Zonación preliminar de la licuación de los suelos en la región de Cuba Oriental

Resumen

Se propone una zonación preliminar de la licuación de los suelos para la región de Cuba Oriental, basado en el estudio de diferentes factores que inciden en la ocurrencia de la licuación, tales como: suelos susceptibles, intensidad sísmica, aceleración horizontal efectiva, topografía, reportes históricos de licuación. Se aplica el criterio Si/No se caracterizan los suelos a licuar. Se identifican las zonas que se caracterizan a licuar y zonas donde es baja o no existe la licuación de los suelos. Estos estudios constituyen una primera representación de la licuación a escala regional en Cuba, principal aporte de la investigación.

Las zonas susceptibles indican donde deben aplicarse métodos detallados. Los resultados obtenidos son de gran aplicabilidad para el ordenamiento territorial del oriente cubano, norma sísmica cubana, defensa civil de Cuba y estudios científicos técnicos para nuevas inversiones.

Palabras Claves. Licuación, Zonación, Suelos.

I. Introducción.

Cuba, es amenazada por fenómenos naturales e inducidos, destacándose los huracanes, sismos, inundaciones y deslizamientos. La licuación de los suelos es un fenómeno inducido de la actividad sísmica poco estudiado, las investigaciones precedentes se han dedicado a la zonación a escalas detalladas (Márquez, I; Seisdedos, J; Chuy, T.; Díaz, R; 2002); (García, et al, 2002); (Zapata y Rosabal, 2010) fundamentalmente.

Actualmente existe gran preocupación por parte del estado cubano, planificación física e investigadores, por realizar una planificación territorial en armonía con la naturaleza teniendo en cuenta las condiciones geológicas y geomorfológicas del territorio nacional, en aras de minimizar las vulnerabilidades y el riesgo sísmico. La zonación de la susceptibilidad de la licuación para el Oriente cubano, puede considerarse una solución para este escenario y será de gran utilidad en las zonas de peligro, con la toma de medidas preventivas y el diseño adecuado de las construcciones, donde intervienen los organismos encargados directamente del ordenamiento territorial.

II. Ubicación geográfica.

El área de estudio se ubica (ver Figura 1) en el este, dentro del territorio de Cuba; abarca gran parte de la zona emergida de la región de Cuba Oriental, cubre un área aproximada de 18 651.42 km2. En ella se ubican las ciudades Bayamo, Santiago de Cuba y Guantánamo. Desde el punto de vista político administrativo ocupa las provincias de Granma, Santiago de Cuba, Guantánamo y una porción de Holguín.

Figura 1. Ubicación geográfica de la región de Cuba Oriental. Coordenadas geográficas (Long W: -74,134° -77,738°; Lat N:19.841°-20.730°). Línea en negro representa el límite de la región de estudio.

III. Licuación de los suelos.

La licuación de los suelos puede definirse de una forma muy sencilla, como la pérdida de sustentación de los suelos sueltos saturados, ante el efecto sísmico, el suelo se comporta como un líquido viscoso en lugar de un sólido.

Para realizar la zonación de la licuación, fue necesario evaluar los factores que favorecen su ocurrencia (Leslie, T.; Idriss,I; 1997) tales como: suelos susceptibles, intensidad sísmica, aceleración horizontal efectiva, topografía, profundidad de los niveles freáticos, reportes históricos de licuación y propiedades físico mecánicas de los suelos.

El área de estudio es extensa en todas sus dimensiones y se presentaron algunas limitantes, impidiendo evaluar todos los factores que inciden en la licuación, tales como: mapa de suelos cuaternarios a escala 1:250 000 (IGP, 2008), información existente a escalas pequeñas, ausencia de información ingeniero-geológica y niveles freáticos. Las calas realizadas por diversas instituciones en la región de Cuba Oriental carecen de la información requerida para realizar una evaluación detallada de licuación de los suelos a escala regional y local, en las calas en ocasiones no se encuentra la información del límite líquido, índice de plasticidad, profundidad del nivel freático o ausencia total de esta información.

La investigación se ubica en el Nivel o Grado I de Zonación (TC-4, 1999). Estos estudios regionales identifican las zonas susceptibles a licuar, donde es necesario evaluar la potencialidad de la licuación, empleando información ingeniero-geológica detallada para la toma de medidas de mitigación y reconoce las zonas de bajo potencial o donde no existe licuación.

A continuación se realiza un análisis de los factores de mayor incidencia de acuerdo a la información disponible.

Suelos susceptibles.

Los suelos fueron cartografiados a partir del mapa geológico (IGP, 2008) del cuaternario y su leyenda influyó en la clasificación de la susceptibilidad; la descripción general fue tomada de los resultados de investigaciones precedentes (Peñalver et al, 2008), formaciones jóvenes, depósitos palustres, marinos, biogénicos, sedimentos aluviales de edad Holoceno. Estos perfiles de suelos se clasifican como S4 según la Norma Sísmica Cubana (NC46-99). A continuación se realiza (Peñalver et al, 2008) una breve caracterización de cada una de las formaciones geológicas o depósitos según su tipo.

Depósitos marinos. Están representados principalmente por arenas y guijarros, acumulados en playas y camellones de tormentas, a veces cementados por carbonato, formando rocas de playa (beach rock). La composición (Peñalver et al, 2008) de las arenas y guijarros de estos depósitos se encuentra en dependencia directa con las rocas que forman la costa (muchas de estas arenas no vienen de la costa ni de rocas, sino son de origen biogénico, de la desintegración de corales, moluscos y algas). Estos depósitos se extienden en parches discontinuos en la zona litoral insular y cayería, en dependencia del tipo de costa. En las bahías pequeñas identificadas en áreas montañosas o elevadas, rellenan partes bajas del litoral, alternando con zonas rocosas escarpadas.

Aunque en casi toda Cuba, estos depósitos están constituidos por arenas sueltas biogénicas, de granos finos y medios y de color blanco amarillento, en Cuba Oriental no siempre se presentan así, ya que el aporte de material terrígeno es mayor e inclusive varía de una zona a otra por su coloración y otras características. En general, el material detrítico es psamítico de granulometría fina, más raramente gruesa. Los granos son redondeados o subredondeados. Están formados por fragmentos de algas calcáreas, corales, moluscos, briozoos, equinoídes, etc. En la costa sur, entre Pilón y Guantánamo, predominan las vulcanitas, granitoídes y dioritas. Al este de Guantánamo las metamorfitas y entre Baracoa y Moa, las ultrabasitas. Con frecuencia se observan gravas, guijarros y bloques de las rocas antes señaladas, (Peñalver et al, 2008) recubriendo casi toda la planicie costera, material que probablemente tiene un origen aluvial; aunque con una elevada reelaboración por el oleaje actual, que aplana y más aún, redondea el material.

Depósitos palustres. Ocupan la posición más baja en el relieve y se depositan en ambientes bajos costeros, ensenadas, costas acumulativas, desembocaduras de ríos, pantanos, etc. En Cuba Oriental estos (Peñalver et al, 2008) sedimentos fueron reconocidos en numerosas bahías como Manatí, Puerto Padre, Nipe, Sagua de Tánamo, Guantánamo, Santiago de Cuba, Pilón, Cabo Cruz, Niquero, Campechuela y en otras localidades. Su mayor extensión la alcanzan en la desembocadura del río Cauto. Los sedimentos costeros se forman en dos ambientes esencialmente diferentes y en consecuencia, se distinguen dos tipos de depósitos: pantanos de mangles y pantanos costeros de agua dulce.

Los pantanos de mangle se originan en el mar y su desarrollo representa un crecimiento de la tierra a expensas del mar. En los límites de los pantanos de mangle que bordean la costa, la línea costera (el límite entre el mar y la tierra) solo se puede trazar condicionalmente. Los pantanos costeros de agua dulce se originan en la tierra, en las zonas de descarga de las aguas subterráneas, fundamentalmente cársicas, como resultado de la contención de estas aguas por el mar. El desarrollo de estos pantanos no cambia el límite entre la tierra, el mar y la línea costera, en las regiones donde se desarrolla, posee una configuración clara.

Los representantes más (Peñalver et al, 2008) característicos de la facies terrígena de los pantanos de mangle, son las arcillas de color gris oscuro y pardo oscuro, fuertemente salinizadas y las arcillas arenosas con restos carbonizados de troncos y raíces de mangle. En la superficie de estos sedimentos frecuentemente se forma una costra de 1-2 mm, fracturada por grietas y rellenas de algas. La facies carbonatada de los depósitos de pantanos de mangles, está representada por limos finos carbonatado-organógenos con una cantidad variable de detrito vegetal. Una estrecha relación genética con los depósitos de pantanos de agua dulce, la tienen las costras carbonatadas finas, que se forman sobre la superficie de las calizas que afloran en las regiones costeras más bajas. Estas costras están formadas por la sucesión rítmica e irregular de las capitas oscuras y claras, con un espesor de fracciones de milímetros.

Depósitos biogénicos (bQ2). Estos depósitos, desde el punto de vista genético, pudieran ser incluidos en los depósitos palustres, sin embargo, por la cierta importancia económica que se le ha dado como fuente de combustible, es preferible tratarla por separado. En el documento elaborado por Peñalver et al, 2008 no aparecen descritos los depósitos Biógenos de la región de Cuba Oriental, pero si aparece su cartografiado.

Depósitos aluviales (alQ2). En Cuba Oriental los depósitos aluviales, fueron propuestos como Formación geológica Río Macío, incluye una potente secuencia de bloques, cantos rodados, gravas, arenas limosas y arcillas derivadas de la erosión fluvial y regional. En estos casos, el material presenta diferente tipo de redondeamiento y de yacencia. Se observaron rasgos estructurales como la estratificación cruzada y lenticular, típica de las terrazas y del cauce fluvial. Los depósitos aluviales de los valles y ríos más grandes se distribuyen limitadamente en el territorio de la Sierra del Purial y sus inmediaciones. Allí, en los bordes de los valles, se observa una alternancia de guijarros, arenas polimícticas de grano grueso y con lentes de arcillas, así como los depósitos compuestos de cantos rodados y guijarros.

Luego de ser identificados los suelos de forma general, la zonación se realiza a partir del criterio Si/No se caracterizan los suelos a licuar. (Pierre-Yves Bard, 2005).

Son Susceptibles a licuar, cieno y arenas que presenten las siguientes características. Grado de saturación al 100% (por ciento), uniforme granulometría (tamaño del grano al 50% (por ciento), con D50, rango del tamaño del grano 0.05mm y 1.5mm; las arcillas que presenten las siguientes características, tamaño del grano al 15% (por ciento), con D15, mayor que 0.005mm, límite líquido menor que 35% (por ciento), contenido de agua mayor que 0.90Wl, índice de plasticidad menor que 0.73 (Wl- 20).

No son susceptibles a licuar en ningún caso gravas con D10 mayor que 2mm y arcillas que presenten las siguientes características, tamaño del grano al 70% (por ciento), con D70, menor que 74?m, índices de plasticidad mayor que 10% (por ciento).

Categorías de susceptibilidad de los suelos.

Depósitos Aluviales. Se realizó una clasificación en correspondencia con la leyenda del mapa geológico del cuaternario y descripción antes realizada (Peñalver, et al, 2008), consideramos que por la proximidad de estos suelos a ríos, en los canales de los ríos, desembocaduras y zonas costeras, muy próximos a las bahías se infiere que el nivel freático se encuentre próximo a la superficie y que el grado de saturación sea el más elevado de todos los suelos analizados, se propone como Muy Alta susceptibilidad a la licuación de los suelos.

Las arenas, requieren de propiedades físico mecánicas tales como la granulometría y grado de saturación. Las arenas cartografiadas por el mapa geológico digital del Cuaternario no superan (IGP, 2008) el máximo valor del rango de estudio (1.5mm) y su edad es Holoceno. Se propone Alta susceptibilidad a la licuación.

Las arcillas, se tuvo en cuenta los suelos arcillosos tales como: limos fino de granulometría con diámetro entre 0.1mm-0.05mm, Limo grueso (0.05mm-0.1mm), limo arcilloso y limo arenosos, (IGP,2008). Requieren de datos ingeniero geológicos de detalles como límite líquido, contenido de agua, índice de plasticidad, se propone Moderada susceptibilidad a la licuación.

Gravas, se analizaron las gravas arenosas, grava con diámetro entre 10mm-1.0mm (IGP, 2008) se propone Baja susceptibilidad a la licuación.

Y las arcillas de granulometría (menor de 0.01mm) (IGP, 2008). Se propone Muy Baja susceptibilidad a la licuación.

Las cartas del mapa geológicas del cuaternaria empleadas fueron: E- 18- 01 Pilón; E- 18- 03 Yateritas; E- 18- 02 Caimaneras; E-18- 13 Bayamo; F-18-14 Santiago de Cuba y F-18-15 Baracoa. (IGP, 2008).

El análisis realizado se basa en los factores de mayor relevancia y solo se zonifican los suelos que se caracterizan a licuar, realizándose recomendaciones de investigaciones de detalle y análisis de propiedades físico mecánicas tales como: granulometría, grado de saturación, índice de plasticidad, límite líquido, tamaño del grano, contenido de agua, en las áreas de peligro.

Intensidad sísmica y aceleración horizontal efectiva. Para el análisis de este factor es necesario conocer el peligro sísmico del territorio. La región de estudio se caracteriza por ser la de mayor peligrosidad sísmica de Cuba, por su cercanía a la zona de contacto tectónico entre las placas de Norteamérica y el Caribe, contacto conocido como zona sismogeneradora Oriente. Esta zona sismogénica es la de mayor actividad del territorio cubano, capaz de generar terremotos de hasta 8.0 Richter.

En la zona sismogeneradora principal han ocurrido 20 de los 28 sismos fuertes reportados en Cuba, es de especial interés significar que de estos sismos ocurridos, en Santiago de Cuba, 2 de ellos produjeron intensidad I = 9.0 MSK – EMS en áreas de la provincia de este nombre en 1766 (Magnitud Richter Ms = 7.6) y 1852 (Ms = 7.3), reportándose de ambos considerables daños en toda la región oriental (Chuy, 1999). Así también, los más recientes que han afectado a la ciudad de Santiago de Cuba se reportan en 1932 (M = 6.75; I = 8.0 MSK – EMS) y 1947 (M = 6.75; I = 7.0 MSK – EMS).

Se analizan los parámetros de peligrosidad sísmica en términos de aceleración horizontal efectiva (90 a 350cm/s2) e intensidad sísmica equivalente (VII-VIII MSK), en correspondencia con la tipología de los suelos medios (ver Figura 2) de la República de Cuba, para la probabilidad de excedencia del 15% (por ciento), tiempo (Chuy y Álvarez, 1995) de vida útil de 50 años, información necesaria que debe de tenerse en cuenta para el diseño, reparación, remodelación y/o reforzamiento de edificaciones existentes o nuevas, en correspondencia con el Código Sismorresistente Cubano.

La región de Cuba Oriental posee altos valores de intensidad sísmica y aceleración horizontal efectiva. Estas intensidades y aceleraciones se encuentran en el rango que favorece la ocurrencia de la licuación de los suelos, teniendo en cuenta los criterios (Seed et al, 1985 en TC-4, 1999) que indican que la licuación ocurre a partir de los VII M.M (escala de Mercalli Modificada).

Figura 2. Mapa de peligrosidad sísmica de Cuba con fines de seguro. Nótese que la región de Cuba Oriental posee altos valores de intensidad sísmica y aceleración horizontal del territorio cubano. Tomado de Chuy y Álvarez, 1995.

Reportes históricos de licuación de los suelos. En la región de Cuba Oriental, existen dos (2) reportes históricos, asociados a la ocurrencia de terremotos históricos. Terremoto del 3 de Febrero de 1932, magnitud de 6.75 en la escala de Richter, intensidad sísmica de VIII MSK provocó licuación en calle La Alameda, (Chuy, 1999) en Santiago de Cuba, próximo a la bahía del mismo nombre, en su margen derecha. (ver Foto 1).

Terremoto del 18 de octubre de 1551 ubicado en Bayamo, los reportes históricos argumentan la ocurrencia de la licuación (Cotilla y Córdobas, 2010) basados en datos de archivo general de Indias, declaran su aparición en la localidad de Cauto Embarcadero, en las cercanías del río Cauto, identificado como el río de mayor extensión de Cuba, ubicado en la provincia Granma y su desembocadura la realiza en el Golfo del Guacanayabo.

Foto 1. Licuación de los suelos en calle La Alameda, en Santiago de Cuba. Terremoto del 3 de Febrero de 1932. Tomado de Chuy, 1999.

Los reportes históricos deben ser considerados como un área potencial de licuación para futuros terremotos.

Niveles freáticos. Los niveles freáticos son otros elementos importantes en la evaluación de la licuación de los suelos. Debido a la carencia de un mapa de las profundidades de los niveles freáticos para la región de estudio, se infiere que en las zonas de canales de los ríos, zonas de llanuras aluviales, cercanías de las bahías, la profundidad del nivel freático se encuentre próxima a la superficie.

Topografía. Del análisis topográfico no se tuvo en cuenta las zonas de montañas, colinas, terrazas marinas, lugares donde no ocurre la licuación de los suelos. Las zonas susceptibles a licuar son zonas de actuales o antecedentes canales de los ríos, zonas costeras de llanuras aluviales muy próximas a la desembocadura de los ríos, zonas donde la topografía es característica de llanuras, en los alrededores de las bahías de bolsa de Santiago de Cuba y Guantánamo.

Propiedades físico mecánicas de los suelos. Carencia de información ingeniero-geológica, para la región de estudio, causa por la cual no se evaluó este factor.

Del análisis integral de la información se obtiene como resultado una zonación preliminar de la licuación de los suelos para la región de Cuba Oriental, (ver Figura 3) las zonas donde los suelos sean susceptibles a licuar debe prestarse especial atención, es probable que asociado a un terremoto de gran intensidad, se produzcan propagaciones laterales, asentamientos diferenciales del terreno, agrietamientos, levantamientos y causen daños en las edificaciones, viales, obras de interés económico o social, se eleve la vulnerabilidad sísmica y por ende el riesgo sísmico de la región, por estos motivos se deben aplicar métodos o criterios de mayor detalles en las zonas de peligro, para minimizar su impacto.

Los resultados obtenidos son de gran aplicabilidad para el ordenamiento territorial del Oriente cubano, norma sísmica, defensa civil de Cuba, así como para los estudios científicos-técnicos de nueva inversión.

Este resultado constituye el principal aporte científico, primera representación de la licuación de los suelos para la región de Cuba Oriental, empleando el criterio Si/No se caracterizan los suelos a licuar. (Pierre-Yves Bard, 2005).

Figura 2. Suelos que se caracterizan a licuar en la región de Cuba Oriental. Coordenadas geográficas (Long W:-77,738°-74,134° ; Lat N:19.841°-20.730°).

IV. Conclusiones.

• 1. Se obtiene una zonación preliminar de la susceptibilidad de los suelos a licuar para la región de Cuba Oriental a partir del criterio Si/No se caracterizan los suelos a licuar. (Pierre-Yves Bard, 2005).

• 2. Se obtienen 5 (cinco) categorías de susceptibilidad a la licuación de los suelos, Muy alta; Alta; Moderada; Baja; Muy baja.

V. Recomendaciones.

• 1. En las zonas susceptibles a la licuación debe de aplicarse métodos detallados que permitan evaluar las condiciones ingeniero-geológicas reales.

• 2. En las zonas urbanas con susceptibilidad a la licuación, debe de cumplirse con las recomendaciones de la norma sísmica cubana vigente.

VI. Bibliografía.

Cotilla, R., Cordoba, B. (2010): The Bayamo earthquake (Cuba) of 18 october 1551. International Journal of Geosciences, 2010, 1-13. http://www.SciRP.org/journal/ijg.

Chuy, T. (1999): Macrosísmica de Cuba y su aplicación en los estimados de Peligrosidad y Microzonación Sísmica. Tesis en opción al Grado de Doctor en Ciencias Geofísicas. 273 pp.

Chuy, T., Álvarez, J. (1995): Peligrosidad sísmica de Cuba con fines de la Norma Sismorresistente Cubana. Reporte de Investigación. Fondos del CENAIS y del X Forum Nacional de Ciencia y Técnica.

García, J., Arango, E., Zapata, J., Fernández, B., Chuy, T., Monnar, O., Reyes, C., Oliva, R. (2002): Mapa de Riesgo Sísmico de la ciudad de Santiago de Cuba. Fondos del Centro Nacional de Investigaciones Sismológicas, 165 pp.

IGP. (2008). Mapa geológico digital del cuaternario a escala 1:250 000. Instituto de Geología y Paleontología. MINBAS. Cuba.

Leslie, T., Idriss, I. (1997): Proceeding of the NCEER Workshop on Evaluation of Liquefaction Resistance of soils. Technical Report NCEER-97-0022. Salt Lake city, Utah. ISSN 1088-3800.

Márquez, I., Seisdedos, J., Chuy, T., Díaz, R. (2002): Valoración de las amenazas naturales y problemas estructurales que presentan dos instalaciones de la empresa retomed en la ciudad de Santiago de Cuba. Fondos del CENAIS. 28 pp.

NC 46:1999. (1999): Norma Cubana Construcciones Sismorresistentes. Requisitos Básicos para el Diseño y Construcción. 95 pp.

Peñalver, L., Cabrera, M., Delgado, R., Rodríguez, L., Pantaleón, G., Ugalde, C., Pérez, C., Denis, R. (2008): Mapa Digital de los Depósitos Cuaternarios del Archipiélago Cubano a escala 1: 250 000. Instituto de Geología y Paleontología.

Pierre – Yves Bard (2005): Seismology, Seismic data análisis, hazard assessment and risk mitigation International Training Course, Postdam, Germany.

Seed H.B., Tokimatsu, K., Harder, L.F., Chung, R. (1985). Influence of SPT Procedures in SoilLiquefaction Resistance Evaluation, J. GED, ASCE, Vol. 111, No.12, pp.1425-1445.

TC4 – ISSMGE (1999): Manual for zonation on seismic geotechnical hazards: Revised edition, Technical committee for earthquake geotechnical engineering (TC4) of the International Society of Soil Mechanics and Geotechnical Engineering (ISSMGE),(chairmanship). Prof. K.Ishihara and P.Seco e Pinto. The Japanese Geotechnical Society. JAPAN WORKING GROUP FOR TC-4 COMMITTEE, 114 pp.

Zapata, J., Rosabal, S. (2010): Estudios sismológicos para proyecto factibilidad de la presa de colas en río Yagrumaje (Empresa Che Guevara), Moa. Fondos del CENAIS. 15 pp.

Autor:

MsC. Sandra Yanetsy Rosabal Domínguez.

Centro Nacional de Investigaciones Sismológicas. (CENAIS).

Ingeniera Geóloga, graduada del Instituto Minero Metalúrgico de Moa, Holguín, Cuba en el año 1997. Culmine Maestría en Manejo Integrado de Zonas Costera en la Universidad de Oriente ¨ Sede Julio Antonio Mella ¨ en Santiago de Cuba, Cuba. Mis áreas de interés son: Geodinámica. Estudio de multiamenazas. Peligro Sísmico. Geotecnia.