-
)
I.
INTRODUCCCION
En el es estu tudi dio o de me mecá cáni nica ca de suel suelos os para para fine finess de cime ciment ntac acio ione ness o fundaciones en la naturaleza frecuentemente el profesional de la ingeniería
geotécnica y todo profesional que es responsable de la construcción de obras civiles deben trabajar tomando todas las consideraciones y estudios que den confianza sobre el suelo en el que se edificará la obra civil En todos los casos las obras civiles deben cumplir su servicialidad en el tiempo y es en ellas por las condiciones tectónicas del suelo se exponen a sismos de diversa severidad, ahí es donde se debe poner atención en el tipo de suelo sueloss ahí existe existen n suelos suelos especi especiale aless que sufri sufriría rían n LICUE LICUEFAC FACCIO CION N y tambié también n suelo sueloss COLAPS COLAPSABL ABLES, ES, que son son necesa necesaria riass conoc conocer er sus sus bases bases teóricas. En la Universidad Alas Peruanas en la carrera de Ingeniería civil en el curso de Mecánica de suelos aplicado a cimentaciones y vías de transporte es necesario presentar el presente trabajo. II .
OBJETIVOS -
III .
Conocer Conocer los fundamen fundamentos tos de la licue licuefacc facción ión y colaps colapsabil abilidad idad de suelos y las mejoras que se pueden practicar en dichos suelos
MARCO TEORICO
LICUACIÓN O LICUEFACCIÓN DE SUELOS Generalidades
En suelo sueloss granu granular lares es y en alguno algunoss suelo sueloss granul granulare aress con finos finos cohes cohesivo ivoss ubicados bajo bajo la Napa Freática, Freática, las solicitaciones solicitaciones sísmicas sísmicas pueden originar el fenómeno denominado denominado Licuación, el cual consiste en la pérdida momentánea de la res resist istenc encia ia al corte corte del del suelo suelo,, como como conse consecu cuenc encia ia del del increm increment ento o de la presión de poros que se genera en el agua contenida en sus vacíos y originada por la vibración que produce el sismo. Esta pérdida de resistencia al corte genera la ocurrencia de fallas por los grandes asentamientos en las obras sobreyacentes y por el desplazamiento desplazamiento lateral de taludes y terraplenes. Para que un suelo granular sea susceptible de licuar durante un sismo, debe presentar simultáneamente las características características siguientes: -
Debe estar estar constit constituido uido por por arena arena fina, fina, arena arena limos limosa, a, arena arena arcill arcillosa, osa, limo arenoso no plástico o grava empacada en una matriz constituida por alguno de los materiales anteriores. Debe Debe e enc ncon ontr trar arse se sum sumer erg gido. ido.
En estos estos cas casos os el PR (Profe (Profesio sional nal Res Respon ponsa sable ble)) deberá deberá inclui incluirr en su EMS EMS (Estudio de Mecánica de Suelos) un análisis determinístico y probabilístico del Potencial de Licuación de la zona, e indicar la probabilidad de ocurrencia o no del fenómeno de Licuación. ANÁLISIS DEL POTENCIAL DE LICUACIÓN
En el caso de suelos granulares que presenten las características indicadas anteriormente, se deberá realizar el Análisis del Potencial de Licuación utilizando el método propuesto por Seed e Idriss (1971, 1982) y actualizado por el National Center for Earthquake Research (1997, NCEER) y por el Earthquake Engineering Research Center (2003, 2004 EERC), como procedimiento para la evaluación del potencial de licuación. Este método fue desarrollado en base a observaciones in-situ del comportamiento de depósitos de arenas durante sismos pasados. El procedimiento involucra el uso de la resistencia a la penetración estándar N (Número de golpes del ensayo SPT). El valor de N obtenido en el campo deberá corregirse por: energía, diámetro de la perforación, longitud de las barras para obtener el valor de (N1)60. En forma complementaria al SPT pueden emplearse la resistencia a la penetración del cono estático (CPT) qc1 o las velocidades de propagación de las ondas de corte Vs1 y calcular a partir de uno de esos valores el Potencial de Licuación de los suelos. Se deberá considerar también para el análisis: el porcentaje de finos (% < 75 μm), el factor de reducción de las tensiones (rd), la aceleración horizontal pico en el terreno (amax), la magnitud momento (Mw), la profundidad (d) y la velocidad de ondas de corte promedio sobre los 12m (V*s,12m). La aceleración máxima (amax) requerida para el análisis del potencial de licuación será estimada por el PR (Profesional Responsable, la cual será congruente con los valores empleados en el diseño estructural correspondiente. El método determinístico permite calcular el esfuerzo cortante cíclico normalizado resistente mínimo que produce licuación (CRR) y el esfuerzo cortante cíclico normalizado inducido por el sismo (CSR). Adicionalmente se deberá efectuar una evaluación probabilística basada en un análisis estadístico de los posibles sismos que puedan ocurrir en un lugar para determinar la Probabilidad de Licuación (PL). El PR (Profesional Responsable) deberá calcular la Probabilidad de Licuación (PL) empleando los criterios y procedimientos más recientes, aceptados en Geotecnia. El PR (Profesional Responsable) establecerá la severidad del problema de licuación mediante los siguientes criterios:
TABLA 13 CLASIFICACIÓN DEL POTENCIAL DE LICUACIÓN Licuación PL Alta >50% Moderada 10%
El PR (Profesional Responsable) determinará los Factores de Seguridad frente a la ocurrencia de la licuación (FSL) y su valor mínimo, el que deberá ser mayor que 1 y dependerá del tipo e importancia de la obra, se deberá también establecer la aceleración máxima de un sismo que causaría licuación para el Factor de Seguridad frente a la ocurrencia de la licuación (FSL) empleado en el diseño. Siendo: FSL = CRR / CSR INVESTIGACIÓN DE CAMPO
Cuando la historia sísmica del lugar haga sospechar la posibilidad de ocurrencia de Licuación, el programa de investigación de toda el área comprometida por la estructura se realizará de acuerdo a lo indicado en la Tabla 6 y con perforaciones hasta 15 m de profundidad como mínimo. Cuando en las Investigaciones Preliminares se encuentren las condiciones indicadas anteriormente, deberá asumirse la probabilidad de ocurrencia del fenómeno de Licuación. En tal caso, el PR debe informar al Solicitante la necesidad de ampliar el Programa de Investigación para incluir el Análisis de Licuación. El Solicitante deberá aprobar el nuevo Programa de Investigación en toda el área comprometida por la estructura. Las perforaciones tendrán una profundidad mínima de 15 metros y serán realizadas por las técnicas de lavado o rotativa. Dentro de las perforaciones debe llevarse a cabo Ensayos de Penetración Estándar SPT (NTP 339.133:1999) espaciados cada 1 metro Las muestras que se obtengan en el penetrómetro utilizado para el ensayo SPT deberán recuperarse para poder efectuar en todas ellas los siguientes ensayos como mínimo: TABLA 12 SUELOS. Método de ensayo para el análisis granulométrico. SUELOS. Método de ensayo para determinar el límite líquido, límite plástico e índice de plasticidad de suelos SUELOS. Método de ensayo para determinar el peso específico relativo de las partículas sólidas de un suelo SUELOS. Método parala clasificación de suelos con propósitos de ingeniería (sistema unificado de clasificación de suelos, SUCS)
NTP 339.128:1999 NTP 339.129:1999 NTP 339.131:1999 NTP 339.134:1999
Los ensayos DESH , CTP , DPL, CPT y la medición de las velocidades de propagación de las ondas de corte pueden ser usados para investigaciones preliminares, o como investigación complementaria de los ensayos SPT , previa calibración en el caso de los ensayos DESH , CTP y DPL.
MODALIDADES MÁS FRECUENTES DE LICUEFACCION •
PERDIDAS DE CAPACIDAD PORTANTE
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SUBSIDIENCIAS
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INESTABILIDAD DE LADERAS
VOLCANES O ERUPCIONES DE ARENA
DESARROLLO DE PROCESOS DE LICUACION ESTADOS TENSO – DEFORMACIONALES LICUACION. CARACTERÍSTICAS DEL FENÓMENO. El equilibrio estático es roto por la aplicación de acciones estáticas o dinámicas, en suelos con una reducida resistencia residual. Las acciones externas derivan en un proceso de crecimiento de las presiones de poros, sin posibilidad de disipación rápida en función del tiempo de carga. La resistencia residual es la existente en el suelo licuado. Acciones desencadenantes: 1.- Estáticas: construcciones o excavaciones. 2.- Dinámicas: sismos, explosiones, pilotajes, etc.
Las fallas se asocian con grandes desplazamientos y acciones catastróficas. FACTORES CONCURRENTES -
Niveles de humedad, saturado o próximo a la saturación
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Permeabilidad reducida para evitar las disipaciones “rápidas”
-
Resistencia movilizada especialmente por factores friccionales
- Confinamiento efectivo reducido en relación con las solicitaciones aplicadas. LINEAS DE ESTADO CRITICO (Suelos Drenados) Casagrande, 1936
CAMINOS DE TENSION (Ensayo Triaxial No Drenado)
LINEAS DE ESTADOS ESTACIONARIOS (SSL) - D. Experimentales
CAMINOS TENSIONES - LICUACION Y MOVILIDAD CÍCLICA
ZONIFICACION DE ESTADOS TENSIONES LICUACION Y MOVILIDAD CÍCLICA
LICUACION BAJO CARGA MONOTÓNICA O CICLICA
LICUACION BAJO CARGA CICLICA
DESARROLLO DE PROCESOS DE LICUACION CARACTERIZACION DE LOS PROCESOS DE LICUACION
Elementos de interés en la caracterización: Variables de identificación de resistencia - Relación cíclica de tensiones - Relación cíclica de resistencias Formas de identificación de estas variables RELACION DE TENSIONES CICLICAS (CSR) Cyclic Stress Ratio
Definición.-
Parámetro de caracterización pseudo empírica de las solicitaciones generadas por el sismo en el perfil de terreno. ECUACION BASICA Seed e Idriss (1971)
τ av a = 0.65 ⋅ g σ 'vo
CSR =
max
σ vo ⋅ r d ⋅ σ ' vo
ama = Aceleración horizontal pico en el terreno σvo; σvo’= Tensiones totales y efectivas Rd =Factor de reducción de las tensiones COEF DE REDUCCION DE TENSIONES Whitman y Liao, 1986
=1.000 − 0.00765 ⋅ z r d =1.174 − 0.02670 ⋅ z r d
rd
T.F. Blake, 1996 0.5
z + 0.001753 ⋅ z 1.5 r d = 0.5 1 .5 3 1.000 − 0.4177 ⋅ z + 0.05729 ⋅ z − 0.006205 ⋅ z + 0.00121⋅ z 1.000 − 0.4113 ⋅ z
+ 0 .04052 ⋅
RELACION DE RESISTENCIAS CICLICAS (CRR) Cyclic Resistance Ratio CARACTERISTICAS DEL PARÁMETRO Es un parámetro de especial interés para valorar la “resistencia” a la licuación PARA SU CARACTERIZACIÓN EN LABORATORIO - Existen dificultades para la reproducción de los estados tensionales in-situ - El proceso de toma de muestra implica alteraciones significativas del material - Las tecnicas más adecuadas implican el congelamiento de la muestra -----> costos - Se concluye en la conveniencia del empleo de los estudios y ensayos de campo Youd e Idriss, 2000 (NCEER, 1996,1998) RELACION DE RESISTENCIAS CICLICAS (CRR) Cyclic Resistance Ratio Ensayos de campo
SPT Ab und ante Información Histórica Parcialmente Estados d e tensiones drenado, grandes - deformaciones deformaciones inducidos Bueno a pobre Control de calidad y repetibilidad Buena para serie Detección d e abundantes de variabilidad en el ensayos depósito Cualquiera menos Tipos de suelos en gravas los que se aplica Si Extracción d e muestras Indices Resultados
TIPO DE ENSAYO CPT Vs
BPT
Ab und ante Drenado, grandes deformaciones
Limitada Pequeñas deformaciones
Muy bueno
Bueno
Escasa Parcialmente drenado, grandes deformaciones Pobre
Muy buena
Mala
Mala
Cualquiera menos gravas No
Todos No
Principalmente gravas No
Indices
Mediciones
Indices
Youd e Idriss, 2000 (NCEER, 1996,1998) ENSAYO SPT Uno de los ensayos de mayor difusión a nivel mundial Se han fijado relaciones directas con crr Se ha fijado, con un criterio conservador, la diferencia entre sector “licuables” y “no licuables” CONDICIONES ORIGINALES DE EVALUACION: Arenas limpias. Contenido de finos < 5% Energía entregada: 60% Sobrecarga al momento del ensayo: 100 kPa En su relación con el CRR se aplica para una magnitud sísmica inicial de 7,5.
Función numérica (Rauch, 1998) CRR7.5
1 =
34
( N )
−
1
+ 60
( N ) 1
60
135
50 +
[10 −( N ) 1
60
1 + 45
]
2
−
200
CORRECCIONES GLOBALES SOBRE N ( N ) = N m ⋅ C N ⋅ C E ⋅ C B ⋅ C R ⋅ C S 1 60
•
•
•
•
•
Nm Número de golpes medidos en el ensayo CN Factor de corrección por sobrecarga diferente de 100 kPa CE Factor de corrección por variación en la energía CR Factor de corrección por variación en la longitud de guía CS Factor de corrección por sistema de muestreo
CN FACTOR DE CORRECCIÓN POR SOBRECARGA DIFERENTE DE 100 KPA Liao y Whitman, 1986 0.5
P Kayen C N = eta al, 1992
σ vo
2.2
C N
1.2
vo
P a
CE FACTOR DE CORRECCIÓN POR ENERGÍA APLICADA Valor de referencia 60% Factores de incidencia: martillo, poleas, enganches Se recomienda control sistemático ASTM D-1586-99 CE FACTOR DE CORRECCIÓN POR LONGITUD DE CAÍDA •
•
•
LONGITUD
FACTOR
< 3m
0.75
3 a 4 m
0.80
4 a 6 m
0.85
10 a 30 m
0.95
> 30 m
1.00
CARACTERÍSTICAS DEL ENSAYO Permite la medición en forma “continua” en el perfil Sus resultados suelen ser consistentes y repetibles Es particularmente ventajoso para el trazado de “perfiles de licuación” Requieren un sondeo complementario para la identificación de los materiales. generalmente se complementa con un SPT •
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•
ENSAYO CPT Para (qc1N) < 50
( q1cN ) + 0.05 1000
CRR7.5 = 0.833 ⋅
Para (qc1N) < 160 3
CRR7.5
( q ) = 93 ⋅ 1cN + 0.08 1000
Resistencia de punta normalizada
q q cN = Cc ⋅ c pa 1
n
p C c = a vo σ
Influencia del contenido de finos La influencia se aprecia en las relaciones de resistencia lateral y punta en el desarrollo del ensayo Según estas diferencias de respuesta resulta posible relacionar con distintos tipos de suelos •
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De interés en la fijación de licuación en arcillas (Crit. Chino) Corrección de q1cN por finos qc1N,c = K c qc1N Kc factor dependiente de índice de comportamiento del suelo (F, Q)
ENSAYO CARACTERIZACION Vs Definido a través de distintos métodos de ensayo geo sísmicos, geofísicos, geomagnéticos Se normalizan las velocidades en función de la sobrecarga Sykora, 1987 p Kayun et al, 1992 V s = V s ⋅ a σ 'vo Robertson et al, 1992 Se asume que ko=0,50. Condición que resulta frecuente en el caso de licuación 0.25
1
Tokimatsuy Uchida (1990). Sobre ensayos de laboratorio, finos <10%, 15 ciclos Robertson et al (1992) comportamiento de campo en Imperial Valley, California Kayen et al (1992) y Lodge (1994) sobre datos de Loma Prieta, 1989 Andrus y Stokoe (1997) suelos Holocenos, no cementados, finos <5%
Andrus y Stokoe, 2000 Magnitud = 7,5
1 V s Valores referencia: = a de − 1 CRR + b 100 V sb −=V s2.8 V s a = 0.022 2
1
*
*
1
1
1
Vs1* 200 m/s -> finos 35%
215 m/s -> finos 5% Valores límites: 0.033 < CRR < 0.35 Vs1 > 100 m/s
ENSAYO BPT Los ensayos tipo spt y cpt no son factibles o representativos sobre suelos tipo grava Los bloques pueden interceptar el recorrido de penetración y dar falsos valores de resistencia Como alternativa se plantea el uso de penetrómetros de gran diametro, tipo Becker. •
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PROCESO RECOMENDADO Realizar el ensayo BPT, con ap-1000, martillo diesel, y tubo de 168 mm Monitoreo de la presión aplicada y ajuste de las mediciones Ajuste posterior de los efectos de fricción lateral, según relación entre BPT y SPT Requerimiento de ajuste para otras magnitudes distintas de mw = 7,5 factor de ajuste por magnitud (Seed yIdriss, 1982) Corrige en forma directa el CRR Corrige en forma inversa el CSR Permite definir un factor de seguridad a la licuación •
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•
FS =
CRR7.5 ⋅ MSF CSR
MSF (según) Seed e Idriss (1982) Idriss (1995) Ambrasey (1988) Arango (1996) S. Distancia S. Energía Andrus y Stokoe (1997) Youd y Noble Pl < 20% (1997) Pl < 32% Pl < 50%
MAGNITUD DEL SISMO
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
8.5
1.43
1.32
1.19
1.08
1.00
0.94
0.89
2.20
1.76
1.44
1.19
1.00
0.84
0.72
2.86
2.20
1.69
1.30
1.00
0.67
0.44
3.00
2.00
1.60
1.25
1.00
0.75
-
2.20
1.65
1.40
1.10
1.00
0.85
-
2.80
2.10
1.60
1.25
1.00
0.80
0.65
2.86
1.93
1.34
1.00
-
-
-
3.42
2.35
1.66
1.20
-
-
-
4.44
2.92
1.99
1.39
1.00
0.73
0.56
SUELOS COLAPSABLES Son suelos que cambian violentamente de volumen por la acción combinada o individual de las siguientes acciones: a) Al ser sometidos a un incremento de carga o b) Al humedecerse o saturarse OBLIGATORIEDAD DE LOS ESTUDIOS En los lugares donde se conozca o sea evidente la ocurrencia de hundimientos debido a la existencia de suelos colapsables, el PR deberá incluir en su EMS un análisis basado en la determinación de la plasticidad del suelo NTP 339.129:1999, del ensayo para determinar el peso volumétrico NTP 339.139:1999, y del ensayo de humedad NTP 339.127:1998, con la finalidad de evaluar el potencial de colapso del suelo en función del Límite Liquido (LL) y del peso volumétrico seco ( d). La relación entre los colapsables y no colapsables y los parámetros antes indicados se muestra en la figura siguiente:
Criterios del Potencial de Colapso
EVALUACIÓN DEL ÍNDICE DE COLAPSO
Cuando el PR(Profesional Responsable) encuentre evidencias de la existencia de suelos colapsables deberá sustentar su evaluación mediante los resultados del ensayo NTP 339.163:2001. Las muestras utilizadas para la evaluación de colapso deberán ser obtenidas de pozos a cielo abierto, en condición inalterada, preferentemente del tipo Mib. El Índice de Colapso (IC) se define mediante la siguiente expresión:
El PR (Profesional Responsable) establecerá la severidad del problema de colapso mediante los siguientes criterios:
De manera complementaria, pueden utilizarse pruebas de carga en estado seco y humedecido NTP 339.153:2001. El objetivo de las mismas será realizar un análisis comparativo del comportamiento del suelo en su condición natural, con relación a su comportamiento en condición húmeda. En caso se verifique la colapsabilidad del suelo, el PR deberá formular las recomendaciones correspondientes a fin de prevenir su ocurrencia. CIMENTACIONES EN ÁREAS DE SUELOS COLAPSABLES
Las cimentaciones construidas sobre suelos que colapsan (Ic > 6) están sometidas a grandes fuerzas causadas por el hundimiento violento del suelo, el cual provoca asentamiento, agrietamiento y ruptura, de la cimentación y de la estructura. Por lo tanto, no está permitido cimentar directamente sobre suelos colapsables. La cimentación y los pisos deberán apoyarse sobre suelos no colapsables. Los pisos no deberán apoyarse directamente sobre suelos colapsables. REEMPLAZO DE UN SUELO COLAPSABLE
Cuando se encuentren suelos que presentan colapso moderado y a juicio del PR (Profesional Responsable), poco profundos, éstos serán retirados en su totalidad antes de iniciar las obras de construcción y serán reemplazados por Rellenos Controlados compactados adecuadamente de acuerdo al numeral 4.4.1. Rellenos controlados o de ingeniería de la presente Norma.
IV.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Los procesos de licuación hacen referencia de fenómenos de consecuencias diversas sobre las estructuras afectadas. 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 .Los reconocimiento del perfil del terreno a través de ensayos tipos SPT o CPT son los más recomendados a la hora de la caracterización de los materiales. En el caso de gravas se recomienda en el empleo de sistemas tipo BPT. Los modelos de simulación de los procesos de licuación basan su desarrollo en la definición de las tendencias de crecimiento y disipación de las presiones de poros. Si bien existen importantes variedades de modelos, las formulaciones sencillas resultan de interés por su probada capacidad de aplicación. La Colapsabilidad del Suelo es el fenómeno producido en un terreno por el cual se reduce su volumen, por lo general por cambios en la humedad contenida en el mismo. En algunos casos puede suceder como consecuencia de aplicación de cargas sin adición de agua. Los suelos más susceptibles de llegar a un colapso son: -Suelos de granulometría tipo limo, en donde se encuentran arcillas con estructuras flojas. -Suelos granulares de bajo peso específico. BIBLIOGRAFIA
DESARROLLO DE PROCESOS DE LICUACION, UNIVERSIDAD NACIONAL DE CORDOBA. Área de Geotecnia de la Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales
NORMA TÉCNICA DE EDIFICACIÓN E.050 SUELOS Y CIMENTACIONES