Identificación de una zona compuesta de arcilla dispersiva en la ciudad de Cochabamba 1 IDENTIFICACIÓN DE UNA ZONA COMPUESTA DE ARCILLA DISPERSIVA EN LA CIUDAD DE COCHABAMBA POR MEDIO DE ESTUDIOS GEOTÉCNICOS, TELEDETECCIÓN Y SISTEMAS DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA Claros Vargas, H. 1 Salinas Pereira, M. 2 INTRODUCCIÓN Los valles de Cochabamba están conformados por el valle Central, Punata-Cliza y Sacaba, Metternicht, G.I. (1996), tal cual se muestra en la Figura 1. Durante las últimas décadas la degradación natural de los suelos en el valle de Sacaba, por medio de la alcalinización, ha dado lugar a la presencia de un tipo especial de arcilla denominada arcilla dispersiva, detectada en Agosto de 1999, sobre la orilla norte del cause del río Rocha en la zona de Arocagua, mediante estudios geotécnicos realizados por el laboratorio de Geotecnia de la Universidad Mayor de San Simón. La arcilla dispersiva se caracteriza por presentar un elevado contenido de cationes de sodio que rodean cada partícula y hacen que las fuerzas eléctricas repulsivas entre partículas excedan a las de atracción, de tal forma que cuando entran en contacto con el agua, las partículas de arcilla son progresivamente desprendidas quedando en suspensión y finalmente acarreadas hacia los estratos inferiores a través de huecos dejados por raíces, la actividad de roedores o por la desecación del suelo, Lopez, F. (1999). Las arcillas dispersivas estudiadas han sido detectadas en climas áridos a semiáridos, como acumulación de sedimento lacustre y aluvial, situadas generalmente sobre otros estratos de arena, grava o material granular, Sherard, J. L. et al. (1977). La existencia de estos suelos fue detectada y analizada por primera vez en Australia en los años 60. En 1973 un ensayo de laboratorio denominado ensayo de erosión interna (Pinhole test) fue usado y desarrollado para estimar directamente la erosión del suelo, medida por el paso de agua a través de un orificio hecho en una muestra compactada, Sherard, J. L. et al. (1976). Los criterios de identificación y clasificación de este ensayo han sido resumidos en tres métodos y están basados en los resultados registrados de pruebas sobre un gran número de muestras, ASTM D4647-93. Las características de la arcilla dispersiva han sido motivo de estudio en la ingeniería civil por los efectos perjudiciales observados en muchos canales y otras obras hidráulicas, pero principalmente en presas heterogéneas de tierra donde son usadas como material de construcción impermeabilizante, Jiménez Salas, J. A. y Justo Alpañes, J. L. (1981). En muchas presas se ha visto 1 [email protected]2 [email protected]Av. Petrolera Km 4.2. Casilla 6760 Laboratorio de Geotecnia. Universidad Mayor de San Simón. Cochabamba, Bolivia.
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Identificación de una zona compuesta de arcilla dispersiva en la ciudad de Cochabamba
1
IDENTIFICACIÓN DE UNA ZONA COMPUESTA DE ARCILLA
DISPERSIVA EN LA CIUDAD DE COCHABAMBA POR MEDIO DE
ESTUDIOS GEOTÉCNICOS, TELEDETECCIÓN Y SISTEMAS DE
INFORMACIÓN GEOGRÁFICA
Claros Vargas, H.1
Salinas Pereira, M.2
INTRODUCCIÓN
Los valles de Cochabamba están conformados por el valle Central, Punata-Cliza y Sacaba,
Metternicht, G.I. (1996), tal cual se muestra en la Figura 1. Durante las últimas décadas la
degradación natural de los suelos en el valle de Sacaba, por medio de la alcalinización, ha dado
lugar a la presencia de un tipo especial de arcilla denominada arcilla dispersiva, detectada en Agosto
de 1999, sobre la orilla norte del cause del río Rocha en la zona de Arocagua, mediante estudios
geotécnicos realizados por el laboratorio de Geotecnia de la Universidad Mayor de San Simón.
La arcilla dispersiva se caracteriza por presentar un elevado contenido de cationes de sodio que
rodean cada partícula y hacen que las fuerzas eléctricas repulsivas entre partículas excedan a las de
atracción, de tal forma que cuando entran en contacto con el agua, las partículas de arcilla son
progresivamente desprendidas quedando en suspensión y finalmente acarreadas hacia los estratos
inferiores a través de huecos dejados por raíces, la actividad de roedores o por la desecación del
suelo, Lopez, F. (1999).
Las arcillas dispersivas estudiadas han sido detectadas en climas áridos a semiáridos, como
acumulación de sedimento lacustre y aluvial, situadas generalmente sobre otros estratos de arena,
grava o material granular, Sherard, J. L. et al. (1977).
La existencia de estos suelos fue detectada y analizada por primera vez en Australia en los años 60.
En 1973 un ensayo de laboratorio denominado ensayo de erosión interna (Pinhole test) fue usado y
desarrollado para estimar directamente la erosión del suelo, medida por el paso de agua a través de
un orificio hecho en una muestra compactada, Sherard, J. L. et al. (1976). Los criterios de
identificación y clasificación de este ensayo han sido resumidos en tres métodos y están basados en
los resultados registrados de pruebas sobre un gran número de muestras, ASTM D4647-93.
Las características de la arcilla dispersiva han sido motivo de estudio en la ingeniería civil por los
efectos perjudiciales observados en muchos canales y otras obras hidráulicas, pero principalmente
en presas heterogéneas de tierra donde son usadas como material de construcción
impermeabilizante, Jiménez Salas, J. A. y Justo Alpañes, J. L. (1981). En muchas presas se ha visto
Laboratorio de Geotecnia. Universidad Mayor de San Simón. Cochabamba, Bolivia.
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que los asentamientos diferenciales o la pobre compactación de algunos sectores son los causantes
de las grietas por donde se infiltra el agua, erosionando fácilmente las partículas de arcilla dispersiva
y creando verdaderos túneles internos que han causado en algunos casos históricos, la inhabilitación
total de la estructura por el efecto de la tubificación, Mcelroy, Ch. H. (1987).
En la ciudad de Cochabamba se han observado efectos de las propiedades perjudiciales de las
arcillas dispersivas, como la severa erosión superficial en los taludes cortados de la orilla norte del
cause del río Rocha y principalmente las fallas internas por erosión que han causado problemas de
asentamientos excesivos en algunas viviendas recientemente construidas en la zona de Arocagua.
Por estas razones, se ha visto la necesidad de estudiar e incluir los ensayos necesarios para la
identificación de arcillas dispersivas, delimitar la extensión que ocupa y determinar la presencia de
esta arcilla hasta una profundidad de dos metros. De este modo identificar un método de tratamiento
de la arcilla dispersiva que pueda ser adoptado como parte del plan de construcción de viviendas en
el área que determine el proyecto de investigación.
En función a estos antecedentes el proyecto de investigación tiene como objetivo el identificar una
zona compuesta de arcilla dispersiva determinando las propiedades de estos suelos y delimitando el
área que ocupa sobre la orilla norte del río Rocha, en el valle de Sacaba.
En el proyecto se ha usado un sistema sinergístico que combina la teledetección con resultados de
ensayos específicos de laboratorio que permiten identificar y clasificar arcillas dispersivas. El uso de
imágenes de satélite facilita la identificación de la alcalinización y salinización de los suelos en
grandes áreas, además de ser más rápido y preciso que los procedimientos de campo, Chávez, J. E.
(1998). Una vez determinados los lugares donde se encuentran este tipo de suelos, se ha elaborado
un mapa de puntos de identificación de arcilla dispersiva que ha sido sobrepuesto con planos
geomorfológico, de suelos, hidrográfico, de salinidad, geológico y de pendientes con el uso del
sistema de información geográfica ILWIS, concluyendo en la delimitación del área que ocupa este
suelo sobre la orilla norte del río Rocha.
El trabajo de laboratorio para la identificación de las arcillas dispersivas ha consistido de la
clasificación de todas las muestras mediante el sistema Unificado, para luego realizar ensayos
específicos que determinan el grado de dispersividad de la arcilla. La implementación del ensayo de
erosión interna como parte del trabajo de investigación ha ampliado la cantidad de ensayos
disponibles en nuestro medio para la identificación exacta de arcillas dispersivas mediante una
comparación y verificación de sus resultados con el análisis químico del extracto de agua de poros,
los índices de suelos y el ensayo de doble hidrometría.
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Figura 1. Ubicación del área de estudio
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MATERIAL Y MÉTODOS
La metodología empleada en el proyecto está explicada en el modelo lógico de la Figura 2, este
modelo no pretende normalizar un procedimiento para delimitar áreas de arcilla dispersiva,
simplemente es un resumen del trabajo realizado en el transcurso de la investigación.
Figura 2. Esquema de la metodología seguida durante el trabajo de investigación
Determinación de la zona de estudio
El laboratorio de Geotecnia de la Universidad Mayor de San Simón ha venido realizando desde su
fundación en 1996 una variedad de trabajos, de los cuales una parte se refiere al estudio de suelos de
la ciudad de Cochabamba. En todos estos estudios se obtuvo el perfil estratigráfico del sitio, de
donde se llegó a la conclusión que un perfil representativo de la ciudad en general, está compuesto
principalmente por arcilla. De esta manera, en un trabajo realizado en la región de Arocagua en el
valle de Sacaba se detectó la presencia de arcilla dispersiva, causante de problemas en las viviendas
Análisis visualcc572
Mapa de identificación de alcalinización
Trabajo de campo
ubicación de puntos
Extracción de muestrasde calicatas excavadas
Elaboración del mapa 1 de puntos de identificación de arcilla dispersiva
de muestreo con GPS
hasta 2 m
Trabajo de laboratorio
Ensayos de clasificaciónde muestras
Implementación del ensayode erosión interna
Análisis químico del extracto de agua de poros
Ensayo de doble hidrometría
Comparación de resultadosy clasificación de muestras
Mapas: Geomorfológico, de suelos y de salinidad
Mapa de Drenaje
mapa Geológico
Mapa Topográfico de curvas
Elaboración del mapa 2 mediante una
Mapa de pendientes
Trabajo de gabinete conimágenes de satélite
Inspección final de campo, para
verificar los límites
Digitalización de los límites de la
zona que ocupa la arcilla dispersiva
ESQUEMA DE LA METODOLOGÍA DEL PROYECTO
Digitalización del
Obtenido de SERGEOMINsobreposición de los mapas recopila-
dos con el mapa 1
recopilados del CLAS
recopilado del CLAS
de nivel, recopilado del CLAS
Elaboración de un
Elaboración del mapa 3 mediante una sobreposición
del mapa geológico digitalizado y del mapa de pendientes, sobre el mapa 2
menores a 1%, sobre la orilla norte del río Rocha
Digitalización de la zona con pendientes
DELIMITACIÓN FINAL DE LA EXTENSIÓN
DE LA ARCILLA DISPERSIVA SOBRE LA ORILLA
NORTE DEL RÍO ROCHA EN EL VALLE DE SACABA
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recientemente construidas en esa zona, por lo que se inició el presente proyecto de investigación
cuya metodología está explicada en los párrafos siguientes.
La primera etapa del proyecto fue llevada a cabo simultáneamente en el Laboratorio de Geotecnia
(GTUMSS) y en el Centro de Levantamientos Aeroespaciales y aplicaciones SIG para el desarrollo
sostenible de los recursos naturales (CLAS).
En esta etapa se recopiló toda la información disponible acerca de las arcillas dispersivas en el
ámbito mundial y en nuestro medio, material cartográfico de la zona de estudio, información
satelital del valle de Sacaba y material relacionado con el estudio de la alcalinización de suelos en
los valles de Cochabamba. Esta información fue útil en la determinación de las propiedades de las
arcillas dispersivas, el reconocimiento de los ensayos necesarios para su clasificación y los
parámetros bajo los cuales se puede identificar y delimitar el área que ocupa este suelo.
Análisis visual de la composición cc 572
Con el uso del sistema de información geográfica ILWIS, se realizó una composición en falso color
de las bandas 7, 5 y 2 pertenecientes a la escena total de la imagen LANDSAT-TM, path and row
232-072 del mes de Mayo de 1995, esta corresponde a una estación seca del año que permite
incrementar la capacidad de detección de las áreas alcalinas/salinas, Torres J. (1996). De esta
imagen base se obtuvo una subimagen de la zona de estudio, delimitada por las coordenadas de los
puntos del Cuadro 1. Al mismo tiempo, estos puntos representan los límites de todos los mapas
usados en las sobre posiciones posteriores.
Cuadro 1. Coordenadas de la subimagen obtenida de la composición cc572
Coordenadas UTM
X Y
804008.0 8079728.0
813039.0 8079728.0
804008.0 8069736.5
813039.0 8069736.5
La composición en ILWIS se obtuvo asignando la banda 5 al rojo, la banda 7 al verde y la banda 2
al azul (cc572). Mediante este proceso se obtuvo una composición en falso color que proporcionó el
mejor resultado para un análisis visual de las zonas alcalinas. Chuvieco E. en 1990 recomendó que
la composición más adecuada para la identificación de zonas alcalinas/salinas debe incluir bandas
cuyas longitudes de onda captadas estén lo más separadas posible en el espectro electromagnético,
por lo que el proyecto incluye dos bandas del infrarrojo medio 5, 7 que tienen mayor reflectancia de
suelos desnudos y una del visible, banda 2 que tiene mayor intensidad de reflectancia del agua turbia
(Figura 3). Esta composición fue sometida a un análisis visual donde se identificaron las áreas
alcalinas que están representadas por las manchas de color blanco según Chuvieco E. (1990) y
Torres J. (1996) y se digitalizaron los bordes extremos con segmentos de color rojo (Figura 13).
Asimismo, el análisis visual tomó en cuenta las áreas representadas por los valores más altos de respuesta espectral en cada banda analizada por lo que se usaron las bandas 5 y 7.
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Figura 3. Reflectancias típicas (Fuente: Introducción a sensores remotos, Valenzuela C., 1998)
Reconocimiento de campo, excavación de calicatas y ensayos de laboratorio
Figura 4. Afloramiento superficial de sales Figura 5. Erosión severa en la orilla norte
en la zona de Arocagua del río Rocha
La segunda etapa del proyecto de investigación consistió de un recorrido de reconocimiento del área
de estudio para verificar la presencia de las características superficiales que presentan las arcillas
dispersivas. Asimismo, se vio la accesibilidad hacia los posibles puntos de muestreo ubicados
inicialmente sobre la base de los resultados de la interpretación visual de la composición cc572, se
realizaron los trabajos de extracción de muestras de campo y finalmente los ensayos de laboratorio
respectivos.
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En muchas zonas se observó que los suelos
presentan afloramiento superficial de sales como
se muestra en la Figura 4, lo cual incrementa la
reflectividad del suelo captada por las bandas del
espectro y facilita la identificación de áreas
alcalinas mediante la teledetección. La orilla
norte del cause del río Rocha presenta taludes
cortados con una severa erosión superficial,
donde se pueden observar túneles verticales
denominados cántaros (Figura 5). En gran parte
del área se observó la presencia de orificios
superficiales bastante erosionados que
caracterizan a las arcillas dispersivas;
principalmente en las zonas mas cercanas a la
orilla norte del río Rocha (Figura 6). Asimismo,
se pudo constatar los daños en algunas viviendas
como resultado de la presencia de estos suelos
donde los asentamientos excesivos son causados
por la tubificación interna (Figura 7).
Una vez terminado el reconocimiento de campo,
se procedió a la excavación de calicatas hasta dos
metros, por etapas. Este método de obtención de
muestras permitió observar la presencia de los
orificios que caracterizan las arcillas dispersivas
y la extracción de muestras por etapas permitió
realizar ensayos de laboratorio para identificar el
tipo de material y ubicar los siguientes puntos de
muestreo en función a los resultados obtenidos.
Las calicatas fueron excavadas con el uso de
picotas y palas para extraer muestras
representativas de todos los tipos de suelo
encontrados. Todas las muestras fueron
transportadas y almacenadas en bolsas plásticas
con el objetivo de mantener el contenido de
humedad natural recomendado por los ensayos
que determinan la dispersividad de los suelos.
La primera fase en el trabajo de obtención de muestras de campo consistió en tomar una muestra
superficial no disturbada de la orilla norte del río Rocha en la zona de Arocagua (MS del mapa de la
Figura 8), con el fin de verificar la presencia de arcilla dispersiva usando el ensayo de erosión
interna. La segunda etapa consistió de la excavación de seis calicatas ubicadas con un criterio
basado en el análisis geomorfológico. La geomorfología de la región está compuesta por varios
abanicos aluviales; se han identificado mediante un análisis visual la base de los abanicos para
ubicar los primeros puntos en la región contigua, puesto que dada la inclinación de los abanicos es
poco probable que en ellos decanten partículas de arcilla, ya que para ello se requiere el
Figura 6. Orificios superficiales producto
de la tubificación de la arcilla
dispersiva
Figura 7. Grietas en las paredes, causadas
por los asentamientos excesivos
en una vivienda.
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estancamiento de las aguas, Villolta H.
(1991). Asimismo, se apoyó el criterio
de ubicación de los puntos en función al
resultado del análisis visual sobre la
composición en falso color cc572; tres
fueron ubicadas en Arocagua (puntos 1,
2 y 3 de la Figura 8) una en Quintanilla
(punto 4 de la Figura 8) y dos en Pucara
(puntos 5 y 6 de la Figura 8).
Finalmente, en la tercera etapa, se
realizó la excavación de las dos últimas
calicatas, ubicadas en campo sobre la
base de los resultados observados en las
calicatas previas y como resultado de un
análisis adicional de los factores de
agradación que inciden ampliamente
tanto en la distancia a la cual se
depositan las partículas desde la fuente de origen como en sus características morfológicas internas
y externas Villolta, H. (1991) (puntos 7 y 8 de la Figura 8). Las coordenadas de todos los puntos
fueron ubicadas en campo con un GPS.
Los métodos de laboratorio y las normas para la clasificación e identificación de arcillas dispersivas
fueron obtenidos de la norma ASTM. Inicialmente se realizaron ensayos de límites de consistencia,
ASTM D4318-98 y análisis de la distribución del tamaño de partículas, ASTM D422-63, para la
clasificación de todas las muestras mediante el sistema Unificado, ASTM D2487. De las ocho
calicatas excavadas se determinó la dispersividad de las muestras superficiales con el resultado del
análisis químico del extracto de agua de poros que determina el grado de alcalinización de las
muestras, debido a que uno de los parámetros en los que se apoya la delimitación del estrato es la
identificación superficial de la reflectancia del suelo con sodio. Las muestras profundas fueron
analizadas con el ensayo de erosión interna, ASTM D4647-93, el ensayo de doble hidrometría,
ASTM D4221-90 y el análisis químico del extracto de agua de poros con el fin de verificar los
resultados del primer ensayo y de implementarlo en el laboratorio de Geotecnia de la Universidad
Mayor de San Simón. Todos los resultados obtenidos de los distintos ensayos fueron procesados
adecuadamente para la obtención de los parámetros que permitieron clasificar las muestras.
Con los resultados de laboratorio se elaboró el mapa 1 de puntos de identificación de arcilla
dispersiva, donde se representan a las calicatas que tienen arcilla dispersiva con puntos de color rojo
y las que no presentan este tipo de suelos con puntos de color amarillo (Figura 13).
El mapa de puntos de identificación de arcilla dispersiva fue incorporado al Sistema de Información
Geográfica para continuar el proceso de análisis y modelamiento. Asimismo, en función al objetivo
del estudio, se recopilaron, evaluaron y almacenaron mapas con distintos niveles de información.
La modelación de todos los datos y los mapas recopilados para la determinación de los límites del
área de arcilla dispersiva fue efectuado mediante sobreposiciones de los mapas mencionados, tal
como se puede observar en el modelo lógico de la metodología del proyecto (Figura 2). El mapa de
Figura 7. Ubicación de los puntos de muestreo
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puntos de identificación de arcilla dispersiva (mapa 1, Figura 13) fue inicialmente sobrepuesto con
el mapa de drenaje, para establecer con la orilla norte del cause del río Rocha el límite sud del área.
A esta información se sobrepusieron los mapas geomorfológico, de suelos y de salinidad,
recopilados del CLAS, con el objetivo de establecer el grado de relación con los puntos 1, 2, 3, 4, 7
y MS de identificación de arcilla dispersiva obteniéndose de esta forma el mapa 2 de la Figura 14.
Se realizó la digitalización en un mapa de segmentos, de un mapa geológico de la carta geológica de
Bolivia, hoja de Cochabamba elaborada por Geobol en 1994 y se sobrepuso al mapa 2 con el fin de
ver la relación entre las formaciones geológicas y todos los puntos de identificación de arcilla
dispersiva. A esta información se sobrepuso el resultado de la digitalización sobre los límites de la
zona con pendientes menores a 1% del mapa de pendientes obtenido de un mapa topográfico de
curvas de nivel cada 20 metros, dando como resultado el mapa 3 de la Figura 15.
El mapa de pendientes mencionado fue obtenido mediante una interpolación del mapa de curvas de
nivel para generar un modelo de elevación digital en formato raster, asignando un tamaño de píxel
de 2020 m. Luego se aplicó un filtro lineal especificado para mapas de pendientes, dfdx (mapa de
diferencia de niveles en x), dfdy (mapa de diferencia de niveles en y) y finalmente se ordenó una
reclasificación de la información de pendiente contenida en cada píxel para los valores: < 1%, 1-5%,
5-10% y >10%.
El sistema sinergístico utilizado en el transcurso de la investigación se muestra confiable por toda la
información que relaciona; sin embargo, requiere de un recorrido en campo para verificar las zonas
donde se encuentran las arcillas dispersivas. De esta manera, luego del recorrido en campo y
tomando en cuenta la información obtenida de las sobreposiciones en el mapa 3 de la Figura 15, se
realizó la digitalización de los límites de la arcilla dispersiva sobre la orilla norte del río Rocha.
RESULTADOS
Los resultados alcanzados en el proyecto de investigación comprenden los obtenidos de los ensayos
de laboratorio que han sido comparados entre sí para determinar el grado de relación que puede
tener el ensayo de erosión interna con los parámetros determinados por los otros ensayos.
Asimismo, se presentan los mapas elaborados por medio de sobreposiciones sucesivas de mapas
recopilados (geomorfológico, hidrográfico, suelos y salinidad) y mapas creados específicamente
para alcanzar el objetivo del proyecto (puntos de identificación de arcilla dispersiva, pendientes y
mapa geológico digitalizado).
Perfiles estratigráficos
Los perfiles estratigráficos obtenidos como resultado de la clasificación de las muestras según el
sistema Unificado (ASTM D2487), están resumidos en la Figura 9. La muestra MS superficial
obtenida de la zona de Arocagua, fue extraída de un talud cortado donde se pudo observar un estrato
uniforme de aproximadamente 3 m de altura. Esta muestra fue clasificada como arcilla magra (CL).
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Propiedades del suelo
La mayor parte de arcilla encontrada fue clasificada como arcilla magra (CL). Se observó la
presencia de arena y grava en las calicatas donde no se halló arcilla dispersiva. En algunas calicatas
se detectó la presencia de arcilla grasa (CH) y de limo (ML). El Cuadro 2 presenta un resumen de
los índices hallados con los ensayos que determinan la consistencia del suelo, ASTM D4318-98.
