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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