotécnica propuesta, cuyas características y extensión se describen a continuación:

Fig. 9 Mapa de Zonificación Geotécnica de La Ciudad de Moquegua

8.0 Influencia de la topografía en la estabilidad de suelos

Los terrenos con pendientes pronunciadas son susceptibles a la ocurrencia de fenómenos como: Deslizamientos, derrumbes, amplificación sísmica, etc.

Deslizamientos

Son movimientos de masas de suelos producidos por vibraciones sísmicas o sobrepeso por agua pueden causar graves daños a personas o propiedades.

Los suelos susceptibles a deslizamientos son aquellos suelos sueltos, descompuestos y saturados de agua que actúa como lubricante. Produciendo el deslizamiento. También se pueden producir derrumbes, caídas de rocas.

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Desplazamientos laterales, etc. Los deslizamientos resultan también por corte de taludes al construir carreteras, terrazas y otras obras sin considerar el ángulo de reposo de los materiales.

En Moquegua los terrenos susceptibles a deslizamientos se ubican en las zonas de cerros agrestes de El Siglo, Mariscal Nieto. San Francisco y Samegua.

Por ello. SE RECOMIENDA:

- No construir en áreas que puedan deslizarse

- No desestabilizar las pendientes.

AMPLIFICACION SISMICA

Se refiere a la mayor duración del periodo de vibración del suelo a consecuencia de un sismo. Un sismo se sentirá con mayor intensidad en aquellos lugares con pendiente pronunciada debido al fenómeno de rebote o interrupción del desplazamiento de la onda sísmica por efecto topográfico. En Moquegua, existen zonas con mayor amplificación sísmica como Chen chen donde el valor es 0,5 segundos, seguido por San Antonio (Llano) con 0.4 segundos; San Antonio (Cerro) y San Francisco con 0,2 segundos y finalmente el Cercado de Moquegua y Los Ángeles con O, segundo, tal como se aprecia en el cuadro siguiente:

Factores que restringen el uso del suelo para fines urbanos en Moquegua

Los terrenos de Moquegua presentan un conjunto de factores que restringen y/o condicionan las posibilidades de uso para fines urbanos. Entre los más influyentes están los factores topográficos y factores geotécnicos

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Factores Topográficos

Se refieren a los terrenos inclinados, en laderas agrestes con fuertes pendientes que predominan en las zonas periféricas de la ciudad de Moquegua como: Cerro El Siglo, San Francisco, Mariscal Nietó, San Antonio, Quebradas de Chen Chen, entre otros.

Según lo norma el Reglamento Nacional de Construcciones, NO SE DEBE CONSTRUIR EN TERRENOS INCLINADOS. Tan sólo está permitido en terrenos que no pasan de los 14 grados de inclinación y siempre y cuando previamente se acondicione el terreno para garantizar su estabilidad.

Factores Geotécnicos

Se refieren a las condiciones del suelo que determinan su baja capacidad de carga o la inestabilidad de los suelos ante la presencia de agua que le hace perder consistencia y le otorga alta vibración sísmica. En el cuadro siguiente se identifica la zona, ubicación, capacidad de carga, vibración sísmica y tipo de suelos de Moquegua:

Entre los casos más típicos de factores geológicos tenemos:

Caso 1: Cuando presenta suelos finos blanquecinos o estructuras macro porosas. Identificación de suelos Colapsables

Caso 2: Cuando el terreno presenta suelos denominados "Moro" o "Formación Moquegua

Caso 3: Cuando el terreno natural ha sido alterado produciendo rellenos masivos.

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9.0 Conclusiones

La historia sísmica de la región sur occidental del Perú indica que la ciudad de Moquegua se encuentra en una zona de alta actividad sísmica, habiéndose registrado una serie de eventos de gran intensidad que han afectado considerablemente a esta ciudad. El análisis de peligro sísmico indica que en la ciudad de Moquegua pueden ocurrir eventos con mayores niveles de sacudimiento que el último evento ocurrido el 23 de Junio del 2001; en consecuencia, es de suma importancia que en las acciones de reconstrucción se considere esta amenaza natural en el diseño de las edificaciones

Regionalmente la ciudad de Moquegua está ubicada entre la región Sur Occidental de los Andes y la llanura costanera, sobre rocas volcánicas de la Formación Toquepala y rocas sedimentarias de la Formación Moquegua. La geología local en

el área en estudio muestra el predominio de las rocas sedimentarias de la Formación Moquegua Superior conformado por depósitos gruesos, y de la Formación Moquegua Inferior constituido por depósitos finos; así mismo se encuentran depósitos aluviales, fluviales y coluviales, y en menor extensión afloramientos volcánicos de la Formación Toquepala.

Los trabajos de exploración geotécnica realizados han permitido caracterizar el terreno de fundación de todo el área urbana y se ha podido delimitar cuatro zonas geotécnicas, de las cuales la Zona I presenta las mejores características, estando conformado por la parte del valle y la zona consolidada de la ciudad, la Zona II está conformada por la zona de Chen Chen, donde se ha proyectado la expansión urbana, la Zona III A y B están conformado por suelos de comportamientos especiales y áreas de topografía agreste que presentan niveles de peligro moderados, y finalmente la Zona IV que es la zona más desfavorable para el desarrollo urbano,

sRealizar los Estudios de Riesgos del área a ocupar con la finalidad de identificar las áreas seguras y aquellas áreas de riesgos (las manzanas y lotes) que deben ser tratadas o reubicadas por estar en zonas de alto riesgo.

Realizar un Estudio de Tratamiento de las áreas colindantes y de las áreas recreativas como

Parques, Miradores, etc. a fin de alcanzar las condiciones de habitabilidad requeridas.

Se debe respetar la topografía original, conservando su estabilidad. NO debemos construir sobre suelos colapsables, expansivos, dispersivos y

con material orgánico o rellenos. Estos suelos son malos y pueden fallar; y en consecuencia, podemos sufrir la pérdida de la vivienda y daños físicos y materiales.

Antes de construir las viviendas, escuelas, hospitales u otras edificaciones, es imprescindible conocer fa calidad de los suelos. Podemos recurrir a la Municipalidad, al Colegio de Ingenieros o encargar los estudios de mecánica

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de suelos a un especialista, para tener la orientación y evitar posibles fallas del suelo.

Cumplir estrictamente con la Norma Sismo Resistente E-030 (diseños que dan mayor seguridad a las viviendas frente a vibraciones sísmicas)

Las urbanizaciones o asentamientos deberán tener baja densidad porque los suelos son de baja capacidad de carga y son de alta vibración sísmica.

Para minimizar los efectos frente a la amplificación sísmica debe aplicarse el retiro de las construcciones de los bordes de Talud.

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