Licuación de Suelos

 

LA LICUEFACCIÓN O LICUACIÓN DEL SUELO - Causa que el suelo llegue al límite de las deformaciones, ya sea por las tensiones remanentes en el suelo que producen deformaciones o por la dilatación del suelo, posteriormente la presión de poros cae, y el suelo se estabiliza bajo las cargas aplicadas. - Describe un fenómeno temporal en el que un suelo parcialmente saturado o saturado pierde sus propiedades de resistencia y rigidez debido a un cambio repenno en la condición de esfuerzos, ocasionado por un incremento súbito en el esfuerzo cortante, lo que se traduce en la rápida generación de un exceso de presión de poros. - Esta condición origina que el suelo se comporte temporalmente como un líquido. - La licuefacción puede ocurrir cuando hay presencia de nivel freáco alto. - La licuefacción se da debido a la perdida de la resistencia de corte de un suelo debido al incremento rápido de la presión de poros, es así que si se impide el drenaje, la presión de poros aumenta, si la presión de poros aumenta los esfuerzos efecvos disminuye disminuyen. n. - Cuando ocurre la licuefacción, la resistencia del suelo decrece y su capacidad de carga (asociada a los esfuerzos efecvos) se reduce originando grandes asentamientos o volcamiento de la estructura. - Denota una condición en la que durante el curso de la aplicación de tensiones cíclicas, la tensión residual de poros es igual a la tensión de connamiento aplicada al completarse cualquier ciclo de tensiones. Si el estado de tensión llega a esta condición se produce licuefacción.

LICUEFACCIÓN DE SUELOS Se traduce en una pérdida de resistencia al corte del terreno generado por un incremento súbito del exceso de presión de poros en el suelo de manera tal que el esfuerzo efecvo sea cero. 1. Para el mismo volumen A tenemos la siguiente relación:  σ T = σ ' + u  2. Debido a un evento que genera un incremento súbito en la presión de poros tenemos:

σ T =( σ ' −∆ u )+( u + ∆ u )  Se verica que se produce un exceso de presión de poros ∆  3. Si el incremento generado es tal que se produce la siguiente igualdad:

σ T =( u + ∆ u ) Entonces la presión efecva será cero ( ′ = 0), lo que signica que en ese instante no existe contacto entre las parculas que conforman el suelo y que éstas se encuentran otando en el agua. Por tanto el conjunto se comporta con la misma estabilidad de un líquido.

 

NORMA E.050 SUELOS Y CIMENTACIONES Cuando la historia sísmica de la zona haga sospechar la posibilidad de licuefacción, el programa de exploración de toda el área compromeda por la estructura debe incluir perforaciones hasta 15m de profundidad como mínimo y en la densidad que especica la norma de acuerdo al po de estructura. Las perforaciones deben tener una profundidad mínima de 15m y deben ser realizadas por las técnicas de lavado o rotava con ensayos de SPT por cada 1m. En el arculo 38 se indica que para que un suelo granular sea suscepble de licuar durante un sismo debe presentar simultáneamente: 



Estas constuido por arena, arena limosa, arena arcillosa, limo arenoso no plásco o grava empacada en una matriz de alguno de los suelos anteriores. Encontrarse sumergido.

En este caso se debe incluir en el EMS un análisis determinísco y probabilísco del Potencial de Licuación de la zona e indicar la probabilidad de ocurrencia.

FUERZAS Y PRESIONES ENTRE PARTÍCULAS DEL SUELO Recordemos que el suelo es un medio disconnuo conformado por parculas. En los contactos entre estas parculas se generan fuerzas de reacción del po normal y del po cortante, perpendicular y paralela a las supercies de contacto respecvamente.

Recordemos también que dadas las supercies de contacto, estas fuerzas generan esfuerzos del mismo po. Por otro lado si tenemos saturación del suelo tendremos la presencia de presión de poros del po hidrostáco (u).

 

ESFUERZOS TOTALES Y EFECTIVOS Todo volumen de suelo, a cualquier profundidad, se encuentra somedo a una presión de conna con namie miento nto,, la cual es función función de la profun profundid didad ad de dicho   volumen respecto de la supercie. Así, para el elemento A (volumen pequeño de suelo) tenemos:

σ ´ =γ nat  (  zz − z w ) + γ ∑ ¿ ( z ) ¿ w

u =γ w z w σ T = σ ´ + u γ ∑ ¿=γ ´ = γ 

− γ w ¿

sat 

CONDICIONES PARA QUE SE PRODUZCA LICUEFACCIÓN 1. 2. 3. 4. 5.

Suelos Suelos Granular Granulares es principa principalment lmente e arenas arenas (hay (hay evidenci evidencia a de ciertos ciertos casos de licuación licuación en gravas y limos). Suelos Suelos de dens densida idad d rela relava: va: suel sueltos tos a muy suelto sueltoss Sue uelo loss sat saturad urados os Muy poco conten contenido ido de suel suelos os nos nos (limos (limos y arcil arcillas las)) Incremento Incremento súbito del esfue esfuerzo rzo cortante cortante que genera genera exceso exceso de presión presión de de poros poros (generado principalmente por eventos sísmicos, falla de fresas adyacentes, procesos de voladura, etc.)

SUELO LICUABLE - Suelos que pierden el contacto grano a grano y licuan como el resultado de cargas cíclicas tales como olas y movimientos sísmicos. - Generalmente los suelos potencialmente licuables son arenas de baja densidad con presencia de nivel freáco alto. - El suelo pierde su resistencia al corte y se comporta como un líquido denso.

RELACIÓN DE VACÍOS CRÍTICA CVR - La arena densa, cuando es someda a corte, ende a dilatarse, mientras que la arena suelta, bajo las mismas a disminuir de encaje de los condiciones granos. (Verende dilatancia, Lambe).de volumen. Este efecto se produce por el nivel

 

- Casagrande (1936) asoció el fenómeno de licuación con la relación de vacíos críca. Además, Casagrande encontró que este valor ene relación con la presión efecva de connamiento y llamo a la curva Relación de Vacíos Críca (CVR).

SUELOS GRANULARES DESENCADENANTES:      

Terremotos Hinca de Pilotes Compactación por vibración Voladura para demolición y/o excavaciones Compactación de suelos con explosivos Falla de presas

SUELOS COHESIVOS Algunos suelos arcillosos pueden ser vulnerables a perder resistencia durante los sismos. Estos enen como caracteríscas: Porcentaje de arcilla menor al 15%, LL WL menor igual a 35 y contenido de humedad mayor a 0.9 WL Si el contenido de arcilla es mayor al 20%, el suelo no es licuable, a menos que sea extremadamente sensivo. sensivo. Si el contenido de humedad de cualquier suelo arcilloso es menor que 0.9 WL el suelo no es licuable.   

Arcillas Sensivas Lixiviación de agua salada y reemplazo por agua de lluvia Perdida de la cementación natural

ALGUNOS CASOS DE LICUEFACCIÓN EN EL PERÚ

SISMICIDAD EN EL PERÚ - Foco: O hipocentro, es el punto en el cual se origina la ruptura. La primera onda P llega desde ese punto. - Epicentro: Proyección del foco o hipocentro en la supercie terrestre. - Magnitud: Candad de energía liberada durante el evento sísmico. Se calcula en función de la amplitud de la señal o del área de ruptura de la fuente. Es un dato cuantavo. El valor de la magnitud es único para cada evento sísmico.

 

- Int Intens ensida idad: d: Fuerza Fuerza que se sie siente nte en una ubicació ubicación n dada dada y es medid medida a por los efectos efectos destrucvos. Su cuancación es cualitava. - Aceleración máxima (PGA): Aceleración máxima que ocurre en un determinado instante de empo durante el sismo. No es constante. - Escalas de Magnitud: Diferentes formas de cuancar la energía liberada    

Magnitud de Ritcher (ML) Magnitud de Ondas de cuerpo (mb) Magnitud de Ondas superciales (Ms) Magnitud Momento (Mw)

Son de interés en ingeniería los eventos de gran magnitud (Mw≥4) y por ello empleamos la escala de Magnitud Momento ya que ésta no se satura con valores altos.

- Período de retorno (TR): Es el empo promedio que transcurre para que un evento sísmico vuelva a ocurrir con la liberación de energía similar y en la misma zona de ruptura.

 

- Período de exposición (tv): Es el empo en el cual la estructura a diseñar estará expuesta a la posible ocurrencia del evento sísmico. - Probabilidad de excedencia: Probabilidad de que un cierto c ierto parámetro sea igualado o superado. En ingeniería trabajaremos principalmente con la aceleración horizontal. −tv

 Pr ( %) =1 −e TR

CURVAS DE ISOACELERACIONES: La primera estación acelerográca instalada en el Perú data de 1944 en la Estación Parque de la Reserva (po STD) por el U.S. Coast and Geodecal Survey en cooperación con el IGP. Sin embargo el Catálogo sísmico del que se dispone en el Perú data de 1960 a la fecha y el número de estaciones acelerográcas ha ido en aumento. Con las estaciones instaladas diversos autores han realizado invesgaciones mediante métodos probabilíscos para esmar las aceleraciones en supercie en el territorio nacional: - Casaverde y Vargas(1980) -- Monroy Alva y Casllo (1993) y Bolaños (2004) - Gamarra y Aguilar (2009) - IGP (2014) - Roncal y Aguilar (2017) Al emplear las curvas de isoaceleraciones se debe tener cuidado en el período de retorno empleado, el po de suelo (según Vs) y la ordenada espectral (usar T=0.0s)

MÉTODOS DE CÁLCULO DEL POTENCIAL DE LICUEFACCIÓN

   

MÉTODOS DE CÁLCULO  En el presente curso estudiaremos los siguientes métodos: - Método determinísco: Método propuesto por Seed & Idriss (1971) con algunas actualizaciones mostradas en el workshop 1997. - Método probabilísco: Método de Youd & Noble (2001)

MÉTODO DETERMINÍSTICO DE SEED – IDRISS El análisis de licuefacción del suelo consiste en esmar el comportamiento de la resistencia al corte del suelo, a parr de la alteración de un estado inicial.

La NORMA E.050: propone que el análisis del potencial de licuación se debe realizar ulizando el método propuesto por Seed e Idriss.

 

SEED E IDRIS. En base al sismo ocurrido en Nigata en 1964 y muchos otros datos históricos y resultados de laboratorio en arenas limpias somedas a ensayos triaxiales cíclicos, propusieron un método simple para esmar la resistencia a la licuación de las arenas tomando en cuenta la densidad relava derivada del ensayo S.P.T. Finalmente esta información se complementó al presentar un nuevo criterio donde se establece la importancia del contenido de nos en la resistencia a la licuación de las arenas.

EL SUELO COMO ELEMENTO RÍGIDO Se asume, por simplicación, un comportamiento de sólido rígido para el suelo. En la base del prisma se generará un esfuerzo cortante ❑máxr  que es generado como respuesta de la acción sísmica considerando al suelo como un elemento rígido. Sin embargo, el suelo no ene un comportamiento rígido, sino deformable.

EL SUELO COMO ELEMENTO DEFORMABLE Debido a que se considera que el comportamiento del suelo es deformable, el esfuerzo cortante máximo generado será menor, ❑máxd . 

❑máxr =

γ ∗h  a   g máx

❑máxd =❑máxr∗ r d  

El factor r d  es un factor de reducción que permite obtener los resultados para un elemento deformable a parr de los resultados previos para un elemento rígido.

FACTOR DE REDUCCIÓN, RD SEED E IDRISS - 1971 Este parámetro se encuentra en función al po de suelo, densidad relava, profundidad, etc.

( τ max ) d rd = ( τ max ) r

 

r d  propuesto por el NCEER 1997

ESFUERZO CORTANTE PROMEDIO DE UN SISMO El acelerograma de un esfuerzo cortante de un sismo presenta una forma irregular. Sin embargo, para el análisis es necesario determinar un valor promedio uniforme equivalente. Dado que el método emplea únicamente un valor constante para la aceleración, a celeración, a pesar de que ésta sea variable en el empo.

El esfuerzo de corte promedio normalizado de un sismo es aproximadamente el 65% del máximo esfuerzo de corte. Luego se emplea este valor como una representación de una aceleración constante equivalente del sismo ocurrido.

CSR: CYCLIC STRESS RATIO

 

Se dene como el esfuerzo cortante cíclico normalizado inducido por el sismo, para el cálculo de este se toma en cuento los tres factores mencionados: Solido rígido, El suelo es deformable, esfuerzo de corte promedio normalizado, es así como:

σ v

∗amax   ∗r d

 τ av σ ´  CSR = = v σ ´ v g

0.65

  τ av = CS Req = σ ´ v

∗σ v ∗a

max

σ ´ v

g

 

∗r d

¿CÓMO OBTENER EL PGA? La aceleración horizontal máxima podrá ser obtenida en orden de precisión: 1. Estudio de Peligro Sísmico 2. Curvas de Isoaceleraciones 3. Norma E.030 Para el curso se emplearán las curvas de isoaceleraciones que se indiquen en cada caso, se deberá tener presente que se empleará un Tr = 475 años, tv = 50 años y Te = 0.0 s.

MAGNITUD MW La magnitud momento Mw podrá ser obtenida en orden de precisión: 1. Análisis de desagregación sísmica 2. Valores máximos de magnitud registrados en eventos históricos cercanos a la zona del proyecto Ejemplo de los resultados obtenidos de un an anál ális isis is de de desa sagr greg egac ació ión n sísm sísmic ica a qu que e permite obtener la Magnitud y distancia al punto de análisis de la fuente sísmica con mayor aportaci ció ón en el cálculo de in inte tegr grac ació ión. n. Se pued puede e real realiz izar ar con con el sow sowar are e CR CRIS ISIS IS (d (des esar arro roll llad ado o por por la UNAM).

RESISTENCIA A LA PENETRACIÓN NORMALIZADA La resistencia a la penetración estándar, N corregido, medida en campo, reeja la inuencia de la presión efecva de connamiento. Para eliminar este efecto, se propone le uso de  N 1 resistencia a la penetración normalizada de un suelo bajo una presión efecva de 1.033 kg/cm².

 N ´ = N 1=( N 1 )60= N 60 C  N 

 

C  N =

√

1.033

σ ´ vo

C  N  ≤ 1.7

N 1 )60   Curvas simplicadas para el cálculo del CRR a parr del SPT (  N  Ref.: NCEER 1997 Estas curvas son para un Mw = 7.5

 

CORRECCIÓN DE N POR CONTENIDO DE FINOS Cuando el contenido de nos de la arena a rena invesgada es mayor del 5%, el valor de (N1)60 debe ser corregido. La siguiente corrección se debe usar si el CF es mayor a 5% y se quiere ulizar la curva base de arena limpia (ecuación o gráco).

 N  ) cs =α + β ( N   N  ) ( N  1 60

1 60

 

Esto se debe a que el grado de drenaje durante la ejecución del ensayo de penetración SPT, disminuye con el incremento del contenido de nos (CF), por lo tanto, el número de golpes medido durante el ensayo, subesma la resistencia a la licuefacción en las arenas limosas. Para compensar este efecto se recomienda aumentar el número de golpes del SPT a medida que aumenta el contenido de nos del suelo granular.

 

 N  ) ( N 

=( N  ) + ∆ ( N  )

 

1 60

1 60

1 60 CF 

 N 1) 6  puede ser evaluado a parr del contenido de nos de la arena ccon on la El valor de ∆ ( N  siguiente ecuación propuesta por Idriss y Boulanger 2004.

(  ) )

 9.7 15.7 ∆ ( N   N 1) 60 = exp  ( 1,63 + − CF  CF 

2

CRRM La resistencia a la corte cíclica resistente se calcula en función al ensayo SPT normalizado a una presión efecva de 1.0 kg/cm². Para su cálculo es necesario corregir el numero SPT y determinar el CRR a una magnitud de 7.5 MW y nalmente ajustarlo mediante el factor de escala de magnitud MSF para el sismo solicitado.  

 N 1( 60) CS

1

CR R 7.5= 34 − N 

( ) CS

1 60

 MSF =

+

135

CR R M = 7.5

CR R M = MSF ∗CR R M =7.5

 MSF ≤ 1.13

MSF

(   )+ − M  4

0.828

 1

50

+ ( 10 ¿ N  (

1 60

  CR R M 

 MSF =1.12∗exp

 

+ 45 ) + 200 2

) CS

 

RESISTENCIA A LA PENETRACIÓN NORMALIZADA Para arenas con D50 > 0.25mm se debe usar la correlación estándar para arenas en función de la magnitud. Para limos arenosos y limos ubicados bajo la Línea A y con D50