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MÉTODOS SIMPLIFICADOS PARA LA EVALUACIÓN DEL
POTENCIAL DE LICUACIÓN DE SUELOS
Denys Parra Murrugarra (^1 ) Jorge E. Alva Hurtado (1)
RESUMEN
Este trabajo presenta una revisión de los métodos disponibles para evaluar el potencial de licuación de un suelo, utilizando metodologías simplificadas en base a observaciones de campo del comportamiento de depósitos de arena en terremotos pasados, es decir, mediante correlaciones empíricas entre el potencial a sufrir licuación de un suelo y algunas características físicas y/o mecánicas del mismo, tales como: la resistencia a la penetración, tipo de suelo, etc., además de conocer la magnitud y aceleración máxima superficial del sismo de diseño.
Los ensayos de penetración más comúnmente usados para establecer estas correlaciones son: el ensayo de penetración estándar (SPT) y el ensayo de penetración con el cono holandés (CPT), en los cuales los parámetros principales de entrada son: el esfuerzo efectivo vertical, el valor de la resistencia a la penetración (N ó q (^) c), el contenido de finos de la arena y el diámetro promedio de las partículas.
INTRODUCCIÓN
El estudio del fenómeno de licuación de arenas ha sido desarrollado por numerosos ingenieros e investigadores en todo el mundo, desde que este fenómeno fue identificado como el causante principal de los daños en el terreno y estructuras de tierra durante terremotos. Mientras que en una primera etapa este desarrollo fue motivado por la ocurrencia catastrófica de licuación durante los terremotos de Niigata y Alaska en 1964, el ímpetu para continuar el
(1) Laboratorio Geotécnico del CISMID, Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Nacional de Ingeniería, Lima, Perú. Ponencia presentada en el VI Congreso Nacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Cimentaciones, Lima, del 11 al 13 de Noviembre de 1991.
estudio de licuación se ha debido a una serie de grandes terremotos que han ocurrido en todas las regiones sísmicamente activas del mundo.
Existen básicamente dos métodos disponibles para evaluar el potencial de licuación de una arena saturada sometida a sacudimiento sísmico.
Usando métodos basados en una evaluación de las condiciones de esfuerzo cíclico o deformación que serán desarrollados en el campo por un terremoto de diseño propuesto, y una comparación de estos esfuerzos o deformaciones con aquellos observados para causar licuación en muestras representativas del depósito en un ensayo de laboratorio apropiado que proporcione una adecuada simulación de las condiciones de campo, o que puedan proporcionar resultados que permitan una evaluación del comportamiento del suelo bajo condiciones de campo.
Usando métodos basados en observaciones de campo del comportamiento de depósitos de arena en terremotos pasados que impliquen el uso de alguna característica in-situ de los depósitos para determinar probables semejanzas o diferencias entre estos lugares y otros propuestos, con respecto a su comportamiento potencial.
Debido al hecho que la mayoría de los depósitos naturales de arena son muy poco uniformes y a la extrema dificultad de obtener muestras inalteradas de suelos no cohesivos para ensayos de laboratorio, se desarrollarán básicamente los métodos llamados empíricos o simplificados.
MÉTODOS SIMPLIFICADOS BASADOS EN LOS RESULTADOS DE ENSAYOS
IN-SITU
Por las razones indicadas, el uso de ensayos in-situ para evaluar la resistencia a la carga cíclica o características de licuación de arenas, ha llegado a ser el método preferido para la evaluación de estas propiedades en la práctica ingenieril en los pasados 15 años. Puesto que no existe ningún método capaz de medir la resistencia a la licuación de una arena in-situ, ha sido necesario desarrollar correlaciones entre los valores de resistencia a la carga cíclica determinados de estudios de comportamiento de campo durante sacudimientos sísmicos y parámetros de ensayos in-situ, los cuales serán probablemente indicativos de estas propiedades (Seed y De Alba, 1986).
r (^) d = factor de reducción del esfuerzo que decrece de 1 en la superficie a 0.9 a 10 m. de profundidad.
La resistencia a la penetración del suelo usada en las correlaciones es la resistencia a la penetración normalizada N 1 , bajo esfuerzo efectivo vertical de 1 kg/cm 2. El valor de N 1 puede ser determinado por medio de la fórmula:
N 1 = Cn N
dónde: Cn = factor de corrección que puede ser evaluado del gráfico de la Figura 1
Liao y Whitman (1985) propusieron la siguiente relación para evaluar Cn
; en kg/ cm
Cn =^12
o o
y < 2
La Figura 2 muestra la relación entre τ l / σ o , y el valor de N 1 , propuesto a partir de un estudio
extensivo para desarrollar las correlaciones del método simplificado. En esta figura las correlaciones están dadas para arenas con diversos contenidos de finos y para un sismo de 7 ½ de magnitud. La relación mostrada puede ser fácilmente extendida a terremotos de diferentes magnitudes, multiplicando la relación de esfuerzos cíclicos calculados por los factores de corrección mostrados en la Tabla 1, la cual fue deducida a partir de estudios estadísticos basados en el número de ciclos representativos que inducen terremotos de diferente magnitud, tomando como base de comparación una magnitud de 7 ½, según se muestra en la Tabla 2 (Seed et al, 1975).
B) MÉTODO SIMPLIFICADO DE TOKIMATSU Y YOSHIMI
Basados en resultados de extensivos ensayos de laboratorio de licuación de arenas saturadas, Tokimatsu y Yoshimi (1983), indicaron que los efectos de movimientos sísmicos que causan licuación pueden ser representados por dos parámetros: la aceleración horizontal del terreno y el número de ciclos de movimientos significativos. Esta conclusión es incorporada en la siguiente ecuación para la relación del esfuerzo de corte dinámico para una profundidad determinada:
o d^ n
max o o
d r r
g
= a
donde: τd = amplitud de los ciclos de esfuerzo de corte uniforme, equivalente a un registro tiempo-historia de esfuerzo de corte sísmico. amax = aceleración máxima en la superficie del terreno g = aceleración de la gravedad = esfuerzo vertical inicial = esfuerzo efectivo vertical inicial r (^) d y r (^) n = son factores de corrección en términos de la profundidad y la magnitud del terremoto, respectivamente, como sigue: r (^) d = 1-0.015 z (según Iwasaki et al, 1978) r (^) n = 0.1 (M-1)
donde : z = profundidad en metros M = magnitud del terremoto.
El factor r (^) n se introduce para facilitar la comparación del comportamiento de campo durante terremotos de diferentes magnitudes, en base al número de ciclos uniformes equivalentes que producen los sismos, como se indica en la Tabla 2.
Los valores de la resistencia a la penetración, o valores de N corregidos para una profundidad dada, se obtienen como sigue:
Na = N 1 + ∆ Nf
N 1 = Cn N
; enkg/ cm
Cn =^12
o o
donde: Na = valor corregido de la penetración estándar N 1 = resistencia a la penetración estándar normalizada para un esfuerzo efectivo vertical de 1 kg/cm 2 ∆Nf = valor de N adicional que se incrementa proporcionalmente con el contenido de finos de la arena, Figura 3
La relación de esfuerzo de corte (τ / σ o) está dada por la Figura 4. En este gráfico se evalúa
la relación de resistencia a la licuación en función de los valores de N corregidos y para tres niveles de deformación por corte 2%, 5% y 10%.
σ o
σ o
donde : τl = esfuerzo de corte cíclico que causará licuación N = número de golpes del SPT. σ (^) v = esfuerzo efectivo vertical D 50 = diámetro promedio de las partículas en mm
MÉTODOS BASADOS EN EL ENSAYO DE PENETRACIÓN CÓNICA
En años recientes se han realizado significativos avances en la investigación, interpretación, desarrollo y aplicación del ensayo de penetración cónica. La adición de la medición de presión de poros durante el ensayo de penetración ha agregado una nueva dimensión en la interpretación de los parámetros geotécnicos. Por lo tanto, es necesario establecer una relación entre los valores medidos de este ensayo, ya sea resistencia por punta, fricción lateral o exceso de presión de poros, con la resistencia a la licuación de las arenas, en forma análoga a las ya desarrolladas para los valores N del SPT.
En 1986, Seed y De Alba presentaron un método para evaluar la licuación de arenas, basados en un trabajo realizado por ellos mismos para valores N del SPT. El estudio consistía en obtener una relación confiable entre la resistencia por punta y el valor de la resistencia a la penetración N, y aprovechar la gran cantidad de datos de campo disponibles que relacionan la resistencia a la licuación con los datos del SPT. En la actualidad existe el consenso que el valor qc / N varía con el tamaño de los granos del suelo, que usualmente está representado por el diámetro promedio D 50.
Robertson y Campanella propusieron en 1983 un método modificado basado en los resultados del CPT para evaluar la licuación de arenas, revisando la información disponible acerca de la licuación de arenas limpias y arenas limosas, considerando la influencia del contenido de finos y tomando en cuenta dos parámetros del ensayo: la resistencia por punta q (^) c y la fricción lateral f (^) s, expresados ambos como la relación de fricción FR (%).
Yasuda, Saito, Iwasaki y Morimoto, en 1985, propusieron un nuevo método simplificado para predecir el potencial de licuación del ensayo de penetración cónica con medición de presión de poros (CPTU). Este método de predicción es más preciso que los métodos convencionales, debido a que no sólo se toma en consideración la resistencia por punta, q (^) c, sino también la fricción lateral, f (^) S, y el exceso de presión de poros, u. Este método es esencialmente válido para predecir el potencial de licuación del terreno que soporta tuberías enterradas a través de una gran área.
El desarrollo de estas metodologías será motivo de un próximo trabajo, pudiendo el interesado encontrar mayor información en las referencias que se dan en esta publicación.
EVALUACIÓN DE LA RESISTENCIA A LA LICUACIÓN
Cada uno de los métodos simplificados descritos, basados en las experiencias de campo y de laboratorio de sus autores, proponen diversas expresiones para evaluar, tanto la relación de esfuerzos que se requiere para causar licuación en un suelo dado, cuyas características son
conocidas( τ l / σv),como la relación de esfuerzos que induce un movimiento sísmico cuyas
características también son conocidas ( τ d / σv).
Por lo tanto, se puede definir el factor de seguridad contra la ocurrencia del fenómeno de licuación (FL), mediante la siguiente expresión.
(τ σ )
τ σ d v
l v /
FL=( / )
Por lo tanto: Si FL > 1 no se producirá licuación Si FL 1 se producirá licuación
APLICACIÓN DE LAS METODOLOGÍAS SIMPLIFICADAS
Debido a la gran cantidad de datos de correlaciones existentes entre la resistencia a la penetración medida por el valor N del SPT y la resistencia a la licuación de un suelo, la aplicación de las metodologías simplificadas se basará principalmente en aquellas desarrolladas a partir de los resultados del ensayo SPT.
El programa DLICUA desarrollado en el Laboratorio Geotécnico del CISMID-UNI, realiza el análisis de licuación para las tres metodologías basadas en el SPT, mediante un menú el cual permite seleccionar el tipo de método a utilizar o también un análisis considerando todos los métodos disponibles. Los parámetros generales de entrada son:
- La magnitud del sismo de diseño.
- La aceleración máxima superficial de este sismo.
- El perfil estratigráfico obtenido de la perforación, incluyendo la información de la ubicación del nivel freático.
- El tipo de suelo analizado a la profundidad del ensayo SPT: clasificación, contenido de finos, diámetro promedio.
es necesario recopilar los estudios existentes realizados por instituciones públicas y empresas privadas y además realizar sondajes de exploración de campo en aquellos lugares donde se carezca de información.
- Para ejecutar el análisis mediante las metodologías simplificadas en la evaluación del potencial de licuación, se requiere el conocimiento del perfil estratigráfico y ensayos de penetración estándar, nivel freático, ensayos de clasificación de laboratorio y el sismo de diseño. Los resultados obtenidos indican que existen muy buena aproximación entre los métodos de Seed e Idriss y Tokimatsu y Yoshimi, debido probablemente a que ambos métodos consideran los mismos parámetros de entrada.
REFERENCIAS
De Beer E., Goelen E., Heynen W. y Joustra K. (1988), “Cone Penetration Test (CPT): International Reference Test Procedure”, Penetration Testing, ISSMFE, pp. 27-51.
Decourt L., Muromachi T., Nixon I.K., Schmertmann J. H., Thorbum S. y Zolkov E. (1988), “Standard Penetration Tests (SPT): International Reference Test Procedure”, Penetration Testing, ISSMFE, pp. 3-26.
Iwasaki T. (1986), “Soil Liquefaction Studies in Japan. State of the Art”, International Journal of Soil Dynamics and Earthquake Engineering.
Iwasaki T., Tatsuoka F., Tokida K. y Yasuda S. (1978), “A Practical Method for Assessing Soil Liquefaction Potential Based on Case Studies at Various Sities in Japan”, 5 th Japan Symposium on Earthquake Engineering, November.
Liao S. y Whitman R.V. (1986), “Overburden Correction Factors for SPT in Sand”, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, March, pp. 373-377.
Parra M. D. (1991), “Evaluación del Potencial de Licuación de Suelos de la Ciudad de Chimbote”, Tesis de Grado, Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Nacional de Ingeniería. Lima, Perú.
Robertson P.K. y Campanella R.G. (1983), “Interpretation of Cone Penetration Test Part I Sand”, Canadian Geotechnical Journal, Vol 20, pp 718-
Robertson P.K. y Campanella R.G. (1985), “Liquefaction Potential of Sands Using the CPT”, Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE, vol 111, N° 3, pp 384-403.
Seed H.B., Idriss I.M. y Arango I. (1983), “Evaluation of Liquefaction Potential Using Field Performance Data”, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, vol. 109, N° 3 pp. 458-481.
Seed H.B., Tokimatsu K., Harder L.y Chung R. (1985), “Influence of SPT Procedures in Soil Liquefaction Resistance Evaluations”, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, vol. 111, N° 12 pp. 1425-1445.
Sedd H.B. y De Alba P. (1986), “Use of SPT and CPT Test for Evaluating the Liquefaction Resistance of Sands”, Use of Insitu Test in Geotechnical Engineering, ASCE, pp 281-302.
Tokimatsu K., Uchida A. y Oh-oka H. (1989), “Evaluation of Liquefaction Potential Based on Shear Wave Velocity”, 12th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Rio de Janeiro, Brazil, pp. 151-156.
Tokimatsu K. y Yoshimi Y. (1981), “Field Correlation of Soil Liquefaction with SPT and Grain Size”, International Conference on Recent Advances in Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics, University of Missouri-Rolla, pp 203-208.
Tokimatsu K. y Yoshimi Y. (1983), “Empirical Correlation of Soil Liquefaction Based on SPT N-value and Fines Content”, Soils and Foundations, Vol. 23, N°4, pp 56-74.
Yasuda S., Saito K., Iwasaki K. y Morimoto I. (1989), “Prediction of Liquefaction Potential Using CPTU”, 12th International Conference on Soil Mechanics and Fondation Engineering, Rio de Janeiro, Brazil, pp. 131-134.
ANEXO I
EJEMPLO DE ANALISIS DE LICUACION
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
CENTRO PERUANO-JAPONES DE INVESTIGACIONES
SISMICAS Y MITIGACION DE DESASTRES
EVALUACION DEL POTENCIAL DE LICUACION DE SUELOS
MEDOTODOLOGIAS SIMPLIFICADAS BASADAS EN EL SPT
(Ejemplo 1)
SOLICITADO: CISMID - UNI
PROYECTO : LICUACION DE SUELOS
UBICACIÓN : CIUDAD DE CHIMBOTE
FECHA : ENERO 90
VALOR DE LA MAGNITUD: 7.5 Ms
ACELERACION MAXIMA : 0.30 g
SONDAJE : S-11 (Colegio Fe y Alegría - San Juan)
NIVEL FREATICO (mt) : 1.
Profundidad (mt.)
Clasif. (sucs)
Densidad (Ton/m^3 )
Cont. Finos (%)
D (mm)
Valor N (gol/pie)
Esf. Total (Kg/cm^2 )
Esf. Efectivo (Kg/cm^2 ) FRL 1^ FRL 2^ FRL 3
SP-SM SP-SM SM SP-SM SM SM SM SM SM
5 11 4 24 21 26 21 57 63
(Ejemplo 2)
SOLICITADO : CISMID - UNI
PROYECTO : MICROZONIFICACIÓN SISMICA DE MOYOBAMBA
UBICACION : SECTOR TAHUISCO
FECHA : AGOSTO 90
VALOR DE LA MAGNITUD: 7.0 Ms
ACELERACION MAXIMA : 0.20 g
SONDAJE : CPT 1
NIVEL FREATICO (mt) : 2.
Profundidad (mt.)
Clasif. (sucs)
Densidad (Ton/m^3 )
Cont. Finos (%)
D (mm)
Valor N (gol/pie)
Esf. Total (Kg/cm^2 )
Esf. Efectivo (Kg/cm^2 ) FRL 1^ FRL 2^ FRL 3
SM SC SP-SM SC SC SC SM SM
5 7 2 5 3 3
11 17
(Ejemplo 3)
SOLICITADO : CISMID - UNI
PROYECTO : MICROZONIFICACION SISMICA DE MOYOBAMBA
UBICACION : A.A.H.H. SANTA ANITA DE AZUNGUE
FECHA : AGOSTO 90
VALOR DE LA MAGNITUD: 7.0 Ms
ACELERACION MAXIMA : 0.20 g
SONDAJE : CPT
NIVEL FREATICO (mt) : 0.
Profundidad (mt.)
Clasif. (sucs)
Densidad (Ton/m^3 )
Cont. Finos (%)
D (mm)
Valor N (gol/pie)
Esf. Total (Kg/cm^2 )
Esf. Efectivo (Kg/cm^2 ) FRL 1^ FRL 2^ FRL 3
SM SP-SM SP-SM SP-SM SM SM SM SP
3 12 8 10 1 3 2 30
Figura 3 : Relación entre valores N Adicionales y Contenido de Finos (Tokimatsu y Yoshimi, 1983)
Figura 4 : Gráfico de la Relación de la Resistencia a la Licuación vs Valores N Corregidos (Tokimatsu y Yoshimi, 1983)
0 10 20 30 40 50 CONTENIDO DE FINOS (%)
12
10
8
6
4
2
0
VALORES ADICIONALES (
∆Nf)
γ = 10% 5% 2%
VALORES “N” CORREGIDOS
0 10 20 30 40 50
0
γ = Deformación por corte
RELACION DE RESISTENCIA A LA LICUACIÓN(RELACION DE ESFUERZOS DE CORTE
τ 1/σ
)ν
