LICUACION DE SUELOS
1.1 ANTECEDENTES
Se estudió detalladamente la información disponible sobre sismos peruanos (Alva Hurtado, 1981, Ing. Silgado), recopilando la información histórica y del presente siglo referente referente al fenómeno de licuación de suelos
1.1 ANTECEDENTES
Se estudió detalladamente la información disponible sobre sismos peruanos (Alva Hurtado, 1981, Ing. Silgado), recopilando la información histórica y del presente siglo referente referente al fenómeno de licuación de suelos
1.1.1 BREVE HIST HISTORIA ORIA DEL FENÓMENO DE LICUACIÓN EN EL PERU
(19 78), basado en la obra de Fray Víctor Barriga, "Los Terremotos de de 22 de Enero de 1582 : Silgado (1978), Arequipa". 14 de Febrero de 1619 : Terremoto en el norte del Perú, que arruinó los edificios de Trujillo. Silgado (1978) en crónica del Padre Calancha , indica se agrietó la tierra en varias partes, de las cuales surgió un lodo negruzco. 31 de Marzo de 1650 : Terremoto en el Cuzco que derribó todos los templos y la mayor parte de las edificaciones. Según Silgado (1978), la tierra se agrietó en varios lugares, observándose disturbios en el nivel freático de las aguas de escorrentía cerca cerca del pueblo de Oropesa 12 de Mayo de 1664 Terremoto en Ica. Silgado (1978) Licenciado Cristóbal Rodríguez Alvarez: "otra vez abrióse la tierra por muchas partes, en los montes y campos se desunía la tierra formando abras y horribles profundidades que parecían bocas para tragarnos. 9 de Diciembre de 1970 : Terremoto en el noroeste del Perú. En el área de Querecotillo en terraza fluvial y aluvial se formó un sistema de grietas en echelón, de longitud de 500 m. con aberturas de 0.30 m. y saltos de 0.25 m 20 de Marzo de 1972 : Sismo en el nororiente. Según Perales y Agramonte (1972), en el área urbana de Juanjuí se produjo produjo el fenómeno de licuación de suelos con sumideros alineados de hasta 1 m. de diámetro. diámetro. En la Carretera Marginal se produjeron asentamientos. 15 de Agosto 2007: En Pisco y áreas aledañas, el terremoto del 2007 produjo importantes procesos de licuación de suelos y deslizamientos de grandes volúmenes de tierra formando agrietamientos de diferentes dimensiones. Muchos de estos procesos pueden ser fácilmente interpretados como que la tierra se abría durante el terremoto
1.1.2 BREVE HIST HISTORIA ORIA DEL FENÓMENO DE LICUACIÓN EN EL MUNDO
Terremoto de Niigata Ni igata en Japón, en 1964 : El terremoto de Niigata del 16 de Junio de 1964 tuvo una magnitud de 7.5 en escala de Richter y ocasionó daño severo severo a muchas estructuras en Niigata. La destrucción se observó en aquellos edificios que fueron cimentados sobre depósitos de suelo suelto saturado
Terremoto de Alaska en U.S.A., 1964 : El área de la Costa Sur de Alaska Alaska ha experimentado muchos terremotos. El Viernes Santo, 27 de Marzo de 1964, un gran terremoto de magnitud Ms=9.2 golpeó Prince William Sound y causó severos severos daños en forma de desprendimiento de tierra y licuación, como como se observa obser va en la
Terremoto de Loma Prieta en EU (1989) : El terremoto del 17 de Octubre de 1989 en Loma Prieta (Ms=7.1) ocasionó severos severos daños no sólo en la l a vecindad del epicentro cerca de Santa Cruz, sino también en áreas más distantes hacia el Norte, alrededor alrededor de San Francisco y Oakland.
Fotos 6 y 7: Numerosos volcanes de arena fueron observados en varios lugares como evidencia de la ocurrencia de licuación como el aeropuerto de Oakland, en las zonas que se encuentran a lo largo del río Salinas y la estación de aterrizaje marítima Moss. Terremoto de KOBE en Japón (1995) El terremoto de Hanshin de 1995 (Ms=6.9), que comúnmente se le llama terremoto de Kobe, fue uno de los más devastadores terremotos terremotos que golpearon a Japón dejando más de 5,500 muertos y otros 26,000 heridos.
OBJETIVOS
Conocer el proceso que conduce la perdida de firmeza o rigidez del suelo, conocido como LICUACIÓN DE SUELOS, así como los factores que influyen.
EL SUELO
La mayoría de los suelos que cubren la tierra están formados por la meteorización de las rocas. Los geólogos emplean el término meteorización de las rocas para describir todos los procesos externos, por medio de los cuales la roca experimenta descomposición química y desintegración física, proceso mediante el cual masas de roca se rompen en fragmentos pequeños
EL SISMO
LICUACION DE SUELOS (MARCO TEÓRICO)
3.1 FENÓMENO DE LICUACIÓN
Se define como “la transformación de un material
granular de un estado sólido a un estado licuado como consecuencia del incremento de la presión de agua de poros”
La licuación ocurre cuando los suelos arenosos son sometidos a vibración, por lo tanto, cuando un estrato de suelo se licua y empieza a fluir por la acción del terremoto, éste no es capaz de soportar el peso de cualquier suelo o estructura encima de él, debido a esto, es posible que ocurran una serie de efectos, algunos catastróficos, como: ◦
◦
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Deslizamientos, Flujos Hundimiento o inclinación de edificaciones, Volcanes de arena, Asentamientos diferenciales, etc
Partículas del suelo
FACTORES QUE DETERMINAN EL FENÓMENO DE LICUACIÓN • • • • •
Magn itud del Mo vim iento Sísm ico Du raci ón del Mo vim ient o Sísm ico Gran u lo m etría d el s u elo Densid ad Relativa Pro fu nd id ad d el Niv el Freátic o
Factores que Determinan el Fenómeno de Licuación Entre las causas que originan el fenómeno de licuación se encuentran:
Magn itu d d el Mov im iento Sísm ic o La magnitud del movimiento está relacionada con la magnitud de los esfuerzos y deformaciones inducidos en el terreno por este movimiento. Dependiendo de la distancia hipocentral, la magnitud del movimiento producirá cierto valor de aceleración máxima en la roca basal, la cual sufrirá amplificación, dependiendo de las condiciones locales del suelo, Licuación de Suelos y Resistencia Cíclica hasta llegar a la superficie, de esta manera la propagación de las ondas de corte durante un terremoto a través del esqueleto del suelo, producirá una complicada distribución de esfuerzos de corte en función del tiempo, causando así deformaciones en la masa de suelo cuya magnitud dependerá de la magnitud del terremoto.
Dur ación d el Mov im iento Sísm ico Normalmente la duración de un movimiento sísmico es corto (entre 5 a 40 segundos), pero si este es intenso, predominará la condición no drenada, es decir la disipación de la presión de poros se verá restringida, y por el contrario se evidenciará el aumento de la misma, produciendo en algún momento condiciones de esfuerzo efectivo nulo, y por lo tanto, licuación
LICUACION DE SUELOS DEFORMACIONES SISMICAS DEFORMACION DINAMICA O TENSION Y COMPRESION ALTERNANTES
DEFORMACION ESTATICA O EN UNA SOLA DIRECCION
Gr anu lo m etría d el s u elo Los suelos más susceptibles a sufrir licuación son aquellos que poseen una granulometría uniforme, siendo las arenas finas uniformes las que son más propensas a licuar que las arenas gruesas uniformes. Además, según algunos autores las arenas limosas poseen mayor resistencia a sufrir licuación con respecto a las arenas limpias o con escaso contenido de finos. El problema de licuación será más serio si el suelo tiene un coeficiente de uniformidad mayor o igual a 2.
Dens idad Relativ a Durante la ocurrencia de un terremoto, una arena suelta puede sufrir licuación mientras que este mismo suelo en un estado más compacto puede no evidenciar el fenómeno. Una arena con un valor de resistencia a la penetración estándar de 40 golpes/30cm (densidad relativa de 70 a 80%) puede mostrar evidencias de licuación en la forma de volcanes de arena, pero no es probable que experimente más del 10% de deformación por corte bajo la influencia de la vibración sísmica, aún después de que se hayan desarrollado altas presiones de poros. En contraste con ello, arenas con valor de 20 golpes/pie (densidad relativa de 30 a 60%), pueden desarrollar relaciones de presiones de poro de 100% y experimentar deformaciones por corte muy grandes del orden del 25-30%, bajo la acción de los esfuerzos de corte aplicados
Pro fu n d id ad del Niv el Freátic o Es una condición necesaria para que ocurra licuación. La presión de poros, producida por el agua que ocupa los vacíos existentes entre las partículas del material debido a la posición del nivel freático, se incrementa por efecto de la vibración producida en el movimiento sísmico. Por consiguiente, la ubicación del nivel freático cuando se produzca un terremoto en un depósito arenoso, será de mucha importancia porque regirá la condición de saturación y por lo tanto, influirá también en el esfuerzo efectivo.
EFECTOS DAÑINOS QUE PRODUCE LA LICUACIÓN • • •
Desplazamiento Lateral Falla de Flujo Pé rd id a d e la Cap aci d ad Po rt ant e
Efectos Dañinos que Produce la Licuación Desplazamiento L ateral Es el tipo más común de falla del terreno por licuación de suelos. Este tipo de falla involucra el movimiento lateral de las capas superficiales como resultado de la licuación y la pérdida transitoria de la resistencia de las capas inferiores. El desplazamiento lateral ocurre generalmente en terrenos relativamente llanos (con pendientes comprendidas entre el 0.5 y 5%). En condiciones normales el desplazamiento lateral tiene un rango de pocos metros, y en condiciones anormales pueden ocurrir desplazamientos laterales de varias decenas de metros Licuación de Suelos y Resistencia Cíclica acompañados de grietas en el terreno y desplazamientos diferenciales verticales. Los desplazamientos laterales muy a menudo distorsionan las cimentaciones de edificios, dañan las tuberías de desagües y otras estructuras a lo largo de la zona afectada. El daño ocasionado por este tipo de falla no es siempre espectacular y raras veces catastrófico, sin embargo es muy destructor.
Falla de Flujo Son las fallas del terreno más catastróficas causadas por el fenómeno de licuación. Los flujos pueden movilizarse a grandes distancias (decenas de metros) a altas velocidades (decenas de Km/h). Los flujos pueden involucrar suelo completamente licuado o bloques de suelo firme viajando sobre una capa de suelo licuado. Este tipo de falla se desarrolla generalmente en arenas saturadas, sueltas, con pendiente del terreno mayor que 5%. Muchas de las mayores y más dañinas fallas de flujo se han desarrollado bajo agua en áreas costeras.
Pé r d id a d e l a Cap ac id ad Po rt an te Cuando el suelo que soporta una edificación licua y pierde su resistencia, pueden ocurrir grandes deformaciones en el suelo, que ocasionan que la edificación se asiente, se incline o sumerja. Aunque esta es una falla espectacular, es la menos común producida por licuación.
MÉTODOS SIMPLIFICADOS PARA LA EVALUACIÓN DEL POTENCIAL DE LICUACIÓN DE SUELOS
PRIMER METODO USANDO MÉTODOS BASADOS EN UNA EVALUACIÓN DE LAS CONDICIONES DE ESFUERZO CÍCLICO O DEFORMACIÓN
SEGUNDO METODO USANDO MÉTODOS BASADOS EN OBSERVACIONES DE CAMPO DEL COMPORTAMIENTO DE DEPÓSITOS DE ARENA EN TERREMOTOS PASADOS
1.- MÉTODOS SIMPLIFICADOS BASADOS EN LOS RESULTADOS DE ENSAYOS IN-SITU DEBIDO A QUE LA MAYORÍA DE LOS DEPÓSITOS NATURALES DE ARENA SON POCO UNIFORMES Y A LA EXTREMA DIFICULTAD DE OBTENER MUESTRAS INALTERADAS DE SUELOS NO COHESIVOS PARA REALIZAR ENSAYOS DE LABORATORIO, EL USO DE ENSAYOS IN-SITU HA LLEGADO A SER EL MÉTODO MÁS ACEPTADO PARA LA EVALUACIÓN DE LA RESISTENCIA A LA CARGA CÍCLICA Ó CARACTERÍSTICA DE LICUACIÓN DE ARENAS, DURANTE LOS PASADOS 15 AÑOS.
ENSAYO DE PENETRACIÓN ESTÁNDAR (SPT)
ENSAYO DE PENETRACIÓN ESTÁNDAR (SPT)
EL VALOR DE LA RESISTENCIA A LA PENETRACIÓN ESTÁNDAR, O VALOR N DEL SPT, SE DEFINE COMO EL NÚMERO DE GOLPES NECESARIOS PARA QUE EL MUESTREADOR DE CAÑA PARTIDA, PENETRE 12" EN EL TERRENO DEBIDO AL IMPACTO DE LA CAÍDA LIBRE DE UN MARTILLO DE 140 LB DESDE UNA ALTURA DE 30"
PRESIÓN DE POROS BAJO CONDICIONES DE CARGA CÍCLICA
ENSAYO DE RESISTENCIA CÍCLICA O POTENCIAL DE LICUACIÓN
Este ensayo permite la determinación de la resistencia cíclica ( llamada a veces potencial de licuación) de suelos saturados, ya sea en estado no disturbado o reconstituido, mediante la técnica triaxial cíclica por carga controlada. La resistencia cíclica de un suelo es evaluada con relación a diversos factores, tales como: el desarrollo de la deformación axial, magnitud del esfuerzo cíclico aplicado, número de ciclos de aplicación de esfuerzos, desarrollo del exceso de presión de poros, y estado de esfuerzos efectivos. Los ensayos de resistencia cíclica son llevados a cabo bajo condiciones no drenadas para simular esencialmente las condiciones no drenadas de campo durante el terremoto u otra carga cíclica. Los ensayos de resistencia cíclica son del tipo destructivos. La falla puede ser definida a partir del número de ciclos de esfuerzo requeridos para alcanzar una deformación límite del 100% de la relación de presión de poros. Este método es generalmente aplicable para ensayar suelos sin cohesión, con drenaje libre y de permeabilidad relativamente alta.
Limitaciones del Ensayo
El máximo esfuerzo de corte cíclico que puede ser aplicado al espécimen es controlado por las condiciones de esfuerzo al final de la consolidación y por las presiones de poro generadas durante el ensayo. o. Si bien es recomendable que se obtenga la mejor calidad de muestras no disturbadas, a veces es necesario reconstituir especímenes de suelo. Si embargo, se sabe que diferentes métodos de reconstituir especímenes a la misma densidad, pueden resultar en valores de resistencia cíclica significativamente diferente. Asimismo, especímenes no disturbados siempre presentarán mayor resistencia que especímenes reconstituidos. La interacción entre el espécimen, membrana, y fluido de confinamiento tienen influencia en el comportamiento cíclico. Los efectos de la penetración de la membrana no pueden ser fácilmente tomados en cuenta en el procedimiento de ensayo o en la interpretación de los resultados. Los cambios en la presión de poros pueden causar cambios en la penetración de la membrana en especímenes de suelos no cohesivos. Estos cambios pueden influenciar significativamente los resultados del ensayo. El esfuerzo de confinamiento efectivo total medio es asimétrico durante la aplicación de los esfuerzos de compresión y extensión cuando la presión de cámara es constante. Esto es totalmente diferente del esfuerzo simétrico en el caso del ensayo de corte simple.
Desarrollo del Ensayo
Un elemento de arena saturado sometido a esfuerzos de corte reversibles cíclicos, genera el incremento en las presiones en el agua en los poros y la consiguiente disminución de los esfuerzos efectivos. En el ensayo triaxial cíclico es posible determinar el exceso de presión de poros, ur, que se genera en un número N de ciclos de carga y especialmente el número de ciclos Nc para el cual ur alcanzará el valor del esfuerzo efectivo de confinamiento, produciéndose la licuación del suelo. Para la aplicación de la carga cíclica se elige una relación de esfuerzos cíclicos (CSR) para el ensayo y se calcula el valor máximo de la onda de carga como sigue:
Donde: = esfuerzo desviador 0 = esfuerzo efectivo de confinamiento inicial Fc = valor máximo de la onda de carga Af = área final del espécimen d
3.8 CORRECCIONES A LA RELACIÓN DE ESFUERZO CÍCLICO
Corrección Según el Tipo de Ensayo: La Relación de Esfuerzo Cíclico (CSR) se define de manera diferente en diferentes tipos de ensayos. En el caso del ensayo de corte simple cíclico, la CSR está definida como la relación del esfuerzo de corte cíclico sobre el esfuerzo efectivo vertical inicial Corrección por la Dirección del Movimiento: Los terremotos producen esfuerzos de corte en diferentes direcciones. El movimiento multidireccional causa (Pyke et al., 1975) que las presiones de poro se incrementen más rápidamente que si dicho movimiento fuera sólo unidireccional. Seed et al. (1975) sugirieron que la CSR requerida para causar licuación inicial en el campo es aproximadamente 10% menos que la CSR obtenida en un ensayo de corte simple cíclico. Por lo tanto, la resistencia a la licuación del suelo en el campo puede ser expresado como: Corrección por Sobrecarga y Esfuerzo de Corte Estático : En aquellos lugares que presenten terrero con pendiente o en aquellos que soporten estructuras pesadas, la presencia de los esfuerzos de corte estáticos, influenciarán la resistencia a la licuación. Los ensayos de laboratorio muestran que la relación de esfuerzo cíclico requerido para causar licuación inicial se incrementa para valores altos del esfuerzo de corte inicial para suelos no colapsables, y disminuye para valores altos de la presión de confinamiento efectivo inicia
En la Figura 8 se presentan los factores de corrección propuestos por Seed y Harder (1990) y NCEER (1996) para la presión por sobrecarga, mientras que en la Figura 9 se presentan los factores de corrección para el esfuerzo de corte estático, según Boulanger et al., (1991).
Figura : Factores de corrección por presión de sobrecarga.
Figura : Factores de corrección por esfuerzo de corte estático (Boulanger et al., 1991).
EVALUACIÓN DEL POTENCIAL DE LICUACIÓN DE SUELOS EN CHIMBOTE, PERÚ
Uno de los casos mejor documentados sobre la ocurrencia del fenómeno de licuación de suelos en el Perú debido a la acción sísmica, es el ocurrido en la ciudad de Chimbote durante el sismo de 1970. A las 3:23 p.m. (hora local) del 31 de Mayo de 1970 ocurrió un terremoto con magnitud Ms=7.8 y profundidad focal de 45 km con epicentro aproximadamente a 50 km de la costa del Perú, al oeste de la ciudad de Chimbote. El sismo activó un acelerógrafo en Lima, cuya aceleración máxima corregida fue de 0.11 g. En Chimbote no se registraron aceleraciones; sin embargo, la máxima intensidad del sismo se calculó en IX grados en la escala de intensidades Mercalli Modificada.
El estudio presentado ha consistido en realizar:
Sondajes con ensayos de penetración estándar Cono holandés, convenientemente distribuidos en la ciudad.
LICUACIÓN EN CHIMBOTE, SISMO DE 1970
En Casma, Puerto Casma y en zonas cercanas del litoral en Chimbote, se produjo desplazamiento lateral del terreno causado por la licuación de depósitos deltaicos y de playa, ocasionando grietas en el terreno que derrumbaron las estructuras que las cruzaron . La zona central de Chimbote fue evidentemente un área de licuación de suelos, así como de compactación diferencial de la cimentación. En Chimbote, Casma y a lo largo de la Carretera Panamericana, se notaron subsidencias superficiales producto de la licuación. En muchas áreas se produjeron volcanes de arena y eyección de aguas subterráneas por existir nivel freático alto En la zona pantanosa se produjo licuación generalizada, con grietas debido a compactación diferencial; y en la zona aluvial, licuación subsuperficial con grietas y volcanes de arena
CARACTERÍSTICAS GEOTÉCNICAS DE CHIMBOTE La ciudad de Chimbote se ubica en la costa norte del Perú a 400, km de Lima. La geología del área está representada por tres tipos de constituyentes: el Volcánico Casma (derrames andesíticos y riolíticos), el Intrusivo (granodiorita) y el Cuaternario (depósitos de arenas eólicas).
MICROZONIFICACIÓN SÍSMICA DE CHIMBOTE
La microzonificación sísmica de Chimbote fue realizada por Morimoto et al (1971), en base a la geología, ensayos de penetración estándar, evaluación de daños durante el sismo de 1970, medición de microtrepidaciones y réplicas, ensayos de refracción sísmica y análisis de amplificación de ondas sísmicas. En la microzonificación sísmica de Chimbote se distinguen cuatro zonas.
INVESTIGACIÓN GEOTÉCNICA
Con el propósito de estudiar la vulnerabilidad sísmica de Chimbote, Barrón (1984) recopiló sondajes con ensayos de penetración estándar y calicatas realizados por distintas instituciones en la ciudad, principalmente con posterioridad al sismo de 1970, para elaborar el Plan Director de Chimbote y con propósitos de cimentación de nuevas edificaciones. Adicionalmente a los sondajes recopilados, se programó la ejecución de sondajes en lugares representativos de Chimbote y en áreas donde no se pudo recuperar información geotécnica.
EVALUACIÓN DEL POTENCIAL DE LICUACIÓN
La evaluación del potencial de licuación de los suelos de Chimbote se ha realizado mediante el método simplificado, basado en el comportamiento del suelo en terremotos pasados. Este método consiste en comparar las condiciones de sitios en donde haya o no haya ocurrido licuación de suelos en sismos pasados, con las condiciones del sitio en estudio. Se compara la relación de esfuerzos (esfuerzo cortante promedio actuante/esfuerzo vertical efectivo), con valores corregidos del ensayo de penetración.
Foto 12: Volcanes de arena con grietas abiertas en la llanura aluvial del Río Lacramarca
Foto 14: Agrietamiento del terreno en la llanura aluvial del Río Lacramarca.
Foto 13: Resquebrajamiento del terreno en llanura aluvial del Río Lacramarca.
Foto 15: Daño en el Puerto de Chimbote. Derrumbe del camino pavimentado.
CONCLUSIONES •
La licuación propiamente dicha se vincula con “fallas catastróficas” . Sin embargo, las movilidades cíclicas pueden implicar deformaciones permanentes que pongan en peligro la funcionalidad de las estructuras afectadas.
•
Dentro de los medios de caracterización de la potencialidad de licuación de distintos materiales, los métodos de evaluación de campo tienen las mayores aplicaciones. Los ensayos de laboratorio se encuentran con el inconveniente de la reproducción adecuada de las condiciones in situ originales
•
El exceso de presión de poros, ur, puede desarrollarse bajo condiciones de carga cíclica de tal manera que origine una disminución del esfuerzo efectivo.
•
Ensayo de resistencia cíclica • Este ensayo permite la determinación de la resistencia cíclica (llamada a veces potencial de licuación) de suelos saturados, ya sea en estado no disturbado o reconstituido, mediante la técnica triaxial cíclica por carga controlada.
CONCLUSIONES • •
•
Se ha documentado identificado los factores que influyen en el proceso de licuación de suelos. La experiencia en Chimbote nos da a conocer como es que puede afectar el fenómeno de Licuación de suelos a una estructura. Sondajes realizados en Chimbote, en donde se ha ejecutado el estudio mediante los ensayos de penetración estándar y de cono holandés. Este banco de datos es muy importante para el conocimiento del subsuelo en el futuro desarrollo de la ciudad. Se requiere el conocimiento del perfil estratigráfico y ensayos de penetración, nivel freático, ensayos de clasificación de laboratorio y el sismo de diseño para ejecutar el análisis.
RECOMENDACIONES (MEDIDAS PARA MITIGAR LA LICUACIÓN)
Evitar áreas donde pueda ocurrir la licuefacción y el flujo lateral. Estabilizar el material licuable. Colocar los cimientos por debajo del material licuable. ◦
◦
Agregar peso a la estructura para lograr una flotabilidad neutral. ◦
Agregar masa de concreto.
Usar material flexible al movimiento. ◦
◦
Pilotes. Excavar hasta el material adecuado.
Losa pesada, conexiones flexibles de tuberías. Tubería con uniones fijas, dúctiles y flexibles.
Aceptar el daño. ◦
Proporcionar válvulas de corte.
Efecto social de un terremoto National Geographic, julio 2000
