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LICUEFACCION DE ARENAS
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1. INTRODUCCION
En el presente trabajo se analizarán criterios teóricos y conceptuales basados en información
procedente relacionada con la ingeniería de suelos. Se especifican temas, definiciones, gráficos, y
otros hallazgos de mucho provecho para este trabajo
Las cargas dinámicas que actúan sobre cimentaciones y estructuras de suelo pueden originarse por
terremotos, explosiones de bombas, operaciones de maquinarias y martillos, operaciones
deconstrucción (hincado de pilotes), explosiones en canteras, tráfico intenso (incluyendo aterrizaje
de aviones), viento, carga debido a la acción de las olas en el agua, etc. La naturaleza de cada una de
estas cargas es bastante diferente una de otra, siendo los terremotos los que constituyen la fuente más
importante de cargas dinámicas sobre estructuras y cimentaciones.
2. LICUEFACCION DE SUELOS
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Es el proceso que conduce a esta pérdida de firmeza o rigidez es conocido como licuación del suelo.
Este fenómeno está principalmente, más no exclusivamente, asociado con suelos saturados poco
cohesivos. El término licuación, incluye entonces todos los fenómenos donde se dan excesivas
deformaciones o movimientos como resultado de transitorias o repetidas perturbaciones de suelos
saturados poco cohesivos.
La licuación se define como “la transformación de un material granular de un estado sólido aun
estado licuado como consecuencia del incremento de la presión de agua de poros” (Youd,1973). La
causa más dramática de daños a edificaciones y obras civiles durante un terremoto es el fenómeno
licuación, el cual es un proceso en el cual el suelo cambia de un material firme a un material viscoso
semi-líquido y bajo condiciones similares a una arena movediza.
¿CUANDO OCURRE LA LICUEFACCION?
La licuación ocurre cuando suelos arenosos son sometidos a vibración, por lo tanto, cuando un
estrato de suelo se licua y empieza a fluir por la acción del terremoto, éste no es capaz de soportar el
peso de cualquier suelo o estructura encima de él, debido a esto, es posible que ocurran una serie de
efectos, algunos catastróficos, como: deslizamientos, flujos, hundimiento o inclinación de
edificaciones, volcanes de arena, asentamientos diferenciales, etc., como ha quedado evidenciado en
numerosos terremotos ocurridos en diferentes partes del mundo.
3. FACTORES QUE DETERMINAN EL FENÓMENO DE LICUEFACCIÓN:
Magnitud del movimiento sísmico.- Está relacionada con la magnitud de los esfuerzos y
deformaciones inducidos en el terreno por este movimiento. Dependiendo de la distancia hipo central,la magnitud del movimiento producirá cierto valor de aceleración máxima en la roca basal, la cual
sufrirá amplificación, dependiendo de las condiciones locales del suelo.
Duración del movimiento sísmico.- Normalmente la duración de un movimiento sísmico es
corto (entre 5 a 40 segundos), pero si este es intenso, predominará la condición no drenada, es
decir la disipación de la presión de poros se verá restringida, y por el contrario se evidenciará
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el aumento de la misma, produciendo en algún momento condiciones de esfuerzo efectivo
nulo, y por lo tanto licuación.
Granulometría del suelo.- Los suelos más susceptibles a sufrir licuación son aquellos que
poseen una granulometría uniforme, siendo las arenas finas uniformes las que son más
propensas a licuar que las arenas gruesas uniformes. Además, según algunos autores las
arenas limosas poseen mayor resistencia a sufrir licuación con respecto a las arenas limpias o
con escaso contenido de finos
Densidad Relativa.- Una arena con un valor de resistencia a la penetración estándar de 40
golpes/30cm (densidad relativa de 70 a 80%) puede mostrar evidencias de licuación, pero no
es probable que experimente más del 10% de deformación por corte bajo la influencia de la
vibración sísmica. En contraste con ello, arenas con valor de 20 golpes/pie (densidad relativa
de 30 a 60%), pueden desarrollar relaciones de presiones de poro de 100% y experimentardeformaciones por corte muy grandes del orden del 25-30%, bajo la acción de los esfuerzos
de corte aplicados
Profundidad del nivel freático.- La presión de poros, producida por el agua que ocupa los
vacíos existentes entre las partículas del material debido a la posición de nivel freático, se
incrementa por efecto de la vibración producida en el movimiento sísmico. Por consiguiente,
la ubicación del nivel freático cuando se produzca un terremoto en un depósito arenoso, será
de mucha importancia porque regirá la condición de saturación y por lo tanto, influirá
también en el esfuerzo efectivo.
4. EFECTOS DAÑINOS QUE PRODUCE LA LICUACIÓN:
Son tres tipos de falla del terreno asociados al fenómeno de licuación de suelos:
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1) Desplazamiento lateral.- Es el tipo más común de falla del terreno por licuación de suelos,
involucra el movimiento lateral de las capas superficiales como resultado de la licuación y la
pérdida transitoria de la resistencia de las capas inferiores, esto ocurre generalmente en terrenos
relativamente llanos (con pendientes comprendidas entre el 0.5 y5%). En condiciones normales el
desplazamiento lateral tiene un rango de pocos metros, y en condiciones anormales pueden ocurrirdesplazamientos laterales de varias decenas de metros 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. En el terremoto de Alaska de 1964 se
dañaron 266 puentes hasta el punto de requerir reemplazo o grandes trabajos de reparación. Este
tipo de falla es particularmente destructiva para las tuberías. Por ejemplo, casi todas las roturas de
tuberías en la ciudad de San Francisco durante el terremoto de 1906 ocurrieron en áreas de
desplazamiento lateral; cuando surgieron incendios en la ciudad, no se pudo contar con agua de
las tuberías para extinguir el fuego. Existen técnicas de estabilización contra fallas de
desplazamiento lateral, pero son relativamente caras y sólo únicamente justificables en lugares
críticos. Las técnicas de estabilización incluyen la remoción, compactación, inyección, drenaje o
la utilización de contrafuertes.
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 desarrollageneralmente enarenas saturadas, sueltas, con pendiente del terreno mayor que 5%.Muchas de las
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mayores y más dañinas fallas de flujo se han desarrollado bajo agua en áreas costeras. Por
ejemplo las fallas de flujo submarinas que afectaron grandes secciones de los puertos de Seaward,
Whittier y Valdez en Alaska. Estas fallas adicionalmente generaron grandes olas que causaron
daños adicionales y pérdidas de vidas. La falla en Valdez durante el terremoto de Alaska de 1964,
involucró 75 millones de metros cúbicos de sedimentos deltaicos y ocasionó la destrucción del puerto. Esta falla ocasionó desplazamientos laterales de 5 metros en la población detrás del
puerto, ocasionando daños adicionales. No se han desarrollado medidas prácticas para estabilizar
fallas de flujo similares a las presentadas. En el caso de Valdez, se trasladó a la población 6 Km al
noroeste, en un terreno más estable. En tierra firme, las fallas de flujo han sido más catastróficas
aunque menos frecuentes que los flujos submarinos. Durante el terremoto de Kansu, China de
1920 se produjeron varias fallas de flujo cuyo tamaño fue de hasta 1.6 Km de largo y ancho. Se
cree que la presión del aire, en vez de la presión de poros generó dichas fallas. No existen técnicas
prácticas para prevenir este tipo de falla. Las fallas de flujo pequeñas durante los terremotos son
comunes en terrenos montañosos húmedos y arenosos. Por ejemplo, en los depósitos de arena
eólica de San Francisco en el terremoto de 1906 y en los depósitos volcánicos de Tokachioki,
Japón y Chile. 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.
3) Pérdida 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.
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DESCRIPCIÓN
5. PRESIÓN DE POROS BAJO CONDICIONES DE CARGA CÍCLICA
Figura 1.
Representación de
partículas en un depósitode suelo. La altura de la
columna en azul a la
derecha representa el nivel
de la presión de agua de
poros en el suelo.
Figura 2.
La longitud de las flechas
representa el tamaño de lasfuerzas de contacto entre las
partícula sin dividuales del
suelo. Estas fuerzas son
mayores cuando la presión de
agua de poros es baja.
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El exceso de presión de poros, puede desarrollarse bajo condiciones de carga cíclica de tal manera
que origine una disminución del esfuerzo efectivo. Cuando los suelos se encuentran bajo una
condición de consolidación isotrópica, el esfuerzo efectivo puede reducirse a cero cuando el exceso
de presión de poros se incrementa continuamente.
Cuando la carga sísmica excede la resistencia, se espera que ocurra licuación o el máximo exceso de presión de poros. El nivel del desarrollo del exceso de presión de poros puede ser previsto a partir del
método del esfuerzo cíclico.
Los ensayos de laboratorio muestran que el número de ciclos de esfuerzo requeridos para producir
licuación decrece con el incremento de la amplitud del esfuerzo cíclico como se muestra en la
Figura.
La curva mostrada en la Figura 5 es llamada usualmente la curva de resistencia cíclica a la licuación. La curva
de resistencia cíclica es normalizada frecuentemente con relación a la presión de confinamiento efectiva
inicial. Este esfuerzo cíclico normalizado es llamado Relación de Esfuerzo Cíclico o CSR
6. INTENSIDADES SÍSMICAS OBSERVADAS Y LICUACIÓN DE SUELOS
Figura 4:Relación de Presión de
Poros Bajo Condiciones deCarga Cíclica .
Figura 5:
Esfuerzos Cíclicos
Requeridos para
Producir Licuación
Inicial.
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Un mapa de máximas intensidades sísmicas observadas (MM) en el Perú fue presentado por
Alva Hurtado et al (1984). El mapa se basó en treinta mapas de isosistas de terremotos
recientes e intensidades puntuales de terremotos históricos. El mapa representa el nivel de
daño independiente de la causa: vibración de suelo, licuación, deslizamientos provocados por
terremotos u otros. Este mapa se preparó como parte de un proyecto regional patrocinado porCERESIS. (Centro Regional de Sismología en América del Sur).
El mapa indica una alta actividad sísmica en la costa peruana debido a la subducción de la
Placa de Nazca debajo de la Placa Suramericana; una actividad sísmica moderada puede
notarse en la Zona Sub andina localizada en la selva nororiental, al este de la cordillera de los
Andes. Intensidades hasta X fueron observadas en la costa del Perú en grandes áreas,
mientras que en la zona sub andina la atenuación es más alta, con intensidades altas en sitios
específicos. La Figura Nº1 presenta la Distribución de las Máximas Intensidades Sísmicas
que Observadas en el Perú
Una revisión de la información histórica de licuación de suelos en el Perú fue presentada por Alva
Hurtado (1983). La evidencia de licuación tal como, el desarrollo de volcancitos de arena y lodo, laexpulsión violenta de agua del terreno, presencia de agrietamiento intenso y asentamiento diferencial
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debido a los eventos sísmicos se ha tomado en consideración. Un mapa del Perú que muestra
diferencias entre las áreas de licuación reales y probables encontradas en la literatura fue recopilado
y es presentado en la Figura Nº2.
Veintisiete casos de licuación de suelos en el Perú fueron determinados. Los fenómenos ocurrieron
en la costa, en las regiones montañosas y la selva norte. En la costa la licuación de suelo esgeneralizada debido a la más alta sismicidad y la existencia de mayor población en esta parte del
Perú. Existe una correspondencia entre las intensidades más altas y la ocurrencia de licuación de
suelo en el Perú. Se describirán ejemplos de terremotos que produjeron licuación de suelos en la
costa y la selva y sus efectos.
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7. LICUACIÓN DE SUELOS CAUSADA POR EL TERREMOTO DE 1970
Uno de los casos mejor documentados de licuación de suelos en el Perú es el pertinente al 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. Un
breve resumen de efectos de licuación en Chimbote durante el terremoto del 31 de mayo de 1970 se
presenta a continuación.
También presentó evidencias de licuación de arena saturada en la calle Elías Aguirre en Chimbote.
Morimoto et al (1971) describieron la licuación de suelos en Chimbote y presentaron un mapa de
distribución de grietas del terreno y volcanes de arena (Figura Nº3). En los pantanos y terrenos bajos
en depósito aluvial, se desarrolló licuefacción general con grietas debido a la densificación
diferencial de depósitos de suelo. En depósitos aluviales se desarrolló licuación sub superficial,
generando grietas con volcanes de arena y daños a pozos.
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8. EFECTOS DE SUELO CAUSADOS POR LOS TERREMOTOS DE 1990 Y 1991
El 29 de mayo de 1990 y el 4 de abril de 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. La región selocaliza en el Noreste del Perú, con temperatura y precipitación altas. Rocas sedimentarias de los
Periodos Jurásico a Cretáceo se encuentran en las montañas cercanas y materiales del cuaternario en
el valle del río Alto Mayo. Los depósitos cuaternarios están compuestos de suelos aluviales,
coluviales, fluviales y residuales. 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. (Alva-
Hurtado et al, 1992).
Grietas del Terreno.- Se observaron grietas de tensión en: 1) la cresta de los taludes de la meseta deMoyobamba, asociadas con la licuación de suelo y desplazamiento lateral, 2) las carreteras, como
zonas de tensión que pueden desarrollar futuros deslizamientos y derrumbes, 3) los suelos blandos en
las riberas del río Mayo.
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.
La Figura Nº4 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
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CONCLUSIONES
• Existe alta actividad sísmica en la costa peruana debido a la subducción de la placa de Nazca
debajo de la placa Sudamericana y actividad sísmica moderada en la zona sub andina al estede los Andes.
• La licuación de suelos ha ocurrido en la costa, en la sierra en la zona sub andina del Perú. La
mayoría de los casos ocurrieron en la costa, debido a la mayor sismicidad y población.
• Existe una correspondencia entre las áreas de intensidades altas y la ocurrencia de licuación
de suelos en el Perú. Se presentaron dos casos uno en la costa y el otro en el nor-este del
Perú.
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INDICE
1. INTRODUCCION
2. LICUEFACCION DE SUELOS
3. FACTORES QUE DETERMINAN EL FENÓMENO DE LICUEFACCIÓN
4. EFECTOS DAÑINOS QUE PRODUCE LA LICUACIÓN
5. PRESIÓN DE POROS BAJO CONDICIONES DE CARGA CÍCLICA6. INTENSIDADES SÍSMICAS OBSERVADAS Y LICUACIÓN DE SUELOS
7. DAÑOS OCURRIDOS EN TERREMOTOS PASADOS POR EFECTOS DE
LICUACIÓN
8. EFECTOS DE SUELO CAUSADOS POR LOS TERREMOTOS DE 1990 Y 1991
9. CONCLUSIONES
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BIBLIOGRAFIA
.wikipedia.org/wiki/Licuefacción _de_suelo
www.dcc.uchile.cl/~roseguel/taller2/licuefaccion
Libro de Braja Das Mecanica de Suelos
portalweb.ucatolica.edu.com