Trabjo final de suelos 2 licuefaccion de suelos
51
de Seguridad LICUEFACION DE SUELOS UNIVERDAD PERUANA LOS ANDES EST. JUAN MANUEL CHOZO ALDANA EST. JHORDAN PEÑALOZA VILLEGAS 2016
-
Upload
civiljm-resada -
Category
Engineering
-
view
3.066 -
download
5
Transcript of Trabjo final de suelos 2 licuefaccion de suelos
de Seguridad
LICUEFACION DE SUELOS
UNIVERDAD PERUANA
LOS ANDES
EST. JUAN MANUEL CHOZO ALDANA
EST. JHORDAN PEÑALOZA VILLEGAS
2016
UNIVERSIDAD PERUANA
LOS ANDES - UPLA -
FACULTAD DE INGENIERIA ESPECIALIDAD: INGENIERIA CIVIL
A
CURSO : SUELOS II
CICLO : VI
CATEDRATICO : ING. FERNANDO UCHUYPOMA MONTES
ALUMNOS : CHOZO ALDANA JUAN MANUEL
PEÑALOZA VILLEGAS JHORDAN
LIMA-2016
LICUEFACION DE SUELOS
LICUEFACION DE SUELOS
INDICE
Dedicatoria
Resumen
Introducción
CAPITULO I: GENERALIDADES
1.1. Datos de la Empresa……….………………………………..............11
1.1.1 Nombre de la Empresa y Organigrama………………………...11
1.1.2 Ubicación Geográfica y Área…………………………………….13
1.1.3 Servicio que Brinda la Empresa………………………………...14
1.2. Situación Actual…………….………………………..………...…….15
1.2.1 Identificación del problema……………………………………….15
1.2.2 Análisis Foda………………………………………………………15
1.3. Definición del Problema………………………………………………16
1.3.1 Análisis del Problema……………………………………………..16
1.3.2 Descripción del Problema…………………………………………16
1.4. Objetivos………………………………………………………………..17
1.4.1. Objetivo General………………………………………………..17
1.4.2. Objetivos Específicos…………………………………………17
1.5. Justificación……………………..………………………………….......18
CAPITULO II: MARCO DE TRABAJO
2.1 Licuefaccion de Suelos……………………………………………….22
2.1.1. Factores que determinan el Fenómeno de Licuefaccion….22
2.1.1.1. Magnitud del Movimiento Sísmico……………22
2.1.1.2. Duración del Movimiento Sísmico……………22
2.1.1.3. Granulometría del suelo……………………….23
2.1.1.4. Densidad Relativa……………………………..23
2.1.1.5. Profundidad del nivel Freático ……………….23
2.1.2. Efectos dañinos que Producen la Licuefaccion …………..23
2.1.2.1. Falla de Flujo ……………………………………23
2.1.2.2. Desplazamiento Lateral………………………..24
2.1.2.3. Oxidación de Terreno…………………………...24
2.1.2.4. Perdida de la Capacidad Portante……………24
2.1.2.5. Volcanes de Arena………………………………24
2.1.2.6. Asentamientos…………………………………...24
2.1.3. Susceptibilidad de Licuefaccion ……………..……….…….25
2.1.3.1. Criterios de Susceptibilidad……………………25
2.1.3.2. Criterios Históricos………………………………25
2.1.3.3. Criterios Geológicos…………………………….26
2.1.4. Suelos no Cohesivos…………………………………………...26
2.1.5. Suelos con Presencia de Finos ………………………….……27
2.1.6. Evaluación del Potencial de Licuefaccion…………………..28
2.1.6.1. Procedimiento simplificado…………………….28
2.1.6.2. Evaluación de la resistencia basada en el
ensayo de penetración estándar……………………………….28
2.1.6.3. Descripción general del ensayo de penetración
estándar………………………………………………………….28
2.1.7. Método general de la evaluación …………………….……….29
2.1.7.1. Caracterización de las solicitaciones sísmica…29
2.1.7.2. Caracterización de la resistencia a la licuefacción30
2.1.7.3. Caracterización basada en ensayo in situ………31
2.1.7.4. Evaluación de la iniciación de la licuefacción…32
2.1.8. Determinación de Potencial de licuefaccion…………………32
2.1.8.1. Metodología Simplificada de NCEER 1998 …..33
2.1.8.2. Relación de esfuerzo cíclico……………………33
2.1.8.3. Evaluación del CRR………………………………34
2.1.9. Correcciones para la Evaluación de Licuefaccion ……........35
2.1.9.1. Correcciones por energía y esfuerzo efectivo..36
2.1.9.2. Correcciones por presión de sobrecarga efectiva.37
2.1.9.3. Corrección por estado inicial de esfuerzo……..38
2.1.10. Método de Evaluación por daño inducido……………………..40
2.1.10.1. Metodologia de iwasaka y Tokamasi ……….40
CAPITULO III: EVALUACION Y RESULTADOS
3.1 Evaluación Técnica……………...…………………………………..42
3.2 Resultados…..………………………………………………………..46
CONCLUCIONES
RECOMENDACIONE
REFERENCIA BIBLIOGRAFICA
ANEXOS
DEDICATORIA
Este trabajo se la dedicamos a nuestro Dios quien supo guiarnos por el buen
camino, darnos fuerzas para seguir adelante y no desmayar en los problemas que
se presentaban, enseñándonos a encarar las adversidades sin perder nunca la dignidad ni desfallecer en el intento.
Para nuestros padres, por su apoyo, consejos, comprensión, amor, ayuda en los
momentos difíciles, y por ayudarnos con los recursos necesarios para estudiar.
Nos dieron todo para crecer como personas con valores, con principios, con
empeño y así conseguir nuestros objetivos.
A cada una de nuestras familias, porque nos han brindado su apoyo incondicional
y por compartir con nosotros buenos y malos momentos.
A cada uno de nuestros amigos, pues gracias al equipo que formamos logramos
llegar hasta el final del camino y que hasta el momento, seguimos siendo amigos.
Por último, quisiéramos agradecer a nuestros profesores, gracias por su tiempo, por su apoyo así como por la sabiduría que nos transmitieron en el desarrollo de
nuestra formación profesional.
RESUMEN
La presente investigación se desarrolló con el fin de evaluar el potencial de
licuefacción de suelos en las zonas costeras de Pimentel y Santa Rosa, provincia de Chiclayo, teniendo en cuenta los suelos granulares saturados
presentes en las zonas de estudio cuando son sometidos a solicitaciones
sísmicas. En diversas partes del mundo se producen sismos de grandes
intensidades originando que las estructuras fallen por un problema común en el suelo que es la licuefacción. Es necesario efectuar estudios especializados que
permitan conocer el comportamiento más probable de este fenómeno para
poder planificar y mitigar los grandes efectos que trae consigo. En esta investigación se plantea una metodología determinística estructurada y la más
utilizada a nivel nacional que permita evaluar el potencial de licuefacción de suelos
pudiéndose así identificar y delimitar que zonas son potencialmente licuables en
las áreas de estudio. Finalmente obtenida la información necesaria, post evaluación se da a conocer mediante mapas que lugares están propensos a sufrir
licuefacción de suelos, para luego proponer medidas de prevención y mitigación en
aquellas zonas que sean vulnerables a sufrir este fenómeno.
INTRODUCCION
Uno de los grandes problemas del colapso de las edificaciones ante un sismo es la falta
de identificación adecuada para el tipo de suelo en la que va apoyada la
cimentación. Inconveniente que se presenta pues los sismos producen un efecto en
el suelo que se le conoce como licuefacción, que consiste en la disminución de la
resistencia al corte del terreno.
Se denomina licuefacción al proceso de pérdida de resistencia de ciertos tipos de
suelos, que están saturados de agua y que cuando son sometidos a la sacudida de un terremoto, fluyen como un líquido a causa de un aumento de la presión de los
poros. La pérdida de resistencia del suelo hace que las estructuras sean incapaces de
mantenerse estables y sean arrastradas sobre las masas de suelo líquido.
La licuefacción es un fenómeno cuyo comportamiento es investigado en el
mundo los últimos 45 años. En el Perú, la atención a este fenómeno se dio a partir
del terremoto del 31 de mayo de 1970, luego de que este sismo provocara la
licuefacción de suelos de extensas zonas de la ciudad de Chimbote. Sin embargo, la
información que se tiene en el Perú sobre este fenómeno sigue siendo escasa, así
como también el estudio de este fenómeno en diferentes localidades del Perú. Por
tanto, es tarea de la ingeniería seguir desarrollando análisis y mapeos de la
evaluación del potencial de licuefacción de suelos en diferentes lugares del Perú.
El presente estudio aborda información mencionada en investigaciones anteriores
sobre la licuefacción de suelos en el Perú, como es el caso de Chimbote; nuestra
investigación evalúa este fenómeno en las zonas costeras de Pimentel y Santa
Rosa. Como se sabe, se han producido sismos de gran intensidad en la región norte
del Perú, en Lambayeque (Oeste de Olmos) y en Piura, con una intensidad que varía
de los 4.6 a 6.2 grados en la escala de Richter. (Instituto Geofísico del Perú).
Como Lambayeque está considerada como zona de silencio sísmico, de
producirse un sismo de grandes proporciones, un 40 % terminaría destruido debido
al alto grado de vulnerabilidad que hay en los espacios geográficos de sus tres
provincias. (INDECI).
Debido a esta realidad problemática se aborda la presente investigación para
determinar el potencial de licuefacción de suelos en las zonas costeras de Pimentel y
Santa Rosa. Considerando que los distritos de Pimentel y Santa Rosa se desplantan
sobre un depósito potente de arena con niveles superficiales de agua, se puede
afirmar que dichas zonas son susceptibles de sufrir licuación y densificación,
produciendo asentamientos diferenciales en las edificaciones.
6
La delimitación del área de estudio del distrito de Pimentel viene justificada por ser uno de
los lugares turísticos más importantes de Chiclayo. Actualmente, existe un auge de
construcciones de edificios de gran envergadura. Se compran casas muy antiguas para una
reconstrucción en dicho lugar. Estas se dan en la parte más cercana al mar, por tener
vistas más atractivas y así poder captar más compradores.
En el distrito de Santa Rosa, por ser una de los lugares de mayor
comercialización de la pesca, se percibe un crecimiento económico en sus pobladores. A su vez, el crecimiento poblacional aumenta en sus extremos y alrededores; zonas donde
seguidamente se dará un auge en la construcción de viviendas.
La realización de este estudio garantiza grandes beneficios para la población de ambos
distritos, pues tras la promoción del uso de este material como sistema informativo se
busca dar soluciones y recomendaciones a la licuación de suelos, lográndose así tener en
cuenta este fenómeno al momento de la construcción de viviendas en dichas zonas.
CAPITULO I: GENERALIDADES
1.1. Datos de la Empresa
1.1.1. Nombre de la Empresa
CISMID
El Centro Peruano-Japonés de Investigaciones Sísmicas y Mitigación de Desastres,
fue establecido en 1986 por la Facultad de Ingeniería Civil (FIC) de la Universidad
Nacional de Ingeniería (UNI) y financiado gracias a la cooperación del Gobierno del
Japón a través de su Agencia de Cooperación Internacional (JICA).
El Centro Peruano Japonés de Investigaciones Sísmicas y Mitigación de Desastres
(CISMID) es una institución de sólido prestigio internacional, que gracias al aporte y
calidad de sus investigadores ha logrado colocarse a la vanguardia de la Ingeniería
Sísmica no solamente en el Perú sino también en Latinoamérica. Durante sus 30
años de funcionamiento CISMID ha contribuido con una serie de investigaciones a la
implementación de obras de infraestructura de trascendencia nacional e
internacional.
Así mismo, su aporte en el área de mitigación de desastres ha sido significativo,
realizando diversos trabajos de microzonificación sísmica de un gran número de
ciudades a nivel nacional y contribuyendo con investigaciones sobre materiales y
tecnologías de construcción de viviendas sismorresistentes de interés social.
Muchos de estos trabajos han concluido como tesis de grado de un gran número de
alumnos de la Facultad de Ingeniería Civil-UNI.
Por su parte los investigadores de CISMID frecuentemente presentan artículos en
congresos nacionales e internacionales, difundiendo los trabajos de investigación
que se vienen realizando, dando con esto una importante presencia de la Facultad
de Ingeniería Civil y de la Universidad Nacional de Ingeniería.
11
Organigrama de la Empresa
12
1.1.2. Ubicación Geográfica
Pimentel se encuentra en la franja litoral costera del valle Chancay - Lambayeque, y a 13 Kms de la ciudad de Chiclayo. Desde tiempos remotos en que recibía la denominación de Caleta de la Concepción de Chiclayo; y en función a la construcción del antiguo muelle de Pimentel, se encuentra vinculada al desarrollo de actividades comerciales y de servicios.
Los límites del distrito de Pimentel son:
Por el Norte: Distritos de San José y Chiclayo. Por el Sur : Distrito de Santa Rosa Por el Este: Distrito de la Victoria y Monsefú. Por el Oeste: Océano Pacifico.
13
1.1.3. Servicio que Brinda la Empresa
Las actividades de investigación del Departamento de Ingeniería Sísmica están
orientadas al mejoramiento del comportamiento estructural en edificios y obras de
ingeniería civil que incluyen no solo los aspectos de diseño y constructivos, sino
también lo referente a las propiedades del material, comportamiento dinámico, así
como el monitoreo y control de estructuras existentes.
Asimismo el departamento se encarga de la experimentación en nuevos sistemas
constructivos y el estudio de su compatibilidad con la norma técnica
sismorresistente.
El departamento trabaja en conjunto con el laboratorio de estructuras, el
departamento de Planeamiento y Mitigación de desastres y el centro de cómputo
conformando un grupo multidisciplinario en la búsqueda de edificaciones antisísmica
seguras.
Asimismo el departamento trabaja en conjunto con la empresa privada brindando los
servicios que esta necesita para mejorar la vivienda en nuestro medio y resolver
problemas locales propios de a industria de la construcción.
14
1.2. Situación Actual
1.2.1. Identificación del Problema
Dentro de los métodos de mejora del terreno cuyo objetivo es la densificación, se hará énfasis permitiendo tratar terrenos bajo estructuras existentes como por las posibilidades que entrarían de cara al problema de la licuación
1.2.2. Análisis Foda
Este proyecto de investigacion tiene como metodo de Sus efectos devastadores provocaron la atencion
prediccion del fenomeno de la licuacion basado en de los ingenieros geotecnicos desde los terremotos
ensayos de CPT. de alaska y Niigata, ambos ocurridos en 1964 y con
magnitudes a 7.5.
Tambien tiene como metodo de diseño que permita
mitigar el potencial de licuacion, tanto en terremotos Se debe revisar los diferentes metodos de prediccion
sin edificar asi como en los ya edificados. existentes para la evaluacion del potencial de licuacion
estudiando la manera en que tienen en cuenta las
Se propone tecnicas de mejoramiento del terreno, variables implicadas en el problema con la finalidad
proporcionando aumento de la resistencia, de proponer un nuevo metodo de prediccion basado
disminucion de la deformabilidad, disminucion de en ensayos in situ.
permeabilidad y mitigando el potencial de colapso.
La licuacion de suelos es un tema muy complejo El mal comportamiento de los suelos flojos ante los
donde intervienen muchas variables. Por lo que las sismos y en especial el fenomeno de licuacion en los
condiciones bajo las cuales los suelos granulares de tipo incoherente, ha ocacionado perdida de vidas
pierden parte significativa de su resistencia . humanas y economicas en distintos lugares.
La evaluacion de licuefaccion de suelos en las zonas Al aplicar la metodogia de evaluacion del potencial de
costeras de pimentel y santa rosa determino que las licuefacion para sismo de una magnitud 5.0 mw la zona
zonas mas propensas a sufrir este fenomeno es por en estudio comienza a presenciar problemas de
ello que se aplica la metodologia de evaluacion licuefacion leves a una profundidad de 3m en
potencial de licuacion en los ensayos de penetracion comparacion con el resto de la ciudad.
estandar.
FORTALEZAS OPORTUNIDADES
DEBILIDADES AMENAZAS
15
1.3. Definición del Problema
1.3.1. Análisis del Problema
La licuefacción es un fenómeno cuyo comportamiento es investigado en el mundo los últimos 45 años. En el Perú, la atención a este fenómeno se dio a partir del terremoto del 31 de mayo de 1970, luego de que este sismo provocara la licuefacción de suelos de extensas zonas de la ciudad de Chimbote. Sin embargo, la información que se tiene en el Perú sobre este fenómeno sigue siendo escasa, así como también el estudio de este fenómeno en diferentes localidades del Perú. Por tanto, es tarea de la ingeniería seguir desarrollando análisis y mapeos de la evaluación del potencial de licuefacción de suelos en diferentes lugares del Perú. El comportamiento de los suelos ante los efectos de sismos ha sido estudiado desde hace muchos años, debido a que se ha observado que los daños resultantes pueden ser influenciados de diversas maneras, por las características del terreno en una determinada área, interviniendo muchas variables.
1.3.2. Descripción del Problema
Este trabajo de acuerdo al diseño de investigación es descriptivo, pues se proporcionaron resultados precisos en relación con la realidad se recogió datos y se expuso un resumen de la información previo análisis cuidadoso. De acuerdo al fin que se persigo es aplicado. Se utilizaron los conocimientos de las prácticas metodológicas para determinar la evaluación del potencial de licuefacción de suelos.
Se estudió detalladamente la información disponible sobre sismos peruanos, recopilando la información histórica y del presente siglo referente al fenómeno de licuación de suelos. Se trató de encontrar evidencias sobre este fenómeno, tales como la formación de pequeños volcanes de barro y arena, la expulsión violenta de agua del suelo, los agrietamientos, los asentamientos, etc.
Debido a ello, las condiciones en que los suelos granulares pierden una parte significativa de su resistencia bajo la acción de un sismo, no han sido completamente comprendidas y en consecuencias representan un magnifico campo de investigación.
16
1.4. Objetivos
1.4.1. Objetivo General
El objetivo de esta investigación es ampliar más nuestro conocimiento sobre la licuefacción, un fenómeno que afecta a la sociedad debido a que daña las estructuras. Con el trabajo queremos dar a conocer que no todos los suelos son aptos para la construcción ya que con un movimiento sísmico las construcciones pueden colapsar.
Al efectuar esta investigación se buscaba observar el fenómeno de la licuefacción incurriendo a los grandes ejemplos tales como los terremotos pero por la falta de conocimiento y disposición de estos fenómenos se pretendió observar en que proporciones debía ser movido el bloque de tierra y el tamaño, peso que necesita tener un objeto para ser víctima de este fenómeno en pequeñas escalas.
1.4.2. Objetivos específicos
a) Revisión de los diferentes métodos de predicción existentes para la evaluación del
potencial de licuación basados en ensayos ‘‘in situ’’, estudiando la manera en que tienen en cuenta las variables implicadas en el problema.
b) Estudio de los diferentes métodos de mejora del terreno para mitigar el potencial de
licuación, incluyendo aquellos cuya aplicación está orientada a terrenos con obras existentes.
c) Se basó en el estudio de las inyecciones de compactación como método de densificación y refuerzo del terreno, con el objetivo de mitigar el potencial, tomando en cuenta su aplicación en terrenos con obras existentes.
d) Se obtiene un método de predicción del fenómeno de licuación basado en ensayos de CPT.
e) Estudiar las técnicas de mejora del terreno para prevenir la ocurrencia de licuación.
f) Dentro de las técnicas de mejora del terreno, se hará énfasis al estudio de las inyecciones de compactación, incluyendo su aplicación en obras existentes.
g) Estimar a partir de los perfiles sísmicos y número de golpes de las pruebas SPT el potencial de licuación con criterios y métodos ya conocidos.
17
1.5. Justificación
Se consideró la población de las zonas costeras de los distritos de Pimentel y Santa Rosa,
provincia de Chiclayo, materia de investigación, por ser el objeto de evaluación sobre el
que se desarrolló el presente estudio.
Como muestra de estudio se obtuvo los tipos de suelos granulares para ser analizados en
el laboratorio.
Hecho ello se establecieron los parámetros correspondientes a este acápite luego de
identificar y describir las características de la zona y de la investigación misma.
1.5.1. Métodos Técnicos
Entre las técnicas que fueron necesarias aplicar durante el desarrollo de esta
investigación, tenemos:
Observación directa: observando las variables en su contexto natural.
Experimentos: al manipularse las variables de estudio en diversos ensayos para la
determinación de su comportamiento estructural.
Análisis de contenido: sistematizando e interpretando la información obtenida en las
diferentes fuentes bibliográficas.
1.5.2. Fuentes
Se realizó la recopilación de información documental de los antecedentes
encontrados y publicaciones del tema. Las fuentes de información requeridas se
compilaron en las referencias bibliografías.
Bibliografía.
Reglamento Nacional de Edificaciones norma E-030 Diseño
Sismorresistente
Reglamento Nacional de Edificaciones normaE-050 Suelos y
Cimentaciones
Reglamento Nacional de Edificaciones norma E-060 Concreto
Armado
1.5.3. Instrumento
Se requirió el uso de diversos instrumentos durante las fases análisis y
evaluación, los mismos que se mencionan a continuación:
18
Programas de Cómputo
Microsoft office: Excel, Word, Power Point
Corel draw X6
Autocad
Ensayos de laboratorio
Granulometría
Contenido de humedad
Límites de Atteberg
Ensayo de Penetración Estándar (SPT)
Sondajes eléctricos verticales (SEV)
1.5.4. Plan de Procesamientos para Análisis de Datos FASE I: Recopilación de información previa
1. Visita a la zona del proyecto y recolección de información acerca de la ocurrencia
o no de licuefacción de suelos en casos de sismos anteriores.
2. Ubicación de zonas estratégicas para la exploración de calicatas y ensayos de
penetración estándar.
3. Recolección de información bibliográfica sobre el fenómeno de Licuefacción y antecedentes del proyecto.
4. Revisión de la normativa nacional vigente y alineación de la información a la
misma.
FASE II: Trabajos de campo, laboratorio y gabinete
1. De campo:
a. Reconocimiento geotécnico del área de estudio
b. Excavación de calicatas c. Muestreo de suelos alterados e inalterados
d. Determinación in situ de las características del suelo
e. Realización de sondajes eléctricos verticales en Pimentel y Santa Rosa.
f. Ensayos de Penetración Estándar (SPT) distribuidos Uniformemente en las áreas de estudio de Pimentel y Santa Rosa.
2. De laboratorio:
2.1 Ensayos Estándar:
20
a. Análisis Granulométrico para suelos finos b. Contenido de
humedad c. Límite liquido
d. Limite plástico
3. De gabinete:
a. Interpretación de los datos encontrados en estudios anteriores
b. Clasificación SUCS.
c. Aplicación de la metodología (NCEER 1998) para el cálculo de evaluación del
potencial de licuefacción
d. Planos de ubicación de calicatas y de ensayos de penetración estándar para
cada distrito en estudio.
e. Perfiles estratigráficos de calicatas
f. Perfiles estratigráficos de los SPT
g. Mapas de evaluación del potencial de licuefacción en las zonas costeras de
Pimentel y Santa Rosa
FASE III: Metodología para la Evaluación de licuefacción de suelos.
1. Identificación de zonas inundables en las diferentes áreas de estudio
2. Evaluación de la geomorfología del terreno según información previa
3. Evaluación de la geología de las áreas de estudio 4. Evaluación del Potencial de Licuefacción de suelos
a. Sismo de diseño y estimación de aceleraciones
b. Aplicación del método simplificado para el cálculo de licuefacción
de suelos
c. Aplicación del método Iwasaki y Tokimatsu para la evaluación de
daño inducido por licuación en la superficie del terreno.
21
CAPITULO II: MARCO TEORICO
2.1. LICUEFACCIÓN DE SUELOS
En aquellos sitios donde el terreno está constituido por depósitos limosos o arenosos de
espesor considerable, poco consolidados, con nivel freático a pocos metros de
profundidad y cercanos a zonas generadoras de sismos someros de magnitud moderada
o grande, puede presentarse el fenómeno de licuación de arenas.
Este fenómeno ocurre cuando la presión del fluido contenido en los espacios
intergranulares aumenta repentinamente como consecuencia de la presión inducida por el
paso de ondas sísmicas, haciendo que el contacto entre los granos disminuya a tal grado
que el cuerpo sedimentario llega a comportarse, por unos instantes, como un líquido
denso.
Lo anterior ocasiona deslizamientos en laderas o que los edificios pierdan la verticalidad en
mayor o menor grado aunque sin sufrir, en muchos casos, daño considerable en su
estructura. El aumento repentino de presión en el interior del cuerpo arenoso, provoca
expulsión de fluido y material térreo hacia la superficie, formando estructuras con pocos
centímetros de altura, conocidas como volcanes de arena.
2.1.1. FACTORES QUE DETERMINAN EL FENÓMENO DE LICUEFACCIÓN
Entre las causas que originan el fenómeno de licuefacción se encuentran:
2.1.1.1 Magnitud del movimiento sísmico La magnitud del movimiento está relacionada con la magnitud de los esfuerzos
y de formaciones inducidos en el terreno por este movimiento. Dependiendo
de la distancia hipo central, la magnitud del movimiento producirá cierto valor de aceleración máxima en la roca basal, la cual sufrirá amplificación,
dependiendo de las condiciones locales del suelo, hasta llegar a la superficie.
De esta manera, la propagación de las ondas de corte durante un terremoto,
a través del esqueleto del suelo, producirá una complicada distribución de esfuerzos de corte en función del tiempo, causando así deformaciones en
la masa de suelo cuya magnitud dependerá de la magnitud del terremoto.
2.1.1.2. Duración del movimiento sísmico Normalmente, la duración de un movimiento sísmico es corto (entre 5 a 40
segundos), pero si este es intenso, predominará la condición no drenada. Es decir, la disipación de la presión de poros se verá 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.
22
2.1.1.3. Granulometría del suelo Los suelos más susceptibles a sufrir licuación son aquellos que poseen una
granulometría uniforme, siendo las arenas finas uniformes las que son más propensas a licuar que las arenas gruesas uniformes. Además, según algunos
autores las arenas limosas poseen mayor resistencia a sufrir licuación con
respecto a las arenas limpias o con escaso contenido de finos. El problema de
licuación será más serio si el suelo tiene un coeficiente de uniformidad mayor o igual a 2.
2.1.1.4. Densidad relativa Durante la ocurrencia de un terremoto, una arena suelta puede sufrir licuación
mientras que este mismo suelo en un estado más compacto puede no
evidenciar el fenómeno. Una arena con un valor de resistencia a la penetración estándar de 40 golpes/30cm (densidad relativa de70 a 80%)
puede mostrar evidencias de licuación en la forma de volcanes de arena, pero
no es probable que experimente más del 10% de deformación por corte bajo la
influencia de la vibración sísmica, aún después de que se hayan desarrollado altas presiones de poros.
2.1.1.5. Profundidad del nivel freático Es una condición necesaria para que ocurra licuación. La presión de poros
producida por el agua que ocupa los vacíos existentes entre las partículas del material, debido a la posición del nivel 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 un depósito
arenoso, será de mucha importancia porque regirá la condición de saturación y por lo tanto, influirá también en el esfuerzo efectivo.
2.1.2. EFECTOS DAÑINOS QUE PRODUCEN LA LICUEFACCIÓN
2.1.2.1. Falla de flujo
Son las fallas del terreno más catastróficas causadas por el fenómeno de
licuación. Los flujos pueden movilizarse a grandes distancias (decenas de
metros), a altas velocidades (decenas de Km/h). También pueden involucrar
suelo completamente licuado o bloques de suelo firme viajando sobre una
capa de suelo licuado. Este tipo de falla se desarrolla generalmente enarenas
saturadas, sueltas, con pendiente del terreno, mayor que 5%.Otro de los
efectos de falla por flujo por licuación inducida por sismo, han sido los
evidenciados en depósitos y presa de relaves antiguos, construidos por el
método de aguas arriba, algunas de ellas con consecuencias catastróficas
para los recursos humanos y económicos y para el medio ambiente. (Ver
figura Nº1).
23
2.1.2.2. Desplazamiento lateral Es el tipo más común de falla del terreno por licuación de suelos. Este tipo de
falla involucra el movimiento lateral de las capas superficiales como resultado
de la licuación y la pérdida transitoria de la resistencia de las capas inferiores. El desplazamiento lateral ocurre generalmente en terrenos relativamente
llanos (con pendientes comprendidas entre el 0.5 y 5%). En condiciones
normales, el desplazamiento lateral tiene un rango de pocos metros, y en
condiciones anormales pueden ocurrir desplazamientos laterales de varias decenas de metros acompañados de grietas en el terreno y desplazamientos
diferenciales verticales.
2.1.2.3. Oscilación del terreno Donde el terreno es plano o la pendiente demasiado suave para permitir desplazamientos laterales, la licuación de estratos subyacentes puede causar
oscilaciones que no dependen de las capas superficiales, la cual se manifiesta
hacia los lados, arriba y abajo en la forma de ondas de terreno. En general,
dichas oscilaciones son acompañadas por la apertura y cerramiento de fisuras en el suelo, y la fractura de estructuras rígidas como los pavimentos y
tuberías, Youd (1992). (Ver figura N° 01)
2.1.2.4. Pérdida de la capacidad portante Cuando el suelo que soporta una edificación licua y pierde su resistencia, pueden ocurrir grandes deformaciones en el suelo, que ocasionan que la
edificación se asiente, se incline o se hunda. Aunque esta es una falla
espectacular, es la menos común producida por licuación. (Ver figura N° 01) 2.1.2.5. Volcanes de arena Al presentarse la licuación de arenas, se generan presiones de poro muy
altas, las cuales obligan a que el agua fluya rápidamente a la superficie,
formando pequeños volcanes de arena. Este flujo ascendente de agua puede
ocurrir durante o después de un sismo. Los volcanes de arena indican
también zonas de posibles asentamientos. (Ver figura N° 01)
2.1.2.6. Asentamientos En muchos casos el peso de la estructura puede ser insuficiente para causar
los grandes asentamientos asociados con las pérdidas de capacidad portante
descritas anteriormente. Sin embargo, pueden ocurrir pequeños
asentamientos cuando la presión de poro se disipa después de un sismo. Estos asentamientos pueden causar daños aunque menores a los producidos
por fallas de flujo, desplazamientos laterales o pérdidas de capacidad portante.
(Ver figura N° 01)
24
FIGURA Nº01: Esquemas de algunos fenómenos asociados a la licuación.
Fuente: Youd, 1992
2.1.3. SUSCEPTIBILIDAD DE LICUEFACCIÓN
2.1.3.1. Criterios de susceptibilidad No todos los suelos son susceptibles de presentar licuefacción, así que el
primer paso en el desarrollo de una evaluación de riesgo de licuefacción es
la determinación de la susceptibilidad de licuefacción. La susceptibilidad de
licuefacción de un suelo puede ser evaluada usando criterios históricos,
geológicos, basados en su composición o según su estado. Estos criterios,
descritos por Kramer y Stewart (2004), se presentan a continuación.
2.1.3.2. Criterios históricos Se ha observado que la licuefacción ocurre frecuentemente en los mismos
lugares cuando las condiciones del sitio se mantienen constantes. Por esto, la
evidencia de la ocurrencia histórica de licuefacción, observada en forma de
paleo- licuefacción, puede ser utilizada como prueba de susceptibilidad de
licuefacción, en un determinado lugar.
25
2.1.3.3. Criterios geológicos Las condiciones geológicas también pueden indicar susceptibilidad de
licuefacción, por ejemplo los suelos de depósitos fluviales y eólicos, cuando se
encuentran saturados, tienen una alta probabilidad de ser susceptibles de presentar licuefacción. También se ha observado licuefacción en depósitos de
abanicos aluviales, playas y estuarios, pero no de manera tan evidente como
en los casos anteriores. Otro criterio geológico es la edad del depósito, en
general los depósitos de suelos jóvenes son más susceptibles de licuefacción que los depósitos más antiguos.
2.1.3.4. Criterios basados en la composición del suelo La composición física de un suelo juega un importante papel en la determinación de su susceptibilidad de licuefacción. Las arenas uniformemente gradadas y limpias, compuestas principalmente de partículas redondeadas son intrínsecamente más susceptibles; mientras que los suelos bien gradados y los suelos con partículas angulares son menos susceptibles. La presencia de finos, particularmente finos plásticos (IP > 10), tiende a disminuir la susceptibilidad de licuefacción.
2.1.4. SUELOS NO COHESIVOS El fenómeno de licuefacción generalmente se asocia con suelos no cohesivos o
granulares como resultado de una carga sísmica de suficiente intensidad y
duración. Ocurre más comúnmente en suelos sueltos, saturados, granulares,
uniformemente gradados y con un bajo contenido de finos. Aunque las arenas son especialmente susceptibles, la licuefacción también se puede desarrollar en
algunos limos y gravas.
Las dos condiciones necesarias para que ocurra la licuefacción son: la presencia de
suelos de densidad suficientemente baja, los que tienden a experimentar reducción
de volumen, y un estado de saturación completa o casi completa.
Bajo estas condiciones, los terrenos no cohesivos tienden a densificarse
cuando están sometidos a esfuerzos de corte cíclico, pero el cambio de volumen
es impedido debido al drenaje restringido. Como resultado, el exceso de presión
de poros se acumula, las tensiones efectivas se reducen, y el suelo pierde
resistencia convirtiéndose a un estado licuado.
Como la capacidad de los suelos de soportar las cargas producidas por las
fundaciones está directamente relacionada con su resistencia, la licuefacción
plantea un peligro serio para las estructuras y debe ser evaluada en zonas de
riesgo sísmico donde existan depósitos susceptibles.
26
2.1.5. SUELOS CON PRESENCIA DE FINOS Los suelos con presencia de finos también pueden exhibir un comportamiento
similar a la licuefacción de arenas, cuando son sometidos a cargas sísmicas. En este caso, pueden producir fallas que tienen muchas de las mismas características
de las fallas por licuefacción. En 1999 Wang propuso los siguientes cuatro
criterios, la satisfacción de todos estos criterios indica la susceptibilidad
de presentar licuefacción:
a) Fracción de arcilla (finos menores de 0,005 mm) ≤ 15%
b) Límite líquido, LL ≤ 35%
c) Contenido de humedad natural, w ≥ 0,9 LL
d) Índice de liquidez, LI ≤ 0,75
Estos criterios han sido adaptados en la Norma China Modificada. El potencial de
licuefacción para suelos finos puede ser evaluado tomando como referencia esta
norma. Según estos criterios, los suelos pueden licuarse si la fracción de arcilla es
menor de 15 % (usando la definición china de tamaño de arcilla como partículas
menores de 0,005 mm), el límite líquido es menor que 35 %, y el contenido de agua
es mayor que 0,9 veces el límite líquido.
Estos autores recomendaron que los suelos con una fracción de arcilla
(considerada como partículas menores de 0,002 mm) menor de 10 % y un límite
líquido menor de 32 % sean considerados susceptibles de presentar licuefacción, y
que los suelos con una fracción de arcilla mayor de 10 % y límite líquido mayor de
32 % sean considerados poco susceptibles de presentar este comportamiento.
Estos criterios se resumen en la siguiente tabla:
TABLA Nº01: Criterio Andrews – Martin para la evaluación de licuefacción de suelos con
presencia de finos
Limite Liquido < 32 Limite Liquido ≥ 32
Fracción de arcilla < 10%
Susceptible
Puede ser susceptible (Requiere información
adicional)
Fracción de arcilla ≥ 10%
Puede ser susceptible (Requiere información
adicional)
No susceptible
27
2.1.6. EVALUACIÓN DEL POTENCIAL DE LICUEFACCIÓN
Si un depósito de suelos ha sido determinado como susceptible, entonces el
segundo paso en el desarrollo de una evaluación de riesgo de licuefacción es
considerar el potencial de un suelo para iniciar la licuefacción. Esto generalmente
involucra la caracterización de la carga sísmica a la que el suelo está sometido y la
caracterización de la resistencia a la licuefacción del suelo. Como estas
caracterizaciones se hacen en términos comunes, se pueden comparar para
determinar el potencial de licuefacción del suelo.
2.1.6.1. Procedimiento simplificado Existen tres enfoques principales para evaluar el potencial de licuefacción de
un suelo: el enfoque basado en las tensiones, el enfoque basado en las
deformaciones y el enfoque basado en la energía. Históricamente, el enfoque
basado en las tensiones ha sido el más utilizado para la evaluación del
potencial de licuefacción, mientras que los métodos basados en la energía han
sido propuestos más recientemente.
De acuerdo al enfoque basado en las tensiones, la carga impuesta al suelo
por el terremoto y la resistencia del suelo a la licuefacción son
caracterizadas en términos de tensiones de corte cíclicas. Este enfoque es útil porque las amplitudes de tensión cíclica pueden ser fácilmente obtenidas con
exactitud y han sido verificadas, por observaciones en terreno, como un
predictor conservador de licuefacción.
2.1.6.2. Evaluación de la resistencia basada en el ensayo de
penetración estándar
Los criterios para la evaluación de la relación de resistencia cíclica basados en
el ensayo de penetración estándar (SPT), han demostrado ser confiables a lo largo de los años, y por lo tanto el uso de estos métodos representa el estado
de la práctica en la evaluación de resistencia a la licuefacción. Como señalan
Kramer y Stewart (2004), las principales ventajas del método de evaluación
de la resistencia basado en el ensayo de penetración estándar, son su larga historia de uso y el hecho de que permite obtener una muestra de suelo, la
cual puede ser usada para posteriores análisis, como clasificación.
2.1.6.3. Descripción general del ensayo de penetración estándar El ensayo de penetración estándar, probablemente el más común de los
ensayos de terreno, mide la resistencia del suelo a la penetración dinámica de un muestreador de tubo partido de 50,8 mm (2 pulgadas) de diámetro, como el
que se muestra en la Figura N° 02, al ser hincado dentro del suelo en la base
de una perforación revestida.
28
Este muestreador, también llamado saca muestras partido o cuchara normal,
es un tubo de acero de paredes gruesas partido longitudinalmente. El extremo inferior está unido a una zapata cortante y el superior a una
válvula y copla de conexión a la barra de sondeo.
FIGURA Nº02: Tubo Saca muestras de 2 pulgadas
El tubo sacamuestras es introducido 450 mm (18 pulgadas) dentro del suelo
por impactos del martinete de 63,5 kg (140 libras) de peso que cae libremente
desde una altura de 760 mm (30 pulgadas). El número de golpes por cada
150 mm (6 pulgadas) es registrado.El número de golpes necesarios para
hincar los últimos 300 mm, es decir para introducir el segundo y tercer tramo
de 150 mm de penetración se cuenta y este valor se denomina resistencia a la
penetración estándar, que se designa con la letra N. El procedimiento
completo de este ensayo se encuentra en la norma ASTM D-1586.
Después de contar los golpes y de registrarlos, la cuchara se saca de la
perforación y la muestra obtenida se coloca en un frasco o bolsa impermeable
cerrada, para efectuar un examen visual y ensayos de clasificación y humedad en el laboratorio.
El valor N se ha correlacionado con propiedades de los suelos granulares,
como la densidad relativa o el ángulo de fricción del suelo. El ensayo de
penetración estándar se desarrolló inicialmente para determinar la resistencia de suelos no cohesivos y la mayoría de las correlaciones que existen en la
literatura son útiles solamente para gravas y arenas. Las correlaciones con los
suelos finos existen pero no son tan fiables (Tabla N°02).
29
TABLA Nº 02: Correlaciones para suelos no cohesivos entre la densidad relativa y la
resistencia a la penetración estándar
Compacidad
Densidad
Relativa
N (SPT)
Muy suelto < 0.15 < 4
Suelto 0.15 – 0.35 4 – 10
Medianamente denso 0.35 – 0.65 10 – 30
Denso 0.65 – 0.85 30 – 50
Muy denso 0.85 – 1.00 > 50
2.1.7. METODOLOGÍA GENERAL DE LA EVALUACIÓN DE LICUEFACCIÓN DE
SUELOS Para poder evaluar la licuefacción de suelos, existen dos formas: Una
determinística y otra probabilística. En el Perú se han venido usando una
evaluación de manera determinística (Parra 1991, Silva 2000); consiste en comparar simplemente la resistencia respecto a la solicitación sísmica. Se evalúa
cuál es mayor y se obtiene un factor de seguridad. En cambio la probabilística usa
una cantidad grande de datos y por lo general, para obtenerlos se emplea una
mayor inversión en la investigación que se realiza.
2.1.7.1. Caracterización de las solicitaciones sísmica El nivel del exceso de presión de poros requeridos para iniciar la licuefacción
está relacionado con la amplitud y duración de la carga cíclica inducida por el sismo.
La aproximación de esfuerzo cíclico está basada en asumir que la generación
del exceso de presión de poros esta expresada en términos de esfuerzos cortantes cíclicos. La solicitación puede ser predicha de dos maneras, por
un análisis de la respuesta del terreno detallada o por el uso de la
aproximación simplificada.
El análisis de respuesta del terreno puede ser usado para predecir tiempo-
historia del esfuerzo cortante en varias profundidades dentro del depósito de
suelo. Tal análisis produce tiempo-historia transitorios, características
irregulares de los movimientos sísmicos reales. Sin embargo, la información
de laboratorio de la resistencia a la licuación puede ser estimada usualmente
obteniéndola de ensayos de esfuerzos cortantes cíclicos con amplitudes
uniformes.
La comparación de la solicitación sísmica inducida, con la resistencia
determinada en laboratorio requiere de una conversión irregular del tiempo
historia del esfuerzo cortante a una serie equivalente de esfuerzos cíclicos
uniformes.
30
Seed et al. (1975) aplicaron un procedimiento de ponderación a un juego
de esfuerzos cortantes de los tiempo- historia de movimientos severos de los
sismos registrados para determinar el número de esfuerzos cíclicos uniformes,
Neq, a una amplitud del 65% del esfuerzo cortante cíclico pico, (τcyc = 0.65
τmáx.) que podría incrementar la presión de poros equivalente a la de un
tiempo-historia irregular.
2.1.7.2. Caracterización de la resistencia a la licuefacción La resistencia a la licuación de un elemento de suelo depende de cuán cerca
esté desde su estado inicial en relación a la falla, así como a la naturaleza de
la carga requerida para moverla, desde el estado citado hasta el estado de la
falla. Sin embargo, se sabe que los estados de falla para flujo por licuación
como para movilidad cíclica son diferentes.
En el campo, donde los esfuerzos y la presión de poros son pocas veces
medidos, es usualmente difícil distinguir entre los diferentes fenómenos de
licuación luego de que un sismo haya ocurrido. Cuando la aproximación del
esfuerzo cíclico se desarrolló, se identificó pequeñas distinciones entre los
diferentes fenómenos de la licuación. La caracterización de la resistencia a la
licuación se desarrolló a lo largo de dos líneas de investigación: los métodos
basados en los resultados de ensayos laboratorio, y los métodos basados en
el resultado de ensayos in situ y observaciones del comportamiento de la
licuación en sismos pasados
2.1.7.3. Caracterización basada en ensayo in situ
Una aproximación alternativa, descrita inicialmente por Whitman (1971)
consistió en usar los casos históricos de licuación para caracterizar la
resistencia a este fenómeno en términos de la medición de los parámetros
in situ. En este caso, la relación del esfuerzo cíclico es usualmente usada
como el parámetro de carga y los parámetros in situ reflejan la densidad y la
generación de presión de poros del suelo que toma el lugar de los parámetros
de resistencia.
Resistencia a la penetración estándar: El ensayo del SPT ha sido ampliamente
usado en el mundo para caracterizar la resistencia a la licuación. Los factores
que tienden al incremento de la resistencia a la licuación (densidad, deformación sísmica a priori, relación do sobre- consolidación. presión lateral
de tierra y duración bajo la presión constante) también son propensos a
incrementar la resistencia al SPT. La presencia de suelos finos puede afectar la resistencia al SPT y por lo tanto
deben ser tomados en consideración para la evaluación de la resistencia la
31
licuación (Seed et al., 1985; Ishihara y Koseeki, 1989; Koester, 1994).
Asimismo, la plasticidad de los | los sismos.
2.1.7.4. Evaluación de la iniciación de la licuefacción Una vez que la solicitación cíclica impuesta por el sismo y la resistencia a la
licuación de suelos ha sido caracterizada, se puede evaluar el potencial de licuación. La aproximación por esfuerzo cíclico caracteriza la solicitación
sísmica con la amplitud de un esfuerzo cíclico equivalente uniforme y la
resistencia a la licuación, por la amplitud del esfuerzo cíclico equivalente requerido.
La evaluación es fácilmente realizada de manera gráfica. Primero, la variación de los esfuerzos de corte cíclicos (solicitación sísmica, τcyc) versus la profundidad graficada, tal como se muestra en la Figura N° 03. Posteriormente, la variación de los esfuerzos cortantes cíclicos requeridos para causar la licuación (resistencia a la licuación) versus la profundidad también es graficada, comparándose, finalmente, la solicitación respecto a la resistencia. La licuación puede ser esperada en las profundidades donde la solicitación excede a la resistencia o cuando el factor de seguridad contra la licuación sea menor a 1.1, tal como se indica en la siguiente expresión.
FIGURA Nº 03: Proceso por el cual se identifica las zonas licuables del estado del suelo.
32
Por lo tanto, la decisión de un factor de seguridad apropiado debe reflejar las
condiciones particulares asociadas con un sitio en específico y la vulnerabilidad de las estructuras emplazadas en el mismo.
Los factores de seguridad en el rango cercano a 1.1 pueden ser aceptables para un
departamento familiar de un piso. En este caso, el potencial de un desplazamiento
lateral es muy bajo y un asentamiento diferencial es el mayor peligro concerniente,
y donde losas post-tensadas sean especificadas. Por el otro lado, factores de
seguridad de 1.3 pueden ser más apropiados para evaluar peligros asociados en
una falla por flujo potencial para eventos sísmicos de gran magnitud.
2.1.8. DETERMINACIÓN DEL POTENCIAL DE LICUEFACCIÓN
2.1.8.1. METODOLOGÍA SIMPLIFICADA DEL NCEER 1998
Los talleres mundiales que se realizaron sobre la evaluación del potencial de
licuación de suelos (1996 NCEER and 1998 NCEER/NSF Workshop son
Evaluation of Liquefaction Resistance of Solis), durante los años 1996 y 1998
fueron recopilados en un resumen realizado por Youd et al. (2001).
Para mantener enfocado el tema durante las reuniones de los expertos, el
alcance de los talleres fue limitado a los procedimientos para evaluar la
licuación de suelos en un terreno de una pendiente muy suave. En este
contexto, la licuación se referiría al fenómeno de la generación de grandes
presiones de poros inducidas por sismo y lo que conlleva a un ablandamiento
del suelo granular. Otros aspectos de la postlicuación, como la resistencia al
corte residual, deformación del suelo y fallas del terreno no fueron abarcados.
2.1.8.2. Relación de Esfuerzo Cíclico (CSR) y relación de Resistencia
Cíclica
El cálculo y estimación de las dos variables requeridas para la evaluación de la resistencia de la licuación de suelos se expresan de la siguiente manera:
1. La demanda sísmica en el estrato de suelo se expresa en términos de CSR.
2. La capacidad del suelo para resistir la licuación expresada en términos de CRR. Para el presente trabajo se tomó el criterio de resistencia a base del ensayo de penetración estándar (SPT).
33
Todos los valores pueden ser calculados de manera simple, como los esfuerzos totales y efectivos obteniendo y determinando las densidades hasta la profundidad analizada del sitio, y la aceleración obtenida a partir de análisis de peligro sísmico así como también, análisis unidimensional de amplificación de ondas superficiales como puede ser a través del programa SHAKE (Idriss y Sun, 1990).
2.1.8.3. EVALUACIÓN DEL CRR
En la universidad de Texas A.F. Rauch (1998), en su investigación aproximó y mejoró, con mayor número de casos registrados, las curvas básicas para arenas limpias propuestas por Seed e Idriss (1982), y obtuvo la siguiente ecuación:
34
2.1.9. CORRECCIONES PARA LA EVALUACIÓN DE LA LICUEFACCIÓN
Luego de haber calculado el CSR y el CRR deben ser corregidos por otros factores, la magnitud del sismo, esfuerzos por presión de sobrecarga y estado inicial de esfuerzos. Por lo que el factor de seguridad contra la licuación queda definido de la siguiente manera:
35
2.1.9.1. Correcciones por energía y esfuerzo efectivo
Al momento de realizar el ensayo de penetración estándar se obtienen valores de números de golpes, los cuales se tienen que estandarizar ya que existen diferentes métodos al momento de realizar la calda del martillo, diferentes especificaciones del equipo usado, etc., todas ellas permiten tener un valor estandarizado mundialmente del SPT, que alcanza un valor del 60% de la energía total de un ensayo SPT estrictamente teórico. Asimismo, para la evaluación de la resistencia del suelo a la licuación, a pesar de las correcciones realizadas por la energía transmitida, es necesario normalizarlo a un esfuerzo efectivo dado, el cual normalmente es al de la presión atmosférica.
A continuación se muestra las fórmulas generales para realizar esas correcciones así como también la tabla propuesta por Robertson y Wride (1998), para la corrección de estos valores, asimismo una tabla adicional de Coduto (2001), para el factor de energías de acuerdo al país de origen:
36
TABLA N° 03: Correcciones para SPT
Factor Variable del equipo Término Corrección
Presión efectiva — CN 9.5
( Pa / σ´V)
Presión efectiva — CN CN ≤ 1.7 Relación de Energía Martillo dona CE 0.5-1.0 Relación de Energía Martillo de seguridad CE 0.7-1.2 Relación de Energía Martillo dona automático CE 0.8-1.3 Diámetro de Perforación 65-115 mm CB 1 Diámetro de Perforación 150 mm CB 1.05 Diámetro de Perforación 200 mm CB 1.15 Longitud 1 < 3m CR 0.75 Longitud 2 3-4 m CR 0.8 Longitud 3 4-6 m CR 085 Longitud 4 6-10 m CR 095 Longitud 5 10-30 m CR 1 Método de Muestreo Muestreo estándar CS 1 Método de Muestreo Muestreo sin revestimiento CS 1.1-1.3
Fuente: Modificada de Skempton (1986) y listada por Robertson y Wride (1990)
TABLA N° 04: Eficiencia del martillo SPT
País
Tipo de Martillo Mecanismo de Calda do
Martillo Eficiencia de Martillo Em
Argentina Donu Garrota 0.45 Brasil Pin Calda a mano 0.72 China Automático Desenganche 0.60 Colombia Donu Carrete 050 Japón Donu Disparador tombi 0 78-0.85 Reino Unido Automatico Desengancho 0.73 EEUU. Sogmad Carrete 2 vueltas 0.55-0 60 Venezuela Donu Carrete 0.43 Fuente: Clayton, 1990
37
2.1.9.2. Correcciones por presión de sobrecarga efectiva
La información de ensayos de carga cíclica indica que la resistencia a la licuación aumenta con la presión de confinamiento. La relación de ese incremento, sin embargo, es no lineal. Tomando en cuenta la no linealidad entre el CRR y la presión de sobrecarga efectiva, Seed (1983) introdujo el factor de corrección 𝐊𝛔, para extrapolarlo en el procedimiento simplificado
en estratos de suelos con una presión de sobrecarga > 100kPa. Se usaron especímenes de arena isotópicamente consolidados cargados cíclicamente en ensayos de compresión triaxial para medir el CRR para varias presiones de confinamiento, así vemos que Seed (1983) extrajo la curva de corrección de K. Otros investigadores han añadido información y sugirieron
modificaciones para definir mejor el 𝐊𝛔, para la práctica de ingeniería.
Por ejemplo, Seed y Harder (1990) desarrollaron la curva para arenas limpias reproducidas en la Figura N°04
FIGURA N°04: Valores de Kα para correcciones por sobrecarga efectiva
Fuente: Seed y Harder, 1990
Hynes y Olsen (1999) compilaron y analizaron un gran registro de información para proveer de la guía y formulación de las ecuaciones para seleccionar los valores de Kσ. La ecuación que obtuvieron es la siguiente:
38
Donde 𝛔′𝐕 es la presión de sobrecarga efectiva, Pa la presión atmosférica
medidas en las mismas unidades y f es un exponente en función de las condiciones del sitio, incluyendo la densidad relativa, historia de esfuerzos, edad y relación de sobre consolidación.
En el taller del NCEER 1998 se recomendaron los valores siguientes (ver Figura N° 05). Dr entre 40-60%, f = 0.7-0.8; para Dr entre 60-80%, f = 0.6-0.7. Hynes y Olsen recomendaron estos valores dentro de los mínimos, con una
estimación conservadora para estimar 𝐊𝛔, para su uso en arenas, arenas
limosas y gravas.
FIGURA N° 05: Curvas recomendadas para estimar de 𝐊𝛔, para la práctica Ingeniería
2.1.9.3. Corrección por estado inicial de esfuerzo
La resistencia a la licuación de los suelos dilatantes (suelos granulares moderadamente densos a densos bajo una presión de confinamiento baja) se incrementa cuando el esfuerzo de corte estático se incrementa; por el contrario, la resistencia a la licuación de los suelos contractivos (suelos sueltos a moderadamente densos bajo una gran presión de confinamiento) decrece con el incremento de dicho esfuerzo. Para incorporar el efecto de los esfuerzos de corte estático en la resistencia a la licuación, Seed (1983) introdujo un factor de corrección 𝐊𝛔. Para generar valores de este factor.
39
2.1.10. Método de Evaluación por Daño Inducido por Licuefacción en la Superficie
Así como se debe analizar el potencial de licuefacción de una determinada zona es necesario saber los posibles efectos que tendría el fenómeno en la misma para poder determinar de una manera más apropiada y afinada los resultados de dichos efectos. Por ello, los investigadores Iwasaki y Tokimatsu analizaron los posibles efectos que podría ocasionar la licuefacción y la traducción de dichos efectos en posibles daños en la superficie, y de esa manera determinar el grado de severidad de la licuefacción.
2.1.10.1. Metodología de Iwasaki y Tokimatsu
Iwasaki y Tokimatsu propusieron el índice del potencial de licuefacción (PL) que estima la magnitud de la severidad de la licuefacción en un lugar determinado para un movimiento sísmico definido por la siguiente ecuación:
40
FIGURA N° 06: Método de Iwasaki y Tokimatsu para determinar el índice de Potencial de licuación en la superficie
Por la tanto la fórmula para determinar el índice de potencial de licuefacción queda de la siguiente manera:
𝒁𝟐 𝒁𝟒
𝑷𝑳 = ∫ ( 𝟏 − 𝑭𝑳 (𝒛)) ∗ 𝑾 (𝒛) ∗ 𝝋𝒛 + ∫ ( 𝟏 − 𝑭𝑳 (𝒛)) ∗ 𝑾 (𝒛) ∗ 𝝋𝒛 𝒁𝟏 𝒁𝟑
A continuación se muestra el rango de valores para definir los efectos de la licuefacción en la superficie:
TABLA N° 05: Rango de datos para determinar los efectos de licuefacción en la superficie
Potencial de licuefacción Efectos
PL = 0 Suelos no licuables
0 < PL <= 5 No hay efectos de licuación
5 < PL <= 15 Pueden existir efectos severos
15 < PL <= 100 Efectos severos
PL = 100 Suelos altamente licuables
Fuente: Clayton, 1990
41
CAPITULO III: EVALUACION Y RESULTADOS
3.1. Evaluación Técnica
Es necesario zonificar y hacer un mapeo de las zonas de estudio, realizar estudios de
suelos en campo como sondaje eléctrico vertical, ensayo de penetración estándar (SPT),
obtención de muestras del suelo para ensayos de laboratorio de suelos finos - gruesos y
recopilar información geológica - geomorfológica existente en la zona de estudio. En la
información de las solicitaciones sísmicas es necesario ver los últimos acontecimientos
ocurridos en el lugar como es tiempo, duración, magnitud, etc.
Esta información obtenida tanto del suelo como del sismo, se plasman en las formulas
descritas anteriormente, dando una explicación razonable en cada resultado.
Las excavaciones de las calicatas se realizaron con el apoyo de un peón y una palana, se llegó hasta una profundidad de 1.50m, donde se encontró materiales como arcilla, grava, arena mal graduada, material orgánico. Se escogieron 20 puntos estratégicos para realizar las calicatas en los distritos citados, siendo 10 sondajes efectuados en cada distrito. Las ubicaciones de estas exploraciones fueron convenientemente distribuidas de tal forma de cubran uniformemente el área de estudio, de la misma forma apoyados por el reglamento nacional de edificaciones, este no indica el número de exploraciones ni cada que cierta distancia se deben hacer para este tipo de investigación; simplemente lo deja al criterio del profesional responsable. La idea era analizar previamente las condiciones geotécnicas en relevancia antes de hacer exploraciones más subsuperficiales como los sondajes eléctricos verticales y los ensayos de penetración estándar. (Ver anexo N° 10: Planos de ubicación de calicatas en los distritos). Las calicatas son de 1m2, alcanzando una profundidad de 1.5m, con esto se determinó que el nivel freático en Santa Rosa varía entre 1m a 1.5m; en cambio en Pimentel no se halló nivel freático, salvo en una calicata de1.5m a 2m. (Ver imagen N° 01 a, b). El nivel freático en el distrito de Santa Rosa se encuentra en el rango de 1 m – 1.5 m, es por ello el motivo de la profundidad de la excavación, ya que de continuar con la misma iban a ver problemas para seguir profundizando. Se escogió muestra de suelo en cada estrato hallado en las calicatas; y con ello se determinaron las propiedades mecánicas de dichos suelos (contenido de humedad, absorción, granulometría, límites de Atteberg, ver tabla N° 05), la clasificación SUSC y el perfil estratigráfico en el anexo N°12.
42
IMAGEN N° 01-a: Calicata en Santa Rosa IMAGEN N° 01-b: Calicata en Pimentel
Sondajes Geoeléctricos (SEV) Se delimitó la línea eje para realizar el sondaje Eléctrico Vertical, la que abarca la zona costera de los distritos.
Se utilizó una máquina SEV, con cables entre 300 a 400 metros con 3 electrodos grandes que se hincaron en el terreno, a través de ellos se mandaron ondas de energía dirigidas al interior del terreno. Las que, a su vez, detectaron señales de resistividad del terreno a una determinada profundidad, así sucesivamente hasta lograr un perfil de resistividades considerable. Estas ondas eléctricas llegaron a grandes profundidades que pueden llegar a detectar material rocoso.
La finalidad de este sondaje en campo consiste en ver qué tipos de suelos tenemos a grandes profundidades entre los 100 a 200m aproximadamente, hasta llegar a un material rocoso. Se realizó un informe en campo.
43
11
Tabla N° 06: Resumen de los ensayos en laboratorio
Ensayo de Penetración Estándar (SPT)
Para determinar las características del material para la evaluación del potencial de licuación de suelos, se realizaron 15 ensayos de penetración estándar (SPT), a una profundidad de 8 - 10 m aproximadamente. Estos sondajes han sido realizados mediante el hincado por golpes de un tubo sacabocado de acero y posteadora manual.
El ensayo de penetración estándar (SPT) se realizó a cada metro de profundidad con la finalidad de determinar los parámetros de resistencia y compacidad del suelo en las condiciones del momento del ensayo. Se determinó las propiedades mecánicas del suelo.
Sondaje
Muestra
Análisis
Granulométrico Límites de Atterberg
Clasificación
SUCS
Pasa
malla
#4
Pasa malla
#200
L.
Liquido
L.
Plástico
I.
Plástic
o
(%) (%) (%) (%) (%)
Santa
Rosa
1 100 72.24 35.62 22.22 13.4 CL
2 90.99 0.04 0.00 0.00 0 SP
3 100 69.52 29.39 25 4.39 ML
4 89.53 0.7 0.00 0.00 0 SP
5 88.81 0.04 0.00 0.00 0 SP
6 98.92 67.98 30.16 18.18 11.98 CL
7 88.86 63.98 29.72 28.57 1.15 ML
8 91.88 65.212 35.34 27.27 8.07 ML
9 98.76 46.22 31.16 17.65 13.51 SC
10 99.62 47.26 39.9 33.33 6.57 SM
Pimentel
1 81.34 4.16 0.00 0.00 0.00 SP
2 98.62 59.50 15.89 14.29 1.61 ML
3 82.00 36.96 20.35 11.11 9.24 SC
4 88.66 55.06 17.28 11.11 6.17 CL
5 88.24 51.24 24.50 16.67 7.83 CL
6 97.00 61.98 39.47 33.33 6.13 ML
7 91.10 52.74 25.21 14.29 10.92 CL
8 94.00 61.56 46.48 16.67 29.81 CL
9 96.92 56.46 27.93 20.00 7.93 CL
10 90.82 4.64 0.00 0.00 0.00 SP
44
Tabla N° 07: Resumen de los Ensayos de Penetración Estándar
Distrito
Ubicación
POZO
Profundidad
(m)
Numero de
golpes
(n)
Contenido
de finos
(%)
Nivel
freático
(m)
Pimentel
Ca. Manuel Seoane 1 10.45 27 12.23 6.20
Ca. Los Álamos 2 8.45 24 18.04 5.80
Ca. Leoncio Prado 3 8.45 24 4.46 3.95
Ca. Alfonso Ugarte – Balta 4 9.45 30 4.77 2.85
Ca. 28 de Julio – Balta 5 9.45 38 4.25 1.15
Ca.Los Pescadores- Las Petunias 6 8.00 56 4.41 6.50
Manuel Seoane- Rivera del Mar 7 5.00 71 32.32 N.L
Av. Chiclayo – Manuel Seoane 8 9.00 45 4.40 7.10
PsjeElías Aguirre- Av. José Q. 9 8.00 55 34.24 5.70
Santa
Rosa
Ca.8 de Octubre –Pachacutec 1 10.45 18 23.04 1.50
Ca. Naylamp 2 8.45 21 4.47 1.00
Ca. Humberto Díaz– Jr. Tacna 3 8.45 24 3.93 2.05
Ca. Humberto Díaz Arroyo 4 9.45 21 3.78 2.85
Ca. Ribera del Mar 5 9.45 26 4.59 1.60
Ca. Mariscal Ureta 6 8.45 19 3.85 3.40
Ca. 7 de junio 7 9.45 27 87.61 2.20
Ca. Mariscal Ramón Castilla 8 9.45 27 18.61 3.05
45
3.2. Resultados
Con los datos obtenidos de los trabajos de campo realizados en base al ensayo de penetración estándar y habiendo aplicado la metodología descrita en el capítulo anterior se presentan las tablas 9 y 10, un resumen de los resultados obtenidos de los análisis de licuefacción realizados. En estas tablas se presenta la profundidad máxima de licuefacción y el índice de potencial de licuefacción para cada sondaje realizado en función del periodo de retorno del sismo de diseño.
Tabla N° 09: Profundidad hasta donde alcanzan estratos potencialmente licuables de acuerdo a cada sondaje realizado
46
FIGURA N° 07: Cuadro de resumen para las profundidades máximas de licuefacción para el distrito de Pimentel
Tabla Nº10: Índice potencial de licuefacción de suelos para cada periodo de retorno.
Distrito
Sondaje
SPT
Clasificacio
n SUCS
Ubicación
Factor de resistencia a la licuefaccion
Manifestacion en la superficie del terreno
sismo 5.0 Mw
Σ total por
cada SPT (PL)
sismo 6.5 Mw
Σ total por
cada SPT (PL)
sismo 7.5 Mw
Σ total por
cada SPT (PL)
Pimentel
S-1 SP Calle Manuel Seoane - NORTE 0.00 39.92 54.07
S-2 SP-SM Los Alamos 0.00 25.42 43.36
S-3 SP Calle Leoncio Prado - Ca Miguel Grau 0.00 35.43 49.02
S-4 SP Calle A. Ugarte y Balta 0.00 31.59 39.93
S-5 SP-SM Calle 28 de Julio y Balta 0.00 39.43 52.62
S-6 SP Calle Los Pescadores - Las Petunias 0.00 4.74 30.37
S-7 GC Calle Manuel Seoane - La Rivera del Ma 0.00 0.00 3.45
S-8 SP Av. Chiclayo - Calle Manuel Seoane 0.00 30.15 47.38
S-9 SC Psje Elias Aguirre - Av. Jose Quiñones 0.00 0.00 5.38
S ADC-1 SP-SC Urb. "La Marina" Mz. B Lote Nª 07 - 2005 0.00 13.44 23.77
S ADC-2 SP-SC Urb. "La Marina" Mz. B Lote Nª 07 - 2005 0.00 8.75 16.09
S ADC-3 GC Jr.Jose Quiñones Gonzales Nª 108 0.00 11.00 20.00
S ADC-4 GC Jr.Jose Quiñones Gonzales Nª 108 0.00 0.00 2.53
Santa
Rosa
S-1 SP-SC Calle 8 de Octubre - Pachacutec 0.63 37.96 51.79
S-2 SP-SM Naylamp - Zona Urbana 0.35 43.70 53.69
S-3 SP-SM Calle Humberto Diaz Arroyo - Jr Tacna 0.00 43.91 53.80
S-4 SP-SC Calle Humberto Diaz Arroyo 0.00 46.74 57.81
S-5 SP-SC Calle Ribera del Mar 0.65 49.07 59.12
S-6 SP-SM Calle Mariscal Ureta 0.00 41.88 52.66
S-7 CL Calle 7 de Junio 0.00 18.71 37.73
S-8 SM Calle Mariscal Ramon Castilla 0.00 28.80 47.67
Profundidad maxima de
licuefaccion sismo 45 años
Profundidad (m)
Profundidad maxima de licuefaccion sismo 475 años Profundidad (m)
Profundidad maxima de licuefaccion sismo 950 años
Pimentel
47
Leyenda:
Suelos no licuables
No hay efectos de licuacion
Pueden existir efectos severos de licuacion
Efectos severos
Potencial de licuefacción efectos
PL = 0 Suelos no licuables
0 < PL <= 15 No hay efectos de licuación
5 < PL <= 15 Pueden existir efectos severos
15 < PL <= 100 Efectos severos
PL = 100 Suelos altamente licuables
48
CONCLUCIONES
Según los resultados obtenidos, se arribó a las siguientes conclusiones:
1. El fenómeno de licuefacción de suelos se ha suscitado a nivel mundial y local, por lo que
su estudio es relevante y debe considerarse muy importante para su mayor entendimiento, mitigación o para identificar con mayor exactitud las zonas en las cuales puede ocurrir.
2. A partir del análisis de licuefacción de suelos se observa que dada las características
geológicas y geomorfológicas de los suelos encontrados en la zona costera de Pimentel las zonas más pobladas y aledañas al mar vienen a ser las que poseen un potencial de licuación probable. En tanto para las zonas costeras de Santa Rosa según las características geológicas las que están propensas a sufrir licuefacción son los sectores del terminal pesquero y la zona de Naylamp.
3. Debido a la forma de la deposición de la que fue parte el suelo existente en la zona de estudio, descartando la edad geológica del sismo, se encontró valores de golpes de los ensayos de SPT bajos, tanto en los estratos superficiales como profundos de hasta 8.00 metros. Resultados que indican una densidad relativa muy baja de los suelos encontrados, lo que sensibiliza aún más la ocurrencia del fenómeno de licuefacción, dado que este factor dentro del método simplificado es el que proporciona la resistencia de los suelos a la licuefacción, por lo que termina siendo uno de las más influyentes. Las áreas más afectadas por este fenómeno en los distritos de Pimentel y Santa Rosa se encuentran situadas cercanas o sobre terrenos inundables, lo que provoca que sean lugares susceptibles a la licuefacción, dado que la presencia de un nivel freático alto en el subsuelo es determinante para la iniciación de dicho fenómeno.
4. Dado el análisis de potencial de licuefacción de suelos para las zonas costeras de los distritos de Pimentel y Santa Rosa (Metodología NCEER 1998) en el caso de un sismo de 45 años de periodo de retorno, la ocurrencia de licuefacción de suelos es relativamente baja. Sin embargo, el suelo podría licuarse en las zonas de las calles Alfonso Ugarte y Balta hasta una profundidad de 3metros para el distrito de Pimentel y en las zonas de Naylamp y la Calle Rivera del mar en el distrito de Santa Rosa. Asimismo, cabe recalcar que los factores de seguridad para ambas zonas en estudio están por encima del valor de 1.1 (usado como valor límite del cual la licuefacción no ocurriría) y con valores de índice de potencial de licuación iguales a cero o menores de cinco. Estos resultados indican que no se producirán daños en la superficie y un bajo de potencial de licuefacción de los suelos.
49
RECOMENDACIONES
1. Con los datos obtenidos anteriormente, el distrito de Pimentel y Santa Rosa están propensos a sufrir licuefacción a profundidades entre 8 a 9 metros, por lo tanto es necesario tomar medidas para mitigar los daños. En este caso, se propone técnicas de mejoramiento del terreno, proporcionando aumento de la resistencia, disminución de la deformabilidad, disminución de la permeabilidad, y mitigando el potencial de colapso.
2. Se propone diferentes técnicas de mejoramiento del terreno para mitigar daños como
son: compactación dinámica, vibroflotación y vibrosustitución, los más recomendados
internacionalmente.
3. Estos tratamientos son interesante en el caso de arenas finas limosas con alto potencial
de licuefacción, ya que además de aumentar la resistencia al corte fuertemente por la
inclusión de las columnas de grava, se obtienen elementos verticales que sirven para
disipar las presiones de poros que pueden originar licuefacción por sismo, llegando a
profundidades hasta los 10 metros.
50
REFERENCIA BIBLIOGRAFICA
Alva Hurtado Jorge y Escalaya, M. 2006. Actualización de los parámetros sismológicos en la
evaluación del peligro sísmico en el Perú. Universidad Nacional de Ingeniería, Lima.
Alva Hurtado Jorge. 2002. Breve Historia del Fenómeno de Licuación de Suelos en el Perú, IV
Congreso Nacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Fundaciones en Lima, Perú.
Alva Hurtado Jorge. 2012. Licuación de suelos en Perú desarrollado por CISMID, Universidad Nacional de Ingeniería, Lima.
Arduino Pedro. 2003. Ingeniería Sísmica Geotécnica. Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. Universidad de Washington. Washington
Barrón Hernán. 2004. Vulnerabilidad Sísmica de Chimbote, Tesis de Grado, Universidad Nacional
de Ingeniería, Lima.
Brandes, Hernán. 2003. Manual de Ingeniería en caso de terremotos, Geotécnica y aspectos. Londres: Fondo Taylor & Francis Group.
Cardona, Omar. 2001. Estimación holística del riesgo sísmico utilizando sistemas dinámicos
complejos. Tesis doctoral. Universidad Politécnica de Catalunya. Barcelona.
Carrillo Gil, Andrés. 2001. Algunas Apreciaciones del Comportamiento del Suelo en la Zona del Sismo de Ancash. II Congreso Nacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Cimentaciones desarrollado en Lima.
Corporación Hidrotécnica y Lotti César. 1999, Estudio de Factibilidad del Sistema General de Abastecimiento de Agua Dulce a Bayóvar. Organismo de Desarrollo del Complejo de Bayóvar, Perú.
Dowrick, David. 1977. Earthquake Resistant Design/ Editorial John Wiley and Sons,Ltd. 1era.
Edición, Gran Bretaña.
IGP. Noticia El Comercio: Sismo de 6 grados sacudió Chiclayo y se sintió en Ecuador.
http://elcomercio.pe/peru/lambayeque/sismo-62-grados-sacudio- chiclayo-y-se-sintio-ecuador-noticia-1716192 (consultada el 15 de Marzo del 2014)
Johansson J. 2000. El sitio web de licuefacción del suelo. Departamento de Ingeniería Civil.
Universidad de Washington. Http://www.ce.washington.edu/~ licuefacción / HTML / main.html (consultada el 29 de mayo del 2013)
51
ANEXOS
52
