LICUACIÓN SISMICA DE SUELOS EN LA CIUDAD DE AREQUIPA CAUSADA POR EL TERREMOTO DEL 23 DE JUNIO DEL 2001 Calixto Yanqui Murillo, M. Sc. Profesor del Departamento de Ingeniería Civil Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa
RESUMEN
El terremoto del 23 de junio del 2001 provocó la licuación del suelo en tres lugares de la ciudad de Arequipa: Arequipa: Semirural Pachacútec, Pachacútec, Huaranguillo, y la urbanización urbanización Las Magnolias. En el primero, el nivel freático se halla a un metro y medio de profundidad y el efecto más importante fue el severo alabeamiento de los muros de cerco, hasta llegar al colapso. En el segundo, el nivel del agua está a medio metro de profundidad y el el efecto fue el agrietamiento agrietamiento del terreno terreno y la aparición de dos dos ebullideros. En el tercero, el nivel freático está está a una profundidad profundidad de un metro metro y el impacto en el terreno y en las construcciones ha sido muy severo, provocando agrietamiento, ebullideros,
flotación de buzones, desplome de postes,
rotura y desnivelación de pisos,
asentamiento de veredas y agrietamiento de las viviendas. En el presente trabajo se reportan las propiedades del suelo, determinadas antes del terremoto y el análisis dinámico del suelo, que demuestra la existencia de los horizontes licuables.
1.- INTRODUCCIÓN La numerosa experiencia acumulada en los últimos terremotos a nivel mundial, ha conducido a la conclusión de que el fenómeno de licuación de suelos durante los eventos sísmicos puede ser estudiado según la superficie del terreno sea plana o inclinada (Ref.1). Cuando el terreno es plano, se presentan presentan dos problemas: primero, la discriminación de si si el suelo es o no licuable licuable y, segundo, el asentamiento que se produce produce por la disipación de la presión presión de poros desarrollada desarrollada en el horizonte licuable. licuable. Cuando el terreno es un talud, debe estudiarse estudiarse el potencial de de licuación, igual que en el primer caso, y luego la posibilidad posibilidad de ocurrencia de una una falla por flujo o de grandes desplazamientos laterales.
Ponencia presentada en el XIII Congreso Nacional de Ingeniería Civil. Puno, 2001.
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En la ciudad de Arequipa, durante el terremoto del 23 de junio del 2001, el fenómeno de licuación sísmica se redujo a un problema de superficie plana del terreno, principalmente. pri ncipalmente. 2.- EVALUACIÓN DEL POTENCIAL POTENCIAL DE LICUACIÓN LICUACIÓN 2.1. Evaluación de la resistencia cíclica cíclica El potencial de licuación de las arenas saturadas sometidas a una carga sísmica ha sido estudiada extensamente extensamente por muchos muchos investigadores usando ensayos ensayos triaxiales cíclicos, cíclicos, ensayos cíclicos de corte simple o ensayos cíclicos de torsión. Estos estudios generalmente han confirmado que la resistencia a la licuación está influenciada por varios factores, tales como: el esfuerzo inicial de confinamiento, confinamiento, la intensidad de la sacudida, sacudida, el número de ciclos de de aplicación del del esfuerzo y el índice de poros o la densidad relativa. relativa. Como consecuencia consecuencia de estos estudios se ha reconocido como razonable considerar el efecto combinado de los esfuerzos cíclicos de corte y del esfuerzo inicial de confinamiento en términos de la denominada razón cíclica del esfuerzo σd/2σ0 donde σd denota la amplitud simple del esfuerzo axial cíclico y σ0, el esfuerzo inicial de confinamiento. Así, se ha convertido convertido en una práctica rutinaria realizar realizar los ensayos con una relación del esfuerzo esfuerzo cíclico capaz de causar causar 5% de deformación deformación axial en 20 20 ciclos ciclos de carga como un factor cuantificador de la resistencia de de las arenas ante los fenómenos fenómenos de licuación, para un estado de ensamblaje de los granos cuya evaluación macroscópica esta dada por el índice de poros o la densidad relativa. En el campo uno de los métodos que ha ganado mucha aceptación es el ensayo de penetración estándar, SPT. Este método mide la resistencia del suelos a la penetración. Sin embargo, existen dos enfoques para establecer una correlación entre el número de golpes del SPT con la resistencia resistencia cíclica de los suelos. suelos. El primero se basa en la investigación investigación de que si si un depósito de suelo en un sitio sitio ha sufrido o no licuación licuación durante los terremotos terremotos pasados, con una estimación estimación razonable de la intensidad de sacudida. Como se conoce si hubieron o no daños causados por la licuación del suelo, es posible establecer establecer una relación crítica entre la relación cíclica del esfuerzo y el número N del SPT. Este enfoque fue desarrollado por Seed (Ref. 2), sobre la base base de un vasto número de datos de comportamiento de campo de los depósitos de arena que sufrieron fuertes sacudidas durante los terremotos terremotos recientes. El segundo método que establece una correlación correlación entre la resistencia cíclica y el el valor N fue propuesto propuesto por Tatsuoka y sus sus colaboradores (Ref. 3). Este enfoque consiste en recolectar el mayor número de datos de ensayo de laboratorio sobre la resistencia cíclica de muestras muestras inalteradas de suelo, recuperadas de los depósitos depósitos cuya resistencia a Ponencia presentada en el XIII Congreso Nacional de Ingeniería Civil. Puno, 2001.
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la penetración penetración es conocida. Esto permite permite establecer una relación muy sencilla, como aquella recomendada por el Código de Práctica Japonés de Diseño de Puentes: ⎛ σ dl ⎞ ⎛ 0,35 ⎞ ⎜ ⎟ = 0,0676 N1 + 0,225 log10 ⎜⎜ ⎟⎟ ⎜ 2σ ⎟ D ⎝ 50 ⎠ ⎝ 0 ⎠ 20
cuando el diámetro medio de la partícula D 50 está comprendido comprendido entre 0,04 y 0,60 mm, y ⎛ σ dl ⎞ ⎜ ⎟ ⎜ 2σ ⎟ = 0,0676 N1 − 0,05 ⎝ 0 ⎠ 20
Cuando D50 se halla entre 0,60 y 1,50 mm. El valor corregido de penetración N 1 se obtiene a través de un factor de corrección C N que se define como: CN =
1,7 σ,v + 0,7
donde σv’ es la presión efectiva efectiva de sobrecarga en k/cm2. Ecuaciones de este tipo han sido propuestas por Kokusho (Ref. 4) en base a un gran número de datos de ensayo ensayo de laboratorio en en arenas limpias; así como por Shibata Shibata (Ref. 5) y Tokimatsu y Yoshimi (Ref.6) sobre la base de un gran volumen volumen de datos obtenidos principalmente principalmente en Japón. Japón. En China, el criterio para identificar los depósitos arenosos susceptibles a la licuación tiene ti ene la forma ⎛ σ dl ⎞ 1 ⎜ , ⎟ = (9,5N1 + 0,466N12 ) ⎜ 2σ ⎟ ⎝ 0 ⎠ 20 1000
2.2. Evaluación del esfuerzo actuante El esfuerzo inducido por un terremoto en cualquier profundidad del terreno, debido a la propagación ascendente de las ondas de corte en un medio horizontal puede obtenerse siguiendo el método sencillo propuesto por Seed e Idriss (Ref.7). La relación del esfuerzo actuante que puede causar licuación del suelo tiene la forma:
Ponencia presentada en el XIII Congreso Nacional de Ingeniería Civil. Puno, 2001.
3
⎛ σ dl ⎞ 1 τ av,l τmáx,l ⎜ , ⎟ ≈ ≈ , , ⎜ 2σ ⎟ 0 65 , σ σv v ⎝ 0 ⎠ 20
Donde r d puede ser ser calculado usando usando la ecuación ecuación propuesta propuesta por Iwasaki Iwasaki y sus colaboradores (Ref.8): R d = 1-0,015z estando z en metros. 3.- CARACTERÍSTICAS DE LA SOLICITACIÓN SÍSMICA Según los datos publicados, el terremoto de Arequipa del 23 de junio del 2001 tuvo una magnitud de 6,9 para las ondas ondas volumétricas volumétricas y 8,1 para las ondas de corte, con una una duración de aproximadamente dos minutos. El hipocentro estuvo cerca de Ocoña, a una profundidad de 33 km. Para los fines del presente estudio, se considera que el evento puede ser definido por un coeficiente de sacudida de 0,15. 4.- LICUACIÓN EN LA LA URBANIZACIÓN LAS LAS MAGNOLIAS En el distrito de Socabaya, en la zona de Lara, existe una pequeña cuenca que va desde el Club de Golf hasta el río Sabandía, donde se han asentado algunas urbanizaciones pequeñas como Las Magnolias y los Cristales; las cuales ocupan algunas áreas que durante el último terremoto se licuaron. Los efectos observados en la superficie del terreno fueron: distorsión y fracturamiento de los pisos, ebullición de agua con arena, asentamiento de una vereda en 12 cm, aproximadamente, alabeamiento de de un depósito depósito de agua agua construido con con ladrillo y sillar, agrietamiento del del suelo, desplazamiento lateral de los pequeños taludes de un dren abierto, inclinación y caída de los postes de luz en diferentes direcciones, agrietamiento de los muros portantes de algunas viviendas y de los muros de cerco, levantamiento de un buzón de desague y colapso de muros pequeños . 4.1. Geología local El sustrato rígido está constituido por el denominado “flujo de barro”, compuesto por bloques andesíticos, angulosos, de diversos tamaños, cuyos intersticios están rellenados por una matriz areno-tufácea de de granos angulosos y un material material cementante cementante limo–arcilloso, con con moderadas moderadas cantidades de carbono carbono de calcio. De la geología regional se deduce deduce que esta unidad sobrepasa sobrepasa los 30 m. de grosor. El flujo de barro ha sido considerado considerado por la mayoría de autores de edad edad cuaternaria pleistocénica. Sobre una capa de meteorización, meteorización, yace una arena arena limosa aluvial, mal Ponencia presentada en el XIII Congreso Nacional de Ingeniería Civil. Puno, 2001.
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graduada de color café claro, claro, de fragmentos andesíticos, de forma subredondeada subredondeada y subangulosa, subangulosa, con una ligera plasticidad, embebidos en una matriz arenosa no cementada. El diámetro máximo de los fragmentos es de 6 cm . A través de una una discordancia erosional, erosional, sobre la unidad anterior, anterior, descansa una secuencia interestratificada paludial de arenas, arenas finas y limos, limos, de color gris rosáceo, beige y beige rosáceo. rosáceo. La estratificación estratificación es casi horizontal horizontal y las capas de limo varían entre 5 y 10 cm de espesor. Más arriba, aparece un horizonte paludial que rellena una antigua depresión del terreno, terreno, y que contiene una variedad de de facies paludiales, paludiales, que van desde desde la arena gruesa de origen eólico, eólico, hasta la ceniza blanca blanca de origen volcánico, volcánico, con un buen contenido contenido de material orgánico. La arena de origen eólico es de color blanco grisáceo y está constituida constituida principalmente de pómez. La arena intermedia es de color blanco grisáceo y contiene fragmentos pomáceos, subesféricos y subredondeados, subredondeados, junto con innumerables raicillas. La ceniza volcánica aparece esporádicamente esporádicamente en pequeñas pequeñas áreas. Estos materiales, materiales, en conjunto, están asociados asociados a una zona pantanosa de vegetación y olor típicos. Rematando la columna estratigráfica se encuentra la superficie que proviene de la meteorización de los suelos anteriores; principalmente del material material aluvial que exhibe una edad mayor. mayor. La meteorización meteorización es fundamentalmente fundamentalmente bioclimática y está asociada a una coloración coloración oscura. que aparece en el dominio dominio de la superficie del terreno. 4.2. Características de los horizontes licuados
Muestra
Prof.
SUCS
F
Cu
D 50
emáx
emín
e
Dr
102
1,10-1,80
SP-SM
9,80
6,37
0,26
1,17
0,48
0,85
46,0
0,70 2,30
201
0,00-2,00 0,00-2,00
SP-SM SP-SM
10,40 10,40 9,03
0,44
2,12
0,80
1,44
51,64 51,64
0,50 2,05
202
2,00-4,30 2,00-4,30
SP-SM
10,60 10,60 3,60
0,24
2,19
0,58
2,01
8,0
0,68 2,31
401 401
1,90 1,90-2 -2,7 ,700
SM
36,5 36,500
-
0,10 0,1055 1,28 1,28
0,57 0,57
0,83 0,83
47,9 47,966
0,82 0,82 2,41 2,41
402 402
0,62 0,62-1 -1,9 ,900
SM
31,2 31,200
-
0,15 0,15
1,49 1,49
0,45 0,45
0,73 0,73
72,8 72,8
0,82 0,82 2,30 2,30
501
0,60-1 0,60-1,20 ,20
SP-SM SP-SM
10,40 10,40
5,0
0,26 0,26
1,16 1,16
0,48 0,48
0,55 0,55
90,07 90,07
0,90 0,90 2,40 2,40
b
G
5.- LICUACIÓN EN HUARANGUILLO HUARANGUILLO En el anexo de Huaranguillo del distrito de Sachaca, en la vecindad de la Planta Embotelladora de Kola Real, se encuentra una zona pequeña que durante el terremoto sufrió el fenómeno de licuación sísmica. En el lugar aparecieron aparecieron dos ebullideros: uno pequeño pequeño que llegó a formar un pequeño volcán de arena y otro grande que despidió agua con arena rosada. También se Ponencia presentada en el XIII Congreso Nacional de Ingeniería Civil. Puno, 2001.
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observaron algunas grietas longitudinales en un talud de un metro de altura. Un cerco construido según las normas de albañilería sufrió un pequeño asentamiento. 5.1. Geología local En esta área se se han distinguido los siguientes horizontes, horizontes, de mas a menos menos reciente: Material Material eluvial-antrópico, material eólico-aluvial eólico-aluvial y volcánico Sencca rosado. El material eluvial-antrópico se describe describe como como una una arena arena limosa, limosa, de color color café oscuro, poco plástica, suelta, deleznable, uniforme, constituida por granos subredondeados, subredondeados, de composición andesítica, piedra pómez y restos de tufo puzolánico puzolánico de 0,80 metros de grosor, en promedio, promedio, con presencia de algunas algunas raicillas filamentosas. El material material eólico aluvial está constituido constituido por una arena de color gris gris rosáceo, bien graduada, deleznable, medianamente suelta, cmpuesta por granos granos angulosos angulosos y subangulosos subangulosos de composición andesítica, basáltica, tufácea, puzolánica. El Volcánico Volcánico Sencca Sencca Rosado Rosado se se describe describe como una arena limosa, de color rosado rosado claro, regularmente graduada, nada plástica, débilmente cohesiva, compuesta principalmente principalmente por sílice, sílice, con partículas partículas pequeñas pequeñas de estructura cristalina pomácea, con inclusión de pequeños laminas de biotita y algunos granos de andesita de forma redondeada, de estructura estructura masiva, masiva, sin huellas huellas de estratificación. 5.2. Características de los horizontes licuados
Muestra
Prof.
SUCS
F
Cu
D 50
emax
emín
e
Dr
G
101 101
0,80 0,80-0 -0,5 ,500
SM
22,6 22,600
-
0,26 0,26
1,17 1,17
0,50 0,50
0,96 0,96
31,6 31,622
0,62 0,62 2,22 2,22
201
0,70-1,50
SP
1,90
2,81
0,37
0,86
0,30
0,64
40,00
0,84 2,38
301 301
0,80 0,80-1 -1,5 ,500
SM
14,1 14,155
-
0,32 0,32
1,10 1,10
0,50 0,50
0,99 0,99
17,3 17,322
0,60 0,60 2,20 2,20
401 401
0,70 0,70-1 -1,5 ,500
SM
13,0 13,000
-
0,25 0,25
1,10 1,10
0,46 0,46
0,91 0,91
28,2 28,288
0,68 0,68 2,30 2,30
/ v’) máx /
F
b
5.3. Evaluación del potencial de licuación Profundidad del nivel freático
: 0,50 m
Profundidad del susutrato rígido
: 5,00 m
z(m)
v’
Dr
D50
( dl /2 /2 v’)20
v
(
0,50
0,75
27,7
0,26
0,146
0,75
0,149
0,980
1,00
1,06
40,0
0,26
0,206
1,56
0,217
0,949
1,50
1,37
59,8
0,26
0,281
2,37
1,254
1,106
Ponencia presentada en el XIII Congreso Nacional de Ingeniería Civil. Puno, 2001.
6
2,00
1,68
98,6
0,26
0,445
3,18
0,275
1,618
2,50
1,99
100,0
0,26
0.451
3,99
0,289
1,560
6.- LICUACIÓN EN SEMIRURAL PACHACÚTEC En una pequeña quebrada de la urbanización de Semi Rural Pachacútec del distrito de Cerro Colorado, algunos horizontes de arena se licuaron causando el alabeamiento y colapso de algunos muros de cerco. Algunos taludes de pequeña altura se agrietaron y un muro de contención llegó al colapso. 6.1. Geología local El perfil geológico del sitio presenta las siguientes unidades geológicas: volcánico Sencca rosado, material eólico-eluvial y material eólico. El volcánico Sencca Sencca Rosado se describe como como un tufo volcánico de color color rosado, de granulometría granulometría equivalente a la arena limosa, de consistencia consistencia nada plástica, con fragmentos de piedra pómez de hasta 5,0 cm de diámetro, en una masa homogénea homogénea de partículas medianas a finas de vidrio volcánico. El material eólico-eluvial está constituido por una arena gruesa, de color blanco grisáceo, regularmente graduada, medianamente medianamente suelta, deleznable, compuesta por granos de forma subangulosa, de composición pomácea, andesítica y riolítica. El material eólico está constituido por una arena fina,
de color blanquecino, mal graduada,
medianamente suelta, deleznable, compuesta por granos de forma angulosa, de composición pomácea,
riolítica,
andesítica y micácea,
con algunos puntos de oxidación limonítica;
horizontalmente estratificada. 6.2. Características de los horizontes licuados
Muestra
Prof.
SUCS
F
Cu
D 50
emax
emín
E
Dr
201 201
2,05 2,05-2 -2,8 ,800
SM
23,9 23,900
-
0,22 0,22
1,12 1,12
0,24 0,24
0,84 0,84
31,8 31,822
0,71 0,71 2,11 2,11
202
1,70-2,00 1,70-2,00
SM
17,30 17,30 5,17
0,24
0,97
0,37
0,57
66,66 66,66
0,47 1,93
301
2,00-2,80 2,00-2,80
SM
14,00 14,00 9,61
0,38
0,85
0,26
0,67
30,66 30,66
0,62 2,04
b
G
6.3. Evaluación del potencial de licuación Profundidad del nivel freático
: 1,50 m
Profundidad del sustrato rígido
: 3,00 m
Ponencia presentada en el XIII Congreso Nacional de Ingeniería Civil. Puno, 2001.
7
z(m)
v’
Dr
D50
( dl /2 /2 v’)20
v
(
/ v’) máx /
F
0,50
0,587
-
-
-
0,587
0,1489
-
1,00
1,422
-
-
-
1,422
0,1477
-
1,50
2,257
66,66
0,24
0,32
2,257
0,1466
2,183
2,00
2,492
31,82
0,22
0,18
3,113
0,1818
1,000
2,50
2,847
31,82
0,22
0.18
3,969
0,2013
0,894
3,00
3,202
31,82
0,22
0,18
4,825
0,2158
0,834
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100 LM- 22
90
LM- 51
LM- 12 LM- 42
80 LM- 41
70 60
) % ( e 50 t n a s a P 40
LM- 21
30 20 10 0 100
10
1 Diámetro Diámetro ( mm )
0,1
0,01
Fig. 1. Curvas Granulométricas de los suelos que sufrieron licuación durante durante el terremoto de Arequipa del 23 de junio del 2001, en el área de Lara, distrito de Socabaya. 100 90 80 70 )60 % ( e t 50 n a s a P 40 KR- 11
30 KR- 31
20
KR- 41
10
KR-21
0 100
10
1
0,1
0,01
Diámetro ( mm )
Fig. 2. Curvas Granulométricas Granulométricas de los suelos que sufrieron licuación durante durante el terremoto de Arequipa del 23 de junio del 2001, en el ¨área de Huaranguillo, distrito de Sachaca. Sachaca.
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9
100 90 80 IM- 11
70 60
) % ( e 50 t n a s a P
IM- 31
40 30
IM- 21
20 10 0 100
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1 Diámetro Diámetro ( mm )
0,1
0,01
Fig. 3. Curvas Granulométricas Granulométricas de los suelos que sufrieron licuación durante durante el terremoto de Arequipa del 23 de junio del 2001, 2001, en el área de Semi Rural Pachacútec. Pachacútec.
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