Resistencia Cortante de Gravas Método Japonés. Capítulo del Curso de Mecánica de Suelos II Universidad Alas Peruanas junio, 2014

1. Campus deCampus de CienciaCiencia && IngenierIngenierííaa
de la Universidad de Chuo (de la Universidad de Chuo (TokioTokio))
http://const.civil.chuo-u.ac.jp/lab/doshitu/
Temas de Investigación en Ing. Geotécnica
Licuación de suelos limosos y gravosos.
Mecanismos de flujo después de la licuación.
Fallas en taludes inducidas por sismos.
Respuesta sísmica del suelo durante terremotos severos.

2. RESISTENCIA NO DRENADA
DE SUELOS GRAVOSOS
DURANTE TERREMOTOS
Takaji Kokusho
Profesor de la Universidad de Chuo

3. REFERENCIAS PARA ESTA PRESENTACIÓN (1)
Investigación en CRIEPI
Kokusho,T. and Tanaka,Y.(1994): Dynamic properties of gravel
layers investigated by in-situ freezing sampling, ASCE
Geotechnical Eng. Div. Sessions, ASCE Convention (Atlanta),
pp.121-140.
Kokusho,T., Tanaka,Y., Kawai, T., Kudo, K., Suzuki, K., Tohda, S.
and Abe, S. (1995): Case study of rock debris avalanche gravel
liquefied during 1993 Hokkaido-Nansei-Oki Earthquake, Soils
and Foundations, Vol.35, No.3, pp83-95.
Kokusho,T. and Yoshida,Y. (1997): SPT N-value and S-wave
velocity for gravelly soils with different grain size distribution,
Soils & Foundations, Vol.37, No.4, pp105-113, 1997.

4. REFERENCIAS PARA ESTA PRESENTACIÓN (2)
Investigación en la Universidad de Chuo
Hara, T. (1999): Study on liquefaction strength of gravelly soil by means
of cyclic triaxial test, Master’s Thesis, Science and Engineering School,
Chuo University.
Hiraoka, R. (2000): Effects of physical properties on liquefaction
strength in gravelly soils, Master’s Thesis, Science and Engineering
School, Chuo University.
Komiyama, Y. (2002): Undrained shear characteristics of gravelly soil
containing non-plastic fine fraction, Master’s Thesis, Science and
Engineering School, Chuo University.
Kokusho, T., Hara, T. and Hiraoka, R. (2004): Undrained shear strength
of granular soils with different particle gradations, Journal of
Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol.130, No.6,
621-629.

5. PROPIEDADES FÍSICAS DE SUELOS
GRAVOSOS EN ESTADO NATURAL
La densidad in-situ o la relación de vacíos dependen de la distribución y
tamaño de las partículas de suelo. La densidad será mayor cuando
mayor sea el Coeficiente de Uniformidad: Uc
El valor de (emax-emin) es normalmente 0.3-0.2, menor que en las arenas,
indicando que un menor cambio en la relación de vacíos trae como
consecuencia un cambio mayor en la densidad relativa Dr, y en otras
propiedades.
Como en las arenas, Dr puede ser un importante índice para evaluar las
propiedades de suelos gravosos.
Tal como es las arenas, la estandarización de ensayos para la densidad
máxima y mínima en gravas se está realizando en Japón para la
evaluación de la densidad relativa, obteniendo resultados confiables.

6. Muestras de Gravas congeladas in-situ

7. Método innovador para obtener muestras
de gravas usando polímeros, elaborado
recientemente.

8. Clasificación de las partículas vs Relación de
vacíos de suelos gravosos del Cuaternario
(Kokusho,T. and Tanaka,Y. 1994)

9. ALGUNOS ANTECEDENTES DE LAS
PROPIEDADES DE LOS SUELOS GRAVOSOS
Normalmente son bien gradadas y densas.
Los suelos gravosos densos sirven como estratos portantes
para cimentaciones profundas y cimentaciones
superficiales de estructuras importantes.
Los suelos gravosos sueltos son suceptibles a la licuación.
El potencial de licuación en suelos gravosos no está bien
establecido en relación con la resistencia a la penetración.
Los efectos de las partículas finas en suelos gravosos es
vagamente comprendido.

10. Grava licuada en “Pence Ranch” durante el terremoto de 1983 en “Borah Peak”
(Andrus, R. D. 1994)

11. Masa erupcionada (DG) con gravas de considerable tamaño en “Port Island”
durante el terremoto del Kobe - 1995

12. Avalancha de escombros volcánicos licuados durante el terremoto de Hokkaido
Nansei-Oki (1993)
(Kokusho et al. 1995)

13. Suelo Limoso eyectado en un patio
Limo eyectado en cenizas volcánicas(Kokusho et al. 1995)

14. Zona licuada
(Kokusho et al. 1995)
Resistencia a la penetración y “Vs” de la avalancha de escombros volcánicos
gravosos licuados durante el terremoto de Hokkaido Nansei-Oki (1993)

15. 0
50
100
150
200
250
300
0 5 10 15 20 25 30
Kobe Port
Island
Italy
Avasin
USA
Borah Peak
Hokkaido
Morimachi
S-wavevelocity Vs(m/s)
SPT N-value
Valor “N” del SPT vs velocidad de ondas-S (Vs) en
gravas recientemente licuadas
(Kokusho et al. 1995)

16. 0.1 1 10 100
0
50
100
150
200
250
300
Mean grain size D 50
(mm)
Uniformitycoefficient Uc
Kobe-Mayahuto
Kobe-Port island
Hokkaido-Morimachi
USA-Borah peak
Typical sand
Tamaño promedio de las partículas de suelo vs Uc para gravas
recientemente licuadas
(Kokusho et al. 1995)

17. TEMAS A DISCUTIR
Efectos de la distribución y del tamaño de las
partículas sobre el valor-N (SPT) y sobre la Vs.
Efectos de la distribución del tamaño de las
partículas sobre la resistencia no drenada cíclica y
monotónica
Efectos del contenido de las partículas finas en la
resistencia no drenada cíclica y monotónica.

18. Efecto de la distribución del tamaño de
las partículas sobre el valor-N y Vs
2000
350350
Pressure cell
Pressure
cell
Rubber bag
Tested
soil
1500
1100
Penetration
test hole
0
20
40
60
80
100
0.01 0.1 1 10 100
TKS
TS
G25
G50
G75
PercentageFinerbyWeight(%)
Sieve Mesh Size (mm)
Contenedor para la muestra de
suelo del SPT y medición de
Vs
Suelos ensayados con diferentes
gradaciones
Kokusho and Yoshida (1997)

19. 1
10
100
1000
0.1 1
TS(HC)
G25(HC)
G50(HC)
G75(HC)
TS(LC)
G25(LC)
G50(LC)
G75(LC)
N
0
min
N
0
max
N
0
min
N
0
max
N
0
=N/(σ
m
/p
0
)
n
Void ratio e
Original data
for G75
Valor-N normalizado vs relación de vacíos
para suelos con diferentes gradaciones.
N0max
N0min
Kokusho and Yoshida (1997)

20. 1
10
100
1000
1 10 100
N
0
min
N
0
max
N
0
=N/(σ
m
'/p
0
)n
Uniformity Coefficient Uc
N
0
max = 42.6Uc
0.46
N
0
min = 5.8
Valor-N normalizado vs Coeficiente de uniformidad
para suelos con diferentes gradaciones
Kokusho and Yoshida (1997)

21. 80
90
100
200
O>'ýÝ>'@
0.1 1
TS(HC)
G25(HC)
G50(HC)
G75(HC)
TS(LC)
G25(LC)
G50(LC)
G75(LC)
TKGS(LC)
Vs/{(σ
v
/p
0
)(σ
h
/p
0
)}
n
Void ratio: e
Vs
0
(e
max
)
Vs
0
(e
min
)
Vs normalizada vs. Relación de vacíos
para suelos con diferentes gradaciones
Kokusho and Yoshida (1997)

22. 0
100
200
300
400
500
600
1 10 100
Vs
0
min(HC)
Vs0
max(HC)
Vs
0
min(LC)
Vs
0
max(LC)
Vs
0
minandVs
0
max
Uniformity coefficient: Uc
Vs
0
min =120m/s
Vs
0
max = 420Uc/(Uc+1)
Vs normalizado vs. Coeficiente de uniformidad
para suelos con diferentes gradaciones
Kokusho and Yoshida (1997)

23. Fórmula empírica propuesta para el valor-N
y velocidad de la Onda-S para Suelos con
diferentes gradaciones; dependiente del Uc,
Dr y el esfuerzo de confinamiento
Valor-N:
Velocidad de la Onda-S:
( ) ( ) ( )* *Dr n Dr0.64
c m 0N=5.8 42.6U 5.8 σ p′
( ){ } ( )0
0.125
2
c c v hVs= 120+ 420U U +1 -120 Dr σ σ p⎡ ⎤⎣ ⎦
Kokusho and Yoshida (1997)

24. ( ) ( ) ( )* *Dr n Dr0.64
c m 0N=5.8 42.6U 5.8 σ p′
0
50
100
150
200
250
-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
TS
G25
G50
G75NormalizedSPTN-valueN/(σ'm
/p0
)n
Relative density Dr(%)
TS
G25
G50
G75
p
0
=98kPa
Ecuación empírica del valor-N vs. Dr comparada
con los resultados de los ensayos
Kokusho and Yoshida (1997)

25. RESUMEN-1
Efectos de la gradación de las partículas en el
Valor-N y en Vs
• Vs mantiene una relación lineal con e, mientras que log N
mantiene una relación lineal con log e
• Las relaciones son dependientes de la gradación de las
partículas.
• Vsmin and Nmin son prácticamente constantes, mientras que
Vsmax and Nmax son muy diferentes para suelos con diferente
Uc.
• En las fórmulas empíricas propuestas, Vs y el valor-N son
evaluadas a partir del Uc, Dr, y el esfuerzo de confinamiento.

26. ○
○○
33.020032.0
Loadi ng
pi st on
Luci t e
Por ous
met al
Loadi ng
cap
Pedest al
Load cel l
Por epr essur e
gauge
Cel l
pr essur e
gauge
20 20
100
Efectos de la distribución del tamaño de las partículas
en la resistencia no drenada cíclica y monótona.
(Kokusho et al. 2004)

27. 5. 0 195. 0
5. 0
277. 0
168. 0
192. 0
400
300. 0
30. 0
70. 0
50. 0
20. 0
a) Mol d wi t h
cul l ar
b) Vi br at or
and cap
c) Funnel
c' ) Mout h- pi ece
f or sand
Uni t ：
㎜
45. 0
200. 0
Herramientas
usadas en el
ensayo de
densidad máx
y mín
(Kokusho et al. 2004)

28. 0
20
40
60
80
100
0.001 0.01 0.1 1 10 100
SG1
SG2
SG3
Percentfinerbyweight(%)
Grain size (㎜)
(Kokusho et al. 2004)
Arena & Grava fluviales usadas en ensayos triaxiales no drenados

29. SG1
SG2
SG3
Arena & Grava fluviales usadas en ensayos triaxiales no drenados

30. Resistencia a la licuación vs. Dr;
gráficas para tres suelos granulares
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 20 40 60 80 100
SG1(Uc=1.44)
SG2(Uc=3.79)
SG3(Uc=13.1)
σ c
'
=98kPa
StressRatioRL20
Relative density Dr (%)
DA=5%
Wet tamping
Modified for MP
NL=20
(Kokusho et al. 2004)

31. Dr～50%
Wet tamping
σ c
'
=0.098 MPa
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
0 5 10 15 20 25
q- ε
u- ε
Deviatoricstressq(MPa)
Excesspore-pressureu(MPa
Axial strain ε(%)
SG2
SG3SG1
Deformación axial vs. Esfuerzo desviador/Exceso de presión de
poros en Ensayos No Drenados Monotónicos sin carga cíclica
(Kokusho et al. 2004)

32. Def. Axial vs. Esfuerzo Desviador/Exceso de presión de poros;
Ensayos Monotónicos No Drenados luego de ocurrida la licuación
(Kokusho et al. 2004)
(Dr=49% σd
/2σ c
'
=0.185)
(Dr=50.9% σ d
/2σ c
'
=0.197)
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
0 5 10 15 20 25
q-ε
u-ε
Deviatoricstressq(MPa)
Excesspore-pressureu(MPa)
Axial strain ε(%)
Wet tamping
σ c
'
=0.098 MPa
(Dr=51.6% σ d
/2σ c
'
=0.187)
SG2
SG3
SG1
Dr~50%

33. RESUMEN-2
Efectos de la gradación de las partículas en la
resistencia no drenada
• La resistencia cíclica no drenada no es fuertemente
dependiente del Uc. La resistencia cíclica para εDA =5% es
casi idéntica entre arenas pobremente gradadas y gravas
bien gradadas y es únicamente definida por la Dr.
• La resistencia no drenada,cuando se presentan
deformaciones considerables, es fuertemente dependiente
del Uc. Es más considerable aún para gravas bien gradadas
que para arenas pobremente gradadas.
• La resistencia residual no drenada, luego de ocurrida la
licuación, es también fuertemente dependiente del Uc.

34. Efectos del contenido de finos de baja plasticidad
en la resistencia no drenada cíclica y monotónica
0
20
40
60
80
100
0.001 0.01 0.1 1 10 100
Fc=0
Fc=2.5%
Fc=5%
Fc=10%
Fc=20%
Fc=30%
Finerbyweight(%)
Grain size (mm)
Los finos provienen de
granito descompuesto
con Ip~5.
SG3

35. SG3 mezclada con finos. Fc=10%
Grava arenosa SG3, Fc=0%

36. 0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.1 1 10 100 1000
Number of cycles NL
StressratioRLforDA=5%
Fc=0%
Fc=2.5%
Fc=5%
Fc=10%
Fc=20%
Fc=30%
Relación de Esfuerzos (DA=5%) vs. Número de ciclos para Dr~32%
Dr~32%

37. 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.1 1 10 100 1000
Number of Cycles NL
Stressratio RLforDA=5%
Fc=0%
Fc=2.5%
Fc=5%
Fc=10%
Fc=20%
Fc=30%
Dr~50%
Relación de Esfuerzos (DA=5%) vs. Número de ciclos para Dr~50%

38. 0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.1 1.0 10.0 100.0 1000.0
Number of Cycles NL
Stressratio RLforDA=5%
Fc=0%
Fｃ=2.5%
Fc=5%
Fc=10%
Fc=20%Dr~73%
Relación de Esfuerzos (DA=5%) vs. Número de ciclos para Dr~73%

39. Resistencia a la licuación/ Densidad Seca vs. Contenido de finos (%)
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0 10 20 30 40 50
Fine contents (%)
StressratioRL20DA=5%,NL=20
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
2
Drydensity(ｇ/cm3)
RL20 for Dr=70%
RL20 for Dr=50%
RL20 for Dr=30%
ρ d for Dr=50%
ρ d for Dr=30%
ρ d for Dr=70%
Dr=70
% Dr=50
%
Dr=30
%
Contenido de Finos Crítico CFc

40. CFc=14~17%
for sand
CFc=22~23% for
sandy gravel
Fines content Fc (%)
Cyclicstressratio
Wet tamping
sand +fines: Dr~30%
sand +fines: Dr~50%
sand +fines: Dr~70%
sandy gravel +fines: Dr~30%
sandy gravel +fines: Dr~50%
sandy gravel +fines: Dr~70%
Comparación del Fc dependiente de la resistencia a la
licuación entre arenas gravosas y arenas.

41. Concepto de vacío en el esqueleto de
suelos de grano grueso relleno de finos
Vacío en Suelo
Grueso
Finos llenando el vacíoPartículas de Suelo
Grueso
Suelo Completo Esqueleto Matriz

42. 1-nc
nc
Vacío finos
Fino
Grueso
1
e
1
e
1-nf
nf
1-Fc
Fc
1-Fc
Fc
Vacío finos
Fino
Gureso
Fc < CFc
Finos en los vacíos de las part.
gruesas
Fc > Critical Fc
Part. Gruesas flotando
entre los finos
Composición de suelos Gruesos incluyendo finos

43. Volumen de suelos gruesos y finos variando con el Fc
0
0.5
1
1.5
2
2.5
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Fines content (%)
Totalvolume(=1+e)
Volume of fines
Volume of
coarse soils
CFc=18%
Total volume
(1+e)
Dr=50%
1 1
1
f
c
f
n
e F
n
+ = +
−
1
1
1
c
c
F
e
n
−
+ =
−
( )( )
1
1
1 1c c c f
e
n n n n
+ =
− + − ( )( )1 1
c
c c c f
n
n n n n− + −
Void volume
of coarse soil
1
1 cn−
1
1 fn−

44. 0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0 5 10 15 20
Axial strain ε (%)
Deviatoricstressｑ(MPa)
Fc=0%
Fc=2.5%
Fc=5%
Fc=10%
Fc=20%
Fc=30%
Relación Esfuerzo-Deformación para ensayos no
drenados con carga monotónica para Dr~30%
Dr~30%

45. 0
0. 02
0. 04
0. 06
0. 08
0. 1
0. 12
0. 14
0 5 10 15 20
Axi al st r ai n ε ( %)
Deviatoricstress q(MPa)
Fc=0%
Fc=2.5%
Fc=5%
Fc=10%
Fc=20%
Fc=30%
Dr~50%
Relación Esfuerzo-Deformación para ensayos no
drenados con carga monotónica para Dr~50%

46. 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
0 5 10 15 20
Axial strain（%）
Deviatricstress（MPa）
Fc=0%
Fc=2.5%
Fc=5%
Fc=10%
Fc=20%
Dr~70%
Relación Esfuerzo-Deformación para ensayos no
drenados con carga monotónica para Dr~70%

47. 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
0 5 10 15 20 25 30
Fines content Fc(%)
Undrainedshearstrength
(MPa)
Dr～30%
Dr～50%
Dr～70%
Resistencia monotónica no drenada vs. Fc
para diferentes densidades relativas
Contenido de finos crítico

48. RESUMEN-3
Efecto causado por el contenido de finos con baja
plasticidad (Fc)
• La resistencia cíclica no drenada de suelos gravosos decrece con
el incremento del Fc hasta cierto CFc. La tendencia es
básicamente similar que en las arenas, pero el CFc en las gravas
es menor.
• El CFc puede ser de alguna manera relacionado con un contenido
de finos crítico en el cual los finos llenan el vacío de los suelos
gruesos. Fc para la grava es 10-20%, mientras que para las arenas
es mayor.
• La resistencia monotónica no drenada para suelos gravosos decrece
con el incremento del contenido de finos. El decrecimiento en suelos
densos es drástico, siendo menor que 1/10 para Fc=10%.

49. CONCLUSIONES FINALES
Nmin,Vsmin son prácticamente constantes mientras que Nmax, Vsmax
son altamente dependientes de la gradación en suelos granulares.
Los suelos granulares limpios son tan suceptibles como las arenas
con presión de poros aumentada al 100% y con deformación
limitada, siendo difícil obtener una falla drástica con una
deformación considerable.
Los suelos gravosos que contienen finos de baja plasticidad tienden
a licuarse más fácilmente y desarrollan una deformación mayor que
las gravas limpias. El efecto causado por los finos es muy variable
para diferentes valores de Dr.
Una investagación más sistemática es necesaria para establecer una
fórmula tal que correlacione la resistencia no drenada con la
resistencia a la penetración para suelos granulares con contenido de
finos.