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X JORNADAS GEOTÉCNICAS DE LA INGENIERIA COLOMBIANA
RESISTENCIA DE LOS SUELOS A LA LICUACIÓN:COMENTARIOS A LA NORMA NSR-98
CARLOS ARTURO CORONADO R., ICProfesor Pontificia Universidad Javeriana, Cali.
GERMAN A. VILLAFAÑE R, IC, ME.Profesor Universidad del Valle, Cali
LUIS CARLOS RÍOS G., IC.Gerente de SAYA Ltda, Cali
.
RESUMEN:
En este documento se hace una descripción de los fenómenos relacionados con la licuación yde la susceptibilidad de los depósitos de suelos, se presentan las recomendaciones recientespara la aplicación del Procedimiento Simplificado, y una metodología simple para ladeterminación de zonas potencialmente licuables. Adicionalmente, se muestran los resultadosde la evaluación del potencial de licuación de un sitio de la llanura de inundación del río Cauca,para el cual se calcula el incremento y disipación de la presión poros que se espera durante elsismo de diseño.
1. INTRODUCCIÓN
La licuación es un proceso que generalmente ocurre en arenas saturadas que tienden adensificarse cuando son sometidas a cargas cíclicas o monotónicas. Si el drenaje es lento oinexistente la presión de poros se puede incrementar hasta anular el esfuerzo efectivo, con locual sobreviene la flotación de las partículas y la perdida de la resistencia al esfuerzo cortante.En el suelo licuado se producen grandes deformaciones para muy bajos esfuerzos de corte, lascuales causan daños a los edificios, puentes, líneas vitales y obras de infraestructura engeneral.
En el occidente Colombiano los terrenos susceptibles a licuarse están constituidos de suelosaluviales de las llanuras de inundación de los ríos principales como el Cauca y los afluentes dela vertiente del Pacífico y del Atrato, así como las formaciones deltaicas, intermareales, litoralesy pantanosas (Velásquez y otros, 1996). Resulta entonces de gran importancia evaluar laresistencia de los suelos a la licuación, para lo cual en el ámbito mundial se ha usadoampliamente una metodología denominada procedimiento simplificado. Este procedimiento fueadoptado por las Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo Resistente (NSR-98).
Si bien el procedimiento simplificado ha marcado el estado de la práctica, también es cierto quemuchas investigaciones han permitido desarrollar modelos numéricos basados en el método delos elementos finitos (FEM), que permiten realizar mejores predicciones del comportamiento delas capas de suelos potencialmente licuables, facilitando la elección de soluciones de mitigaciónmás adecuadas. Todo esto ha ido acompañado del avance de la tecnología computacional, loque ha permitido el uso de software sofisticado para lograr un mejor análisis geotécnico de lassoluciones planteadas.
2. FENÓMENOS RELACIONADOS CON LA LICUACIÓN
El fenómeno de la licuación en sí mismo no es particularmente destructivo o peligroso. Solocuando la licuación es acompañada por algún tipo de desplazamiento o falla del terreno, resultadestructivo para las edificaciones. Para los fines de ingeniería, la ocurrencia de la licuación noes el factor de primera importancia, sino la severidad o la capacidad destructiva de ésta. Losefectos destructivos de la licuación pueden tomar muchas formas, entre otras: falla de flujo,corrimiento lateral, oscilación del terreno, pérdida de capacidad portante, asentamientos, eincrementos en las presiones laterales sobre muros de contención.
Falla de Flujo
La falla de flujo es el tipo de falla más catastrófico causado por la licuación pues comúnmentedesplaza decenas de metros grandes masas del terreno. En unos pocos casos las grandesmasas de suelo han viajado decenas de kilómetros, a través de largos taludes, a velocidadespor encima de los diez kilómetros por hora. Los flujos pueden estar compuestos de suelocompletamente licuado o por bloques intactos de material flotando sobre la capa de sueloslicuados. Los flujos se presentan en arenas y limos sueltos y saturados, en taludesrelativamente empinados con pendientes superiores a los 3 grados (Figura 1).
Figura 1. Falla de flujo causada por licuación (Youd, 1992)
Corrimiento Lateral
El corrimiento lateral involucra el desplazamiento de grandes bloques de suelo como resultadode la licuación. El desplazamiento ocurre en respuesta a la combinación de las fuerzas de lagravedad y las inerciales generadas por el sismo. Los corrimientos laterales se presentan por logeneral en pendientes suaves (comúnmente menores a los 3 grados) y se incrementan en lascercanías a un canal o un río, tal como lo indican las dimensiones de las flechas de la Figura 2.La magnitud de los desplazamientos horizontales generalmente varia en el orden de los metros.Las capas de suelos desplazados en general presentan fisuras, fracturas, escarpes yhundimientos de bloques (graben). Los desplazamientos laterales generalmente afectan lasfundaciones de edificios, puentes y líneas vitales.
Un ejemplo muy claro de corrimiento lateral del terreno ocurrido en Colombia se presentó en lapoblación de Murindó, en el Urabá Antioqueño, ubicada en la llanura de inundación del ríoMurindó, durante los sismos del 17 y 18 octubre de 1992, el cual destruyó casi todas lasedificaciones en mampostería (hospital, alcaldía, iglesia), así como las redes de acueducto,alcantarillado y energía (Velásquez y otros, 1996).
Figura 2. Corrimiento lateral debido a licuación (Youd, 1992)
Oscilaciones del Terreno
Donde el terreno es plano o la pendiente demasiado suave para permitir corrimientos laterales,la licuación de estratos subyacentes puede causar oscilaciones que no dependen de las capassuperficiales, la cual se manifiesta hacia los lados, arriba y abajo en la forma de ondas deterreno. En general, dichas oscilaciones son acompañadas por la apertura y cerramiento defisuras en el suelo, y la fractura de estructuras rígidas como los pavimentos y tuberías (Figura3).
Las manifestaciones de oscilaciones del terreno han sido evidentes en muchos sismos. En el deLoma Prieta-USA (1989), en el Distrito Marina en San Francisco en extensas áreas sepresentaron roturas en las tuberías, pavimentos y aceras peatonales debido a las oscilacionesdel terreno.
Figura 3. Oscilación horizontal del terreno causada por licuación (Youd, 1992).
Pérdida de la Resistencia del Suelo de Soporte
Cuando el suelo que soporta un edificio u otra estructura se licúa y pierde su resistencia, sepueden presentar grandes deformaciones en su interior, las cuales hacen que las estructurassuperficiales se asienten y se inclinen. Las fallas más espectaculares que se conocen por éstefenómeno ocurrieron en el sismo de Niigata-Japón (1964), cuando algunos de los edificios de 4pisos del Condominio Kawangishicho se giraron hasta unos 60º. Por el contrario los tanquesenterrados y pilotes pueden flotar en el suelo licuado (Figura 4).
Figura 4. Pérdida de la resistencia del suelo de soporte por licuación (Youd, 1992).
Asentamientos
En muchos casos el peso de la estructura puede ser insuficientemente para causar los grandesasentamientos asociados con las perdidas de capacidad portante descritas anteriormente. Sinembargo, pueden ocurrir pequeños asentamientos cuando la presión de poros se disipa y elsuelo se consolida después de un sismo. Estos asentamientos pueden causar daños aunquemenores a los producidos por fallas de flujo, corrimientos laterales o perdidas de capacidadportante. La erupción de volcanes de arena, o mezclas de sedimentos que emanan a partir delas capas licuadas, son una manifestación de la licuación que puede conducir también aasentamientos diferenciales localizados.
Incrementos de la Presión Lateral sobre Muros de Contención
Si el suelo de relleno de un muro de retención se licúa, las presiones laterales sobre dicho murose pueden incrementar enormemente. Como un resultado de esto, el muro puede desplazarseen el sentido lateral, cabecear o fallar estructuralmente como se ha observado en un grannumero de rompeolas e islas artificiales durante varios sismos.
3. SUSCEPTIBILILIDAD A LA LICUACIÓN
Es importante reconocer que la licuación no ocurre de manera aleatoria y que por el contrario serequieren ciertos ambientes geológicos e hidrológicos, y que ocurre principalmente en depósitosrecientes de arena y limo con altos niveles freáticos. Los más susceptibles están constituidospor los depósitos del Holoceno (con una edad inferior a los 10.000 años), pero es muy raro quese presente en depósitos de suelos de edad anterior a los del Pleistoceno. Los depósitosrecientes ubicados en deltas de canales y ríos, llanuras de inundación, depósitos eólicos yrellenos pobremente compactados son los más susceptibles a la licuación.
Entre más reciente, suelto y saturado sea un depósito de suelos granulares, será mucho mássusceptible a la licuación. Son más susceptibles las arenas finas relativamente uniformes. Sonmenos susceptibles los depósitos bien gradados con tamaños hasta de gravas, aunque éstasúltimas ocasionalmente se licúan. Son más susceptibles los suelos con partículas redondeadasque aquellos con partículas angulares. Así mismo, los suelos volcánicos con partículasmicáceas. El contenido de finos y su plasticidad reducen la susceptibilidad a la licuación.
La licuación se ha presentado con mayor frecuencia en áreas con niveles freáticos superficiales,a profundidades menores que 10 m. En muy pocos casos se han registrado fenómenos delicuación en zonas con niveles freáticos a profundidades superiores a los 20 m. Igualmente lossuelos densos, incluyendo los rellenos bien compactados, tienen baja susceptibilidad a lalicuación.
Una vez se identifican las áreas más susceptibles a la licuación es posible realizarinvestigaciones geotécnicas detalladas para evaluar la resistencia de los suelos a la licuacióncomo se indica a continuación.
4. RESISTENCIA DE LOS SUELOS A LA LICUACIÓN.
La resistencia de los suelos a la licuación se expresa comúnmente en términos de un factor deseguridad. Este factor se define como la relación entre la resistencia disponible a la licuación,expresada en términos del esfuerzo cíclico requerido para alcanzar la licuación, y el esfuerzocíclico generado por el sismo de diseño. Generalmente ambos esfuerzos se normalizan conrespecto al esfuerzo efectivo existente a la profundidad en consideración. En la mayoría de losdiseños se utilizan factores de seguridad entre 1.2 y 1.5 (FEMA 223 y 223A, 1995). El factor deseguridad deberá tener en cuenta el tipo e importancia de la estructura y el potencial dedeformación del terreno.
A continuación se hacen algunos comentarios sobre los modelos físicos, procedimientosempíricos y métodos analíticos que se utilizan para evaluar la resistencia de los suelos a lalicuación.
Modelos Físicos
Estos métodos requieren del uso de centrífugas o tablas vibradoras para simular la cargasísmica bajo condiciones de contorno bien definidas. El suelo utilizado en el modelo esremoldeado para representar diferentes densidades y condiciones geométricas. A causa de lasdificultades en conseguir un modelo con las mismas condiciones del sitio, los modelos físicosrara vez se utilizan para estudiar la resistencia a la licuación de un sitio específico. Sin embargo,los modelos físicos son valiosos para analizar y entender el comportamiento generalizado delsuelo y para evaluar la validez de modelos constitutivos bajo condiciones de contorno biendefinidas, como se indica en los comentarios relativos a los métodos analíticos.
Procedimientos Empíricos
A causa de las dificultades para modelar físicamente o analíticamente las condiciones del suelopotencialmente licuable, los métodos empíricos se han convertido en el procedimiento estándarpara determinar la resistencia a la licuación. El Procedimiento Simplificado requiere calculardos variables sísmicas primarias que son: a) la excitación sísmica de la capa de suelo,expresada en términos de la relación de esfuerzos cíclicos promedios (CSR = τpro / σ’vo); y b) lacapacidad de la capa de suelo para resistir la licuación, en términos de la relación de resistenciacíclica (CRR).
En la mayoría de los procedimientos empíricos, el valor promedio de la relación de esfuerzoscortantes cíclicos (CSR) inducidos por el sismo se estima de los análisis de la respuestadinámica del subsuelo, o mediante la Ecuación 1 recomendada por Seed e Idriss (1971) yadoptada por las NSR-98 (Ecuación H.5-14):
dvo
vmax
vo
pro rg
a'
65.0' σ
σστ
= (Ecuación 1.)
Donde: amax es la máxima aceleración que se espera en el lugar según las leyes de atenuación,amplificada por el efecto de sitio, considerando que los suelos no se licúan y que las presionesde poros no se incrementan en el proceso; g es la aceleración de la gravedad; σv o y σ’v o son losesfuerzos verticales total y efectivo; y rd es el factor de reducción de esfuerzos, el cual varíaampliamente con la profundidad dependiendo del perfil de suelos, tal como se indica en laFigura 5, la cual no fue adoptada por las NSR-98. Para proyectos de poca importancia, Youd eIdriss (1997) recomiendan la Ecuación 2 para calcular los valores promedio de rd, la cual semuestra en la Figura 5 con líneas rectas:
1 - 0.00765z z ≤ ≤ 9.2 m1.174 - 0.0267z 9.2< z ≤≤ 23 m0.744 - 0.008z 23< z ≤≤ 9.2 m0.50 z > 30.0 m
rd =
(Ecuación 2.)
Valores Promedio
Valores Promedio de rd calculadosusando la ecuación (2)
Rango para DiferentesPerfiles de Suelo
El ProcedimientoSimplificado na hasido verificado condatos historicos enesta región
0
3
6
9
12
15
18
21
24
27
30
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Figura 5. Factor rd vs profundidad (Seed e Idriss, 1971; modificado por Youd e Idriss, 1997).
Dadas las dificultades ya enunciadas para obtener muestras inalteradas de los depósitos desuelos licuables, en la práctica se utilizan los siguientes procedimientos in situ para evaluar lacapacidad de los suelos arenosos para resistir la licuación: a) penetración estándar (SPT); b)
penetración con cono (CPT); c) velocidad de ondas de corte (vs); y c) penetración Becker engravas (BPT). Para asegurar una adecuada definición de la estratigrafía y una evaluaciónconsistente de la resistencia a la licuación, en cada sitio se debe llevar a cabo dos o más de losprocedimientos indicados. Por varias ventajas, los procedimientos que más se llevan a cabo enel occidente Colombiano son el SPT y algunas veces las mediciones de vs.
Para determinar la resistencia a la licuación de los suelos arenosos, la relación CSR secompara con la relación CRR. Esta última se obtiene de correlaciones empíricas entre larelación de esfuerzos cíclicos requeridos para causar licuación y los valores de N (SPT)normalizados por profundidad y energía de los golpes del martillo (valores de (N1)60). En laFigura 6 se muestran las modificaciones que Youd e Idriss (1997) recomiendan para las curvasempíricas propuestas por Seed y otros (1985) para calcular la relación CRR, para valores bajosde (N1)60, en un sismo de magnitud de momento Mw = 7.5. La Figura 6 es la base de la FiguraH.5-2 de las NSR-98, pero sin las modificaciones mencionadas.
Figura 6. Curvas de la relación CRR para diferentes contenidos de finos y Mw = 7.5 (Seed y otros,1985; modificada por Youd e Idriss, 1997).
Es importante anotar que además del contenido de finos y la plasticidad del suelo, uno de losfactores que más influye en los valores de (N1)60 es la energía que le llega a la cucharamuestreadora. Por lo tanto, además de medir la energía del SPT y calibrar los equipos paramedir la razón de energía entregada por el martillo (ER), tal como lo recomiendan Villafañe y
otros (1998), resulta indispensable corregir los valores medidos de N mediante la Ecuación 3,con los factores indicados en la Tabla 1, recomendados por Youd e Idriss (1997).
(N1)60 = Nm CN CE CB CR CS (Ecuación 3.)
Donde Nm es el valor de N registrado en los ensayos; CN es el factor de corrección por presiónde sobrecarga; CE es la corrección por la energía que entrega el martillo (CE = ER/60%); CB esla corrección por el diámetro de la perforación; y CR es el factor de corrección por longitud delvarillaje de perforación.
Factor Variable Símbolo Corrección
Presión de sobrecarga. CN = (Pa/σ’v o)0.5 *
CN menor oigual que 2
Relación de energía Martillo cilíndricoMartillo de seguridadMartillo automático -Cilíndrico
CE = 0.5-1.00.7-1.20.8-1.3
Diámetro de la perforación 65 – 115 mm150 mm200 mm
CB = 1.01.051.15
Longitud del varillaje 3 – 4 m4 – 6 m6 – 10 m10 – 30 m>30 m
CR = 0.750.850.951.0<1.0
Tipo de muestreador Cuchara partida estándarCuchara partida sin liners
CS = 1.01.1 – 1.3
*Pa = Presión atmosférica.Tabla 1. Factores de Corrección para los Valores de N medidos en el SPT (Youd e Idriss, 1997)
Adicionalmente, para aplicar el procedimiento simplificado se requieren factores de escala por lamagnitud del sismo (MSF) y correcciones por presiones de sobrecarga, esfuerzos cortantesestáticos y edad del depósito.
Youd e Idriss (1997) concluyen que para magnitudes de los sismos (M) mayores que 7.5, debeusarse el factor de escala de Idriss (MSF = 102.24/M2.56). Para magnitudes menores que 7.5,recomiendan escoger el MSF de un rango entre MSF = 102.24/M2.56 y MSF = (M/7.5)-3.3, rangoque corresponde a los factores de escala recomendados por Idriss y Andrus and Stoke (Figura7). Recomiendan también utilizar la escala de magnitud de momento (Mw) para lacaracterización del sismo.
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9
Magnitud del Sismo, Mw
Fac
tor
de
Esc
ala
Seed and Idriss (1982)
Idriss
Ambraseys (1988)
Andrus and Stroke
Youd and Noble PL<20%
Youd and Noble PL<30%
Youd and Noble PL<50%
Figura 7. Factores de Escala por Magnitud del Sismo.
Métodos Analíticos
Estos métodos se basan en resultados de ensayos de laboratorio para determinar la resistenciaa la licuación, o las propiedades del suelo que pueden ser utilizadas para predecir el proceso dela licuación, mediante programas de computador para condiciones de comportamiento lineal yno lineal. A causa de lo difícil que es obtener muestras inalteradas de los depósitos de suelospotencialmente licuables para evaluar sus propiedades dinámicas, los métodos analíticosgeneralmente se usan en proyectos especiales o en trabajos de investigación.
Durante los últimos años se han realizado avances importantes en los métodos analíticosaplicados al proceso de la licuación. Este progreso ha sido posible gracias al aumento de losdatos experimentales y a la información de campo recopilada durante diferentes eventossísmicos. En este trabajo no se pretende hacer una revisión completa de las diferentesmetodologías disponibles en el ambito mundial, sino analizar algunas de ellas con el fin demejorar nuestro conocimiento de la licuación y el estado de la práctica regional.
El proyecto VELACS (Verificación del Análisis de Licuación por Estudios de Centrífuga), llevadoa cabo en los Estados Unidos de Norteamérica en el año de 1993, permitió comprobar laconfiabilidad de varios métodos analíticos, confrontando sus resultados con las medicionesrealizadas del exceso de presión de poros y la historia de aceleración y desplazamientos endiferentes puntos de los modelos ensayados en centrífugas (Figura 8). Estos ensayos fueronrealizados en cinco (5) laboratorios para minimizar el error humano y experimental, y siete (7)de los nueve (9) modelos fueron duplicados. Los modelos duplicados se realizaron bajocondiciones idénticas a las del experimento primario (el mismo tipo de equipo e idénticasespecificaciones para la preparación de la muestra). Del análisis de la confiabilidad de losresultados obtenidos se concluyo: a) cuatro (4) de los siete experimentos duplicadossuministraron resultados confiables del exceso de presión de poros; y b) los registros
experimentales en términos de desplazamientos y aceleraciones son poco confiables si secomparan con los registros de presión de poros. Por estas razones, se decidió compararsolamente los registros experimentales de la presión de poros con las predicciones de losmétodos analíticos.
Arena de NevadaDr = 40%
10 m
22.86 m
2º
NF
Arena de NevadaDr = 60%
6 m
19.04 m
Limo
NF
28.0 m
Limo
Arena de Nevada
NF
Arena de NevadaDr = 60%
29.20 m
Limo
NF
7 m
Arena de NevadaDr = 40%
10 m
22.86 m
NF
11 m
17.8 m
Arena de Nevada
Dr = 40% Dr = 70%
NF
Arena de NevadaDr = 60%
6 m
29.20 m
Limo
NF
52.5 m
8.20 m
NF
Limo
Arena de NevadaDr = 60%
(1)
(4b)
(3)
(2)
(7)
(4a)
(6)
(12)
Figura 8. Modelos para Ensayos en Centrífuga del Proyecto VELACS.
La comparación entre los resultados de los métodos analíticos y los registros experimentales,hecha por Popescu y Prevost (1993), se muestra en la Figura 9. Como se puede observar,algunas de las mejores predicciones fueron realizadas por los métodos o modelos DYNAFLOWy DYSAC2. A continuación se presenta una síntesis de las conclusiones:
a) Para calibrar los modelos debe tenerse en cuenta que la variabilidad de laspropiedades dinámicas de los estratos geológicamente distintos, aunque constituidos decapas uniformes, afecta el comportamiento del suelo durante la licuación, el flujo delagua subterránea y los asentamientos.
b) Las consecuencias de la variabilidad espacial no son aún bien entendidas y suexploración requiere el uso de técnicas estocásticas para el análisis de los datos, debidoa: 1) el alto grado de variabilidad exhibido por las propiedades del suelos (coeficientesde variación entre 20% y 60%, Phoon y Kulhaway, 1996); y 2) el comportamientofuertemente no lineal del suelo.
c) La variación aleatoria de las propiedades del suelo parece que afecta particularmenteel proceso de licuación. Popescu (1995) ha mostrado que tanto la extensión como lageneración de la presión de poros, en depósitos sujetos a cargas sísmicas, sondiferentes si se predicen mediante modelos determinísticos o con simulaciones queconsideran la variabilidad inherente de las propiedades del suelo.
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Modelo
Err
or
No
rmal
izad
o
DYNAFLOW (Multi - Fluencia)DYNAFLOW (Plasticidad)SWANDYNE4 (Genralizado)DYANA-SWAN (Plasticity)SUMDES (Surface)DYSAC2DYSAC2 (Bounding)QUAD4 (Esfuerzos Totales)
2 4b4a 12 1 3 7 6 11
Figura 9. Comportamiento de Varios Modelos Analíticos para la Predicción del Exceso de Presiónde Poros durante la Aplicación de Cargas Cíclicas (Popescu y Prevost, 1993).
De las observaciones en el Distrito de Marina, San Francisco, donde se presentó licuacióndurante el sismo de Loma Prieta (1989), y de experimentos de modelos en centrifuga,Arunlandan y otros (1997) comparan las predicciones de DYSAC2 y SHAKE y llegan a lassiguientes conclusiones:
a) Dado que la degradación de las propiedades del suelo ocasionada por el incrementoen la presión de poros no se considera directamente en el SHAKE, su aplicación eslimitada a sistemas donde se generan presiones de poros significativas durante elmovimiento sísmico. Sin embargo, el SHAKE es el de mayor uso en los análisis dedinámica de suelos.
b) Las aceleraciones máximas calculadas con DYSAC2 o SHAKE en general coincidenrazonablemente bien con las medidas en el Distrito de Marina durante el sismo de LomaPrieta (1989). Por lo tanto, para calcular la aceleración máxima en superficie a partir deaceleraciones pico en roca menores que 0.3 g, se puede usar el análisis por esfuerzosefectivos o esfuerzos totales y los resultados serán similares. Con la aceleración máximacalculada con el SHAKE y mediante el Procedimiento Simplificado se puede determinarla susceptibilidad a la licuación de un sitio determinado.
c) El análisis por esfuerzos totales realizado por el SHAKE no presenta distinción de larespuesta frecuencial entre un sitio licuable y otro no licuable. Por lo tanto, es importantetener en cuenta que los espectros de respuesta en superficie obtenidos a partir delSHAKE, en sitios potencialmente licuables, deben usarse con extremo cuidado, opreferiblemente no deberían usarse.
d) En los diferentes sitios analizados para el Distrito de Marina se encontró que lasaceleraciones espectrales máximas calculadas mediante el SHAKE son mayores a lasmedidas y obtenidas mediante DYSAC2. Adicionalmente, los periodos para los cuales elSHAKE indica las aceleraciones espectrales máximas no corresponden a lo observadoen campo.
e) Cuando se modela el comportamiento del perfil de suelos saturados ante diferentesincrementos en la aceleración del movimiento de la base, un procedimiento basado enesfuerzos efectivos dará progresivamente aceleraciones superficiales menorescomparadas con otro basado en esfuerzos totales (Figura 10). La razón de dichocomportamiento es que para movimientos sucesivamente mayores la extensión de lascapas licuables se incrementa, lo cual conduce a mayores amortiguamientos delmovimiento superficial.
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
ACELERACIÓN EN LA BASE
AC
EL
ER
AC
IÓN
EN
SU
PE
RF
ICIE
Esfuerzos EfectivosEsfuerzos Totales
Figura 10. Variación de la Aceleración Superficial Máxima en Función de la Máxima Aceleración de
la Base Calculada con DYSAC2 (esfuerzos efectivos) y SHAKE (esfuerzos totales); Arunlandan y
otros (1997).
5. LLANURA DE INUNDACIÓN DEL RÍO CAUCA
La llanura de inundación del río Cauca (LLIRC) se caracteriza por una secuencia de mantoscuaternarios de origen fluvial y considerable espesor (profundidades mayores de 250 m segúnperforaciones realizadas para pozos de abastecimiento de agua), depositados en un ambientecontinental. Los registros de perforaciones muestran que las capas de suelos más superficiales(3.0 m a 5.0 m) están constituidas por materiales finos, cohesivos y muy impermeables, bajo loscuales subyacen arenas finas susceptibles a licuarse durante el sismo de diseño de las NSR-98. Las partículas de arena aumentan de tamaño gradualmente con la profundidad, y sevuelven, sobre todo, más densas y permeables (Figura 11).
Figura 11. Estratigrafía Simplificada de la LLanura de Inundación del Río Cauca (Villafañe, 1988).
El agua subterránea se presenta colgada y atrapada a poca profundidad en los estratoscohesivos superficiales, o confinada entre estratos cohesivos impermeables en los acuíferosgranulares, bajo presiones artesianas resultantes de la diferencia de niveles entre el terreno, porun lado, y el río Cauca y los canales de drenaje, por el otro. El nivel freático se encuentra enpromedio a 3.0 m por debajo del nivel del terreno. En algunas depresiones naturales estadiferencia disminuye hasta menos de 1.0 metro.
Los suelos cohesivos clasifican como limos, arcillas y mezclas de limo, arcilla y a veces algo dearena (MH, CH, ML, CL, OH en el sistema USCS). La consistencia disminuye a medida que seavanza de la superficie del terreno a los estratos granulares, indicando preconsolidación en losestratos superiores debida probablemente a desecación.
Los depósitos de suelos granulares están conformados por sedimentos que clasifican comoarenas con algo de limo, arenas limosas, mezclas de arena y grava limpia (SW, SP, SW-SM,SM). Hasta profundidades cercanas a los 10 m, su densidad es suelta a medianamente densa (valores de N (SPT) en el rango entre 2 y 30). A niveles más bajos estos depósitos songeneralmente muy densos y su contenido de grava aumenta. En la Figura 12 se muestran lascurvas límite de gradación de estos materiales (Villafañe, 1988).
Los depósitos de suelos cohesivos pueden considerarse casi impermeables (coeficiente depermeabilidad, k, menor de 10-6 cm/s). El coeficiente de permeabilidad, k, de los estratos dearena oscila entre 10-2 y 10-3 cm/s. Los mantos de arena presentan lentes y capas de limos yarcillas que hacen que su permeabilidad sea mucho menor en la dirección vertical que en lahorizontal (marcada anisotropía).
Para un sismo de magnitud Mw = 7.5 y aceleración máxima en superficie = 0.3 g, en la Figura13 se indican la relación de esfuerzos cíclicos promedios (CSR = τpro / σ’vo) y la relación deresistencia cíclica (CRR), para varios sitios de la LLIRC, calculadas según el procedimientosimplificado de las NSR-98 pero teniendo en cuenta las modificaciones de Youd e Idriss (1997).Como puede observarse, hay muchos sitios en que CSR es mayor que CRR (FS < 1.0), lo queindica que ocurrirá la licuación de las capas de arena.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.0010.010.11101001000
Tamaño de Grano mm
Po
rcen
taje
qu
e P
asa
Figura 12. Límites de la Granulometría de los Suelos Granulares del Sector.
Para predecir la generación y disipación de la presión de poros, los autores están familiarizadoscon el FEQdrain, el cual modela el subsuelo como un conjunto de capas horizontales yhomogéneas que se dividen en un determinado número de elementos de tipo cuadrilátero osimétricos, según las características del sitio. Adicionalmente se pueden incluir elementosdrenantes de diversos tipos, desde drenes de grava hasta prefabricados, según losrequerimientos y/o necesidades del diseño.
La Ecuación 4 relaciona la excitación sísmica y el cambio en la presión intersticial para undeterminado instante de tiempo y un punto en particular de la masa de suelo.
∂
∂−
∂∂
=
∂∂
⋅∂∂
+
∂∂
⋅∂∂
+
∂∂
⋅∂∂
t
u
t
um
z
uk
zy
uk
yx
uk
xg
vw
v
w
h
w
h
γγγ(Ecuación 4.a)
Para condiciones de simetría axial:
∂
∂−
∂∂
=
∂∂
⋅∂∂
+
∂∂
⋅∂∂
t
u
t
um
z
uk
zr
u
r
k
rg
vw
v
w
h
γγ1
(Ecuación 4.b)
En la Figura se muestran los parámetros del suelo utilizados en el modelo del FEQdrain para laLLIRC.
Figura 13. Relación de Esfuerzos Cíclicos vs Resistencia Cíclica de la Arena para Diferentes
Sitios de la Llanura de Inundación del Río Cauca.
0.0
2.0
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14.0
16.0
USCS N1(60) kx (m/s) ky (m/s) mv (m2/kN)
MH 1 1E-8 1E-8 4E-6
SW 2 1E-4 1E-5 4E-5
SM 45 1E-4 1E-5 2E-5
MH 19 1E-8 1E-8 4E-5
SW 11 1E-3 1E-4 4E-6
Figura 14. Parámetros Geotécnicos para la LLIRC.
Los resultados del análisis realizado indican que transcurridos 20 s del inicio del sismo (Mw =7.5; amax = 0.3 g), el proceso de licuación es general en las capas 2 y 3, mientras que la capa 3con permeabilidad muy baja solo sufre un leve incremento de la presión de poros hacia susfronteras. Se observa de igual manera como el proceso de disipación de la presión de poros esmuy lento, debido a la baja permeabilidad de las capas 1 y 2, las cuales restringen el drenaje(Figura 15).
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4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14PROFUNDIDAD (m)
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10 s
20 s
30 s
150 s
Figura 15. Variación de la Relación de Presión de Poros del Subsuelo con la Profundidad y el
Tiempo (Mw = 7.5; amax= 0.30 g).
Si se amplía la ventana de tiempo analizada, se puede observar el proceso de drenaje y enconsecuencia de consolidación de la arena, lo que implica la disminución del volumen y losrespectivos asentamientos de licuación.
Si se construyen drenes de 0.70 m de diámetro espaciados cada 2.2 m, se logra reducir elincremento de presión de poros y evitar la licuación en las capas 2 y 4. Sin embargo, lasrelaciones de exceso de presión de poros máximas alcanzarán valores hasta 0.41 como seobserva en la Figura Esto se debe tener presente para el diseño de cualquier tipo decimentación en suelos granulares sometidos a carga cíclica, con o sin drenaje.
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 1 2 3 4 5 6
CAPA
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)
EXCESO DE PRESIÓN DE POROS SIN DRENAJE
EXCESO DE PRESIÓN DE POROS CON DRENES CADA 2.4 m
Figura 16. Variación de la Relación de Presión de Poros con la Profundidad y el Tiempo,
Construyendo Columnas de Grava de 0.70 m de Diámetro Espaciadas 2.20 m c-c.
6. GUÍA PARA EVALUAR LA AMENAZA DE LICUACIÓNYoud (1999) propuso recientemente la guía que se muestra en la Figura 11 para evaluar laamenaza de licuación en las cimentaciones de puentes de carreteras, pero aclaró que puedeutilizarse en cualquier otro proyecto. La guía presenta una aplicación sistemática delprocedimiento simplificado para la valoración de la susceptibilidad a la licuación y el corrimientolateral del terreno, lo cual es importante al momento de valorar los posibles daños a lasestructuras.
Figura 17. Guía para Evaluar la Amenaza Potencial de Licuación (Youd, 1999)
La metodología parte de lo básico hacia los procedimientos más complejos requeridos en losanálisis rigurosos. Así rápidamente se pueden clasificar zonas de amenaza baja, y solo lossitios con amenaza alta requieren ser evaluados mediante procedimientos más sofisticados quetoman más tiempo. Se debe tener presente que esta guía es conservadora, es decir que todaslas incertidumbres se ponderan considerando la posibilidad de licuación y falla del terreno. Porlo tanto, si la guía concluye que la licuación y falla del terreno son poco probables, dichaconclusión es más confiable que si concluye que existe la probabilidad de que la licuación y falladel terreno puedan ocurrir.
7. MITIGACIÓN DE LA AMENAZA DE LICUACIÓN
Existen varías formas de mitigar los daños que puede ocasionar la licuación del terreno:
a) Reforzando las estructuras para soportar los movimientos del suelo, cuando seestima que estos serían pequeños;
b) Seleccionando un tipo apropiado de cimentación y una profundidad adecuada(incluyendo modificaciones a las cimentaciones de estructuras existentes), de tal maneraque los movimientos del terreno no afecten negativamente la estructura (p.e.: mediantelosas de cimentación y pilotes o caissons que se extiendan por debajo de la capalicuable);
c) Estabilizando el suelo para eliminar la amenaza de licuación, o controlando susefectos (p.e: retirando y reemplazando la capa de suelos licuables, estabilizando el sitiousando inyecciones de compactación, vibro densificación, abatimiento del nivel freático;apuntalamiento de la zonas de corrimiento lateral).
La selección de una o varias medidas de mitigación depende mucho de las característicasparticulares del sitio. Si no hay una amenaza significativa de corrimientos laterales, la medidade mitigación para una nueva construcción es cuestión de encontrar la mejor relación costobeneficio que garantice soporte vertical y controle los asentamientos. Para obras existentes, lamedidas de mitigación son en general más complicadas y costosas debido a la presencia de laestructura. Técnicas que involucren la vibro densificación pueden quedar excluidas debido a losposibles asentamientos que causarían a la estructura.
Cuando existe alta amenaza de corrimientos laterales, para que las medidas de mitigación seanefectivas puede que se requiera que se extiendan mas allá de las fronteras del sitio especifico.Esto puede salirse de los predios de la obra y requerir la acción de las entidades publicas ogrupos de propietarios.
8. CONCLUSIONES
Las modificaciones propuestas por Youd e Idriss (1997) al procedimiento simplificado, sepueden resumir de la siguiente forma: a) la curva de resistencia a la licuación (CRR) se modificapara ganar consistencia entre las diferentes metodologías de cálculo, especialmente entre lasbasadas en el SPT, CPT y BPT; b) los factores de escala por sismo se reducenconsiderablemente en el rango de magnitudes Mw mayores que 7.5 y se incrementan paramagnitudes Mw menores que 7.5, lo cual conduce una determinación confiable de la CRR peromenos conservadora.
Aunque el procedimiento simplificado ha marcado el estado de la práctica, muchasinvestigaciones de campo y laboratorio han permitido el desarrollo de diferentes modelosconstitutivos para el suelo, los cuales se han resuelto por diferentes métodos numéricos, quepermiten realizar mejores predicciones del comportamiento de las capas de suelospotencialmente licuables, facilitando la elección de soluciones de mitigación producto de unanálisis geotécnico más confiable.
Cuando se modela el comportamiento del perfil de suelos saturados ante diferentesincrementos en la aceleración del movimiento de la base, con los procedimientos basados enanálisis por esfuerzos efectivos se obtienen progresivamente aceleraciones superficialesmenores comparadas con los basados en esfuerzos totales. La razón de dicho comportamientoes que para movimientos sucesivamente mayores la extensión de las capas licuables seincrementa, lo cual conduce a mayores amortiguamientos del movimiento superficial.
La selección de una o varias medidas de mitigación depende en gran medida de lascaracterísticas particulares del sitio. Por ejemplo, si no hay una amenaza significativa decorrimientos laterales, la elección de la solución de mitigación para una nueva obra depende dela mejor relación costo beneficio que garantice soporte vertical y controle los asentamientos.Para obras existentes, la selección de medidas de mitigación es en general más complicada,debido a las complicaciones por la presencia de la estructura. Por ejemplo, técnicas queinvolucren la vibro densificación del suelo pueden quedar excluidas debido a los posiblesasentamientos que causarían a la estructura y a las edificaciones existentes.
9. AGRADECIMIENTO
Los autores agradecen a las Universidades Javeriana y del Valle, y a la firma SAYA Ltda por elapoyo durante la realización de este trabajo.
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