Licuacion de Suelos en Las Vias Terrestres

UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL FACULT FACUL TAD DE INGENIERÍA CIVIL

MECANICA DE SULOS APLICADOS A LAS VIAS DE TRANSPORTE

PROFESOR:

Ing. Aybar

INTEGRANTES:

- Carhuancho Alcántara Adrián

SECCION:

Única

2015 –II 1. INT INTRODU RODUCC CCIÓ IÓN N

UNIVE!I"A" #EIC$ VI%%AEA% &'cá &'cáni nica ca d' (u'l (u'lo( o( A)li A)lica cado do(( a la( la( V*a( V*a( d' +ran( ran()o )ort rt' '

%icu %icuac aci, i,n n d' d' (u' (u'lo lo((

1.1.ANTECEDENTES EN EL MUNDO La licuefacción del suelo describe el comportamiento de suelos que, estando sujetos a la acción de una fuerza externa (carga), en ciertas circunstancias pasan de un estado sólido a un estado líquido, o adquieren la consistencia de un líquid líquido o pesad pesado. o. Es más probable probable que la licuef licuefacc acción ión ocurra ocurra en suelos

granul granulado adoss sueltos sueltos satura saturado doss o modera moderadam dament entee satur saturado adoss con un drenaje o!re, tales tales como arenas sed"mentadas o arenas # gra$as que contienen etas de sedimentos impermeables. !i bien los efectos de la licuefacción "an sido comprendidos desde "ace muc"o tiempo, los ingenieros # sismólogos "an tenido un recordatorio sobre su rele rele anc ancia a part partir ir de los los terremotos de 1%&' ocurr"dos en N""gata(

)a*n # $las%a. El fenómeno tambi&n jugó un papel mu# importante en la destrucción del 'istrito de la arina en !an rancisco durante el terremoto de Loma *rieta ocurrido en +-.

Licuefacción de suelo a causa del terremoto ocurrido en iigata en +/0. 1bs&rese cómo los edificios se "an inclinado al perder su apo#o en el suelo.

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1.1.ANTECEDENTES EN EL MUNDO La licuefacción del suelo describe el comportamiento de suelos que, estando sujetos a la acción de una fuerza externa (carga), en ciertas circunstancias pasan de un estado sólido a un estado líquido, o adquieren la consistencia de un líquid líquido o pesad pesado. o. Es más probable probable que la licuef licuefacc acción ión ocurra ocurra en suelos

granul granulado adoss sueltos sueltos satura saturado doss o modera moderadam dament entee satur saturado adoss con un drenaje o!re, tales tales como arenas sed"mentadas o arenas # gra$as que contienen etas de sedimentos impermeables. !i bien los efectos de la licuefacción "an sido comprendidos desde "ace muc"o tiempo, los ingenieros # sismólogos "an tenido un recordatorio sobre su rele rele anc ancia a part partir ir de los los terremotos de 1%&' ocurr"dos en N""gata(

)a*n # $las%a. El fenómeno tambi&n jugó un papel mu# importante en la destrucción del 'istrito de la arina en !an rancisco durante el terremoto de Loma *rieta ocurrido en +-.

Licuefacción de suelo a causa del terremoto ocurrido en iigata en +/0. 1bs&rese cómo los edificios se "an inclinado al perder su apo#o en el suelo.

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1.+.ANTECEDENTES EN EL ,ER2arios inestigadores "an recopilado información "istórica sobre los eentos sísmicos más importantes que ocurrieron en el *er3 desde el siglo 425 "asta el presente (!ilgado, +6-). En esta ocasión se presentarán dos casos de terremotos relatiamente recientes que indujeron licuación de suelos7 el eento de 8"imbote del 9+de ma#o de +6: en la costa peruana # los terremotos del ; de ma#o de +: # del 0 de abril de ++ en la región de $lto a#o en el nororiente peruano.

C"m!ote del /1de ma#o de 1%0 unga#





Eric%sen et al (+6:) # *laf%er et al (+6+) indicaron que en 8asma, *uerto 8asm 8asma, a, *uer *uerto to 8asm 8asma a # cerc cerca a de la cost costa a de 8"im 8"imbo bote te,, se prod produj ujo o despl desplaza azamie miento nto latera laterall del terren terreno o causad causado o por por licuac licuación ión de los depósi depósitos tos deltaicos de pla#a. !e obseraron grietas sobre el terreno que afectaron las estructuras. La zona central de 8"imbote (8asco
E2ECTOS DE SUELO CAUSADOS ,OR LOS TERREMOTOS DE 1%% 3 1%%1 El ; de ma#o de +: # el 0 de abril de ++, dos terremotos moderados ocurrieron en la región nororiental del *er3 departamento de !an artin. $ pesar de sus magnitudes relatiamente bajas, la seeridad del daBo fue alta debido al tipo de construcción # condiciones del suelo existentes en las áreas pobladas. La región se localiza en el oreste del *er3, con temperatura # precipitación altas. Cocas sedimentarias de los *eriodos Durásico a 8retáceo se encuentran en las montaBas cercanas # materiales del cuaternario en el



UNIVE!I"A" #EIC$ VI%%AEA% &'cánica d' (u'lo( A)licado( a la( V*a( d' +ran()ort'

%icuaci,n d' (u'lo(

alle del río $lto a#o. Los depósitos cuaternarios están compuestos de

suelos alu$"ales( colu$"ales( 4lu$"ales # res"duales. o#obamba # Cioja son las ciudades más importantes en el área. La región es cruzada por el río a#o, cu#as rieras están compuestas de depósitos de arena licuable. !e "a reportado efectos del terreno siguientes7 licuación de suelo, inestabilidad # corrosión de suelos en los taludes, asentamientos diferenciales, amplificación de suelo # deslizamientos dentro del área epicentral. !e describen los efectos de licuación de suelo en la ciudad de o#obamba. ($la@urtado et al, +;).

El colonial *alacio unicipal de o#obamba se derrumbó durante el terremoto principal. El terremoto en o#obamba agraó los daBos de un sismo acontecido un aBo antes, muc"os edificios coloniales se desplomaron

1./.ANTECEDENTES EN ARE5UI,A ++ de Enero de 167+ !ilgado (+6-), indicaun terremoto que dejó en ruinas a la ciudad de $requipa. 'espu&s del mismo toda la ciudadquedó anegada por la muc"a agua que corrió por sus calles, probablemente debido alasentamiento # compresión de la napa freática. En la costa se sumergió un arro#o de agua queentraba al *uerto de 5sla#. La máxima intensidad de este sismo fue de 4 .

16 de Enero de 1%67

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%icuaci,n d' (u'lo(

Aerremoto en $requipa. !ilgado (+6-) indicó agrietamiento del terreno cerca de la zona de 8amaná, con e#ección de aguas negras. La máxima intensidad del sismo fue de 2555 

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%icuaci,n d' (u'lo(

+. ASENTAMIENTOS DI2ERENCIALES EN CIMENTACIONES 8ada día es más com3n la exigencia de A&cnicos que participan en el estudio de las estructuras de los edificios que, en los 3ltimos aBos,

a

menudo

"an

mostrado cambios significatios # preocupantes en el estado de agrietamiento. Las causas de estos fenómenos se deben, en la ma#oría de los casos, al desarrollo de los asentamientos diferenciales generados por cambios en el cuerpo del edificio, o por cambios en las propiedades geot&cnicas de los suelos de cimentación, ocasionados por ejemplo, por una disminución o aumento del niel freático, tuberías rotas, excaaciones próximas, ibraciones.
ASENTAMIENTO DIFERENCIAL áxima diferencia de niel entre dos cimentaciones ad#acentes de una misma estructura.

ASENTAMIENTO DIFERENCIAL TOLERABLE áximo asentamiento diferencial entre dos elementos ad#acentes a una estructura, que al ocurrir no produce daBos isibles ni causa problemas.

Los asentamientos diferenciales son los moimientos o desplazamientos relatios de las diferentes partes de una estructura a causa de un asentamiento irregular de la misma, proocados por un desequilibrio de esfuerzos en el suelo. $ continuación se puede obserar un gráfico en el que se representan puntos de




%icuaci,n d' (u'lo(

apo#o cargados de forma desigual, cimentados con zapatas de anc"o diferente, # cu#a incidencia en el terreno se puede asimilar a curas enolentes denominadas bulbos de presión.

¿POR QUÉ SE PRODUCEN LOS ASENTAMIENTOS DIFERENCIALES? Los asentamientos diferenciales pueden originarse por una de las siguientes causas7 • •

• •

La ausencia de un estudio de suelos antes de empezar una construcción. La implantación de la edificación directamente sobre terreno egetal o a poca profundidad. La presencia #uxtapuesta de dos estratos diferentes bajo la cimentación. La construcción de la edificación sobre un suelo "eterog&neo, que contenga áreas rocosas que constitu#en puntos duros, o al contrario restos de residuos egetales o de materiales orgánicos en descomposición.

•

Las modificaciones de obra no consideradas en el pro#ecto, que ocasionan

•

sobrecarga excesia en las bases. La rotura de una canalización subterránea, proocando que se cambie la consistencia del suelo.

NOTA: 


%icuaci,n d' (u'lo(

El asentamiento diferencial en arenas tiende a ser más irregular que en arcillas en proporción, pero no en magnitud.

¿CÓMO

AFECTAN

A

LA

ESTRUCTURA

LOS

ASENTAMIENTOS

DIFERENCIALES DE LA CIMENTACIÓN?
Estas fisuras por lo general son en diagonal, # siguiendo las juntas de la obra, estas fisuras pueden ir acompaBadas de fisuras "orizontales bajo los forjados, incluso fisuras erticales en los cambios de material.

*ueden prolongarse en el interior de la construcción por ejemplo a los tabiques o a los alicatadosF pueden afectar a todo el espesor pudiendo producir filtraciones. La aparición de estas fisuras pueden ocurrir al poco tiempo de la terminación de la construcción, o al cabo de arios aBos El estado límite en este caso corresponde a sacar la estructura de funcionamiento por el "ec"o de presentarse una rotación que produce sensación de inseguridad en los ocupantes sin tener que "aber llegado a la p&rdida total del equilibrio. En el caso de un edificio cualquier moimiento diferencial de un apo#o con respecto a otro, puede cambiar los momentos # fuerzas internas de diseBo de la estructura, con la posibilidad de presentar fallas locales en igas de conexión o en cualquier otro elemento.

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%icuaci,n d' (u'lo(

Los asentamientos diferenciales se limitan a los siguientes alores dependiendo del sistema estructural de la edificación7

,*rt"cos Muros

L8/ L86 a L81

'onde7 •

L corresponde a la distancia "orizontal entre apo#os.

8omo se puede apreciar para muros se es muc"o más exigente #a que los muros son más rígidos (admiten menos deformaciones) que los pórticos.

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%icuaci,n d' (u'lo(

/. ,RO9LEM:TICA DE LA LICUACIÓN DEL SUELO. La licuefacción de suelo describe el comportamiento de suelos que, estando sujetos a la acción de una fuerza externa (carga), en ciertas circunstancias pasan de un estado sólido a un estado líquido, o adquieren la consistencia de un líquido pesado. Es un tipo de corrimiento, proocado por la inestabilidad de un talud. Es uno de los fenómenos más dramáticos # destructios #, además, más pol&micos # peor explicados que pueden ser inducidos en depósitos por acciones sísmicas. 'urante el proceso en que act3a la fuerza exterior, por lo general una fuerza cíclica sin drenaje, tal como una carga sísmica, las arenas sueltas tienden a disminuir su olumen, lo cual produce un aumento en la presión de agua en los poros # por lo tanto disminu#e la tensión de corte, originando una reducción de la tensión efectia. !eg3n cual sea la fracción de acío inicial, el material del suelo puede responder ante la carga bien en un modo de ablandamiento inducido por deformación o alternatiamente sufrir endurecimiento inducido por deformación. En el caso de suelos del tipo ablandamiento inducido por deformación, tales como arenas sueltas, los mismos pueden alcanzar un punto de colapso, tanto en forma monótona o cíclica, si la tensión de corte estática es ma#or que tensión de corte estacionaria del suelo. En este caso ocurre licuefacción de flujo, en la cual el terreno se deforma con una tensión de corte constante de alor reducido. !i el terreno es del tipo endurecimiento inducido por deformación, o sea arenas de densidad moderadas a altas, en general no ocurrirá una licuefacción por flujo. !in embargo, puede presentarse un ablandamiento cíclico a causa de cargas cíclicas sin drenaje, tales como cargas sísmicas. La deformación durante cargas cíclicas dependerá de la densidad del terreno, la magnitud # duración de la carga cíclica, # la magnitud de inersión de la tensión de corte. !i es que ocurre una inersión de la tensión, la tensión de corte efectia puede ser nula, en cu#o caso puede occurrir el fenómeno de licuefacción cíclica. !i no ocurre inersión de las tensiones, no es posible que la tensión efectia sea nula, en cu#o caso puede occurrir el fenómeno de movilidad cíclica. 'urante los terremotos el moimiento del terreno puede causar una p&rdida de la firmeza o rigidez del suelo que da como resultados el desplome de edificaciones, deslizamientos de tierra, daBos en las tuberías, entre otros.

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/.1. Cond"c"*n de un suelo ara ;ue sea l"cua!le. Este fenómeno está principalmente, más no exclusiamente, asociado con suelos saturados poco co"esios. El t&rmino licuación, inclu#e entonces todos los fenómenos donde se dan excesias deformaciones o moimientos como resultado de transitorias o repetidas perturbaciones de suelos saturados poco co"esios. Es más probable que la licuefacción ocurra en suelos granulados sueltos saturados o moderadamente saturados con un drenaje pobre, tales como arenas sedimentadas o arenas # graas que contienen etas de sedimentos impermeables.

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Los suelos más susceptibles a la licuefacción son aquellos formados por

depósitos jóenes (producidos durante el @oloceno, depositados durante los 3ltimos +:,::: aBos) de arenas # sedimentos de tamaBos de partículas similares, en capas de por lo menos más de un metro de espesor, # con un alto contenido de agua (saturadas). Aales depósitos por lo general se presentan en los lec"os de ríos, pla#as, dunas, # áreas donde se "an acumulado arenas # sedimentos arrastrados por el iento #Go cursos de agua. $lgunos ejemplos de licuefacción son arena moediza, arcillas moedizas, corrientes de turbidez, # licuefacción inducida por terremotos. La licuefacción de los suelos es un proceso obserado en situaciones en que la presión de poros es tan eleada que el agregado de partículas pierde toda la resistencia al corte # el terreno su capacidad soportante. !e producen en suelos granulares7



$renas limosas saturadas



$renas mu# finas redondeadas (loess)



$renas limpias



Cellenos mineros

'ebido a la gran cantidad de agua intersticial que presentan, las presiones intersticiales son tan eleadas que un seísmo, o una carga dinámica, o la

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eleación del niel freático, pueden aumentarlas, llegando a anular las tensiones efectias. Esto motia que las tensiones tangenciales se anulen, comportándose el terreno como un HpseudolíquidoI. !i bien los efectos de la licuefacción "an sido comprendidos desde "ace muc"o tiempo, los ingenieros # sismólogos "an tenido un recordatorio sobre su releancia

a

partir

de

los

terremotos

de

+/0

ocurridos

en iigata,

Dapón # $las%a. El fenómeno tambi&n jugó un papel mu# importante en la destrucción del 'istrito de la arina en !an rancisco durante el terremoto de Loma *rieta ocurrido en +-.

El conocimiento del proceso # sus efectos se "a basado en tres diferentes principios7

J

1bseraciones de campo durante # despu&s de los terremotos.

J

Experimentos en el laboratorio en muestras de suelos saturados, # en modelos de fundaciones # estructuras.

J

Estudios teóricos.

$lgunos de los efectos de licuación del suelo son catastróficos, tales como la falla de grandes pendientes o presas, el desplome de edificios # puentes, el colapso parcial o total de muros de contención. 1tros sin embargo son un poco menos dramáticos como largas deformaciones de la superficie terrestre, el asentamiento # consecuente inundación de grandes áreas, etc. $3n estos efectos laterales en

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muc"os terremotos causan daBos de grandes proporciones a carreteras, ías f&rreas, tuberías # edificios.

'. TI,OS DE SUELOS ARENAS MO
Los sedimentos saturados pueden parecer sumamente sólidos "asta el instante en que un cambio en la presión del suelo o una sacudida disparan el proceso de licuefacción.

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dic"o proceso "ace que la arena forme una suspensión en la cual cada grano pasa a estar rodeado por una delgada película de agua. Esta configuración le otorga a las arenas moedizas, # otros sedimentos licuados una textura esponjosa similar a la consistencia de un fluido. Los objetos que se encuentran en cueltso en arenas moedizas se "undirán "asta el niel en el cual el peso del objeto se iguale con el peso desplazado de la mezcla de arena # agua # el objeto KfloteK de acuerdo al principio de $rquímedes.

Este fenómeno se produce cuando arenas finas # desprendidas unas de otras reciben una cantidad determinada de agua, lo que las satura. Los espacios entre los granos de arena se llenan de agua, eitando la fricción entre las partículas.

*roceso de formación de las arenas moedizas El aspecto iscoso tiende a aumentar cuando una persona realiza moimientos bruscos, por lo que necesitará llear a cabo moimientos corporales lentos. En los lugares donde "a# pla#as, el a"ogamiento puede ocurrir si alguien queda atrapado en las arenas moedizas # la marea es creciente. !eg3n algunos expertos, las arenas moedizas no están determinadas por su formación de un tipo específico de suelo, # no solamente sucede en la arena sino con toda clase de suelo granulado. Lo que determina su formación es el conjunto de condiciones naturales, como la unión del agua # el suelo. *or lo general, las arenas moedizas tienden a ocurrir principalmente en los márgenes de los ríos, pla#as, lagos # otras zonas "3medas.

Tamoco est>n ecas de arena( s"no de arc"lla . K!on una mezcla poco compacta de limos o lodos (partículas mu# finas de arcillas) totalmente saturados de aguaK, explica. Es físicamente imposible que una persona que se "unde en arenas moedizas sea engullida del todo

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Estas partículas min3sculas tienen una superficie generalmente rugosa. La fricción entre estos granos da estabilidad al suelo. En arenas no moedizas los espacios entre partículas suponen entre el ;9:M. !in embargo, los espacios entre gránulos en arenas moedizas suponen entre el 9:6:M del olumen total. Las partículas están tan separadas unas de otras por el agua que el ro?am"ento

d"sm"nu#e tanto ;ue el suelo deja de comortarse como un s*l"do para "acerlo como un líquido espeso, iscoso # resbaladizo. *odemos experimentar la sensación de "undirnos en arenas moedizas en las pla#as de arena de editerráneo, por ejemplo. !i metemos los pies en el agua de la zona más cercana a la orilla # los "undimos en la arena notamos la inestabilidad del terreno, explica $rc"e.

@D*nde se 4orman Las arenas moedizas se forman en or"llas de rBos ro4undos , como el $mazonas o el isisipi, en lagos( antanos # la#as con grandes mareas , con una diferencia entre alta # baja de / metros. La ?a"ía de orecambe (5nglaterra), por ejemplo, es c&lebre por la frecuente formación de arenas moedizas. Aambi&n pueden formarse arenas moedizas en las turberas. !on grandes llanuras cubiertas de materia egetal, sobre todo musgos típicos de climas fríos o mu# fríos, que pueden tener arios metros de espesor. @a# zonas sustentadas sobre arenas moedizas que se "unden con el peso de algunos animales. KEn 5rlanda, 'inamarca # !iberia se "an encontrado restos mu# bien conserados de ertebrados e incluso seres "umanos dentro de las turbasK, seBala $rc"e.

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Otro t"o de arenas mo$ed"?as son las roduc"das or terremotos . La fuerza del terremoto presiona s3bitamente las aguas subterráneas que se mezclan con el terreno #lo transforman en terreno inestable. KLas casas # las carreteras se "unden como si el suelo que las sustenta se derritiera como un "eladoK, ilustra el experto.

+. $renas moedizas producidas por licuefacción del suelo. El sifonamiento se produce cuando aumenta la presión de agua en el interior de un suelo "asta el punto de que neutraliza la presión intergranular quedando, pues, los granos de suelo literalmente flotando unos con otros #, por tanto, sin resistencia para soportar pesos. Esto es lo que experimentaron estos D12EE! en una pla#a asturiana7

;. $renas moedizas producidas por un eleado grado de "umedad de suelo arcilloso. Este fenómeno se produce porque se elea tanto la "umedad de un suelo fino "asta el punto de que se supera el límite líquido (limite de $tterberg) # el suelo se conierte en un líquido iscoso. En el ideo nos ilustran de cómo salir si nos caemos en uno de &stos.

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9. $renas moedizas como "idrogel coloide que se comporta como un fluido no neNtoniano. 'e esta forma, el suelo tiene una apariencia sólida, pero cuando se le somete a alg3n esfuerzo, se libera el agua intergranular # las partículas quedan en suspensión, adoptando las propiedades de un líquido. Esto se corresponde con una propiedad típica de algunos tipos de arcillas llamada tixotropía.

ARCILLAS R:,IDAS Las llamadas arcillas rápidas o arcillas marinas, tambi&n conocidas en 8anadá como arcillas de Leda o quickclays, es un tipo particular de arcilla sumamente sensible, que al ser perturbada posee la tendencia a cambiar su estado desde uno relatiamente rígido a un estado líquido. En reposo, las arcillas rápidas parecen un gel "idrosaturado. !in embargo, si se toma un bloque de arcilla # se le golpea, instantáneamente toma la constitución de un fluido,

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mediante un proceso conocido como licuefacción espontánea. Las arcillas rápidas se comportan así porque, aunque son sólidas, tienen un altísimo contenido de agua, que puede ser de "asta un -:M. La arcilla retiene una estructura sólida a pesar de su alto contenido acuoso, porque la tensión superficialdel agua mantiene KescamasK de arcilla unidas en una delicada estructura. 8uando la estructura se quiebra por un golpe, la arcilla cambia su estado # se transforma en un fluido.

Las arcillas rápidas se encuentran por lo general en regiones ubicadas en el norte del "emisferio norte en países tales como Cusia, 8anadá, $las%a en Estados
+.1 Corr"entes de tur!"de?

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Los corrimientos de tierra submarinos son corrientes de turbidez # consisten del desplazamiento de sedimentos saturados por el agua que flu#en "acia las profundidades marinas.
8orrientes de turbidez son aalanc"as submarinas de barro # rocas. Estas aalanc"as se mueen con algunos /: %ms por "ora "acia abajo. 'urante el moimiento las partículas finas se separan de las partículas grandes. Es decir abajo llegan al primero las partículas grandes, despu&s las medianas # como 3ltimo las partículas pequeBas. Los depósitos característicos de un corriente de turbidez son sedimentos marinos que muestran una estratificación gradada.

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Figura: A: Por impulso de un sismo se desprenden partes del pendiente. : La avalanc!a submarina aumenta su velocidad y un conjunto de partículas finas y gruesas se muevan !acía abajo. ": #urante el movimiento !acía abajo se separan las partículas finas de las partículas gruesas. #: por su mayor peso llegan al primero abajo los clastos gruesos y forman los primeros estratos. #espu$s se depositan las partículas m%s finas. &: Finalmente se formó un sector con estratificación gradada o en ingl$s 'fining up'. (ignifica una secuencia empie)a abajo con clastos relativamente grandes y !acía arriba se disminuye paulatinamente el tama*o de los clastos.

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EE8A1! Los edificios cu#os cimientos están directamente en la arena que se licua experimentan una p&rdida de apo#o repentina, que resulta en el asentamiento drástico e irregular del edificio. La licuefacción causa asentamientos irregulares en el área licuada, # esto puede daBar los edificios # romper los cables de sericio p3blico subterráneos donde los asentamientos diferenciales son grandes. Las tuberías de distribución de agua # gas # otros ductos pueden flotar # desplazarse "acia la superficie. or3nculos de arena pueden entrar en erupción en los edificios a tra&s de bocas de conexión de sericios, con l o que el agua puede ingresar # daBar la estructura o sus sistemas el&ctricos. La licuefacción del suelo tambi&n puede causar colapsos de plataformas. Las áreas de recuperación ambiental de suelo (rellenos sanitarios) son propensas a la licuefacción porque muc"as son recuperadas con relleno "idráulico, # a menudo se asientan sobre suelos blandos que pueden amplificar la sacudida de los terremotos. La licuefacción del suelo fue un factor importante en la destrucción del 'istrito arina de !an rancisco durante el terremoto de Loma *rieta en +-.

La m"t"gac"*n del dao otenc"al de!"do a la l"cue4acc"*n 4orma arte del camo de la "ngen"erBa geotcn"ca

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%icuaci,n d' (u'lo(

2


%icuaci,n d' (u'lo(

6. ESTUDIOS REALI=ADOS 6.1. ESTUDIOS RELACIONADOS A LA LICUE2ACCION DE SUELOS El limitado conocimiento relatio a este fenómeno se debe en gran parte a dos factores7  

'ificultad en obserar sus características en condiciones reales. 8omplejidad del fenómeno, pues para además de ser el resultado de una acción símica de carácter altamente ariable, induce en el suelo un comportamiento fuertemente no lineal e "ister&tico, con fuerte degradación de las características mecánicas del suelo de cada ciclo determinada por la generación de presiones neutras en la muestra bajo acción sísmica.

o existe una definición 3nica para el fenómeno de la licuefacción.
2actores de la l"cue4acc"*n 'e acuerdo a la 1rganización *anamericana de la !alud (1*!, ;::9), existen siete factores importantes, que están relacionados con los criterios de susceptibilidad, para determinar la susceptibilidad de un suelo para licuarse, los cuales se detallan a continuación7 'istribución del tamaBo de los granos La arena uniformemente gradada, con granos pocos finos o mu# gruesos (arena limpia) tiene ma#or probabilidad de licuarse # es posible que se uela más densa. Las arenas limosas # graas tambi&n son susceptibles a la licuefacción bajo cargas cíclicas mu# seeras. *rofundidad de las aguas subterráneas *uede ocurrir licuefacción si existe agua subterránea en el punto de la columna del suelo donde se está produciendo la densificación. ientras menor sea la profundidad, menor será el peso del recubrimiento del suelo # el potencial de que ocurra densificación. *or tanto, mientras menor sea el niel de las aguas subterráneas, ma#or será la probabilidad de que ocurra licuefacción. 'ensidad

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%icuaci,n d' (u'lo(

La licuefacción ocurre principalmente en suelos sueltos, saturados # no co"esios. Ese suelo puede densificarse cuando está sujeto a una carga cíclica. La tendencia a densificarse reduce el olumen de suelo # agua e incrementa la presión de poros si los poros se llenan de agua. 8uando la presión de poros se uele igual a la tensión media total, el suelo pierde su resistencia # se licua. !i el suelo es denso, "abrá menos posibilidad de que se produzca la licuefacción. *eso del recubrimiento # profundidad del suelo Las tensiones entre partículas aumentan a medida que se incrementa la presión del recubrimiento. ientras ma#or sea la tensión entre las partículas, menor será la probabilidad de que ocurra la licuefacción. *or lo general, la licuefacción ocurre a profundidades menores  metros, # rara ez ocurre a profundidades ma#ores de + metros. $mplitud # duración de la ibración del terreno La capacidad del suelo para resistir una ibración proocada por un sismo sin causar fallas depende de la intensidad del moimiento del terreno, incluida tanto su amplitud como su duración. Los moimientos más fuertes tienen ma#or probabilidad de causar fallas. La licuefacción de suelos bajo condiciones de tensión proocadas por un terremoto puede ocurrir #a sea cerca del epicentro durante terremotos pequeBos o moderados, o a cierta distancia en caso de terremotos moderados a seeros. Edad del depósito Los suelos d&biles # no co"esios por lo general son jóenes. 8on el tiempo, act3an dos factores para incrementar la resistencia de un suelo típico7 la compactación (que cambia la relación de acíos) # arios procesos químicos (que act3an para cementar los granos del suelo).
!i un depósito de suelos "a sido determinado como susceptible, entonces el segundo paso en el desarrollo de una ealuación de riesgo de licuefacción es considerar el potencial de un suelo para iniciar la licuefacción. Esto generalmente inolucra la caracterización de la carga sísmica a la que el suelo está sometido, #

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%icuaci,n d' (u'lo(

la caracterización de la resistencia a la licuefacción del suelo. 8omo estas caracterizaciones se "acen en t&rminos comunes, se pueden comparar para determinar el potencial de licuefacción del suelo (=ramer # !teNart, ;::0)

Ensa#o de enetrac"*n est>ndar El ensa#o de penetración estándar o !*A (del ingl&s standard penetration test ), es un tipo de prueba de penetración dinámica, empleada para ensa#ar terrenos en los que se quiere realizar un reconocimiento geot&cnico. 8onstitu#e el ensa#o o prueba más utilizado en la realización de sondeos, # se realiza en el fondo de la perforación. 8onsiste en contar el n3mero de golpes necesarios para que se introduzca a una determinada profundidad una cuc"ara (cilíndrica # "ueca) mu# robusta (diámetro exterior de + milímetros e interior de 9 milímetros, lo que supone una relación de áreas superior a +::), que permite tomar una muestra, naturalmente alterada, en su interior. El peso de la masa está normalizado, así como la altura de caída libre, siendo de /9Q %ilopondios # 6/ centímetros respectiamente.

MTODOS 9ASADOS EN EL ENSA3O DE ,ENETRACIÓN EST:NDAR El alor de la resistencia a la penetración estándar, o alor  del !*A, se define como el n3mero de golpes necesarios para que el muestreador de caBa partida, de ;K de diámetro exterior # + 9G-K de diámetro interno, penetre +;K en el terreno debido al impacto de la caída libre de un martillo de +0: lb desde una altura de9:K. 'ebido a las dificultades para la realización de este ensa#o, algunos parámetros de los suelos pueden tal ez ser medidos con ma#or exactitud sobre un amplio rango de profundidades, # en condiciones ambientales más difíciles. !in embargo, debido a que el !*A "a sido tan ampliamente usado en el pasado, la ma#oría de los datos de comportamiento de campo están generalmente correlacionados con este índice de resistencia del suelo. 

MTODO SIM,LI2ICADO DE SEED E IDRISS !eed e 5driss (+//) estudiaron el fenómeno de licuación ocurrido en el terremoto de iigata en +/0. ?asados en los resultados de laboratorio enarenas limpias sometidas a ensa#os triaxiales cíclicos, propusieron un m&todo simple para estimar la resistencia a la licuación de las arenas. El m&todo usaba la densidad relatia, deriada del !*A, como un parámetro principal del suelo en la determinación de la resistencia a la licuación. τ d σ o



=

0.65

a máx

σ o

g

σ o

rd .

M  T O D O S I M , L I 2 I C A D O D E T O F I M A TS U 3 3 O S G I M I 2


%icuaci,n d' (u'lo(

?asados en resultados de extensios ensa#os de laboratorio de licuación de arenas saturadas, Ao%imatsu # >os"imi (+-9), indicaron que los efectos de moimientos sísmicos que causan licuación pueden ser representados por dos parámetros7 la aceleración "orizontal del terreno # el n3mero de ciclos de moimientos significatios. Esta conclusión es incorporada en la siguiente ecuación para la relación del esfuerzo de corte dinámico para una profundidad determinada. τ d

=

a mín

σ o

g

σ o

σ o

rd .rn

MTODO SIM,LI2ICADO DE IHASAFI 3 TATSUOFA



En base al trabajo realizado por !eed e 5driss (+6+), la carga dinámica inducida en el elemento de suelo por un moimiento sísmico puede ser estimada. τ d σ o

=

τ máx

a máx

σ o

σ v

g

σ o

rd .

*or otro lado, 5Nasa%i # Aatsuo%a conclu#eron que la relación de esfuerzos cíclicos que causará licuación en un elemento de suelo sometido a cargas dinámicas durante un terremoto puede ser ealuada mediante7 *ara7 τ l

0,02 ≤ D50

≤

0,6mm

≤

2,0mm

0,0882

N σ v +

σ v

τ l

0,6 ≤ D50

=

=

0,0882

σ v

0,7

+

0,225 log(

−

0,05

N σ v +

0,7

0,35 D50

)

τ l

'onde7

7 esfuerzo de corte cíclico que causará licuación 7 3mero de golpes del !*A ':7 'iámetro promedio de las partículas en mm.

2


%icuaci,n d' (u'lo(

&. LICUE2ACCIÓN INDUCIDA ,OR TERREMOTOS La licuefacción del suelo describe el comportamiento de suelos que, estando sujetos a la acción de una fuerza externa (carga), en ciertas circunstancias pasan de un estado sólido a un estado líquido, o adquieren la consistencia de in líquido pesado. Es un tipo de corrimiento, proocado por la inestabilidad de un talud. Es uno de los fenómenos más dramáticos # destructios, además, más pol&micos que pueden ser inducidos en depósitos por acciones sísmicas. Es más probable que la licuefacción ocurra en suelos granulados sueltos saturados o moderadamente saturados con un drenaje pobre, tales como arenas sedimentadas

o

arenas #

graas

que contienen

etas de sedimentos

impermeables. 'urante el proceso en que act3a la fuerza exterior, por lo general una fuerza cíclica sin drenaje, tal como una carga sísmica, las arenas sueltas tienden a disminuir el olumen, lo cual produce un aumento en la presión de agua en los poros # por lo tanto disminu#e la tensión de corte, originando una reducción de la tensión efectia 'ebido a la gran cantidad de agua intersticial que presentan, las presiones intersticiales son tan eleadas que un seísmo, o una carga dinámica, o la eleación del niel freatico, pueden aumentarlas, llegando a anulas tensiones

2


%icuaci,n d' (u'lo(

efectios. Esto motia que las tensiones tangenciales se anulen, comportándose el terreno como un pseudoliquido !i bien los efectos de la licuefacción "an sido comprendidos desde "ace muc"o tiempo, los ingenieros # sismólogos "an tenido un recordatorio sobre su releancia a partir de los terremotos de +/0 ocurridos en iigata (Dapón), $las%a. El fenómeno tambi&n jugó un papel mu# importante en la destrucción del 'istrito de la arina en !an rancisco durante el terremoto de Loma *rieta ocurrido en +- 'urante un fuerte terremoto cuando la tierra empieza a sacudir, los granos del suelo a poca profundidad están cortados en una composición sólida. o obstante, debido a la presencia de agua, se saturan los granos del suelo. Los granos de arena pueden conertirse en olcanes de arena. Los sedimentos en el fondo tienen un ínculo fuerte, con ma#or presión de confinamiento, # por tanto son menos probables a licuar. 8uando la arena bajo una capa de arcilla o cieno lic3a, la capa superior puede deslizarse debido a la graedad "acia una pendiente, produciendo un terreno grietas. undamentos de puentes, carreteras, edificios, # el gas # las líneas de alcantarillado puede ser graemente daBado por estos moimientos. Aerremoto de licuefacción contribu#e en gran medida los daBos sísmicos

Eidencias más comunes en fenómeno de licuefacción +. ;. 9. 0. . /.

2olcanes de arena Orietas en el terreno *erdida de la capacidad portante del suelo oimientos laterales 1scilaciones "orizontales en el terreno alla de taludes por flujo en el terreno

0


%icuaci,n d' (u'lo(

+olcanes de Arena debido a la licuefacción en el terremoto de Loma Prieta &stados ,nidos - de /ctubre de -010

1


%icuaci,n d' (u'lo(

OC5EA$!

TERREMOTO EN NIATA )A,ON (Dunio de +/0) 'urante junio de +/0, en igata Dapón, tuo lugar un terremoto de magnitud 6. grados en la escala de Cic"ter, "ubo daBos mu# graes causados

por

licuefacción en arenas. uc"as estructuras se asentaron más de un metro # se inclinaron notablementeF en el terremoto un edificio giró -: grados, quedando prácticamente tendido en el suelo. Aambi&n se pudo eidenciar otros fenómenos de licuefacción. *oco despu&s del sismo se obsero agua brotando del suelo por gritas que se formaron, en las cuales llegaron a "undirse casas # automóilesF al mimo tiempo, se eía emerger a la superficie estructuras que debería permanecer en el subsuelo, como fue el caso de un tanque de gas. Aambi&n ocasiono la destrucción de uno 9::: edificios # daBos cerca de +: mil millones de dólares. $lgunos efectos de licuación del suelo son catastróficos, tales como la falla de grandes pendientes o presas, el desplome de edificios # puentes, el colapso parcial o total de muros de contención. 1tros sin embargo son un poco menos dramáticos como largas deformaciones de la superficie terrestre, el asentamiento # consecuente inundación de grandes, etc. $3n estos efectos laterales en muc"os terremotos causan daBos de grandes proporciones a carreteras, ía f&rreas, tuberías # edificios Las estadísticas de los daBos obtenidos durante terremotos pasados indican lo siguiente

2


%icuaci,n d' (u'lo(

+. Los daBos concentran en áreas donde se presentan condiciones irregulares del sueloF causa de las ma#ores deformaciones del suelo es la no uniformidad en el desplazamiento debido a tal condición irregular. ;. El grado de ulnerabilidad depende de la intensidad del moimiento sísmico, el cual está representado por la máxima aceleración.




%icuaci,n d' (u'lo(

0. E4ectos de la l"cue4acc"*n Las consecuencias de la falla de un suelo por licuefacción son catastróficas. !eg3n Aroncoso (+;) estas consecuencias pueden ser, "undimientos,

olcamientos, desplomes,

asentamientos

diferenciales,

colapso de puentes # flotación de estructuras liianas enterradas

'urante la licuefacción, la p&rdida de resistencia que el suelo experimenta, generalmente "ace que se produzcan fallas del terreno (1*!, ;::9). Existen arios tipos de fallas del terreno asociadas con la licuefacción. !eg3n Oreene et al. (+0), estas fallas son7

0.1 2allas de 4lujo # desl"?am"entos Estas son fallas asociadas a superficies inclinadas, como taludes. Las fallas de flujo # los deslizamientos son las fallas del terreno más catastróficas causadas por la licuefacción. Estas fallas com3nmente producen desplazamientos de decenas de metros, de grandes masas de suelo # en algunos casos, las masas de suelo "an iajado arios %ilómetros "acia abajo en terrenos con pendiente, con elocidades considerables. En el caso de los flujos, los materiales del suelo se desplazan rápidamente cuesta abajo en un estado licuado, usualmente se producen en arenas limpias o arenas limosas sueltas # saturadas, en terrenos con pendientes relatiamente pronunciadas.

0.+ Desla?am"entos laterales Los desplazamientos laterales inolucran el desplazamiento de grandes bloques desuelo superficiales como consecuencia de la licuefacción de un estrato inferior. 8uando los estratos más profundos se licuan, los estratos superficiales del suelo se mueen lateralmente en bloques sólidos. Este desplazamiento ocurre debido a la acción de las fuerzas graitacionales # de las fuerzas de inercia generadas por el terremoto. El desplazamiento




%icuaci,n d' (u'lo(

"orizontal com3nmente se extiende por arios metros # el suelo se rompe internamente causando fisuras, escarpes # "undimiento de bloques

0./ Osc"lac"ones del terreno 8uando el terreno es plano o la pendiente demasiado suae para permitir el desplazamiento lateral, la licuefacción de un estrato profundo puede desacoplar los estratos de suelo superiores, permitiendo la oscilación de los suelos superficiales en forma de ondas. Estas oscilaciones están asociadas a la abertura # cierre de fisuras del terreno, # a la fractura de estructuras rígidas como paimentos # tuberías.

0.' ,rd"da de la caac"dad de soorte # 4lotac"*n 8uando el suelo que soporta un edificio u otra estructura se licua # pierde resistencia, pueden producirse grandes deformaciones, lo que permite el asentamiento o olcamientos de las estructuras. La falla más espectacular por p&rdida de la capacidad de soporte de los suelos ocurrió durante el terremoto de iigata de +/0,en Dapón, donde arios de los edificios de departamentos

=aNangis"ic"o

se

olcaron

"asta

/:

grados.

$parentemente, la licuefacción primero se desarrolló en un estrato de arena a arios metros de profundidad # despu&s se propagó "acia arriba a tra&s de otros estratos de arena, lo que debilitó el suelo que soportaba los edificios permitiendo su olcamiento. *or otra parte, los objetos enterrados menos pesados que el suelo licuado desplazado, como tanques o tuberías, pueden subir a tra&s del suelo licuado # flotar en la superficie.

0.6 Asentam"entos # $olcanes de arena En muc"os casos, el peso de las estructuras fundadas en el suelo, no es lo suficientemente grande como para causar los grandes asentamientos asociados a la p&rdida de capacidad de soporte. !in embargo, asentamientos más pequeBos pueden ocurrir debido a la disipación de presión de poros # la consolidación del suelo despu&s del terremoto.

5


%icuaci,n d' (u'lo(

Estos asentamientos pueden ser destructios, pero no al niel de las fallas que implican grandes desplazamientos o p&rdida de la capacidad de soporte. La erupción de olcanes de arena es una manifestación com3n de licuefacción. Estos olcanes son flujos de agua con sedimentos que suben "acia la superficie del terreno, debido a la ma#or presión de poros presente en el suelo licuado.

0.& Aumento de la res"*n lateral so!re estructuras de contenc"*n !i el suelo que se encuentra detrás de alguna estructura de contención se licua, entonces las presiones laterales sobre esa estructura pueden aumentar de manera considerable. Este efecto se produce debido a la p&rdida de resistencia al corte del suelo, lo que lo conierte en un líquido de alta densidad que puede ejercer una presión lateral mu# superior a la presión con la que el muro fue diseBado. 8omo consecuencia, los muros de contención pueden ser desplazados lateralmente, inclinarse o fallar estructuralmente, como "a sido obserado en muros junto al mar que contienen arenas saturadas, en arios terremotos.

7. MEDIDAS ,ARA MITIAR LOS E2ECTOS DE LA LICUE2ACCIÓN !eg3n Do"ansson (;:::), existen tres posibilidades básicas para reducir los riesgos de licuefacción. Estas medidas son eitar los suelos susceptibles de licuefacción,

construir estructuras resistentes a la

licuefacción o mejorar el suelo.

7.1. E$"tar >reas donde ueda ocurr"r la l"cue4acc"*n La primera posibilidad para mitigar los efectos de la licuefacción, es eitar la construcción de nueas estructuras sobre suelos susceptibles de presentar licuefacción.

Existen

arios

criterios

para

determinar

la

susceptibilidad de un suelo a la licuefacción

/


%icuaci,n d' (u'lo(

7.1.Estructuras res"stentes a la l"cue4acc"*n Las estructuras resistentes a la licuefacción pueden diidirse en estructuras con fundaciones superficiales # estructuras con fundaciones profundas. Los aspectos relatios a estos tipos de fundaciones se erán breemente a continuación.

7.1.1. 2undac"ones suer4"c"ales En una fundación superficial, es importante que todos los elementos de la fundación est&n amarrados, para permitir el moimiento o asentamiento de la fundación de manera uniforme, de esta manera se reducen las tensiones en los elementos estructurales que se encuentran sobre la fundación.
7.1.+ 2undac"ones ro4undas La licuefacción puede causar grandes cargas laterales en las fundaciones de pilotes. !i los pilotes son "incados a tra&s de un estrato de suelo potencialmente licuable, "asta llegar a un estrato firme, no solo debe resistir las cargas erticales producidas por el peso de la estructura, sino que tambi&n debe poder resistir las cargas "orizontales # los momentos flectores inducidos por el moimiento lateral si el estrato de suelo susceptible se licua. La resistencia requerida puede lograrse con pilotes de ma#ores dimensiones o más reforzados. undación profunda (Do"ansson, ;:::).

7.+Mejoram"ento del suelo 


%icuaci,n d' (u'lo(

El principal objetio de las t&cnicas de mejoramiento del suelo para reducir los riesgos de licuefacción, es eitar que se produzcan grandes incrementos en la presión de poros durante el terremoto. Esto se puede lograr por medio de la densificación del suelo o mejorando su capacidad de drenaje. Las t&cnicas máscomunes de mejoramiento del suelo se indican a continuación (Do"ansson, ;:::).

7.+.1 <"!ro4lotac"*n La ibroflotación inolucra el uso de una sonda ibrante que puede penetrar en un suelo granular a profundidades ma#ores de 9: metros. Las ibraciones de la sonda causan que la estructura granular colapse, produci&ndose un reordenamiento de las partículas # la densificación del suelo que rodea la sonda. *ara tratar un área de suelo potencialmente licuable, la ibroflotación debe realizarse siguiendo un patrón cuadriculado.

El ibroreemplazo es una combinación de ibroflotación con un agregado de graa, formando columnas de piedras, las cuales aumentan la densificación, proporcionan un ma#or grado de refuerzo # mejoran la capacidad de drenaje del suelo. El procedimiento consiste en usar un ibrador para realizar agujeros en el terreno con la a#uda de un c"orro de agua a presión con espaciamientos entre +, a 9 metros # oler a llenar con graa luego de la extracción.

7.+.+ Comactac"*n d"n>m"ca La densificación por compactación dinámica se realiza dejando caer una pesada bola de acero desde alturas que an de +: a 9/ metros, en un patrón cuadriculado. Este m&todo proee de una solución económica de mejoramiento de suelo para reducir el riesgo de licuefacción. La licuefacción local se inicia bajo el punto de caída, permitiendo la densificación del suelo # cuando el aumento de la presión de poros producido por la compactación dinámica se disipa, se produce la densificación adicional.




%icuaci,n d' (u'lo(

7.+./ Columnas de "edra. 8omo se describió anteriormente, las columnas de piedra son columnas de graa construidas en el suelo. Las columnas de piedra pueden ser construidas con el m&todo de la ibroflotación o con otros m&todos, como con el usode un tubo de acero, dentro del cual se agrega la graa. En este m&todo, la graa se compacta con un martillo de caída libre mientras se a retirando el tubo de acero.

7.+.' ,"lotes de comactac"*n. La instalación de pilotes de compactación es una forma mu# efectia de mejoramiento del suelo. Estos pilotes normalmente se "acen de "ormigón pretensado o madera. La instalación de los pilotes de compactación densifica # refuerza el suelo, siguiendo un patrón cuadriculado "asta llegar a profundidades de ;: metros.

7.+.6 In#ecc"*n de grout"ng de comactac"*n. La in#ección de grouting de compactación es una t&cnica por medio de la cual una mezcla de agua, arena # cemento es in#ectada a presión en un suelo granular Este mortero forma un bulbo que desplaza # densifica el suelo ad#acente. Este m&todo es una buena solución si se requiere mejorar una fundación existente, #a que es posible in#ectar el grouting desde el lado o en un ángulo inclinado para alcanzar el suelo bajo las fundaciones.

7.+.& Tcn"cas de drenaje. Los riesgos de licuefacción pueden ser disminuidos aumentando la capacidad de drenaje del suelo, #a que el aumento de la presión de poros se disipa rápidamente si el agua puede drenar libremente. Las t&cnicas de drenaje inclu#en la instalación de drenajes de graa, arena o materiales




%icuaci,n d' (u'lo(

sint&ticos. Los drenajes sint&ticos pueden ser instalados con arios ángulos, mientras que los drenajes de graa # arena generalmente son erticales. Las t&cnicas de drenaje a menudo son usadas en combinación con otros tipos de t&cnicas de mejoramiento del suelo para una reducción más efectia del riesgo de licuefacción.

0


%icuaci,n d' (u'lo(

%. Conclus"ones •

La licuefacción de los suelos se producen en suelos granulares7



$renas limosas saturadas



$renas mu# finas redondeadas



$renas limpias



•

Cellenos mineros

La licuefacción ocurre principalmente en suelos sueltos, saturados # no co"esios. Ese suelo puede densificarse cuando está sujeto a una carga cíclica. La tendencia a densificarse reduce el olumen de suelo # agua e incrementa la presión de poros.

•

5ndican que el daBo en las tuberías enterradas es muc"o ma#or en los terremotos asociados con licuación del suelo que en aquellos que no están a asociados a tal efecto.

•

Los suelos susceptibles a la licuación generalmente forman topografía plana. *or esta razón grandes deformaciones en el terreno no pueden ser istas con facilidad

•

Los daBos se concentran en áreas donde se presentan condiciones irregulares del sueloF la causa de las ma#ores deformaciones del suelo es la no uniformidad en el desplazamiento debido a tal condición irregular.

•

Los riesgos de licuefacción pueden ser disminuidos aumentando la capacidad de drenaje del suelo, #a que el aumento de la presión de poros se disipa rápidamente si el agua puede drenar libremente

•

Los suelos más susceptibles a la licuefacción son aquellos formados por depósitos jóenes (producidos durante el @oloceno, depositados durante los 3ltimos +:,::: aBos) de arenas # sedimentos de tamaBos de partículas similares, en capas de por lo menos más de un metro de espesor, # con un

•

alto contenido de agua (saturadas). *ara eitar los asentamientos diferenciales debe procurarse que la tensión del terreno bajo las zapatas sea la misma.

1

UNIVE!I"A" #EIC$ VI%%AEA% &'cánica d' (u'lo( A)licado( a la( V*a( d' +ran()ort' •

%icuaci,n d' (u'lo(

Los daBos por asentamientos diferenciales de edificaciones no constitu#en un fenómeno de carácter excepcional sino un fenómeno frecuente.

2

Licuacion de Suelos en Las Vias Terrestres

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