UNIVERDAD PERUANA LOS ANDES
de Seguridad LICUEFACION DE SUELOS
EST. JUAN MANUEL CHOZO ALDANA EST. JHORDAN PEÑALOZA VILLEGAS
2016
UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES - UPLA -
FACULTAD DE INGENIERIA ESPECIALIDAD: INGENIERIA CIVIL
LICUEFACION DE SUELOS A
CURSO
:
SUELOS II
CICLO
:
VI
CATEDRATICO
:
ALUMNOS
:
ING. FERNANDO UCHUYPOMA MONTES
CHOZO ALDANA JUAN MANUEL PEÑALOZA VILLEGAS JHORDAN
LIMA-2016
LICUEFACION DE SUELOS
INDICE Dedicatoria Resumen Introducción
CAPITULO I: GENERALIDADES 1.1.
Datos de la Empresa……….………………………………........ Empresa……….………………………………........ ......11
1.1.1 Nombre de la Empresa y Organigrama………………………...11 Organigrama………………………...11 1.1.2 Ubicación Geográfica y Área…………………………………….13 Área…………………………………….13 1.1.3 Servicio que Brinda la Empresa………………………………...14 Empresa………………………………...14 1.2.
Situación Situación Actual…………….………………………..………...… Actual…………….………………………..………...…….15 ….15
1.2.1 Identificación del problema……………………………………….15 problema ……………………………………….15 1.2.2 Análisis Foda………………………………………………………15 Foda………………………………………………………15 1.3.
Definición del Problema………………………………………………16 Problema………………………………………………16
1.3.1 Análisis Análisis del Problema……………………………………… Problema……………………………………………..16 ……..16 1.3.2 Descripción del Problema…………………………………………16 Problema…………………………………………16 1.4.
1.5.
Objetivos………………………………………………………………..17 1.4.1.
Objetivo General………………………………………………..17 General………………………………………………..17
1.4.2.
Objetivos Específicos…………………………………………17 Específicos…………………………………………17
Justificación……………………..………………………………….......18 Justificació n……………………..………………………………….......18
CAPITULO II: MARCO DE TRABAJO 2.1
Licuefaccion de Suelos……………………………… Suelos……………………………………………….22 ……………….22 2.1.1.
Factores que determinan el Fenómeno de Licuefaccion… Licuefaccion….22 2.1.1.1.
Magnitud del Movimiento Sísmico……………22 Sísmico…………… 22
2.1.2.
2.1.3.
2.1.1.2.
Duración del Movimiento Sísmico……………22 Sísmico…………… 22
2.1.1.3.
Granulometría del suelo………………………. s uelo……………………….23 23
2.1.1.4.
Densidad Relativa……………………… Relativa…………………………….. ……..23 23
2.1.1.5.
Profundidad del nivel Freático ……………….23
Efectos dañinos que Producen la Licuefaccion …………..23 2.1.2.1.
Falla de Flujo ……………………………………23
2.1.2.2.
Desplazamiento Lateral………………………..24 Lateral………………………..24
2.1.2.3.
Oxidación de Terreno…………………………...24 Terreno…………………………...24
2.1.2.4.
Perdida de la Capacidad Portante……………24 Portante……………24
2.1.2.5.
Volcanes de Arena………………………………24 Arena………………………………24
2.1.2.6.
Asentamientos…………………………………...24 Asentamientos …………………………………...24
Susceptibilidad de Licuefaccion ……………..……….…….25 2.1.3.1.
Criterios de Susceptibilidad……………………25 Susceptibilidad……………………25
2.1.3.2.
Criterios Históricos………………………………25 Históricos………………………………25
2.1.3.3.
Criterios Geológicos…………………………….26 Geológicos…………………………….26
2.1.4.
Suelos no Cohesivos………………………………………… Cohesivos…………………………………………...26 ...26
2.1.5.
Suelos con Presencia de Finos ………………………….……27
2.1.6.
Evaluación del Potencial de Licuefaccion…………………..28 2.1.6.1.
Procedimiento simplificado…………………….28 simplificado…………………….28
2.1.6.2.
Evaluación de la
resistencia
basada
en
el
ensayo de penetración estándar ……………………………….28 ……………………………….28 2.1.6.3.
Descripción general del ensayo de penetración
estándar ………………………………………………………….28 ………………………………………………………….28 2.1.7.
Método general de la evaluación …………………….……….29 2.1.7.1.
Caracterización de las solicitaciones sísmica… sísmica…29
2.1.8.
2.1.9.
2.1.10.
2.1.7.2.
Caracterización de la resistencia a la licuefacción30
2.1.7.3.
Caracterización basada en ensayo in situ………31 situ………31
2.1.7.4.
Evaluación de la iniciación de la licuefacción…32 licuefacción…32
Determinación Determinación de Potencial de licuefaccion………………… licuefaccion…………………32 32 2.1.8.1.
Metodología Simplificada de NCEER 1998 …..33
2.1.8.2.
Relación de esfuerzo cíclico……………………33 cíclico……………………33
2.1.8.3.
Evaluación del CRR………………………………34 CRR………………………………34
Correcciones para la Evaluación de Licuefaccion ……........35 ……........35 2.1.9.1.
Correcciones por energía y esfuerzo efectivo..36
2.1.9.2.
Correcciones por presión de sobrecarga efectiva.37
2.1.9.3.
Corrección por estado inicial de esfuerzo……..38 esfuerzo……..38
Método de Evaluación por daño inducido……………………..40 inducido……………………..40 2.1.10.1.
Metodologia de iwasaka y Tokamasi
……….40
CAPITULO III: EVALUACION Y RESULTADOS 3.1
Evaluación Técnica……………...……………………… Técnica……………...…………………………………..42 …………..42
3.2
Resultados…..………………………………………………………..46 Resultados…..………………………………………………………..46
CONCLUCIONES RECOMENDACIONE REFERENCIA BIBLIOGRAFICA ANEXOS
DEDICATORIA
Este trabajo se la dedicamos a nuestro Dios quien supo guiarnos por el buen camino, darnos fuerzas para seguir adelante y no desmayar en los problemas que se presentaban, enseñándonos a encarar las adversidades sin perder perder nunca la dignidad ni desfallecer en el intento. Para nuestros padres, por su apoyo, consejos, comprensión, amor, ayuda en los momentos difíciles, y por ayudarnos con los recursos necesarios para estudiar. Nos dieron todo para crecer como personas con valores, con principios, con empeño y así conseguir nuestros objetivos. A cada una de nuestras nu estras familias, fa milias, porque nos han brindado su s u apoyo apo yo incondicional y por compartir con nosotros buenos y malos momentos. A cada uno de nuestros amigos, pues gracias al equipo que formamos logramos llegar hasta el final del camino y que hasta el momento, seguimos siendo a migos. Por último, quisiéramos agradecer a nuestros profesores, gracias por su tiempo, por su apoyo así como como por la sabiduría que nos transmitieron en el desarrollo de nuestra formación profesional.
RESUMEN La presente investigación se desarrolló con el fin de evaluar el potencial de licuefacción de suelos en las zonas costeras de Pimentel y Santa Rosa, provincia de Chiclayo, teniendo en cuenta los suelos granulares saturados presentes en las zonas de estudio cuando son sometidos a solicitaciones sísmicas. En diversas partes del mundo se producen sismos de grandes intensidades originando que las estructuras fallen por un problema común en el suelo que es la licuefacción. Es necesario efectuar estudios especializados que permitan conocer el comportamiento más probable de este fenómeno para poder planificar y mitigar los grandes efectos que trae consigo. En esta investigación se plantea una metodología determinística estructurada y la más utilizada a nivel nacional que permita evaluar el potencial de licuefacción licuefacción de suelos pudiéndose así identificar y delimitar que zonas son potencialmente licuables en las áreas de estudio. Finalmente obtenida la información necesaria, post evaluación se da a conocer mediante mapas que lugares están propensos a sufrir licuefacción de suelos, para luego proponer medidas de prevención y mitigación en aquellas zonas que sean vulnerables a sufrir este fenómeno.
INTRODUCCION Uno de los grandes pr oblem as del colaps o de las edificaciones ante un sism ismo es la falta de identificación adecuada para el tipo tipo de suelo en la que va apoyada la cimentación. Inconveniente que se presenta pues los sism ismos producen un efecto en el s uelo que se le conoce como licuefacción, que consiste en la disminución de la resistencia al corte del terreno. Se denomina licuefacción al proceso de pérdida de resistencia de cier tos tipos de s uelos , que están s atur ados de agua y que cuando s on s ometidos a la sacudida de un terremoto, fluyen como un líquido a causa de un aumento de la presión de los por os. La pérdida de resistencia del suelo hace que las estr uctur as sean incapaces de manten er se estables y sean arr astr adas s obr e las masas de s uel o líquido .
La licuefacción es un fenómeno cuyo comportamiento es investigado en el mundo los últimos 45 años . En el Perú, la atención a este fenómeno se dio a p artir del terremoto del 31 de mayo de 1970 , luego de que este sism ismo provocara la licuefacción de s uel os de extensas zonas de la ciudad de Chimbote. Sin embargo, la información que se tiene en el Perú s obr e este fenómeno sigue siendo escasa, así como también el estudio de este fenómeno en diferentes localidades del Perú. Por tanto, es tarea de la ingeniería seguir desarrollando análisis y mapeos de la evaluación del potencial de licuefacción de suel os en diferentes lugar es es del Perú. ente estudio aborda información mencionada en investigacion es anteriores El pr es ent s obr e la licuefacción de s uelos en el Perú, como es el caso de Chimbote; nuestra investigación evalúa este fenómeno en las zonas coster as de Pimentel y Santa intens idad en la región norte Rosa. Como se sabe, se han producido sism ismos de gran inten del Perú, en Lambayeque (Oeste de Olmos) y en Piura, con una inten intens ida idad que varía de los 4.6 a 6.2 grados en la es cala de Richter. (Instituto Geofísico del Perú).
Como Lambayeque está consider ada como zona de silencio sísmico, de pr odu oducir se un sism ismo de gr and es pr opo opor ciones, un 40 % terminaría des tr uido debido al alto grado de vulnerabilidad que hay en los espacios geogr áf ic icos de sus tr es es pr ov ovincias. (IN DECI). Debido a esta realidad problemática se aborda la presente investigación para determinar el potencial de licuefacción de suel os en las zonas coster as de Pimentel y Santa Rosa. Consider ando que los distr ititos de Pimentel y Santa Rosa se desplantan f ic icia les de agua, se puede s obr e un depósito potente de arena con niveles s up er f afirmar que dichas zonas son sus ceptibles de suf r rir icación, i r licuación y d ensif ica produciendo asentamientos diferenciales en las edif edif ica icaciones .
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La delimitación del área de estudio del distrito de Pimentel viene justif ica icada por ser uno de ísticos más importan tes de Chiclayo. Actualmente, existe un auge de los lugar es tur ís icios de gran envergadura. Se compran casas muy an tiguas para una constr u cciones de edif ic r ec econstr ucción en dicho lugar. Estas se dan en la parte más cercana al mar, por tener vistas más atr activa ivas y así poder captar más compr ador es es . el distrito de Santa Rosa, por ser una de los lugar es es de mayor comercialización de la pesca, se percibe un crecimiento económico en sus pobladores. A su vez, el crecimiento poblacional aumenta en sus extremos y alrededores; zonas donde idamente se dará un auge en la constr ucción de v iviendas. seguida En
La realización de este estudio garantiza gr andes benef ic icios para la población de ambos distr ititos, pues tr as la promoción del uso de este material como sistem a informativo se bus ca dar s olucion es y recomendaciones a la licuación de s uel os , logr ándos e así tener en cuenta este fenómeno al momento de la constr ucción de v iviendas en dichas zonas.
CAPITULO I: GENERALIDADES 1.1. Datos de la Empresa 1.1.1. Nombre de la Empresa CISMID El Centro Peruano-Japonés de Investigaciones Sísmicas y Mitigación de Desastres, fue establecido en 1986 por la Facultad de Ingeniería Civil (FIC) de la Universidad Nacional de Ingeniería (UNI) y financiado gracias a la cooperación del Gobierno del Japón a través de su Agencia de Cooperación Internacional (JICA). El Centro Peruano Japonés de Investigaciones Sísmicas y Mitigación de Desastres (CISMID) es una institución de sólido prestigio internacional, que gracias al aporte y calidad de sus investigadores ha logrado colocarse a la vanguardia de la Ingeniería Sísmica no solamente en el Perú sino también en Latinoamérica. Durante sus 30 años de funcionamiento CISMID ha contribuido con una serie de investigaciones a la implementación de obras de infraestructura de trascendencia nacional e internacional. Así mismo, su aporte en el área de mitigación de desastres ha sido significativo, realizando diversos trabajos de microzonificación sísmica de un gran número de ciudades a nivel nacional y contribuyendo con investigaciones sobre materiales y tecnologías de construcción de viviendas sismorresistentes de interés social. Muchos de estos trabajos han concluido como tesis de grado de un gran número de alumnos de la Facultad de Ingeniería Civil-UNI. Por su parte los investigadores de CISMID frecuentemente presentan artículos en congresos nacionales e internacionales, difundiendo los trabajos de investigación que se vienen realizando, dando con esto una importante presencia de la Facultad de Ingeniería Civil y de la Universidad Nacional de Ingeniería.
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Organigrama de la Empresa
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1.1.2. Ubicación Geográfica Pimentel se encuentra en la franja litoral costera del valle Chancay - Lambayeque, y a 13 Kms de la ciudad de Chiclayo. Desde tiempos remotos re motos en que recibía rec ibía la denominación de Caleta de la Concepción de Chiclayo; y en función a l a construcción del antiguo muelle de Pimentel, se encuentra vinculada al desarrollo de actividades comerciales y de servicios. Los límites del distrito de Pimentel son:
Por el Norte: Distritos de San José y Chiclayo. Por el Sur : Distrito de Santa Rosa Por el Este: Distrito de la Victoria y Monsefú. Por el Oeste: Océano Pacifico.
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1.1.3. Servicio que Brinda la Empresa Las actividades de investigación del Departamento de Ingeniería Sísmica están orientadas al mejoramiento del comportamiento estructural en edificios y obras de ingeniería civil que incluyen no solo los aspectos de diseño y constructivos, sino también lo referente a las propiedades del material, comportamiento dinámico, así como el monitoreo y control de estructuras existentes. Asimismo el departamento se encarga de la experimentación en nuevos sistemas constructivos y el estudio de su compatibilidad con la norma técnica sismorresistente. El departamento trabaja en conjunto con el laboratorio de estructuras, el departamento de Planeamiento y Mitigación de desastres y el centro de cómputo conformando un grupo multidisciplinario en la búsqueda de edificaciones antisísmica seguras. Asimismo el departamento trabaja en conjunto con la empresa privada brindando los servicios que esta necesita para mejorar la vivienda en nuestro medio y resolver problemas locales propios de a industria de la construcción.
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1.2. Situación Actual 1.2.1. Identificación del Problema Dentro de los métodos de mejora del terreno cuyo objetivo es la densificación, se hará énfasis permitiendo tratar terrenos bajo estructuras existentes como por las posibilidades que entrarían de cara al problema proble ma de la licuación
1.2.2. Análisis Foda FORTALEZAS
OPORTUNIDADES
Este Este proyecto de de investigacion tiene como metodo metodo de Sus efectos devastado devastadores res provoca provocaron ron la atencion atencion prediccion prediccion del fenomeno fenomeno de la licuacion basado basado en
de los ingenieros geotecnicos geotecnicos desde los terremotos terremotos
ensayos de CPT.
de al aska y Ni i gata, ambos ocurri dos en 1964 y con magnitudes a 7.5. 7.5.
Tambien tiene como metodo de diseño que permita mitigar el potencial de licuacion, li cuacion, tanto en terremotos terremotos
Se debe revisar los diferentes dif erentes metodos de predi prediccion ccion
sin edif edific ica ar asi co como en los los ya edif edific ica ados.
exis existtent entes para la eva evalua luacion ion del potenc encial ial de de lic licuacion ion estudiando la manera en que tienen en cuenta las
Se propone tecnicas de mejoramiento del terreno,
variables impli cadas en el problema con la finalidad fi nalidad
proporcionando aumento de la resistencia, resiste ncia,
de proponer un nuevo metodo de prediccion basado
disminucion de la deformabilidad, deformabilidad, disminucion de
en ensayos in situ.
permeabilidad permeabilidad y mitigando el potencial de colapso. colapso. DEBILIDADES
AMENAZAS
La licuacion li cuacion de suelos es un tema muy complejo
El mal comportamiento comportamiento de los suelos suel os flojos fl ojos ante los
donde intervienen mucha muchass variables. variables. Por lo que que las
sismos y en especial el fenomeno de licuacion licuacion en los
condiciones bajo las cuales los suelos granulares
de tipo incoherente, incoherente , ha ocacionado perdida de vidas
pier pierde den n par parte sign signifi ificcativa tiva de su resis esiste tenc ncia ia .
hum humanas nas y econ econom omic ica as en dist distin into toss luga lugarres. es.
La evaluac evaluacion ion de licuefac licuefaccion cion de suelos suelos en las zonas zonas
Al aplicar aplicar la metodo metodogia gia de de evaluacion evaluacion del potenc potencial ial de
costeras de pimentel y santa rosa determino que las
licuefacion li cuefacion para para sismo de una magnitud 5.0 mw la zona
zonas mas propensas a sufrir este fenomeno fenome no es por
en estudio comienza comienza a presenciar problemas de
ello que que se se apli aplicca la meto metodo dolog logia ia de evalua evaluaccion
licue licuefa faccion leves leves a una una prof profun undid didad ad de 3m en en
potenc potencial ial de licuacion licuacion en los ensayos ensayos de penetr penetrac acion ion
compa compara racion cion con con el resto resto de la ciudad. ciudad.
estandar.
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1.3. Definición del Problema 1.3.1. Análisis del Problema La licuefacción es un fenómeno cuyo comportamiento es investigado en el mundo los últimos 45 años . En el Perú, la atención a este fenómeno se dio a partir del terremoto del 31 de mayo de 1970, luego de que este sism ismo provocara la licuefacción de s uelos de extensas zonas de la ciudad de Chimbote. Sin embargo, la información que se tiene en el Perú s obr e este fenómeno sigue siendo escasa, as í como también el estud io de este fenómeno en diferentes localidades del Perú. Por Por tanto, es tarea de la ingeniería seguir desarrollando análisis y mapeos de la evaluación del potencial de licuefacción de s uel os en diferentes es del Perú. lugar es
El comportamiento de los suelos ante los efectos de sismos ha sido estudiado desde hace muchos años, debido a que se ha observado que los daños resultantes pueden ser influenciados de diversas maneras, por las características del terreno en una determinada área, interviniendo muchas variables.
1.3.2. Descripción del Problema Este trabajo de acuerdo al diseño de investigación es descriptivo, pues se proporcionaron resultados precisos en relación con la realidad se recogió datos y se expuso un resumen de la información previo análisis cuidadoso. De acuerdo al fin que se persigo es aplicado. Se utilizaron los conocimientos de las prácticas metodológicas para determinar la evaluación del potencial de licuefacción de suelos. Se estudió detalladamente la información disponible sobre sismos peruanos, recopilando la información histórica y del presente siglo referente al fenómeno de licuación de suelos. Se trató de encontrar evidencias sobre este fenómeno, tales como la formación de pequeños volcanes de barro y arena, la expulsión violenta de agua del suelo, los agrietamientos, los asentamientos, etc. Debido a ello, las condiciones en que los suelos granulares pierden una parte significativa de su resistencia bajo la acción de un sismo, no han sido completamente comprendidas y en consecuencias representan un magnifico campo de investigación.
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1.4. Objetivos 1.4.1. Objetivo General El objetivo de esta investigación es ampliar más nuestro conocimiento sobre la licuefacción, un fenómeno que afecta a la sociedad debido a que daña las estructuras. Con el trabajo queremos dar a conocer que no todos los suelos son aptos para la construcción ya que con un movimiento sísmico las construcciones pueden colapsar. Al efectuar esta investigación se buscaba observar el fenómeno de la licuefacción incurriendo a los grandes ejemplos tales como los terremotos pero por la falta de conocimiento y disposición de estos fenómenos se pretendió observar en que proporciones debía ser movido el bloque de tierra y el tamaño, peso que necesita tener un objeto para ser víctima de este fenómeno en pequeñas escalas.
1.4.2. Objetivos específicos a) Revisión de los diferentes métodos de predicción existentes para la evaluación del potencial de licuación basados en ensayos ‘‘in situ’’, estudiando la manera en que tienen en cuenta las variables implicadas en el problema. b) Estudio de los diferentes diferentes métodos de mejora del terreno para mitigar el potencial de licuación, incluyendo aquellos cuya aplicación está orientada a terrenos con obras existentes. c) Se basó en el estudio de las inyecciones de compactación como método de densificación y refuerzo del terreno, con el objetivo de mitigar el potencial, tomando en cuenta su aplicación en terrenos con obras existentes. d) Se obtiene un método de predicción predicción del fenómeno de de licuación basado en ensayos de CPT. e) Estudiar las técnicas de mejora del del terreno para prevenir la ocurrencia de licuación. f) Dentro de las las técnicas de mejora mejora del terreno, se hará énfasis al estudio de las inyecciones de compactación, incluyendo su aplicación en obras existentes. g) Estimar a partir de los perfiles sísmicos y número de golpes de las pruebas SPT el potencial de licuación con criterios y métodos ya conocidos.
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1.5. Justificación Se consideró la población de las zonas costeras de los distritos de Pimentel y Santa Rosa, provincia de Chiclayo, materia de investigación, por ser el objeto de evaluación sobre el que se desarrolló el presente estudio. Como muestra muestra de estudio se obtuvo los tipos tipos de suelos granulares para ser analizados en el laboratorio. Hecho ello se establecieron los parámetros correspondientes a este acápite luego de identificar y describir las características de la la zona y de la investigación misma.
1.5.1. Métodos Técnicos Entre las técnicas que fueron necesarias aplicar durante el desarrollo de esta investigación, tenemos: Observación directa: observando las variables en su contexto natural. Experimentos: al manipularse las variables de estudio en diversos ensayos para la determinación de su comportamiento estructural. Análisis de contenido: conte nido: sistemat s istematizand izando o e interpretando interpr etando la información informa ción obtenida obteni da en las l as diferentes fuentes bibliográficas.
1.5.2. Fuentes Se realizó la recopilación de información documental de los antecedentes encontrados y publicaciones del tema. Las fuentes de información requeridas se compilaron en las referencias bibliografías.
Bibliografía. Reglamento Nacional de Edificaciones norma E-030 Diseño tente Sis mor re resisten Reglamento Nacional de Edificaciones normaE-050 Suel os y entaciones Ciment Reglamento Nacional de Edif ica icaciones norma E-060 Concreto Armado
1.5.3. Instrumento Se requirió el uso de d iver s os instr ument entos durante evaluación, los mis mos que se mencionan a continuación:
las
fases análisis y
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Pr ogr amas de Cómputo
Micr osof t office: Excel, Word, Power Po int
Corel draw X6 Autocad
Ensayos de laboratorio
Granulometría Contenido de humedad Límites de Atteberg Ensayo de Penetración Estándar (SPT) (SPT) Sondajes el éctr éctr ic icos verticales ( SE V)
1.5.4. Plan de Procesamientos Proces amientos para Análisis de Datos FASE I: Recopilación de información previa
1. Visita a la zona del proyecto y recolección de información información acerca de la ocurrencia o no de licuefacción de suel os en e n casos de sis mos anter ior ior es es . 2. Ubicación de zonas estr atégicas para la exploración de calica icatas y ens ayos de penetración estándar . 3. Recolección de información bibliográfica sobr e el fenómeno de Licuefacción y antecedentes del proyecto. 4. Revisión de la normativa nacional vigente y alineación de la información a la mis ma.
FASE II: Traba jos de campo, laboratorio y gabinete
1. De campo: a. b. c. d. e. f.
Reconocimiento geotécnico del área de estudio Excavación de calica icatas Muestreo de s uel os alter ado s e inalter ado s Determinación in sit u de las car acter ís icas del s uelo ística Realización de sonda jes eléctr éctr ic icos v er ti cales en e n Pimentel y Santa R osa. Ensayos de Penetración Estándar (SPT) distr ibu ibu id os Uniformemente en la s áreas de estud io de Pimentel y Santa Rosa. 2. De labor atorio: 2.1 Ensayos Estándar :
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a. Análisis Granulométrico para suelos finos b. humedad c. Límite liqu ido d. Limite p lástico
Contenido de
3. De gabinete: a. Interpretación de los datos en contr ados en estudios anter ior ior es es b. Clasif ica icación SUCS. c. Aplicación de la metodología (NCEER 1998) para el cálculo de evaluación del potencial de licuefacción d. Planos de ubicación de calica icatas y de ens ayos de penetración estándar para cada distrito en estudio. e. Perfiles estr atigr áf ic icos de calica icatas f. Perfiles estr atigr áf ic icos de los SPT g. Mapas de evaluación del potencial de licuefacción en las zonas coster as de Pimentel y Santa Rosa licuefacción de d e suelos . FASE III: Metodología para la Evaluación de licuefacción 1. 2. 3. 4.
Identificación de zonas inundables en las diferentes áreas de estudio Evaluación de la geomorfología del terreno s egún infor mación previa Evaluación de la geología de las áreas de estudio Evaluación del Potencial de Licuefacción de suel os a. Sismo de diseño y estimación de aceler aciones b. Aplicación del método simplif ica icado para el cálculo de licuefacción de suel os c. Aplicación del método Iwa Iwas aki y Tokima kimatsu para la evaluación de daño inducido por licuación en la s uper f f ic icie del terreno.
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CAPITULO II: MARCO TEORICO 2.1. LICUEFACCIÓN DE SUELOS En aquellos aquellos sitios donde el terreno está constituido por por depósitos limosos o arenosos arenosos de espesor considerable, poco consolidados, con nivel freático a pocos metros de profundidad y cercanos a zonas generadoras de sismos someros de magnitud moderada o grande, puede presentarse el fenómeno de licuación de arenas. Este fenómeno ocurre cuando la presión del fluido contenido en los espacios intergranulares aumenta repentinamente como consecuencia de la presión inducida por el paso de ondas sísmicas, haciendo que el contacto entre los granos disminuya a tal grado que el cuerpo sedimentario llega a comportarse, por unos instantes, como un líquido denso. Lo anterior ocasiona deslizamientos en laderas o que los edificios pierdan la verticalidad en mayor o menor grado aunque sin sufrir, en muchos casos, daño considerable en su estructura. El aumento repentino de presión en el interior del cuerpo arenoso, provoca expulsión de fluido y material térreo hacia la superficie, formando estructuras con pocos centímetros de altura, conocidas como volcanes de arena.
2.1.1. FACTORES QUE DETERMINAN EL FENÓMENO DE LICUEFACCIÓN Entre las causas que originan el fenómeno de licuefacción se encuentran:
2.1.1.1 Magnitud del movimiento sísmico La magnitud del movimiento está relacionada con la magnitud de los esfuerzos y de formaciones inducidos en el terreno por este movimiento. Dependiendo de la distancia hipo central, la magnitud magnitud del movimiento movimiento producirá cierto valor de aceleración máxima en la roca basal, la cual sufrirá amplificación, dependiendo de las condiciones locales del suelo, hasta llegar a la superficie. De esta manera, la propagación de las ondas de corte durante 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 masa de suelo cuya magnitud dependerá de la magnitud del terremoto. terremoto.
2.1.1.2. Duración del movimiento sísmico 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 v erá restringida, y por el contrario se evidenciará el aumento de la la misma, produciendo en algún momento condiciones de esfuerzo efectivo nulo, y por lo tanto, licuación.
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2.1.1.3. Granulometría del suelo 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.
2.1.1.4. Densidad relativa 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 de70 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.
2.1.1.5. Profundidad del nivel freático 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 posición del nivel freático, se incrementa por por efecto de la vibración producida en el movimiento 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.
2.1.2. EFECTOS DAÑINOS QUE PRODUCEN LA LICUEFACCIÓN 2.1.2.1. 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). También pueden involucrar suelo completamente licuado o bloques de suelo firme viajando sobre una capa de suelo licuado. Este tipo de falla se desarrolla generalmente enarenas saturadas, sueltas, con pendiente del terreno, mayor que 5%.Otro de los efectos de falla por flujo por licuación inducida por sismo, han sido los evidenciados en depósitos y presa de relaves antiguos, construidos por el método de aguas arriba, algunas de ellas con consecuencias catastróficas para los recursos humanos y económicos y para el medio ambiente. (Ver figura Nº1).
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2.1.2.2. Desplazamiento lateral 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 acompañados de grietas en el terreno y desplazamientos diferenciales verticales.
2.1.2.3. Oscilación del terreno Donde el terreno es plano o la pendiente demasiado suave para permitir desplazamientos laterales, la licuación de estratos subyacentes puede causar oscilaciones que no dependen de las capas superficiales, la cual se manifiesta hacia los lados, arriba y abajo en la forma de ondas de terreno. En general, dichas oscilaciones son acompañadas por la apertura y cerramiento de fisuras en el suelo, y la fractura de estructuras rígidas como los pavimentos y tuberías, Youd (1992). (Ver figura N° 01)
2.1.2.4. Pérdida de la capacidad portante 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 se hunda. Aunque esta es una falla espectacular, es la menos común producida por licuación. (Ver figura N° 01)
2.1.2.5. Volcanes de arena Al presentarse la licuación de arenas, se generan presiones de poro muy altas, las cuales obligan a que el agua fluya rápidamente a la superficie, formando pequeños volcanes de arena. Este flujo ascendente de agua puede ocurrir durante o después de un sismo. Los volcanes de arena indican también zonas de posibles asentamientos. (Ver figura figura N° 01)
2.1.2.6. Asentamientos En muchos casos el peso de la estructura puede ser insuficiente para causar los grandes asentamientos asociados con las pérdidas de capacidad portante descritas anteriormente. Sin embargo, pueden ocurrir pequeños asentamientos cuando la presión de poro se disipa después de un sismo. Estos asentamientos pueden causar daños aunque menores a los producidos por fallas de flujo, desplazamientos laterales o pérdidas de capacidad portante. (Ver figura N° 01)
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FIGURA Nº01: Esquemas de al guno s f enó me no s asociados a la licuaci ón .
Fuente: Youd, 1992
2.1.3. SUSCEPTIBILIDAD DE LICUEFACCIÓN 2.1.3.1. Criterios de susceptibilidad No todos los suelos son susceptibles de presentar licuefacción, así que el primer paso en el desarrollo de de una evaluación de riesgo de licuefacción es la determinación de la susceptibilidad de licuefacción. La susceptibilidad de licuefacción de un suelo puede ser evaluada usando criterios históricos, geológicos, basados en su composición o según su estado. Estos criterios, descritos por Kramer y Stewart Stewart (2004), se presentan a continuación.
2.1.3.2. Criterios históricos Se ha observado que la licuefacción ocurre frecuentemente en los mismos lugares cuando las condiciones del sitio se mantienen constantes. Por esto, la evidencia de la ocurrencia histórica de licuefacción, observada en forma de paleo- licuefacción, puede ser utilizada como prueba de susceptibilidad de licuefacción, en un determinado lugar.
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2.1.3.3. Criterios geológicos Las condiciones geológicas también pueden indicar susceptibilidad de licuefacción, por ejemplo los suelos de depósitos fluviales y eólicos, cuando se encuentran saturados, tienen una alta probabilidad de ser susceptibles de presentar licuefacción. También se ha observado licuefacción en depósitos de abanicos aluviales, playas y estuarios, pero no de manera manera tan tan evidente como en los casos anteriores. Otro criterio geológico es la edad del depósito, en en general los depósitos de suelos jóvenes son más susceptibles de licuefacción que los depósitos más antiguos.
2.1.3.4. Criterios basados en la composición del suelo La composición física de un suelo juega un importante papel en la determinación de su susceptibilidad de licuefacción. Las arenas uniformemente gradadas y limpias, compuestas principalmente de partículas redondeadas son intrínsecamente más susceptibles; mientras que los suelos bien gradados y los suelos con partículas angulares son menos susceptibles. La presencia de finos, particularmente finos plásticos (IP > 10), tiende a disminuir la susceptibilidad de licuefacción.
2.1.4. SUELOS NO COHESIVOS El fenómeno de licuefacción generalmente se asocia con suelos no cohesivos o granulares como resultado de una carga sísmica de suficiente intensidad y duración. Ocurre más comúnmente en suelos sueltos, saturados, granulares, uniformemente gradados y con un bajo contenido de finos. Aunque las arenas son especialmente susceptibles, la licuefacción también se puede desarrollar en algunos limos y gravas. Las dos condiciones necesarias para que ocurra la licuefacción son: la presencia de suelos de densidad suficientemente baja, los que tienden a experimentar reducción de volumen, y un estado de saturación completa o casi c ompleta. Bajo estas condiciones, los terrenos no cohesivos cohesivos tienden a densificarse cuando están sometidos a esfuerzos de corte cíclico, pero el cambio de volumen volumen es impedido debido al drenaje restringido. Como resultado, el exceso de presión de poros se acumula, las tensiones efectivas se reducen, y el suelo pierd pierde e resistencia convirtiéndose a un estado licuado. Como la capacidad de los suelos de soportar las cargas producidas por las fundaciones está directamente relacionada con su resistencia, la licuefacción plantea un peligro serio para las estructuras y debe ser evaluada en zonas de riesgo sísmico donde existan depósitos susceptibles.
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2.1.5. SUELOS CON PRESENCIA PRESENCIA DE FINOS Los suelos con presencia de finos también pueden exhibir un comportamiento similar a la licuefacción de arenas, cuando son sometidos a cargas sísmicas. En este caso, pueden producir fallas que tienen muchas de las mismas características de las fallas por licuefacción. En 1999 Wang propuso los siguientes cuatro criterios, la satisfacción de todos estos criterios indica la susceptibilidad de presentar licuefacción: a) b) c) d)
Fracción de arcilla arcilla (finos menores de 0,005 mm) ≤ 15% Límite líquido, LL ≤ 35% Contenido de humedad natural, w ≥ 0,9 LL Índice de liquidez, LI ≤ 0,75
Estos criterios han sido adaptados en la Norma China Modificada. El potencial de licuefacción para suelos finos puede ser evaluado tomando como referencia esta norma. Según estos criterios, los suelos pueden licuarse si la fracción de arcilla es menor de 15 % (usando la definición china de tamaño de arcilla como partículas menores de 0,005 mm), el límite líquido es menor que 35 %, y el contenido de agua es mayor que 0,9 veces el límite líquido. Estos autores recomendaron que los suelos con una fracción de arcilla (considerada como partículas menores de 0,002 mm) menor de 10 % y un un límite líquido menor de 32 % sean considerados susceptibles de presentar licuefacción, y que los suelos con una fracción de arcilla mayor de 10 % y límite líquido mayor de 32 % sean considerados poco poco susceptibles de presentar este comportamiento. Estos criterios se resumen en la siguiente tabla: TABLA Nº01: Criterio Andrews – Andrews – Martin Martin para la evaluación de licuefacción de d e suelos con presencia de finos Limite Liquido < 32 Fracción de arcilla < 10%
Susceptible
Puede ser susceptible Fracción de arcilla ≥ 10% (Requiere información adicional)
Limite Liquido ≥ 32 Puede ser susceptible (Requiere información adicional) No susceptible
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2.1.6. EVALUACIÓN DEL POTENCIAL DE LICUEFACCIÓN
Si un depósito de suelos ha sido determinado como susceptible, entonces el segundo paso en el desarrollo de una evaluación de riesgo de licuefacción es considerar el potencial de un suelo para iniciar la licuefacción. Esto generalmente involucra la caracterización de la carga sísmica a la que el suelo está sometido y la caracterización de la resistencia a la licuefacción del suelo. Como estas caracterizaciones se hacen en términos comunes, se pueden comparar para determinar el potencial de licuefacción del suelo.
2.1.6.1. Procedimiento simplificado Existen tres enfoques principales para evaluar el potencial de licuefacción de un suelo: el enfoque basado en las tensiones, el enfoque basado en las deformaciones y el enfoque basado en la energía. Históricamente, el enfoque basado en las tensiones ha sido el más utilizado para la evaluación del potencial de licuefacción, mientras que los métodos basados en la energía han sido propuestos más recientemente. De acuerdo al enfoque basado en las tensiones, la carga impuesta al suelo por el terremoto y la resistencia del suelo a la licuefacción son caracterizadas en términos de tensiones de corte cíclicas. cíclicas. Este enfoque enfoque es útil porque las amplitudes de tensión cíclica pueden ser fácilmente obtenidas con exactitud y han sido verificadas, por observaciones en terreno, como un predictor conservador de licuefacción.
2.1.6.2. Evaluación de la resistencia basada en el ensayo de penetración estándar Los criterios para la evaluación de la relación de resistencia cíclica basados en el ensayo de penetración estándar (SPT), han demostrado ser confiables a lo largo de los años, y por lo tanto el uso de estos métodos representa el estado de la práctica en la evaluación de resistencia a la licuefacción. Como señalan Kramer y Stewart (2004), las principales ventajas del método método de de evaluación de la resistencia basado en el ensayo de penetración estándar, son su larga historia de uso y el el hecho de que permite obtener una muestra de suelo, la cual puede ser usada para posteriores análisis, análisis, como clasificación.
2.1.6.3. Descripción general del ensayo de penetración estándar El ensayo de penetración estándar, probablemente el más común de los ensayos de terreno, mide la resistencia del suelo a la penetración dinámica de un muestreador de tubo partido de 50,8 mm (2 pulgadas) de diámetro, como el que se muestra en la Figura N° 02, al ser hincado dentro del suelo en la base de una perforación revestida.
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Este muestreador, también llamado saca muestras partido o cuchara normal, es un tubo de acero de paredes gruesas partido longitudinalmente. El extremo inferior está unido a una zapata cortante y el superior a una válvula y copla de conexión a la barra de sondeo. FIGURA Nº02: Tubo Saca muestras de 2 pulgadas
El tubo sacamuestras es introducido introducido 450 mm (18 pulgadas) dentro del suelo por impactos del martinete de 63,5 kg (140 libras) de peso que cae libremente desde una altura de de 760 mm (30 pulgadas). El número de golpes por cada 150 mm (6 pulgadas) es registrado.El número de golpes necesarios para hincar los últimos 300 mm, es decir para introducir el segundo y tercer tramo de 150 mm de penetración se cuenta y este valor se denomina resistencia a la penetración estándar, que se designa con la letra N. El procedimiento completo de este ensayo se encuentra en la norma ASTM D-1586. Después de contar los golpes y de registrarlos, la cuchara se saca de la perforación y la muestra obtenida se coloca en un frasco o bolsa impermeable cerrada, para efectuar un examen visual y ensayos de clasificación y humedad en el laboratorio. El valor N se ha correlacionado con propiedades de los suelos granulares, como la densidad relativa o el ángulo de fricción del suelo. El ensayo de penetración estándar se desarrolló inicialmente inicialmente para determinar la resistencia de suelos no cohesivos y la mayoría mayoría de las correlaciones que existen en la literatura son útiles solamente para gravas y arenas. Las Las correlaciones con los suelos finos existen pero no son tan fiables (Tabla N°02).
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TABLA Nº 02: Correlaciones para suelos no cohesivos entre la densidad relativa y la resistencia a la penetración estándar Compacidad Muy suelto Suelto Medianamente denso Denso Muy denso
Densidad Relativa < 0.15 0.15 – 0.15 – 0.35 0.35 – 0.35 – 0.65 0.65 – 0.65 – 0.85 0.85 – 0.85 – 1.00
N (SPT) <4 4 – 10 – 10 10 – 10 – 30 30 30 – 30 – 50 50 > 50
2.1.7. METODOLOGÍA METODOLOGÍA GENERAL DE LA EVALUACIÓN DE LICUEFACCIÓN LICUEFACCIÓN DE SUELOS Para poder evaluar la licuefacción de suelos, existen dos formas: Una determinística y otra probabilística. En el Perú se han venido usando una evaluación de manera determinística (Parra 1991, Silva 2000); consiste en comparar simplemente la resistencia respecto a la solicitación sísmica. Se evalúa cuál es mayor y se obtiene un factor de seguridad. En cambio la probabilística usa una cantidad grande de datos y por lo general, para obtenerlos se emplea una mayor inversión en la investigación que se realiza. r ealiza.
2.1.7.1. Caracterización de las solicitaciones sísmica El nivel del exceso de presión de poros requeridos para iniciar la licuefacción está relacionado con la amplitud y duración de la carga carga cíclica inducida por el sismo. La aproximación de esfuerzo cíclico está basada en asumir que la generación del exceso exceso de presión de poros esta expresada en términos de esfuerzos cortantes cíclicos. La solicitación puede ser predicha de dos maneras, por un análisis análisis de la respuesta del terreno detallada o por el uso de la aproximación simplificada. El análisis de respuesta del terreno puede ser usado para predecir tiempohistoria del esfuerzo cortante en varias profundidades dentro del depósito de suelo. Tal análisis produce tiempo-historia transitorios, características irregulares de los movimientos sísmicos reales. Sin embargo, la información de laboratorio de la resistencia a la licuación licuación puede ser estimada usualmente obteniéndola de ensayos de esfuerzos esfuerzos cortantes cíclicos con amplitudes uniformes. La comparación de la solicitación sísmica inducida, con la resistencia determinada en laboratorio requiere de una conversión irregular del tiempo historia del esfuerzo cortante a una serie equivalente de esfuerzos cíclicos uniformes.
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Seed et al. (1975) aplicaron un procedimiento de ponderación a un juego de esfuerzos cortantes de los tiempo- historia de movimientos severos de los sismos registrados para determinar el número de esfuerzos cíclicos uniformes, Neq, a una amplitud del 65% del esfuerzo cortante cíclico cíclic o pico, (τcyc = 0.65 τmáx.) que podría incrementar la presión de poros equivalente a la de un tiempo-historia irregular.
2.1.7.2. Caracterización de la resistencia a la licuefacción La resistencia a la licuación de un elemento de suelo depende de cuán cerca esté desde su estado inicial en relación a la falla, así como a la naturaleza de la carga requerida para moverla, desde el estado citado hasta el estado de la falla. Sin embargo, se sabe que los estados de falla para flujo por licuación como para movilidad cíclica son diferentes. En el campo, donde los esfuerzos y la presión de poros son pocas veces medidos, es usualmente difícil distinguir entre los diferentes fenómenos de licuación luego de que un sismo haya ocurrido. Cuando la aproximación del esfuerzo cíclico se desarrolló, se identificó pequeñas distinciones entre los diferentes fenómenos de la licuación. La caracterización de la resistencia a la licuación se desarrolló a lo lo largo de dos líneas de investigación: los métodos basados en los resultados de ensayos ensayos laboratorio, y los métodos métodos basados en el resultado de ensayos in situ y observaciones del comportamiento de la licuación en sismos pasados
2.1.7.3. Caracterización basada en ensayo in situ Una aproximación alternativa, descrita inicialmente por Whitman (1971) consistió en usar los casos históricos de licuación para caracterizar la resistencia a este fenómeno en términos de la medición de los parámetros in situ. En este este caso, la relación del esfuerzo cíclico es usualmente usada como el parámetro de carga y los parámetros in situ reflejan la densidad y la generación de presión de poros del suelo que toma el lugar de los parámetros de resistencia. Resistencia a la penetración estándar: El ensayo del SPT ha sido ampliamente usado en el mundo para caracterizar la resistencia a la licuación. Los factores que tienden al incremento de la resistencia a la licuación (densidad, deformación sísmica a priori, relación do sobre- consolidación. presión lateral de tierra y duración bajo la presión constante) también son propensos a incrementar la resistencia al SPT. La presencia de suelos finos puede afectar la resistencia al SPT y por lo tanto deben ser tomados en consideración para la evaluación de la resistencia la
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licuación (Seed et al., 1985; Ishihara y Koseeki, 1989; Koester, 1994). Asimismo, la plasticidad de los | los sismos.
2.1.7.4. Evaluación de la iniciación de la licuefacción Una vez que la solicitación cíclica impuesta por el sismo y la resistencia a la licuación de suelos ha sido caracterizada, se puede evaluar el potencial de licuación. La aproximación por esfuerzo cíclico caracteriza la solicitación sísmica con la amplitud de un esfuerzo cíclico equivalente uniforme y la resistencia a la licuación, por la amplitud del esfuerzo cíclico equivalente requerido. La evaluación es fácilmente realizada de manera gráfica. Primero, la variación de los esfuerzos de corte cíclicos (solicitación sísmica, τcyc) versus la profundidad graficada, tal como se muestra en la Figura N° 03. Posteriormente, la variación de los esfuerzos cortantes cíclicos requeridos para causar la licuación (resistencia a la licuación) versus la profundidad también es graficada, graficada, comparándose, finalmente, la solicitación respecto a la resistencia. La licuación puede ser esperada en las profundidades donde la solicitación excede a la resistencia o cuando el factor de seguridad seguridad contra la licuación licuación sea menor a 1.1, tal como se indica en la siguiente expresión.
FIGURA Nº 03: Pr o ce so por e l cual cual se identifica las zonas licu able s del e stado del sue lo.
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Por lo tanto, la decisión de un factor de seguridad apropiado debe reflejar las condiciones particulares asociadas con un sitio en específico y la vulnerabilidad de las estructuras emplazadas en el mismo. Los factores de seguridad en el rango cercano a 1.1 pueden ser aceptables para un departamento familiar de un piso. En este caso, el potencial de un desplazamiento lateral es muy bajo y un asentamiento diferencial es el mayor peligro concerniente, y donde losas post-tensadas sean especificadas. Por el otro lado, factores de seguridad de 1.3 pueden ser más apropiados para evaluar peligros asociados en una falla por flujo potencial para eventos sísmicos de gran magnitud. 2.1.8. DETERMINACIÓN DETERMINAC IÓN DEL POTENCIAL DE D E LICUEFACCIÓN
2.1.8.1. METODOLOGÍA SIMPLIFICADA DEL NCEER 1998 Los talleres mundiales que se realizaron sobre la evaluación del potencial de licuación de suelos (1996 NCEER and 1998 NCEER/NSF Workshop son Evaluation of Liquefaction Resistance of Solis), durante los años 1996 y 1998 fueron recopilados en un resumen realizado por Youd et al. (2001). Para mantener enfocado el tema durante las reuniones de los expertos, el alcance de los talleres fue limitado a los procedimientos para evaluar la licuación de suelos en un terreno de una pendiente muy suave. En este contexto, la licuación se referiría al fenómeno de la generación de grandes presiones de poros inducidas por sismo y lo que conlleva a un ablandamiento del suelo granular. Otros aspectos de la postlicuación, como la resistencia al corte residual, deformación del suelo y fallas del terreno no fueron abarcados.
2.1.8.2. Relación de Esfuerzo Cíclico (CSR) y relación de Resistencia Cíclica El cálculo y estimación de las dos variables requeridas para la evaluación de la resistencia de la licuación de suelos se ex presan de la siguiente manera: 1.
La demanda sísmica en el estrato de suelo se expresa en términos de CSR.
2.
La capacidad del suelo para resistir la licuación expresada en términos de CRR. Para el presente trabajo se tomó el criterio de resistencia a base del ensayo de penetración estándar (SPT).
33
Todos los valores pueden ser calculados de manera simple, como los esfuerzos totales y efectivos obteniendo obteniendo y determinando las densidades hasta la profundidad analizada del sitio, y la aceleración obtenida a partir de análisis de peligro sísmico así como también, análisis unidimensional de amplificación de ondas superficiales como puede ser a través del programa SHAKE (Idriss y Sun, 1990).
2.1.8.3. EVALUACIÓN DEL CRR En la universidad de Texas A.F. Rauch (1998), en su investigación aproximó y mejoró, con mayor número de casos registrados, las curvas básicas para arenas limpias propuestas por Seed e Idriss (1982), y obtuvo la siguiente ecuación:
34
2.1.9. CORRECCIONES PARA LA EVALUACIÓN DE LA LICUEFACCIÓN Luego de haber calculado el CSR y el CRR deben ser corregidos por otros factores, la magnitud del sismo, esfuerzos por presión de sobrecarga y estado inicial de esfuerzos. Por lo que el factor de seguridad contra la licuación queda definido de la siguiente manera:
35
2.1.9.1. Correcciones por energía y esfuerzo efectivo Al momento de realizar el ensayo de penetración estándar se obtienen valores de números de golpes, los cuales se tienen que estandarizar ya que existen diferentes métodos al momento de realizar la calda del martillo, diferentes especificaciones del equipo usado, etc., todas ellas permiten tener un valor estandarizado mundialmente del SPT, que alcanza un valor del 60% de la energía total de un ensayo SPT estrictamente teórico. Asimismo, para la evaluación de la resistencia del suelo a la licuación, a pesar de las correcciones realizadas por la energía transmitida, es necesario normalizarlo a un esfuerzo efectivo dado, el cual normalmente es al de la presión atmosférica. A continuación se muestra las fórmulas generales para realizar esas correcciones así como también la tabla propuesta por Robertson y Wride (1998), para la corrección de estos valores, valores, asimismo una tabla adicional de Coduto (2001), para el factor de energías de acuerdo al país de origen:
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TABLA N° 03: Correcciones Correcciones para SPT
Factor
Variable del equipo
Término
— Presión efectiva Presión efectiva — Relación de Energía Martillo dona Relación de Energía Martillo de seguridad Relación de Energía Martillo dona automático 65-115 mm Diámetro de Perforación Diámetro de Perforación 150 mm Diámetro de Perforación 200 mm Longitud 1 < 3m Lon Lo n itud itud 2 3-4 3-4 m Lon Lo n itud itud 3 4-6 4-6 m Longitud 4 6-10 m 10-30 m Longitud 5 Método de Muestreo Muestreo estándar Método de Muestreo Muestreo sin revestimiento
CN CN CE CE CE
CB CB CB
Corrección ( Pa / σ V)
9.5
´
CN
≤
1.7
0.5-1.0 0.7-1.2 0.8-1.3 1
1.05 1.15 0.75 0.8 085 095
CR CR CR CR CR 1 1 CS CS 1.1-1.3 Fuente: Modificada Modificada de Skempton (1986) y listada por Robertson y Wride (1990)
TABLA N° 04: Eficiencia del martillo SPT
País Ar ent entina ina Brasil China Colombia Japón Reino Unido EEUU.
Venezuela
Tipo de Martillo Donu
Pin Automático Donu Donu
Automatico Sogmad Donu
Mecanismo de Calda do Martillo Garrota Calda a mano Desenganche Carrete Disparador tombi Desengancho Carrete 2 vueltas Carrete
Eficiencia de Martillo Em 0.45 0.72 0.60 050 0 78-0.85
0.73 0.55-0 60
0.43
Fuente: Clayton, 1990
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2.1.9.2. Correcciones por presión de sobrecarga efectiva La información de ensayos de carga cíclica indica que la resistencia a la licuación aumenta con la presión de confinamiento. La relación de ese incremento, sin embargo, es no lineal. Tomando en cuenta la no linealidad entre el CRR y la presión de sobrecarga efectiva, Seed (1983) introdujo el factor de corrección , para extrapolarlo en el procedimiento simplificado en estratos de suelos con una presión de sobrecarga > 100kPa.
Se usaron especímenes de arena isotópicamente consolidados cargados cíclicamente en ensayos de compresión triaxial para medir el CRR para varias presiones de confinamiento, así vemos que Seed (1983) extrajo la curva de corrección de K. Otros investigadores han añadido información y sugirieron modificaciones para definir mejor el , para la práctica de ingeniería. Por ejemplo, Seed y Harder (1990) desarrollaron la curva para arenas limpias reproducidas en la Figura N°04
FIGURA N°04: Valores de Kα para correcciones por sobrecarga efectiva Fuente: Seed y Harder, 1990
Hynes y Olsen (1999) compilaron y analizaron un gran registro de información para proveer de la guía y formulación de las ecuaciones para seleccionar los valores de Kσ. La ecuación que obtuvieron obtuvieron es la siguiente:
38
′
Donde es la presión de sobrecarga efectiva, Pa la presión atmosférica medidas en las mismas unidades y f es un exponente en función de las condiciones del sitio, incluyendo la densidad densidad relativa, historia de esfuerzos, edad y relación de sobre consolidación.
En el taller del NCEER 1998 se recomendaron los valores siguientes (ver Figura N° 05). Dr entre 40-60%, f = 0.7-0.8; para Dr entre 60-80%, f = 0.6-0.7. Hynes y Olsen Olsen recomendaron estos valores dentro de los mínimos, con una estimación conservadora para estimar , para su uso en arenas, arenas limosas y gravas. FIGURA N° 05: Curvas recomendadas para estimar de , para la práctica Ingeniería
2.1.9.3. Corrección por estado inicial de de esfuerzo
La resistencia a la licuación de los suelos dilatantes (suelos granulares moderadamente densos a densos bajo una presión de confinamiento baja) se incrementa cuando el esfuerzo de corte estático se incrementa; por el contrario, la resistencia a la licuación de los suelos contractivos (suelos sueltos a moderadamente densos bajo una gran presión de confinamiento) decrece con el incremento de dicho esfuerzo. Para incorporar el efecto de los esfuerzos de corte estático en la la resistencia a la la licuación, licuación, Seed (1983) introdujo un factor de corrección . Para generar valores de este factor.
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2.1.10. Método de Evaluación por Daño Inducido por Licuefacción en la Superficie Así como se debe analizar el potencial de licuefacción de una determinada zona es necesario saber los posibles efectos efectos que tendría el fenómeno en la misma para poder determinar de una manera más apropiada y afinada los resultados de dichos efectos. Por ello, los investigadores Iwasaki y Tokimatsu analizaron los los posibles efectos que podría ocasionar la licuefacción y la traducción de dichos efectos en posibles daños en la superficie, y de esa manera determinar el grado de severidad de la licuefacción.
2.1.10.1. Metodología de Iwasaki y Tokimatsu Iwasaki y Tokimatsu propusieron el índice del potencial de licuefacción (PL) que estima la magnitud de la severidad de la licuefacción en un lugar determinado para un movimiento sísmico definido por la siguiente ecuación:
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FIGURA N° 06: Método de Iwasaki y Tokimatsu para determinar el índice de Potencial de licuación en la superficie
Por la tanto la fórmula para determinar el índice de potencial de licuefacción queda de la siguiente manera:
=
∫ (−())∗()∗+
∫ (−())∗()∗
A continuación se muestra el rango de valores para definir los efectos de la licuefacción en la superficie: TABLA N° 05: Rango de datos para determinar determinar los efectos efectos de licuefacción en la superficie
Potencial de licuefacción
PL = 0 0 < PL
<=
5
5 < PL <= 15 15 < PL <= 100
PL = 100
Efectos Suelos no licuables No hay efectos de licuación Pueden existir efectos severos Efectos severos Suelos altamente licuables
Fuente: Clayton, 1990
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CAPITULO III: EVALUACION Y RESULTADOS 3.1. Evaluación Técnica Es necesario zonificar y hacer un mapeo de las zonas de estudio, realizar estudios de suelos en campo como sondaje eléctrico vertical, ensayo de penetración estándar (SPT), obtención de muestras del suelo para ensayos de laboratorio de suelos finos - gruesos y recopilar información geológica - geomorfológica existente en la zona de estudio. En la información de las solicitaciones sísmicas es necesario ver los últimos acontecimientos ocurridos en el lugar como es tiempo, duración, magnitud, etc. Esta información obtenida tanto del suelo como del sismo, se plasman en las formulas descritas anteriormente, dando una explicación razonable en cada resultado. Las excavaciones de las calicatas se realizaron con el apoyo de un peón y una palana, se llegó hasta una profundidad de 1.50m, donde se encontró materiales como arcilla, grava, arena mal graduada, material orgánico. Se escogieron 20 puntos estratégicos para realizar las calicatas en los distritos citados, siendo 10 sondajes efectuados en cada distrito. Las ubicaciones de estas exploraciones fueron convenientemente distribuidas de tal forma de cubran uniformemente el área de estudio, de la misma forma apoyados por el reglamento nacional de edificaciones, este no indica el número de exploraciones ni cada que cierta distancia se deben hacer para este tipo de de investigación; simplemente simplemente lo deja al criterio del profesional responsable. La idea era analizar previamente las condiciones geotécnicas en relevancia antes de hacer exploraciones más subsuperficiales como los sondajes eléctricos verticales y los ensayos de penetración estándar. (Ver anexo N° 10: Planos de ubicación de calicatas en los distritos). Las calicatas son de 1m2, alcanzando una profundidad de 1.5m, con esto se determinó que el nivel freático en Santa Rosa varía entre 1m a 1.5m; en cambio en Pimentel no se halló nivel freático, freático, salvo en una calicata de1.5m de1.5m a 2m. 2m. (Ver imagen imagen N° 01 a, a, b). El nivel freático en el distrito de Santa Rosa se encuentra en el rango de 1 m – 1.5 – 1.5 m, es por ello el motivo de la profundidad de la excavación, ya que de continuar con la misma iban a ver problemas para seguir profundizando. Se escogió muestra de suelo en cada estrato hallado en las calicatas; y con ello se determinaron las propiedades mecánicas de dichos suelos (contenido de humedad, absorción, granulometría, límites de Atteberg, ver tabla N° 05), la clasificación SUSC y el perfil estratigráfico en el anexo N°12.
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IMAGEN N° 01-a: Calicata en Santa Rosa
IMAGEN N° 01-b: Calicata en Pimentel
Sondajes Geoeléctricos (SEV) Se delimitó la línea eje para realizar el sondaje Eléctrico Vertical, la que abarca la zona costera de los distritos. Se utilizó una máquina SEV, con cables entre 300 a 400 metros con 3 electrodos grandes que se hincaron en el terreno, a través de ellos se mandaron mandaron ondas de energía dirigidas al interior del terreno. Las que, a su vez, detectaron señales de resistividad del terreno a una determinada profundidad, así sucesivamente hasta lograr un perfil de resistividades considerable. Estas ondas eléctricas llegaron a grandes profundidades que pueden llegar a detectar material rocoso. La finalidad de este este sondaje en campo consiste en ver qué tipos de suelos tenemos a grandes profundidades entre los 100 a 200m aproximadamente, hasta llegar a un material rocoso. Se realizó un informe en campo.
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Tabla N° 06: Resumen de los ensayos en laboratorio
Sondaje Muestra
1 2 3
Santa Rosa
4 5 6 7 8 9
10 1 2 3 4
Pimentel
5 6 7 8 9
10
Análisis Granulométrico Pasa malla Pasa malla #200 #4
Límites de Atterberg
L. Liquido
L. Plástico
(%)
(%)
(%)
(%)
100 90.99 100 89.53 88.81 98.92 88.86 91.88 98.76 99.62 81.34 98.62 82.00 88.66 88.24 97.00 91.10 94.00 96.92 90.82
72.24 0.04 69.52 0.7 0.04 67.98 63.98 65.212 46.22 47.26 4.16 59.50 36.96 55.06 51.24 61.98 52.74 61.56 56.46 4.64
35.62
22.22 0.00 25 0.00 0.00 18.18 28.57 27.27 17.65 33.33 0.00 14.29 11.11 11.11 16.67 33.33 14.29 16.67 20.00 0.00
0.00 29.39 0.00 0.00 30.16 29.72 35.34 31.16 39.9 0.00 15.89 20.35 17.28 24.50 39.47 25.21 46.48 27.93 0.00
I. Plástic o (%)
13.4 0
4.39 0 0
11.98 1.15 8.07 13.51 6.57 0.00 1.61 9.24 6.17 7.83 6.13 10.92 29.81 7.93 0.00
Clasificación SUCS
CL SP ML SP SP CL ML ML SC SM SP ML SC CL CL ML CL CL CL SP
Ensayo de Penetración Estándar (SPT)
Para determinar las características del material para la evaluación del potencial de licuación de suelos, se realizaron 15 ensayos de penetración estándar (SPT), a una profundidad de 8 - 10 m aproximadamente. Estos sondajes han sido realizados mediante el hincado por golpes de un tubo sacabocado de acero y posteadora manual. El ensayo de penetración estándar (SPT) se realizó a cada metro de profundidad con la finalidad de determinar los parámetros de resistencia y compacidad del suelo en las condiciones del momento del ensayo. Se determinó las propiedades mecánicas del suelo.
44
Tabla N° 07: Resumen de los Ensayos de Penetración Estándar
Distrito Distrito
Ubicación Ca. Manuel Seoane
1
Ca. Los Álamos
2
Ca. Leoncio Prado
3
Ca. Alfonso Ugarte – Balta
4
Pimentel Ca. 28 de Julio – Balta
Santa Rosa
POZO
5
Ca.Los Pescadores- Las Petunias Manuel Seoane- Rivera del Mar
6
Av. Chiclayo – Manuel Seoane PsjeElías Aguirre- Av. José Q. Ca.8 de Octubre –Pachacutec Ca. Naylamp
8
Ca. Humberto Díaz – Jr. Tacna Ca. Humberto Díaz Arroyo Ca. Ribera del Mar Ca. Mariscal Ureta Ca. 7 de junio
3
Ca. Mariscal Ramón Castilla
8
7 9 1 2 4 5 6 7
Profundidad (m)
10.45 8.45 8.45 9.45 9.45 8.00 5.00 9.00 8.00 10.45 8.45 8.45 9.45 9.45 8.45 9.45 9.45
Numero de golpes (n)
Contenido de finos (%)
Nivel freático (m)
27
12.23 18.04 4.46 4.77 4.25 4.41 32.32 4.40 34.24 23.04 4.47 3.93 3.78 4.59 3.85 87.61 18.61
6.20 5.80 3.95 2.85 1.15 6.50
24 24 30 38 56 71 45 55 18 21 24 21 26 19 27 27
N.L
7.10 5.70 1.50 1.00 2.05 2.85 1.60 3.40 2.20 3.05
45
3.2. Resultados Con los datos obtenidos de los trabajos de campo realizados en base al ensayo de penetración estándar y habiendo aplicado la metodología metodología descrita en el capítulo anterior se presentan las tablas 9 y 10, un resumen de los resultados obtenidos de los análisis de licuefacción realizados. En estas tablas se presenta la profundidad máxima de licuefacción y el índice de potencial de licuefacción para cada sondaje realizado en en función del periodo de retorno del sismo de diseño. Tabla N° 09: Profundidad Profundidad hasta donde alcanzan estratos estratos potencialmente potencialmente licuables de acuerdo a cada cada sondaje realizado
46
FIGURA N° 07: Cuadro de resumen para las pr ofundidades máximas de licuefacción licuefacción para el distrito de Pimentel
Profundidad maxima de licuefaccion sismo 45 años Profundidad (m) Profundidad maxima de licuefaccion sismo 475 años Profundidad (m)
Tabla Nº10: Índice Índice potencial potencial de licuefacción licuefacción de suelos para cada cada periodo de retorno.
Profundidad maxima de
Pimentel
Distrito
Pimentel
Sondaje Clasificacio n SUCS SPT
S-1 S-2 S-3 S-4 S-5 S-6 S-7 S-8 S-9 S ADC-1 S ADC-2 S ADC-3 S ADC-4
Santa Rosa
S-1 S-2 S-3 S-4 S-5 S-6 S-7 S-8
SP SP-SM SP SP SP-SM SP
GC SP SC SP-SC SP-SC GC GC SP-SC SP-SM SP-SM SP-SC SP-SC SP-SM CL SM
Factor de resistencia a la licuefaccion licuefaccion Manifestacion en la superficie del terreno
Ubicación
Calle Manuel Seoane - NORTE Los Alamos Calle Leoncio Prado - Ca Miguel Grau
Calle A. Ugarte y Balta Calle 28 de Julio y Balta Calle Los Pescadores - Las Petunias Calle Manuel Seoane - La Rivera del Ma Av. Chiclayo - Calle Manuel Seoane Psje Elias Aguirre - Av. Jose Quiñones
Urb. "La Marina" Mz. B Lote Nª 07 - 2005 Urb. "La Marina" Mz. B Lote Nª 07 - 2005 Jr.Jose Quiñones Gonzales Nª 108 Jr.Jose Quiñones Gonzales Nª 108 Calle 8 de de Octubre - Pachacutec
Naylamp - Zona Urbana Calle Humberto Diaz Arroyo - Jr Tacna Calle Humberto Diaz Arroyo Calle Ribera del Mar Calle Mariscal Ureta Calle 7 de Junio
Calle Mariscal Ramon Castilla
sismo 5.0 Mw Σ total por cada SPT (PL)
sismo 6.5 Mw Σ total por cada SPT (PL)
sismo 7.5 Mw Σ total por cada SPT (PL)
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.63 0.35 0.00 0.00 0.65 0.00 0.00 0.00
39.92 25.42 35.43 31.59 39.43 4.74 0.00 30.15 0.00 13.44 8.75 11.00 0.00 37.96 43.70 43.91 46.74 49.07 41.88 18.71 28.80
54.07 43.36 49.02 39.93 52.62 30.37 3.45 47.38 5.38 23.77 16.09 20.00 2.53 51.79 53.69 53.80 57.81 59.12 52.66 37.73 47.67
47
Leyenda: Suelos no licuables No hay efectos de licuacion Pueden existir efectos severos de licuacion
Efectos severos Potencial de licuefacción
PL 0 5 15
< < <
=
0
PL PL
<=
PL
efectos Suelos no licuables
<=
15 15
Pueden existir efectos severos
<=
100
Efectos severos
PL = 100
No hay efectos de licuación
Suelos altamente licuables
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CONCLUCIONES Según los resultados obtenidos, se arribó a las siguientes conclusiones: 1.
El fenómeno de licuefacción de suelos se ha suscitado a nivel mundial y local, por lo que su estudio es relevante y debe considerarse muy importante para su mayor entendimiento, mitigación o para identificar con mayor exactitud las zonas en las cuales puede ocurrir.
2.
A partir del análisis de licuefacción de suelos se observa que dada las características geológicas y geomorfológicas de los suelos encontrados en la zona costera de Pimentel las zonas más pobladas y aledañas al mar vienen a ser las que poseen un potencial de licuación probable. En tanto para las zonas costeras de Santa Rosa según las características geológicas las que están propensas a sufrir licuefacción son los sectores del terminal pesquero y la zona de Naylamp.
3.
Debido a la forma de la la deposición de la que fue parte el suelo existente en la zona de estudio, descartando la edad geológica del sismo, sismo, se encontró valores de golpes de los los ensayos de SPT bajos, tanto en los estratos superficiales como profundos de hasta 8.00 metros. Resultados que indican una densidad relativa muy baja de los suelos encontrados, lo que sensibiliza aún más la ocurrencia del fenómeno de licuefacción, dado que este factor dentro del método simplificado es el que proporciona la resistencia de los suelos a la licuefacción, por lo que termina siendo uno de las más influyentes. Las áreas más afectadas por este fenómeno en los distritos de Pimentel y Santa Rosa se encuentran situadas cercanas o sobre terrenos inundables, lo que provoca que que sean lugares susceptibles a la licuefacción, dado que la presencia presencia de un nivel freático alto en el subsuelo es determinante determinante para la iniciación de dicho fenómeno.
4.
Dado el análisis de potencial de licuefacción de suelos para las zonas costeras de los distritos de Pimentel y Santa Rosa (Metodología NCEER 1998) en el caso de un sismo de 45 años de periodo de retorno, la ocurrencia de licuefacción de suelos es relativamente baja. Sin embargo, el suelo podría licuarse en las zonas de las calles Alfonso Ugarte y Balta hasta una profundidad de 3metros para el distrito de Pimentel y en las zonas de Naylamp y la Calle Rivera del mar en el distrito de Santa Rosa. Asimismo, cabe recalcar que los factores de seguridad para ambas zonas en estudio están por encima del valor de 1.1 (usado como valor límite límite del cual la licuefacción no ocurriría) y con valores de índice de potencial de licuación iguales a cero o menores de cinco. Estos resultados indican que no se producirán daños en la superficie y un bajo de potencial de licuefacción de los suelos.
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RECOMENDACIONES 1.
Con los datos obtenidos anteriormente, el distrito de Pimentel y Santa Rosa están propensos a sufrir licuefacción a profundidades entre 8 a 9 metros, por lo tanto es necesario tomar medidas para mitigar mitigar los daños. En este caso, se propone técnicas de mejoramiento del terreno, proporcionando aumento de la resistencia, disminución de la deformabilidad, disminución de la permeabilidad, y mitigando mitigando el potencial potencial de colapso.
2.
Se propone diferentes técnicas de mejoramiento del terreno para mitigar daños como son: compactación dinámica, vibroflotación y vibrosustitución, los más recomendados internacionalmente.
3.
Estos tratamientos son interesante en el caso de arenas finas limosas con alto potencial de licuefacción, ya que además de aumentar la resistencia al corte fuertemente por la inclusión de las columnas de grava, se obtienen elementos verticales que sirven para disipar las presiones de poros que pueden originar licuefacción por sismo, llegando a profundidades hasta los 10 metros.
50
REFERENCIA BIBLIOGRAFICA
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~ licuefacción / HTML / main.html (consultada el 29 de mayo del 2013)
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ANEXOS
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