UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID Interacción de las arenas en Facies Utrillas en las

578 Pages·2007·34.84 MB·Spanish

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

E. T. S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA Y MOROFOLOGIA DEL TERRENO

Interacción de las arenas en Facies Utrillas
en las obras de ingeniería civil.
Revisión documental y caracterización geológica-
geotécnica

TESIS DOCTORAL

IGNACIO MENENDEZ PIDAL DE NAVASCUES

INGENIERO DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS

MADRID, ENERO 2006
Tribunal nombrado por el Magnífico y Excelentísimo Señor Rector de la
Universidad Politécnica de Madrid el día.......de ................de 2006.

Presidente D...............................................................................................

Vocal D...............................................................................................

Vocal D...............................................................................................

Vocal D...............................................................................................

Secretario D...............................................................................................

Realizado el acto de defensa y lectura de la Tesis el
día...................de..............de 2006 en la Escuela Técnica Superior de
Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de la Universidad Politécnica de
Madrid, los miembros del tribunal acuerdan otorgar la calificación
de:.........................................................................................................................

EL PRESIDENTE VOCAL

VOCAL VOCAL

EL SECRETARIO
Interacción de las arenas en Facies Utrillas en las obras de ingeniería civil.
Revisión documental y caracterización geológica-geotécnica.

ÍNDICE

Ignacio Menéndez-Pidal de Navascués
Interacción de las arenas en Facies Utrillas en las obras de ingeniería civil.
Revisión documental y caracterización geológica-geotécnica.
ÍNDICE

1. Introducción. ................................................................................................7

2. Objetivos. ...................................................................................................11

3. Antecedentes. ............................................................................................14
3.1. Introducción. ........................................................................................15
3.2. Históricos. ............................................................................................16
3.2.1. Introducción.
3.2.2. Casos históricos investigados.
3.2.3. Documentación recopilada.
3.3. Síntesis de los casos estudiados. ........................................................20
3.3.1. Introducción.
3.3.2. FF. CC. Santander-Mediterráneo.
3.3.3. Puente de Sobrón.
3.3.4. Viaducto de Arija.
3.3.5. Carreteras de Cuenca, Guadalajara, Soria, Teruel y Zaragoza.
3.3.6. Trasvase Sorbe-Jarama.
3.3.7. Túnel de Talave.
3.3.8. Embalse del Cenajo.
3.3.9. Túnel del Zumeta.
3.3.10. Saltos del río Mijares.
3.3.10.1. Embalse de Cirat.
3.3.10.2. Embalse de Vallat.
3.3.10.3. Embalse de Arenós.
3.4. Consideraciones geológicas previas tenidas en cuenta. .....................53
3.5. Repercusiones. ....................................................................................55
3.6. Cuadro resumen comparativo. ............................................................57
3.7. Conclusiones. ......................................................................................61

4. Localización geográfica y geológica. .........................................................62
4.1. Introducción. ........................................................................................63
4.2. Situación geográfica. ...........................................................................63
4.3. Encuadre geológico. ............................................................................68
4.4. Marco histórico. ...................................................................................77

5. Caracterización geológica. .........................................................................79
5.1. Introducción. ........................................................................................80
5.2. Antecedentes. ......................................................................................80
5.2.1. Formación “Arenas de Utrillas”.
5.2.2. Estudios anteriores.
5.3. Estratigrafía. ........................................................................................82
5.3.1. Introducción.
5.3.2. Análisis Estratigráfico.
5.3.3. Medio sedimentario.
5.4. Tectónica. ............................................................................................85
5.4.1. Introducción.
5.4.2. Cartografía geológica.
5.4.3. Análisis Estructural.

Ignacio Menéndez-Pidal de Navascués
Interacción de las arenas en Facies Utrillas en las obras de ingeniería civil.
Revisión documental y caracterización geológica-geotécnica.

5.5. Historia geológica. ............................................................................. 103
5.6. Geomorfología. .................................................................................. 122
5.7. Hidrogeología. ................................................................................... 122
5.8. Aprovechamiento industrial. .............................................................. 123

6. Metodología de investigación. .................................................................. 124
6.1. Introducción. ...................................................................................... 125
6.2. Orientación de la investigación. ......................................................... 125
6.3. Muestreo. ........................................................................................... 126
6.4. Técnicas utilizadas para el análisis de las muestras. ........................ 126
6.4.1. Granulometría.
6.4.1.1. Tamizado.
6.4.1.2. Sedimentación.
6.4.1.3. Láser.
6.4.2. Técnicas Microscópicas.
6.4.2.1. Introducción.
6.4.2.2. Generalidades.
6.4.2.3. Microscopía óptica.
6.4.2.4. Microscopía electrónica.
6.4.2.4.1. Introducción.
6.4.2.4.2. Generalidades.
6.4.2.4.3. Microscopía Electrónica de Barrido (SEM).
6.4.2.4.4. Análisis cuantitativo de rayos X.
6.4.3. Análisis composicional mediante Difracción de Rayos X.
6.4.3.1. Fundamentos de difracción de rayos X.
6.4.3.2. Difracción de los rayos X por los cristales. Ley de Bragg.
6.4.3.3. Análisis de difracción de rayos X por el método del polvo.
6.4.3.4. Difractómetro de rayos X.
6.4.4. Análisis experimental de estabilidad-fluencia. Ensayo del cubo.

7. Mineralogía y propiedades físico-químicas de las arcillas. Estructura, textura
y fábrica de un sedimento. ....................................................................... 149
7.1. Conceptos fundamentales de mineralogía de arcillas. ...................... 150
7.1.1. Estructura de los minerales del grupo de las arcillas.
7.1.2. Clasificación.
7.1.3. Grupo de la Caolinita.
7.2. Propiedades Físico-Químicas de las arcillas. .................................... 154
7.2.1. Superficie específica.
7.2.2. Capacidad de intercambio catiónico.
7.2.3. Capacidad de adsorción.
7.3. Interacciones Físico-Químicas entre partículas. ................................ 155
7.3.1. La Doble Capa Eléctrica Difusa (DCED).
7.3.2. Interacción entre partículas arcillosas.
7.3.3. Tipos de contactos entre partículas.
7.4. Estructura, Textura y Fábrica. ........................................................... 158
7.4.1. Empaquetamiento. Cemento y Matriz.
7.4.2. Tipos de microestructura: floculación-dispersión.

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Revisión documental y caracterización geológica-geotécnica.

7.4.3. Factores que afectan a la microestructura de un sedimento con
abundante arcilla.
7.4.4. Niveles de Fábrica.

8. Parámetros básicos del comportamiento geotécnico de los suelos. ........163
8.1. Introducción. ...................................................................................... 164
8.2. Los suelos en geología. ..................................................................... 164
8.3. Composición general de un suelo. .................................................... 165
8.4. El fenómeno de la plasticidad. ........................................................... 166
8.4.1. ¿Cuál es el significado de los Límites de Atterberg?.
8.4.2. ¿Qué factores determinan el comportamiento plástico de un
suelo?.
8.5. Permeabilidad en suelos. .................................................................. 169
8.5.1. ¿Qué factores influyen en la conductividad hidráulica de un
suelo?.
8.6. El proceso de consolidación en suelos. ............................................. 172
8.6.1. ¿Qué mecanismos intervienen en la consolidación de un suelo?.
8.6.2. Fases de la consolidación.
8.6.3. ¿Qué factores influyen en el proceso de consolidación de un
suelo?.

9. Caracterización de los materiales. ...........................................................176
9.1. Introducción. ...................................................................................... 177
9.2. Caracterización Mineralógica. ........................................................... 177
9.3. Descripción de la Estructura, Textura y Fábrica. ............................... 178
9.3.1. Observaciones realizadas en las muestras inalteradas (naturales).
9.3.2. Observaciones realizadas en las muestras alteradas (ensayadas).
9.4. Comportamiento en obra. .................................................................. 189

10. Caracterización geotécnica de los materiales. .........................................201
10.1. Introducción. ................................................................................... 202
10.2. Parámetros fundamentales. ........................................................... 202
10.3. Granulometría. ............................................................................... 205
10.4. Plasticidad: Límites de Atterberg. ................................................... 209
10.4.1. Índice de Plasticidad.
10.5. Clasificación de los materiales. ...................................................... 211
10.6. Otros parámetros de interés. .......................................................... 215
10.6.1. Equivalente de arena.
10.6.2. Índice de fluidez.
10.6.3. Actividad de las arcillas.
10.6.4. Índice de consistencia.
10.7. La susceptibilidad de las arcillas. ................................................... 218
10.7.1. Ensayo del cubo.
10.7.2. Relación entre la Admisión de agua y Cn.

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Interacción de las arenas en Facies Utrillas en las obras de ingeniería civil.
Revisión documental y caracterización geológica-geotécnica.

11. Análisis comparativo de los resultados obtenidos. ...................................245
11.1. Introducción. ................................................................................... 246
11.2. Distribución de los tamaños de grano y partícula. .......................... 251
11.2.1. Influencia de la presencia de agregados.
11.3. Inferencias respecto a la estructura, textura y fábrica. ................... 253
11.4. Clasificación petrológica. ................................................................ 255
11.5. Correlación con otras variables geológicas. ................................... 264
11.5.1. Particularidades específicas de los materiales.
11.5.1.1. Localización geográfica-geológica en la Península Ibérica.
11.5.1.2. Estado tectónico.
11.5.1.3. Disposición estratigráfica.
11.5.1.4. Macizo rocoso.
11.5.2. Procesos de alteración. Diagénesis.
11.5.3. Hidrogeología. Permeabilidad y carga de agua.
11.6. Otros parámetros técnicos. ............................................................ 264
11.6.1. Porosidad de los materiales.
11.6.2. Relación profundidad-alteración.
11.6.3. Relación permeabilidad-sostenimiento.
11.6.4. Otras variables específicas in situ.
11.7. Discusión sobre el Ensayo del cubo. ............................................. 269
11.7.1. Relación entre los índices obtenidos y el comportamiento
observado.
11.7.2. Ensayo del cubo.
11.7.3. Reflexión entre Cn y la Admisión de agua.

12. Modo de intervención en futuras actuaciones. .........................................282

13. Conclusiones. ..........................................................................................285

14. Nuevas líneas de investigación. ...............................................................289

15. Referencias. ............................................................................................. 292

Epílogo. ....................................................................................................306

16. Anexos. ....................................................................................................309
16.1. Gráfico. ........................................................................................... 311
16.2. Fotográfico. .................................................................................... 317
16.3. Reproducciones de los documentos recopilados de mayor interés. 433

We shall not cease from exploration
and the end of all our exploring
will be to arrive where we started
and know the place for the first time.
T. S. Eliot
(1888 – 1965)

Ignacio Menéndez-Pidal de Navascués
Interacción de las arenas en Facies Utrillas en las obras de ingeniería civil.
Revisión documental y caracterización geológica-geotécnica.

Capítulo 1. INTRODUCCIÓN

Ignacio Menéndez-Pidal de Navascués 7
Capítulo 1. Introducción.
1. INTRODUCCIÓN

... en Siracusa, en Las Latomías, se dice que se halla la huella de un pez y de focas;
en la de Paros, la huella de una anchoa en la profundidad de la piedra y en Malta,
losetas con todo lo que es marino. Todo ello se hizo cuando el mar lo envolvía todo,
después la huella se secó en el barro.
Jenófanes de Colofón, S-VI a.C. (según Hipólito de Roma).

Sedgwick, afamado geólogo, profesor de la Universidad de Cambridge y uno de los
fundadores de la Sociedad Geológica de Londres/ Geological Society of London,
observando las formaciones rocosas y trabajando sobre un mapa geológico del Norte
del país de Gales, advirtió a Darwin sobre los peligros a los que daría lugar la teoría
de la evolución. Asimismo, le hizo notar, después de leer “El origen de las especies”,
que “si este libro llegase a encontrar la aceptación generalizada de la gente, ello iría
acompañado de una bestialización de la raza humana”.

”Se ha dicho que la ciencia empieza cuando el hombre interroga a la naturaleza, y la
interroga no como el niño lo hace al padre o al maestro, dispuesto a aceptar
sumisamente la respuesta que quiera darle. El científico interroga a la naturaleza con
autoridad y exigencia, como el juez interroga al testigo para obtener una respuesta
válida para conocer la verdad.”
Carmina Virgili.

Durante los setenta últimos años del pasado siglo XX, puede decirse que tuvo lugar
uno de los periodos de mayor impulso y desarrollo de la ingeniería civil en la más
reciente historia de España.

Los más importantes proyectos de ingeniería que se emprendieron, caracterizados
de forma evidente por el contexto político, económico y social de la época, fueron
grandes infraestructuras destinadas principalmente para fines agrícolas (creación y
explotación de extensas fincas de cultivo incluidas en planes de colonización
específicos), industriales (puertos de cabotaje e industria pesada asociada), y de
aprovechamiento energético (inicialmente y de forma especial de tipo hidráulico)
como grandes pantanos, canales de regulación y aprovechamiento, y transvases
entre otros.

El paulatino pero progresivo avance en la construcción de estas obras de
infraestructura, mantenido a grandes rasgos de forma continuada por cuanto respecta
a su planificación durante la primera mitad de ese periodo de años, trajo consigo una
abundante carga de trabajo que desencadenó todo un fenómeno social exclusivo de
ese momento, caracterizado por la abundante mano de obra y la creación de
auténticos poblados dotados con todo tipo de servicios necesarios (iglesias,
residencias, hospitales, instalaciones accesorias imprescindibles...) en un periodo de
tiempo relativamente corto.

De igual modo, las condiciones imperantes del momento y la situación económica
que atraviesa el país, condicionan de modo fundamental la imperiosa necesidad de
tener que hacer frente a gran cantidad de contratiempos derivados de la escasez o
carencia de medios mecánicos, transporte, materias primas, energía, e incluso de
especialistas o de conocimientos especializados para la solución de problemas
específicos puntuales, para poder finalizar los proyectos aprobados y emprendidos
que se demoran durante varios años.

Ignacio Menéndez-Pidal de Navascués 8
Capítulo 1. Introducción.
Por otra parte, analizando con cierto detenimiento las obras civiles españolas que a
lo largo de los últimos 50 años han tenido síntomas de algún tipo de patología
específica (problemática y/o complicación), es notorio que muchas de ellas se han
solucionado de forma sorda. Es decir, sin saber muy bien qué había pasado
realmente, y dónde se encontraba el origen del fallo o accidente y la causa que lo
desencadenaba. Achacándose con frecuencia a las condiciones geológicas, pero sin
profundizar en el conocimiento científico y técnico de dichos desaciertos.

Dentro de ese gran cúmulo de pruebas son de destacar las ocurridas en las
cimentaciones de diversas estructuras y el sostenimiento de túneles durante el
proceso de excavación, ejecutadas todas ellas en Facies arcósicas y/o arcosas
propiamente dichas.

El propósito de este trabajo no es erudito en cuanto a los temas y las técnicas de
investigación realizadas; ni pretende, aunque fuera de pasada, revisar el estado en
que se encuentra en la actualidad el conocimiento geológico general de los materiales
en Facies Utrillas involucrados.

Entonces, ¿por qué estudiarlos?. La escasa atención prestada a las extrañas
manifestaciones y al enigmático comportamiento de estos materiales insinuadas
anteriormente, hacen de las mismas un auténtico tema inédito.

Además, y como consecuencia de lo anterior, por intuirse resultados francamente
interesantes, sobre todo en la caracterización geotécnica de los materiales y en su
interacción con las obras civiles afectadas.

También, por la importancia del propio estudio e investigación, y de sus resultados
como aplicación directa al estado de la técnica existente, en parte debido a la amplia
extensión geográfica donde se encuentran los materiales motivo principal de la
investigación -Facies Utrillas-. A pesar de la dificultad añadida que esto último aporta,
tanto desde el punto de vista geológico general como para la posterior obtención de
conclusiones comunes de la formación rocosa para toda su extensión.

Así mismo, de acuerdo con lo mencionado hasta ahora, este trabajo quiere reflejar
la magnificencia de las obras realizadas teniendo en cuenta la época en que se
construyeron, y pretende resaltar la importancia que representa la información en
torno a las obras implicadas que ha podido ser recopilada (ya de por sí, todo un reto
de localizar y escudriñar) para ser analizada posteriormente.

De igual modo, trata de evidenciar el gran valor que supone la conservación de la
documentación técnica-legal generada durante la realización y vida útil de las
diferentes infraestructuras que se acometen, con el fin de poder recabar cualquier tipo
de información para su correcto funcionamiento y el posterior mantenimiento ante
posibles incidentes; así como también para intentar modelizar el comportamiento
previsible de los materiales comprometidos en futuras actuaciones, a partir del
aprovechamiento de las múltiples y variadas experiencias llevadas a cabo en las muy
diferentes obras ya ejecutadas.

Han sido numerosos los trabajos realizados estableciendo correlaciones, ya sea de
forma cuantitativa o meramente descriptiva, entre mineralogía, fábrica, propiedades
físico-químicas y propiedades geotécnicas de materiales compuestos total o
parcialmente por minerales del grupo de la arcilla: Lambe (1958), Terzaghi (1958),

Ignacio Menéndez-Pidal de Navascués 9