Conferencia: 6 Asignatura: Geotecnia Año: 3ro de Ingeniería Civil Tema III: GEODINAMICA INTERNA Y EXTERNA Título: Geodinámica Externa e Interna Sumario:

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1 Conferencia: 6 Asignatura: Geotecnia Año: 3ro de Ingeniería Civil Tema III: GEODINAMICA INTERNA Y EXTERNA Título: Geodinámica Externa e Interna Sumario: 6.1 Meteorización y erosión 6.2 Formación de los suelos 6.3 Acción geológica de los ríos 6.4 Aguas subterráneas 6.5 Carsismo 6.6 Efecto de los terremotos 6.7 Intensidad y origen de los sismos 6.8 Sismógrafo y ondas sísmicas 6.9 La construcción en zonas sísmicas 6.10 Determinación de la carga sísmica

2 Meteorización y erosión Las rocas que afloran en la superficie de la corteza terrestre se encuentran sometidas a los efectos de la geodinámica externa. Tales efectos sobre las rocas conllevan a su destrucción físico- química, que puede producirse por la meteorización o por la erosión. La meteorización es el conjunto de procesos de desintegración mecánica y de descomposición química de los minerales y rocas, originados por las variaciones de temperatura, la acción del agua, oxigeno, ácido carbónico, organismos, etc. En la parte superior de la corteza terrestre, donde tiene lugar la intensa actividad reciproca de las rocas y la atmósfera, hidrosfera y biosfera, las rocas sufren notables y variadas alteraciones en su composición y estructura. La mayor parte de las rocas han sido originadas bajo condiciones termodinámicas específicas, en las profundidades de la corteza, en las zonas de actividad magmática y de los procesos metamórficos, o bien en el fondo marino. Al quedar expuestas en la superficie terrestre, las rocas se encuentran en un ambiente físico-químico nuevo, se tornan inestables y empiezan a desintegrarse por la acción de diversos factores.

3 Meteorización y erosión Tipos de Meteorización Atendiendo a los factores que actúan sobre las rocas y a los resultados de esta acción, los procesos de meteorización se dividen de un modo algo arbitrario en tres tipos: Meteorización Física. Meteorización Química. Meteorización Biológica. Este último puede ser considerado como una combinación de las dos anteriores. Es necesario destacar que la meteorización es un proceso único, y que por tanto la acción de estos tipos es conjunta, variando solamente la intensidad con que se manifiesta cada uno. Meteorización Física Es la que se efectúa fundamentalmente por la acción de movimiento mecánico de las partículas que componen las rocas. Este movimiento puede ser provocado tanto por agentes externos, como por agentes internos. Meteorización Térmica Meteorización Mecánica

4 Meteorización y erosión Meteorización Física Meteorización Térmica Es la provocada por las continuadas variaciones de temperatura, que causan dilataciones y contracciones sucesivas en los granos minerales, provocando tensiones internas en la roca, que hacen que la misma se disgregue en fragmentos o granos de diferente composición. Los cambios de temperatura más importantes son los que se registran entre el día y la noche, ya que los estaciónales tienen una influencia muy menor. La mayor parte de las rocas se encuentran formadas por varios minerales, los cuales tienen diferentes coeficientes de dilatación lineal y cúbica, debido a su anisotropía, es por ello que en el seno de la roca aparecerán dilataciones y contracciones diferenciales que favorecerán el desmoronamiento de la misma. De lo expuesto podemos inferir que las rocas poliminerales son más afectadas por la meteorización térmica que las monominerales. También influyen en la velocidad de la meteorización térmica el color de los minerales y el tamaño de las partículas de las rocas. La meteorización térmica se incrementa notablemente en los desiertos, sabanas, costas, etc, donde las variaciones de temperatura son muy intensas.

5 Meteorización y erosión Meteorización Química La meteorización química es el conjunto de transformaciones que sufren los minerales de las rocas por la acción disolvente, principalmente del agua de lluvia que penetra las fisuras y grietas propiciando los cambios químicos, por eso se dice que la meteorización química se incrementa en razón directa con el agua, la cual siempre acarrea otros agentes importantes como el oxigeno, el ácido carbónico, ácidos húmicos, etc. En la meteorización química unos compuestos son transportados en solución y otros quedan “in situ” hasta la total trasformación de la roca, las sustancias disueltas son nuevos compuestos, generalmente hidratados. Todas estas transformaciones químicas que experimentan los minerales están regidas por la ley de la estabilidad, la cual plantea que “un mineral es estable, en tanto se encuentre rodeado de las mismas condiciones en la que se ha originado”. El efecto fundamental de la meteorización química es la transformación de la roca en otros productos que resultan más estables al ambiente en que ellas se encuentran, es decir, la formación de nuevos minerales. Los principales procesos que ocurren durante la meteorización química son: Oxidación Hidratación Disolución e hidrólisis Es necesario destacar que la meteorización física y la meteorización química actúan sobre las rocas a la vez, solo que a veces predomina un efecto sobre el otro.

6 Meteorización y erosión Erosión La meteorización constituye un proceso estático que no involucra la transportación de las partículas, en tanto que la erosión es un proceso dinámico que traslada los fragmentos de rocas a otro lugar, a veces a grandes distancias. La erosión es el desprendimiento y transporte de los fragmentos, lo cual es provocado por diversos factores como la gravedad, el viento, los glaciares, los mares y los ríos. El principal factor es la gravedad, que provoca el deslizamiento de las rocas por las laderas de las montañas, los ríos y el curso de las aguas por las pendientes hacia las zonas bajas. Los ríos transportan una gran cantidad materiales sólidos y disueltos, la acción del viento y del oleaje es menos intensa pero no menos importante. A excepción de los deslizamientos de rocas por las laderas, todos los materiales erosionados son transportados por fluidos (el agua, el viento, los glaciares) y estos fluidos son movidos por la gravedad hacia zonas más bajas. Por esta razón podemos afirmas que la gravedad es la fuerza propulsora de la erosión.

7 Meteorización y erosión

8 Formación de los Suelos Los productos del ataque de los agentes del intemperismo pueden quedar en el lugar, directamente sobre la roca de la cual se derivan, llamada roca madre, dando así origen a los suelos llamados “residuales” (eluvios). De otra manera, estos productos pueden ser removidos del lugar y depositados en otra zona. Así se generan los suelos que sobreyacen sobre otros estratos sin relación directa con ellos, a estos suelos se les denomina “transportados”. De acuerdo con las características de formación y los agentes geológicos que provocan la transportación de los suelos formados pueden ser clasificarlos de la forma siguiente: AGENTE DE TRANSPORTE NOMBRE QUE RECIBE CARACTERISTICAS noEluviosSuelos gruesos o heterogéneos que se forman en zonas de poca pendiente. Suelos formados “in situ”. Agua superficialDeluvioSuelos finos, acumulados en zonas de pendientes del 5-10% GravedadProluvioMateriales fragmentarios de gran tamaño que se acumulan al pie de la ladera. RíosAluviosPueden tener diferentes granulometrías en las que generalmente está representada una sola fracción. VientoEólicosSon suelos arenosos que forma de dunas. GravedadColuvialesMaterial fragmentario

9 Acción geológica de los ríos Los ríos no son más que arterias hídricas por donde corren las aguas, en nuestro caso principalmente originadas por las precipitaciones pluviales. Las principales fuentes de alimentación de los ríos superficiales son: Los alimentados por el derretimiento de las nieves. Los alimentados por el derretimiento o fusión de los glaciares de las montañas. Los originadas por las lluvias (origen pluvial). Los alimentados de manantiales procedentes de las aguas subterráneas. Las principales características de los ríos son: El poseer un cauce por donde corre con riberas inclinadas. Su nacimiento está situado en un nivel más ato que su desembocadura. El flujo de sus aguas es turbulento y su velocidad varía a lo largo del cauce. Transportan gran cantidad de materiales. Conceptos Básicos: Nivel de Estiaje del Río: Nivel de Riada o Crecida: (AUTO ESTUDIO) Nivel de base: Coeficiente de sinuosidad: Cuenca de recepción: Gasto o caudal:

10 Acción geológica de los ríos Trabajo realizado por los ríos: La capacidad de un río para realizar trabajo se denomina fuerza viva o energía cinética del mismo. El trabajo o energía cinética del río es: K = m · v 2 / 2 m - masa de agua del río V – velocidad de la corriente del agua Es decir, a mayor caudal y velocidad de un río mayor será el trabajo que realizará. El trabajo de un río se manifiesta en: Erosión. Transporte de material proveniente de la erosión o la meteorización. Acumulación de la carga transportada en su trayectoria. La efectividad de la acción o trabajo de un río varía acorde con la relación entre su fuerza viva K y la carga (C) transportada, siendo posibles tres casos: K > C –> Predominará la erosión. K = C –> Existe un equilibrio entre erosión y acumulación. K Predomina la acumulación. Estas relaciones son variables en un mismo río de un lugar a otro de su trayectoria.

11 Acción geológica de los ríos Erosión fluvial: es la que se desarrolla en éste tendiendo a excavar y profundizar su cauce (erosión del fondo y a ensancharlo (erosión lateral). Esta se ve aumentada por los materiales que el río arrastra (arena, grava, etc.) Transporte del río: Se realizara de tres formas: Por arrastre de los fragmentos rocosos del fondo. Por el transporte de detritos finos en suspensión. Por conducción de sustancias disueltas. Se ha comprobado que a velocidades de: ≥ 0.3 m/s – el río transporta arena fina. ≥ 0.6 m/s - el río transporta arena gruesa. ≥ 1.0 m/s - el río transporta gravas finas. ≥ 1.2 m/s - el río transporta guijarros (del tamaño de un huevo) ≥ 2.0 m/s - el río transporta guijarros de hasta 10cm. ≥ 2.4 m/s - el río transporta guijarros de hasta 20cm.

12 Acción geológica de los ríos Meandros: Los ríos son generalmente sinuosos debido a que la distribución de las velocidades tienen forma helicoidal, lo que origina las condiciones para que la erosión lateral del cauce vaya efectuándose alternativamente en las orillas derecha e izquierda y por consiguiente aparezcan curvas en el cauce (o meandros) Nota: En la zona A no se debe construir una obra, en B si. En caso de terraplenes debe asegurarse un trazado que evite el cruce por los meandros.

13 Acción geológica de los ríos Terraza fluvial: es la superficie o área que se produce cuando el río profundiza su cauce. Deltas: es la planicie que forman los ríos en su desembocadura y nacimiento en forma de delta (Δ) con el vértice aportando aguas ambas. Importancia para la Ing. Civil: Para definir niveles de rasante de los terraplenes. Para protección de taludes en corte y relleno, para asegurar su estabilidad. Para construir puentes en lugares adecuados (evitar cruce por meandros) Para la organización de la obra si tenemos que atravesarlos en los trabajos de construcción (obras de fábrica provisionales, desvío del cauce, terraplenes de aproche, etc.)

14 Acción geológica de los ríos Escurrimiento superficial Son las aguas que corren por la superficie terrestre debido a la lluvia. Su acción geológica esta determinada por el gasto o caudal y la velocidad de su corriente. El efecto de la erosión puede provocar aludes o deslizamientos de tierra en las laderas y taludes. En los taludes tanto en terraplén como en excavación, debemos tener muy presente el efecto erosivo de las aguas de escorrentía producto de las fuertes lluvias. Para evitar esto los taludes en relleno se revisten de capa vegetal para que al salir la yerba, las raíces eviten la aparición de surcos “cárcavas”. En terraplenes altos se debe trabajar con un ancho superior al establecido por proyecto para asegurar que la sección transversal efectiva no se vea afectada y trabajar con mayor seguridad. En taludes en corte, también se reviste con capa vegetal y se construyen en el pié de los mismos cunetas o canales para recoger el agua y los arrastres; de ser necesario se construyen contracunetas. Aguas Subterráneas. Estas con seguridad son uno de los recursos minerales más importantes que existen en el subsuelo y tienen un uso amplio y muy necesario en la vida del hombre. En Cuba la mayor parte del volumen de agua potable o apta para el consumo humano se extrae del subsuelo. No obstante lo anterior las aguas subterráneas tienen sus efectos negativos, los que debemos conocer en la Ingeniería Civil para tratar de evitarlos o minimizarlos en la ejecución de obras.

15 Aguas Subterráneas. A continuación definiéremos algunos conceptos básicos asociados a las aguas subterráneas. El nivel máximo del agua freática o subterránea es denomina “superficie freática” o “nivel del manto freático” (NMF). Este nivel freático se encuentra generalmente cerca de la superficie en la primera o segunda decena de metros y no es un nivel constante, varía en tiempos de lluvia y seca. Roca acuífera: Son rocas permeables que permiten la circulación del agua a la capa freática. Están formados por arenas, gravas, areniscas, calizas o cualquier otra roca que tenga permeabilidad. Queda claro que mientras mayor permeabilidad presente la roca, serán mejores acuíferos. Las rocas calizas cavernosas son fuentes excelentes de acumulación de aguas subterráneas. Por el contrario las rocas Ígneas, las Metamórficas y algunas Sedimentarias son pobres materiales acuíferos, a menos que estén altamente fisurados o agrietados. Sello: roca impermeable, generalmente arcillosa. Acuífero libre: El nivel freático puede oscilar libremente en la roca permeable o acuífera. Acuífero artesiano: Se denomina así a aquellas aguas subterráneas obtenidas de un material acuífero el cual está sometido a la presión hidrostática.

16 Aguas Subterráneas. Problemas de las Aguas Subterráneas para la construcción: Las aguas subterráneas afectan desfavorablemente a las construcciones actuando en las siguientes formas: Ablandamiento o disolución de rocas que origina hundimientos. Actúa sobre suelos expansibles (arcillas o anhidritas) y causan levantamientos. La elevación del nivel freático causa inundaciones o humedad en la obra, subpresiones. Provoca deslizamiento de taludes. El Carsismo. Denominado así por las características de la región de Karst, Yugoslavia, el carsismo es el resultado de la disolución de las rocas carbonatadas por la acción de las aguas con contenido de CO 2. Esto ocurre mientras exista CO 2 en las aguas que forma el H 2 CO 3 con cationes de H + que le dan carácter ácido a la solución y disuelve la roca.

17 El Carsismo. El carsismo puede reconocerse por rasgos característicos que conforman una topografía cársica y son los siguientes: Terra Rossa: o suelos rojos procedentes de la caliza. Lapiaz o lenar: Es una superficie acanalada con surcos. Mogotes: Son cerros, testigos remanentes de la erosión. Sumideros: Depresión en forma de embudo que se abre en la superficie. Dolinas: Depresión en forma ovalada y bordes inclinados, rellenos de terra rossa. Uvala: Unión de varias dolinas. Polje: Llanura cársica de bordes empinados, de fondo llano y rellena de terra rossa. Cuevas: es un cauce natural, vacío y subterráneo. Problemas del Carsismo para la construcción: Es necesario el estudio de estas regiones pues la morfología cársica se caracteriza por la presencia de numerosas oquedades que quedan ocultas o enmascaradas a poca profundidad, de ahí se debe lo peligroso de esto para la base de cualquier construcción. En estas zonas es necesario realizar investigaciones minuciosas mediante calas o métodos geofísicos, que permiten detectar cavernas, sumideros y demás que puedan afectar la obra. Poner ejemplo de la CEN (Cienfuegos).

18 El Carsismo. El carsismo puede reconocerse por rasgos característicos que conforman una topografía cársica y son los siguientes: Terra Rossa: o suelos rojos procedentes de la caliza. Lapiaz o lenar: Es una superficie acanalada con surcos. Mogotes: Son cerros, testigos remanentes de la erosión. Sumideros: Depresión en forma de embudo que se abre en la superficie. Dolinas: Depresión en forma ovalada y bordes inclinados, rellenos de terra rossa. Uvala: Unión de varias dolinas. Polje: Llanura cársica de bordes empinados, de fondo llano y rellena de terra rossa. Cuevas: es un cauce natural, vacío y subterráneo. Problemas del Carsismo para la construcción: Es necesario el estudio de estas regiones pues la morfología cársica se caracteriza por la presencia de numerosas oquedades que quedan ocultas o enmascaradas a poca profundidad, de ahí se debe lo peligroso de esto para la base de cualquier construcción. En estas zonas es necesario realizar investigaciones minuciosas mediante calas o métodos geofísicos, que permiten detectar cavernas, sumideros y demás que puedan afectar la obra. Poner ejemplo de la CEN (Cienfuegos).

19 Efectos de los terremotos Los efectos más destacados provocados por los terremotos vienen dados por el paso de las ondas superficiales, caracterizadas por una elevada frecuencia. Estos efectos pueden observarse de forma directa, pues en las carreteras y caminos se abren grandes grietas, los puentes se derrumban, muchos edificios son destrozados total o parcialmente, etc. Los efectos geológicos de los terremotos también son de considerable magnitud, provocando la aparición de fallas con diferentes desplazamientos, y en otros casos, ponen de manifiesto fallas antiguas, como ocurrió en el terremoto de San Francisco de 1906, con la gran falla de San Andrés. Otros efectos muy importantes son los deslizamientos de tierra, que a veces interrumpen el curso de los ríos formando grandes lagos o riadas de lodo, como ocurrió en el terremoto de Nicaragua de 1972. Cuando los focos sísmicos se originan bajo los océanos, las oscilaciones penetran en el agua formando los llamados “maremotos”. Si durante el terremoto se altera el volumen de la cuenca, se forman olas gigantescas denominadas “tsunamis”. Cuando los tsunamis se mueven por alta mar tienen una altura pequeña y pueden pasar prácticamente inadvertidos, pero cuando se acercan a la costa, donde el agua tiene menor profundidad, toman gran altura y avanzan sobre la tierra, arrasando una gran extensión. Durante el terremoto de Lisboa en el año 1755, el mar se retiró rápidamente más de 1 Km de la costa, volviendo en forma de una ola gigantesca de 12-20m de altura, causando la muerte a muchos de los sobrevivientes refugiados en la costa.

20 Intensidad y origen de los sismos Hasta la actualidad, la intensidad de los terremotos se ha venido midiendo mediante observación directa de las destrucciones y otras consecuencias del movimiento sísmico. Con este objetivo se han establecido diferentes escalas cualitativas, mediante las cuales se clasifican los terremotos en “grados”. Es decir, que de acuerdo con los efectos del movimiento sobre las construcciones y otros objetos, se van asignando grados al mismo, por ejemplo grado I, IV, VI, etc. Estos grados de intensidad, como es lógico, no son constantes en un terremoto, sino que su valor disminuye a partir del epicentro hacia fuera. Como es evidente, estas escalas resultan poco precisas, debido a que su determinación depende de muchos factores subjetivos, imprecisión de las descripciones, etc. Sin embargo estas escalas resultan muy extendidas. Son muy conocidas las escalas sísmicas como la de Mercalli, muy usada en las informaciones noticiosas. La determinación de la intensidad de un terremoto resulta poco precisa y poco informativa, por lo que se acudió al uso de distintas escalas cuantitativas, tomando como base diferentes factores como la amplitud, energía liberada, etc. Una de las primeras de este tipo fue elaborada por C. Richter. Una escala absoluta de magnitudes (M), es la de Gutenberg-Richter, la cual está relacionada con la energía del sismo, libera en el foco. Dicha energía puede evaluarse a partir de la expresión: E – Energía ρ – Densidad media de las rocas V – Velocidad de las ondas T – Periodo de las oscilaciones

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24 El origen de los sismos De acuerdo con su origen, los sismos pueden dividirse en tres grandes grupos, los tectónicos, los volcánicos y los de colapso. La gran mayoría de ellos, por lo menos los de cierta importancia son de origen tectónico. El origen tectónico de los terremotos se ha determinado por el hecho de que las zonas de mayor actividad sísmica, coinciden con las de los movimientos tectónicos actuales más intensos. El origen inmediato de los sismos, es provocado por el incremento de las tensiones tectónicas elásticas en las rocas, hasta llegar a su límite de resistencia, que es cuando de repente sufren la ruptura y se desplazan. Alrededor del epicentro, la intensidad del terremoto va disminuyendo a medida que nos alejamos del mismo. Los puntos de igual intensidad pueden unirse por medio de una línea llamada “isosista”.

25 Sismógrafos y ondas sísmicas. Como ya conocemos, a partir del foco se propagan en todas direcciones ondas elásticas, que al llegar a la superficie producen el terremoto. Estas ondas sísmicas son de tres tipos principales: - Ondas Longitudinales (p): Son ondas en las que las partículas vibran en la misma dirección de propagación del movimiento oscilatorio, es decir, son una serie de movimientos de dilatación y compresión de la roca. Estas ondas se conocen también con el nombre de “ondas primarias” (p), por ser las que tienen mayor velocidad de propagación. Ellas son producidas por alteración del volumen. - Ondas transversales (s): En este caso las partículas vibran perpendicularmente a la dirección de propagación del movimiento. Tienen una velocidad de propagación menor que las ondas p, y se les llaman también “ondas secundarias” (s), por llegar a la superficie después que las longitudinales. Ellas se producen como reacción a la alteración de la forma. - Ondas superficiales (l): Se originan en la superficie de frontera entre dos medios de diferente estado, por ejemplo, roca-atmósfera (sólido-gaseoso). Estas ondas se propagan por la superficie de discontinuidad, y con una velocidad mucho menor que las anteriores. Sismógrafos: Para el registro y estudio detallado de los sismos se utilizan aparatos especiales altamente sensibles denominados sismógrafos. Estos equipos se basan en el principio del péndulo de inercia, y los mismos son de dos tipos fundamentales: de componente vertical de componente horizontal

26 La construcción en zonas sísmicas. Según señalan distintos autores, los edificios de estructura de acero, bien calculados y construidos resisten los terremotos más fuertes. En el terremoto de Tokio (1943), de 16 grandes edificios de acero, sólo uno casi se derrumbó y cinco sufrieron daños de consideración. En este terremoto se derrumbaron 576 262 casas. No obstante, las estructuras de hormigón armado pueden diseñarse y construirse con gran seguridad, como lo demuestran las construcciones antisísmicas ejecutadas que ha resistidos sismos de considerable intensidad. La construcción antisísmica constituye toda una especialidad en la Ingeniería Estructural, y la misma se basa no solamente en las características estructurales de los edificios, sino también en las características sismológicas de la zona de emplazamiento de los mismo, incluyendo la estructura y los materiales geológicos yacentes Gran importancia práctica ofrecen los mapas de microregionalización sísmica para el proyecto y construcción de obras civiles, ya que en ellos se reflejan las condiciones propias del lugar, que pueden agravar los efectos de los terremotos, ya sea por el tipo de material, presencia de aguas subterráneas, posibles deslizamientos de tierra, etc. En nuestro país se han realizado estudios de microregionalización sísmica, fundamentalmente en la zona de Santiago de Cuba, que es la más peligrosa en este sentido. La NC-053-114. Construcción Sismorresistente, establece la metodología para el cálculo de la carga de sismo a emplear en el proyecto estructural.

27 Determinación de la carga sísmica. La carga sísmica que actúa sobre una edificación u obra se determina: De acuerdo con el periodo y el modo o grado de vibración propia del edificio u obra. En dependencia del peso, cargas de la obra. El grado sísmico de la zona. Las condiciones del subsuelo. La importancia de la obra o edificio. Las cargas sísmicas horizontales se asume que actúan a lo largo de los ejes longitudinales y transversales. Se asumen aplicadas a los niveles de los pisos (pues es ahí donde se consideran aplicadas, de forma concentrada las masas). Las cargas sísmicas verticales para balcones, voladizos, según la fórmula de carga horizontal aplicada en el centro de masa del elemento; en obras de fábrica del 15-25% de carga estática vertical, para sismicidades VII y VIII grados. En el cálculo simultáneo de las acciones sísmicas horizontal y vertical se utilizará como carga resultante la composición vectorial de ambas acciones y se considerara el diseño en el sentido que resulte más desfavorable..