mecanica de suelos

1. LICUEFACCIONES
1. ANTECEDENTES:
I.1.LICUACIONES DE SUELOS A NIVEL MUNDIAL
I.1.1. TERREMOTO DE NIIGATA EN JAPÓN, EN 1964
El terremoto de Niigata del
16 de junio de 1964 tuvo
una magnitud de 7.5 en
escala de Richter y
ocasionó daño severo
a muchas estructuras en
Niigata. La destrucción se
observó en aquellos
edificios que fueron
cimentados sobre
depósitos de suelo suelto
saturado. Según el reporte
del terremoto, se destruyeron 2000 casas y se perdieron 28 vidas. Un
tsunami provocado por movimiento en la base del mar asociado con
la ruptura de la falla, destruyó totalmente el puerto de Niigata.
Destrucción del puerto de Niigata, Japón (1964) por tsunami después
del terremoto.
El terremoto de Niigata, junto
con el terremoto de Alaska
también en 1964, han
reportado fenómenos de
licuación y sus efectos
devastadores han provocado
la atención de ingenieros y
sismólogos. Una gran falla
en el terreno ocurrida cerca
de la orilla del río Shinano
donde los edificios de
departamentos de
Kawagishi-cho sufrieron fallas en la capacidad de soporte y se
inclinaron severamente. A pesar de la excesiva inclinación, los
edificios sufrieron poco daño estructural.
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2. Volcanes de arena y fisuras en el terreno
fueron observados en varios lugares en
Niigata.
El desplazamiento lateral ocasionó un movimiento lateral en la cimentación del
puente Showa, tanto que los tramos entre los apoyos fueron sacados de lugar y
por lo tanto trajo consigo el colapso, tal como se observa en la siguiente
imagen.
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3. I.1.2. TERREMOTO DE ALASKA EN U.S.A., 1964
El área de la Costa Sur de Alaska ha experimentado muchos
terremotos. El Viernes Santo, 27de Marzo de 1964, un gran
terremoto de magnitud Ms=9.2 golpeó Prince William Sound y causó
severos daños en forma de desprendimiento de tierra y licuación,
como se observa en la siguiente foto. Este evento sísmico duró 3
minutos aproximadamente y fue sentido en un área de 500000 millas
cuadradas. Un fuerte tsunami aumentó la cantidad de daño en el
muelle, ocasionó muertes durante cinco horas después del terremoto
en la Ciudad Creciente, California.
I.1.3. TERREMOTO DE LOMA PRIETA EN EU (1989)
El terremoto del 17 de Octubre de 1989 en Loma Prieta (Ms=7.1)
ocasionó severos daños no sólo en la vecindad del epicentro cerca
de Santa Cruz, sino también en áreas más distantes hacia el Norte,
alrededor de San Francisco y Oakland.
La licuación de suelo ocasionó daño importante en las instalaciones
marinas, estructuras y líneas de tuberías enterradas ubicadas en el
área de la Bahía donde los suelos arenosos, sueltos, saturados
fueron susceptibles a la licuación. Los numerosos volcanes de arena
(tal como se muestra en la siguientes fotos) que fueron observados
eran la evidencia de la ocurrencia de licuación.
La licuación se observó en varios lugares, incluyendo el aeropuerto
de Oakland, las zonas que se encuentran a lo largo del río Salinas y
la estación de aterrizaje marítima Moss.
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4. Numerosos volcanes de arena fueron observados en varios lugares como
evidencia de la ocurrencia de licuación como el aeropuerto de Oakland, en las
zonas que se encuentran a lo largo del río Salinas y la estación de aterrizaje
marítima Moss.
I.1.4. TERREMOTO DEKOBE EN JAPÓN (1995)
El terremoto de Hanshin de 1995 (Ms=6.9), que comúnmente se le
llama terremoto de Kobe, fue uno de los más devastadores
terremotos que golpearon a Japón dejando más de 5,500muertos y
otros 26,000 heridos. La pérdida económica se ha estimado cerca de
200 billones de dólares. La proximidad del epicentro a la región
altamente poblada, ayudan a explicar la gran pérdida de vidas y el
alto nivel de destrucción. El colapso espectacular de la autopista.
Hanshin (la primera imagen) ilustra los efectos de las altas cargas
inducidas por el terremoto. Los movimientos fuertes del terreno
condujeron al colapso de la autopista Hanshin, así mismo la licuación
ocasionó daño severo al puerto de la ciudad.
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5. I.2.LICUACIÓN DE SUELOS EN EL PERÚ:
I.2.1. LICUACIÓN DE SUELOS CAUSADA POR EL TERREMOTO DE
1970
• Terremoto del 31 de mayo de 1970 en Chimbote:
La ciudad se localiza aproximadamente a 400 Km al norte de
Lima, capital de Perú. El 31 de mayo de 1970 un terremoto de
magnitud Ms=7.8 y profundidad focal de 45 Km ocurrió 50 km mar
afuera al oeste de Chimbote. Un registro acelero gráfico del
terremoto se obtuvo en Lima, con una máxima aceleración
horizontal de 0.11 g. Ningún registro se obtuvo en Chimbote. Una
intensidad máxima de IX en la escala de Mercalli Modificada fue
observada.
o Ericksen y Plafker, indicaron que en Casma cerca de la
costa de Chimbote, se produjo desplazamiento lateral del
terreno causado por licuación de los depósitos deltaicos de
playa. Se observaron grietas sobre el terreno que afectaron
las estructuras. La zona central de Chimbote (Casco
Urbano) era evidentemente un área de licuación de suelos
y de densificación diferencial. En Chimbote, Casma y a lo
largo de la Carretera Panamericana se notó en la
superficie subsidencia del terreno debido a la licuación.
o C
l
u
f
(1971) reportó fallas de terreno en Chimbote debido a los
depósitos de playa saturados y sueltos. Volcanes de arena
y eyección de agua se observaron en varias áreas donde
el nivel de agua estuvo cerca de la superficie.
o Carrillo (1970) reportó asentamientos de los accesos de
casi todos los puentes en la Carretera Panamericana y
asentamiento del Terminal Portuario de Chimbote.
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6. También presentó evidencias de licuación de arena
saturada en la calle Elías Aguirre en Chimbote.
o Alva-Hurtado y Parra (1997) presentaron una evaluación
del potencial de licuación de suelos para la ciudad de
Chimbote, basada en un programa extensivo de
exploración de suelos y el método de evaluación del TC-4.
Se obtuvo una buena comparación de los lugares con
potencial de licuación y los efectos de suelo producidos por
el terremoto de 1970.
I.2.2. EFECTOS DE SUELO CAUSADOS POR LOS TERREMOTOS DE
1990 Y 1991
• Dos terremotos moderados ocurrieron en la región nororiental del
Perú. A pesar de sus magnitudes relativamente bajas, la
severidad del daño fue alta debido al tipo de construcción y
condiciones del suelo existentes en las áreas pobladas.
• Moyobamba y Rioja son las ciudades más importantes en el área.
La región es cruzada por el río Mayo, cuyas riveras están
compuestas de depósitos de arena licuable. Se ha reportado
efectos del terreno siguientes: licuación de suelo, inestabilidad y
corrosión de suelos en los taludes, asentamientos diferenciales,
amplificación de suelo y deslizamientos dentro del área epicentral.
Se describen los efectos de licuación de suelo en la ciudad de
Moyobamba.
• La ciudad de Moyobamba se construyó originalmente sobre una
meseta estable constituida por suelos residuales. Los taludes
alrededor de la ciudad tienen problemas de erosión. Las partes
bajas en Moyobamba, como Tahuishco, Shango y Azungue
tienen suelos cuaternarios blandos. Se reporta brevemente los
tipos de daños geotécnicos, como:
 Grietas del terreno.
 licuación de suelo
 amplificación de suelos y deslizamientos.
I.2.3. GRIETAS DEL TERRENO
Se observaron grietas de tensión en:
a) la cresta de los taludes de la meseta de Moyobamba, asociadas
con la licuación de suelo y desplazamiento lateral.
b) las carreteras, como zonas de tensión que pueden desarrollar
futuros deslizamientos y derrumbes.
c) los suelos blandos en las riberas del río Mayo.
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7. I.2.4. LICUACIÓN DE SUELOS:
La licuación de suelos ocurrió en el
Puerto de Tahuishco en
Moyobamba. 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 ambos
terremotos, se dañaron segmentos
de la carretera entre Moyobamba y Tahuishco.
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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8. 2. JUSTIFICACION DEL ESTUDIO:
Este trabajo de investigación permitirá mostrar de una manera ordenada
y precisa la realidad que sufre nuestra ciudad respecto al fenómeno de
licuefacciones de los suelos.
3. FUNDAMENTO TEORICO:
¿QUÉ ES LA LICUACIÓN DEL SUELO?
La licuefacción de suelos es un fenómeno en el cual los terrenos, a
causa de saturación de agua y particularmente en sedimentos recientes
como arena o grava, pierden su firmeza y fluyen como resultado de los
esfuerzos provocados en ellos por temblores. La licuefacción es una
causa mayor de destrucción relacionada con terremotos(más aún que
por la acción directa de las ondas sobre los edificios). Esto es, la
licuefacción es capaz de desplazar, hundir o bien volcar infraestructura,
sean casas, edificios u otros. Como es de esperarse, la infraestructura
de regiones costeras es la que más peligro corre y por tanto, toda obra
construida en estas zonas debe contar con estudios previos y detallados
que caractericen el tipo de suelo que presenta el sitio. Una buena parte
de los daños observados en Japón después del gran terremoto del 2011
fueron causados por licuefacción de suelos.
Tipos de suelos:
De acuerdo a su origen, los suelos que predominan en el valle pueden ser
clasificados en aluviales, marinos, eólicos y coluviales.
a) Los suelos aluviales se encuentran ampliamente distribuidos en el valle,
formando el cono de deyección del Río Moche, las terrazas aluviales y los
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9. abanicos de deyección. Físicamente son suelos de textura ligera a media,
profundos o superficiales.
b) Los suelos marinos se encuentran situados en áreas interfluviales, es decir
entre valle y valle, comprenden pampas eriazas que se extienden desde el
borde litoral hasta los primeros contrapuertes de la Cordillera; son suelos de
textura arenosa, suelta en la mayoría de las veces y cimentadas por sales en
algunos casos.
c) Los suelos eólicos se hallan constituidos de arena transportada por el viento
y depositada en capas de variado espesor, encima de una mezcla de a.- rena,
grava, guijarros y piedras subangulares de origen aluvial. Estos depósitos en
nuestro valle se distribuyen tanto en superficie como en el subsuelo, como
veremos más adelante.
d) Los suelos coluviales se hallan formados por materiales gruesos (gravas)
mezcladas con limo y arcilla que han sufrido poco transporte, localizándose
hacia la base de los cerros o en las pampas adyacentes.
I.2.5. CONDICIÓN DE UN SUELO PARA QUE SEA LICUABLE:
• El porcentaje en peso de partículas <0,005 mm es menor del 15%
• LL<35
• w/LL>0,9
I.2.6. LICUEFACCIÓN INDUCIDA POR TERREMOTO:
La licuefacción inducida por terremoto es uno de los principales
contribuyentes al riesgo sísmico urbano. Las sacudidas hacen que
aumente la presión de agua en los poros lo que reduce la tensión
efectiva, y por lo tanto disminuye la resistencia al corte de la arena. Si
existe una corteza de suelo seco o una cubierta impermeable, el exceso
de agua puede a veces surgir en la superficie a través de grietas en la
capa superior, arrastrando en el proceso arena licuificada, lo que
produce borbotones de arena, comúnmente llamados "volcanes de
arena".
El estudio de características de licuefacción resabios de terremotos
ocurridos en épocas prehistóricas, llamado paleo licuefacción o paleo
sismología, puede brindar gran cantidad de información sobre los
terremotos que ocurrieron antes de que existieran registros históricos o
se pudieran realizar mediciones precisas.
I.3.ORIGEN:
La licuación (o licuefacción) de suelos, ocurre cuando un material no
consolidado (generalmente arenas) pierde su resistencia al esfuerzo
cortante a causa de una vibración intensa y rápida (sismos), que rompe
su estructura granular al reducir su presión inter-granular. Al iniciarse la
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10. vibración, por efecto de un sismo, el material se expande y las partículas
sólidas adoptan un estado muy suelto (por perdida del soporte mutuo
entre los granos); cuando el movimiento cesa, el material tiende a
compactarse bruscamente, produciendo las presiones intersticiales que
causan la licuación.
Según (Rodríguez Pascua, 1997), el suelo completamente saturado, con
arenas sin cohesión, generalmente limpias, que pueden incluir algo de
gravas puede ser licuefactado durante la sacudida sísmica.
El incremento de la presión de poro provocado por la licuación, puede
generar chorros de agua y aire mezclados con sedimentos finos, que
cuando son expulsados sobre la superficie del terreno, forman volcanes
de arena y agua.
Éstas, manifestaciones, notoriamente visibles en la superficie del
terreno, pueden constituir indicadores de áreas susceptibles a la
licuefacción. Los materiales más vulnerables a la licuefacción son: Las
arenas limpias, no consolidadas y saturadas y los ambientes
sedimentarios más favorables para la génesis de licuefacciones
son: playas, barras arenosas y sistemas fluviales, ambientes lacustres y
fluviolacustres.
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11. I.4. 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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12. • 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.
• 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.
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13. • 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.
I.5.EFECTOS DE LA LICUACIÓN DE LOS SUELOS:
I.5.1. DESPLAZAMIENTO LATERAL :
Es el tipo más común de falla del terreno por licuación de suelos.
Este tipo de falla involucra el movimiento lateral de las capas
superficiales como resultado de la licuación y la pérdida transitoria de
la resistencia de las capas inferiores. El desplazamiento lateral
ocurre generalmente en terrenos relativamente llanos (con
pendientes comprendidas entre el 0.5 y 5%). En condiciones
normales el desplazamiento lateral tiene un rango de pocos metros, y
en condiciones anormales pueden ocurrir desplazamientos laterales
de varias decenas de metros.
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14. Licuación de Suelos y Resistencia Cíclica acompañados de grietas
en el terreno y desplazamientos diferenciales verticales. Los
desplazamientos laterales muy a menudo distorsionan las
cimentaciones de edificios, dañan las tuberías de desagües y otras
estructuras a lo largo de la zona afectada. El daño ocasionado por
este tipo de falla no es siempre espectacular y raras veces
catastrófico, sin embargo es muy destructor.
I.5.2. FALLA DE FLUJO:
Son las fallas del terreno más catastróficas causadas por el
fenómeno de licuación. Los flujos pueden movilizarse a grandes
distancias (decenas de metros) a altas velocidades (decenas de
Km/h). Los flujos pueden involucrar suelo completamente licuado o
bloques de suelo firme viajando sobre una capa de suelo licuado.
Este tipo de falla se desarrolla generalmente en arenas saturadas,
sueltas, con pendiente del terreno mayor que 5%.
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15. Muchas de las mayores y más dañinas fallas de flujo se han
desarrollado bajo agua en áreas costeras. Otro de los efectos de falla
por flujo por licuación inducida por sismo, han sido los evidenciados
en depósitos y presa de relaves antiguas, construidas por el método
de aguas arriba, algunas de ellas con consecuencias catastróficas
para los recursos humanos y económicos y para el medio ambiente.
Este tipo de fallas han sido muy comunes en décadas pasadas
obligando a mejorar las técnicas de construcción de presas de
relaves en áreas de alta actividad sísmica.
I.5.3. PERDIDA DE LA CAPACIDAD PORTANTE:
Cuando el suelo que soporta una edificación licua y pierde su
resistencia, pueden ocurrir grandes deformaciones en el suelo, que
ocasionan que la edificación se asiente, se incline o sumerja. Aunque
esta es una falla espectacular, es la menos común producida por
licuación.
5. Referencias Bibliográficas
• Libros:
[1] Parra Murrugarra Denys A., Vásquez López David L. y Alva Hurtado
15

16. Jorge E., “Microzonificación Geotécnica de Pisco”, Huánuco, Perú,
1999.
[2] Julio Kuroiwa, “Reducción de Desastres – Viviendo en Armonía con la
Naturaleza”. Lima, Perú, Enero 2002.
[3] Municipalidad Provincial de Trujillo, “Atlas Ambiental de la Ciudad de
Trujillo”, Ed. Municipalidad Provincial de Trujillo, Trujillo, Perú, Agosto,
2002.
[4] Alva Hurtado Jorge E. “Diseño de Cimentaciones”, Instituto de la
Construcción y Gerencia ICG, Fondo Editorial ICG, Lima, Perú, Junio
2007.
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