LICUEFACCIÓN DE SUELOS

1. INTRODUCCIÓN

No pretendemos desarrollar un tratado riguroso del fenómeno de licuación de suelos, que sepresentan en suelos arenosos saturados, como se encuentran en las referenciasbibliográficas, sino más bien un análisis de los daños presentados en las obras civiles delPerú y del Mundo.

2. OBJETIVOS2.1. Dar a conocer la vulnerabilidad de los suelos arenosos saturados del peligro de este

fenómeno sísmico.2.2. Recomendar a los ingenieros que diseñan estructuras civiles como edificios, puentes,

presas, etc., tomen las precauciones necesarias que evite fallas cuando se presente unsismo.

3. METODOLOGÍA3.1. Planteamiento del problemaLa licuación o licuefacción es uno de los temas más importantes, interesantes ycontroversiales en la ingeniería Geotecnia. Sus efectos desbastadores provocaron laatención de ingenieros especialistas en geotecnia desde los terremotos de Alaska enEstados Unidos y Niigata en Japón, ambos ocurridos en 1964 con magnitudes superiores a7.5 en la Escala abierta de Richter (Ver Figura 1).

Figura 1. Colapso de edificaciones por licuación en el terremoto de Niigata.

El comportamiento de los suelos ante los efectos de los sismos se han estudiado desdehace muchos años, debido a que se ha observado que los varios daños resultantes de laocurrencia de terremotos pueden ser influidos, de varias maneras, por las características delterreno en una determinada área.El tema de la licuación de suelos es demasiado complejo debido a que intervienen muchasvariables. Debido a esto, las condiciones en que los suelos granulares pierden una partesignificativa de su resistencia, bajo la acción de un sismo, no ha sido completamenteentendida y, en consecuencia, representan un extraordinario campo de investigación.3.2. Estado actual del problema

3.2.1. Estado actual del estudio del problema del potencial de licuaciónEl estudio del potencial de licuación se puede abordar mediante dos métodos, engeneral:1. Métodos basados en ensayos “in situ”2. Métodos basados en ensayos de laboratorio.

El segundo método presenta inconvenientes por el hecho de que las muestras que seutilizan en los ensayos no son realmente inalteradas, debido a que siempre resultanafectadas por el proceso de extraccion y por otro lado los equipos de laboratorio disponiblesno permiten reprodjucir adecuadamente las condiciones de esfuerzo y de frontera que tieneel suelo “in situ”.Actualmente, existe tendencia hacia los métodos del primer tipo; es decir, los basados encorrelaciones entre el comportamiento observado en sismos previos y las propiedades delterreno determinasdas mediante ensayos de campo. Dentro de estos métodos se prestaespecial atencion a aquellos basados en resultados de ensayos de penetracion (SPT yCPT). Sin embargo, la evalución del potencial de licuacion con un grado de suficienteaproximacion utilizando estos métodos no es un problema sencillo. En efecto, dichaevaluación involucra un número importante de variables, dependientes del terreno y delsismo considerado, cuya influencia es tenida en cuenta de distinto modo según el método deanálisis aplicado.Como se puede observar lo complicado es establecer cuál es el método más apropiado.Esto conlleva a que el problema tenga que ser tratado por expertos.

3.3. Definición de licuación. La licuefacción es un fenómeno en el que la resistencia y larigidez de un suelo se reducen debido a los terremotos u otra carga rápida. Lalicuefacción y fenómenos relacionados han sido responsables de enormes cantidadesde daño por los terremotos históricos de todo el mundo. El fenómeno de la licuefaccióndel suelo se asocia principalmente con el medio, para suelos no cohesivos saturados degrano fino. Ejemplos de daños producidos por este fenómeno se pueden encontrar enlas referencias bibliográficas y en los links de internet anotados más abajo.

Uno de los primeros intentos para explicar el fenómeno de licuefacción en suelosarenosos fue realizado por Casagrande (1936) y se basa en el concepto de relacióncrítica de vacíos. La arena densa cuando está sujeta a esfuerzos de corte tiende adilatarse; la arena suelta, bajo condiciones similares tiende a decrecer en volumen. Larelación de vacíos en la cual la arena no cambia en volumen cuando está sujeta afuerzas de corte se conoce como relación critica de vacíos. Casagrande explicabaque los depósitos de arena que tienen una relación de vacíos mayor que la relacióncritica de vacios tienden a decrecer en volumen cuando sujetas a vibración por unefecto sísmico. Si no ocurre drenaje, la presión de poros se incrementa. Basado en elprincipio de los esfuerzos efectivos, a cualquier profundidad de un depósito de suelo,= − (1)

Donde = Esfuerzo efectivo = Esfuerzo total = Presión de poros

Si la magnitud de σ permanece prácticamente constante y la presión de poros se

incrementa gradualmente, en algún memento puede que σ sea igual a u. En ese

momento, σ , será igual a cero. Bajo estas condiciones la arena no posee alguna

resistencia al corte y se transforma en un estado licuable. Sin embargo, se debe de

tener en cuenta los siguientes hechos los cuales muestran que el concepto de la

relación crítica de vacíos puede no ser suficiente para una evaluación cuantitativa del

potencial de licuación se suelos de los depósitos de arenas:

La relación crítica de vacíos no es una constante, sino cambia con la presión deconfinamiento.

Los cambios de volumen debido a las condiciones de carga dinámica son diferentesa las condiciones de cargas estáticas unidireccionales realizados en el laboratoriopor corte directo y ensayo de corte triaxial

3.4. Concepto Fundamental de la Licuefacción.La Figura 1 muestra la densificación gradual de la arena por la repetición de

esfuerzos de ida y vuelta en un ensayo de corte simple. Para este caso el drenaje delsuelo ocurre libremente. Cada ciclo de esfuerzo reduce la relación de vacíos del sueloen una cierta cantidad, aunque a una razón decreciente. Es importante tener en cuentaque existe una deformación por esfuerzo cortante límite (umbral), por debajo de la cualninguna densificación del suelo puede tener lugar, independientemente del número deciclos. El decrecimiento en volumen de la arena como se muestra en la Figura 1 puedetener lugar solamente si ocurre drenaje libremente. Sin embargo, bajo condicionessísmicas y debido esfuerzos cíclicos rápidos este no será la condición. De este modo,durante el esfuerzo cargas de gravedad son transferidas desde el suelo sólido al aguaintersticial. El resultado será un incremento de la presión de poros con una reducción enla capacidad de los suelos para resistir cargas.

Figura 1. Relación de vacios versus desplazamiento de corte cíclico para ladensificación de la arena con ciclos sucesivos de corte (Braja. M., Das andRamana, G. V., (2010))

En la Figura 2 se muestra esquemáticamente mecanismo de generación de la presiónde poros debido al cargado cíclico en condiciones no drenadas. En esta figura, sea A elpunto sobre la curva a compresión que representa la relación de vacíos, e0 y el estado

efectivo de esfuerzos, σ′ a una cierta profundidad en un depósito de arena saturada

Debido a un cierto número de esfuerzo cíclico de un sismo, sea AB = ∆e ser el cambio

equivalente de la relación de vacios del suelo a profundidad en la que se permite eldrenaje. Sin embargo, si se previene el drenaje, la relación de vacios permanecerá

como e0 y el esfuerzo efectivo será reducido al nivel de σ′ , con un incremento en la

presión de poros de magnitud, ∆u.Deestamanera el estado del suelo se puede

representar por el punto C. Si el numero de ciclos de esfuerzos es bastante grande, la

magnitud de ∆u puede resultar igual a σ′ y, entonces el suelo se licuará.

Figura 2. Mecanismo de generación de la presión de poros debido al cargado cíclico encondiciones no drenadas (Braja. M., Das and Ramana, G. V., (2010)).

3.5. Características del fenómeno de la licuefacciónLas características más importantes que presenta el fenómeno de la licuefacción de lossuelos son:1. El equilibrio estático es roto por la aplicación de acciones estáticas o dinámicas, en

suelos en suelos con una reducida resistencia residual.2. Las acciones externas derivan en un proceso de crecimiento de las presiones de

poros, sin posibilidad de disipación rápida en función del tiempo de carga.3. La resistencia residual es la existente en el suelo licuado.4. Acciones desencadenantes:

Estáticas: construcciones o excavaciones

Dinámicas: sismos, explosiones, pilotajes, etc.5. Las fallas se asocian con grandes desplazamientos y acciones catastróficas.

3.6. Condiciones para la generación del proceso de licuefacción.Cuando los mantos de suelo susceptibles de experimentar licuefacción se encuentrancerca de la superficie del terreno, el exceso de presión neutra hace que el agua o lamasa líquida conformada por arena y agua se filtre por las fisuras del terreno superior y

comience a fluir hacia la superficie arrastrando la arena, esto se manifiesta comoverdaderos volcanes de arena y agua tal como se muestra en la Figuras 3 (a) y (b) quese adjunta.

(a)

“VOLCANES” DE ARENA

FUENTE: UNI. SAN LUIS, 2001

(b)Figura 3(a) Exceso de presión neutra hace que la masa líquida de arena y agua se filtre

por las fisuras del suelo al exterior, (b) Volcanes de arena.Las condiciones más favorables para que se genere el proceso que lleva a laLICUEFACCIÓN de una masa de suelo, son las que se detallan a continuación:

Elevada relación de vacíos (baja densidad de la arena) arena o grava suelta

Que se encuentre por debajo de la napa freática,

Baja presión de confinamiento (capas superficiales)

Elevada amplitud del sismo

Elevado número de ciclos del sismo (duración)

3.7. licuefacción de suelos en el Perú.El Perú, por ser un país que forma parte del Cinturón Circumpacífico (ver Figura 4)ubicándose frente a la Placa de Nazca que subduce debajo de la placa Sudamericana,con un historia de grandes Terremotos y Tsunamis que han afectado a Lima y Puertodel Callao y Chimbote 1970 ciudades como, Ica, Arequipa y Tacna y en la Sierra enAncash, en ceja de selva Moyobamba, Rioja y Lamas.

Figura 4. Cinturón de Fuego del Pacífico ( Link 7.1)Los primeros estudios realizados en el Perú acerca del fenómeno de la licuefacción delos suelos en el País, se debe en gran parte al Dr. Jorge Alva Hurtado, quien desde losaños 80 hasta la actualidad sigue aportando con estudios y recomendaciones paraprevenir los efectos dañinos que producen los suelos licuables en las estructurasciviles, hidráulicas, etc. por acción de los sismos que sufre nuestro País.

3.7.1. El Sismo de Chimbote del 31 de mayo de 1970Quizás, el estudio científico de la licuación de suelos se inició, en el Perú, comoconsecuencia del sismo del 31 de mayo de 1970, por los Ingenieros Japoneses,quienes realizaron la Microzonificación de la Ciudad de. Dentro algunas característicasdel fenómeno de licuación que se presento podemos mencionar, entre otros (links 7.2,7.3 y 7.4):

Uno de los casos mejor documentados de licuación de suelos en el Perú.

La ciudad de Chimbote se ubica a 400 km al norte de Lima,

El sismo fue de subducción con magnitud Ms = 7.8, profundidad focal de 45 km yocurrió 50 km costa afuera al oeste de Chimbote,

La máxima intensidad fue de IX grados en la escala de Mercalli Modificada,

Desplazamiento lateral del terreno por licuación de depósitos deltaicos y de playa,

Agrietamiento del terreno y compactación diferencial en el centro de Chimbote,

Volcanes de arena y eyección de agua debido a licuación.

Figura 5. Efectos de Licuación de de Suelos en Chimbote por el Terremoto del 31 de Mayo de 1970

3.7.2. Evaluación del potencial de licuación de suelos en la ciudad de MoyobambaEl Dr. Jorge Alva Hurtado y colaboradores (Alva Hurtado y colaboradores, (1992))analizan e identifican las zonas susceptibles a sufrir licuación en la ciudad deMoyobamba y comparar los resultados con el fenómeno ocurrido durante los sismos de1990 y 1991. Usando una metodología simplificada para evaluar el potencial delicuación de suelos, para lo cual eran necesarias las propiedades del suelo, las que

fueron determinadas a través de calicatas y sondajes de exploración de suelos comoEnsayos de Penetración Estándar y Cono Holandés, ejecutados por el LaboratorioGeotécnico del CISMID(Ver Figura 6).

Figura 6. Ubicación de Sondajes y Microtremor en Moyobamba

Con el sismo de diseño y la aceleración máxima en el sitio evalúan el potencial delicuación en distintas zonas de Moyobamba. Las zonas de licuación de suelos seaprecian en la Figura 7.

Figura 7. Efectos del Terremoto en la Ciudad de Moyabamba por los Sismos el 29 de Mayo de 1990del 4 de Abril de 1991.

3.7.3. Mapa de Áreas de Licuación de Suelos en el PerúEn el año de 1983 el Dr. Jorge Alva Hurtado publico un mapa con aéreas de licuaciónde suelos y que se muestra en la Figura 7. Posteriormente, el año 2003, el Ministerio deEconomía y Finanzas, a través de, la Comisión Multisectorial de Reducción de Riesgosen el Desarrollo (CMRRD)y de la Dirección General de Programación Multisectorial delSector Público-MEF(DGPM), publican un MAPA DE ÁREAS DE LICUACIÓN DESUELOS, preparado el 2003 en una escala 1/3000000( Ver anexo).

Figura 7. Mapa de aéreas de licuación de suelos en el Perú

3.7.4. Estado actual del Conocimiento del proceso cíclico de licuefacción ensuelos sujetos a solicitaciones sísmicasEn la actualidad existe un enorme campo del conocimiento de este fenómeno tancomplejo. Existe bibliografía en nuestro idioma y en el idioma Inglés que esta anuestra disposición ya sea en la Web o para comprarlos. Adicional a estasreferencias existen empresas que brindan los servicios de análisis de licuefaccióndel suelo y entregan a través de On Line, las herramientas apropiadas para suestudio. Muchas de ellas están accesibles a sitios más específicos y paraalgunas de ellas presentamos, las direcciones electrónicas, en el Anexo.

3.7.5. CASOS HISTÓRICOS DE FALLAS DE SISTEMAS ESTRUCTURALES POR ELFENÓMENO DE LICUACIÓN DE SUELOS.Existen casos históricos de fallas extraordinarias en edificaciones, carreteras,puentes, presas y se encuentran documentadas en una serie de publicacionescomo libros (Mike Jefferies & Ken Been, 2006), revistas, páginas web, etc. En elanexo presentaremos algunas fotos de fallas de estos sistemas estructurales.

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES4.1. CONCLUSIONES

Los procesos de licuación hacen referencia de fenómenos de consecuencias diversassobre las estructuras afectadas. La licuación propiamente dicha se vincula con fallascatastróficas.

Dentro de los medios de caracterización de la potencialidad de licuación de distintosmateriales, los métodos de evaluación de campo tienen las mayores aplicaciones. Losensayos de laboratorio se encuentran con el inconveniente de la reproducciónadecuada de las condiciones in situ originales.

Los reconocimientos del perfil del terreno a través de ensayos tipos SPT o CPT son losmás recomendados a la hora de la caracterización de los materiales (HenríquezPantaleón, C. I., (2005)).

Los modelos de simulación de los procesos de licuación basan su desarrollo en ladefinición de las tendencias de crecimiento y disipación de las presiones de poros. Si

bien existen variedades de modelos, las formulaciones sencillas resultan de interés porsu probada capacidad de aplicación (Ishihara Kenji, (1996)).

4.2. RECOMENDACIONESExisten muchas recomendaciones debido a la diversidad de métodos existentes tantoanalíticos, empíricos, semi-empíricos, etc. Sin embargo, daremos algunasrecomendaciones de carácter muy general debido a la complejidad del tema:

Implementar en las instituciones públicas y privadas laboratorios con equipos deúltima generación que permitan investigar, con bastante realidad, el fenómeno de lalicuefacción, con la finalidad de evitar fallas catastróficas.

Utilizar métodos de campo como SPT y el CPT para evaluar la potencialidad de lalicuefacción.

Desarrollar modelos de simulación de licuación teórico y en laboratorio que permitadar un entendimiento práctico de este fenómeno.

Aprovechar las metodologías de estudios existentes en el Perú para prevenir fallasde las estructuras por el efecto de la licuación de suelos.

Deben se obligatorios los estudios de licuación de suelos en el diseño de estructurasen la Costa Peruana como en lugares de la parte nor oriental del Perú.

5. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS5.1. Alva Hurtado y colaboradores, (1992), Evaluación del potencial de licuación de suelos

en la ciudad de Moyobamba, IX Congreso Nacional de Ingeniería Civil, Ica, 14 al 20 deSeptiembre de 1992.

5.2. Braja. M., Das and Ramana, G. V., (2010), Principles of Soil Dynamics, Second Edition,Cengage Learning, U.S.A.

5.3. Henríquez Pantaleón, C. I., (2005), Mejora de terrenos potencialmente licuables coninyecciones de compactación, Tesis Doctoral, Madrid, España.

5.4. Ishihara Kenji, (1996), Soil Behaviour in Earthquake Geotechnics, Clarendon PressOxford

5.5. Mike Jefferies & Ken Been, 2006, Soil Liquefaction. A critical state approach, Taylor andFrancis, New York.

6. ANEXOS

6.1. MAPA DE ÁREAS DE LICUACIÓN DE SUELOS(link 7.5)

6.2. Direcciones electrónicas de empresas que realizan estudios de licuefacción de sueloshttp://www.igeotest.com

http://www.geologismiki.gr

http://www.ce.washington.edu/~liquefaction

http://www.civil.ubc.ca/liquefaction/

http://www.ubp.edu.ar/per/docpt-2002/1-100-Turquia-Marmara.jpg

http://nisee.berkeley.edu/

http://quake.wr.usgs.gov

http://science.msfc.nasa.gov/newhome/headlines/msad06jan98_1.htm

http://www.consrv.ca.gov

http://www.eerc.berkeley.edu

http://www.eerc.berkeley.edu/bertero/html/earthquake-resistant_construction.html

http://www.eqe.com/publications

http://www.geotechnics.com

http://www.haywardbaker.com

http://www.liquefaction.com

6.3. Algunos casos históricos de fallas de sistemas estructurales por el fenómeno delicuación de suelos (Fotos, esquemas, etc.)Comportamiento del suelo y de los sistemas estructurales (link 7.4 y link 7.7)

Efecto de Amplificación de suelo Terremoto de Loma Prieta, área de la bahía, San Francisco USGeological Survey

Amplificación de suelo Terremoto de Loma Prieta, área de la bahía, San Francisco US GeologicalSurvey

Amplificación de suelo Terremoto de Loma Prieta, area de la bahía, San Francisco“Enviromental Geology”, Montgomery, Carla W., 2002.

Amplificación de suelo aluvial en Adapazari, Terremoto de Golcuk, Turkia, 1999National Geographic, 2000

Agrietamiento del terreno que pasa a través de muro de albañilería en shango debido alicuación (Perú).

Daño a estación de bombeo y subestación eléctrica debido a licuación de suelos (Perú)

Daño a la escuela de Tahuishco debido al asentamiento diferencial y agrietamiento del terrenodebido a licuación (Peru).

7. LINKS OBTENIDOS DE INTERNET

7.1. http://es.wikipedia.org/wiki/Cintur%C3%B3n_de_Fuego_del_Pac%C3%ADfico7.2. http://www.cismid.uni.edu.pe/descargas/redacis/redacis05_a.pdf7.3. http://www.cismid.uni.edu.pe/descargas/redacis/redacis16_a.pdf7.4. http://www.cismid.uni.edu.pe/descargas/redacis/redacis05_p.pdf7.5. http://181.65.199.101/index.php?accion=verMapa&idElementoInformacion=891&idformu

la=7.6. http://www.monografias.com/trabajos-pdf2/proceso-ciclico-licuefaccion-suelos-

sismicas/proceso-ciclico-licuefaccion-suelos-sismicas.pdf7.7. http://www.ig.utexas.edu/outreach/dr_earthquake/publications/santiago_docs/text/photo

s.pdf