SUELOS LICUABLES

TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCIN31.PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.51.1.Descripcin del problema51.2.Formulacin del problema62.Objetivos72.1.Objetivo general72.2.Objetivos especficos73.Justificacin84.Marco referencial94.1.Estado del arte.94.2.Marco terico.104.2.1.Fenmeno de la licuacin104.2.2.Tipos de falla por licuacin:124.2.3.La licuacin como efecto inducido por terremotos en el terreno.165.Estimaciones de la susceptibilidad de licuefaccin.196.Ejemplo de clculo de la susceptibilidad de licuefaccin.257.Mejoramiento de suelos licuables.277.1.Tipos de mejoramiento de suelos licuables.287.1.1.Tcnica de densificacin.287.1.2.Tcnica de reforzamiento.287.1.3.Tcnicas de cementacin y mezclado.287.1.4.Tcnicas de drenaje.298.Conclusiones.309.Recomendaciones.32Referencias bibliogrficas.33

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Arreglo de granos de arena saturada en un proceso de licuacin.11

Figura 2 Diagrama de flujo causada por licuacin y perdida de resistencia del suelo sobre una pendiente pronunciada.13

Figura 3 Diagrama de una falla por desplazamiento lateral.14

Figura 4 Inclinacin de estructuras por prdida de soporte.15

Figura 5 Desplazamiento lateral de estructura de retencin.16

Figura 6 Susceptibilidad de licuefaccin de un suelo en funcin de (N1)60 y la razn del esfuerzo cortante cclico CSR (Ho et al., 1986).20

Figura 7 Susceptibilidad de licuefaccin en funcin del SPT para un terremoto de magnitud 7,5 (modificado de Youd e Idriss, 2001).22

Figura 8 Relacin entre el valor de y la resistencia al corte del suelo ( Yegian y Whitman, 1978).24

INTRODUCCIN

El suelo de fundacin para una estructura a construir siempre ser, por no decir el ms importante aspecto que en un proyecto de construccin se debe estudiar de la manera ms profunda y detallada, desde la composicin se partculas hasta las propiedades y caractersticas ingenieriles del conjunto. De los resultados obtenidos, sabremos qu tan bueno o malo puede ser el comportamiento del subsuelo bajo la accin de las futuras cargas o la respuesta que pueda tener al intervenir fenmenos naturales como los sismos.

Para determinar las propiedades y caractersticas ingenieriles de los materiales es necesario realizar una serie de ensayos, en donde estos son sometidos a diferentes pruebas, considerando estados de esfuerzos e intemperismo, con lo que se busca simular las condiciones reales a las que el suelo estara sometido. Por otro lado, tambin existen formulaciones y procedimientos basados en las experiencias y conocimientos empricos de importantes y reconocidos ingenieros especialistas en la materia que nos acercan de manera muy aproximada a los aspectos y comportamientos investigados en los suelos.

En la presente monografa se realiza una descripcin de la licuefaccin en suelos, como se origina, que tipos de suelos son ms propensos o susceptibles, cules son sus caractersticas y las condiciones fsicas de contorno que facilitan su ocurrencia. Por ltimo se describen algunos mtodos de deteccin de la susceptibilidad de licuefaccin en suelos, con el fin de orientarlas a recomendaciones y conclusiones en pro de acciones para su mitigacin.

Los suelos licuefactables o licuables son aquellos que con un contenido predominante areno-limoso, en estado saturado, al experimentar esfuerzos cortantes anmalos y rpidos (como sismo), permiten un aumento de las presiones intersticiales (por falta de drenaje), hasta valores de la presin total existente. En este caso la presin efectiva se anula prcticamente, con lo que los granos dejan de estar en contacto, la resistencia al corte desaparece y el material se comporta como un liquido, dando lugar a movimientos verticales y horizontales de su masa, que se traducen en deslizamientos (en caso de taludes), o en grandes asentamientos.

Para desarrollar el tema tratado en la presente monografa, fue necesario abordar un sin nmero de publicaciones en libros de ingeniera, artculos y trabajo de autores nacionales e internacionales, con gran experiencia investigativa y practica en licuefaccin de suelos.

1. Planteamiento del problema.

1.1. Descripcin del problema

Las fundaciones son sistemas integrados donde tres elementos (superestructura, infraestructura y el subsuelo) conjugan un solo elemento, que garantiza el buen funcionamiento y seguridad de las edificaciones. Cuando se presentan fenmenos que atentan contra dicha seguridad como los sismos, las estructuras cimentadas en el subsuelo experimentas movimientos anormales que son nocivos para dicho sistema. Los asentamientos, deflexiones, colapsos y dems acciones perjudiciales, representativos de una licuefaccin en suelos, cuyo detonante en la mayora de los casos es un evento telrico. La susceptibilidad de un suelo licuable merece una investigacin y evaluacin acertada en cualquier proyecto de construccin.

En nuestra regin Caribe predomina en la idiosincrasia ingenieril, la costumbre mal habida, de ante poner una economa falsa en la investigacin del subsuelo de proyectos de gran y menor envergadura, escatimando y llegando as a un ahorro ficticio que ms adelante seguramente se convierte en catstrofe, ya sea por prdidas de vidas humanas o daos irrecuperables al patrimonio de nuestros clientes o inclusive de proyectos de propiedad de arquitectos o ingenieros de mucha trayectoria y experiencia. Con una inadecuada o escasa investigacin del subsuelo no se puede llegar a predecir la susceptibilidad de licuacin en suelos, la cual es detonada por acciones dinmicas tal y/o sismos, mencionada anteriormente.

1.2. Formulacin del problema

Considerando la problemtica planteada anteriormente, y como objeto de la presente investigacin surgen los siguientes interrogantes, apoyados en la necesidad y obligacin que tiene un ingeniero civil de conocer y evaluar con precisin los suelos susceptibles al fenmeno de licuacin:

1- Qu es la licuefaccin o licuacin de suelos?2- Cules son los suelos susceptibles a licuacin?3- Qu daos o acciones malficas transfiere la licuacin de suelos a las estructuras luego de su ocurrencia? 4- Qu factores y condiciones fsicas de contorno son los que propician un ambiente apto para la ocurrencia de la licuefaccin de los suelos?5- Cules son mtodos de evaluacin de la susceptibilidad de licuefaccin en suelos?6- Qu tcnicas son las ms utilizadas en el mejoramiento de suelos potencialmente licuables?

2. Objetivos.

2.1. Objetivo general

Conocer que es la licuacin en suelos, con el fin de establecer como este fenmeno causa el colapso de edificaciones y obras civiles en general.

2.2. Objetivos especficos

Describir cuales son los factores o condiciones de contorno que ayudan a que se presente la licuacin de suelos, junto con sus efectos malficos para las obras civiles.

Establecer los mtodos ms utilizados para la evaluacin de la susceptibilidad de licuacin de suelos.

Evaluar la susceptibilidad de licuacin de un suelo.

Exponer las tcnicas utilizadas en el mejoramiento de suelos potencialmente licuables.

3. Justificacin.

El presente trabajo muestra la compilacin de los conceptos importantes tomado de diferentes fuentes, junto con experiencias nacionales y observaciones recientes de la licuacin de suelos, con la finalidad de proporcionar una gua prctica a ingenieros civiles con poca experiencia y conocimiento en este tema, de igual manera servir para afianzar conocimientos a ingenieros especialistas en geotecnia o con experiencia en problemas de licuacin; utilizando estas teoras representativas de autores de gran reconocimientos en el mundo de la ingeniera de suelos, se llega a una conclusin prctica enfocada a la comprensin y determinacin de la susceptibilidad de suelos licuables. Al final se espera sensibilizar a la comunidad de ingenieros civiles del pas sobre la importancia de detectar a tiempo la presencia de suelos licuables y tomar las medidas preventivas que fuesen necesarias en cada caso, con el fin de salvaguardar vidas y edificaciones de nuestro pas.

4. Marco referencial

4.1. Estado del arte.

En la actualidad existen un sin nmero de software y mtodos numricos, herramientas muy tiles para la modelacin de este fenmeno. Al ser un tema cuyo origen est definido en pocas recientes, las teoras e investigaciones no han sufrido modificaciones vanguardista, que implique un cambio significativo en lo que hasta hoy en da se conoce como licuacin. Las herramientas ya nombradas sern explicadas en el desarrollo del marco terico segn las teoras explicadas.

Existente tcnicas numricas y semiempiricas que se encuentran registradas en un sinnmero de investigaciones enfocadas a la evaluacin de la susceptibilidad de licuacin de suelos, en el presente trabajo trataremos las segundas por estar al alcance de la mayora de ingenieros, sin quitarle la importancia que tiene los mtodos numricos, con lo que se llega a respuestas ms precisas.

Se pueden mencionar los anlisis realizados con programas de diferencias finitas unidimensionales PROSHAKE y EERA (Equivalent linear Earthquake site Response Analyses) y el programa bidimensional QUAD4M (Hudson et al., 1994), para el anlisis en tensiones totales, el programa de anlisis en tensiones efectivas se realiza con el SOLDYNA.

Estos programas forman parte de una lista de Software que dia a dia van tomando mayor aplicacin para el anlisis de la susceptibilidad de suelos con potencialidad a licuar en todo el mundo.

4.2. Marco terico.

4.2.1. Fenmeno de la licuacin.Licuacin es el proceso mediante el cual un sedimento que se encuentra sumergido, experimenta una prdida de resistencia y deja de comportarse como un slido para comportarse como un lquido viscoso. Los tipos de sedimentos ms susceptibles a licuar son arenas y limos libres de partculas de arcillas. Las gravas pueden licuar ocasionalmente. La licuacin es producida por la accin de ondas ssmicas, primordialmente ondas de corte, las cuales atraviesan estratos de suelos granulares saturados, distorsionando la estructura del suelo y causando el colapso de grupos de partculas que se encuentran bajo un arreglo en estado suelto.

Estos colapsos incrementan la presin de poros entre los granos cuando el drenaje no puede ocurrir. Si la presin de poros alcanza valores cercanos al peso del suelo suprayacente, el estrato de suelo granular se comporta temporalmente como un liquido viscoso y se dice que la licuacin ha ocurrido. La facilidad con que ocurre la licuacin depende primordialmente de la densidad del suelo, del contenido de arcilla o agentes cementantes en el suelo, y de las restricciones de drenaje existentes.

En la siguiente figura se evidencia un esquema de un arreglo de granos de arena saturada ilustrando el proceso de licuacin. Las deformaciones por corte inducidas por el sismo distorsionan la estructura granular del suelo causando el colapso de grupos de partculas ms sueltas.

Figura 1 Arreglo de granos de arena saturada en un proceso de licuacin.

La magnitud de deformacin del suelo depender de los siguientes factores:

La densidad del suelo, estados ms sueltos sern propensos a licuar. La profundidad del estrato licuable. El espesor del estrato licuable. El rea de extensin del estrato licuable. La pendiente del terreno. La distribucin de las cargas aplicadas por las edificaciones y otras edificaciones existentes.

La licuacin est restringida a ambientes geolgicos de depsitos recientes de arenas y limos donde el nivel de agua subterrnea se encuentra cercano a la superficie. Mientras los sedimentos sean ms jvenes y sueltos, y el nivel fretico se encuentre ms superficial, los suelos sern ms susceptibles a licuar. Los sedimentos ms susceptibles a licuar son los sedimentos del Holoceno, con menos de 10.000 aos de formacin, tpicos de formaciones deltaicas, mrgenes de ros, reas de inundacin, depsitos elicos y rellenos hidrulicos pobremente compactados.

El fenmeno de licuacin se ha observado con mucho ms frecuencia en reas donde el nivel fretico se encuentra a una profundidad menor de 10 metros.

Bajo efecto de la licuacin, el subsuelo puede deformarse considerablemente y causar daos severos a las estructuras y edificaciones existentes en las superficies.

4.2.2. Tipos de falla por licuacin:

A continuacin se describen los tipos de fallas por licuacin:4.2.2.1. Falla por flujo

Es el tipo de falla ms catastrfico causado por la licuacin, involucra el desplazamiento lateral de grandes masas de suelos decenas de metros, y en algunas instancias decenas de kilmetros, alcanzando velocidades hasta de 10 km/hora. El flujo puede consistir de material completamente licuado o bloques de material intacto desplazndose sobre estratos de suelos licuados. La falla por flujo se desarrolla en suelos sueltos conformados por arenas y limos saturados con pendientes mayores de 3 grados.

Figura 2 Diagrama de flujo causada por licuacin y perdida de resistencia del suelo sobre una pendiente pronunciada. 4.2.2.2. Desplazamiento lateral.

Involucra el desplazamiento de grandes bloques superficiales de suelos como resultado de la licuacin de un estrato subyacente. Los desplazamientos laterales ocurren en pendientes suaves, menores de 3 grados, y se mueven hacia las caras libres de los cauces de ros y costas marinas. Los desplazamientos horizontales pueden ser de varios metros. El desplazamiento del terreno usualmente causa rupturas internas del subsuelo, acompaado de la formacin de fisuras, grietas y escarpas que pueden daar la fundaciones de las estructuras construidas en la zona de falla, las tuberas enterradas, y otros servicios ubicados en la zona de falla, y comprimir o deformar estructuras de ingeniera, como los puentes y estructuras marinas fundadas al pie de la falla.

Figura 3 Diagrama de una falla por desplazamiento lateral.

4.2.2.3. Oscilaciones del terreno.

En terrenos planos o donde la pendiente es muy suave y la ocurrencia de desplazamiento lateral no es posible, la licuacin de estratos a cierta profundidad puede producir la ruptura de los estratos ms superficiales en bloques que pueden oscilar hacia riba y abajo adquiriendo la forma de ondas en el terreno. Estas oscilaciones estn acompaada de aberturas y cierres de fisuras y grietas del terreno, las cuales ocasionan la ruptura de estructuras rgidas como pavimentos y tuberas.

4.2.2.4. Prdida de capacidad de soporte.

Cuando el suelos un edificio u otra estructura licua y pierde su resistencia, grandes deformaciones pueden ocurrir en el subsuelo las cuales pueden causar asentamientos de la estructura e inclinaciones que pudiesen dejar a la estructura fuera de servicio.

Figura 4 Inclinacin de estructuras por prdida de soporte.

4.2.2.5. Asentamientos.

En muchos casos el peso de estructuras no es lo suficientemente elevado como para generar las grandes deformaciones asociadas a la prdida de capacidad de carga. Sin embargo, deformaciones de menor magnitud pueden ocurrir en la medida que la presin de poros se disipa y el suelo se consolida despus de un terremoto. Estos asentamientos pueden ocasionar daos, aun cuando estos daos sean mucho menores que los debidos a la falla por flujo, desplazamiento lateral, y prdida de capacidad de soporte.4.2.2.6. Incrementos de presin lateral en muros de retencin.

Si el suelo detrs de un muro de retencin licua, la presin lateral puede aumentar considerablemente. Como resultado, la estructura de retencin puede desplazarse, inclinarse, o fallar estructuralmente.

Figura 5 Desplazamiento lateral de estructura de retencin.

4.2.3. La licuacin como efecto inducido por terremotos en el terreno.

Los terremotos pueden producir, a dems del movimiento vibratorio caracterstico, una serie de efectos inducidos que dan lugar a grandes deformaciones y roturas en el terreno:

Licuefaccin de suelos. Deslizamiento y desprendimientos. Roturas en superficie de fallas tectnicas. Tsunamis.

Teniendo en cuenta la presente monografa, en el siguiente apartado solo se describir lo concerniente a la licuacin en suelos, resaltndose sus principales caractersticas y mtodos de anlisis.

4.2.3.1. Susceptibilidad de licuefaccin.

La licuacin se produce cuando determinados tipos de suelos afectados por terremotos desarrollan elevadas presiones intersticiales de forma rpida (sin drenaje), dando lugar a una prdida de resistencia al corte y a la rotura del suelo, que se comporta como si fuera un lquido (recuento 4.2.1). Este fenmeno provoca la falla de cimentaciones, rotura de taludes y deslizamientos. Los suelos susceptibles a perder gran parte de su resistencia ante solicitaciones dinmicas son las arenas finas y flojas y las arenas y limos mal gradados. Otras de las condiciones necesarias para que tenga lugar la licuefaccin como se mencion anteriormente es la presencia del nivel fretico a poca profundidad o cerca de la superficie, y que el grado de compactacin sea bajo, equivalente a valores N de SPT inferiores a 20 golpes.

De acuerdo a la observacin de zonas afectadas por la licuefaccin, esta tiene lugar en las siguientes circunstancias:

Terremotos de magnitud igual a 5.5, con aceleraciones superiores o iguales a 0.2 g.

Por debajo de 15 m de profundidad no se han dado licuefacciones.

En la mayora de los casos donde se han observado licuefacciones el nivel fretico estaba a poca profundidad, inferior a 3 m; por debajo de 5 m la susceptibilidad de licuefaccin es muy baja.Las propiedades que caracterizan a los suelos licuables son las siguientes:

Grado de saturacin del 100%.

Dimetro medio D50 entre 0.05 y 1.0 mm.

Coeficiente de uniformidad Cu=D60/D10 1 la licuefaccin es posible.

Si se aplica el metodo de Seed e Idriss:= 5,2 t/m2= 4,2 t/m2 = 0,3 (dato de partida)= 0,95

De acuerdo con la figura 6, para una magnitud de 7,5 y =15 es posible la licuefaccin.

Si se aplica la modificacin de Youd e Idriss, se obtiene: y En la figura 7 se entra en la figura de contenido de finos 5, con los valores y = 15, obtenindose que es posible la licuefaccin.Obsrvese que para aplicar el mtodo de Seed e Idriss se necesita conocer la aceleracin y para aplicar el mtodo de Yegian y Whitman la magnitud del terremoto. En ambos casos se precisa el valor del SPT, aunque la modificacin de Youd e Idriss tambin permite el clculo de CRR a partir del CPT y Vs.

7. Mejoramiento de suelos licuables.

A travs de los tipos y debido a la ya llamada costumbre ingenieriles mal habidas, en la costa caribe y me atrevera a decir que en nuestro pas se le ha dado poca importancia al problema de licuefaccin de suelos y sus consecuencias sobre instalaciones y edificaciones en caso de ocurrencia de un sismo de importante magnitud. Las tcnicas de mejoramiento implementadas han sido muy escasas, la ms utilizada para eliminar o mitigar en gran medida los efectos producidos por la licuacin de suelos es la construccin de pilotes como solucin de fundacin, bajo el criterio de que los pilotes traspasen los estratos licuables y se apoyen en suelos competentes que subyacen bajo los estratos licuables. Sin embargo, estudios recientes sobre daos ocasionados por terremotos revelan que el uso de pilotes como posible solucin de fundacin preventiva contra los efectos de la licuacin del suelo no ha sido prctica exitosa, y por el contrario, las tcnicas de mejoramiento previo del suelo permiten mejorar las deformaciones y mitigar los daos a las estructuras ms eficazmente. Dobry (2001), basndose en anlisis y estudios de casos histricos y en modelos centrfugos, llega a la conclusin de que los efectos de licuacin en pilotes pueden ser altamente destructivos y costosos. La falla a la licuacin por desplazamiento lateral es la principal responsable por daos a pilotes, observndose fracturas y roturas de los mismos a profundidades superficiales y profundas, as como la ruptura de las conexiones pilote-cabezal, desplazamientos horizontales y verticales permanentes y rotaciones de los cabezales con los correspondientes efectos sobre las estructuras. Existe una tendencia mundial entre los investigadores y organismos de estado de los pases ms afectados por fenmenos de licuacin, a estudiar y desarrollar tcnicas de mejoramiento de suelos para que puedan aplicarse de manera efectiva y que sean eficaces en mitigar, y si es posible eliminar los riesgos de daos a las fundaciones y estructuras.7.1. Tipos de mejoramiento de suelos licuables.

A continuacin se muestran de manera resumida las principales tcnicas de mejoramiento del subsuelo:

7.1.1. Tcnica de densificacin.

La densificacin es una de las tcnicas ms efectivas y comunes utilizadas para mejorar el suelo licuable y mitigar la amenaza ssmica. En un suelos densificado la tendencia de generar exceso de presin de poros es menor que suelos sueltos. Por otro lado, el incremento de rigidez de un suelo densificado genera una respuesta diferente al movimiento ssmico; decreciendo la amplitud de los desplazamientos, pero aumentando algo las aceleraciones. Dentro de los mtodos ms utilizados se encuentran: mtodos vibratorios, compactacin dinmica, y el uso de explosivos.

7.1.2. Tcnica de reforzamiento.

Esa tcnica consiste en instalar elementos discretos que refuerzan el suelo mejorando su resistencia y aumentando su rigidez. Esos elementos pueden ser materiales estructurales como acero, concreto o madera, y geo-materiales como grava densificada. Los mtodos ms usuales son: columnas de piedra o arena (mtodo franki), pilotes de compactacin hincados, y pilotes excavados y vaciados en sitio.

7.1.3. Tcnicas de cementacin y mezclado.

Las caractersticas ingenieriles del suelo se pueden mejorar mediante inyeccin o mezcla de materiales cementosos en el subsuelo. La inyeccin de lechadas de cemento se hace a travs de los vacos y fracturas del suelo mantenindose prcticamente intacta la estructura del suelo. Por otro lado, las tcnicas de mezclado de materiales cementosos con el suelo en sitio, perturba completamente la estructura del suelo. Sin embargo, ambas tcnicas pueden aplicarse normalmente con un mnimo de asentamiento del terreno y sin vibracin. Por ello, estas tcnicas son una alternativa apropiada cuando otras tcnicas no pueden ser aplicadas. 7.1.4. Tcnicas de drenaje.

El exceso de presin de poros generado durante un sismo puede ser reducido sustancialmente usando tcnicas de drenaje, aun cuando no es usual depender solo del drenaje como tcnica de mitigacin de la licuacin, las columnas de piedras, adems de aportar un refuerzo al subsuelo, actan tambin como drenaje libres dentro de la masa del suelo licuable disipando rpidamente por flujo horizontal el exceso de presin d poros inducido por el sismo. La tasa de disipacin de presin de poros depender del dimetro de las columnas de piedra y de la permeabilidad y compresibilidad del suelo alrededor.

8. Conclusiones.

1- Licuacin es el proceso mediante el cual un estrato de suelo que se encuentra sumergido, experimenta una prdida de resistencia y deja de comportarse como un slido para comportarse como un lquido viscoso.

2- Los tipos de suelos ms susceptibles a licuar son arenas y limos libres de partculas de arcillas. Las gravas pueden licuar ocasionalmente.

3- La licuacin es producida por la accin de ondas ssmicas, primordialmente ondas de corte, las cuales atraviesan estratos de suelos granulares saturados, distorsionando la estructura del suelo y causando el colapso de grupos de partculas que se encuentran bajo un arreglo en estado suelto.

4- La magnitud de deformacin de suelos licuables depender de factores como la densidad del suelo, la profundidad del estrato licuable, el espesor del estrato licuable, el rea de extensin del estrato licuable, la pendiente del terreno, la distribucin de las cargas aplicadas por las edificaciones y otras edificaciones existentes.

5- Los tipos de fallas esperados bajo suelos licuables son: falla por flujo, por deslizamiento lateral, oscilaciones en el terreno, perdidas por capacidad de carga, asentamientos, incrementos de presin lateral en estructuras de retencin.

6- La licuefaccin tiene lugar en las siguientes circunstancias: terremotos de magnitud igual a 5.5, con aceleraciones superiores o iguales a 0.2 g; cuando el nivel fretico est a poca profundidad, inferior a 3 m.

7- No se ha presentado licuefaccin de suelos cuando: la profundidad del estrato susceptible a licuar est por debajo de 15 m y cuando el nivel fretico se encuentra por debajo de 5 m.

8- Las propiedades que caracterizan a los suelos licuables son: grado de saturacin del 100%, dimetro medio D50 entre 0.05 y 1.0 mm, coeficiente de uniformidad Cu=D60/D10