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LICUACIÓN DE SUELOS Y RESISTENCIA CÍCLICA

Por: Denys Parra Murrugarra, Ingeniero Civil, M.Sc.Profesor Asociado FIC-UNI, Ingeniero de Proyectos Vector Perú S.A.C.

1.0 INTRODUCCIÓN

Las cargas dinámicas que actúan sobre cimentaciones y estructuras de suelo pueden originarsepor terremotos, explosiones de bombas, operaciones de maquinarias y martillos, operaciones deconstrucción (hincado de pilotes), explosiones en canteras, tráfico intenso (incluyendo aterrizajede aviones), viento, carga debido a la acción de las olas en el agua, etc. La naturaleza de cadauna de estas cargas es bastante diferente una de otra, siendo los terremotos los que constituyenla fuente más importante de cargas dinámicas sobre estructuras y cimentaciones.

En determinados suelos de naturaleza contractiva, es decir, con tendencia a la disminución devolumen durante el corte, la ocurrencia de un terremoto severo puede producir el incrementogradual de las presiones de poro, reduciendo la resistencia del suelo y su rigidez. A estefenómeno se le conoce como licuación y sus efectos asociados han sido responsables de unagran cantidad de daños en terremotos históricos alrededor del mundo.

La licuación ocurre en suelos saturados, esto es, suelos en los cuales los espacios entre laspartículas individuales están completamente llenos de agua. Esta agua ejerce una presión sobrelas partículas de suelo lo cual influencia la forma como las partículas por sí mismas sonpresionadas juntas. Antes del terremoto, la presión de agua es relativamente baja. Sin embargo,el movimiento sísmico puede causar que la presión de agua se incremente al punto donde laspartículas de suelo puedan fácilmente moverse una con respecto a la otra.

2.0 EL FENÓMENO DE LICUACIÓN

La licuación se define como “la transformación de un material granular de un estado sólido aun estado licuado como consecuencia del incremento de la presión de agua de poros” (Youd,1973). La causa más dramática de daños a edificaciones y obras civiles durante un terremotoes el fenómeno licuación, el cual es un proceso en el cual el suelo cambia de un material firmea un material viscoso semi-líquido y bajo condiciones similares a una arena movediza. Lalicuación ocurre cuando suelos arenosos son sometidos a vibración, por lo tanto, cuando unestrato de suelo se licua y empieza a fluir por la acción del terremoto, éste no es capaz desoportar el peso de cualquier suelo o estructura encima de él, debido a esto, es posible queocurran una serie de efectos, algunos catastróficos, como: deslizamientos, flujos, hundimientoo inclinación de edificaciones, volcanes de arena, asentamientos diferenciales, etc., como haquedado evidenciado en numerosos terremotos ocurridos en diferentes partes del mundo.

2.1 Factores que Determinan el Fenómeno de Licuación

Entre las causas que originan el fenómeno de licuación se encuentran:

Magnitud del Movimiento SísmicoLa magnitud del movimiento está relacionada con la magnitud de los esfuerzos ydeformaciones inducidos en el terreno por este movimiento. Dependiendo de la distanciahipocentral, la magnitud del movimiento producirá cierto valor de aceleración máxima en laroca basal, la cual sufrirá amplificación, dependiendo de las condiciones locales del suelo,

Licuación de Suelos y Resistencia Cíclica

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hasta llegar a la superficie, de esta manera la propagación de las ondas de corte durante unterremoto a través del esqueleto del suelo, producirá una complicada distribución de esfuerzosde corte en función del tiempo, causando así deformaciones en la masa de suelo cuyamagnitud dependerá de la magnitud del terremoto.

Duración del Movimiento SísmicoNormalmente la duración de un movimiento sísmico es corto (entre 5 a 40 segundos), pero sieste es intenso, predominará la condición no drenada, es decir la disipación de la presión deporos se verá restringida, y por el contrario se evidenciará el aumento de la misma,produciendo en algún momento condiciones de esfuerzo efectivo nulo, y por lo tanto,licuación.

Granulometría del sueloLos suelos más susceptibles a sufrir licuación son aquellos que poseen una granulometríauniforme, siendo las arenas finas uniformes las que son más propensas a licuar que las arenasgruesas uniformes. Además, según algunos autores las arenas limosas poseen mayorresistencia 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 mayoro igual a 2.

Densidad RelativaDurante la ocurrencia de un terremoto, una arena suelta puede sufrir licuación mientras queeste mismo suelo en un estado más compacto puede no evidenciar el fenómeno. Una arenacon 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 esprobable que experimente más del 10% de deformación por corte bajo la influencia de lavibración sísmica, aún después de que se hayan desarrollado altas presiones de poros. Encontraste con ello, arenas con valor de 20 golpes/pie (densidad relativa de 30 a 60%), puedendesarrollar relaciones de presiones de poro de 100% y experimentar deformaciones por cortemuy grandes del orden del 25-30%, bajo la acción de los esfuerzos de corte aplicados (Seed etal., 1984).

Profundidad del Nivel FreáticoEs una condición necesaria para que ocurra licuación. La presión de poros, producida por elagua que ocupa los vacíos existentes entre las partículas del material debido a la posición delnivel freático, se incrementa por efecto de la vibración producida en el movimiento sísmico.Por consiguiente, la ubicación del nivel freático cuando se produzca un terremoto en undepósito arenoso, será de mucha importancia porque regirá la condición de saturación y por lotanto, influirá también en el esfuerzo efectivo.

2.2 Efectos Dañinos que Produce la Licuación

Youd (1978), propone tres tipos de falla del terreno asociados al fenómeno de licuación desuelos:

Desplazamiento LateralEs el tipo más común de falla del terreno por licuación de suelos. Este tipo de falla involucrael movimiento lateral de las capas superficiales como resultado de la licuación y la pérdidatransitoria de la resistencia de las capas inferiores. El desplazamiento lateral ocurregeneralmente en terrenos relativamente llanos (con pendientes comprendidas entre el 0.5 y5%). En condiciones normales el desplazamiento lateral tiene un rango de pocos metros, y encondiciones anormales pueden ocurrir desplazamientos laterales de varias decenas de metros


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acompañados de grietas en el terreno y desplazamientos diferenciales verticales. Losdesplazamientos laterales muy a menudo distorsionan las cimentaciones de edificios, dañanlas tuberías de desagües y otras estructuras a lo largo de la zona afectada. El daño ocasionadopor este tipo de falla no es siempre espectacular y raras veces catastrófico, sin embargo esmuy destructor. En el terremoto de Alaska de 1964 se dañaron 266 puentes hasta el punto derequerir reemplazo o grandes trabajos de reparación. Este tipo de falla es particularmentedestructiva para las tuberías. Por ejemplo, casi todas las roturas de tuberías en la ciudad deSan Francisco durante el terremoto de 1906 ocurrieron en áreas de desplazamiento lateral;cuando surgieron incendios en la ciudad, no se pudo contar con agua de las tuberías paraextinguir el fuego. Existen técnicas de estabilización contra fallas de desplazamiento lateral,pero son relativamente caras y sólo únicamente justificables en lugares críticos. Las técnicasde estabilización incluyen la remoción, compactación, inyección, drenaje o la utilización decontrafuertes.

Falla de FlujoSon las fallas del terreno más catastróficas causadas por el fenómeno de licuación. Los flujospueden movilizarse a grandes distancias (decenas de metros) a altas velocidades (decenas deKm/h). Los flujos pueden involucrar suelo completamente licuado o bloques de suelo firmeviajando sobre una capa de suelo licuado. Este tipo de falla se desarrolla generalmente enarenas saturadas, sueltas, con pendiente del terreno mayor que 5%.

Muchas de las mayores y más dañinas fallas de flujo se han desarrollado bajo agua en áreascosteras. Por ejemplo las fallas de flujo submarinas que afectaron grandes secciones de lospuertos de Seaward, Whittier y Valdez en Alaska. Estas fallas adicionalmente generarongrandes olas que causaron daños adicionales y pérdidas de vidas. La falla en Valdez duranteel terremoto de Alaska de 1964, involucró 75 millones de metros cúbicos de sedimentosdeltaicos y ocasionó la destrucción del puerto. Esta falla ocasionó desplazamientos lateralesde 5 metros en la población detrás del puerto, ocasionando daños adicionales. No se handesarrollado medidas prácticas para estabilizar fallas de flujo similares a las presentadas. Enel caso de Valdez, se trasladó a la población 6 Km al noroeste, en un terreno más estable.

En tierra firme, las fallas de flujo han sido más catastróficas aunque menos frecuentes que losflujos submarinos. Durante el terremoto de Kansu, China de 1920 se produjeron varias fallasde flujo cuyo tamaño fue de hasta 1.6 Km de largo y ancho. Se cree que la presión del aire, envez de la presión de poros generó dichas fallas. No existen técnicas prácticas para prevenireste tipo de falla.

Las fallas de flujo pequeñas durante los terremotos son comunes en terrenos montañososhúmedos y arenosos. Por ejemplo, en los depósitos de arena eólica de San Francisco en elterremoto de 1906 y en los depósitos volcánicos de Tokachioki, Japón y Chile.

Otro de los efectos de falla por flujo por licuación inducida por sismo, han sido losevidenciados en depósitos y presa de relaves antiguas, construidas por el método de aguasarriba, algunas de ellas con consecuencias catastróficas para los recursos humanos yeconómicos y para el medio ambiente. Este tipo de fallas han sido muy comunes en décadaspasadas obligando a mejorar las técnicas de construcción de presas de relaves en áreas de altaactividad sísmica.

Pérdida de la Capacidad PortanteCuando el suelo que soporta una edificación licua y pierde su resistencia, pueden ocurrirgrandes deformaciones en el suelo, que ocasionan que la edificación se asiente, se incline osumerja. Aunque esta es una falla espectacular, es la menos común producida por licuación.


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Quizás la falla por pérdida de capacidad portante más publicitada ha sido la de los edificiosKawagishi-cho durante el terremoto de Niigata, Japón en 1964. Estos edificios rotaron hasta60° y se hundieron en la arena licuada. El subsuelo en dicha zona consiste de 15 m de arenasuelta (N<20goles/pie) suprayaciendo arenas más densas. El nivel freático estaba a 1 metropor debajo de la superficie. Aparentemente la licuación inicialmente se desarrolló en laspartes media e inferior del depósito de arena suelta, después se propagó hacia la superficiedebilitando el suelo de cimentación. El daño estructural de las edificaciones no fue grave.

2.3 Daños Ocurridos en Terremotos Pasados por Efectos de Licuación

A continuación se presenta un recuento de daños sufridos en terremotos pasados, debido a losefectos del fenómeno de licuación.

Terremoto de Niigata en Japón, en 1964El terremoto de Niigata del 16 de Junio de 1964 tuvo una magnitud de 7.5 en escala deRichter y ocasionó daño severo a muchas estructuras en Niigata. La destrucción se observó enaquellos edificios que fueron cimentados sobre depósitos de suelo suelto saturado. Según elreporte del terremoto, se destruyeron 2000 casas y se perdieron 28 vidas. Un tsunamiprovocado por movimiento en la base del mar asociado con la ruptura de la falla, destruyótotalmente el puerto de Niigata. Ver Foto 1.

Foto 1: Destrucción del puerto de Niigata, Japón (1964) por tsunami después del terremoto.

El terremoto de Niigata, junto con el terremoto de Alaska también en 1964, han reportadofenómenos de licuación y sus efectos devastadores han provocado la atención de ingenieros ysismólogos. Una gran falla en el terreno ocurrida cerca de la orilla del río Shinano donde losedificios de departamentos de Kawagishi-cho sufrieron fallas en la capacidad de soporte y seinclinaron severamente. A pesar de la excesiva inclinación, los edificios sufrieron poco dañoestructural (ver Foto 2). Volcanes de arena y fisuras en el terreno fueron observados en varioslugares en Niigata (ver Foto 3). El desplazamiento lateral ocasionó un movimiento lateral enla cimentación del puente Showa, tanto que los tramos entre los apoyos fueron sacados delugar y por lo tanto trajo consigo el colapso, tal como se observa en la Foto 4.


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Foto 2: Los edificios de departamentos de Kawagishi-cho,sufrieron fallas en la capacidad de soporte, 1964.

Foto 3: Volcanes de arena y fisurasen el terreno, fueron observados envarios lugares de Niigata, 1964.

Foto 4: Colapso del puente Showa por desplazamiento lateral. Niigata, 1964.

Terremoto de Alaska en U.S.A., 1964El área de la Costa Sur de Alaska ha experimentado muchos terremotos. El Viernes Santo, 27de Marzo de 1964, un gran terremoto de magnitud Ms=9.2 golpeó Prince William Sound ycausó severos daños en forma de desprendimiento de tierra y licuación, como se observa en laFoto 5. Este evento sísmico duró 3 minutos aproximadamente y fue sentido en un área de 500000 millas cuadradas. Un fuerte tsunami aumentó la cantidad de daño en el muelle, ocasionómuertes durante cinco horas después del terremoto en la Ciudad Creciente, California.


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Foto 5: El Viernes Santo, 27 de Marzo de 1964, un gran terremoto de magnitud Ms=9.2 golpeó PrinceWilliam Sound y causó severos daños en forma de desprendimiento de tierra y licuación

Terremoto de Loma Prieta en EU (1989)El terremoto del 17 de Octubre de 1989 en Loma Prieta (Ms=7.1) ocasionó severos daños nosólo en la vecindad del epicentro cerca de Santa Cruz, sino también en áreas más distanteshacia el Norte, alrededor de San Francisco y Oakland.

La licuación de suelo ocasionó daño importante en las instalaciones marinas, estructuras ylíneas de tuberías enterradas ubicadas en el área de la Bahía donde los suelos arenosos,sueltos, saturados fueron susceptibles a la licuación. Los numerosos volcanes de arena (verFotos 6 y 7) que fueron observados eran la evidencia de la ocurrencia de licuación.

La licuación se observó en varios lugares, incluyendo el aeropuerto de Oakland, las zonas quese encuentran a lo largo del río Salinas y la estación de aterrizaje marítima Moss.

Fotos 6 y 7: Numerosos volcanes de arena fueron observados en varios lugares como evidencia de laocurrencia de licuación como el aeropuerto de Oakland, en las zonas que se encuentran a lo largo delrío Salinas y la estación de aterrizaje marítima Moss.

Terremoto de KOBE en Japón (1995)El terremoto de Hanshin de 1995 (Ms=6.9), que comúnmente se le llama terremoto de Kobe,fue uno de los más devastadores terremotos que golpearon a Japón dejando más de 5,500muertos y otros 26,000 heridos. La pérdida económica se ha estimado cerca de 200 billonesde dólares. La proximidad del epicentro a la región altamente poblada, ayudan a explicar lagran pérdida de vidas y el alto nivel de destrucción. El colapso espectacular de la autopista


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Hanshin (ver Foto 8) ilustra los efectos de las altas cargas inducidas por el terremoto. Losmovimientos fuertes del terreno condujeron al colapso de la autopista Hanshin, así mismo lalicuación ocasionó daño severo al puerto de la ciudad, tal como se puede observar en las Fotos9, 10 y 11.

Foto 8 Foto 9

Foto 10 Foto 11

Terremoto en Chimbote, Perú (1970)A las 3:23 p.m. (hora local) del 31 de Mayo de 1970 ocurrió un terremoto de magnitudMs=7.8 y profundidad focal de 45 Km, con epicentro aproximadamente a 50 Km de la costadel Perú, al Oeste de la ciudad de Chimbote. El terremoto activó un acelerógrafo en Lima,cuya aceleración máxima corregida fue de 0.11g. En Chimbote no se registraronaceleraciones; sin embargo la máxima intensidad del terremoto se calculó en grado IX en laescala de intensidades Mercalli Modificada.

Ericksen et al., (1970) y Plafker et al., (1971) indicaron que en Casma, Puerto Casma y enzonas cercanas al litoral de Chimbote, se produjeron desplazamientos laterales del terrenocausado por licuación de depósitos deltaicos y de playa, ocasionando grietas en el terreno quederrumbaron las estructuras que las cruzaron. La zona central de Chimbote fue evidentementeun área de licuación de suelos, así como de asentamientos diferenciales de la cimentación.

Carrillo (1970) indicó descensos en los terraplenes de acceso de casi todos los puentes de laCarretera Panamericana y asentamientos en las plataformas del Terminal Marítimo deChimbote. También se presentó evidencias del fenómeno de licuación en los depósitos dearenas saturadas de la calle Elías Aguirre, en Chimbote.


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Morimoto et al., (1971) describieron la ocurrencia de licuación de suelos y prepararon unmapa de distribución de grietas en el terreno y volcanes de arena en Chimbote. En la zonapantanosa se produjo licuación generalizada, con grietas debido a compactación diferencial; yen la zona aluvial, licuación subsuperficial con grietas y volcanes de arena. En las Fotos12,13, 14 y 15 se ilustran algunos de los daños ocurridos en Chimbote debido a los efectos delicuación.

Foto 12: Volcanes de arena con grietas abiertasen la llanura aluvial del Río Lacramarca.

Foto 13: Resquebrajamiento del terreno enllanura aluvial del Río Lacramarca.

Foto 14: Agrietamiento del terreno en la llanuraaluvial del Río Lacramarca.

Foto 15: Daño en el Puerto de Chimbote.Derrumbe del camino pavimentado.

2.4 Descripción del Fenómeno de Licuación

Para comprender el fenómeno de licuación es importante reconocer las condiciones queexisten en un depósito de suelo antes de un sismo. Un depósito de suelo consiste de un grupode partículas individuales de suelo. En las Figuras 1 y 2 se presenta una vista esquemática deestas partículas, como se puede observar cada partícula está en contacto con un número departículas vecinas. Las partículas de suelo apoyadas producen fuerzas de contacto entre ellas,estas fuerzas son las que mantienen en su lugar a las partículas individuales y proporcionan alsuelo su resistencia.


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Figura 1: Representación de partículas en undepósito de suelo. La altura de la columna enazul a la derecha representa el nivel de lapresión de agua de poros en el suelo.

Figura 2: La longitud de las flechas representa eltamaño de las fuerzas de contacto entre las partículasindividuales del suelo. Estas fuerzas son mayorescuando la presión de agua de poros es baja.

La licuación ocurre cuando la estructura de una arena suelta saturada se altera deteriorándosedebido a la aplicación de una carga violenta. Al deteriorarse la estructura, las partículas que seencuentran empaquetadas comienzan a moverse libremente con la finalidad de conformar unaestructura más densa. En un terremoto, sin embargo, no hay tiempo suficiente para que elagua contenida en los poros del suelo sea expulsada. Esto está acompañado de un incrementoen la presión de agua la cual reduce la fuerza de contacto entre las partículas individuales delsuelo, tanto que la estructura de suelo comienza a ablandarse y a perder resistencia.

En la Figura 3, se observa como las fuerzas de contacto son pequeñas debido a las altaspresiones de agua. En un caso extremo, la presión de agua de poros puede llegar a ser tan altaque muchas partículas de suelo pierden contacto una con la otra, en tales casos, el suelo tendrámuy poca resistencia, y se comportará más como un líquido que como un sólido.

Figura 3: Las fuerzas de contacto disminuyen debido a las altas presiones de agua.

La licuación es un fenómeno en el cual la resistencia y rigidez de un suelo son reducidas porvibración sísmica u otra carga de aplicación violenta. La licuación y otros fenómenosrelacionados han sido responsables de la gran cantidad de daños durante la historia sísmicaalrededor del mundo.

La licuación ocurre en suelos saturados, esto es, suelos en los cuales el espacio entre laspartículas individuales está completamente lleno de agua. Antes de un terremoto, la presión deagua es relativamente baja. Sin embargo, la sacudida del terremoto puede ocasionar elincremento de la presión de poros hasta el punto donde las partículas del suelo puedan


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moverse fácilmente una respecto a la otra. El sacudimiento sísmico frecuentemente ocasionael incremento de la presión de agua, pero actividades relacionadas con la construcción, talescomo las voladuras, pueden también ocasionar el incremento de la presión de agua.

Cuando ocurre la licuación, la resistencia del suelo decrece y se reduce la capacidad deldepósito para soportar las cimentaciones de edificios y puentes. El suelo licuado tambiénejerce alta presión sobre muros de contención y destruye estructuras en la superficie delterreno. El incremento de la presión de poros puede también causar deslizamiento del terrenoy causar el colapso en presas. La presa de San Fernando sufrió un deslizamiento durante elterremoto de San Fernando en 1971 (ver Foto 16). Afortunadamente no se produjo el colapso,con lo cual se previno un desastre potencial por inundación de las grandes áreas pobladasaguas abajo de la presa.

Foto 16: Deslizamiento en la presa de San Fernando, terremoto de 1971.

El término licuación realmente se ha usado para describir una cantidad de fenómenosrelacionados, los cuales pueden dividirse en dos principales categorías: Flujo por licuación yMovilidad cíclica.

Flujo por LicuaciónEl flujo por licuación es un fenómeno en el cual el equilibrio estático es destruido por cargasestáticas o dinámicas en un depósito de suelo con baja resistencia residual. La resistenciaresidual es aquella que posee el suelo después de haber licuado. Cargas estáticas, por ejemplo,pueden ser aplicadas por las edificaciones sobre una ladera en pendiente que ejerce fuerzasadicionales en el suelo por debajo de la cimentación. Los terremotos, voladuras, y el hincadode pilotes son ejemplos de cargas dinámicas que pueden producir flujo por licuación.

Las fallas debido al flujo por licuación se caracterizan comúnmente por grandes y rápidosmovimientos los cuales pueden producir efectos desastrosos, como aquellos presentadosanteriormente ocurridos en diferentes terremotos alrededor del mundo.

El desprendimiento de tierra del “Turnagain Heights“, en el terremoto de Alaska de 1964, elcual fue provocado por la licuación de lentes de arenas en un área deslizada de 52.6 Ha, es unejemplo de flujo por licuación, como se ilustra en la Foto 5. La presa Sheffield sufrió una fallapor flujo provocado por el terremoto de Santa Bárbara en 1925 (ver Foto 18). Una sección de90 metros (de los 220 metros de longitud de la presa) se desplazó más de 30 metros. La presaconsistía principalmente de arenas limosas y limos arenosos compactados sobre el relleno(Seed et al., 1969).


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Foto 18: Falla de la presa Sheffield durante el terremoto de Santa Bárbara en 1925.

Como estos casos históricos de falla por flujo, se pueden involucrar el flujo de volúmenesconsiderables de material que experimentan grandes movimientos, los que son producidos poresfuerzos de corte estáticos. Para provocar flujo por licuación sólo se necesita en algunoscasos una perturbación muy pequeña.

Movilidad CíclicaLa Movilidad Cíclica es un fenómeno de licuación provocado por una carga cíclica, ocurre endepósitos de suelo con esfuerzos de corte estáticos menores que la resistencia del suelo. Lasdeformaciones debido a la movilidad cíclica se incrementan porque los esfuerzos estáticos ydinámicos subsisten durante un terremoto. El desplazamiento lateral, es un resultado comúnde la movilidad cíclica, puede ocurrir sobre terrenos suavemente inclinados y en terrenosllanos cercados por ríos y lagunas. El terremoto de Guatemala en 1976 ocasionó undesplazamiento lateral a lo largo del río de Motagua.

Sobre el nivel del terreno, debido a la alta presión de agua de poros ocasionada por licuación,puede ser que el agua de poros fluya rápidamente a la superficie. Este flujo puede ocurrirdurante la ocurrencia del terremoto como también después de éste. Si el flujo de agua deporos asciende lo suficientemente rápido, puede llevar partículas de arena hasta la superficiedonde se depositan formando volcanes de arena o ebulliciones de arena. Estos aspectospueden observarse frecuentemente en lugares que han sido afectados por licuación (ver Fotos3, 6 y 7)

3.0 PRESIÓN DE POROS BAJO CONDICIONES DE CARGA CÍCLICA

El exceso de presión de poros, ur, puede desarrollarse bajo condiciones de carga cíclica de talmanera que origine una disminución del esfuerzo efectivo. Cuando los suelos se encuentranbajo una condición de consolidación isotrópica, el esfuerzo efectivo puede reducirse a cerocuando el exceso de presión de poros se incrementa continuamente. Seed y Lee (1966)definieron como licuación inicial al punto en el cual el incremento de presión de poros esigual al esfuerzo de confinamiento inicial. Diferentes métodos y una gran cantidad de ensayosde laboratorio han sido llevados a cabo para evaluar el potencial de licuación y la prediccióndel desarrollo del exceso de presión de poros bajo condiciones de carga sísmica. Un enfoqueimportante y muy aceptado es el método del esfuerzo cíclico desarrollado por Seed, Martin yLysmer (1975). En este método la carga sísmica, expresado en términos de esfuerzo de cortecíclico equivalente, es comparado con la resistencia a la licuación del suelo, también


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expresado en términos del esfuerzo de corte cíclico. Cuando la carga sísmica excede laresistencia, se espera que ocurra licuación o el máximo exceso de presión de poros.

El nivel del desarrollo del exceso de presión de poros puede ser previsto a partir del métododel esfuerzo cíclico, en el cual el exceso de presión de poros está directamente relacionado ala amplitud del esfuerzo cíclico y el número de ciclos de esfuerzo. La tasa del incremento delexceso de la presión de poros se encuentra dentro de un rango más o menos angosto cuando esgraficado en forma normalizada como se muestra en la Figura 4.

Figura 4: Relación de Presión de Poros Bajo Condiciones de Carga Cíclica.

La siguiente relación ha sido desarrollada entre la relación de presión de poros y el número deciclos.

−

π

+=σ

α

1NN

2arcsen1

21u

1

Lc3

r

donde:ur = exceso de presión de poros.α = constante que define la forma de la curva. Se puede obtener una curva promedio

utilizando un α=0.7.N = ciclos de esfuerzo.NL = ciclos de esfuerzo requeridos para producir licuación.

Los ensayos de laboratorio muestran que el número de ciclos de esfuerzo requeridos paraproducir licuación decrece con el incremento de la amplitud del esfuerzo cíclico como semuestra en la Figura 5.


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Figura 5: Esfuerzos Cíclicos Requeridos para Producir Licuación Inicial.

La curva mostrada en la Figura 5 es llamada usualmente la curva de resistencia cíclica a lalicuación. La curva de resistencia cíclica es normalizada frecuentemente con relación a lapresión de confinamiento efectiva inicial. Este esfuerzo cíclico normalizado es llamadoRelación de Esfuerzo Cíclico o CSR.

4.0 ENSAYO TRIAXIAL CÍCLICO

El ensayo triaxial fue desarrollado por Seed y Lee (1966) para estudiar los factores quecontrolan la licuación de arenas saturadas. Debido a su relativa simplicidad y a la grandisponibilidad del equipamiento necesario, es todavía el procedimiento de ensayo máscomúnmente usado. En este ensayo una muestra cilíndrica y saturada de suelo es consolidadabajo un cierto esfuerzo efectivo. Se previene todo drenaje y luego la muestra es sometida aciclos de cambio de esfuerzo axial.

Mediante la aplicación de un esfuerzo desviador cíclico para representar el comportamiento decampo de depósitos de suelos, se pueden realizar los siguientes ensayos en el equipo triaxialcíclico:

• Ensayo de Licuación de Arenas, para evaluar la resistencia a la carga cíclica deespecimenes de arenas saturadas.

• Ensayo de Deformación Dinámica para evaluar el Módulo de Young y Factor deAmortiguamiento de los suelos.

• Ensayo para la determinación del Módulo Resilente de suelos con fines de diseño depavimentos.

4.1 Equipo de Ensayo

El equipo triaxial cíclico del Laboratorio Geotécnico del CISMID, permite prepararespecimenes, confinarlos, saturarlos, consolidarlos y aplicarles una carga cíclica que induceesfuerzos de corte cíclicos en planos de compresión triaxial. La respuesta cíclica del suelo esdeterminada de modo de evaluar las propiedades dinámicas requeridas.


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Todo el sistema de carga es neumático, es decir, accionado por aire presurizado, accionadopor un motor eléctrico. Este aire presurizado es a su vez controlado por válvulas reguladoras.El sistema de medición y adquisición de datos es electrónico, siendo posible monitorear eldesarrollo de la prueba tanto en forma analógica como digital, ya sea en forma de gráficoscontinuos o en la computadora. El equipo se complementa con una microcomputadora en lacual se dispone de todo el software para el procesamiento de la información obtenida en elensayo.

Eventualmente el equipo puede ser usado para llevar a cabo ensayos triaxialesconvencionales. Además, se pueden realizar ensayos con consolidación anisotrópica, debido ala independencia entre el sistema de aplicación de la presión de confinamiento horizontal yvertical.

4.2 Procedimiento

El procedimiento para la preparación del espécimen, aplicación de la presión deconfinamiento, saturación y consolidación, es similar al ensayo triaxial convencional. Paraespecimenes de arcilla y suelos con cohesión aparente, la preparación consiste en el tallado dela muestra. Para suelos arenosos el espécimen es remoldeado a un peso específico dado, o auna cierta densidad relativa.

Para la aplicación de la carga cíclica se elige un determinado esfuerzo desviador cíclico,dependiendo del tipo de ensayo que se va a realizar, debido a que el ensayo es a cargacontrolada. Durante la aplicación de dicho esfuerzo desviador cíclico las válvulas puedenpermanecer ya sea abiertas o cerradas, lo cual dependerá de las condiciones establecidas para laejecución del ensayo, es decir, drenadas o no drenadas. Los siguientes transductores permitenmedir el desarrollo del ensayo.

• Fuerza axial externa• Fuerza axial interna• Presión de Poros• Deformación axial

5.0 ENSAYO DE RESISTENCIA CÍCLICA

5.1 Alcance del Ensayo

El ensayo de resistencia cíclica es llevado a cabo según los siguientes alcances:

• Este ensayo permite la determinación de la resistencia cíclica (llamada a vecespotencial de licuación) de suelos saturados, ya sea en estado no disturbado oreconstituido, mediante la técnica triaxial cíclica por carga controlada.

• La resistencia cíclica de un suelo es evaluada con relación a diversos factores, talescomo: el desarrollo de la deformación axial, magnitud del esfuerzo cíclico aplicado,número de ciclos de aplicación de esfuerzos, desarrollo del exceso de presión deporos, y estado de esfuerzos efectivos.

• Los ensayos de resistencia cíclica son llevados a cabo bajo condiciones no drenadaspara simular esencialmente las condiciones no drenadas de campo durante elterremoto u otra carga cíclica.

• Los ensayos de resistencia cíclica son del tipo destructivos. La falla puede ser


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definida a partir del número de ciclos de esfuerzo requeridos para alcanzar unadeformación límite del 100% de la relación de presión de poros.

• Este método es generalmente aplicable para ensayar suelos sin cohesión, con drenajelibre y de permeabilidad relativamente alta.

5.2 Limitaciones del Ensayo

Hay ciertas limitaciones inherentes al uso del ensayo triaxial cíclico para simular lascondiciones de esfuerzo y deformación de un elemento de suelo en el campo durante unterremoto, tales como:

• Se presenta un cambio de 90° en la dirección del esfuerzo principal mayor durantelas dos mitades del ciclo de carga sobre especimenes isotrópicamente consolidados.

• El máximo esfuerzo de corte cíclico que puede ser aplicado al espécimen escontrolado por las condiciones de esfuerzo al final de la consolidación y por laspresiones de poro generadas durante el ensayo. Para un espécimen contractivoconsolidado isotrópicamente ensayado en compresión cíclica, el máximo esfuerzo decorte cíclico que puede ser aplicado es igual a la mitad del esfuerzo axial total inicial.Puesto que suelos no cohesivos no son capaces de tomar esfuerzos de tracción, losesfuerzos de corte cíclicos mayores que este valor tienden a levantar el cabezalsuperior del espécimen. Asimismo, a medida que la presión de poros se incrementadurante el ensayo, el esfuerzo de confinamiento efectivo es reducido, contribuyendoa la tendencia del espécimen a formar un cuello durante la parte de extensión delciclo de carga, invalidando los resultados del ensayo más allá de este punto.

• Si bien es recomendable que se obtenga la mejor calidad de muestras no disturbadas,a veces es necesario reconstituir especimenes de suelo. Si embargo, se sabe quediferentes métodos de reconstituir especimenes a la misma densidad, pueden resultaren valores de resistencia cíclica significativamente diferente. Asimismo, especimenesno disturbados siempre presentarán mayor resistencia que especimenesreconstituidos.

• La interacción entre el espécimen, membrana, y fluido de confinamiento tieneninfluencia en el comportamiento cíclico. Los efectos de la penetración de lamembrana no pueden ser fácilmente tomados en cuenta en el procedimiento deensayo o en la interpretación de los resultados.

• Los cambios en la presión de poros pueden causar cambios en la penetración de lamembrana en especimenes de suelos no cohesivos. Estos cambios pueden influenciarsignificativamente los resultados del ensayo.

• El esfuerzo de confinamiento efectivo total medio es asimétrico durante la aplicaciónde los esfuerzos de compresión y extensión cuando la presión de cámara esconstante. Esto es totalmente diferente del esfuerzo simétrico en el caso del ensayode corte simple.

5.3 Desarrollo del Ensayo

Un elemento de arena saturado sometido a esfuerzos de corte reversibles cíclicos, genera elincremento en las presiones en el agua en los poros y la consiguiente disminución de losesfuerzos efectivos.


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En el ensayo triaxial cíclico es posible determinar el exceso de presión de poros, ur, que segenera en un número N de ciclos de carga y especialmente el número de ciclos Nc para el cualur alcanzará el valor del esfuerzo efectivo de confinamiento, produciéndose la licuación delsuelo.

Para la aplicación de la carga cíclica se elige una relación de esfuerzos cíclicos (CSR) para elensayo y se calcula el valor máximo de la onda de carga como sigue:

0

d

2CSR

σσ

=

f

cd A

F=σ

foc A R 2 F σ=donde:

dσ = esfuerzo desviador

0σ = esfuerzo efectivo de confinamiento inicialFc = valor máximo de la onda de cargaAf = área final del espécimen

El ensayo de resistencia cíclica es realizado típicamente para simular las condiciones nodrenadas que ocurren en una masa de suelo colapsable, cuando es sometido a un movimientosísmico intenso. Para simular estas condiciones las válvulas de drenaje son cerradas durante laaplicación del esfuerzo desviador cíclico seleccionado. El exceso de la presión de poros ur esmedido al término de cada ciclo de carga, así como también la deformación axial unitaria. Enla Figura 6 se muestra un registro típico del ensayo de resistencia cíclica.

Finalmente, se mide el número de ciclos para producir una deformación del 5% y 10% endoble amplitud, N5 y N10, respectivamente y el número de ciclos en el momento de producirselicuación, Nc, esto ocurre en el instante en que ur = 1.

Se realizan un número mínimo de 3 ensayos con diferentes valores de CSR y los resultados sepresentan en un gráfico de CSR versus el logaritmo del número de ciclos, tal como se presentaen la Figura 7.

5.4 Fuentes de Error

Los errores se pueden producir debido a:

a) Preparación de la muestra• Compactación no uniforme.• Imprecisión en las medidas de altura y diámetro.• Inadecuada manipulación de la muestra, que induzca estados tensionales.• Saturación incompleta.• Consolidación incompleta.

b) Solicitación dinámica• Cargas muy altas que originen tracciones que corten la probeta.• Ciclos de carga no simétricos.• Frecuencia de la carga no constante.• Pico de la carga variable.


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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

CISMID - Laboratorio Geotécnico

EQUIPO DE COMPRESION TRIAXIAL CICLICO

ENSAYO DE LICUACION DE SUELOS

SOLICITADO : CISMID-UNI

PROYECTO : LICUACION DE SUELOS

UBICACION : CHIMBOTEFECHA : ENERO 90

SONDAJE : S-9

MUESTRA : M-6

PROF. : 3.00-3.45CLASIF. (SUCS): SM

(mt)

o = 1.00 kg/cm2

Dr = 58.25%

/ = 0.130ESFUERZO DESVIADOR (kg/cm2)0.50

0.

-0.50

DEFORMACION AXIAL (%)10.00

0.

-10.00

PRESION DE POROS (kg/cm2)1.50

0.0

0

20.0 40.0 60.0 80.0

LICUACION INICIAL

TIEMPO (seg)

1.00

Figura 6: Registro típico del ensayo de resistencia cíclica.


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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

CISMID - Laboratorio Geotécnico

EQUIPO DE COMPRESION TRIAXIAL CICLICOENSAYO DE LIQUIDACION DE SUELOS

SOLICITADO : CISMID-UNI

PROYECTO : LICUACION DE SUELOS

UBICACION : CHIMBOTE

FECHA : OCTUBRE 89 - ENERO 90

SONDAJE : P-7,S-6,S-9,S-11

MUESTRA : -

PROF. : -

CLASIF. (SUCS): -

(mt)

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0

RES

ISTE

NC

IA C

ICLI

CA

R=

NUMERO DE CICLOS : N

1 10 100 1000

S-6 S-9

S-11 P-7

SP

SP-SM

SM

o = 1.00 kg/cm2

Dr = 50.0%

LICUACION INICIAL

Figura 7: Curvas típicas de resistencia cíclica.

6.0 CORRECCIONES A LA RELACIÓN DE ESFUERZO CÍCLICO

6.1 Corrección Según el Tipo de Ensayo

La Relación de Esfuerzo Cíclico (CSR) se define de manera diferente en diferentes tipos deensayos. En el caso del ensayo de corte simple cíclico, la CSR está definida como la relacióndel esfuerzo de corte cíclico sobre el esfuerzo efectivo vertical inicial. Por otro lado, en elensayo triaxial cíclico, se define como la relación del máximo esfuerzo de corte cíclico sobrela presión de confinamiento efectiva inicial, tal como se presentó anteriormente. Estasrelaciones de esfuerzo cíclico pueden ser expresadas como sigue

Para el ensayo de corte simple cíclico: vociccs /CSR στ=

Para el ensayo triaxial cíclico: o3cictx 2/CSR σσ=

Es conveniente determinar la relación entre estas dos diferentes definiciones de resistencia. Larelación teórica depende tanto del valor de K0, como del criterio de control del comienzo de lalicuación o falla bajo condiciones de carga cíclica. Las dos resistencias son relacionadasusualmente mediante un factor de corrección como sigue:


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txrcs CSRcCSR =

donde:cr = es el factor de corrección.

La siguiente tabla muestra algunos valores de cr como referencia:

Tabla 1: Factor de Corrección de CSR, cr

Referencia Ecuación cr para K0=0.4 cr para K0=1.0

Finn et al. (1971) (1 - K0) / 2 0.7 1.0

Seed et al. (1971) Variable 0.55 - 0.72 1.0

Castro (1975) 0.69 1.15

6.2 Corrección por la Dirección del Movimiento

Los terremotos producen esfuerzos de corte en diferentes direcciones. El movimientomultidireccional causa (Pyke et al., 1975) que las presiones de poro se incrementen másrápidamente que si dicho movimiento fuera sólo unidireccional. Seed et al. (1975) sugirieronque la CSR requerida para causar licuación inicial en el campo es aproximadamente 10%menos que la CSR obtenida en un ensayo de corte simple cíclico. Por lo tanto, la resistencia ala licuación del suelo en el campo puede ser expresado como:

)CSR(c9.0)CSR(9.0CSR txrcscampo ==

6.3 Corrección por Sobrecarga y Esfuerzo de Corte Estático

En aquellos lugares que presenten terrero con pendiente o en aquellos que soportenestructuras pesadas, la presencia de los esfuerzos de corte estáticos, influenciarán laresistencia a la licuación. Los ensayos de laboratorio muestran que la relación de esfuerzocíclico requerido para causar licuación inicial se incrementa para valores altos del esfuerzo decorte inicial para suelos no colapsables, y disminuye para valores altos de la presión deconfinamiento efectivo inicial, Seed (1983) propuso que los efectos del esfuerzo de corteinicial y de los esfuerzos de confinamiento sean tomadas en cuenta mediante la modificaciónde la relación de esfuerzo cíclico mediante dos factores como sigue:

sacampocorrcampo KK)CSR()CSR( =

donde:Ka = es el factor de corrección para el esfuerzo de corte inicial, que es función de la

relación de esfuerzo de corte estático horizontal inicial.Ks = es el factor de corrección para el esfuerzo de confinamiento inicial, que es función

de los esfuerzos de sobre carga efectiva inicial.

En la Figura 8 se presentan los factores de corrección propuestos por Seed y Harder (1990) yNCEER (1996) para la presión por sobrecarga, mientras que en la Figura 9 se presentan losfactores de corrección para el esfuerzo de corte estático, según Boulanger et al., (1991).


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Figura 8: Factores de corrección por presión de sobrecarga.

Figura 9: Factores de corrección por esfuerzo de corte estático (Boulanger et al., 1991).

En suelos colapsables, cuando el esfuerzo de corte estático inicial es mayor que la resistenciadel estado constante, la resistencia a la licuación puede ser reducida para un alto valor delesfuerzo de corte inicial. La relación de esfuerzo de corte cíclico requerido para iniciar lalicuación puede ser mucho más bajo que la esperada y la presión de poros se puedeincrementar rápidamente durante el colapso de la estructura de suelo. El mecanismo degeneración de presión de poros durante el colapso de la estructura de suelo es básicamentediferente a la generación de la presión de poro durante la aplicación de la carga cíclica. Por lotanto, el modelo de presión de poros, descrito en esta sección, deberá ser usado conprecaución para suelos colapsables lo cual depende en gran medida de la experiencia delusuario y del entendimiento global del problema.


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REFERENCIASCarrillo A. (1970). Algunas Apreciaciones del Comportamiento del Suelo en la Zona del Sismo deAncash. II Congreso Nacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Fundaciones, Lima, Perú.

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