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.
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.
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.
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
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.
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.
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.
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.
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:
y si se considera su
deformabilidad:
A su vez, el número de ciclos
significativos depende de la magnitud del
sismo, proponiéndose la siguiente
correlación:
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
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)
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:
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.
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.
Figura No 10. Resultados experimentales y
producidos por el modelo de Pastor et al.
(1,985).
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.
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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