Universidad Catlica de la Santsima Concepcin

Facultad de ingeniera

Departamento de ingeniera Civil

POTENCIAL DE LICUACIN

Dinmica de Suelos

Integrantes: Mario Colil

Matias Cuitio

Profesor: Dr. Felipe Villalobos

Concepcin, Julio del 2014

Resumen

Utilizando los datos del informe de caracterizacin geotcnica realizado por la

universidad de Chile y la constructora Idiem, se evalu el riesgo de licuacin para los

suelos ensayados en la estacin de Constitucin (VII regin) y la estacin de CasaBlanca

(V regin) adems se obtienen los posibles asentamientos de edificios debido a la licuacin

y el asentamiento por campo libre. El ensayo geotcnico realizado en Constitucin entrega

un perfil de suelo con un estrato superficial de arena limosa densa seguido de estratos

arcillosos hasta los 12.45 m, debido a esta estratificacin, este perfil de suelo no es

susceptible de licuar (el estrato de arena es muy denso). La estacin de CasaBlanca

presenta una estratificacin principalmente formado de arena limosa y arcilla, en este caso

las arenas si son susceptibles de licuar, por lo que se realiz la evaluacin del potencial de

licuacin a partir del ensayo SPT entregando como resultados que estas arenas si son

potencialmente licuables.

Introduccin

El termino licuacin, acuado por Mogami y Kumo (1953), es de los tpicos de la

Dinmica de Suelos al que ms se le ha presentado atencin en las ltimas dcadas, esto

debido a lo interesante, importante, complejo y controversial del fenmeno en si y de sus

efectos que han llegado a ser devastadores.

Histricamente se ha usado el termino licuacin para clasificar una variedad de

fenmenos que involucran la deformacin del suelo causada por cargas monotnicas,

transientes o repetidas en condiciones no drenadas y en suelos no cohesivos saturados.

La generacin de presiones de poros en exceso bajo condiciones de carga no drenada es la

piedra angular del fenmeno de licuacin, este fenmeno de licuacin producto de cargas

cclicas sobre un suelo no cohesivo saturado se divide en 2 grupos: Licuacin o falla de

flujo y movilidad cclica. Donde la Licuacin o falla de flujo sucede cuando el esfuerzo

cortante requerido para mantener el equilibrio esttico de una masa de suelo es mayor que

la resistencia al corte del suelo en su estado licuado, y una vez superada la resistencia al

corte del suelo de manera generalizada en la masa de suelo se desarrollan grandes

deformaciones producto del flujo del material. Por otro lado la movilidad cclica tambin

puede producir grandes deformaciones pero esta ocurre cuando el esfuerzo de corte esttico

es menor que la resistencia al corte del suelo.

Como es de saber, no todos los suelos son susceptibles a licuar y es por eso que se hace

necesario evaluar este riesgo a travs de distintas metodologas, ya sea comparando curvar

granulomtricas, criterio histrico de Kramer (1996), distancias epicentrales y niveles del

nivel fretico, definir si un suelo es licuable o no.

Para efectos de este trabajo, se evalu el potencial de licuacin de las estaciones ubicadas

en Constitucin y Casa Blanca (RENADIC), Chile., los datos a utilizar sern los obtenidos

por SPT ensayados in situ en estas estaciones, dispuestos en el documento Caracterizacin

Geotcnica Estacones de Acelergrafos de la Universidad de Chile, IDIEM.

Objetivos

Evaluar el potencial de licuacin para el perfil de suelo sondeado en la estacin de

Constitucin (VII regin).

Evaluar el potencial de licuacin para el perfil de suelo sondeado en la estacin de

CasaBlanca (V regin).

Estimar el asentamiento para un edificio de 4 pisos, con zapata de 10 m de ancho y

sello de fundacin de 5 m.

Estimar el asentamiento por campo libre.

Materiales y Mtodos

rea de estudio

El rea de estudio se encuentra en la estacin ubicada en Matanzas, comuna de

constitucin, donde se desarroll la exploracin geotcnica con el fin de conocer la

estratigrafa y caracterizar los suelos correspondientes. La exploracin consisti en la

perforacin de un sondaje de 50.4 m de profundidad en la estacin sealada en la imagen 1,

con coordenadas resumidas en la siguiente tabla.

Tabla. 1 Coordenadas y profundidad del sondaje estacin Constitucin.

Coordenadas [WGS84] Profundidad

Zona E N

18 H 736130.21 m E 6086221.88 m S 50.40 m

Luego se realiz el ensayo in situ SPT y la extraccin de muestras para el anlisis en el

laboratorio, el sondaje realizado por el SPT fue hasta los 39 m de profundidad.

Fig. 1Ubicacin del Sondaje en Constitucin.

El rea de estudio tambin incluye la estacin ubicada en la comuna de CasaBlanca,

donde se desarroll la exploracin geotcnica esta consisti en la perforacin de un sondaje

de 50 m de profundidad, las coordenadas de la perforacin se encuentran en la siguiente

tabla.

Tabla. 2 Coordenadas y profundidad del sondaje estacin CasaBlanca.

Coordenadas [WGS84] Profundidad

Zona E N

19 H 275521.46 m E 6310535.16 m S 50.00 m

Luego se realiz el ensayo in situ SPT y la extraccin de muestras para el anlisis en el

laboratorio, el sondaje realizado por el SPT fue hasta los 50 m de profundidad.

Fig. 2Ubicacin del Sondaje en CasaBlanca.

Datos

El anlisis geotcnico de la estratificacin de suelo obtenida del sondaje en Constitucin

presenta el perfil mostrado en la tabla 3, la napa fretica se encontr a 1 m de profundidad.

Tabla. 3 Ensayo SPT del perfil de Constitucin.

Entre Cotas Suelo (Nfinal) (kN/m3)

0.-0,45 m SM 22 19

3.-3,45 m CL 9 14

6.-6,45 m CL 26 15

9.- 9,45 m CL Rechazo 14

12.- 12,45 m CL Rechazo 13

El anlisis realizado en el laboratorio entrega el porcentaje de finos de la muestra

obtenida a diferentes profundidades.

Tabla. 4 Propiedades de los estratos para la estacin de Constitucin.

Muestra Cotas m Suelo % finos LL LP IP

M1 0.-0,45 m SM 16,1 34 25 9

M2 3.-3,45 m CL 86,4 37 14 23

M3 6.-6,45 m CL 67,8 60 32 28

M4 9.- 9,45 m CL 79,5 52 29 23

El anlisis geotcnico de la estratificacin de suelo obtenida del sondaje en CasaBlanca

presenta el perfil mostrado en la tabla 5, la napa fretica se encontr a 8 m de profundidad

Tabla. 5 Ensayo SPT del perfil de CasaBlanca.

Entre Cotas Suelo (Nfinal) (KN/m3)

3.- 3,45 m SP 17 19

6,2.- 6,65 m SM 31 19

7,65.- 8,10 m CL 21 14

11,30.- 11,75 m CL 20 14

15,30.- 15,75 m SC 12 19

18,60.- 19,05 m SC 22 19

22,80.- 23,25 m CL 22 14

25,70.- 26,15 m CL 35 14

28,15.- 28,60 m SM 13 19

32,40.-32,65 m SM R 19

35,20.- 35,65 m SM 23 19

38,00.-38,45 m SP-SM 35 19

40,90.- 41,35 m CL 42 14

El anlisis realizado en el laboratorio entrega el porcentaje de finos de la muestra

obtenida a diferentes profundidades.

Tabla. 4 Propiedades de los estratos para la estacin de CasaBlanca.

Muestra Entre Cotas Suelo % finos LL LP IP

S1 3.- 3,45 m SP 3,6 - - NP

S2 6,2.- 6,65 m SM 20,5 - - NP

S3 7,65.- 8,10 m CL 73,6 38 13 25

S4 11,30.- 11,75 m CL 53,1 39 17 22

S5 15,30.- 15,75 m SC 34,4 28 10 18

S6 18,60.- 19,05 m SC 34,9 25 12 13

S7 22,80.- 23,25 m CL 75 44 15 29

S8 25,70.- 26,15 m CL 78,8 44 12 32

S9 28,15.- 28,60 m SM 33,6 36 16 20

S10 32,40.-32,65 m SM 23,1 - - NP

S11 35,20.- 35,65 m SM 24 - - NP

S12 38,00.-38,45 m SP-SM 6,4 36 11 25

S13 40,90.- 41,35 m CL 64,7 37 11 26

Metodologa

La evaluacin del potencial de licuacin se realiz siguiendo el procedimiento de Seed e

Idriss (1971 y 1982), el cual compara la razn de tensiones cclicas solicitantes (CSR) y la

razn de tensiones cclicas resistentes (CRR), esta ltima se obtuvo a partir de los datos

entregados por el SPT.

La razn de tensiones cclicas es la relacin entre la tensin de corte promedio y el

esfuerzo efectivo , para obtener la razn de corte promedio se utiliz la analoga del

bloque rgido que se remonta a la idea de Newmark (1958), donde la tensin de corte

mxima a una profundidad para un bloque de suelo superficial rgido de rea y masa

que es sometido a una aceleracin horizontal desde la superficie del terreno est

dado por.

Sin embargo, el bloque de suelo no se puede considerar con la rigidez suficiente para que

la aceleracin se distribuya uniformemente desde la superficie hasta la base del bloque, es

por ello que se utiliza un factor de correccin propuesta por Seed e Idriss (1971), este

factor equivale a.

{

Para valores de z mayores a 23 m se utilizo por ser el valor promedio de

la razn entre la tensin real y la tensin en un bloque rgido. Luego la razn de tensiones

cclicas (CSR) queda definida como.

Esta expresin no considera el nmero de ciclos de carga ni la irregularidad de un registro

de aceleraciones ssmicas y por lo tanto de un registro de tensiones de corte, es por ello que

Seed e Idriss (1971) propusieron convertir el registro de irregularidades de tensiones de

corte en equivalentes series de ciclos de tensiones uniformes, esto se logra al utilizar un

65% de , finalmente la razn de tensiones cclicas solicitantes es.

La resistencia a la licuacin (CRR) basada en el ensayo SPT se obtiene a travs de

grficos y factores de correccin, en la figura 3 se muestra la curva base recomendada por

el Workshop de 1997, para evaluar el potencial de licuacin en arenas limpias a partir del

ensayo SPT, esta curva se construy a partir de una recopilacin de datos de licuacin, no

licuacin y licuacin marginal alrededor del mundo y presenta la magnitud ( del

terremoto en trminos de la razn cclica promedio (CSR) en funcin de las condiciones del

terreno a travs del nmero de golpes obtenido con el SPT.

Una vez obtenido se obtiene la razn de resistencia cclica CRR multiplicando

el trmino anterior por unos factores de correccin que depende de la magnitud del

terremoto, que depende de la tensin de sobrecarga y relacionado a las tensiones de

corte estticas, luego CRR equivale a.

Fig. 3 Relacin entre la tensin cclica causada por la licuacin en un suelo arenoso y, los

valores entregados por un ensayo de penetracin estndar para un terremoto de magnitud

7.5. (Seed et al 1985)

El valor de puede obtenerse utilizando la siguiente expresin para arenas

limpias con

Tabla. 5 Evaluacin del potencial de licuacin para Constitucin

Entre Cotas Z (m) Suelo kPa kPa rd kPa CSR,L

0.-0,45 m 0,45 SM 8,55 8,55 0,997 2,89 22 2 44 0,34

3.-3,45 m 3,45 CL 55,8 31,77 0,974 18,43 9 1,77 16 0,58

6.-6,45 m 6,45 CL 100,35 46,89 0,951 32,37 26 1,46 38 0,69

9.- 9,45 m 9,45 CL 142,35 59,46 0,922 44,52 Rechazo 1,30 Rechazo 0,75

12.- 12,45 m 12,45 CL 184,35 72,03 0,842 52,64 Rechazo 1,18 Rechazo 0,73

La razn de tensin cclica solicitante CSR disminuye con la profundidad tal como lo

muestra la figura 4.

Fig. 4 Razn de tensiones cclicas solicitantes vs la profundidad para la estacin de

constitucin.

Donde es el factor de correccin por confinamiento aplicado al nmero de golpes,

utilizando la expresin de Liao y Whitman (1986).

Para el rea de estudio en CasaBlanca se presentan estratos de arena licuable y no licuable,

se utiliz el terremoto del Maule del 2010 con , por lo tanto extrapolando en la

tabla 5 el factor de correccin por la magnitud es (Youd el al.) la mxima

0

2

4

6

8

10

12

14

0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80

Pro

fun

did

ad m

CSR solicitantes

aceleracin registrada en Valparaso fue de 0,304 g (Registros del terremoto del Maule

del 27 de Febrero del 2010, informe Renadic 10/05 Octubre 2010)

Tabla. 6 Evaluacin del potencial de licuacin para CasaBlanca.

Entre Cotas Z (m) Suelo kPa kPa rd kPa CSR,L CRR CRR,M FS PL

3.- 3,45 m 3,45 SP 60,55 60,55 0,97 11,6 17 1,29 21,85 0,19 0,24 1,06 0,18 0,91 L

6,2.- 6,65 m 6,65 SM 121,35 121,35 0,95 22,8 31 0,91 28,14 0,19 0,38 0,97 0,25 1,34 NL

7,65.- 8,10 m 8,1 CL 146,65 145,67 0,94 27,2 21 0,83 17,40 0,19 - - - - NL

11,30.- 11,75 m 11,75 CL 197,75 160,96 0,86 33,6 20 0,79 15,76 0,21 - - - - NL

15,30.- 15,75 m 15,75 SC 256,00 179,97 0,75 38,1 12 0,75 8,94 0,21 0,13 0,90 0,08 0,37 L

18,60.- 19,05 m 19,05 SC 318,70 210,30 0,67 41,9 22 0,69 15,17 0,20 0,16 0,87 0,10 0,50 L

22,80.- 23,25 m 23,25 CL 389,25 239,65 0,55 42,6 22 0,65 14,21 0,18 - - - - NL

25,70.- 26,15 m 26,15 CL 429,85 251,80 0,48 40,4 35 0,63 22,06 0,16 - - - - NL

28,15.- 28,60 m 28,6 SM 476,40 274,31 0,41 38,6 13 0,60 7,85 0,14 0,14 0,82 0,08 0,54 L

32,40.-32,65 m 32,65 SM 547,85 306,03 0,30 32,7 R R R R R R R R R

35,20.- 35,65 m 35,65 SM 604,85 333,60 0,47 55,6 23 0,55 12,59 0,17 0,14 0,77 0,08 0,46 L

38,00.-38,45 m 38,45 SP-SM 658,05 359,34 0,42 55,0 35 0,53 18,46 0,15 0,20 0,76 0,10 0,68 L

40,90.- 41,35 m 41,35 CL 692,85 365,69 0,38 52,0 42 0,52 21,96 0,14 - - - - NL

A continuacin se muestran las zonas del perfil estratificado que licuan y las que no licuan,

puede apreciarse que casi todos los estratos de arena licuan a excepcin de las arcillas.

Fig.5 Zonas que licuan y que no licuan para la estacin de CasaBlanca.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3

Pro

fun

did

ad Z

(m

)

Factor de Seguridad

Para la obtencin del asentamiento de una estructura inducida por la licuacin se puede

utilizar el grafico de la figura 6, el cual presenta asentamientos en edificios a partir de casos

histricos y resultados experimentales, para distintos terremotos y propuestos por diversos

autores, utilizando la lnea limite propuesta por Liu & Dobry (1997), proponiendo una

zapata de ancho B = 10 m se tiene.

Tabla. 7 Asentamiento para una zapata de 10 m de ancho y un sello de fundacin de 1 m.

Entre Cotas Z (m) t (m) Suelo PL B/t S/t S (m)

3.- 3,45 m 3,45 3,45 SP L 3 0,01 0,0345

6,2.- 6,65 m 6,65 3,2 SM NL - - -

7,65.- 8,10 m 8,1 1,45 CL NL - - -

11,30.- 11,75 m 11,75 3,65 CL NL - - -

15,30.- 15,75 m 15,75 4 SC L 3 0,01 0,04

18,60.- 19,05 m 19,05 3,3 SC L 3 0,01 0,033

22,80.- 23,25 m 23,25 4,2 CL NL - - -

25,70.- 26,15 m 26,15 2,9 CL NL - - -

28,15.- 28,60 m 28,6 2,45 SM L 4 - -

32,40.-32,65 m 32,65 4,05 SM R - - -

35,20.- 35,65 m 35,65 3 SM L 3 0,01 0,03

38,00.-38,45 m 38,45 2,8 SP-SM L 4 - -

40,90.- 41,35 m 41,35 2,9 CL NL - - -

Fig. 6 Asentamiento de estructuras inducidas por licuacin, resultados experimentales y

casos histricos.

Tambin es posible estimar el asentamiento asociado de la carga ltima impuesta por la

estructura utilizando la figura 7, (Villalobos et al 2011), siguiendo con la zapata de 10 m de

ancho y sello de fundacin de 1 m, considerando que el peso por cada piso es de 25 kPa y

una estructura de 4 pisos se tiene.

Tabla. 8 Asentamiento para una estructura de 4 pisos con ancho de zapata de 10 m.

Entre Cotas Z (m) t (m) Suelo PL S/t S (m)

3.- 3,45 m 3,45 3,45 SP L 0,15 0,518

6,2.- 6,65 m 6,65 3,2 SM NL - -

7,65.- 8,10 m 8,1 1,45 CL NL - -

11,30.- 11,75 m 11,75 3,65 CL NL - -

15,30.- 15,75 m 15,75 4 SC L 0,15 0,6

18,60.- 19,05 m 19,05 3,3 SC L 0,15 0,50

22,80.- 23,25 m 23,25 4,2 CL NL - -

25,70.- 26,15 m 26,15 2,9 CL NL - -

28,15.- 28,60 m 28,6 2,45 SM L - -

32,40.-32,65 m 32,65 4,05 SM R - -

35,20.- 35,65 m 35,65 3 SM L 0,15 0,45

38,00.-38,45 m 38,45 2,8 SP-SM L - -

40,90.- 41,35 m 41,35 2,9 CL NL - -

Fig. 7 Casos histricos graficados para con lneas de contorno de los mximos

valores observados de

Para la obtencin del asentamiento por campo libre se sigue el procedimiento presentado

en kramer (1996), se obtiene un mdulo de corte mximo asociado al SPT en arenas con la

siguiente expresin propuesta por Imai & Tonouchi (1982).

en Kips/ , luego conociendo el esfuerzo de corte y la tensin de corte cclica puede

obtenerse la deformacin cclica mediante la ley de Hooke. La deformacin volumtrica

asociado a un terremoto de puede obtenerse de la figura 8, (After Tokimatsu &

Seed, 1987) a partir de la deformacin cclica obtenida.

Fig. 8 Relacin entre la deformacin de corte volumtrica y el corte cclico en

trminos de la densidad relativa , (After Tokimatsu & Seed, 1987).

Tabla. 9 Asentamiento por campo libre

Entre Cotas t (m) Suelo PL KPa kPa % % % 2 % S (m)

3.- 3,45 m 3,45 SP L 17 106842,2 11,65 0,00011 0,05 0,068 0,135 0,466

6,2.- 6,65 m 3,2 SM NL 31 - 22,76 - - - - -

7,65.- 8,10 m 1,45 CL NL 21 - 27,18 - - - - -

11,30.- 11,75 m 3,65 CL NL 20 - 33,62 - - - - -

15,30.- 15,75 m 4 SC L 12 84310,3 38,11 0,00045 0,06 0,081 0,162 0,648

18,60.- 19,05 m 3,3 SC L 22 127316,6 41,90 0,00033 0,055 0,074 0,149 0,490

22,80.- 23,25 m 4,2 CL NL 22 - 42,55 - - - - -

25,70.- 26,15 m 2,9 CL NL 35 - 40,41 - - - - -

28,15.- 28,60 m 2,45 SM L 13 89026,4 38,63 0,00043 0,06 0,081 0,162 0,397

32,40.-32,65 m 4,05 SM R R - 32,72 - - - - -

35,20.- 35,65 m 3 SM L 23 131223,7 55,61 0,00042 0,06 0,081 0,162 0,486

38,00.-38,45 m 2,8 SP-SM L 35 174583,7 55,04 0,00032 0,055 0,074 0,149 0,416

40,90.- 41,35 m 2,9 CL NL 42 - 51,99 - - - - -

Conclusin

La estratificacin de suelo ubicado en la estacin de constitucin no es susceptible de

licuar, debido a estar formado prcticamente por estratos de arcillas, el estrato de arena

limoso superficial posee un de 44, lo que indica que es una arena muy densa por lo

tanto califica como no licuable. La estratificacin de suelo ubicado en la estacin de

Casablanca presenta arenas licuables y arcillas no licuables.

Para la obtencin de CSR y CRR se utiliz el terremoto del 2010, es obvio que la

evaluacin del potencial de licuacin utilizando el procedimiento de Seed e Idriss es

sensible al terremoto ( ) por lo que utilizando aceleraciones mximas menores a

las medidas en Valparaso se obtiene una mayor resistencia frente a la licuacin, sin

embargo, si las condiciones del suelo se mantienen iguales es posible que estos estratos

licuen nuevamente frente a eventos de similares caractersticas. Por ultimo este mtodo no

cuenta con registros de licuacin en chile para la obtencin de por lo que habra

que comparar los resultados obtenidos por el mtodo propuesto por Seed e Idriss, con otros

mtodos propuestos.

Referencias

Felipe Villalobos (2009), Dinmica de Suelos, UCSC

Kenhi Ishihara (1995), Soil Behaviuour in Earthquake Geotechnics, Oxford science

publications.

Kenji Ishihara (1990), Evaluation of Liquefaction Potential and Consequent Deformations

in Sand Fills, Oxford science publications.

Villalobos et al (2011) , Influence of bearing pressure on liquefaction-induced settlement of

shallow foundations.

Kramer (1995), Geotechnical Earthqueake Engineering, Prentice Hall.