INFORME PARCIAL: LICUACIN DE SUELOS

NDICE

INTRODUCCIN1LA LICUACIN1FACTORES QUE DETERMINAN LA INTENSIDAD DE LA LICUACIN1EFECTOS DAINOS DE LA LICUACIN3DAOS OCURRIDOS EN TERREMOTOS PASADOS POR EFECTOS DE LICUACIN4DESCRIPCIN DEL FENMENO DE LICUACIN10

1.0INTRODUCCIN

Las cargas dinmicas que actan sobre cimentaciones y estructuras de suelo pueden originarse por terremotos, explosiones de bombas, operaciones de maquinarias y martillos, operaciones deconstruccin (hincado de pilotes), explosiones en canteras, trfico intenso (incluyendo aterrizaje de aviones), viento, carga debido a la accin de las olas en el agua, etc. La naturaleza de cada una de estas cargas es bastante diferente una de otra, siendo los terremotos los que constituyen la fuente ms importante de cargas dinmicas sobre estructuras y cimentaciones.

En determinados suelos de naturaleza contractiva, es decir, con tendencia a la disminucin de volumen durante el corte, la ocurrencia de un terremoto severo puede producir el incremento gradual de las presiones de poro, reduciendo la resistencia del suelo y su rigidez. A este fenmeno se le conoce como licuacin y sus efectos asociados han sido responsables de una gran cantidad de daos en terremotos histricos alrededor del mundo.

La licuacin ocurre en suelos saturados, esto es, suelos en los cuales los espacios entre las partculas individuales estn completamente llenos de agua. Esta agua ejerce una presin sobre las partculas de suelo lo cual influencia la forma como las partculas por s mismas son presionadas juntas. Antes del terremoto, la presin de agua es relativamente baja. Sin embargo, el movimiento ssmico puede causar que la presin de agua se incremente al punto donde las partculas de suelo puedan fcilmente moverse una con respecto a la otra.

2.0LA LICUACIN

La licuacin se define como la transformacin de un material granular de un estado slido a un estado licuado como consecuencia del incremento de la presin de agua de poros (Youd, 1973). La causa ms dramtica de daos a edificaciones y obras civiles durante un terremoto es el fenmeno licuacin, el cual es un proceso en el cual el suelo cambia de un material firme a un material viscoso semi-lquido y bajo condiciones similares a una arena movediza. La licuacin ocurre cuando suelos arenosos son sometidos a vibracin, por lo tanto, cuando un estrato de suelo se licua y empieza a fluir por la accin del terremoto, ste no es capaz de soportar el peso de cualquier suelo o estructura encima de l, debido a esto, es posible que ocurran una serie de efectos, algunos catastrficos, como: deslizamientos, flujos, hundimiento o inclinacin de edificaciones, volcanes de arena, asentamientos diferenciales, etc., como ha quedado evidenciado en numerosos terremotos ocurridos en diferentes partes del mundo.

2.1FACTORES QUE DETERMINAN LA INTENSIDAD DE LA LICUACIN

Entre las causas que originan el fenmeno de licuacin se encuentran:

Magnitud del Movimiento Ssmico ()

La magnitud del movimiento est relacionada con la magnitud de los esfuerzos y deformaciones inducidos en el terreno por este movimiento. Dependiendo de la distancia hipocentral, la magnitud del movimiento producir cierto valor de aceleracin mxima en la roca basal, la cual sufrir amplificacin, dependiendo de las condiciones locales del suelo, hasta llegar a la superficie, de esta manera la propagacin de las ondas de corte durante un terremoto a travs del esqueleto del suelo, producir una complicada distribucin de esfuerzos de corte en funcin del tiempo, causando as deformaciones en la masa de suelo cuya magnitud depender de la magnitud del terremoto.

Duracin del Movimiento Ssmico ()

Normalmente la duracin de un movimiento ssmico es corto (entre 5 a 40 segundos), pero si este es intenso, predominar la condicin no drenada, es decir la disipacin de la presin de poros se ver restringida, y por el contrario se evidenciar el aumento de la misma, produciendo en algn momento condiciones de esfuerzo efectivo nulo, y por lo tanto, licuacin.

Granulometra del suelo

Los suelos ms susceptibles a sufrir licuacin son aquellos que poseen una granulometra uniforme, siendo las arenas finas uniformes (SP) las que son ms propensas a licuar que las arenas gruesas uniformes. Adems, segn algunos autores las arenas limosas poseen mayor resistencia a sufrir licuacin con respecto a las arenas limpias o con escaso contenido de finos. El problema de licuacin ser ms serio si el suelo tiene un coeficiente de uniformidad mayor o igual a 2.

Densidad Relativa ()

Durante la ocurrencia de un terremoto, una arena suelta puede sufrir licuacin mientras que este mismo suelo en un estado ms compacto puede no evidenciar el fenmeno. Una arena con un valor de resistencia a la penetracin estndar de 40 golpes/30cm (densidad relativa de 70 a 80%) puede mostrar evidencias de licuacin en la forma de volcanes de arena, pero no es probable que experimente ms del 10% de deformacin por corte bajo la influencia de la vibracin ssmica, an despus de que se hayan desarrollado altas presiones de poros. En contraste con ello, arenas con valor de 20 golpes/pie (densidad relativa de 30 a 60%), pueden desarrollar relaciones de presiones de poro de 100% y experimentar deformaciones por corte muy grandes del orden del 25-30%, bajo la accin de los esfuerzos de corte aplicados (Seed et al., 1984).

Profundidad del Nivel Fretico

Es una condicin necesaria para que ocurra licuacin. La presin de poros, producida por el agua que ocupa los vacos existentes entre las partculas del material debido a la posicin del nivel fretico, se incrementa por efecto de la vibracin producida en el movimiento ssmico. Por consiguiente, la ubicacin del nivel fretico cuando se produzca un terremoto en un depsito arenoso, ser de mucha importancia porque regir la condicin de saturacin y por lo tanto, influir tambin en el esfuerzo efectivo.

2.2.EFECTOS DAINOS DE LA LICUACIN

Youd (1978), propone tres tipos de falla del terreno asociados al fenmeno de licuacin de suelos:

Desplazamiento Lateral

Es el tipo ms comn de falla del terreno por licuacin de suelos. Este tipo de falla involucra el movimiento lateral de las capas superficiales como resultado de la licuacin y la prdida 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, acompaados de grietas en el terreno y desplazamientos diferenciales verticales. Los desplazamientos laterales muy a menudo distorsionan las cimentaciones de edificios, daan las tuberas de desages y otras estructuras a lo largo de la zona afectada. El dao ocasionado por este tipo de falla no es siempre espectacular y raras veces catastrfico, sin embargo es muy destructor. Este tipo de falla es particularmente destructiva para las tuberas. Existen tcnicas de estabilizacin contra fallas de desplazamiento lateral, pero son relativamente caras y slo nicamente justificables en lugares crticos. Las tcnicas de estabilizacin incluyen la remocin, compactacin, inyeccin, drenaje o la utilizacin de contrafuertes.

Falla de Flujo

Son las fallas del terreno ms catastrficas causadas por el fenmeno de licuacin. Los flujos pueden movilizarse a grandes distancias (decenas de metros) a altas velocidades (decenas de Km/h). Los flujos pueden involucrar suelo completamente licuado o bloques de suelo firme viajando sobre una capa de suelo licuado. Este tipo de falla se desarrolla generalmente en arenas saturadas, sueltas, con pendiente del terreno mayor que 5%.Muchas de las mayores y ms dainas fallas de flujo se han desarrollado bajo agua en reas costeras. Las fallas de flujo pequeas durante los terremotos son comunes en terrenos montaosos hmedos y arenosos. Otro de los efectos de falla de flujo por licuacin inducida por sismo, han sido los evidenciados en depsitos y presa de relaves antiguas, construidas por el mtodo de aguas arriba, algunas de ellas con consecuencias catastrficas para los recursos humanos y econmicos y para el medio ambiente. Este tipo de fallas han sido muy comunes en dcadas pasadas obligando a mejorar las tcnicas de construccin de presas de relaves en reas de alta actividad ssmica.

Prdida de la Capacidad Portante

Cuando el suelo que soporta una edificacin licua y pierde su resistencia, pueden ocurrir grandes deformaciones en el suelo, que ocasionan que la edificacin se asiente, se incline o sumerja. Aunque esta es una falla espectacular, es la menos comn producida por licuacin.

2.3. DAOS OCURRIDOS EN TERREMOTOS PASADOS POR EFECTOS DE LICUACIN

Si bien los efectos de la licuacin han sido comprendidos desde hace mucho tiempo, los ingenieros y sismlogos han tenido un recordatorio sobre su relevancia a partir de los terremotos de 1964 ocurridos en Niigata, Japn y Alaska. El fenmeno tambin jug un papel muy importante en la destruccin del Distrito de la Marina en San Francisco durante el terremoto de Loma Prieta ocurrido en 1989.

A continuacin se presenta un recuento de daos sufridos en terremotos pasados, debido a los efectos de la licuacin:

Terremoto de Niigata en Japn, en 1964

El terremoto de Niigata del 16 de Junio de 1964 tuvo una magnitud de 7.5 en escala de Richter y ocasion dao severo a muchas estructuras en Niigata. La destruccin se observ en aquellos edificios que fueron cimentados sobre depsitos de suelo suelto saturado. Segn el reporte del terremoto, se destruyeron 2000 casas y se perdieron 28 vidas. Un tsunami provocado por movimiento en la base del mar asociado con la ruptura de la falla, destruy totalmente el puerto de Niigata. Ver Imagen 1.

Imagen 1: Destruccin del puerto de Niigata, Japn (1964) por tsunami despus del terremoto.

El terremoto de Niigata, junto con el terremoto de Alaska tambin en 1964, han reportado fenmenos de licuacin y sus efectos devastadores han provocado la atencin de ingenieros y sismlogos. Una gran falla en el terreno ocurrida cerca de la orilla del ro Shinano donde los edificios de departamentos de Kawagishi-cho sufrieron fallas en la capacidad de soporte y se inclinaron severamente. A pesar de la excesiva inclinacin, los edificios sufrieron poco dao estructural (ver Imagen 2). Volcanes de arena y fisuras en el terreno fueron observados en varios lugares en Niigata (ver Imagen 3). El desplazamiento lateral ocasion un movimiento lateral en la cimentacin del puente Showa, tanto que los tramos entre los apoyos fueron sacados de lugar y por lo tanto trajo consigo el colapso, tal como se observa en la Imagen 4.

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

Imagen 3: Volcanes de arena y fisuras en el terreno, fueron observados en varios lugares de Niigata, 1964.

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

Terremoto de Alaska en U.S.A., 1964

El rea de la Costa Sur de Alaska ha experimentado muchos terremotos. El Viernes Santo, 27 de Marzo de 1964, un gran terremoto de magnitud Ms=9.2 golpe Prince William Sound y caus severos daos en forma de desprendimiento de tierra y licuacin, como se observa en la Imagen 5. Este evento ssmico dur 3 minutos aproximadamente y fue sentido en un rea de 500 000 millas cuadradas. Un fuerte tsunami aument la cantidad de dao en el muelle, ocasion muertes durante cinco horas despus del terremoto en la Ciudad Creciente, California.

Imagen 5: El Viernes Santo, 27 de Marzo de 1964, un gran terremoto de magnitud Ms=9.2 golpe Prince William Sound y caus severos daos en forma de desprendimiento de tierra y licuacin

Terremoto de Loma Prieta en EU (1989)

El terremoto del 17 de Octubre de 1989 en Loma Prieta (Ms=7.1) ocasion severos daos no slo en la vecindad del epicentro cerca de Santa Cruz, sino tambin en reas ms distantes hacia el Norte, alrededor de San Francisco y Oakland. La licuacin de suelo ocasion dao importante en las instalaciones marinas, estructuras y lneas de tuberas enterradas ubicadas en el rea de la Baha donde los suelos arenosos, sueltos, saturados fueron susceptibles a la licuacin. Los numerosos volcanes de arena (ver Imgenes 6 y 7) que fueron observados eran la evidencia de la ocurrencia de licuacin. La licuacin se observ en varios lugares, incluyendo el aeropuerto de Oakland, las zonas que se encuentran a lo largo del ro Salinas y la estacin de aterrizaje martima Moss.

Imgenes 6 y 7: Numerosos volcanes de arena fueron observados en varios lugares como evidencia de la ocurrencia de licuacin como el aeropuerto de Oakland, en las zonas que se encuentran a lo largo del ro Salinas y la estacin de aterrizaje martima Moss.

Terremoto de KOBE en Japn (1995)

El terremoto de Hanshin de 1995 (Ms=6.9), que comnmente se le llama terremoto de Kobe, fue uno de los ms devastadores terremotos que golpearon a Japn dejando ms de 5,500 muertos y otros 26,000 heridos. La prdida econmica se ha estimado cerca de 200 billones de dlares. La proximidad del epicentro a la regin altamente poblada, ayudan a explicar la gran prdida de vidas y el alto nivel de destruccin. El colapso espectacular de la autopista Hanshin (ver Imagen 8) ilustra los efectos de las altas cargas inducidas por el terremoto. Los movimientos fuertes del terreno condujeron al colapso de la autopista Hanshin, as mismo la licuacin ocasion dao severo al puerto de la ciudad, tal como se puede observar en las Imgenes 9, 10 y 11.

Imagen 8 Imagen 9 Imagen 10 Imagen 11

Terremoto en Chimbote, Per (1970)

A las 3:23 p.m. (hora local) del 31 de Mayo de 1970 ocurri un terremoto de magnitud Ms=7.8 y profundidad focal de 45 Km, con epicentro aproximadamente a 50 Km de la costa del Per, al Oeste de la ciudad de Chimbote. El terremoto activ un acelergrafo en Lima, cuya aceleracin mxima corregida fue de 0.11g. En Chimbote no se registraron aceleraciones; sin embargo la mxima intensidad del terremoto se calcul en grado IX en la escala de intensidades Mercalli Modificada. Ericksen et al., (1970) y Plafker et al., (1971) indicaron que en Casma, Puerto Casma y en zonas cercanas al litoral de Chimbote, se produjeron desplazamientos laterales del terreno causado por licuacin de depsitos deltaicos y de playa, ocasionando grietas en el terreno que derrumbaron las estructuras que las cruzaron. La zona central de Chimbote fue evidentemente un rea de licuacin de suelos, as como de asentamientos diferenciales de la cimentacin. Carrillo (1970) indic descensos en los terraplenes de acceso de casi todos los puentes de la Carretera Panamericana y asentamientos en las plataformas del Terminal Martimo de Chimbote. Tambin se present evidencias del fenmeno de licuacin en los depsitos de arenas saturadas de la calle Elas Aguirre, en Chimbote. Morimoto et al., (1971) describieron la ocurrencia de licuacin de suelos y prepararon un mapa de distribucin de grietas en el terreno y volcanes de arena en Chimbote. En la zona pantanosa se produjo licuacin generalizada, con grietas debido a compactacin diferencial; y en la zona aluvial, licuacin subsuperficial con grietas y volcanes de arena. En las Imgenes 12,13, 14 y 15 se ilustran algunos de los daos ocurridos en Chimbote debido a los efectos de licuacin.

Imagen 12: Volcanes de arena con grietas abiertas en la llanura aluvial del Ro Lacramarca.

Imagen 13: Resquebrajamiento del terreno en llanura aluvial del Ro Lacramarca.

Imagen 14: Agrietamiento del terreno en la llanura aluvial del Ro Lacramarca.

Imagen 15: Dao en el Puerto de Chimbote. Derrumbe del camino pavimentado.

2.4 DESCRIPCIN DEL FENMENO DE LICUACINPara comprender el fenmeno de licuacin es importante reconocer las condiciones que existen en un depsito de suelo antes de un sismo. Un depsito de suelo consiste de un grupo de partculas individuales de suelo. En las Figuras 1 y 2 se presenta una vista esquemtica de estas partculas, como se puede observar cada partcula est en contacto con un nmero de partculas vecinas. Las partculas de suelo apoyadas producen fuerzas de contacto entre ellas, estas fuerzas son las que mantienen en su lugar a las partculas individuales y proporcionan al suelo su resistencia.

INFORME PARCIAL: LICUACIN DE SUELOS2015

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Figura 1: Representacin de partculas en un depsito de suelo. La altura de la columna en azul a la derecha representa el nivel de la presin de agua de poros en el suelo.

Figura 2: La longitud de las flechas representa el tamao de las fuerzas de contacto entre las partculas individuales del suelo. Estas fuerzas son mayores cuando la presin de agua de poros es baja.

La licuacin ocurre cuando la estructura de una arena suelta saturada se altera deteriorndose debido a la aplicacin de una carga violenta. Al deteriorarse la estructura, las partculas que se encuentran empaquetadas comienzan a moverse libremente con la finalidad de conformar una estructura ms densa. En un terremoto, sin embargo, no hay tiempo suficiente para que el agua contenida en los poros del suelo sea expulsada. Esto est acompaado de un incremento en la presin de agua la cual reduce la fuerza de contacto entre las partculas individuales del suelo, tanto que la estructura de suelo comienza a ablandarse y a perder resistencia.

En la Figura 3, se observa como las fuerzas de contacto son pequeas debido a las altas presiones de agua. En un caso extremo, la presin de agua de poros puede llegar a ser tan alta que muchas partculas de suelo pierden contacto una con la otra, en tales casos, el suelo tendr muy poca resistencia, y se comportar ms como un lquido que como un slido.

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

La licuacin es un fenmeno en el cual la resistencia y rigidez de un suelo son reducidas por vibracin ssmica u otra carga de aplicacin violenta. La licuacin y otros fenmenos relacionados han sido responsables de la gran cantidad de daos durante la historia ssmica alrededor del mundo.

La licuacin ocurre en suelos saturados, esto es, suelos en los cuales el espacio entre las partculas individuales est completamente lleno de agua. Antes de un terremoto, la presin de agua es relativamente baja. Sin embargo, la sacudida del terremoto puede ocasionar el incremento de la presin de poros hasta el punto donde las partculas del suelo puedan moverse fcilmente una respecto a la otra. El sacudimiento ssmico frecuentemente ocasiona el incremento de la presin de agua, pero actividades relacionadas con la construccin, tales como las voladuras, pueden tambin ocasionar el incremento de la presin de agua.

Cuando ocurre la licuacin, la resistencia del suelo decrece y se reduce la capacidad del depsito para soportar las cimentaciones de edificios y puentes. El suelo licuado tambin ejerce alta presin sobre muros de contencin y destruye estructuras en la superficie del terreno. El incremento de la presin de poros puede tambin causar deslizamiento del terreno y causar el colapso en presas. La presa de San Fernando sufri un deslizamiento durante el terremoto de San Fernando en 1971 (ver Imagen 16). Afortunadamente no se produjo el colapso, con lo cual se previno un desastre potencial por inundacin de las grandes reas pobladas aguas abajo de la presa.

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

El trmino licuacin realmente se ha usado para describir una cantidad de fenmenos relacionados, los cuales pueden dividirse en dos principales categoras: Flujo por licuacin y Movilidad cclica.

Flujo por Licuacin

El flujo por licuacin es un fenmeno en el cual el equilibrio esttico es destruido por cargas estticas o dinmicas en un depsito de suelo con baja resistencia residual. La resistencia residual es aquella que posee el suelo despus de haber licuado. Cargas estticas, por ejemplo, pueden ser aplicadas por las edificaciones sobre una ladera en pendiente que ejerce fuerzas adicionales en el suelo por debajo de la cimentacin. Los terremotos, voladuras, y el hincado de pilotes son ejemplos de cargas dinmicas que pueden producir flujo por licuacin.

Las fallas debido al flujo por licuacin se caracterizan comnmente por grandes y rpidos movimientos los cuales pueden producir efectos desastrosos, como aquellos presentados anteriormente ocurridos en diferentes terremotos alrededor del mundo.

El desprendimiento de tierra del Turnagain Heights, en el terremoto de Alaska de 1964, el cual fue provocado por la licuacin de lentes de arenas en un rea deslizada de 52.6 Ha, es un ejemplo de flujo por licuacin, como se ilustra en la Foto 5. La presa Sheffield sufri una falla por flujo provocado por el terremoto de Santa Brbara en 1925 (ver Imagen 17). Una seccin de 90 metros (de los 220 metros de longitud de la presa) se desplaz ms de 30 metros. La presa consista principalmente de arenas limosas y limos arenosos compactados sobre el relleno (Seed et al., 1969).

Imagen 17: Falla de la presa Sheffield durante el terremoto de Santa Brbara en 1925.

Como estos casos histricos de falla por flujo, se pueden involucrar el flujo de volmenes considerables de material que experimentan grandes movimientos, los que son producidos por esfuerzos de corte estticos. Para provocar flujo por licuacin slo se necesita en algunos casos una perturbacin muy pequea.

Movilidad Cclica

La Movilidad Cclica es un fenmeno de licuacin provocado por una carga cclica, ocurre en depsitos de suelo con esfuerzos de corte estticos menores que la resistencia del suelo. Las deformaciones debido a la movilidad cclica se incrementan porque los esfuerzos estticos y dinmicos subsisten durante un terremoto. El desplazamiento lateral, es un resultado comn de la movilidad cclica, puede ocurrir sobre terrenos suavemente inclinados y en terrenos llanos cercados por ros y lagunas. El terremoto de Guatemala en 1976 ocasion un desplazamiento lateral a lo largo del ro de Motagua.

Sobre el nivel del terreno, debido a la alta presin de agua de poros ocasionada por licuacin, puede ser que el agua de poros fluya rpidamente a la superficie. Este flujo puede ocurrir durante la ocurrencia del terremoto como tambin despus de ste. Si el flujo de agua de poros asciende lo suficientemente rpido, puede llevar partculas de arena hasta la superficie donde se depositan formando volcanes de arena o ebulliciones de arena. Estos aspectos pueden observarse frecuentemente en lugares que han sido afectados por licuacin (ver Imgenes 3, 6 y 7).