PROTOCOLO -subcidencia (2)

8/16/2019 PROTOCOLO -subcidencia (2)

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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TEHUACÁN

MATERIA: MECANICA DE SUELOS APLICADA

DOCENTE: ING. LEZAMA CASTAÑEDA ONESIMO

SEMESTRE: ENERO-JUNIO 2015

ALUMNO: ESPINOZA ESPINDOLA JOSÉ ANTONIO

PROTOCOLO DE INVESTIGACION

SUBSIDENCIA POR EXTRACCION DE AGUAS

SUBTERRANEAS.


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DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO

Este proyecto comprende la descripción del problema, su justificación, así como los objetivos,también comprende una revisión de la literatura de los asentamiento de la ciudad de México ,en este trabajo también se presentan los escenarios geológicos e hidromecánicos del

mecanismo que la origina !ando de forma resumida lo que es la subsidencia por extraccióndel agua, la cual se debe al abatimiento del nivel del agua subterránea en sistemas acuíferosinterestratificados con acuitardos formados por materiales presensibles como arcillas, arcillas"limosas, arcillas #a disminución de la presión del agua en los sistemas acuíferos aumentalos esfuer$os en el subsuelo lo cual induce un proceso de consolidación a nivel regional%ambién habla sobre las medidas para prevenir la subsidencia son la sustentabilidad del usode agua subterránea, extraer un volumen de agua igual a la recarga natural del sistemaacuífero #o cual puede conocer aproximadamente por medio de un balance hidrogeológicode la cuenca o de una $ona en particular &or otra parte habla sobre la teoría de consolidaciónde %er$aghi, el cual dice que tiene diferencia hidromecánicas y geológicas con la subsidencia,

debido a ello el cálculo de los asentamientos y su evolución en el tiempo por medio de lasecuaciones de la teoría de la consolidación de %er$aghi es muy aproximado 'tro punto quese menciona son los da(os que provoca la subsidencia, el cual habla la subsidencia tiene ungran poder destructivo sobre edificaciones y toda la infraestructura urbana como vialidades,aeropuertos, alcantarillado, sistemas de agua potable, comunicaciones, etc) causandograndes pérdidas económicas e inconformidad en la población El cual debe de haberreparaciones en estructuras, vialidades sistemas de agua potable y alcantarillado deben deser frecuentes debido a que el asentamiento del terreno puede tardar a(os incuso décadas#a subsidencia causa emersión de edificios apoyados en cimentaciones profundas en estratosresistentes poco deformables, subyacentes a los estratos comprensibles #a subsidencia

genera que las $onas que han sido afectadas por el hundimiento queden abajo del nivel delterreno circundante abajo del cause de ríos y potencialmente sean $onas de inundacióndebido a las dificultades para drenar el agua de lluvia por la red de alcantarillado o porescurrimiento natural del terreno

#os avances en la cuantificación de la magnitud de subsidencia en varias ciudades de México*e g +abral+ano et al, -./.a y b0 muestran que la magnitud de subsidencia no esnecesariamente el factor más importante al evaluar la vulnerabilidad de la infraestructuraurbana al desarrollo de fallamiento superficial, sino que la principal condicionante de peligropor fracturamiento se manifiesta en aquellas $onas donde se observa un alto gradiente

hori$ontal de subsidencia #a resolución espacial inherente al procesamiento 1n234 deescenas E42/5- o E67123%3234, permite obtener el gradiente hori$ontal en áreasunitarias del orden de las decenas de metros a partir de las observaciones de despla$amientoa lo largo de la línea de vista del instrumento Esto se logra mediante el cálculo de ladiferencia de valores entre cada uno de los píxeles de la imagen de magnitud de subsidencia,dividido entre la distancia hori$ontal entre píxeles Este cálculo se reali$a para cada uno de lospíxeles de las imágenes de magnitud de subsidencia y se determina el valor máximo


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JUSTIFICACIÓN

El crecimiento acelerado de las ciudades impone una necesidad de abastecimiento de agua, yuna fuente de este recurso se encuentra en el subsuelo) el aprovechamiento del agua

subterránea en cuencas sedimentarias caracteri$adas por la alternancia de acuitardos yacuíferos trae consigo el hundimiento generali$ado de la superficie del terreno El hundimientodel terreno es lento e imperceptible en los primeros a(os de extracción y por ello pasadesapercibido por mucho tiempo) sin embargo la tendencia cada ve$ más creciente de laexplotación del agua subterránea, con tasas de extracción mayores a las de recarga de losacuíferos productores, imprime una característica importante a la deformación y que a su ve$la hace evidente, la deformación producto de la extracción de agua subterránea es en parteirrecuperable 3l ser irrecuperable parte de la deformación que sufre el suelo, el efectoacumulativo que se observa en estratos de espesor importante deriva en hundimientosconsiderables de la superficie del terreno, fenómeno conocido como subsidencia #as

experiencias que hay sobre subsidencia en varías regiones del mundo, ponen en evidenciaque tan serio puede ser el impacto del fenómeno, y son un llamado de atención para que enlos sitios donde es probable que ocurra, se tomen las medidas necesarias para evitarlo o por lo menos para mitigar sus efectos) es allí donde el aporte académico es valioso, al poner endiscusión el tema y mostrar su importancia

#a discusión acerca de que el problema de subsidencia puede estar afectando gran parte denuestro territorio mexicano, por así mencionar algunas ciudades, Morelia, 3guas +alientes,8uerétaro, 2an #uis &otosí y la ciudad de México #a subsidencia del terreno induce seriosproblemas económicos y sociales, los cuales desafortunadamente son evidentes muchotiempo después de que el evento comien$a y cuando los da(os son irreversibles

!ebido a que la explotación de agua subterránea es cada ve$ más intensa, y con mayor frecuencia ocurren en áreas urbani$adas y5o industriales, los efectos de los asentamientosasociados al descenso del nivel freático se extienden en grandes áreas afectando lainfraestructura Entre los aspectos importantes a estudiar en torno al problema desubsidencia, en esta tesis se estudia lo relacionado con la deformación de los suelos finos quesobreyacen los acuíferos productivos 9ace parte de la política estatal, a través del Ministeriodel Medio 3mbiente, 7ivienda y !esarrollo %erritorial, el establecer el uso racional y proteccióndel recurso hídrico del país, ra$ón por la cual las autoridades ambientales se han agrupado ylideran el &royecto 9idrológico 6acional, cuyo objetivo es se(alar las pautas para el manejo

integrado del recurso hídrico 3unque en el país existe, en general, una abundante ofertahídrica, el &rograma de Exploración de 3guas 2ubterráneas constituye la base para unaalternativa necesaria hacia el futuro, si se tiene en cuenta que /: millones de habitantespueden sufrir de desabastecimiento en épocas de sequía ante la deforestación demicrocuencas y la desigual distribución del recurso

&or otra parte en los trabajos que describen la estratigrafía del valle de 8uerétaro se reconoceuna capa arcillosa superficial extendida a lo largo y ancho del valle con espesores variables


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de hasta /. metros en la parte central, sin embargo la litología de po$os anali$ada muestranque no existe una unidad arcillosa a profundidad concentrada en alguna $ona del valle enparticular, por lo que para la escala que se desarrolla el fenómeno, los acuitardos que estánembebidos en el acuífero permeable pueden ser considerados homogéneamente distribuidos,o como parece ser el caso más com;n, están ausentes Esta consideración de homogeneidad

debida a la escala, junto con la discusión de la contribución de un acuitardo en el hundimientoneto, implica que puede haber acuíferos en los cuales la cantidad de acuitardos o el tama(ode estos sean lo suficientemente grandes tal que los hundimientos son controlados por ladeformación de los acuitardos


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del acuífero y del conocimiento de la relación esfuer$odeformación de cada una de lasdiferentes capas del mismo

RESUMEN

#a subsidencia ocurre cuando grandes cantidades de agua son extraídas de ciertos tipos de

rocas del subsuelo, tales como sedimentos granulares #as rocas se compactan porque elagua es parcialmente responsable de mantener el suelo estable +uando ésta es extraída delacuífero y el piso rocoso sobre el cual se encuentran los sedimentos es irregular, el acuíferose deforma y se producen fallas en el suelo #a deformación del acuífero puede ser anali$adausando una aproximación de la ecuación de esfuer$o"deformación, y conociendo laspropiedades elásticas del medio es posible evaluar la magnitud de la deformación queproduce los hundimientos del suelo #a geometría del sistema acuífero juega por lo tanto unpapel muy importante ya que provee una rigide$ irregular y por lo tanto una compactacióndiferencial En este trabajo se llevó a cabo un experimento que representa las condiciones

irregulares de un basamento no compresible utili$ando bloques rígidos sobre los cuales secoloca un material específico, simulando un acuífero confinado, al cual se le extrae el aguapara anali$ar su comportamiento Esto se hace en dos pasos, cuando el material estásaturado y cuando está completamente drenado #os resultados indican que el cambio enesfuer$os efectivos a través del tiempo produce despla$amientos verticales, los cuales sonregistrados con micrómetros de precisión en la superficie del material seleccionado +uandoel agua es extraída completamente después de cierto periodo de tiempo, el material sefractura siguiendo la trayectoria del escalón que emula lo que produce una falla de tiponormal


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elementos finitos, considerando el efecto generado por la extracción de agua del acuífero libredel valle

INTRODUCCIÓN

El agrietamiento y falla de los suelos es un problema que se agudi$a cada ve$ más en Méxicoy en el mundo En muchos casos se ha observado que este fenómeno es provocado por lasubsidencia, la cual es generada a su ve$, por la extracción de agua del subsuelo, la cual seaprovecha para abastecimiento de agua en $onas urbanas o para riego de extensas $onas decultivo En México se presenta este problema en ciudades asentadas sobre valles, como la+iudad de México, 3guascalientes, 2an #uis &otosí, +elaya, 1rapuato, Morelia, 8uerétaro,entre otras Estas ciudades que van de tama(os medio a grande, sufren este fenómenodebido a que la demanda de agua de los acuíferos ha estado en constante crecimiento,producto del rápido aumento de la población, así como al incremento de las actividadesindustriales y agropecuarias +omo una consecuencia, se ha producido el rápido abatimiento

de los niveles pie$ométricos que a su ve$ ha inducido a la consolidación del suelo #acombinación del descenso del nivel pie$ométrico con un basamento rocoso irregular producela aparición de una gran cantidad de grietas dentro y en los alrededores de las ciudades

+on la finalidad de anali$ar el fenómeno de los hundimientos y agrietamientos y prever sucomportamiento, así como los da(os provocados por estos, se utili$a un modelo a escala enel laboratorio, simulando condiciones de extracción de un po$o de agua en un mediohomogéneo bajo diferentes conformaciones del basamento 3dicionalmente, con la finalidadde cotejar los resultados, se reali$a una comparación de lo observado en el laboratorio con loque se obtiene con la aplicación de los modelos geomecánicos existentes

El abastecimiento nacional de agua para uso urbano, agrícola e industrial se produce enbuena medida a partir de agua subterránea 2e estima que del =. al => ? del total de aguaconsumida en el país proviene de sistemas acuíferos, muchos de ellos en estado desobreexplotación El mayor consumidor de agua en México es la agricultura, con cerca del @.? del total #os programas y proyectos de abastecimiento no son por lo general planificadosen función de la capacidad de respuesta del medio geológico


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En ciudades como 1rapuato, en el Estado de Cuanajuato, se tienen identificados hasta />sistemas de fallas, con una extensión lineal total de más de -> Dm En 2alamanca, Cto, sehan medido velocidades de subsidencia de = cm por a(o

+omo la subsidencia no está considerada como un desastre natural ni inducido, ni en la #eyde 3guas 6acionales ni en la #ey Ceneral del Equilibrio Ecológico y la &rotección al 3mbiente*#CEE&30, no se incluye en los programas urgentes de ayuda social


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desarrollo y uso de suelo y de mantenimiento de infraestructura urbana Este trabajo muestralos resultados de un ejemplo de la utili$ación de 1n234 para generar mapas de peligro relativoen el área nororiental de la Iona Metropolitana de la ciudad de México

ANTECEDENTES

#a ciudad de México %enochtitlan fue fundada por los a$tecas en /J-> sobre unos islotes enel lago que se encontraba en la cuenca de México +on el paso del tiempo, los a$tecasconstruyeron islotes artificiales, llamados chinampas, con el fin de ganar tierra para cultivo ypara el crecimiento propio de la ciudad &osteriormente, los espa(oles establecieron la capitalde la 6ueva Espa(a sobre los restos de la antigua ciudad a$teca !ebido a una serie deinundaciones que afectó la ciudad en el siglo K711, los espa(oles decidieron abrir la cuencacon la construcción de los tajos de 9uehuetoca y 6ochistongo, con el fin de desecar elsistema lacustre para evitar futuras inundaciones, lo que llevó a la paulatina desaparición dellago 3ctualmente, gran parte de la ciudad de México se ha desarrollado sobre los restos delantiguo lago Estos restos están formados por niveles arcillosos con un alto contenido de agua

*humedad media del :..?0, cuyo espesor varía entre J. y F. m con una alta deformabilidad%anto en la época prehispánica como en la colonial, el hundimiento de los pesados edificiosreligiosos y civiles se debió a la consolidación natural de las arcillas Este fenómenoconstituyó un serio problema para los constructores) el cual hi$o necesario reali$ar frecuentesreconstrucciones y modificaciones, las cuales han continuado hasta nuestros días 3sí, laigura /. muestra la fachada poniente del &alacio de Minería, construido a mediados del sigloK7111 2e observa cómo el piso inferior presenta una deformación en forma de catenariadebido al hundimiento de la construcción) sin embargo, el piso superior no presenta dichadeformación Esto es debido a que la subsidencia que se presentó durante la construcción fuecorregida por los constructores en los pisos superiores +on el tiempo, el suelo bajo estos

edificios se fue consolidando y el problema fue disminuyendo 2in embargo, la subsidencia seacentuó nuevamente desde mediados del siglo KK, cuando las necesidades de agua potablede la ciudad llevaron a la explotación cada ve$ más intensa de los acuíferos de la cuenca, conel consiguiente drenaje del agua desde los estratos de suelo blando y su consolidación que esel origen del hundimiento del terreno &ara dar una visión clara de su magnitud veamosalgunos datosL el nivel del terreno en la pla$a central de la ciudad *el Iócalo0 ha descendidocerca de F> m desde inicios del siglo KK hasta la actualidad) la subsidencia actual es de unos@ cm5a(o, sin que haya se(ales de que vaya a reducirse en el futuro #os efectos de estasubsidencia han sido particularmente graves para el sistema de drenaje de la ciudad y para

los edificios históricos #a ;nica forma de resolver el problema es logrando un equilibrio entrela cantidad de agua que se extrae de los acuíferos y la que se recarga en los mismos por lafiltración de agua de lluvia o por la inyección de agua tratada #as construcciones modernas ylos edificios históricos de la ciudad se comportan de modo diferente ante la subsidencia Enlos edificios históricos la principal problemática es debida a asientos diferenciales, es decir, ladeformación no es uniforme bajo la cimentación, debido principalmente a que distintos sitioshan alcan$ado diferentes grados de consolidación, dependiendo del peso de los edificios


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previos a los actuales 3sí, las áreas sobre las que existió en el pasado una construcción muypesada *por ejemplo estructuras a$tecas0 están más consolidadas y se deforman menos queotras por no haber recibido cargas importantes *huertos, calles, etc0, están menosconsolidadas Este fenómeno provoca que una $ona con topografía originalmente regularpresente pendientes e irregularidades en su elevación, las cuales se acent;an con el tiempo,

y que los edificios ubicados en dicha $ona se deformen #a mampostería de piedra, queconstituye el material básico de estos edificios, es particularmente sensible a las distorsionesinducidas por los asentamientos diferenciales) por ello los edificios presentan fuertesagrietamientos e inclinaciones que amena$an su seguridad En las construcciones modernaslos asientos diferenciales no representan, generalmente, un problema 2in embargo, duranteel dise(o y construcción de nuevas edificaciones, es importante tener en cuenta el fenómenode subsidencia regional 3sí algunos edificios construidos a mediados del siglo KK presentanel fenómeno de AemersiónB Este fenómeno se debe a que dichos edificios se cimentaron

sobre pilotes, los cuales se apoyan sobre niveles duros *rocosos0 existentes en profundidad

*pilotes columna0, bajo los niveles arcillosos, por lo que su cimentación no se ve afectada porla consolidación de las arcillas 2in embargo, conforme la ciudad sufre subsidencia, estosedificios no sufren movimiento alguno, por lo que el efecto que se produce es similar a unaemersión del edificio

+omo antecedente se tiene que en -..- se registró un descarrilamiento debido a ladeformación de las vías, sin registrarse pérdidas humanas *#lanos, -..@0 Este no es el ;nicocaso donde miles de usuarios están siendo afectados, también en varias delegaciones deloriente de la +iudad de México, un gran n;mero de viviendas han sido da(adas por lapresencia de fracturas, así como infraestructura p;blica como lo son banquetas y el pavimentode las avenidas 3lgunas de las $onas más afectadas son 1$tapalapa y +halco, donde a pesar

de que, seg;n Cu$mán *-./-0, algunos especialistas han advertido a las autoridades sobrelas causas de estas manifestaciones geológicas no se han detenido las construcciones denuevas viviendas y no existen acciones claras de planificación de las actividades deextracción de agua *-./-0

2e han detectado diversos problemas en unidades habitacionales en $onas como +halco, sereali$aron estudios y se determinó que las manifestaciones de grietas están asociadas aextracción de agua subterránea y la consecuente respuesta mecánica del terreno y enalgunas de ellas ha sido necesario llegar a desalojos por los da(os ocasionados a viviendas,pues el terreno es inadecuado para construcción, con J>.. viviendas en riesgo 3 pesar de

que las estructuras principales causantes de da(o en la región de +halco han sidoidentificadas, se ha autori$ado la construcción de complejos de hasta -. mil viviendas en la$ona #as afectaciones a la población de la Iona Metropolitana de la +iudad de México sondiversas y se reflejan en distintos ámbitos, desde las reparaciones menores que dejan de seratendidas al no representar una urgencia inmediata hasta aquéllas que requieren inversionesde recursos p;blicos y privados para la mitigación de riesgos a la población


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!esde hace ya alg;n tiempo, en distintos medios de comunicación se han abordado temassobre problemas relacionados a subsidencia en el área metropolitana de la +iudad de México,donde un gran n;mero de personas tienen afectaciones de manera directa o indirecta

MARCO TEÓRICO

#=0!arcy postuló que la tasa de flujo de agua a través de una masa de suelo es proporcional algradiente de cabe$a hidráulica, el coeficiente de proporcionalidad es llamado coeficiente depermeabilidad y es relativamente constante para un suelo saturado específico AN OO A E"/

En suelos saturados el coeficiente de permeabilidad es función de la relación de vacíos 2inembargo, el coeficiente de permeabilidad se suele considerar constante cuando se anali$anproblemas de flujo transiente En un suelo no saturado, el coeficiente de permeabilidad esafectado significativamente por cambios combinados de la relación de vacíos y el grado desaturación *o contenido de agua0 del suelo El coeficiente de permeabilidad de la fase aguadecrece rápidamente en la medida que el espacio disponible para el flujo de agua se reduce

El coeficiente de permeabilidad respecto a la fase líquida es una medida del espacio

disponible para que fluya líquido a través del suelo #as características de los medios porososson función de las propiedades de masa"volumen del suelo) de esta forma el coeficiente depermeabilidad es una función de dos de tres posibles propiedades de masa"volumen, el gradode saturación y la relación de vacíos *2, e0) la relación de vacíos y el contenido de humedad*e, P0 o el contenido de humedad y el grado de saturación *P, 20

El coeficiente de permeabilidad frecuentemente es descrito como una función singular delgrado de saturación o el contenido volumétrico de agua


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porosos saturados y la formulación de las primeras teorías de medios porosos sonprincipalmente debido a dos notables profesores del %echnische 9ocheschule of 7iennaL &aulillunger and Sarl von %her$aghi

!e /H/J a /HJ:, estos dos profesores describieron por primera ve$ el importante fenómenofísico en medios porosos rígidos saturados, específicamente relacionados con los efectos deflotación, fricción, capilaridad y esfuer$os efectivos T fue illunger *!e Uoer, /HH=0 el pioneroen una teoría de medios porosos, investigando problemas de flotación y fuer$a de fricciónactuando en pesadas presas de mampostería 3l mismo tiempo, %er$aghi se enfocó en elproblema teórico de capilaridad y estableció formalmente el concepto de esfuer$os efectivos%er$aghi reconoció que un cuerpo de suelo deformable y lleno de agua, a pesar de tener granrelevancia para la cimentación de edificaciones, no había sido científicamente tratado En unfamoso artículo presentado a la 3cademia de +iencia en 7ienna en junio de /H-J, %er$aghipresentó la derivación de su teoría de consolidación Esta teoría, que obtuvo reconocimientoinmediato, luego fue publicada en un estudio ampliado de renombre internacional que es

considerado el primer libro importante en mecánica de suelos *%er$aghi, /H:J0#a ecuación de consolidación más com;n que tiene en cuenta la no linealidad en laspropiedades del suelo de permeabilidad y compresibilidad se presenta a continuación

A5 Ncv -5- AE"-

!onde, uP es el incremento no drenado de la presión de poros, t es el tiempo, $ es posición enel espacio unidimensional y cv es el coeficiente de consolidación unidimensional

#a ecuación de la consolidación unidimensional es de tipo parabólico, de orden y dimensióndos, en que la ecuación de disipación es la ley de !arcy y la ecuación de acumulación depotencial es la ley de conservación de la masa

Existen dos tipos de condiciones de contornoL iniciales y5o de frontera &ara el caso delensayo de consolidación hay una condición inicial, ya que se conoce el valor del campoescalar incógnita en el instante inicial, y dos de frontera, una sobre el valor de la función y otrasobre su derivada Estas condiciones de contorno deben garanti$ar queL

Existe solución #a solución sea ;nica #a solución sea estable, es decir, dependa de forma continua de los datos iniciales y de los

datos sobre la frontera

%E'4Q3 !E +'M&3+%3+1R6 !E 212%EM32 3+0 identificó que un acuífero artesiano *la areniscade !aDota0 se comprimía cuando la cabe$a artesiana decrecía Mein$er declaró que lapresión de sobrecarga de todos los lechos por encima del acuífero confinado !aDota eransoportados parcialmente por la presión del fluido en la superficie de la .? debido a la declinación de la cabe$a artesiana


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Men$ier */H-@0, en un artículo clásico discute la compresibilidad y elasticidad de acuíferosartesianos en detalle, en este documento cita evidencia para compresibilidad y elasticidadderivada de ensayos de laboratorio y expone su evidencia en acuíferos confinados y paragrandes cuencas artesianas, especialmente la cuenca artesiana !aDota, concluyeL

A#os acuíferos artesianos son todos aparentemente más o menos compresibles y elásticosaunque difieren ampliamente en el grado de importancia relativa de estas propiedades Engeneral las propiedades de compresibilidad y elasticidad son de mayor consecuencia enacuíferos que tienen baja permeabilidad, recarga lenta y cabe$a alta En muchos acuíferosestas propiedades son evidentemente importantes para el abastecimiento de agua, no solopor la reducción permanente de almacenamiento sino también por la reducción temporal comorepuesta cuando los po$os son inyectados o durante épocas de mínimo usoB

4econociendo de esta forma que el agua extraída era liberada tanto por la compresión delacuífero y expansión del agua y que la compresión puede ser permanente *inelástica0 asícomo elástica *recuperable0

El siguiente gran aporte en la comprensión de la manera en la cual los acuíferos artesianosliberan agua fue desarrollado por %heis */HJ>0, a través de la analogía de una ecuación deflujo transiente de agua subterránea para descargar un po$o con la teoría matemática deconducción de calor Esta ecuación, la cual por primera ve$ introduce el tiempo y el coeficientede almacenamiento *20, es parte fundamental del estudio de la hidrogeología 2iguiendo eldesarrollo de de esta ecuación, %heis */HJ@0 define el coeficiente de almacenamiento comoAel volumen de agua, medido en pies c;bicos, liberado en cada columna de acuífero área debase de un pie cuadrado y altura igual al espesor del acuífero, cuando el nivel freático u otrasuperficie pie$ométrica es abatida un pieB

acob */H:.0 postuló que cuando el agua es removida de un acuífero artesiano elástico y lapresión decrece, el agua almacenada es derivada de una expansión del agua confinada, lacompresión del acuífero y la compresión de estratos adyacentes incluidas intercalaciones dearcilla +oncluyó que la tercera fuente probablemente es la principal en el caso habitual, ydeclaró Adebido a la baja permeabilidad de las arcillas existe un retraso de tiempo entre la bajade presión dentro del acuífero y la aparición de parte del agua que es desalojada en estasarcillas

En el campo de la mecánica de suelos, Sarl %er$aghi */H->) %er$aghi y &ecD, /H=F0 desarrollola teoría de consolidación primaria unidimensional de arcillas que ha servido de base parasoluciones de la mayoría de los problemas de asentamientos y mecánica de suelos en el siglo

pasado Esta teoría com;nmente es usada para estimar la magnitud y tasa de asentamientoso compactación que ocurrirá en depósitos arcillosos bajo cambios en los esfuer$os !eacuerdo con esta teoría, la compactación resulta del lento alivio del incremento de presión deporos en los depósitos sometidos a carga, acompa(ada por una transferencia gradual delesfuer$o desde la presión de poros a la estructura granular del depósito En desarrollo de suteoría de consolidación en /H->, %er$aghi también introdujo el principio básico de esfuer$osefectivos A VN *WXuP 0A E"J


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%1&'2 !E E2


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un moderado rango en esfuer$os y completamente recuperable si los esfuer$os se revierten ala condición inicial

&ara incrementos en esfuer$os efectivos en el rango de carga que excedan la presión depreconsolidación, la compactación AvirgenB de acuitardos es principalmente inelástica, esto es,no recuperable a;n si decrece el esfuer$o 2in embargo, esta compactación virgen incluye uncomponente elástico recuperable que es peque(a comparada con el componente norecuperable #a compactación virgen es aproximadamente proporcional al logaritmo delesfuer$o efectivo

#a compactación de acuíferos, en contraste a los acuitardos, es principalmente elástica*recuperable0 pero puede incluir un componente inelástico En arenas angulares y malgradadas y especialmente en arenas micáceas, el componente inelástico puede dominar ladeformación

16%4'!


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incrementando el riesgo de da(os a la infraestructura, afectando considerablemente lavulnerabilidad del acuífero de la +iudad de México

OBJETIVOS

'bjetivo generalL

Cenerar soluciones alternativas a los problemas de subsidencia por la extracción de aguas

subterráneas

3nali$ar aplicando el método de elementos finitos los asentamientos producidos en áreas

requeridas

'bjetivos específicosL

4ecopilar y evaluar la información disponible Elaborar un modelo geotecnio y geotécnico en las $onas sin problemas Elaborar un modelo geotecnio y geotécnico en $onas de subsidencia Estudiar las $onas alternativas


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METAS

#as metas para la reali$ación de este trabajo de ingeniería se resume a continuaciónL

#a recopilación de antecedentes donde existen las posibilidades de hundimientos

#a recopilación de antecedentes de la instrumentación disponible en el mercado,

caracteri$ándola por sus límites de lectura admisible

4ecopilación de antecedentes relacionados con el tra$ado, la geología y la geomorfología de

las áreas requeridas

4ecopilación de buenos resultados para este trabajo de estudio

3nálisis de las componentes del sistema de monitoreo a recomendar implementación del

sistema de monitoreo y lectura de las deformaciones y esfuer$os que suceden en el subsuelo

4eali$ar la comparación entre las deformaciones y esfuer$os pronosticados con las realmente

medidas, a objeto de optimi$ar el futuro dise(o y construcciones a futuro

'btención de conclusiones y recomendaciones basadas en la comparación entre las

deformaciones que existan con alg;n programa de monitoreo

+on estos resultados dar una solución posible a cualquier hundimiento del país


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METODOLOGÍA

%1&'2 !E E2%


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J #ongitudinalL se puede emplear este tipo de estudio por que existen diferentes variables,como sonL topografía de la $ona, pruebas de laboratorio, toma de datos, registro de datos,calculo de las deformaciones, modelo en -! o J! de la $ona donde existan las fallas, dar resultados favorables para evitar o dar una solución favorable con el problema de lasubsidencia

TIPO DE MUESTRA:

Muestreo probabilísticoL

6uestro universoL en nuestro proyecto el universo serán x lugares, donde exista el problemade la subsidencia, de ahí se harán pruebas para poder dar un buen resultado factible

MY%'!'2 &343 #3 4E+'#E++1R6 !E !3%'2L

o 'bservaciónL se pretende visuali$ar el proceso para la reali$ación de este proyecto, así como

las características ya mencionadaso ExperimentaciónL se pretende reali$ar varias pruebas *sondeos0para encontrar un resultado

favorableo 4egistrosL para la recopilación de la información de ocuparía ya mencionado lo que es el

sondeo, registro topográfico de la $ona

%1&'2 !E M'!E#'2L

2eg;n la guía de la


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objetiva que relacionar solamente el tiempo ya que si cambia la relación de volumen deextracción durante el tiempo, los modelos pueden seguir funcionando 2i los mapas deabatimiento están disponibles para un periodo de tiempo dado, durante el cual la subsidenciay el abatimiento se han dado sin interrupción, entonces la relación con la subsidencia puedetra$arse en un mapa de isolíneas

&ara este caso se calcularían las deformaciones para diferentes abatimientos del nivelpie$ométrico considerando que el nivel inicial tiene la misma forma y posición de la superficie,y que el nivel pie$ométrico final tiene también la misma forma de la topografía superficial

Modelos teóricos

#os modelos teóricos son modelos que incluyen las propiedades mecánicas de los suelospara predecir su comportamiento, estas propiedades son difíciles de obtener y anali$ar demanera que sean representativas de toda una región, además, el incluir todas las variables enun solo modelo puede resultar muy complicado &or esta ra$ón, los modelos teóricos hacen

una serie de hipótesis con la finalidad de simplificar el análisis, la idea es que estas hipótesishagan que el proceso sea práctico intentando afectar lo menos posible a los resultados) nuncahay que perder de vista cual es el nivel de precisión necesario


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CALENDARIZACIÓN

/ !esarrollo topográfico de la $ona

- !esarrollo de pruebas *sondeo0J !esarrollo de penetraciones en el subsuelo: 'btención de datos de las prácticas anteriores> +alculo de la deformación de la $ona con ayuda de un softPare= !esarrollo de un modelo -! o J! de la $ona afectada

+reación de la solución a los problemas, como sonL

F &rograma de reforestación@ &rograma de relevación de taludesH &rograma de conservación y recuperación de suelos

/.&lan de gestión social// 2aneamiento básico ambiental/-&rograma de seguimiento de monitoreo/J&lan de contingencia

IMPACTO BENEFICIOS EN LA SOLUCIÓN A UN PROBLEMA


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&ara evitar estas pérdidas de presión en la base de las arcillas, debida a la intensaexplotación de que es objeto el agua contenida en las capas permeables inferiores, se piensa,por un lado, en el abandono gradual de todos los po$os de servicio, y por otro, además, enrestituir al subsuelo el agua extraída

&ero sin embargo el restituir el agua al subsuelo, presenta serios problemas, ya que alrestablecer las condiciones de equilibrio hidrostático del subsuelo y desaparecer el régimen dedepresión que act;a sobre la plasticidad de las arcillas, el efecto resultante equivale a unadescarga de las mismas, produciéndose por tanto, en consecuencia una expansión haciaarriba del terreno

2eg;n las mediciones hechas con muestra de arcillas extraídas del subsuelo de la ciudad, seestima que la superficie de la ciudad se elevaría en unos =. cm, lo que hay, por tanto quetener en cuenta para que este proceso no ocasione mayores perjuicios que los actuales

%'M3 !E !3%'2 T I'611+3+1'6

&ara la reali$ación de este proyecto de investigación se reali$an en ocasiones /.= sondeos,/> penetraciones dinámicas y F penetraciones estáticas diseminados para $onificar elterritorio y, en función de sus características geotécnicas, anali$ar su comportamiento conrespecto a la subsidencia

En este sentido, se enviaran los datos con todos los sondeos y penetraciones situados, y sehan tra$ado las curvas de nivel correspondientes a los siguientes parámetros del corte delterrenoL profundidad del relleno, espesor de la capa de arcilla, muro de la misma, muro de laarena, profundidad del techo de la grava y fondo de la misma, con representaciones en tresdimensiones que dan una idea intuitiva de la distribución de los distintos estratos y la

disposición del subsuelo 3demás de definir los valores medios representativos de los estratos del terreno seg;n lasdistintas $onas y aplicarlos para anali$ar el comportamiento medio, también se proponereali$ar el estudio sobre los puntos del terreno que presenten el mayor espesor del estratocompresible *que dará un mayor efecto de la subsidencia0, el estrato de arcilla más blanda*que se tomará como arcilla normalmente consolidada0, y el de mayor descenso del nivelpie$ometrico *que identificaremos con un corte determinado del terreno0

&ara el estudio de los casos más desfavorables en cuanto al asiento provocado por lasubsidencia se han considerado principalmente los datos que se tienen de la resistencia a

compresión simple qu, el golpeo 6 del 2&%, los ensayos de penetración de que se disponen

y los ensayos edometricos *para los datos de la arcilla normalmente consolidada0

%odas estas simplificaciones se deben de hacer de acuerdo a los datos reales que se tengande campo, a la simplicidad que se quiera del modelo, la aplicación de éste, la precisiónrequerida, etc Existen principalmente dos tipos de modelos teóricos que se encontraron paraanali$ar la subsidenciaL /0 #os que relacionan la compresibilidad de los materiales con elpotencial de subsidencia y -0 #os que alrededor del mundo se han observado hundimientos y

http://www.monografias.com/trabajos14/verific-servicios/verific-servicios.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos13/depre/depre.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos13/depre/depre.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos14/verific-servicios/verific-servicios.shtml


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agrietamientos de los suelos 2e han identificado varias causas que provocan este fenómeno,en muchos de los casos la subsidencia es generada por el aprovechamiento de vapor delsubsuelo para la generación de electricidad, la extracción de petróleo o gas o la extracción deaguas subterráneas

'%4'2 %1&'2 !E 1M&3+%' T UE6E1+'2 !E #3 2


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3unque la subsidencia sea inducida, los propietarios de po$os que la provocan no conocenlos efectos que la extracción del agua que se les concesionó produce #os Municipios quereciben reclamaciones pueden argumentar que el agua es un bien federal y que ellos sólo loadministran #os quejosos son entonces direccionados hacia el ámbito federal, pero nadaampara el reclamo Z#os agricultores que usan agua subterránea son los responsables de los

efectos da(inos de dicha extracción o lo son las autoridades que asignaron concesiones yvol;menes[

2i se entiende el proceso que origina la subsidencia se puede tratar de controlarlo medianteuna extracción de agua planificada Ello requiere de la incorporación de herramientascomputacionales como modelos matemáticos de flujo que consideren predicciones decompactación del terreno #os Municipios deben incorporar la cultura de la prevención y elconocimiento p;blico de fenómenos potencialmente riesgosos para la propiedad inmueblep;blica o privada 2istemas de monitoreo de hundimientos deberían de ser práctica com;n

En algunos casos, el cambio de ubicación de po$os evita la extracción de los acuitardos o

bien se profundi$an para minimi$ar el impacto de la extracción #a alta dependencia de aguasubterránea para abastecimiento urbano y para riego agrícola hace prácticamente imposible elsuspender la extracción #os Municipios deben incorporar la subsidencia en los programas deordenamientos territoriales, limitando drásticamente la construcción en $onas de fallas ofracturas 3l estar asociada a la extracción de agua subterránea, la subsidencia es unfenómeno que no se puede detener mientras contin;e la explotación de los sistemas acuíferos

regionales #a recarga artificial no es una solución ya que las unidades arcillosas no sepueden recargar, aunque puede ser un recurso paliativo en aquellos casos en donde losacuitardos tengan componentes subyacentes factibles de ser recargados &ara manejar de lamanera más adecuada el problema son necesarias las siguientes accionesL Mapeo de lasfallas o sistemas de fracturas Ceoposicionamiento de las fallas o fracturas en planos urbanosescalas /L/.,... . /L->,..., verificando con estaciones totales su posición +reación debases de datos geológicos y de información sobre n;mero de po$os y vol;menes deextracción +reación de 2istemas de 1nformación Ceográfica que permitan la rápidaincorporación de información nueva Establecimiento de un programa de monitoreo paraobservar la evolución espacial y temporal de los despla$amientos

verticales !efinición de perímetros de riesgo Establecimiento de contacto permanente de losgrupos que estudien la subsidencia con las dependencias locales encargadas de permisos deconstrucción


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3unque existan evidencias de ello, no es fácil demostrar que un proceso de hundimiento delterreno, o subsidencia, esté estrechamente relacionado con la extracción de aguasubterránea, extracción que mayoritariamente no es urbana 3un en el caso de que laextracción sea mayoritariamente agrícola, no se puede AculparB a la misma de loshundimientos pues los usuarios agrícolas poseen concesiones asignadas por autoridades

federales !ada la desprotección oficial de los afectados por la subsidencia, la ;nicaalternativa que tiene la sociedad es protestar a través de los medios de comunicaciónmasivos, organi$aciones ambientalistas o partidos políticos que no constituyen instanciaslegales adecuadas para atacar el problema ni para paliar sus efectos &or ello, es preciso quelas instituciones federales delimiten responsabilidades sobre los problemas derivados de lasubsidencia Es necesario legislar al respecto e incorporar información técnica como mapasde riesgos, de vulnerabilidad acuífera o 2istemas de 1nformación Ceográfica en losorganismos dedicados al agua, al medio ambiente, a la protección civil o la obra einfraestructura urbana #a incorporación de herramientas como modelos matemáticos

computacionales y levantamientos topográficos periódicos con estaciones totales sonimperativos $onas en donde se ha reportado subsidencia

ME!1+1'6E2 &E41R!1+32

#a medición se puede hacer usando métodos topográficos convencionales, sistemas deposicionamiento global *C&20 o una técnica que utili$a imágenes de satélite denominadainterferometría diferencial, que es la comparación de imágenes de radar de un mismo sectoren diferentes momentos en los que pasa el satélite Estas diferencias permiten determinar losdespla$amientos relativos verticales de muchos puntos, con precisión de milímetros En un

periodo de evaluación de unos ocho a(os, en algunos sectores se detectaron tasas de uncentímetro por a(o, mientras que en otros, de hasta F,> cm #os mayores valores seregistraron en la $ona industrial, en donde existen varios po$os de extracción de agua%ales estudios permiten concluir que, dadas las características mecánicas de los suelos de lacapital, existe una estrecha correlación entre los descensos de presión del agua subterránea yel hundimiento del terreno

2in embargo pueden intervenir otros factoresL extracciones de aguas freáticas o pocoprofundas para construcción de sótanos de edificios) aumentos considerables de cargasproducidos por el peso de las nuevas construcciones en los suelos blandos) incluso, aspectos

de tipo estacional *relacionados con leves variaciones en los niveles del terreno en épocas desequía y lluvia, por efectos de contracción y expansión superficiales0

2e deduce, además, que dichas deformaciones no constituyen una amena$a severa para lainfraestructura de redes de servicios p;blicos, vías o edificaciones &ero, a mediano y largopla$o, las anomalías pueden incrementarse por factores como el aumento de la explotacióndel líquido o construcciones en las partes altas de los cerros, sectores desde donde serecargan los acuíferos


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+uando los hundimientos totales son muy grandes, puede darse una aparente elevación delos edificios apoyados en la roca mediante pilotes Entonces, el primer piso queda por encimadel nivel del terreno, lo que hace necesario construir nuevos escalones de acceso y readecuar redes e instalaciones +asos incipientes se evidencian en el nororiente de la ciudad

3nte lo anterior, se recomienda mantener actuali$ada la información, hacer seguimientodetallado de los caudales de explotación de agua y detectar la posible existencia de po$osclandestinos &ues los vol;menes no reportados de extracción pueden llegar a sersignificativos para el incremento de los hundimientos

%ambién resulta indispensable continuar midiendo tanto las deformaciones superficiales delterreno como las presiones 3demás, deben instalarse unos instrumentos denominadosextensómetros para medir las deformaciones internas del suelo, con el fin de verificar cuálesson las capas del terreno que más se deforman

Este fenómeno debe ser evaluado durante los estudios del metro, porque tanto lasexcavaciones como las extracciones de agua subterránea que se ejecuten durante su

construcción pueden ocasionar problemas de hundimientos que deben preverse desde lasetapas de dise(o, para evitar da(os en las edificaciones y vías de la superficie

EEM' !E 2'#


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#a secuencia de rellenos en el valle es muy heterogénea, sin embargo, a partir de registroslitológicos de po$os, ha sido posible identificar tres paquetes de relleno bien diferenciados

3sí, en la parte central del valle se identifica un paquete de rellenos aluviales del cuaternario*8 3l0 compuesto por arcilla, limo y arena fina que se presenta en espesores variables dehasta >. metros !ebajo de los rellenos del +uaternario se encuentra una secuencia de

depósitos fluviales, aluviales, lacustres *principalmente arcilla, arena y grava0, así comodepósitos de piroclastos no consolidados *%p &y #ac0 constituidos por tobas y depósitosvolcánicos de caída 3 este paquete sedimentario se le ubica en el &lioceno *+arreónreyreet al., -..>0 El cuerpo del acuífero granular superficial está formado por estos dos paquetesde sedimentos de permeabilidad media a alta *+63, -...) 3rroyo et al., -..-0 de donde se hadrenado la mayor parte del volumen del agua que se ha extraído del acuífero del valle de8uerétaro !ebajo de este relleno se encuentra un derrame de lava de composición basálticay andesítica *%mt 3U0, el cual forma el lecho rocoso del acuífero superficial !e acuerdo conlos registros litológicos de po$os, este derrame de lava se encuentra presente en todo el valle

de 8uerétaro, asignan a este estrato rocoso una antig\edad del Mioceno tardío y +arreónreyre et al. *-..>0 identifica este estrato como la secuencia volcánica que divide las dosprincipales secuencias fluviolacustres terciarias del valle de 8uerétaro 3l derrame basálticoandesítico le subyace una secuencia de relleno compuesta por sedimentos lacustres ypiroclastos del 'ligoceno y del Mioceno *%o%m &y #ac0 medianamente consolidados !ebajode estos sedimentos se encuentra una secuencia de rocas volcánicas %erciarias *%p 3U0 queyacen sobre una unidad de cali$as y areniscas *Si +$ 3r0 del +retácico 1nferior *+63, -...)

3lani$Glvare$ et al., -../) 3rroyo et al., -..-) +arreónreyre et al., -..>0 #a muestra uncorte estratigráfico simplificado de la secuencia que constituye el acuífero, el cual fue utili$adopara el modelado de la sección interpretada

El concepto de esfuer$os efectivos modificado presentado en este trabajo permite definir losconceptos de peso volumétrico aparente e incremento aparente en el peso volumétrico, loscuales son ;tiles para modelar el proceso de subsidencia

3 partir de la simulación de los hundimientos reali$ado con elementos finitos sobre unasección del acuífero inferida a partir de mediciones gravimétricas e información litológica depo$os, se observa que el drenado de las capas superiores de sedimentos del acuífero delvalle genera tanto deformaciones verticales de acortamiento y esfuer$os de compresión en lamasa de suelo como también esfuer$os de tensión y despla$amientos hori$ontales

3dicionalmente, se observa que los fallamientos superficiales de suelo que cru$an la secciónanali$ada coinciden con las $onas de concentración de esfuer$os principales de tensión y conlas $onas de máximo despla$amiento hori$ontal por lo que se corrobora que los fallamientossuperficiales se generan en los límites de las $onas de hundimientos

#os resultados muestran que los estratos rocosos intercalados con los sedimentos estánsujetos a esfuer$os por el incremento aparente del peso de la masa de suelo 3 menos que


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estos se encuentren muy fracturados y disipen el esfuer$o al que están siendo sometidos através de una deformación lenta y diferida a través del tiempo, teóricamente son susceptiblesde presentar rompimientos s;bitos

!e acuerdo con los resultados, para el caso en el que el abatimiento del acuífero sea

uniforme, la topografía del lecho rocoso que subyace al relleno es el factor más importantepara que se generen despla$amientos hori$ontales en las partículas del suelo, siempre ycuando no existan variaciones laterales importantes en las propiedades de la masa de suelo

#a sección anali$ada tiene una longitud de /J Dilómetros, mientras que los esfuer$os ydeformaciones asociados al fallamiento de la masa de suelo se distribuyen hasta unaprofundidad de alrededor de />. metros 3 esta escala los resultados sólo muestran elcomportamiento regional del acuífero en cuanto a distribución de esfuer$os y deformacionesse refiere Esto es suficiente para clasificar $onas con riesgo potencial de generación deagrietamientos a escala regional 2in embargo, para obtener resultados más precisos ypuntuales es necesario aumentar la densidad de estaciones gravimétricas para generar secciones más detallados de la variación del lecho rocoso

#a metodología desarrollada en este trabajo puede ser implementada para el cálculo de loshundimientos finales en una $ona sujeta a extracción de agua subterránea 2in embargo, laprecisión de los resultados finales dependerá del conocimiento de la estratigrafía del acuíferoy del conocimiento de la relación esfuer$odeformación de cada una de las diferentes capasdel mismo


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REFERENCIAS

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PROTOCOLO -subcidencia (2)

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