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Proceso cíclico de licuefacción en suelos sujetos a solicitaciones sísmicas. Ejemplos de Casos



    I.
    Introducción.

    El presente Estudio se realizó en el área
    de la Ciudad de Managua (Nicaragua) con el objetivo de describir,
    explicar y mostrar detalladamente aspectos relacionados con el
    proceso cíclico de la licuefacción del suelo para
    la ordenanza física y uso de los territorios con miras a
    una planificación y organización estratégica
    e integral en base a las necesidades prioritaria de la capital
    con medidas de prevención y mitigación de desastres
    potenciales en Managua.

    La investigación se realizó en el marco
    del Programa Interuniversitario de Doctorado en Geología y
    Gestión Ambiental de los Recursos Minerales en la Sede
    Iberoamericana Santa María La Rábida en la
    Universidad Internacional de Andalucía (UNÍA) en la
    Ciudad de Huelva, República de España en el
    año 2010.

    Este Estudio es un esfuerzo logrado a través del
    conocimiento, herramientas y experiencias desde el 2008 al
    2010.

    Con la consecución de este trabajo se pretende
    proporcionar a las autoridades nacionales y municipales
    información básica sobre la importancia de conocer
    la temática de la licuación de suelos, a partir de
    los factores que originan su peligrosidad y los efectos que
    genera sobre las personas, la infraestructura y el ambiente.
    Asimismo, la necesidad de establecer medidas de prevención
    y mitigación que permitan reducir el riesgo en el
    ámbito territorial.

    Este trabajo contribuye con la generación de
    conocimientos actualizados y novedosos sobre el tópico
    aquí tratado; se aportan datos útiles y provechosos
    para las ciencias como la Ingeniería sísmica,
    geología e ingeniería civil y sectores de la
    sociedad moderna en el ámbito económico, ambiental,
    empresarial y geográfico. A su vez, se contribuye con la
    gestión de riesgos a desastres naturales, y se ofrece
    información relevante al sector turismo y ordenanza
    territorial por las nuevos hoteles y restaurantes
    previstos.

    La metodología desarrollada consistió en
    la observación, toma y medición de datos, los
    cuales fueron corroborados con la información actual
    existente.

    Los datos obtenidos son beneficiosos y útiles
    para académicos, ingenieros, científicos y
    público en general, quienes participan desde sus escuelas,
    colegios, universidades, instituciones politécnicas,
    instituciones de gobierno y centros de
    investigación.

    II. Aspectos
    conceptuales y definiciones sobre la licuefacción del
    suelo

    Se considera conveniente revisar conceptos
    básicos, propuestos por varios escritores:

    MET-ALARN (2005), se refiere con esta
    expresión a la facilidad o propensión del terreno a
    generar licuación del suelo. O bien, González
    Vallejos (2002), define este término como la posibilidad
    de que una zona quede afectada por un determinado proceso,
    expresada en diversos grados cualitativos y relativos. Depende de
    factores que controlan o condicionan la ocurrencia del proceso,
    que pueden ser intrínsecos a los propios materiales
    geológicos o externos.

    González Vallejos (2002), define
    suelos licuables, aquellos suelos con contenido areno- limoso, en
    estado saturado, al experimentar esfuerzos cortantes
    anómalos y rápidos, permiten un aumento de las
    presiones intersticiales (por falta de drenaje), en que la
    resistencia al corte (Foto 5) desaparece y el material se
    comporta como líquido, dando lugar a movimientos
    verticales y horizontales de su masa, que se traducen en
    deslizamientos, o en grandes asientos.

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    Foto 1. DAÑOS VIAL POR
    LICUACIÓN DE SUELO EN PRINCE WILLIAM SOUND,
    ALASKA. 1964

    Esta fuente, considera que este
    fenómeno de suelos areno-limosos flojos con baja
    permeabilidad ha dado lugar, durante terremotos, a grandes
    desastres. Por ejemplo, Niigata (Japón), en el terremoto
    de 1964, y Anchorage (Alaska) en ese año. (Véase
    Foto 6)

    En general, la licuación del terreno se produce
    cuando determinados tipos de suelos afectados por terremotos
    desarrollan elevadas presiones intersticiales de forma
    rápida (sin drenaje), dando lugar a una pérdida de
    la resistencia al corte (Foto 5) y a la rotura del suelo, que se
    comporta como si fuera un líquido.

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    Foto 2 . DETRIMENTOS EN SUBSUELO DE
    INFRAESTRUCTURA VIAL EN UN ÁREA DE LOS ESTADOS
    UNIDOS. 28/10/1989

    De acuerdo con González Vallejos (2002),
    el fenómeno de la licuefacción, como también
    es conocido, provoca el fallo de las cimentaciones, rotura de
    taludes y deslizamientos. Los suelos susceptibles a perder parte
    de su resistencia ante solicitaciones dinámicas son las
    arenas finas y flojas y las arenas y limos mal graduados. Otras
    de las condiciones necesarias para que tenga lugar este modo de
    comportamiento del suelo son niveles freáticos esté
    alto, cerca de superficie, que según Ineter para la Ciudad
    de Managua es bastante variable, y que el grado de
    compactación sea bajo, equivalentes a valores N de SPT
    inferior a 20 golpes. De acuerdo con la observación de
    zonas afectadas por licuación, ésta tiene lugar en
    las siguientes circunstancias:

    Sismos con magnitud igual o superior a 5.5 con
    aceleraciones superiores o iguales a 0.2g.

    – Por debajo de 15 metros de profundidad no
    se han dado licuefacciones.

    – En la mayoría de los casos donde se han
    observado licuefacciones el nivel freático estaba a poca
    profundidad, inferior a 3 metros; por debajo de 5 metros la
    susceptibilidad de licuefacción es muy baja.

    – Algunos expertos (Vallejos, 2002), consideran
    que una propiedades más importante que caracterizan los
    suelos licuefactables es el bajo grado de compactación, es
    decir N< 10 para profundidades < 10 m y N < 20 para
    profundidades > 10 metros.

    – Por su parte, Maximiliano Astroza en su estudio
    relativo a los Efectos de los Terremotos Chilenos en la Obras
    Civiles editado por la Universidad de Chile, considera que la
    licuación ocurre en suelos arenosos saturados que pueden
    transformarse en fluidos por efecto de un movimiento
    sísmico. Dada las condiciones que deben presentar los
    suelos, la licuación se observa en lo sectores ubicados
    junto a las riberas de los ríos o en el borde costero.
    Según la fuente, los daños originados por este
    proceso son espectaculares y se deben a grandes deformaciones de
    las fundaciones. Uno de los síntomas de la presencia de
    este fenómeno es la formación de cráteres
    con eyección de barros

    Otras de las definiciones existentes sobre la
    licuación del suelo están recogidas en u n "Mapa de
    Susceptibilidad de Licuefacción para la Península
    de Nicoya, Guanacaste, Costa Rica" elaborado por el Observatorio
    de Vulcanología y Sismología de Costa Rica de la
    Universidad Nacional Agraria ( OVSICORI-UNA,
    Octubre, 2003), quienes consideran este proceso (Figura No.1) en
    que los materiales térreos se licuan como una amenaza
    sísmica secundaria causada por una condición
    especial de algunos suelos o substratos constructivos, a veces
    llamados suelos suaves, principalmente aluviones y sedimentos
    poco consolidados al ser sometidos a las aceleraciones de un
    sismo de magnitud mayor o igual a 7.0. Como consecuencia los
    sedimentos que conforman los suelos aluvionales, en
    especial aquellos formados por arenas o gravas, pierden
    cohesión y forma original (adquirida durante su
    formación) y expulsan agua de los espacios entre los
    granos que forman el sedimento para deformarse en forma
    permanente. El agua que se libera del suelo o substrato se escapa
    a la superficie a través de grietas o
    volcanes de arenas.

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    Figura 1. MECANISMO DE LICUEFACCIÓN
    DEL SUELO.

    Según OVSICORI-UNA (Octubre, 2003), expresan que
    los daños causados directamente por la energía
    liberada por un sismo constituye la amenaza sísmica
    primaria. Sin embargo, existen sitios en donde las condiciones
    locales tienden a aumentar los daños causados por un sismo
    y se les conoce como amenazas sísmicas secundarias. Entres
    estas, la amplificación sísmica, la ruptura
    superficial por fallas, los deslizamientos inducidos por un sismo
    y la licuación de suelos.

    Con frecuencia las amenazas sísmicas secundarias
    producen más daños en sitios vulnerables a esas
    amenazas que la amenaza sísmica primaria o sea la
    liberación de la energía sísmica. Sauster
    (1989),
    opina que el estado de licuefacción, se
    presenta únicamente en suelos saturados y pocos densos
    como arenas y las arenas limosas sin consolidar.

    De igual manera, Rico, A. y Del Castillo, H. (1988),
    manifiesta que el fenómeno de licuación de suelo
    consiste en la pérdida rápida de
    resistencia al esfuerzo cortante, temporal o definitivo. Tal
    pérdida conduce al colapso a cualquier estructura civil
    (Figura 2) edificada sobre o hecha de un material que entre en
    licuación

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    Figura No. 2. ZONA LICUABLE EN CIMIENTOS DE
    UNA EDIFICACIÓN SIMPLE.

    Franz Sauter F., en su libro Fundamento de
    Ingeniería Sísmica del año 1989, define la
    Licuefacción del Suelo como la transformación de
    suelos granulares saturados y poco consolidados, por ejemplo
    arena, en una masa con propiedades de un líquido o fluido
    debido a la vibración del terreno causada por un
    sismo.

    Por su parte, Jesús González en su
    investigación sobre Evaluación de riesgo de
    licuación de suelos utilizando sísmicas de
    refracción somera en la isla barrera de la Laguna de
    Unare, Estado Anzoátegui, considera que los estudios de
    licuación de suelos se realizan mediante ensayos
    geotécnicos que generalmente resultan muy costosos, como
    por ejemplo: el ensayo de penetración estándar
    (Standard Penetration Test, SPT) y el ensayo de cono de
    penetración (Cone Penetration Test, CPT). De acuerdo con
    este autor, el fenómeno de licuación se considera
    un proceso no drenado, lo que implica que se presenta
    generalmente entre capas lutíticas que evitan que el agua
    salga del estrato licuado, y mayormente ocurre en suelos de
    comportamiento granular que tengan una distribución de
    partículas uniforme y con cierta cantidad o contenido de
    materiales finos como limos o arcillas, es decir, gravas y arenas
    bien gradadas, arenas finas y arenas limosas.

    III. Condiciones
    requeridas para el
    desarrollo de terrenos
    licuables

    La fuente opina que entre las condiciones necesarias que
    se deben reunir para que los suelos granulares experimenten el
    fenómeno de licuación se encuentran:
    gradación uniforme y redondez de sus partículas,
    deben estar sueltos y sometidos a elevados esfuerzos de
    confinamiento, el material debe poseer baja densidad, debe estar
    ubicado por debajo el nivel freático, lo cual le confiere
    la condición de ser un sedimento saturado, y
    principalmente, debe estar sometido a la acción de fuerzas
    dinámicas como las que generan los sismos. A medida que en
    un terreno granular el contenido de finos aumenta, disminuye la
    propensión a la licuación.

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    Foto No 3. Licuación de suelos en
    Kobe (Japón) tras terremoto del 17 de enero de 1,995.
    Fuente: Guilen, M.(2,006)

    Jesús González, manifestó
    que un suelo arenoso totalmente saturado se licua cuando la
    resistencia al esfuerzo cortante entre sus partículas
    disminuye a tal grado que la mezcla agua-suelo se comporta como
    un semilíquido o líquido. Tal fenómeno
    está condicionado por la generación de
    presión en el agua, también conocida como
    presión de poro, dentro de la masa del suelo, lo que
    determina la reducción de los esfuerzos efectivos, y con
    ello, la disminución y pérdida temporal de su
    resistencia al esfuerzo cortante. González, expresó
    que el fenómeno de licuación de suelos tiene un
    potencial destructivo muy alto. En muchos países, ha
    causado daños severos en obras de
    ingeniería, infraestructura y vivienda tales son los casos
    reportados durante los sismos de Michoacán, 1985 y
    Manzanillo, 1995 en México; Niigata, 1964 y
    Kobe, 1995 en Japón; Anchorage 1964 en Alaska y
    California, 1994 en E.U.A; por citar sólo algunos
    casos.

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    Foto No 4. Inclinación del edificio debido a
    fallos del terreno a causa de la licuación de suelos en
    Kobe (Japón) durante sismo del 17 de enero de
    1,995

    González, aseveró que para la
    estimación de potencial de licuación de suelo se
    sigue procedimiento estándar, el cual consiste en realizar
    inicialmente una clasificación de la zona de
    gradación en función de la granulometría y
    contenido de finos de los suelos en estudio utilizando
    ábacos específicos. Posteriormente se realiza
    el cálculo del valor de N equivalente (Neq),
    para de esta manera obtener los valores de presión
    vertical efectiva y aceleración equivalente (aeq), estos
    valores se calcularon a partir del valor de número de
    golpes N obtenido con ecuaciones empíricas que relacionan
    N con Vs, la cual se extrajo de la sísmica. Finalmente,
    empleando estos valores se puede determinar la factibilidad de
    licuación en función del tipo de suelo.

    Un caso reciente fue el terremoto de Kobe, que
    según Guillen, M. en sus trabajos opina que el suelo en
    esta ciudad esta formado por diferentes tipos de suelos sueltos,
    rocosos y blandos, problema que se presentó también
    en el de la ciudad de México y de San Francisco. El
    movimiento del terreno fue de período largo de
    aproximadamente 16 cm en la dirección horizontal y de 10
    cm en la dirección vertical, las más grandes
    jamás registradas en Japón tal como se ilustra en
    la gráfica que sigue. A su vez, Guillen, expresó
    que las aceleraciones y velocidades máximas se
    estimó en 832 gals y de más de 40
    cm/seg. , Lo cuál varía de acuerdo a la distancia
    al epicentro, esto significa aceleraciones cercanas al de la
    gravedad terrestre, lo que indica que muchos objetos e inclusive
    persona no podían mantenerse en pie, ya que para
    aceleraciones de 1000 gals, los objetos serían despedidos
    por los aires, inclusive aceleraciones del 50% de la gravedad
    arrojarían al suelo objetos de pie.

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    Figura No 3. Sismograma del terremoto de
    Kobe del 17 de enero de 1,995. Fuente: Guilen, M
    (2,006)

    Por su parte Alarcón, E. (1989), es del
    criterio que uno de los problemas más espectaculares que
    ha debido afrontar la ingeniería sísmica es la
    licuación o licuefacción de suelos. Alarcón,
    dice que los estudios más serios para interpretarlo se
    produjeron tras los terremotos de Niigata (1964) en Japón
    y Anchorage (1964) en Alaska, aunque el fenómeno era
    conocido de antiguo, y todos los laboratorios de mecánica
    del suelo del mundo tienen preparada una demostración de
    este. No obstante, Alarcón, opina que evidentemente un
    fenómeno tan complejo no puede ser representado con los
    modelos antes referidos.

    Su modelado matemático es todavía una
    cuestión abierta. Este autor, opina que la
    aproximación práctica de Seed consiste en comparar
    las curvas de tensión cíclica provocadas por N
    ciclos del terremoto de cálculo con la curva, determinada
    en laboratorio, de la tensión cíclica
    capaz de producir la licuación en N ciclos en el terreno
    en cuestión. De esta comparación es posible extraer
    la zona peligrosa, aunque para ello ha sido preciso desarrollar
    criterios que permiten pasar de un movimiento sísmico real
    a otro equivalente y uniforme.

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    Figura 4. Comparación de curvas de tensión
    cíclica de posible licuefacción en el laboratorio y
    en el terreno.

    Alarcón, E. (1989), expresó
    que un elemento de terreno que sufre en superficie una
    aceleración máxima, cuando toda la columna de suelo
    de altura h se comporta como un – suelo rígido:

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    y si se considera su
    deformabilidad:

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    A su vez, el número de ciclos
    significativos depende de la magnitud del

    sismo, proponiéndose la siguiente
    correlación:

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    Figura No. 5. Comportamiento de un elemento
    de terreno sometido a una aceleración en
    superficie.

    IV.
    Modelación gráfica de licuefacción de
    suelos

    Según Alarcón, E. (1989), esto
    permite construir curva de tensión cíclica
    producida por el terremoto a cada profundidad y escoger el
    número de ciclos a que debe ensayarse en una muestra en
    laboratorio tal como se ilustra en las figuras que
    siguen

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    Figura No 6. Curvas de tensión cíclica: a)
    resultado de ensayo en laboratorio. b) gráficas de
    variables parámetricas en función del número
    de ciclos. Fuente: Alarcón, E. (1989)

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    Figura No 7. Curvas de tensión
    tangencial equivalente en función de la tensión
    vertical efectiva considerando la magnitud del terremoto M, y
    resistencia a la penetración N. Fuente: Alarcón, E.
    (1989)

    Según Alarcón, E. (1989), las expresiones
    gráficas descritas se resumen en el siguiente modelo
    numérico que opera considerando la magnitud del terremoto
    y la resistencia de penetración N1, siendo esta la
    ecuación, y demás gráficas que se le
    relacionan:

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    Figura No 8. Comportamiento de arenas de
    diferente valor de densidad. Fuente: Alarcón, E.
    (1989)

    No obstante, Alarcón, E., considera que un modelo
    muy prometedor ha sido desarrollado recientemente por Pastor e.
    al., sobre la plastificación con otras de potencial
    plástico, del cual no se tiene una plasticidad no
    asociada. Por ejemplo, tenemos en las gráficas el
    comportamiento de las arenas en estado suelto, y otro denso tal
    como se ilustra más abajo.

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    Figura No 9. Comportamiento de arenas de
    distinto grado de plasticidad. Fuente:
    Alarcón, E. (1989)

    Alarcón, E. (1989), es del criterio
    que los modelos hasta aquí propuestos ponen de manifiesto
    su capacidad predictiva validados a través de ensayos
    experimentales y simulaciones numéricas.

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    Figura No 10. Resultados experimentales y
    producidos por el modelo de Pastor et al.
    (1,985).

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    Figura No 11. Resultados experimentales y
    producidos por el modelo de Pastor et al.
    (1,985).

    Por otro lado, Alva Hurtado, J. E., se expresa
    sobre un caso típico de licuación como los
    acontecimientos ocurridos en el Puerto de Tahuishco en Moyobamba.
    Según el autor, se desarrollaron desplazamientos laterales
    en la escuela de Tahuishco en 1991 con grietas de 10 cm de ancho
    y 50 cm de profundidad. El piso de un aula fue destruido. En 1990
    el fenómeno no alcanzó al edificio de la escuela,
    pero ocurrió en el patio de la escuela; también
    aparecieron volcanes de arena en el patio de la escuela. Durante
    terremotos de Chimbote del 31 de mayo de 1970, y los terremotos
    del 29 de mayo de 1990 y el 04 de abril de 1991 en
    Perú, se dañaron segmentos de la carretera entre
    Moyobamba y Tahuishco.

    En Azunge, ubicado en las partes bajas de Moyobamba, se
    desarrollaron grietas en el terreno y desplazamientos laterales.
    Se reportó grietas de 100 m de longitud y 40
    cm de ancho con 1 m de profundidad. La mayoría de las
    casas sobre los taludes se derrumbaron. La estación de
    bombeo y cañerías del alcantarillado fallaron.
    Todas las casas de tapial y algunas casas de
    albañilería en terreno blando se derrumbaron. En
    Shango, las casas de tapia colapsaron. Se observaron grietas de
    80 m de longitud y 20 cm de escarpa. En la calle Miraflores, las
    grietas eran de 30 m de longitud y 30 cm de
    profundidad. Durante el terremoto de 1990 se reportó
    licuación de suelos en El Chorro y Molino Valencia en
    Rioja, también en Segunda Jerusalén-Azunguillo,
    río Negro y La Conquista.

    En el mapa que sigue presenta los efectos del terremoto
    en la ciudad de Moyobamba. El subsuelo en las partes más
    bajas de la ciudad, como Tahuishco, Azungue y Shango consiste de
    arenas finas y arenas limosas con densidades relativas bajas y el
    nivel de agua alto. El suelo en los taludes se constituye
    principalmente por arenas arcillosas y limosas con densidad media
    y el nivel de agua relativamente bajo, considerando
    que el terreno en la parte elevada de la ciudad (meseta) consiste
    en arcillas y arenas arcillosas de media a baja capacidad
    portante y nivel de agua profundo. Las Intensidades
    sísmicas en las partes más baja fueron dos grados
    más altas que en la parte elevada de la ciudad de
    Moyobamba.

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    Mapa No l. Efectos del Terremoto en 1a
    Ciudad de Moyabamba (Perú) por 1os Sismos el
    29 de Mayo de 1990 del 4 de Abril de 1991

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