FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN …

FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN

CENIZAS VOLCÁNICAS

Ivónn Yamile Morales Ramírez

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FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN CENIZAS VOLCÁNICAS.

IVONN YAMILE MORALES RAMIREZ

PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA

FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL

BOGOTA

JUNIO 2011


CENIZAS VOLCÁNICAS


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FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN CENIZAS VOLCÁNICAS

IVONN YAMILE MORALES RAMIREZ

Trabajo de grado para optar el título de Ingeniero Civil

Director PhD. Carlos Eduardo Rodríguez Pineda, Ingeniero Civil

PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA

FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL

BOGOTA

JUNIO 2011


CENIZAS VOLCÁNICAS


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FIRMA DEL DIRECTOR

FIRMA DEL EVALUADOR

BOGOTA, JUNIO DE 2011


CENIZAS VOLCÁNICAS


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AGRADECIMIENTOS Agradezco a los ingenieros Carlos Eduardo Rodríguez Pineda y Oscar Correa por su

orientación y colaboración en el proceso. A los laboratorios de la Universidad Nacional de

Manizales y de la Pontificia Universidad Javeriana por la elaboración de los ensayos.

Finalmente agradezco el apoyo de mis padres, hermanos, novio y amigos quienes son las

personas más importantes en mi vida.


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CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................... 14

1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA, ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN . 14

2. OBJETIVOS .............................................................................................................................. 17

2.1 General ............................................................................................................... 17

2.2 Específicos .......................................................................................................... 17

3. MARCO TEORICO Y ESTADO DEL ARTE ............................................................................. 17

3.1 Respuesta dinámica de depósitos de suelos blandos. ................................. 17

3.1.1 Introducción ....................................................................................................... 17

3.1.2 Carga cíclica ....................................................................................................... 18

3.1.2.1 Amplitud ............................................................................................................. 18

3.1.2.1.1 Aceleración Pico ................................................................................................ 20

3.1.2.1.2 Velocidad Pico .................................................................................................... 21

3.1.2.1.3 Desplazamiento pico ......................................................................................... 22

3.1.2.2 Contenido Frecuencial ...................................................................................... 22

3.1.2.2.1 Espectro del movimiento de suelo .................................................................. 23

3.1.2.2.2 Espectro de energía .......................................................................................... 24

3.1.2.2.3 Espectro de respuesta ...................................................................................... 25

3.1.2.2.4 Periodo predominante ...................................................................................... 25

3.1.2.3 Duración ............................................................................................................. 26

3.1.3 Efecto de sitio .................................................................................................... 27

3.1.3.1 Efecto topográfico ............................................................................................. 27

3.1.3.2 Efecto Geológico ............................................................................................... 29

3.1.3.2.1 Amplificación geométrica (Impedancia): ....................................................... 29

3.1.3.2.2 Amplificación dinámica o resonancia: ............................................................ 30

3.1.4 Propiedades Dinámicas .................................................................................... 30

3.1.4.1 Módulo de rigidez al corte dinámico del suelo .............................................. 30


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3.1.4.2 Coeficiente de amortiguamiento dinámico del suelo ................................... 31

3.1.5 Principales Factores que afectan propiedades dinámicas del suelo .......... 32

3.1.5.1 Efecto de la amplitud de deformación ........................................................... 32

3.1.5.2 Presión efectiva de confinamiento.................................................................. 34

3.1.5.3 Efecto de la historia de consolidación ............................................................ 35

3.1.5.4 Efecto del índice de plasticidad del suelo ...................................................... 36

3.1.5.5 Efecto de la relación de vacíos ........................................................................ 38

3.1.6 Arcillas................................................................................................................. 39

3.1.6.1 Factores que afectan al módulo de corte y el amortiguamiento de arcillas39

3.1.6.2 Efectos de plasticidad en comportamiento cíclico de arcillas ..................... 42

3.1.6.3 Efectos de la densidad en el módulo de corte de la arcilla ........................ 43

3.1.6.4 Degradación del módulo de corte de arcillas ................................................ 44

3.1.6.5 Coeficiente de amortiguamiento de arcillas .................................................. 46

3.1.6.6 Curvas G y h de muestras inalteradas ........................................................... 47

3.1.7 Cenizas Volcánicas ............................................................................................ 49

3.1.7.1 Naturaleza de las partículas de cenizas volcánicas ...................................... 49

3.1.7.1.1 Clasificación de las cenizas volcánicas considerando el origen de los

fragmentos ............................................................................................................................. 50

3.1.7.1.2 Clasificación considerando el tamaño del clasto .......................................... 51

3.1.7.1.3 Formación........................................................................................................... 53

3.1.7.2 Depósitos de Ceniza Volcánica ........................................................................ 56

3.1.7.3 Reconocimiento de las cenizas volcánicas .................................................... 57

3.1.7.4 Caracterización geotécnica .............................................................................. 59

3.1.7.4.1 Propiedades Físico-Químicas ........................................................................... 60

3.1.7.4.2 Propiedades Mecánicas .................................................................................... 61

3.1.7.5 Caracterización Dinámica de cenizas volcánicas .......................................... 64

3.1.7.5.1 Curvas de degradación de módulo cortante para cenizas volcánicas ....... 65

3.1.7.5.2 Respuesta dinámica de depósitos de Ceniza Volcánica .............................. 74

3.2 Normativa de los ensayos ................................................................................ 77

3.2.1 Introducción ....................................................................................................... 77


CENIZAS VOLCÁNICAS


7

3.2.2 Cargas repetidas ............................................................................................... 78

3.2.3 Ensayo Bender Element ................................................................................... 82

3.2.3.1 Método de prueba estándar de laboratorio para la determinación de

velocidades de pulso ultrasónico y constantes elásticas de las rocas ASTM D2845-95.82

3.2.4 Ensayo Triaxial Cíclico ...................................................................................... 83

3.2.4.1 Método de prueba estándar para carga controlada del suelo con el uso del

Triaxial cíclico ASTM D5311-92 (Aprobada de nuevo en 2004). ................................... 84

3.2.5 Ensayo Columna Resonante ............................................................................ 85

3.2.5.1 Método estándar de ensayo para módulo de corte y amortiguación del suelo

Columna Resonante ASTM D4015-92. ............................................................................... 87

3.2.6 Trayectoria de esfuerzos .................................................................................. 88

3.2.6.1 Tiaxial Cíclico ..................................................................................................... 88

3.2.6.2 Columna Resonante .......................................................................................... 93

4. CARACTERIZACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DINÁMICO DE CENIZAS

VOLCÁNICAS DE MANIZALES ............................................................................................. 95

4.1 Introducción ....................................................................................................... 95

4.2 Metodología de los ensayos ............................................................................ 97

4.3 Parámetros de ensayo ...................................................................................... 97

4.4 Sismos de Diseño ............................................................................................ 102

4.5 Caracterización de las muestras de suelo ................................................... 105

4.6 Resultados de ensayos de laboratorio ......................................................... 106

4.6.1 Ensayos de Compresión triaxial cíclico ........................................................ 106

4.6.1.1 Muestra N°22, SH10 (1) ................................................................................ 106

4.6.1.2 Muestra N°22, SH 10 (2) ............................................................................... 107

4.6.1.3 Muestra N°12, SH 5 ........................................................................................ 109

4.6.1.4 Muestra N°25, SH 12 ...................................................................................... 110

4.6.2 Ensayos de Bender Element .......................................................................... 112

4.6.2.1 Muestra N°22, SH 10 (1) ............................................................................... 112

4.6.2.2 Muestra N°22 , SH10 (2) ............................................................................... 113

4.6.2.3 Muestra N°12, SH 5 ........................................................................................ 114

4.6.2.4 Muestra N°25, SH 12 ...................................................................................... 115


CENIZAS VOLCÁNICAS


8

4.6.3 Ensayos Columna Resonante ........................................................................ 116

5. ANALISIS DE RESULTADOS ........................................................................... 120

5.1 Construcción curvas de degradación de módulo y comportamiento de

amortiguamiento. ................................................................................................................ 120

5.2 Comparación de los niveles de amplificación de onda con los obtenidos en la

microzonificación Sísmica de Manizales. ......................................................................... 120

6. MODELACIÓN RESPUESTA DINÁMICA DE UN DEPÓSITO DE CENIZA

VOLCÁNICA .......................................................................................................................... 126

6.1 Respuesta dinámica de depósitos de ceniza volcánica mediante un software

de modelación unidimensional (EERA). ........................................................................... 126

6.1.1 Modelos de depósitos de ceniza volcánica .................................................. 127

6.1.2 Pasos de la modelación en EERA .................................................................. 127

6.1.2.1 Sismo (earthquake): sismo de entrada en el tiempo ................................ 127

6.1.2.2 Perfil: Perfil vertical de las capas de suelo .................................................. 129

En esta hoja se incluyen todas las características del material: .................................. 129

6.1.2.3 Mat (i) 1, 2, 3 ,4: Material de curvas (G / Gmax y la amortiguación frente a la

deformación de tipo de material i) ................................................................................... 132

6.1.2.4 Resultados de la iteración de cálculo principal ........................................... 134

6.1.2.5 La aceleración en el tiempo: aceleración / velocidad / desplazamiento . 135

6.1.2.6 Tiempo de esfuerzo deformación ................................................................. 136

6.1.2.7 Amplificación entre dos sub-capas ............................................................... 137

Espectro de amplitud de Fourier de la aceleración ........................................................ 137

6.1.2.8 Espectros de respuesta .................................................................................. 138

7. FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SISMICAS EN CENIZAS

VOLCÁNICAS DE MANIZALES ........................................................................................... 139

7.1 Comparación de los espectros de aceleración de la Microzonificación sísmica

de Manizales con los resultados obtenidos ..................................................................... 140

8. CONCLUSIONES .............................................................................................. 143

9. RECOMENDACIONES ...................................................................................... 145

10. BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................. 145

11. ANEXOS ............................................................................................................ 149


CENIZAS VOLCÁNICAS


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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Paso de las ondas sísmicas en terrenos con distinta competencia. ....................... 14

Figura 2 Sismo 23/11/1979 Milán - Manizales .......................................................................... 16

Figura 3 Clasificación de problemas dinámicos ......................................................................... 19

Figura 4 Registros de Movimiento, aceleración, velocidad y desplazamientos históricos del

E-W componentes de Gilroy Nº1 (roca) y Gilroy Nº2 (suelo). Gilroy, California durante el

sismo de Loma Prieta de 1989. .................................................................................................... 20

Figura 5 Relaciones propuestas entre PHA y MMI. .................................................................. 21

Figura 6 Espectros de amplitud de Fourier para los componentes EW of Gilroy N º 1

(roca) un Gilroy N º 2 (suelo). Gilroy, California durante el sismo de Loma Prieta de 1989.

........................................................................................................................................................... 24

Figura 7 Dos espectros de amplitud de Fourier hipotéticos con el mismo período

predominante pero con contenidos diferentes frecuencia. La curva superior describe un

movimiento de banda ancha y la inferior un movimiento de banda estrecha. ..................... 26

Figura 8 Aceleraciones de pico normalizadas para un talud (medianas y barras de error) 28

Figura 9 Caracterización de irregularidades topográficas simples ......................................... 29

Figura 10 Curva de histéresis deformación de corte γ, tensión de corte τ y definición del

módulo de corte máximo Gmáx, tangente Gtan y secante Gsec. El esfuerzoτ se expresa en

kPa y la deformación γ es adimensional y se expresa en %. .................................................. 31

Figura 11 Curvas de reducción de módulo de corte y amortiguamiento con el nivel de

deformación de corte. .................................................................................................................... 33

Figura 12 Variación del módulo de corte en función del esfuerzo de confinamiento, del

índice de plasticidad y la deformación cíclica de corte (a) y (b). ............................................ 35

Figura 13 Esfuerzo límite de corte para la no linealidad afectada por el índice plástico. .... 36

Figura 14 Variación del módulo de corte en función del grado de sobreconsolidación del

suelo y del índice de plasticidad y la deformación. Límite de esfuerzos de las arcillas en

relación con los índices de plasticidad respecto a la no linealidad y la degradación de la

rigidez. .............................................................................................................................................. 37

Figura 15 Variación de la razón de amortiguamiento en función del índice de plasticidad, el

grado de sobreconsolidación del suelo y la deformación. Límite de esfuerzos de las arcillas

en relación con los índices de plasticidad respecto a la no linealidad y la degradación de la

rigidez. .............................................................................................................................................. 38

Figura 16 Lazos de histéresis medidos durante el primero y el décimo ciclo. ....................... 40

Figura 17 Efectos de la historia de consolidación en módulo de esfuerzo dependiente y el

coeficiente de amortiguamiento. .................................................................................................. 42

Figura 18 Efecto del OCR en el Gmax de la arcilla ....................................................................... 43

Figura 19 Variación de Gmax de la arcilla con la relación de vacios. ..................................... 44


CENIZAS VOLCÁNICAS


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Figura 20 Degradación observada ensayos. ............................................................................... 45

Figura 21 Coeficiente de amortiguamiento de la arcilla, arena y grava. ................................ 46

Figura 22 Efectos de la presión de confinamiento en el coeficiente de amortiguamiento de

la arcilla ............................................................................................................................................ 47

Figura 23 Fotos del barrido del microscopio electrónico de los materiales ensayados. ....... 50

Figura 24 Formación de los suelos derivados de cenizas volcánicas. ..................................... 54

Figura 25 Resultados del I.A. para materiales del Eje Cafetero. ............................................. 58

Figura 26 Perfil típico del subsuelo. ............................................................................................. 60

Figura 27 Resultado del ensayo de doble odómetro para muestra de relleno de 1.25

ton/m3............................................................................................................................................... 64

Figura 28 Curvas de degradación del módulo de corte (G), características para las cenizas

volcánicas del Eje Cafetero, presentadas. ................................................................................... 65

Figura 29 Variación de G con la profundidad, resumen de valores típicos presentados para

el Eje Cafetero. ................................................................................................................................ 66

Figura 30 Degradación del Módulo de Corte vs. la Deformación de Corte en función del

Índice de Liquidez. .......................................................................................................................... 67

Figura 31 Amortiguamiento vs. Deformación de Corte en función del Índice de Liquidez. 67

Figura 32 Curvas de Degradación de Módulo obtenidas a partir de ensayos dinámicos

realizados. ........................................................................................................................................ 69

Figura 33 Parámetros para determinar los modelos de degradación de la rigidez en función

de IL .................................................................................................................................................. 70

Figura 34 Modelos de Repuesta Dinámica en función del Índice de Liquidez. ...................... 71

Figura 35 Curvas de Amortiguamiento Obtenidas a partir de los Ensayos ............................ 72

Figura 36 en función del Índice de Liquidez ....................................................................... 73

Figura 37 Modelos de Repuesta Dinámica Curvas de Amortiguamiento ................................ 74

Figura 38 Respuesta de las cenizas volcánicas de Armenia, (espesor variable; 0 ≤ e(m) ≥

7, considerando el sismo del 25 de enero de 1999, en donde se presentan las mayores

aceleraciones espectrales para un rango de periodos entre 0.1 y 0.5 seg. ........................... 76

Figura 39 Niveles de deformación típicos asociados con diferentes ensayos de laboratorio y

eventos de campo. ......................................................................................................................... 78

Figura 40 Tipos de carga. .............................................................................................................. 79

Figura 41 Curvas Esfuerzo-Deformación para carga cíclica...................................................... 80

Figura 42 Curvas de histéresis y curva esqueleto ...................................................................... 81

Figura 43 Reducción de la rigidez con el incremento del esfuerzo ......................................... 81

Figura 44 Medida de la velocidad de propagación de ondas por Bender Element. .............. 82

Figura 45 Cámara Triaxial Cíclica ................................................................................................. 84

Figura 46 Dispositivo tipo de un ensayo de columna resonante: (a) Vista superior del

sistema de carga, (b) Vista lateral del sistema de carga. ......................................................... 86


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Figura 47 Esquema de ensayo triaxial cíclico convencional para espécimen isotrópicamente

consolidado (TC-IC) ........................................................................................................................ 91

Figura 48 Esquema de ensayo triaxial cíclico convencional para espécimen

anisotrópicamente consolidado (TC-AC) ..................................................................................... 92

Figura 49 Mapa de zonificación sísmica de Colombia ............................................................... 96

Figura 50 Número de ciclos equivalentes del esfuerzo uniforme, Neq para sismos de

diferente magnitud. ........................................................................................................................ 98

Figura 51 Factor de reducción para calcular la variación del esfuerzo de corte cíclico con

profundidad de superficies de tierra por debajo del nivel o ligeramente inclinadas. ........... 98

Figura 52 Esfuerzo Cortante τ vs. Esfuerzo Normal σ ............................................................. 100

Figura 53 Señales escaladas representativas de la amenaza sísmica homogénea a nivel de

roca. Fuente: (Calle, 2011) ......................................................................................................... 103

Figura 54 Curvas de Módulo de corte y amortiguamiento contra deformación . Muestras

N°22, SH 10 (1) y N°22, SH 10 (2) ............................................................................................ 118

Figura 55 Curvas de Módulo de corte y amortiguamiento contra deformación . Muestras

N°25, SH 12 y N°12, SH 05 ....................................................................................................... 119

Figura 56 Comparación de curvas de referencia y ensayos realizados G|Gmax y

Amortiguamiento contra . Muestra N°22, SH 10 (1) ............................................................. 122


Amortiguamiento contra . Muestra N°22, SH 10 (2) ............................................................. 123


Amortiguamiento contra . Muestra N°12, SH 05 .................................................................... 124


Amortiguamiento contra . Muestra N°25, SH 12 .................................................................... 125

Figura 60 Hoja N°1 del programa EERA - Earthquake........................................................... 128

Figura 61 Hoja N°3 del programa EERA – Profile ................................................................... 129

Figura 62 Hoja N°3 del programa EERA – Mat 1 .................................................................... 132




Figura 66 Hoja N°7 del programa EERA – Iteration ............................................................... 134

Figura 67 Gráfica resultado del Programa EERA – Profundidad vs Aceleración máxima .. 134

Figura 68 Hoja N°8 del programa EERA –Aceleration ........................................................... 135

Figura 69 Hoja N°9 del programa EERA –Strain ..................................................................... 136

Figura 70 Hoja N°10 del programa EERA – Amplification ..................................................... 137

Figura 71 Hoja N°11 del programa EERA – Fourier ............................................................... 137

Figura 72 Hoja N°11 del programa EERA – Spectra .............................................................. 138

Figura 73 Velocidad de onda cortante del Suelo Microzonificación sísmica de Manizales . 140

Figura 74 Espectros de aceleración en superficie Sismo Calima ........................................... 141


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Figura 75 Espectros de aceleración en superficie Sismo Romeral Sintético ........................ 141

Figura 76 Aceleración espectral- Periodo – Sismos Benioff Calima y Romeral Sintético –

Suelo 1 y 2 y suelo de la MZSM .................................................................................................. 142


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LISTA DE TABLAS

Tabla 1 Sismos históricos Caldas .................................................................................................. 16

Tabla 2 Duraciones típicas de terremotos en distancias epicentrales menores a 10 km. ... 27

Tabla 3 Relación entre el índice de plasticidad y el parámetro K ............................................ 39

Tabla 4 Parámetros de Yasuda-Yamaguchi, fórmulas empíricas. ............................................ 48

Tabla 5 Cenizas ............................................................................................................................... 51

Tabla 6 Lapilli .................................................................................................................................. 52

Tabla 7 Bloques ............................................................................................................................... 53

Tabla 8 Bombas .............................................................................................................................. 53

Tabla 9 Terminología relacionada con los depósitos de origen volcánico. ............................ 55

Tabla 10 Clasificación para el potencial de colapso. ................................................................. 63

Tabla 11 Ensayos para la caracterización dinámica .................................................................. 77

Tabla 12 Datos de entrada para la realización de los ensayos Triaxiales. ........................... 102

Tabla 13 Datos de entrada para la realización de los ensayos de Columna Resonante .... 102

Tabla 14 Señales originales representativas de sismos probables ........................................ 104

Tabla 15 Caracterización de las muestras de suelo ................................................................. 105

Tabla 16 Resultados de ensayos Bender Element Muestra N°22, SH 10 (1) ...................... 112

Tabla 17 Resultados de ensayos Bender Element Muestra N°22, SH 10 (2) ...................... 113

Tabla 18 Resultados de ensayos Bender Element Muestra N°12, SH 5 ............................... 114

Tabla 19 Resultados de ensayos Bender Element Muestra N°25, SH 12 ............................. 115

Tabla 20 Resultados de ensayos Columna Resonante ............................................................ 116

Tabla 21 Parámetros del Perfil de suelo Mat 1 ......................................................................... 130


Tabla 23 Parámetros del Perfil de suelo Mat 3 ....................................................................... 131


Tabla 25 Factores de amplificación de ondas sísmicas en cenizas volcánicas de Manizales.

......................................................................................................................................................... 139

Tabla 26 Parámetros del Suelo Microzonificación sísmica de Manizales .............................. 140

Tabla 27 Comparación de las aceleraciones espectrales modeladas ................................... 143


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1. INTRODUCCIÓN

1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA, ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN

Las zonas con presencia de cenizas volcánicas son propensas a movimientos sísmicos debido a que la naturaleza y la distribución de los daños producidos por los sismos está influenciada por la respuesta del terreno frente a cargas cíclicas, produciendo una modificación de la señal sísmica (Aki, 1988). La modificación de esta señal sísmica debida a la influencia de las condiciones geológicas y topográficas, se conoce como efecto de sitio y consiste en la amplificación de dicha señal. Por esto se requiere un conocimiento profundo del comportamiento mecánico de cenizas volcánicas bajo condiciones de carga dinámica.

La presencia de terrenos, considerados geotécnicamente blandos como cenizas volcánicas, próximos a la superficie del terreno produce un aumento considerable de daños generados por sismos, al condicionar la amplificación de las ondas sísmicas en un rango de periodos altos de vibración de los materiales, que coincide con el periodo de vibración de las estructuras. La respuesta y la magnitud de esa amplificación de la señal están controladas principalmente por las propiedades geotécnicas de los materiales geológicos, especialmente por sus características dinámicas, así como el espesor de las capas y la profundidad a la que se encuentra el sustrato rocoso. Cuando se produce una sacudida sísmica se libera una gran energía de deformación almacenada. Esta energía se transmite por el interior de la tierra en forma de ondas sísmicas que normalmente se atenúan con la distancia al foco emisor y con el tiempo. Sin embargo, cuando las ondas atraviesan determinados tipos de terrenos (cenizas volcánicas) el movimiento o la señal de entrada se amplifican notablemente. La Figura 1 esquematiza un ejemplo del paso de las ondas símicas en terrenos de distintas competencias (Tsige y García 2006).

Figura 1 Paso de las ondas sísmicas en terrenos con distinta competencia. Fuente: (Tsige y García 2006).


CENIZAS VOLCÁNICAS


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Este proceso llamado impedancia está en función de la frecuencia y de los parámetros relativos a las características mecánicas y de composición del suelo, da idea del comportamiento del suelo al incidir una onda, que no sólo produce un aumento de la amplitud de las ondas sino también se prolonga la duración de sacudida sísmica y se modifica su contenido frecuencial (Abascal, et al., 2000). Cuando la frecuencia de la fuerza externa es igual a algunas de las frecuencias características del sistema, la amplitud resultante puede ser tan grande que puede ocasionar el colapso de construcciones. En este caso se dice que la fuerza externa ha entrado en resonancia con el sistema, donde la amplitud de la oscilación es muy grande. Es decir que el sistema se aleja cada vez más en el tiempo de su posición de equilibrio (Vilcapoma, 2005). Por otro lado los principales efectos colaterales normalmente asociados con la respuesta sísmica, corresponden a las zonas con potencial de licuefacción y zonas con posibilidades de amplificación topográfica importante, esto indica que los efectos geométricos son importantes en la zona, dadas las características topográficas superficiales. Las consecuencias más importantes en este tipo de configuración son los desprendimientos de masas de suelo, fallas de taludes, avalanchas, además de la natural amplificación de aceleraciones máximas por efectos topográficos (CIMOC, CEDERI, 2005)

Análisis realizados a los registros de aceleraciones obtenidos en suelos blandos en el sismo de Lomaprieta (Seed, et al., 1982) indican una máxima amplificación (en el orden de 3 a 6) para períodos largos.

Existen investigaciones sobre el comportamiento de cenizas por licuefacción en estado suelto y compactado del material, mediante realización de ensayos triaxiales cíclicos esenciales para evaluar la susceptibilidad de licuefacción y el comportamiento de los suelos bajo cargas sísmicas (Jakka, et al., 2010).

Manizales se encuentra en una zona de amenaza sísmica de media a alta y en su historia ha sufrido diversos sismos, (Tabla 1), información importante que justifica el estudio a realizar con los suelos de Manizales. (Figura 2.)


CENIZAS VOLCÁNICAS


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Tabla 1 Sismos históricos Caldas Fuente: Microzonificación Sísmica de Manizales

Figura 2 Sismo 23/11/1979 Milán - Manizales Fuente: Ingeominas


CENIZAS VOLCÁNICAS


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En la microzonificación sísmica de las amplificaciones reportadas, establecen que las aceleraciones máximas a nivel de superficie difícilmente sobrepasarían un valor de 0.60g por los altos efectos no lineales del suelo (CIMOC, CEDERI, 2005). El subsuelo de ciudades como Manizales, Pereira y Armenia, ha sido estudiado desde el punto de vista geológico y geotécnico, sin embargo la caracterización dinámica de estos ha sido insuficiente, por lo que este trabajo busca aportar en el conocimiento de la respuesta dinámica de depósitos en cenizas volcánicas.

Como punto de partida se plantea que los valores de amplificación adoptados en la microzonificación sísmica de Manizales subestiman los valores de aceleración de diseño.

Con la investigación se desea determinar los niveles de amplificación de onda para realizar una comparación con aquellos obtenidos en la microzonificación de Manizales.

2. OBJETIVOS

2.1 General

Establecer factores de amplificación de ondas sísmicas en cenizas volcánicas.

2.2 Específicos

1. Determinar un marco conceptual de comportamiento dinámico de cenizas volcánicas.

2. Caracterizar el comportamiento dinámico de cenizas volcánicas de Manizales mediante ensayos de laboratorio.

3. Determinar factores de amplificación de ondas de cenizas volcánicas al modelar la respuesta dinámica de un depósito de ceniza volcánica.

3. MARCO TEORICO Y ESTADO DEL ARTE

3.1 Respuesta dinámica de depósitos de suelos blandos.

3.1.1 Introducción

La importancia del proceso de amplificación sísmica en suelos blandos o poco consolidados y su estudio se realizan con el objetivo de reducir los daños estructurales asociados a este, como la distribución de los daños sísmicos y su naturaleza influenciados principalmente por la respuesta del suelo frente a cargas cíclicas, controlada por las propiedades del suelo.

La presencia de depósitos blandos, cercanos a la superficie del terreno produce una amplificación de la carga sísmica en un rango de periodos altos de vibración de los


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materiales. La respuesta y la magnitud de esa amplificación de la señal están controladas principalmente por las propiedades geológicas, especialmente por sus características dinámicas, así como por las características topográficas del terreno.

Es necesario revisar los conceptos más importantes relacionados con la caracterización sísmica de los suelos. La susceptibilidad de un depósito de suelo para amplificar el movimiento depende de las propiedades dinámicas, entre éstas, la rigidez del suelo y el amortiguamiento, propiedades claves para el estudio de la respuesta de sitio. Una aproximación a la rigidez del suelo se obtiene a partir del módulo de corte G que se calcula por medio de la velocidad de las ondas sísmicas y la razón de amortiguamiento, ξ, muestra la capacidad que tiene el suelo para disipar la energía. Estos parámetros se relacionan con otras propiedades del suelo como la densidad ρ, la relación de Poisson ν, la presión de poros y la velocidad de onda (Rodriguez, 2007).

3.1.2 Carga cíclica La carga cíclica describe las características del movimiento de tierra producido por los sismos mediante tres parámetros importantes: amplitud, contenido frecuencial y duración. La sacudida provocada por un sismo es una carga cíclica rápida que provoca en el suelo un comportamiento tenso-deformación no lineal, provocando cambios en el estado de esfuerzos de dicha masa de suelo la cual causa un incremento tanto dela deformación como de la presión de poros. La disipación del incremento de presión de poros puede dar origen a una deformación volumétrica por lo tanto a asentamientos, también a ablandamientos y pérdida de resistencia al esfuerzo cortante (Rodriguez, 2007).

3.1.2.1 Amplitud La forma más común de describir el movimiento de tierra es por medio del historial de tiempos de carga, la longitud de tiempo en el que se alcanza un cierto nivel de fuerza o esfuerzo en los suelos se define como el tiempo de carga. La rapidez de aplicación de la carga es, sin duda una función de la caracterización del proceso dinámico. Varios eventos importantes de la ingeniería se clasifican de acuerdo con el momento de la carga y demostró en consecuencia en la coordenada horizontal de la Figura 3.


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Figura 3 Clasificación de problemas dinámicos Fuente: (Ishihara, 1996).

En el caso de las vibraciones y ondas, los eventos con un período más corto o mayor frecuencia se consideran como procesos con un menor tiempo de carga, y a la inversa, un periodo más largo el problema es considerado como el que tiene un mayor tiempo de carga. En lo que sigue, el momento de la carga se definirá aproximadamente una cuarta parte del período en el que es correspondida la carga.

Los problemas en la aplicación de la carga tienen una duración de más de decenas de segundos que suelen ser citados como algo estático y aquellos con un menor tiempo de aplicación de la carga son el blanco de los problemas de dinámica. La longitud o falta de aplicación de carga podrá ser, alternativamente, expresado en términos de velocidad de carga o tasa de esfuerzo y serán denominados colectivamente como la velocidad de efecto o tipo de efecto (Ishihara, 1982).

La amplitud puede estar en función de la aceleración, velocidad o desplazamiento (Figura 4), donde se nota la diferencia de las frecuencias predominantes en la aceleración, velocidad y desplazamiento históricos.


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Figura 4 Registros de Movimiento, aceleración, velocidad y desplazamientos históricos del E-W componentes de Gilroy Nº1 (roca) y Gilroy Nº2 (suelo). Gilroy, California durante el

sismo de Loma Prieta de 1989. Fuente: (Kramer, 1996)

Las velocidades y los desplazamientos son obtenidos por la integración de las aceleraciones históricas usando la regla trapezoidal. Nótese que en Gilroy Nº1 (roca) experimentaron mayores aceleraciones y en Gilroy Nº2 (suelo) sitio experimentaron mayores velocidades y desplazamientos.

3.1.2.1.1 Aceleración Pico

La medida más común de la amplitud de un movimiento particular de tierra es la aceleración horizontal pico (PHA). El PHA de un componente de movimiento es simplemente el valor de aceleración horizontal más grande o absoluta obtenido de los acelerogramas del componente.

Las aceleraciones horizontales han sido usadas para describir los movimientos del suelo debido a su relación natural con las fuerzas inerciales; de hecho, las mayores fuerzas dinámica inducidas en cierto tipo de estructuras están estrechamente relacionados con el PHA (Kramer, 1996). El PHA puede ser correlacionado con la intensidad del sismo según


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estudios de Trifunac and Brady (1975), Murphy and O’Brien (1977) y Krinitzsky and Chang (1987); referenciado por (Kramer, 1996). Sin embargo esta correlación está lejos de la precisión, pero puede ser útil al momento de la estimación del PHA únicamente cuando se conoce información de la intensidad. Un número de relaciones de aceleración-intensidad se han propuesto, algunos de los cuales se muestran en la Figura 5, el uso de las relaciones de atenuación de intensidad también permite la estimación de la variabilidad espacial de la aceleración pico del mapa de isosistas de los terremotos históricos.

Figura 5 Relaciones propuestas entre PHA y MMI. Fuente: (Después de Trifunac and Brady (1975), Usado con permiso de la Sociedad

Sismológica de América)

La aceleración vertical ha recibido menos atención en la ingeniería sísmica que la aceleración horizontal, principalmente por los márgenes de seguridad de seguridad contra la gravedad inducida por las fuerzas estáticas verticales en construcciones por lo general proporciona una resistencia suficiente a las fuerzas dinámicas inducidas por la aceleración vertical (PVA) a menudo se asume que es igual dos tercios de la PHA (Newmark y Hallm 1982); referenciado por (Kramer, 1996).

3.1.2.1.2 Velocidad Pico

La velocidad horizontal pico (PHV) es otro parámetro útil para la caracterización de la amplitud de movimiento del suelo. Desde que la velocidad sea menos sensible a una frecuencia alta los componentes del movimiento de tierra mostrado en la Figura 5, El PHV es más probable a utilizar que el PHA para caracterizar la amplitud del movimiento del suelo con precisión en frecuencias intermedias. Para estructuras o instalaciones que son

Equivalente intensidad modificada de Mercalli.

Ace

lera

ción c

m/s

2


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sensibles a la carga en este rango de frecuencia intermedia, el PVH puede proporcionar una indicación mucho más precisa del potencial de daño que el PHA (Kramer, 1996).

3.1.2.1.3 Desplazamiento pico

El desplazamiento pico es generalmente asociado con componentes de bajas frecuencias en un movimiento sísmico. Sin embargo es un parámetro difícil de determinar con precisión debido a los errores de procesamiento en el filtrado e integración de los acelerogramas. Como resultado, el desplazamiento pico es menos usado como medida del movimiento del suelo que la aceleración máxima o pico de velocidad (Kramer, 1996).

3.1.2.2 Contenido Frecuencial

En lo que se denomina el proceso dinámico, la carga es aplicada repetidamente muchas veces con cierta frecuencia. Por lo tanto la carga de repetición es otro atributo primario que utilizan para clasificar los problemas dinámicos. Los eventos frecuentes en la práctica de la ingeniería se clasifican en la Figura 3.

Los problemas asociados con la aplicación rápida de un solo impulso es representada por el impacto, como el producido por el lanzamiento de bombas o explosiones. La duración de la carga es corta como de 10-2 – 10-3 segundos que comúnmente se llama un impulso o fuerza de impacto. La principal sacudida durante los sismos implica de 10 a 20 veces la repetición de las cargas con diferentes amplitudes. Mientras que la carga sísmica es irregular en el tiempo de la historia, el período de cada impulso se encuentra dentro del rango entre 0,1 y 3,0 segundos, dando el tiempo correspondiente de la carga en el orden de 0,02 a 1,0 segundos como consecuencia se indica en la Figura 3.

Los acontecimientos mencionados anteriormente y compilados según Ishihara (1996) están relacionados principalmente con lo que se denomina vibración u onda de propagación. Otro tipo de problema es el comportamiento del suelo al mismo tiempo sometido a las cargas repetitivas inducidas por el tráfico o la propagación de ondas de agua.

El comportamiento de los suelos como se manifiesta en las repeticiones de carga de se refiere como el efecto de la repetición.

Sólo el más simple análisis es necesario para demostrar que la respuesta dinámica de los edificios, puentes, taludes, o depósitos de suelo, es muy sensible a la frecuencia en que se cargan. Un terremoto produce cargas complicadas con componentes de movimiento que abarcan una amplia gama de frecuencias. El contenido frecuencial se describe cómo la amplitud de un movimiento del suelo se altera entre frecuencias diferentes. Dado que el contenido de frecuencia de un movimiento sísmico influirá fuertemente en los efectos de ese movimiento, la caracterización del movimiento no puede ser completa sin la consideración de su contenido frecuencial (Kramer, 1996).

El contenido frecuencial se caracteriza por: espectro del movimiento de suelo, espectro de energía, espectro de respuesta y un periodo predominante.


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3.1.2.2.1 Espectro del movimiento de suelo

Cualquier función periódica puede ser expresada usando el análisis de Fourier como la sumatoria de una serie de simples términos armónicos de diferentes frecuencias de amplitud y fase. Usando las series de Fourier de una función periódica puede

escribirse como

De esta ecuación, y son la amplitud y el ángulo de fase, respectivamente, de las n

funciones armónicas de Fourier.

Un diagrama de la amplitud de Fourier versus la frecuencia ( versus se conoce como

espectro de amplitud de Fourier. El espectro de amplitud de Fourier de un movimiento fuerte se muestra cómo la amplitud del movimiento se altera con respecto a la frecuencia (o periodo). Se expresa como el contenido de frecuencia de un movimiento muy claro.

El espectro de amplitud de Fourier puede ser estrecho o amplio. Un espectro estrecho implica que el movimiento tiene una frecuencia dominante (o periodo), que puede producir una suave y casi sinusoidal el tiempo históricamente. Un amplio espectro corresponde a un movimiento que contiene una variedad de frecuencias que producen más irregularidades, un historial de tiempo irregular.

Los espectros de amplitud de Fourier para los componentes EW of Gilroy N º 1 (roca) un Gilroy N º 2 (suelo), California durante el sismo de Loma Prieta de 1989 se muestra en la Figura 6. Las formas irregulares de los espectros son típicas de las observadas en los movimientos de tierra individuales (Kramer, 1996).


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Figura 6 Espectros de amplitud de Fourier para los componentes EW of Gilroy N º 1

(roca) un Gilroy N º 2 (suelo). Gilroy, California durante el sismo de Loma Prieta de 1989. Fuente: (Kramer, 1996)

Las series de Fourier proporcionan una completa descripción del movimiento del suelo desde que el movimiento pueda ser completamente recuperado por la inversa de la transformada de Fourier.

3.1.2.2.2 Espectro de energía

La frecuencia contenida en un movimiento de suelo puede también ser descrita por un espectro de energía o una función de densidad espectral de energía, que puede ser usada para estimar las propiedades estáticas de un movimiento del suelo y para calcular la respuesta estocástica mediante técnicas de vibración aleatoria (Clough y Penzien, 1975); referenciado por (Kramer, 1996).

La relación más cercana entre la función de densidad espectral de energía y el espectro de amplitud de Fourier se muestra en la siguiente ecuación.

Am

plit

ud d

e F

ourier

(g-s

) Am

plit

ud d

e F

ourier

(g-s

)

Periodo (s)

Periodo (s)


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Donde es la intensidad media y

Con amplitud de Fourier y es la intensidad total de la duración de un movimiento de

tierra que se da en el dominio del tiempo por el área bajo la historia de tiempo de la aceleración al cuadrado.

La función de densidad espectral de energía es usada en la caracterización de sismos como un proceso aleatorio. Esta función como tal describe un proceso aleatorio estacionario (los parámetros estáticos no varían con el tiempo) (Kramer, 1996).

3.1.2.2.3 Espectro de respuesta

Este tercer tipo de espectro es usado para describir la máxima respuesta de un solo grado de libertad (SDOF) de un sistema de movimiento de entrada particular, en función de la frecuencia natural y el coeficiente de amortiguamiento del sistema (SDOF).

EL espectro de respuesta puede ser trazado individualmente a una escala aritmética o puede relacionarse por la división de tres partes, la velocidad espectral en el eje vertical, la frecuencia natural en el eje horizontal y la aceleración y desplazamientos en los ejes inclinados.

3.1.2.2.4 Periodo predominante

El periodo predominante es un parámetro habitualmente representa el contenido frecuencial de un movimiento de suelos (Tp). Está definido como el periodo de vibración correspondiente al máximo valor del espectro de amplitud de Fourier. Para evitar una influencia excesiva de los picos individuales del espectro de amplitud de Fourier, el período predominante es a menudo obtenido a partir de un espectro suavizado. Mientras que el periodo predominante proporciona alguna información sobre el contenido de frecuencia, es fácil de ver (Figura 7) que los movimientos con una radical diferencia en los contenidos de frecuencia pueden tener el mismo periodo predominante (Kramer, 1996).


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Figura 7 Dos espectros de amplitud de Fourier hipotéticos con el mismo período predominante pero con contenidos diferentes frecuencia. La curva superior describe un

movimiento de banda ancha y la inferior un movimiento de banda estrecha. Fuente: (Kramer, 1996)

3.1.2.3 Duración

La duración de un fuerte movimiento del suelo puede tener una gran influencia en los daños producidos por los sismos. Muchos de los procesos físicos, como la degradación de la rigidez y la fuerza de ciertos tipos de estructuras y la acumulación de presión de poros en arenas saturadas y sueltas, son sensibles a la cantidad de alteraciones de la carga o el esfuerzo que se producen durante un sismo.

Un movimiento de corta duración no puede producir suficientes alteraciones de la carga de respuesta a los daños que se acumulan en una estructura, aunque la amplitud del movimiento sea alta. Por otra parte, un movimiento con una moderada amplitud y larga duración puede producir suficiente retrocesos de carga para causar daño sustancial.

La duración de un movimiento fuerte está relacionada con el tiempo necesario para la liberación de energía de deformación acumulada por la rotura a lo largo de la falla. Como la longitud o área de la ruptura de la falla aumenta, el tiempo requerido para la rotura aumenta. Como resultado, la duración de un movimiento fuerte incrementa con el aumento de la magnitud del sismo (Kramer, 1996).

La duración de un movimiento fuerte ha sido estudiada para la interpretación de acelerogramas de sismos de diferentes magnitudes. Usando un 0.05 g como límite de aceleración, Chang and Krinitsky (1977) estimaron la duración soportada por suelos y roca a una corta distancia epicentral (menos de 10 km), se muestra en la Tabla 2.

Am

plit

ud d

e F

ourier

(g-s

)

Periodo (s)


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Tabla 2 Duraciones típicas de terremotos en distancias epicentrales menores a 10 km.

Magnitud Duración (segundos)

Roca Suelos

5.0 4 8

5.5 6 12

6.0 8 16

6.5 11 23

7.0 16 32

7.5 22 45

8.0 31 62

8.5 43 86

Fuente: Chang and Krinitsky (1977).

Estimación de la duración:

La duración de un movimiento de tierra fuerte incrementa con el aumento de la magnitud del sismo. Sin embargo la manera en que la duración del movimiento fuerte varia con la distancia depende en cómo es definida. Desde que la aceleración de amplitud decrezca con la distancia, la duración basada únicamente en los niveles de aceleración, como la duración soportada, puede esperarse que decrezca con la distancia; a determinada distancia todas las aceleraciones caerán por debajo del límite de aceleración y la duración soporte será cero. La duración de soporte parece proporcionar la indicación más razonable de la influencia de la duración en un daño potencial (Kramer, 1996). Las duraciones basadas en los niveles de aceleración relativa incrementan con el aumento de la distancia y pueden tener duraciones más largas incluso cuando la amplitud de aceleración sea muy baja (Idriss, et al., 1978).

3.1.3 Efecto de sitio La modificación de la señal sísmica debida a la influencia de las condiciones geológicas y topográficas durante o después de un sismo, se conoce como efecto local. Esta modificación consiste en la amplificación fuerte de la señal, una mayor duración del sismo y la modificación de su contenido frecuencial. La amplificación de movimiento del terreno debido al tipo de suelo y la posible resonancia ante el periodo dominante del movimiento del terreno y el periodo fundamental de la estructura incrementan las cargas sísmicas sobre la estructura y en consecuencia el potencial de daño.

3.1.3.1 Efecto topográfico

Los efectos locales están causados por la interacción del campo de propagación de las ondas sísmicas con las irregularidades del terreno. Las irregularidades del terreno se pueden clasificar en superficiales y subsuperficiales. Las superficiales son aquéllas


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relacionadas con la topografía del terreno e incluyen los efectos provocados por taludes, valles, montañas, etc. Las irregularidades sub superficiales están relacionadas con los distintos tipos de discontinuidades en el terreno y que incluirían fallas, disconformidades, cuencas sedimentarias, etc. Estos procesos están restringidos a unas geometrías geológicas típicas que se caracterizan por sus dimensiones y parámetros mecánicos o dinámicos como las velocidades de las ondas P o S, densidad, amortiguamiento, etc, distinguiéndose dos tipos: aquéllos que están provocados por la topografía superficial y aquéllos provocados por depósitos de suelos blandos en superficie (Rodriguez, 2007). Existen evidencias in situ, instrumentales y teóricas de los efectos locales provocados por la topografía. Durante terremotos destructivos, se ha comprobado que los edificios localizados en la parte superior de montañas o laderas sufren daños estructurales mayores que aquéllos situados en las zonas más bajas (Levret., 1986), (Brambati, 1980), (Siro, 1982), (Celebi, 1985) (Figura 8).

Figura 8 Aceleraciones de pico normalizadas para un talud (medianas y barras de error) Fuente: (Jibson, 1987)

Según Aki (1988), los modelos numéricos y teóricos predicen amplificación del movimiento en crestas y topografías convexas; en cambio se produce deamplificación en zonas de superficie topográfica cóncava como por ejemplo valles. Por ejemplo, Aki estima los efectos topográficos causados por irregularidades sencillas a partir de soluciones exactas. Para una cuña triangular infinita sujeta a la propagación de ondas SH, la amplificación es

Relación pico a

pico de la cresta

de aceleración.

Elevación (m)


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de 2 /υ siendo υ el ángulo interno de la cuña (Figura 9). Esta aproximación puede usarse

para modelar el movimiento del suelo en topografías sencillas tipo cresta- valle.

Figura 9 Caracterización de irregularidades topográficas simples

Fuente: (Aki, 1988) El movimiento del suelo depende del ángulo de incidencia de las ondas sísmicas. Este ángulo es mayor para campos de onda SV y provoca variaciones en el movimiento superficial con la variación del ángulo del talud. También se producen interferencias destructivas y no destructivas de las ondas sísmicas reflejadas a lo largo de la superficie topográfica (Kawase, 1990).

3.1.3.2 Efecto Geológico La amplificación del movimiento del suelo es la responsable del daño extenso en áreas constituidas por depósitos de gran potencia de sedimentos blandos y poco compactados. Dos mecanismos contribuyen a los efectos de amplificación de la señal en el suelo: la amplificación geométrica y la amplificación dinámica:

3.1.3.2.1 Amplificación geométrica (Impedancia):

Corresponde a los efectos de amplificación debidos al contraste de impedancias entre dos medios en contacto. Para sedimentos, el contraste de impedancias se expresa como:

donde el subíndice b indica el término inglés “bedrock” o substrato rocoso y s se refiere al nivel sedimentario, ρ es la densidad y v es la velocidad de las ondas sísmicas. El contraste de impedancias es mayor en materiales más jóvenes y menos consolidados y esto provoca mayor nivel de amplificación de la señal sísmica. Asimismo, provoca el

Depresión

Cresta


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atrapamiento de las ondas sísmicas dentro de un nivel con baja impedancia y esto provoca la amplificación de las frecuencias características (Rodríguez, 2007).

3.1.3.2.2 Amplificación dinámica o resonancia: Considera la diferencia entre la frecuencia de las ondas sísmicas y la frecuencia natural del depósito sedimentario. Una estimación de la frecuencia natural del depósito es:

donde Vs es la velocidad de la onda sísmica S en m/s, H es el espesor del sedimento en m y es la frecuencia natural del depósito sedimentario en Hz.

De esta manera, los procesos que contribuyen a la amplificación de la señal sísmica están relacionados directamente con la velocidad de las ondas sísmicas de corte (secundarias, S) en el depósito. Cuando una onda elástica se propaga a través de un material, el flujo de energía transmitida, que está definido por ρ Vs u2 donde ρ es la densidad del material Vs es la velocidad de la onda S y u la velocidad de la partícula. Este flujo de energía permanece constante y en consecuencia las amplitudes del movimiento del suelo en materiales con baja velocidad de propagación de las ondas sísmicas son mayores, dado que la velocidad de la partícula, u, y la velocidad de las ondas sísmicas S son inversamente proporcionales. Como consecuencia, materiales como las arenas sueltas o las arcillas blandas amplifican el movimiento del suelo significativamente (Aki, 1980).

3.1.4 Propiedades Dinámicas

Las características de deformación del suelo son altamente no lineales y esto se manifiesta con el módulo de corte y el coeficiente de amortiguamiento que varían significativamente con la amplitud de deformación de corte bajo cargas cíclicas.

3.1.4.1 Módulo de rigidez al corte dinámico del suelo El módulo de rigidez de corte se define como la relación entre el esfuerzo y la deformación de corte en un punto determinado de la curva de la Figura 10 y es una medida de la dureza del material. El módulo de rigidez al corte está en función del esfuerzo normal efectivo octaédrico, la historia de vibración, el grado de saturación, la componente isotrópica del estado de esfuerzos, la granulometría y mineralogía de vibración, la frecuencia de vibración, los efectos secundarios del tiempo, la estructura del suelo y la temperatura (Hardin y Black, 1968), referenciado por (Rodriguez, 2007).


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El módulo de corte se obtiene calculando la pendiente de la curva tensión- deformación y en función de dónde se evalúa ésta pendiente se distingue entre el módulo de corte tangente (Gtan), secante (Gsec) o máximo (Gmax). En la Figura 10 se ilustran estos módulos: el módulo de corte máximo (Gmax), calculado como el valor de la pendiente de la recta tangente en el punto inicial de la curva, el módulo de corte tangente (Gtan) que es el valor de la pendiente en un punto de la curva y el módulo de corte secante (Gsec) que se calcula como la pendiente de la recta secante a la curva. El módulo de corte G está relacionado

con la relación de Poisson y el módulo de Young E, parámetros dinámicos con una

menor influencia (Rodriguez, 2007).

Figura 10 Curva de histéresis deformación de corte γ, tensión de corte τ y definición del módulo de corte máximo Gmáx, tangente Gtan y secante Gsec. El esfuerzoτ se expresa en

kPa y la deformación γ es adimensional y se expresa en %. Fuente: (Rodriguez, 2007)

3.1.4.2 Coeficiente de amortiguamiento dinámico del suelo

El amortiguamiento existe en todo sistema físico real y permite disipar energía en un sistema vibrante. Un material tiene amortiguamiento de naturaleza viscosa cuando la energía disipada por ciclo se incrementa de acuerdo con la frecuencia de vibración (método del decremento logarítmico).

Según Díaz (2005), un material tiene amortiguamiento de naturaleza histerética cuando la energía disipada por ciclo es independiente de la frecuencia de vibración (método de la curva de respuesta a la frecuencia), utilizando el ensayo de columna resonante.

La razón de amortiguamiento expresa la capacidad del material para disipar la energía. Se calcula según:


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Donde corresponde a la energía disipada, es la energía de deformación máxima,

es la deformación de corte y es el área del lazo del ciclo de histéresis.

Es habitual la representación normalizada del módulo de corte versus el módulo de corte máximo, conocida como curva de reducción de módulo (Figura 10) donde se observa que el módulo de corte disminuye a medida que aumenta el nivel de deformación. La razón de amortiguamiento también depende del nivel de deformación siendo mayor a medida que aumenta la deformación de corte (Rodriguez Segurado, 2007).

3.1.5 Principales Factores que afectan propiedades dinámicas del suelo Los factores clave que influyen en las propiedades dinámicas del suelo son: efecto de la amplitud de deformación, esfuerzo efectivo de confinamiento, efecto de la historia de consolidación, efecto del índice se plasticidad del suelo y efecto de la relación de vacíos.

3.1.5.1 Efecto de la amplitud de deformación

El módulo de corte se reduce al aumentar la amplitud de la deformación angular . En la

Figura 11 se presentan las características de la curva de reducción del módulo en función de la deformación angular. Se muestran dos puntos: el punto A que representa la

frontera entre las muy pequeñas y las pequeñas deformaciones, de este punto hacia la izquierda el comportamiento predominante es lineal e independiente de la amplitud de deformación.

El punto B representa la frontera entre las pequeñas y grandes deformaciones, este punto se ha fijado arbitrariamente como el valor de la deformación angular, para la cual G/Gmax=0.80 (Díaz, 2005).

También representa la frontera entre lo no-degradable y lo degradable.


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Figura 11 Curvas de reducción de módulo de corte y amortiguamiento con el nivel de deformación de corte.

Fuente:(Sun et al., 1988)(Rodríguez, 2005) Según Ishihara (1982) el comportamiento del suelo varía en función del rango de deformación de cizalla que existe en el terreno. Como ejemplo, para deformaciones de corte del orden de 10-5 % el comportamiento es elástico puro, es decir, la deformación producida en el suelo es recuperable. Se utilizan modelos elásticos y el parámetro más adecuado para caracterizar el suelo es Gmax que, en este nivel de deformación, se calcula como:

Donde es la densidad natural del suelo (incluyendo partículas sólidas y agua) y es la

velocidad de las ondas sísmicas de corte. Las unidades de Gmax son masa por longitud por tiempo 2. El uso de la velocidad de las ondas sísmicas S es uno de los medios más utilizados para medir in situ Gmax, aunque este método presenta limitaciones. Por ejemplo, en zonas donde las condiciones de esfuerzo son anisotrópicas la interpretación de la velocidad de las ondas sísmicas debe realizarse con cuidado porque la anisotropía puede causar variaciones en la velocidad de las ondas sísmicas de cizalla variando su dirección (Rodriguez, 2007). En estos casos, Gmax se puede estimar a partir de los datos obtenidos en ensayos de laboratorio.

A B

Lineal

No-degradable Degradable

Muy

pequeñas Pequeñas Grandes

No Lineal

G/G

max

Razó

n a

mort

iguam

iento

(%

)

Deformación de corte (%)


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3.1.5.2 Presión efectiva de confinamiento

La presión total efectiva vertical está definida como , donde es el peso unitario

del suelo y z la profundidad desde la superficie. Por lo tanto la presión efectiva vertical aumenta con la profundidad y el material está más confinado. Un incremento del esfuerzo efectivo medio provoca un aumento del límite de deformación elástica. En consecuencia, los suelos bajo tensiones de confinamiento altas se comportan como materiales más rígidos que suelos idénticos bajo tensiones de confinamiento menores (Figura 12) (Rodriguez, 2007).

Amplitud de deformación de corte cíclico


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Figura 12 Variación del módulo de corte en función del esfuerzo de confinamiento, del índice de plasticidad y la deformación cíclica de corte (a) y (b). Fuente: (Ishibashi, 1992); referenciado por (Rodriguez, 2007).

3.1.5.3 Efecto de la historia de consolidación

El incremento del módulo debido a la historia de consolidación, es expresado a través de la relación de preconsolidación (OCR) e incorporado en la expresión:

Donde el rango de variación del exponente m está comprendido entre 0.3 y 0.7 (Díaz, 2005).

Para deformaciones del orden entre 10-5 % y 10-3 % el comportamiento del suelo es elastoplástico y se utiliza el módulo de corte secante (Gsec) y la razón de amortiguamiento. Estos parámetros no varían con el número de ciclos de carga. Para deformaciones superiores a 10-3 % las propiedades del suelo varían en función de la deformación de corte y también del número de ciclos de carga, por lo que se ha de considerar la velocidad de carga. El módulo de corte y la razón de amortiguamiento varían en función de cómo varían las tensiones efectivas de confinamiento durante la historia de deformaciones de corte aplicadas sobre el suelo (que puede no ser uniforme). Cuando queda establecida esta ley de variaciones de las tensiones efectivas de confinamiento puede establecerse los lazos histeréticos que son compatibles con esta ley (Vucetic y Dobry, 1991).



CENIZAS VOLCÁNICAS


36

3.1.5.4 Efecto del índice de plasticidad del suelo Al recopilar datos de prueba disponibles, incluyendo Georgiannou (1991), Kim y Novak (1981), y Vusetic (1994) propusieron una curva promedio como se muestra en la Figura 13 donde se correlaciona el esfuerzo límite de corte y el índice de plasticidad de los suelos cohesivos. Se prevé entonces que el coeficiente de amortiguamiento comienza a aumentar en cuanto la deformación de corte crece por encima del nivel del límite de deformación de corte

Figura 13 Esfuerzo límite de corte para la no linealidad afectada por el índice plástico. Fuentes: Georgiannou (1991), Kim y Novak(1981), y Vusetic (1994).

En el estudio deVucetic y Dobry(1991) la disminución del módulo de corte con el aumento de la deformación es menor cuando el índice de plasticidad del material aumenta (Figura 14). Se ha mostrado que dicho módulo en arcillas de alta plasticidad es elástico a altas deformaciones. Para suelos ligeramente consolidados (OCR>1) con alto índice de plasticidad, Gmax aumenta. En cambio para suelos normalmente consolidados (OCR = 1) si el índice de plasticidad crece, Gmax permanece más o menos constante. Esta característica es muy importante ya que puede influir en la manera en que un depósito de suelo amplificará o atenuará los movimientos provocados por un sismo; referenciado por(Ishihara K. , 1996).

Amplitud de deformación de corte

Índic

e d

e P

last

icid

ad I

p

Arcillas de alta

plasticidad

Arcilla limosa

de moderada

plasticidad

Limo o arcilla de

baja plasticidad

Arena o grava

Límite de deformación

de corte

Rango lineal

Rango

no-lineal


CENIZAS VOLCÁNICAS


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Figura 14 Variación del módulo de corte en función del grado de sobreconsolidación del suelo y del índice de plasticidad y la deformación. Límite de esfuerzos de las arcillas en relación con los índices de plasticidad respecto a la no linealidad y la degradación de la

rigidez. Fuente: Vucetic y Dobry (1991); referenciado por (Ishihara K. , 1996).

En este estudio también se mostró que, para índices de plasticidad elevados, la razón de amortiguamiento disminuye con el aumento de la deformación (Figura 15). Las dos Figura s 14 y 15 muestran cómo la curva de reducción de módulo se mueve hacia arriba y la curva de amortiguación se mueve hacia abajo en el suelo y aumenta la plasticidad. Cabe señalar que las listas también se aplican a la conducta de materiales saturados cohesivos no plásticos, tales como arena y grava, para la cual la curva correspondiente se indica mediante IP = 0. Los suelos no cohesivos comienzan a comportarse en forma no lineal en el nivel más bajo del esfuerzo y por lo tanto el coeficiente de amortiguamiento aumenta. En el otro extremo están los suelos con alto índice de plasticidad. Exhiben comportamiento lineal de todo el camino a un esfuerzo de 10-4 y posee en consecuencia el más bajo coeficiente de amortiguamiento. Como se indica en las Figura s 14 y 15, hay una amplia gama de esfuerzo límite en la que el módulo comienza a disminuir. La magnitud de la deformación de corte sería un parámetro intrínseco de distinguir entre comportamientos característicos de los suelos entre lineales y no lineales. Este aspecto fue abordado por

Límite no-

linealidad Límite para

degradación


Rela

ción d

e r

educc

ión d

el m

ódulo

G/G

0

OCR=1-15


CENIZAS VOLCÁNICAS


38

Vucetic (1994), quien propuso que se tome el esfuerzo al que G / G0 = 0.99 y lo llaman límite de deformación de corte.

Figura 15 Variación de la razón de amortiguamiento en función del índice de plasticidad, el grado de sobreconsolidación del suelo y la deformación. Límite de esfuerzos de las arcillas en relación con los índices de plasticidad respecto a la no linealidad y la degradación de la

rigidez. Fuente: Vucetic y Dobry (1991); referenciado por (Ishihara K. , 1996).

3.1.5.5 Efecto de la relación de vacíos En los ensayos realizados porVucetic y Dobry(Vucetic y Dobry, 1991) muestran que el módulo de deformación de corte máximo puede expresarse según:

Según Hardin y Black(Hardin y Black, 1968) el factor de relación de vacíos puede usarse de la forma:

Donde: F(e): Factor de relación de vicíos o índice de poros del suelo, OCR: Razón de sobreconsolidación del suelo, Pa: Presión atmosférica, m: Presión efectiva media (’m=σ’1+σ’2+σ’3/3)

OCR=1-8

Rela

ción d

e r

educc

ión d

el m

ódulo

G/G

0


Límite no-

linealidad

Límite para

degradación


CENIZAS VOLCÁNICAS


39

n = varía entre 0.5 y 0.6 Parámetro k depende del índice de plasticidad del suelo (Tabla 3). El factor de relación de vacíos según Hardin y Black (Hardin y Black, 1968)es aplicable para arcillas con e < 1.5:

Luego el mismo investigador Hardin (1978) propuso la siguiente ecuación:

Jamiolkowski(1991) propuso la siguiente expresión:

INDICE DE PLASTICIDAD FACTOR K

0 0.00

20 0.18

40 0.30

60 0.41

80 0.48

>=100 0.50

Tabla 3 Relación entre el índice de plasticidad y el parámetro K Fuente: (Hardin, 1972).

3.1.6 Arcillas

Se requiere conocer el comportamiento de los suelos arcillosos baja cargas cíclicas debido a que dentro de los problemas geotécnicos más importantes relacionados con la ocurrencia de los sismos se encuentran que estos suelos son susceptibles a sufrir cambios físicos permanentes debido a la propagación de ondas sísmicas y al efecto de las propiedades de los suelos en la interacción dinámica suelo-estructura.

La respuesta dinámica de las arcillas depende generalmente del nivel de deformación inducida en el suelo, se considera que ocurre bajo condiciones no drenadas, debido a que la velocidad de aplicación de la carga no permite la disipación de la presión de poros generada (Díaz, 2005).

3.1.6.1 Factores que afectan al módulo de corte y el amortiguamiento de arcillas

El módulo secante de corte de la arcilla (Figura 10) se ve afectado por:


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40

El contenido de la amplitud del esfuerzo,

El índice de densidad (cuando está saturado con agua), Esfuerzo efectivo, Sobreconsolidación, Tiempo de consolidación, Previo esfuerzo (Período de tiempo carga cíclica).

El módulo de corte de la arcilla no es muy afectado por la frecuencia de carga, se ve afectada por la amplitud del esfuerzo.

Según investigaciones de Towhata (2007), similares a la arena, la relación de módulo de corte y el amortiguamiento de la arcilla varían en función del número de ciclos de carga. La Figura 16 compara los lazos de tensión-deformación que se observaron durante la primera y la décima parte de los ciclos de carga. En contraste con la arena que se sometió a cargas cíclicas drenadas y se convirtió más rígida con el número de ciclos, la arcilla se convirtió más blanda con el número de ciclos. Esto parece ser debido a que:

El exceso de presión de poros y por lo tanto la disminución del esfuerzo efectivo, disminuye el número de ciclos y la reducción de la resistencia a la fricción entre los granos de arcilla.

La vinculación entre los granos fueron destruidas y se convirtió en arcilla blanda.

Figura 16 Lazos de histéresis medidos durante el primero y el décimo ciclo.

Fuente: (Idriss, et al. 1978).

Los efectos de las historias de consolidación normales o de sobre consolidación o la aplicación a largo plazo de la presión de consolidación, fueron investigados por Kokusho et al. (1982) para suelos arcillosos naturales inalterados con un índice de plasticidad de medio a alto de Ip = 40-60. Los datos de prueba en esfuerzo de dependencia se resumen en la Figura 17 donde puede verse que la función de cambio de módulo de corte y amortiguamiento de esfuerzo no es influenciado significativamente por el hecho de que los suelos han sido normalmente consolidados, sobre consolidadas o sometidos a presión de confinamiento a largo plazo después del final de la consolidación primaria. Esta


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observación indica el hecho de que, no importa si una arcilla en un sitio determinado se encuentra en un estado normalmente consolidado o en un estado de sobre consolidación, el módulo y el coeficiente de amortiguamiento si aumenta o disminuye con la misma proporción en un amplio rango de esfuerzo de corte. Esta conclusión se sugiere un método simple que se puede utilizar para evaluar el módulo de corte dependiente el esfuerzo de los depósitos in situ de arcillas. Si el módulo de corte a esfuerzos pequeños en los depósitos in situ es conocido por medio de un procedimiento como la velocidad de registro en el campo y si la curva de reducción de módulo se establece a través de las pruebas de laboratorio en algunas de las muestras inalteradas representativas, entonces es una tarea sencilla obtener valores de esfuerzo dependiente del módulo para un depósito in situ de arcillas.

Rela

ción m

ódulo

de c

ort

e G

/G0



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Figura 17 Efectos de la historia de consolidación en módulo de esfuerzo dependiente y el coeficiente de amortiguamiento. Fuente: (Kokusho et al. 1982)

3.1.6.2 Efectos de plasticidad en comportamiento cíclico de arcillas

La arcilla tiene un carácter tixotrópico. Su rigidez de corte y el incrementar de la fuerza con el tiempo, debido a la cementación y al desarrollo de la unión con el tiempo entre las partículas. Las arcillas con un mayor índice de plasticidad son más tixotrópicas que otros materiales menos plásticos. Además, la unión puede ser destruida por las cargas cíclicas con una amplitud de deformación relativamente grande. Consecuentemente, la arcilla se vuelve más suave con el número de ciclos (este proceso de llama degradación). El desarrollo de la unión es más importante cuando la arcilla esta sobre consolidada (Towhata, 2007). Una fórmula empírica disponible para Gmax de arcilla es:

Donde P' es el esfuerzo medio efectivo principal (1+2+3)/3, Pa es la presión

atmosférica y el OCR designa la relación de sobre consolidación. Esta fórmula funciona con cualquier sistema de unidades. Para el valor del parámetro k, ver Tabla 2 o Figura 18.

Coefici

ente

de A

mort

iguaci

ón



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Figura 18 Efecto del OCR en el Gmax de la arcilla

Fuente: (Hardin, 1978); referenciado por (Towhata, 2007).

3.1.6.3 Efectos de la densidad en el módulo de corte de la arcilla

Hardin y Black (Hardin y Black, 1968) estudiaron la variación del módulo de corte en arcillas normalmente consolidadas con relación de vacíos. La figura 19 indica que varía el Gmax en proporción a

y la raíz cuadrada de la presión de consolidación isotrópica . Sin embargo, el

parámetro de 2.973 varía según el tipo de arcilla (caolinita, bentonita).

Índice de Plasticidad Ip


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Figura 19 Variación de Gmax de la arcilla con la relación de vacios. Fuente: (Hardin y Black, 1968)

3.1.6.4 Degradación del módulo de corte de arcillas

De acuerdo a Dobry y Vucetic (1987) la degradación es un proceso en el que el módulo de corte (rigidez) de la arcilla disminuye con el número de ciclos de carga. La disminución del módulo de corte es importante para la estabilidad de la fundación de las estructuras en costas que son objeto de miles de ciclos de carga de olas durante las tormentas fuertes.

La degradación es causada probablemente por: la acumulación de exceso de presión del agua intersticial y la disminución del esfuerzo efectivo y finalmente por la ruptura de la unión entre las partículas de arcilla.

Ingenieros prácticos pueden considerar la degradación de tal manera que:

en la que N es el número de ciclos, mientras que t se llama la degradación de los parámetros.

Gmax -Relación de vacíos

Módulo

de c

ort

e G

(MPa)

Caolinita dispersa

Caolinita con agua corriente

Caolinita sal-floculada

Arcilla azul de Boston floculada

Arcilla azul de Boston dispersa

Relación de vacíos


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Según las investigaciones de Dobry y Vucetic (1987) se reportaron valores de en una

variedad de OCR (relación de sobre consolidación) y la amplitud de deformación. La Figura 20 indica que el módulo de corte es posible disminuirlo a 70 o a 80% del valor inicial, cuando se repite una amplitud considerable del esfuerzo 100 veces o más. Los mayores valores de t sugieren que el aumento de la presión de poro y la rotura de la unión son importantes cuando la amplitud del esfuerzo es grande en arcilla jóvenes con valores menores de reconocimiento óptico de caracteres; referenciado por (Towhata, 2007).

Figura 20 Degradación observada ensayos. Fuente: (Dobry y Vucetic, 1987); referenciado por (Towhata, 2007)

Módulo

de c

ort

e G

(MPa)

Número de ciclos, N

Número de ciclos, N

Módulo

de c

ort

e G

(MPa)


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La amplitud de deformación de corte cíclico en el que una marcada reducción en la rigidez comienza que se produzca se sabe que dependerá de varios factores, tales como el esfuerzo efectivo de confinamiento y el número de ciclos. Es generalmente conocido que la reducción del módulo comienza a ocurrir en un nivel inferior de deformación de corte, cuando el número ciclos especificados incrementa. Dentro de la categoría de suelos cohesivos, la deformación de corte inicia el descenso del módulo. Este aspecto ha sido estudiado por Vucetic y Dobry (1991) y Vucetic (1992) quienes demostraron la importancia del índice de plasticidad Ip de los suelos. Como resultado de un estudio y análisis sobre datos de numerosas pruebas, y Vucetic Dobry (1991) propone las familias de curvas como se muestra en la Figuras 14 y 15 que son las promedio de las relaciones que indica el efecto del índice de plasticidad del esfuerzo dependiente del módulo y el amortiguamiento de los suelos cohesivos.

3.1.6.5 Coeficiente de amortiguamiento de arcillas

El coeficiente de amortiguamiento parece ser el menos afectado por muchos factores que el módulo de corte. El tipo de suelo, sin embargo, parece relativamente importante como la Figura 21 revela que el coeficiente de amortiguamiento de la arcilla es más pequeño que el de los materiales más gruesos. Esto es probablemente porque la arcilla es más continua que la arena y la grava (Towhata, 2007).

Figura 21 Coeficiente de amortiguamiento de la arcilla, arena y grava. Fuente: (Kokusho, 1982)

En la Figura 19 indica resultados de las pruebas en muestras inalteradas de arcilla en el que el coeficiente de amortiguamiento no se ve afectado significativamente por el nivel de

Coefici

ente

de a

mort

iguam

iento

Deformación de corte


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esfuerzo efectivo. Lo que es peculiar en esta figura es que el esfuerzo efectivo más alto causado ligeramente por el coeficiente de amortiguación, opuesta a lo que se encontró para la arena (Kokusho, 1982).

Figura 22 Efectos de la presión de confinamiento en el coeficiente de amortiguamiento de

la arcilla Fuente: (Kokusho, 1982)

Efectos del tiempo de consolidación en amortiguación de arcillas:

Marcuson y Wahls (1978) estudiaron el coeficiente de amortiguamiento en un rango de pequeñas deformaciones (g = 0,0012-0,0048%). Ambas pruebas drenadas y sin drenar se realizaron en muestras de caolinita, así como otras muestras de bentonita plástica. Se ha demostrado por sus pruebas y ensayos que el coeficiente de amortiguamiento disminuye a medida que el tiempo de consolidación se hace más largo. Esto puede sugerir que la unión de las partículas se construye con el tiempo y que la arcilla se convierte en un material más continuo.

3.1.6.6 Curvas G y h de muestras inalteradas

Muchos datos sobre las características de deformación dinámica no lineal de los suelos se obtuvieron de pruebas drenadas en el laboratorio. Dado que los efectos de la edad y el drenaje no son despreciables en terreno real, sin embargo, se han obtenido datos de no linealidad en condiciones de prueba más reales. En este sentido, Yasuda y Yamaguchi resumieron los datos obtenidos de los ensayos no drenados sobre muestras inalteradas y propuso una regla empírica (Yasuda y Yamaguchi, 1985).

Coefici

ente

de a

mort

iguam

iento



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donde D50 es el tamaño medio de partícula de arena (mm) y el esfuerzo principal efectivo P (kgf/cm2):

para una consolidación de in-situ. Los parámetros de A1 a D2 fueron determinados

empíricamente, como se muestra en la Tabla 3.

Tabla 4 Parámetros de Yasuda-Yamaguchi, fórmulas empíricas.

Fuente: (Yasuda y Yamaguchi, 1985)

Donde:

Gmax es el módulo de corte a una amplitud de deformación de 10-6 (= 0,0001%). B2 B1 = D1 D2 =0 cuando D50 <0,007 mm.

La base de datos original del estudio de los dos autores fue obtenida de una condición limitada de 0.2 ≤ P ≤ 3 kgf/cm2 (19,6 ≤ P ≤ 294 kPa) y 0.002 ≤ D50 ≤ 1.0 mm.

Cuando D50 es desconocida en la práctica, la estimación aproximada puede ser la siguiente: 0,4 mm para arena o grava gruesa, de 0,3 mm para arena media, 0.2 mm para arena fina, de 0,1 mm para la arena limosa, 0.04 mm para limo arenoso, 0,03 mm para arena arcillosa, 0.007 mm para cieno, y 0.005 mm para limo arcilloso.

B1 + B2 log10 (D50) es positivo, lo que indica que el G/Gmax es mayor cuando aumenta P’.

Del mismo modo, D1 + D2 log10 (D50) es negativo, lo que sugiere que el coeficiente de amortiguamiento disminuye a medida que aumenta P'.

Se examina que G / Gmax disminuye al aumenta el coeficiente de amortiguamiento de los materiales más gruesos (mayor D50).

Deformación

de corte


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49

3.1.7 Cenizas Volcánicas

La investigación consiste en la determinación de factores de amplificación de cenizas volcánicas mediante la ejecución y análisis de ensayos con muestras de una zona de la ciudad de Manizales. El objetivo es obtener información directa de las características físicas, mecánicas y dinámicas del subsuelo del área de estudio muestras inalteradas de suelo para la realización de ensayos de laboratorio, en especial los requeridos para determinar el comportamiento dinámico del suelo (ensayo triaxial cíclico, ensayo de columna resonante y ensayo de velocidad de onda de corte en laboratorio). Las muestras obtenidas de la ciudad de Manizales una de la tres principales ciudades de la región cafetera colombiana, se considera de alta actividad sísmica que caracteriza la zona. De acuerdo con el marco tectónico de la zona resulta clara la posible ocurrencia de sismos de diversas fuentes, bien sea fuentes locales muy cercanas a la ciudad, fuentes de tipo regional ubicadas en la zona de influencia directa o fuentes lejanas con capacidad de generar sismos de alta magnitud (CIMOC, CEDERI, 2005).

3.1.7.1 Naturaleza de las partículas de cenizas volcánicas

Los depósitos de origen volcánico desde su fuente se pueden clasificar de acuerdo con el tipo de actividad volcánica que los generó. Se tienen dos grupos; uno el originado por la actividad de carácter efusivo; como es el caso de las lavas, y el otro, el originado por la actividad explosiva, también llamados materiales piroclásticos, materiales que llegan a conformar depósitos sueltos y bajo ciertas condiciones otros consolidados. Los depósitos de origen volcánico están conformados por fragmentos de diferentes tamaños y puede encontrarse depositados de forma normal, inversa (tamaños más finos en la parte inferior), o con una distribución granulométrica aleatoria (Redondo, 2003).

Según estudios de Jakka, et al., (2010) la naturaleza de las partículas, tales como la forma y la superficie (características morfológicas) de las muestras ensayadas que fueron estudiadas con técnicas de microscopio electrónico de barrido (SEM). El resultado son micrografías SEM, fotos mostradas en la Figura 23. Las micrografías (Figura 23 (b, d)) muestran que la mayoría de las partículas finas de las cenizas son de forma esférica con tamaños que varían. Algunas partículas más grandes se observan en las agrupaciones de pequeñas partículas con superficies de vacíos. Se observa que las caras de las partículas son suaves. Las micrografías (Figura 23(a, c)) indican una estructura altamente porosa. La presencia de poros entre partículas de forma irregular también se puede observar en estas microfotografías. Además, en las partículas de ceniza gruesa se observaron las aglomeraciones de partículas más pequeñas. En contraste con los materiales de cenizas, la micrografía SEM de arena Yamuna (Figura 23 (e)) muestra las partículas sólidas sin poros entre partículas.


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Figura 23 Fotos del barrido del microscopio electrónico de los materiales ensayados. Fuente: Jakka, et al., (2010).

Según Fisher (1961) y Fisher & Schimincke (1984), los depósitos volcánicos son una acumulación de materiales producto de la explosión y expulsión aérea, materiales entre los que se encuentran fragmentos producto de la desintegración de la lava movediza, de masas provenientes del intemperismo, y de la erosión que actúa sobre flujos de lava solidificados y sobre detritos piroclásticos consolidados.

3.1.7.1.1 Clasificación de las cenizas volcánicas considerando el origen de los fragmentos

Magmático

Según Sandoval (2002) las cenizas volcánicas son fragmentos que se solidifican una vez evacuado el magma de la fuente emisora. También llamados piroclástos “Juveniles o


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Esenciales”, son partículas generadas por el enfriamiento rápido del magma que da origen a la erupción, al salir expulsadas explosivamente del conducto volcánico.

No Magmático

Existen tres tipos; el Tipo I: Se solidificó del mismo magma de la erupción pero antes de evacuar del emisor, Tipo II: Originado de las rocas del mismo volcán pero solidificadas en eventos (emisiones) anteriores, llamados también “Accesorios o Cognatos” por Sandoval (2002), y Tipo III: granos que se derivan de la corteza subyacente (basamento), pero no relacionadas con la actividad (también llamado de eyección accidental), Xenolitos o Accidentales.

De la anterior clasificación se distinguen dos tipos diferentes de estructura. Tanto para el material magmático como el no magmático Tipo I, la fábrica es en parte o completamente Vitrea. Para los Tipos II y III del material no magmático, la estructura es totalmente cristalina (lítica), conformada por granos de diferentes materiales.

3.1.7.1.2 Clasificación considerando el tamaño del clasto

A continuación se agrupan y describen las diferentes denominaciones para los diferentes tamaños, establecidas para los materiales no consolidados de origen volcánico de acuerdo al estudio de Redondo (2003). Cenizas Es la partícula sólida más pequeña de origen piroclástico (Tabla 5).

Dependiendo del material que compone, la ceniza puede describirse como:

LÍTICA: Conformada predominantemente de piedra sólida. VÍTREA: El compuesto predominante es el vidrio. Es el tipo más común de cenizas. CRISTAL: Conformada predominantemente por cristales.

Tabla 5 Cenizas TAMAÑO

(Diámetro Promedio) FOTOGRAFÍA

Φ<4.0 mm (Foxworthy & Hill, 1982)

Φ< 2.54 mm

(Bates & Jackson, 1987)

Φ<2 mm (Miller, 1989)(U.S.G.S, 2001)

2.5 mm≤ Φ ≤ 4.5 mm

Polvo:Φ< 2.5 mm (Celis, 1994) ;

Fuente: SEM (A.M. Sarna Wojcicki)


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TAMAÑO (Diámetro Promedio)

FOTOGRAFÍA

0.06 mm ≤ Φ ≤ 4 mm ; Φ<0.06 mm (Watt, 1999);

Φ< 0.25 mm

(Schultz & Cleaves, 1995).

Fuente: (D.E. Wieprecht).

Lapilli

Material eyectado en estado sólido o fundido. Es el tipo más abundante de fragmento en depósitos de carbonilla. Las formas especiales caracterizan gotas de lava basáltica que se arroja en una condición muy fluida y se solidifica en el aire (Tabla 6).

Llamadas “pavesas” por la Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos (SMMS, 2002); referenciado por Redondo (2003).

Tabla 6 Lapilli TAMAÑO


2 mm ≤ Φ ≤ 64mm (Miller, 1989 ;Fisher & Schmincke,

1984)

2.5mm ≤Φ ≤ 63.5mm (Bates & Jackson, 1987)

4mm≤ Φ ≤ 32 mm

(U.S.G.S., 2001 ;Celis, 1994 ; (Watt, 1999)

0.42mm≤ Φ ≤ 20 mm

(SMMS, 2002)

Fuente: (de Volcán Kilauea en 1959)

(Bates y Jackson, 1987)

Bloques Partículas eyectadas en estado sólido, se encuentran a pocos metros de la fuente y son las más angulares. Consisten en piezas sólidas de lava vieja, que fue parte del cono volcánico (Tabla 7).


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Tabla 7 Bloques

TAMAÑO (Diámetro Promedio)

FOTOGRAFÍA

Φ ≥ 63.5mm (Tilling, Heliker, and Wright, 1987)

Φ ≥ 64 mm (Miller, 1989)

Φ 32 mm (Celis, 1994)

Fuente: (C. Heliker, 1988)

Bombas Su forma y textura vesicular indica que estaban liquidas o plásticas cuando fueron expulsadas, y cambia de forma durante el transporte o al contacto con el terreno. La mayoría de las bombas simplemente son irregulares y general-mente se forman trozos sumamente vesiculares que se describen como carbonilla o escoria.

Tabla 8 Bombas TAMAÑO


Φ ≥ 63.5mm (Tilling, Heliker, and Wright, 1987 ; Bates

& Jackson, 1987)

Φ 32 mm (Celis, 1994) (watt, 1999)

Φ 2 mm

(U.S.G.S., 2001)

Fuente: ( Lockwood, volcán Mauna Kea en

Hawai)

3.1.7.1.3 Formación

El proceso de formación de los suelos de cenizas volcánicas se presenta en la Figura 2. Éste proceso inicia con la generación de una nube de piroclastos durante la erupción volcánica, conformada por partículas de diámetro inferior a 2 mm, conocidas como cenizas volcánicas. En Colombia, las cenizas volcánicas que dieron origen a los suelos emanaron durante las erupciones del complejo de volcanes Ruiz-Tolima en el Holoceno y Pleistoceno


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(recientes 20.000 años) del período Cuaternario (Correa y García, 1999). El tamaño medio del grano de fragmentos de roca y ceniza volcánica varía mucho entre las distintas erupciones. Los fragmentos más grandes suelen caer al suelo o cerca del volcán y fragmentos más pequeños y ligeros son progresivamente arrastrados lejos del volcán por el viento. Las partículas de ceniza volcánica, más pequeñas (2 mm de diámetro o menos), pueden viajar cientos de miles de kilómetros a sotavento de un volcán en función de la velocidad del viento. El tamaño de las partículas de ceniza que caen al suelo por lo general disminuye exponencialmente al aumentar la distancia de un volcán (Figura 24) (U.S.G.S., 2001).

Figura 24 Formación de los suelos derivados de cenizas volcánicas. Fuente: Correa y García (1999)

Los depósitos de materiales consolidados que se encuentran conformando los taludes, son conocidos como rocas piroclásticas. En virtud de su génesis, composición química y composición de tamaños, dentro de estos materiales existe una gran variedad encontrando así las tobas, la brecha volcánica, la brecha de toba, el aglomerado volcánico y el conglomerado volcánico. Materiales que junto con la más usadas de las terminologías sobre los materiales de origen volcánico, se encuentran descritos en la Tabla 9 (Redondo, 2003).


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Tabla 9 Terminología relacionada con los depósitos de origen volcánico.

TERMINO DESCRIPCIÓN

Toba

Material piroclástico vidrioso el cual ha sido endurecido por la soldadura conjunta de sus partículas, bajo la acción de retención de calor.

Se describen también depósitos de la ceniza consolidados como Tobas (tuffs), o más específicamente, dependiendo del constituyente predominante como: (a) Toba lítica. (b) Toba vítrea., o (c) Toba cristalina.

Roca formada por material piroclástico. También se emplea como un término colectivo para todas las rocas piroclásticas consolidadas.

Brecha Volcánica

Depósitos consolidados o Rocas Piroclásticas conformadas por: Bloques, Lapilli y Cenizas. Celis (1994), y Schultz & Cleaves (1955).

Brecha Toba Depósitos consolidados que se encuentran embebidos en una matriz con tamaños menores a 4 mm en diámetro. Schultz & Cleaves (1955).

Aglomerado Volcánico

Depósitos Consolidados o rocas piroclásticas conformadas por fragmentos tamaño Bombas, Lapilli y Cenizas, y que presentan una forma redondeada o subangular, mayores a 4 mm en diámetro, envuelta en una matriz fina. Celis (1994), y Schultz & Cleaves (1955).

Conglomerado Volcánico

Material similar a la brecha volcánica pero los fragmentos son por acción del transporte en el agua. Schultz & Cleaves (1955).

Pumita

“Clasto de color claro, que puede flotar en el agua y las vesículas se cierran rápidamente al llenarse de agua. Son el resultado del enfriamiento rápido de lava espumosa de la cual los gases se escaparon. La carbonilla sumamente vesicular se llama piedra pómez. La piedra pómez de magma “rhyolitic” es caracterizada por vesículas que se estiran fuera en los tubos muy delgados largos, dando una apariencia de seda al fragmento.

Otras definiciones son: “Roca volcánica espumosa, usualmente de composición Dacita o Riolita, formada por la expansión de gas en la erupción de lava. Comúnmente se muestran como terrones o fragmentos alargados del tamaño de un “guisante”, también se puede presentar con abundantes partículas tamaño ceniza.” “Clasto de color claro, vítreo, vesiculosa de composición ácida, y que se forma cuando los gases pasan a través de la lava. (Watt Alec, 1999)”.

“Vidrio esponjoso lleno de diminutas burbujas, que presenta tonalidades gris clara a blanca, (Bates & Jackson, 1987).

Clásto Pumita Vidrio altamente vesicular. Los clástos son usualmente encontrados sobre grandes áreas en la vecindad de la abertura del volcán, siendo depositados por flujo y/o caída del viento. Fisher & Schmincke (1984), en Esposito & Guadagno (1998).

Reticulita

Pumita ligera como una pluma. Es la más ligera de las tefras. Puede ser transportada muy lejos de la fuente eruptiva. No puede flotar porque las vesículas están interconectadas y cuando caen sobre agua, llegan a ser fácilmente inundadas y hundidas, (Tilling, Heliker, and Wright, 1987; en U.S.G.S., 2001).


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TERMINO DESCRIPCIÓN

Escoria

Lavas cargadas de gas que durante el viaje en el aire se solidifican y enfrían, cayendo como roca volcánica oscura, (Clynne et al. 1998).

Clasto de color oscuro. La piedra pómez basáltica menos abundante consiste típicamente sólo en hilos de vidrio delgados que marcan las intersecciones de vesículas. Éstos forman la piedra más ligera (0.3 gm/cm3) ; conocido por denominarse escoria del hilo-cordón o reticulate.

Vesícula Una pequeña cavidad de aire que se formó en una roca volcánica durante la solidificación.

Ignimbrita

Roca volcánica silicea formada por partículas volcánicas de tamaño fino y abundancia de vidrio, que son expulsadas en fumarolas del interior de la tierra y depositadas en superficie en estratos gruesos y masivos, cubriendo grandes extensiones de terrenos, (U.S.G.S., 2001).

Roca formada por depósitos muy dispersados y consolidados de flujos de ceniza y nubes ardientes. El termino fue originalmente aplicado solamente a depósitos de ceniza soldados, pero ahora incluye todos los depósitos.

Fuente: Referenciado por Redondo (2003).

3.1.7.2 Depósitos de Ceniza Volcánica Los depósitos volcánicos pueden encontrarse alterados por efecto de la meteorización en su parte más superficial, originando perfiles de suelos residuales en los que comúnmente se encuentran una diversidad de fragmentos tamaño ceniza. En general, se pueden definir los depósitos de origen volcánico como aquellas masas de material litificado pero no completamente compacto y consolidado como lo son las rocas ígneas extrusivas (por ejemplo; Basalto, Tobas, Ignimbritas, Andesitas), así como también a los materiales sueltos producto de la meteorización de estas rocas. Estos depósitos se caracterizan por su gran alterabilidad y mientras más finos, mayor será su superficie específica y mayor la cinética de alteración. A continuación se presenta una clasificación considerando el aspecto genético como parámetro principal según Redondo (2003). Depósitos de caída Estos depósitos generalmente están bien clasificados y se encuentran depositados en capas superpuestas, las cuales independientemente del tamaño de los granos son llamados: “Capas de Ceniza”, “Estratos de Ceniza”, o “Mantos de Ceniza”. En contraste se definen los depósitos de “Ceniza Consolidados” como las Tobas (tuffs). Se describen como depósitos de materiales no consolidados conformados por la caída de piroclástos, los cuales se transportan en una nube originada por una explosión volcánica que conforma una columna de varios kilómetros de altura, y que es transportada por el viento a distancias de cientos a miles de kilómetros.


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Depósitos de flujo Se describe como una masa sub aérea turbulenta, conformada por una mezcla de gas y fragmentos de roca, muchos de los cuales son tamaño ceniza. Esta masa piroclástica tiene normalmente alta temperatura y se mueve rápidamente deslizándose sobre los taludes a gran velocidad sobre el nivel de la superficie. Dependiendo de la densidad, definen su área de cobertura y el alcance del viaje, llegándose a depositar cerca de la fuente, en ocasiones conformando costras sólidas de tobas cementadas o agrupaciones de fragmentos aislados, posteriormente cubiertos de cenizas de caída. Los depósitos de oleadas piroclásticas representan el movimiento de grandes volúmenes de material efusivo con el comportamiento general de los flujos de lava. Estos actúan como fluidos pesados controlados en su movimiento por la gravedad y la topografía del terreno subyacente. Lahar Etimológicamente Lahar es una palabra de origen indonesio, y son variadas las definiciones que se tiene para este tipo de depósitos. El concepto que se considera más apropiado es aquel que lo define como una mezcla fría o caliente entre los escombros de un volcán y el agua. También se refieren a un flujo torrencial de detritos volcánicos saturados de agua que bajan de la ladera de un volcán en respuesta a la gravedad (U.S.G.S. glosario). En Cevallos et al. (1994), se describe como depósitos fluvio-volcánicos resultado de la escorrentía de materiales de tipo volcánico, que se ubican en las laderas de las estructuras volcánicas; referenciado por Redondo (2003).

3.1.7.3 Reconocimiento de las cenizas volcánicas

A continuación se destacan aspectos relacionados al reconocimiento tanto en campo como en laboratorio de los materiales de origen piroclástico, criterios que hasta el momento han servido en primera instancia, para distanciar a los depósitos de cenizas volcánicas de los conceptos convencionales que se tiene para los suelos sedimentarios. Es importante destacar que la mayoría de criterios se valen de las propiedades índices para evaluar el comportamiento de los materiales de origen volcánico (Redondo, 2003).

En laboratorio

Los cambios radicales que presentan estos materiales por efecto del secado y remoldeo permiten que por medio de los ensayos de granulometría y propiedades índices a diferentes condiciones de humedad se puedan reconocer en principio este tipo de materiales.

Por medio del ensayo de Índice de Agregación (I.A.), propuesto por Tateishi (1967), en Vásquez (1995), quien considera que cuando el valor de I.A. es mayor a dos (2), el suelo


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es susceptible a cambiar sus propiedades después de la deshidratación o secado (Giraldo y otros, 1986, González y Forero, 1981); referenciado por (Redondo, 2003).

De los datos del estudio de Redondo (2003) del Eje Cafetero relacionados en la Figura 25 se observa que en su mayoría superan el valor de 2 y puede decirse que el I.A. sirve como criterio de identificación. El propósito del Índice de Agregación es determinar la tendencia de un suelo a cambiar después de la deshidratación. Este parámetro se define como la relación entre el valor del Equivalente de Arena obtenido de una muestra del suelo que se ha secado al horno (normas: AASTHO T176 y MOPIE 35-62) y el valor del equivalente de arena del mismo a su humedad natural, (en Vásquez, 1995). Si el I.A. > 2, indica un suelo moderado al cambio y un valor de I.A. >12, un suelo altamente variable.

En Terreno

Algunos autores describen como típica la coloración del material de origen piroclástico en los diferentes sectores en los cuales han trabajado, obteniéndose entonces un amplio espectro de coloración. Por ejemplo, Mejía (1995) propone una relación entre la coloración y los valores del L.L., y expone que para los latosoles las coloraciones típicas van desde café amarillento a café rojizo, dentro de un rango del L.L. entre 80% a 90%. El caso de mayor interés para el presente estudio es el de los andosoles, para el que se tiene una coloración que varía de café verdoso a café oscuro, pero ocasionalmente pueden presentarse tonalidades amarillas blancuzcas, o blancos amarillentos con un L.L. mayor a 110% aproximadamente, de acuerdo con lo observado en los taludes del Eje Cafetero.

Sin embargo, para Correa y García (1999) los andosoles presentan colores café, verde, amarillo y gris, con frecuentes trazas rojizas, además argumentan que el color probablemente está relacionado con el contenido de óxidos y además es probable que exista una relación entre el contenido de óxidos, la plasticidad y otras propiedades.

Histograma: Indice de Agregación

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0.54 2.472 4.404 6.336 8.268 y mayor...Rangos para el I.A.

Frecu

en

cia

No. datos: 26

Figura 25 Resultados del I.A. para materiales del Eje Cafetero. Fuente: (Redondo, 2003).


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Otra característica muy propia de las cenizas volcánicas, es el hecho de que el muestreo se dificulta como consecuencia de la alta porosidad del material y las elevadas presiones generadas en las paredes de los tubos metálicos durante su hincado, lo que conlleva a recobros bajos, y desde luego la estructura del material en el proceso puede verse afectada. Cabe anotar que las presiones sobre el tubo se incrementan con el tiempo de almacenamiento (Mejía, 1995).

3.1.7.4 Caracterización geotécnica Las cenizas volcánicas, de acuerdo con la clasificación unificada de suelos, clasifican como limos y arcillas de alta compresibilidad (MH y CH). Estos suelos presentan una cementación apreciable. En efecto, a pesar de que el mecanismo de deposición es eólica, presentan relaciones de sobre consolidación que varían entre 3.0 y 7.0, además presentan altas relaciones de vacíos que varían entre 1.0 y 4.5. Dada la alta relación de vacíos, las cenizas volcánicas pueden sufrir colapso cuando se someten a esfuerzos de corte cíclicos (Yamin, et al. 2000) Según la Microzonificación sísmica de Manizales las cenizas volcánicas son superficiales e intermedias con depósitos de profundidad variable hasta valores máximos en el orden de 50 m. El subsuelo característico, para las zonas de mayor espesor de cenizas (del orden de 30 a 35 m) puede caracterizarse como se muestra en la Figura 26. Se presenta un perfil típico de cenizas depositadas sobre conglomerados. Para las cenizas se encuentran índices de plasticidad variando entre 0 y 110%, con humedades naturales entre 10 y 200%. Las densidades húmedas medidas están entre 1.2 y 2.0 Ton/m3. Las rangos de velocidades de ondas de cortante están entre 80 y 250 m/s y la resistencia a la compresión simple (qu) basadas en compresiones inconfinadas del orden de 0.1 a 3 kg/cm2.


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Figura 26 Perfil típico del subsuelo. Fuente: (Yamin, et al. 2000)

3.1.7.4.1 Propiedades Físico-Químicas

La mineralogía de los suelos de cenizas volcánicas tiene de gran influencia sobre sus características y su comportamiento mecánico. Los minerales presentes en la fracción de arcilla (alofana, imogolita y haloisita) derivados de la meteorización de las cenizas volcánicas, en particular del vidrio volcánico, poseen propiedades (tamaño, forma, carga eléctrica, energía superficial, etc.) que los hacen distinguibles de los minerales comúnmente encontrados en suelos sedimentarios. La presencia de alofana, imogolita y haloisita contribuye al desarrollo de las propiedades químicas y físicas únicas que estos

Limo de alta

plasticidad

(MH)

Limo de baja

plasticidad

(ML)

(MH)

(ML)

Conglomerado

Peso unitario

Ip Descripción y

clasificación Profundidad

(m)

Propiedades,

Cont. agua Vs

(m/s)

qu

(Kg/cm2)


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suelos exhiben. Entre estas propiedades las más reconocidas son: baja densidad, alta plasticidad, alta capacidad de retención de agua, friabilidad y tendencia a agregarse. En estado inalterado, los suelos derivados de cenizas volcánicas parecen estar formados por agregaciones de tamaño arena o limo y presentan baja plasticidad o no son plásticos. Sin embargo, cuando son remoldados su apariencia cambia a la de suelos finos con elevada plasticidad y humedad (NZ Geotechnical Society, 2005); referenciado por Correa y García (1999). Los procesos de secado modifican algunas propiedades del suelo, en especial la plasticidad. La alta plasticidad que estos suelos presentan en condición natural se reduce cuando el suelo es expuesto a secado al aire o al horno. La variación de la plasticidad por desecación depende de la humedad inicial, la temperatura y la duración de la desecación.

3.1.7.4.2 Propiedades Mecánicas

La historia de formación y los resultados experimentales indican que los suelos derivados de cenizas volcánicas en Colombia son suelos cementados que evolucionan a partir de la meteorización de cenizas volcánicas. Diferentes mecanismos químicos y físicos gobiernan el acercamiento de las partículas y la formación de agregaciones. Sobre estas se han recogido conceptos muy importantes como es el caso de la cohesión aparente por efecto de la succión, los conceptos acerca del modo de falla de los materiales y la capacidad portante relativamente elevada (Redondo, 2003) Permeabilidad

La porosidad de las cenizas volcánicas es una característica genética intrínseca y le da la posibilidad al material de almacenar gran cantidad de agua, aunque no presenta una alta permeabilidad puesto que no todos los poros se encuentran interconectados. Para determinar la permeabilidad se han empleado tanto métodos de campo (infiltración por encima del nivel freático), ensayos para los cuales Correa y García (1999), reportan un rango de 10-4 cm/sg para los materiales del Eje Cafetero y métodos indirectos como el reportado por Sandoval (2002), quien empleando el ensayo de consolidación, se obtuvo que la permeabilidad para las cenizas del Quindío se encuentra entre 1 x 10-5 a 1 x 10-7 cm/sg, datos estos que concuerdan con los conocidos para suelos sedimentarios como las arenas finas, limos orgánicos e inorgánicos y las mezclas entre arenas, limos y arcillas. Para el caso de suelos lateríticos y andosoles Townsend (1983); referenciado por (Redondo, 2003), entrega un rango que varía entre 10-4 y 10-5 cm/seg.

Actividad de las cenizas

Según Correa y García (1999), no se ha establecido un método apropiado para estimar la Actividad de estos materiales, debido a que criterios indirectos para evaluar este parámetro dependen del I.P., y este parámetro para materiales de origen volcánico varia con el presecado (tipo o procedimiento de secado), remoldeo, y profundidad de la muestra, así como también con el porcentaje de arcillas obtenido en ensayos granulométricos el que depende del dispersante empleado. Desde luego los resultados


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están en función del grado de alteración por efecto de la meteorización o evolución que presenta la ceniza volcánica.

Expansividad

En el estudio de Redondo (2003), un suelo es potencialmente expansivo si ante una reducción de succión, ante una reducción tensional efectiva, o ante una combinación de ambas, sufre deformaciones volumétricas de expansión de gran magnitud. Los suelos que presentan este tipo de comportamiento generalmente son de muy alta plasticidad, como las cenizas volcánicas.

Colapsabilidad

Se entiende por colapso la disminución de volumen súbito por efecto del reordenamiento espontáneo de las partículas sólidas al saturarse parcial o totalmente la masa que las contiene. Es la disminución de volumen en ausencia de cambios tensionales totales ante disminuciones de succión, puesto que la resistencia adicional que proporciona la succión se da como consecuencia de una estructura muy abierta del suelo, de gran índice de poros. Luego la disminución o eventual eliminación de la succión impide el sostenimiento de dicha estructura, estructura que pasa a perder gran parte de su porosidad, provocando fuertes deformaciones.

Como los suelos colapsables son susceptibles a grandes disminuciones en su masa volumétrica cuando llegan a su estado saturado y el colapso puede ser detonado por solamente el aumento del agua, o por saturación y carga actuando conjuntamente (Mitchell, 1976); referenciado por (Redondo, 2003).

En su gran mayoría los suelos colapsables son de origen eólico y se conocen con el nombre de “loess”, también pueden serlo algunos suelos aluviales poco consolidados y prácticamente secos, depósitos que dejan las inundaciones y que posteriormente no se han vuelto a saturar.

Flórez y la Universidad Nacional de Colombia (2005) realizaron ensayos de doble consolidación (colapso estructural) a diferentes densidades con el objetivo de establecer la condición del potencial de colapso estructural y poder definir los esfuerzos críticos de fluencia del material estudiado bajo condiciones de saturación repentina. Mediante este ensayo, se pretende explicar el comportamiento de la matriz arcillosa en la columna de relleno y de los depósitos volcánicos que los infrayacen para analizar su posible influencia en el mecanismo de falla presente.

Los ensayos mecánicos efectuados, consistieron en la consolidación bajo condición de saturación al inicio del incremento de carga y de consolidación unidimensional bajo condiciones de humedad natural e inundada al alcanzar los valores de esfuerzo de confinamiento preestablecidos. Este procedimiento se efectuó para determinar el potencial de colapso de las muestras ante pérdida de succión por fenómenos de saturación repentina

Para la clasificación del potencial de colapso se utilizó la definición dada en el Quarterly Journal of Engineering Geology (1990); referenciado por Flórez (2005), en la cual, establece que el potencial de colapso está definido como:


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Dónde:

=Cambio en la relación de vacíos

= Relación de vacíos inicial.

En la Tabla 10, se presenta la clasificación del potencial de colapso de acuerdo con criterios de cambios en la relación de vacíos por saturación de la muestra a determinados esfuerzos de confinamiento en función de la ecuación anterior.

Clasificación para el potencial de colapso (tomado de QJEG, 1990)

Tabla 10 Clasificación para el potencial de colapso.

Potencial de colapso PC (%) Nivel de severidad del problema

<1 No hay problema

1<PC<5 Problema moderado

5<PC<10 Problemático

10<PC<20 Problema severo

>20 Problema muy severo

Fuente: (QJEG, 1990); referenciado por Flórez, et al. (2005).

Para la evaluación del potencial de colapso se somete una muestra al ensayo de consolidación unidimensional bajo condiciones de saturación al inicio del incremento de cargas y efectuar las lecturas de deformación vertical hasta el momento que se cumple el final de la consolidación primaria, momento en el que se da inicio al otro incremento de carga de tal forma que se efectúe la curva de relación de vacíos respecto al logaritmo de esfuerzos verticales efectivos en el intervalo de trabajo a la que el suelo se encuentra o se someterá de acuerdo con las necesidades del estudio que se esté efectuando (Figura 27).

Por otro lado y de forma simultánea se efectúa el ensayo de consolidación bajo la modalidad de realizar la prueba bajo condiciones de humedad natural y tan solo efectuar el proceso de inundación (saturación) una vez sea alcanzado el esfuerzo de consolidación requerido.

El proceso de llevar a cabo esta prueba de forma simultánea permite analizar los cambios repentinos en la curva relación de vacíos respecto al esfuerzo vertical de confinamiento por disminución de altura de la muestra ante cambios repentinos en las condiciones de saturación por procesos de inundación repentina, lo que favorece la destrucción del arreglo estructural de la muestra de suelo analizada, manifestado en importantes cambios en la deformación vertical.


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En la Figura 27 se observa como entre 0.25 y 0.5 kg/cm2, la curva de “inundación repentina”, converge hacia la curva de “saturación inicial”, lo que equivale decir, que en este intervalo de esfuerzos se presenta fluencia de la estructura por la pérdida de las presiones negativas debidas a la saturación de la muestra. En este sentido, es importante mencionar que la variación de la relación de vacíos es notoria y es particularmente problemática.

3.1.7.5 Caracterización Dinámica de cenizas volcánicas

En el estudio del comportamiento del suelo sometido a cargas cíclicas se puede distinguir el comportamiento del suelo a la ruptura y antes de la ruptura. No todos los ensayos permiten llevar el suelo a la ruptura; actualmente solo se puede aplicar grandes deformaciones mediante algunos ensayos de laboratorio. Los ensayos in situ se limitan a medir las características de deformabilidad en pequeñas deformaciones (exceptuando algunas investigaciones con el presiómetro cíclico) (CIMOC, CEDERI, 2005). Son muy pocos los autores que han estudiado el comportamiento geomecánico de las cenizas volcánicas ante cargas sísmicas, así como de las respuestas dinámicas típicas que presentan los depósitos ante un sismo. Se identifican los parámetros relevantes que intervienen en la desestabilización, como describir el comportamiento de laderas en áreas de depósitos volcánicos.

Figura 27 Resultado del ensayo de doble odómetro para muestra de relleno de 1.25 ton/m3. Fuente: Flórez, et al. (2005).

Intervalo de esfuerzos para

los análisis de estabilidad


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3.1.7.5.1 Curvas de degradación de módulo cortante para cenizas volcánicas

Estudios de Yamin et al. (2000), presentan el rango de comportamiento típico de la cenizas volcánicas en relación con la degradación de la rigidez al cortante (G) en función de la deformación por corte ( ) Figura 28, en donde se observa que G se mantiene

constante un amplio rango de , (1E-6 a 1E-4.5), antes de degradarse relativamente

rápido, y un resumen de los valores típicos obtenidos de la variación de las velocidades de onda de cortante con la profundidad, Figura 29, en donde se observa la tendencia de G a aumentar con la profundidad.

Figura 28 Curvas de degradación del módulo de corte (G), características para las cenizas volcánicas del Eje Cafetero, presentadas.

Fuente: Yamin et al. (2000)


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Figura 29 Variación de G con la profundidad, resumen de valores típicos presentados para

el Eje Cafetero. Fuente: Yamin et al. (2000)

Las variables que afectan la respuesta de los depósitos de ceniza volcánica en el Eje Cafetero son el contenido frecuencial de entrada a nivel de la roca, la profundidad de los depósitos de ceniza, y la variabilidad tanto de las propiedades mecánicas como de los parámetros dinámicos del suelo. Considerando el índice de liquidez (I.L.) como un parámetro suficientemente representativo del comportamiento del material, y teniendo humedades naturales superiores al I.P., Caicedo & Turbay (1999), argumentan que solo se puede encontrar este caso si el suelo presenta en su estado natural, un cierto grado de cementación que impida el colapso bajo su propio peso, como es el caso de las cenizas volcánicas. Caicedo & Turbay (1999), encontraron correlaciones para la degradación del módulo de rigidez al corte (G/GMAX), y para el amortiguamiento ( ), las siguientes ecuaciones, y

tomando cinco magnitudes del I.L. que caracterizaban el material, obtuvieron las curvas de las Figura s 30 y 31, como representativas para las cenizas volcánicas de Armenia.


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Figura 30 Degradación del Módulo de Corte vs. la Deformación de Corte en función del Índice de Liquidez.

Fuente: (Caicedo & Turbay, 1999).

Figura 31 Amortiguamiento vs. Deformación de Corte en función del Índice de Liquidez.

Fuente: (Caicedo & Turbay, 1999).


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De acuerdo al estudio de Caicedo & Turbay (1999) el comportamiento del suelo de origen volcánico de la ciudad de Armenia se rige con base en dos parámetros dominantes: el I.L. y la relación de vacíos; parámetros que se encuentran directamente relacionados. A mayor relación de vacíos es mayor el grado de cementación.

La formulación de las correlaciones no implica la totalidad del área muestreada; por lo que no obtuvieron una correlación apropiada para el muestreo de toda la zona, luego la confiabilidad de las correlaciones obtenidas quedan en entredicho.

“La curva de amortiguamiento en función de la deformación angular es mucho más sensible que la del módulo de corte una vez se correlacionan con el índice de liquidez, dado que la primera presenta valores de dispersión entre sí mucho mayores y una variación del amortiguamiento representa una alteración sustancial al realizar la modelación dinámica de las cenizas volcánicas.”

De acuerdo con Kramer (1996), para el módulo de amortiguamiento G/GMáx se tiene una transición gradual entre el comportamiento para suelos grueso granulares no plásticos y los fino granulares plásticos de origen sedimentario. Según Dobry & Vucetic (1987) la forma de la curva de reducción del módulo está influenciada más por el índice de plasticidad que por la relación de vacíos. De las curvas presentadas la deformación por corte es mayor para suelos de alta plasticidad que para suelos de baja plasticidad, característica que según Kramer (1996) puede influenciar fuertemente la manera en la cual un depósito de suelo puede amplificar o atenuar los movimientos sísmicos.

Microzonificación Sísmica de Manizales (2005)

Tomando la estratigrafía definida en los estudios de la Microzonificación Sísmica de Manizales en cada zona se pueden estimar los parámetros para el análisis dinámico:

Módulo Cortante Máximo, Gmáx: Considerando las condiciones locales de la ciudad d Manizales y dada la realización de ensayos in situ como down hole y cono sísmico, que dan un registro continuo de la velocidad de onda de corte vs a la profundidad de exploración, los valores de Gmáx para efectos de caracterizar los suelos se tomaron a partir de estos ensayos. Curvas de degradación del módulo de Cortante: Usualmente la curva de variación del módulo de cortante en función de la deformación angular se representa en forma normalizada con respecto al Gmáx y depende del índice de plasticidad. Sin embargo para los suelos estudiados, este tipo de relación no es evidente. En efecto, en estos suelos, posiblemente debido a la cementación, el índice de plasticidad no está asociado a la forma de la curva, como se indicó en estudios anteriores. Es importante destacar que en este tipo de suelos la cementación puede jugar un papel más importante que el índice de plasticidad. Según esto, para buscar una ley de variación


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del módulo de cortante máximo se debe encontrar una variable que esté relacionada con la cementación. Interpretando el conjunto de resultados de ensayos de laboratorio realizados en el estudio, correspondientes a los ensayos triaxiales cíclicos, de columna resonante, velocidad de onda en laboratorio y presiómetro cíclico en los casos en que se realizó, se graficaron las curvas de degradación del módulo de rigidez al corte en función de la deformación angular, G/Gmáx contra . En la Figura 32 se muestran los valores puntuales

obtenidos en el laboratorio y se expone cómo varían con el índice de liquidez, IL.

Figura 32 Curvas de Degradación de Módulo obtenidas a partir de ensayos dinámicos

realizados. Fuente: (CIMOC, CEDERI, 2005)

Realizando una regresión lineal entre la deformación angular correspondiente a una

relación de G/Gmáx igual a 0.5 y el índice de liquidez IL correspondiente (Figura 33), se obtuvo la ecuación que relaciona e IL , siendo esta = 0.0006 + 0.0002 * IL.

Reemplazando la expresión calculada entre e IL en la ecuación general para el módulo

decorte, se obtuvo la ley general de degradación de este parámetro para los suelos dela zona de estudio, en función del IL:


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Figura 33 Parámetros para determinar los modelos de degradación de la rigidez en función

de IL Fuente: (CIMOC, CEDERI, 2005)

Con base en la ley obtenida para la degradación del módulo dinámico de corte en función de la deformación angular, se definieron cinco valores de índice de liquidez entre los cuales se caracterizaban los suelos de la ciudad de Manizales, obteniendo así las curvas definitivas para la caracterización de la respuesta dinámica de este tipo de suelos. La Figura 34 muestra las curvas definitivas enunciadas para los valores de índice de liquidez seleccionados.


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Figura 34 Modelos de Repuesta Dinámica en función del Índice de Liquidez.

Fuente: (CIMOC, CEDERI, 2005)

Curvas de capacidad de amortiguamiento con la deformación cortante: Al igual que en el caso de la curva de variación del módulo de cortante, el índice de plasticidad no es una característica que define el comportamiento observado para el amortiguamiento. Por esta razón la Figura 35 muestra las curvas de amortiguamiento en función de la deformación angular, representada en la curva vs. , en función de sus

correspondientes índices de liquidez.


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Figura 35 Curvas de Amortiguamiento Obtenidas a partir de los Ensayos


Como el amortiguamiento varía con el módulo de rigidez al corte Gmáx, se procedió a graficar el valor máximo del amortiguamiento para cada ensayo en función del índice

de liquidez IL correspondiente, obteniendo la expresión para las dos variables:

tal como se muestra en la Figura 36. Sustituyendo la expresión de calculada se

obtuvo la ley de amortiguamiento para este tipo de suelos:


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Figura 36 en función del Índice de Liquidez

Fuente: (CIMOC, CEDERI, 2005) De igual manera, se graficaron las curvas definitivas (Figura 37) para el amortiguamiento en función de la deformación de corte, para los valores de índice de liquidez seleccionados. A partir de estas curvas se puede concluir que a mayor índice de liquidez hay mayor degradación del suelo cuando se le somete a cargas cíclicas.


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Figura 37 Modelos de Repuesta Dinámica Curvas de Amortiguamiento


3.1.7.5.2 Respuesta dinámica de depósitos de Ceniza Volcánica

Del estudio de la Microzonificación sísmica de Manizales (2005) de depósitos de cenizas volcánicas, corresponden a superficiales e intermedias con depósitos de profundidad variable hasta valores máximos en el orden de 50 m. La presencia de depósitos de suelo blando como las cenizas volcánicas, comprenden estudios de las pendientes topográficas, investigaciones geofísicas, investigaciones geotécnicas, estudios de efectos locales de sitio como lo son las amplificaciones, debido a la heterogeneidad horizontal en la estratigrafía del suelo, por presencia de taludes o por efectos topográficos superficiales. Estos depósitos superficiales más blandos modifican la señal tanto en amplitud como en contenido frecuencial y duración, básicamente en función del contraste que se presente entre el depósito superior y los inferiores referidos. Esta variación de la señal sísmica conforma el llamado efecto de sitio que desempeña en general un papel fundamental en la magnitud de las fuerzas sísmicas. Predomina la posibilidad de resonancia entre el


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depósito y la señal de entrada, obteniéndose como resultado grandes amplificaciones del movimiento en especial en rangos específicos de frecuencias que dependen de las características mismas del depósito y del movimiento de entrada. Profundidad de los depósitos Debido a que la profundidad de los depósitos de suelo blando se identifica como una de las variables más importantes a la a hora de evaluar la respuesta dinámica de los depósitos es necesaria la recopilación de la mayor cantidad posible de sondeos existentes en la zona a trabajar. La información básica consiste en sondeos realizados para diferentes estudios, solo interesa la profundidad máxima alcanzada en cada uno de los sondeos. Depósitos de cenizas volcánicas De acuerdo al estudio de Redondo (2003) existe una denominación para los diferentes tamaños de materiales de origen volcánico, pero no así, una clasificación granulométrica que lleve a tener un concepto claro a cerca del comportamiento de un depósito de origen piroclástico. Al evaluar el material desde el punto de vista granulométrico los depósitos volcánicos pueden ser tanto isotrópicos como anisotrópicos a nivel micro, pero a nivel macro se consideran como anisotrópicos.

Se conocen diferentes tipos de depósitos volcánicos consolidados como lo son: las pumitas, las ignimbritas, las tobas, las escorias y las cenizas entre otros, pero todos ellos se pueden agrupar dentro de tres grupos principales, definidos considerando la forma de su conformación. Se tiene dos grupos principales que son el aéreo; caso de las cenizas de caída, y los sub aéreos o flujos piroclásticos, estos dos congénitos al evento eruptivo. Sin embargo, se definió un tercero que puede o no ser congénito y que se conoce como lahar mencionado anteriormente.

En general en Colombia a todos los depósitos de origen volcánicos se les denominan “cenizas volcánicas”, dado que en la parte más superficial siempre se ha encontrado granulométricamente dominante los tamaños limo y arena, que corresponde a la frontera superior del tamaño ceniza propuesta por Borrero et al. (1994); referenciado por Redondo (2003).

Comportamiento de los taludes conformados por depósitos de origen volcánico

Dentro de los fenómenos físicos propios de las cenizas volcánicas que se han considerado por varios autores para evaluar la estabilidad de taludes, está el hecho de considerar los suelos de origen volcánico como materiales en los que hace presencia el factor cementante interparticular y el fenómeno de succión, características que permiten que estos materiales se presten para dejar cortes verticales en taludes.

Respecto a la succión se ha establecido un rango de magnitud bastante amplio de mediciones experimentales en diferentes partes del mundo, rango que se extiende de 74.5 kPa, magnitud mínima reportada para materiales del Glacis del Quindío por Sandoval (2002), a 500 kPa obtenidos por Bommer et al. (2002) en materiales de El Salvador. Al respecto se tiene que este parámetro depende de las condiciones de humedad; referenciado por Redondo (2003).


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Parámetros propuestos por INGEOMINAS y otros para los depósitos volcánicos de Armenia:

Al respecto del efecto telúrico en el estudio sobre el sismo de Armenia del 25 de enero de 1999, INGEOMINAS (1999), estudian con modelos dinámicos el comportamiento de respuesta sísmica de los depósitos volcánicos cuando son recorridos por un tren de ondas sísmicas definido, encontrándose que las zonas de cenizas (definidas así por sus características geológicas, geofísicas y geotécnicas), de espesor variable; 0 m ≤ e ≥ 7 m, presentan las mayores aceleraciones espectrales para un rango de periodos entre 0.1 y 0.5 (Figura 38), y que gran concentración de daños se localizó en sitios con cambios topográficos pronunciados, en cañadas y en laderas; referenciado por Redondo (2003).

ç

Figura 38 Respuesta de las cenizas volcánicas de Armenia, (espesor variable; 0 ≤ e(m) ≥ 7, considerando el sismo del 25 de enero de 1999, en donde se presentan las mayores

aceleraciones espectrales para un rango de periodos entre 0.1 y 0.5 seg. Fuente: INGEOMINAS et al. (1999); referenciado por Redondo (2003).


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3.2 Normativa de los ensayos La caracterización del comportamiento dinámico de las cenizas se estudia mediante la realización de ensayos de laboratorio sobre muestras inalteradas. Se realizaron los ensayos relacionados en la Tabla 11.

Tabla 11 Ensayos para la caracterización dinámica

ENSAYO NORMA PARÁMETRO EVALUADO

Triaxial

Cíclico

ASTM

D5311 - 92

GMAX = Modulo de Rigidez al corte.

= Amortiguación para altas

deformaciones por corte (γ)

Columna

Resonante

ASTM

D4015- 92

Concavidad de curvas:

G/GMAX vs. γ

vs. γ

Corte en

Laboratorio

(“Bender

Element”)

ASTM

D2845 - 95

GMAX = ValorMáximo del Módulo de

Rigidez al corte.

3.2.1 Introducción

Para estudiar el comportamiento de los suelos principalmente en lo referente a la curva de degradación del módulo de cortante en función de la deformación angular, se realizaron diferentes tipos de ensayos sobre muestras de cenizas volcánicas de Manizales. El número y tipo de ensayos realizados fueron los siguientes: 4 ensayos triaxiales cíclicos con deformación controlada y medición de la velocidad de onda de corte (Bender Element) y 4 ensayos de columna resonante. El material a utilizar se obtiene de una región donde los suelos son de tipo volcánico, suelos de alta complejidad al momento de realizar los ensayos de laboratorio. Efectivamente, estos suelos se caracterizan por tener una alta relación de vacíos, cementación no despreciable y frecuentemente se encuentran en estado parcialmente saturado. La combinación de estos tres factores le otorga a este tipo de suelos, características de alta sensibilidad y los convierte en material colapsable para condiciones de carga específicas. Muchas técnicas han sido usadas en el laboratorio para investigar las propiedades dinámicas de los suelos. Algunas de las más comunes son el ensayo triaxial dinámico, el ensayo de corte simple, el ensayo de columna resonante, el ensayo de corte torsional y el ensayo de velocidad ultrasónica.


CENIZAS VOLCÁNICAS


78

Cada uno de estos ensayos ha sido diseñado para reproducir lo más ajustado posible, las condiciones de frontera del suelo en el campo, así como las trayectorias de esfuerzos, las amplitudes de carga y las frecuencias de carga asociadas de diferentes tipos de eventos(Padilla, 2004). La Figura 39 muestra el rango típico o la precisión de los mecanismos dinámicos con respecto a la amplitud de deformación cortante.

Figura 39 Niveles de deformación típicos asociados con diferentes ensayos de laboratorio y

eventos de campo. Fuente: (Padilla, 2004)

En el ANEXO A (Cd) se presenta la explicación de los cálculos de cada ensayo.

3.2.2 Cargas repetidas

El método de aplicación de la carga se clasifica generalmente en tres tipos, carga estática, carga transitoria rápida, y la carga repetitiva como se ilustra en la Figura 40. En la prueba de carga estática, la carga se aplica monótonamente con un tiempo hasta la falla enel orden de varios segundos a unos pocos minutos o incluso más. Si la carga al caer se ejecuta en un tiempo más corto, la carga se llama transitoria o rápida.

Magnitud de esfuerzo

Métodos ultrasónicos

Columna resonante

(muestras sólidas)

Propiedad es de

diseño la máquina

de fundación

Cortante torsional/ Columna resonante

(muestras huecas) Triaxial Cíclico

Corte simple Cíclico

Características

típicas de

movimiento Movimiento

fuerte del

suelo por

un sismo

Próximo

explosión

nuclear


CENIZAS VOLCÁNICAS


79

Con respecto a la carga repetitiva, hay dos tipos de aplicación de la carga lenta y la repetición rápida de la carga. Las pruebas con cargas repetitivas aplicadas lentamente se han llevado a cabo para aclarar el efecto de la carga cíclica en las características de consolidación o de fluencia de suelos blandos. Los ensayos con aplicación de carga rápida repetidas se han realizado para investigar la respuesta de la deformación de los suelos cohesivos objeto de tamaño mediano a grandes deformaciones angulares. La mayoría de las pruebas se han realizado con un período de 1 a 5 segundos.

Figura 40 Tipos de carga. Fuente: (Ishihara, 1996)

Cuando un suelo está sometido a cargas cíclicas en condiciones controladas, con un esfuerzo de amplitud de deformación de corte, la degradación de la respuesta del suelo implicará cambios en la curva de esfuerzo-deformación con la progresión de los ciclos, como se ilustra en la Figura 41.

Esf

uerz

o d

e c

ort

e

Tiempo

Carga estática

lenta

Carga cíclica

o repetitiva

Carga transitoria

rápida


CENIZAS VOLCÁNICAS


80

Figura 41 Curvas Esfuerzo-Deformación para carga cíclica

Fuente: (Ishihara, 1996)

Así, si la histéresis de las curvas para un determinado número de repeticiones se unen y dibujando en un diagrama, un conjunto de curvas se muestra en la Figura 42 se obtendrá en el que se puso cada curva de histéresis y se establecen a lo largo de una curva esqueleto que también es específica para el número de repeticiones que se trate. Por lo tanto la degradación de la rigidez del suelo se refleja en la curva esqueleto para cambiar su forma con la progresión de las cargas cíclicas. Si una curva esqueleto según lo definido de un cierto número de ciclos se extrae y se vuelve a dibujar, se puede obtener una curva de esfuerzo-deformación, como se muestra en la Figura 43, donde es posible definir el módulo secante para una amplitud dada de cargas cíclicas. Así, el módulo secante es una función del número de ciclos y la amplitud del esfuerzo de corte. Como resultado de pruebas de laboratorio, Casagrande y Shannon (1948) y Casagrande, y Wilson (1951) aclararon que el módulo, así como la resistencia de las arcillas fueron mayores en condiciones de carga dinámica en comparación a las de condiciones lentas de carga estática; referenciado por (Ishihara, 1996). Como se señala en la Figura 43, el valor del módulo es altamente dependiente, ya sea con carga rápida o carga lenta, en el nivel de esfuerzo cortante en la que se determina el módulo. Por lo tanto, es de interés para ver si la dependencia del esfuerzo como del módulo es diferente o no entre las condiciones de carga rápida y lenta.


CENIZAS VOLCÁNICAS


81

Figura 42 Curvas de histéresis y curva esqueleto Fuente: (Ishihara, 1996)

Figura 43 Reducción de la rigidez con el incremento del esfuerzo

Fuente: (Ishihara, 1996)

Curva esqueleto

Esf

uerz

o d

e c

ort

e



CENIZAS VOLCÁNICAS


82

3.2.3 Ensayo Bender Element

En el ensayo de Bender Element un dispositivo sacude a la muestra de suelo a altas frecuencias en dirección horizontal generando una propagación de las ondas S de un extremo hacia el otro extremo de una muestra de suelo (Figura 44). La velocidad de las ondas S se determina mediante la distancia de viaje y el tiempo de viaje (Viggiani y Atkinson, 1995).

Figura 44 Medida de la velocidad de propagación de ondas por Bender Element. Fuente: (Towhata, 2007).

El tiempo de viaje se supone que es la diferencia de tiempo entre la emisión de ondas y llegada de la onda. La llegada de la onda no puede ser claramente definida. La llegada de las primeras sacudidas o la llegada del pico da tiempos diferentes. Esta incertidumbre se debe a que el campo de la onda no es unidimensional sino que está sujeto a los efectos más complicados de campo cercano (Brignoli et al. 1996). Para la generación de la onda P, un dispositivo piezoeléctrico está disponible. Conceptualmente, los módulos de corte a pequeñas deformaciones deben ser idénticos tanto si se mide de forma dinámica o estática.

3.2.3.1 Método de prueba estándar de laboratorio para la determinación de velocidades de pulso ultrasónico y constantes elásticas de las rocas ASTM D2845-95.

Procedimiento En este ensayo se coloca un excitador y un receptor piezoeléctricos en los extremos de la muestra; el excitador y el receptor se colocan de tal manera que deformen en flexión una pequeña lámina que se encuentra empotrada en la muestra. La deformación de las láminas asegura que la onda que se aplica al suelo es una onda de cortante. De esta forma es posible determinar la velocidad de la onda de manera directa, midiendo el


CENIZAS VOLCÁNICAS


83

tiempo transcurrido entre el disparo y la recepción de la onda de cortante, conociendo la longitud de la muestra. Resultados Los resultados de un ensayo típico de velocidad de onda en laboratorio incluyen parámetros antes y después de consolidar la muestra de suelo respectivamente. En ellas se observa que, debido a la pre consolidación del suelo, las velocidades antes y después de consolidar la muestra son diferentes. Debido a las características particulares de las cenizas volcánicas, la metodología tradicional del Bender Element no conduce a resultados confiables ya que la onda se disipa en la muestra y no se detecta la señal en el receptor.

3.2.4 Ensayo Triaxial Cíclico El ensayo triaxial cíclico fue desarrollado por Seed y Lee (1996) y es una de las técnicas de laboratorio más desarrolladas para el estudio de las características de los suelos sometidos a cargas cíclicas y para estudiar sus características de deformabilidad. El objeto es reproducir la condición de esfuerzos a que se haya sujeto un elemento de suelo durante un sismo, atribuyendo el estado de deformaciones del suelo a la propagación de ondas de cortante. Este ensayo consiste en consolidar la muestra isotrópicamente; enseguida se cierra la válvula de drenaje y se aplica un esfuerzo desviador σd/2. Esto asegura que el esfuerzo normal a un plano, inclinado 45 grados con respecto al eje de la muestra, permanezca constante y el esfuerzo cortante varíe entre + σd/2 y - σd/2. De esta forma se asegura que el estado de esfuerzos en este plano es similar al que se produce durante un sismo en un plano horizontal de un estrato de suelo. Puesto que el control de la presión de confinamiento es una tarea delicada, el ensayo usualmente se realiza con confinamiento constante. Si la muestra está saturada y el ensayo se realiza sin drenaje (volumen constante), esta técnica conduce a resultados similares a los que se obtienen variando la presión de confinamiento (Seed y Lee, 1996). En la Figura 45 se muestra un esquema de una cámara triaxial cíclica moderna. En el equipo se somete un espécimen de suelo a un esfuerzo de confinamiento σ3c, hasta lograr su consolidación, y posteriormente aplicarle un esfuerzo axial cíclico de magnitud conocida, σd, a una frecuencia determinada.


CENIZAS VOLCÁNICAS


84

Figura 45 Cámara Triaxial Cíclica Fuente: (Rodríguez, 2005)

3.2.4.1 Método de prueba estándar para carga controlada del suelo con el uso del Triaxial cíclico ASTM D5311-92 (Aprobada de nuevo en 2004).

Los ensayos triaxiales se realizan aplicando una solicitación cíclica a alguna variable predeterminada (fuerza, deformación, esfuerzo). El ensayo se puede realizar entonces con fuerza controlada, deformación controlada o esfuerzo controlado. En el caso de ensayos destinados a la medida de las características de deformabilidad, las pruebas se realizan con deformación controlada. El módulo E se obtiene como la relación entre el esfuerzo y la deformación axial ε. Con base en estos resultados se obtiene el módulo de cortante G (módulo secante) y la deformación de cortante correspondiente:


CENIZAS VOLCÁNICAS


85

Condiciones en la práctica La muestra no se satura ni consolida y la relación de poisson es igual a 0.5. El

porcentaje de amortiguamiento con respecto al crítico se puede obtener a partir del desfase entre el esfuerzo y la deformación o calculando el área de la curva bajo el ciclo de histéresis. La amplificación local durante un sismo depende de la curva de degradación del módulo de corte en función de la deformación angular, los ensayos triaxiales cíclicos para este estudio se realizaron con deformación controlada. Procedimiento Se aplica a la muestra un esfuerzo de confinamiento σ3isotrópico correspondiente a la profundidad de la muestra; enseguida se realizan 13 ciclos de deformaciones angulares desde 10-3 hasta 0.015 manteniendo el drenaje cerrado. El equipo utilizado para este ensayo consta de 4 sensores eléctricos que toman en tiempo real los datos de deformación, esfuerzo y presión de poros en el transcurso del ensayo. Resultados Los resultados típicos de un ensayo triaxial cíclico incluyen los ciclos de histéresis de esfuerzo cortante t contra deformación angular , la curva de degradación del módulo de

corte G contra la deformación angular y la curva de amortiguamiento contra

deformación angular .

3.2.5 Ensayo Columna Resonante Este ensayo de laboratorio se utiliza usualmente para determinar las propiedades del suelo a deformaciones inferiores de 10-4 %. Consiste en someter muestras cilíndricas de suelo, huecas o sólidas, a una carga harmónica torsional por medio de un sistema electromagnético. Este sistema normalmente aplica una vibración forzada longitudinal o torsional, variando la frecuencia de excitación hasta lograr la resonancia del espécimen (Figura 46). Tras la preparación de la muestra, se somete a una carga cíclica. Inicialmente la frecuencia de carga tiene un valor bajo y se aumenta progresivamente hasta que la amplitud de deformación alcanza un valor máximo. La frecuencia más baja para la cual la respuesta de la muestra es máxima se conoce como frecuencia fundamental y depende de la rigidez de la muestra, de su geometría y de las características del dispositivo de la columna de resonancia.


CENIZAS VOLCÁNICAS


86

Figura 46 Dispositivo tipo de un ensayo de columna resonante: (a) Vista superior del

sistema de carga, (b) Vista lateral del sistema de carga. Fuente:(Rodríguez, 2007).

(a)

(b)

Espécimen

Piedra Porosa Base pedestal

Cilindro interno

Fluido

Anillo de cierre

Anillo soporte

Imán

Unidad de

bobina

Acelerómetro

Objetivo aproximado

Sonda aproximada

LVDT

Soporte

aproximado

Tapa

Superior

Nivelación

y tornillo

de fijación

Objetivo aproximado Acelerómetro

Soporte de

unidad de

bobina

Imán

Unidad de

bobina

Anillo soporte

Acelerómetro

contrapeso


CENIZAS VOLCÁNICAS


87

3.2.5.1 Método estándar de ensayo para módulo de corte y amortiguación del suelo Columna Resonante ASTM D4015-92.

Procedimiento El principio de este ensayo consiste en aplicar una vibración forzada a una muestra de suelo y ajustar la frecuencia de excitación hasta llegar a la resonancia de la muestra. La vibración aplicada puede ser longitudinal, transversal o de torsión. Las vibraciones transversales se aplican generalmente con la ayuda de mesas vibratorias y las vibraciones longitudinales o de torsión mediante aparatos de columna resonante. La frecuencia de excitación es muy variada hasta que la resonancia se logra, la frecuencia de resonancia del sistema depende de las características de los aparatos y de la muestra. Para el caso en el que se fija la platina pasiva, el movimiento en el extremo activo se utiliza para establecer la resonancia, que se define como la frecuencia más baja que la fuerza de excitación sinusoidal (o momento) está en fase con la velocidad de la platina activa. En los aparatos de columna resonante la solicitación se aplica por medio de bobinas eléctricas colocadas en un campo de imanes permanentes. La frecuencia de la corriente eléctrica alterna se ajusta de tal manera que la muestra de suelo llegue a la frecuencia de resonancia. La suspensión brusca de la excitación permite un retorno al equilibrio en vibración libre, lo cual posibilita la medición del amortiguamiento del suelo. El conocimiento de la frecuencia de resonancia de la muestra y del modo asociado (generalmente el primero) permite calcular el módulo de cortante del suelo. Este ensayo permite medir las características de los suelos para amplitudes de deformación comprendidas entre aproximadamente 10-6 y 10-5 cuando se trata de ensayos de torsión y menores deformaciones en el caso de ensayos en compresión. Cuando las deformaciones son inferiores a 10-4, el suelo permanece en el dominio elástico y el ensayo es no destructivo. De este modo se pueden reutilizar las muestras para realizar otro tipo de ensayos o para variar las condiciones tales como presión de confinamiento, consolidación, etc. Resultados Las principales variables que se miden durante el ensayo son: amplitud de la vibración en función de la frecuencia para diferentes energías de excitación de las bobinas y curva de decrecimiento de la vibración una vez se interrumpe la excitación. Cada energía de excitación corresponde a un nivel de deformación, de esta forma al encontrar la frecuencia de resonancia para cada excitación se obtiene el módulo de cortante G para un nivel de deformación dado. Del mismo modo al interrumpir la excitación se puede calcular el amortiguamiento a partir de la curva de decrecimiento de la vibración para cada nivel de deformación.


CENIZAS VOLCÁNICAS


88

Con los parámetros de la geometría, la masa, el sistema, y módulos de corte longitudinal y material (histéresis) de amortiguación se puede determinar el esfuerzo en un valor de la deformación medida. La amplitud de la vibración suele ser variada para medir la variación del módulo de elasticidad y la amortiguación en función del esfuerzo. Dado que la prueba suele realizarse a niveles de esfuerzo bajos la muestra queda relativamente intacta. Tamaño de la muestra Las muestras deberán ser de sección transversal circular uniforme con los extremos perpendiculares al eje de la muestra. Las muestras deberán tener un diámetro mínimo de 33 mm (1,3 pulg.). El contenido de partículas más grande dentro de la muestra deberá ser menor que una décima parte del diámetro de la muestra, excepto, para los especímenes con un diámetro de 70 mm (2,8 pulgadas) o más grande, el tamaño de partículas más grande deberá ser inferior de la sexta parte del diámetro de la probeta. La relación entre longitud y diámetro no deberá ser inferior a 2 ni mayor a 7, excepto cuando un esfuerzo axial sea mayor que el esfuerzo lateral ambiente se aplica a la muestra una relación de longitud y diámetro entre 2 y 3.

3.2.6 Trayectoria de esfuerzos

3.2.6.1 Tiaxial Cíclico

Según Seed et al (1996), a continuación se representa el estado de esfuerzos de un espécimen sometido a consolidación isotrópica de magnitud σ3c.

Si posteriormente en condiciones no drenadas, se cambia el estado de esfuerzos de tal forma que el esfuerzo axial se incremente en una cantidad igual a ½ σd y el esfuerzo radial se incremente en una cantidad igual a ½ σd, el estado de esfuerzos resultante es el siguiente.

σ3c.

45º 45º

Y X

Y X

σ3c

.

σ3c

.

σ3c.


CENIZAS VOLCÁNICAS


89

Se puede apreciar que la condición antes descrita produce esfuerzos cortantes, , de

magnitud ½ σd en planos con una inclinación de 45º con respecto a la horizontal.

Este mismo estado de esfuerzos se logra si se incrementa el esfuerzo axial en una cantidad igual a σd, y simultáneamente se decrementa la presión confinante en una cantidad igual a ½ σd , se muestra en el siguiente esquema.

Si a partir de la condición de consolidación isotrópica y en condiciones no drenadas, se reduce el esfuerzo axial en una cantidad igual a σd y simultáneamente se incrementa la presión confinante en una cantidad igual a ½ σd, el estado de esfuerzos correspondiente produce esfuerzos cortantes de una magnitud igual a ½ σd, en planos con una inclinación de 45º con respecto a la horizontal, en este caso el sentido de los esfuerzos cortantes resulta ser contrario al sentido de la condición mostrada anteriormente, como se muestra en los siguientes esquemas.

45º 45º

Y X

Y X

σ3c.

σ3c.-½ σd

½ σd

σ3c.

½ σd

σ3c.+½ σd

σ3c.

Polo

Y

X.

-½ σd

σ3c.+½ σd

σ3c.-½ σd

Y

X

½ σd

σ3c.

½ σd σ3c.-½ σd

σ3c.+½ σd

+

=

σ3c.+σd

½ σd

½ σd

σ3c.


CENIZAS VOLCÁNICAS


90

Si las condiciones de esfuerzos descritas se repiten cíclicamente, se producen esfuerzos cortantes que cambian de sentido pero mantienen los esfuerzos normales constantes.

σ3c.

σ3c.

σ3c

.

45º 45º

Y X

Y X

σ3c

.

45º 45º

Y X

Y X

σ3c.

σ3c.+½ σd

½ σd

σ3c.

½ σd

σ3c.-½ σd

Y

X

σ3c.

Polo -½ σd

½ σd

Y

X.

σ3c.+½ σd

σ3c.-½ σd

½ σd

σ3c.+½ σd

σ3c.-½ σd

+

=

σ3c.+σd

½ σd

σ3c.


CENIZAS VOLCÁNICAS


91

El ensayo triaxial cíclico descrito anteriormente es la condición deseable, pero es difícil de realizar ya que requiere que tanto la carga axial como la presión de confinamiento varíen en forma cíclica y sincronizada. Debido a esto, el ensayo triaxial cíclico se realiza manteniendo la presión de confinamiento σ3c., constante y aplicando el esfuerzo axial cíclicamente con magnitud +- σd como se indica en la Figura 47, esto se hace siempre y cuando la muestra de suelo este saturada.

Figura 47 Esquema de ensayo triaxial cíclico convencional para espécimen isotrópicamente consolidado (TC-IC)

Fuente: (Rodríguez, 2005)


CENIZAS VOLCÁNICAS


92

La Figura 48 muestra las condiciones de esfuerzo de un ensayo triaxial cíclico para un espécimen aniso trópicamente consolidado (TC-AC). En este ensayo se consolida primero a una presión isotrópico σ3c, y posteriormente se aplica un esfuerzo axial estático adicional bajo condiciones drenadas para lograr el estado de esfuerzos de condición anisotrópica (punto A en la Figura 47). La condición simula el estado de esfuerzos cortantes in situ a los que estaba sometido el elemento de suelo antes de extraerse mediante muestreo. A partir de la condición anisotrópica se aplica al espécimen un esfuerzo axial cíclico +- σd y se obtiene un registro continuo de las variables.

Figura 48 Esquema de ensayo triaxial cíclico convencional para espécimen

anisotrópicamente consolidado (TC-AC) Fuente: (Rodríguez, 2005)


CENIZAS VOLCÁNICAS


93

3.2.6.2 Columna Resonante

Se somete el espécimen cilíndrico de suelo a un estado de vibración forzada longitudinal o torsional, variando la frecuencia de exitación hasta lograr la resonancia del espécimen.

El módulo correspondiente se calcula con los datos de la frecuencia de resonancia, fn, la geometría del espécimen y las características del equipo. A continuación se muestran dos esquemas de las muestras de suelo para un ensayo de columna resonante.

Vibración Longitudinal

Presión Confinante

Vibración Torsional

Vibración Longitudinal

Presión Confinante

Vibración Torsional


CENIZAS VOLCÁNICAS


94

Para la condición isotrópica: Ya que hay aplicación de esfuerzo cortante:

Para la condición aniso-trópica:

Y

X.

σc.

σc. +

+

σc.

σ1.


CENIZAS VOLCÁNICAS


95

4. CARACTERIZACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DINÁMICO DE CENIZAS VOLCÁNICAS DE MANIZALES

4.1 Introducción

Con el fin de determinar las propiedades dinámicas del suelo se realizó una evaluación del comportamiento dinámico detallado del subsuelo mediante estudios del comportamiento del módulo dinámico de cortante y amortiguamiento de muestras inalteradas representativas de cenizas volcánicas de Manizales empleando ensayos triaxiales cíclicos, columna resonante y bender element, partiendo de las siguientes condiciones iniciales:

Debido a que el ensayo de columna resonante es un ensayo no destructivo, se utilizaron 4 muestras en total, 2 con caracterización geotécnica y profundidad idéntica a un mismo nivel de confinamiento y las otras 2 con caracterización geotécnica similar a diferente profundidad y el mismo nivel de confinamiento. Para el ensayo triaxial se tomaron 2 contenidos frecuenciales (0.5 y 2 Hz) que simulan sismos de alta y baja frecuencia para cada nivel de confinamiento.

Por lo tanto se realizaron 4 ensayos de columna resonante y 4 ensayos de triaxial cíclico con bender element.

Para determinar las amplitudes se tienen en cuenta los sismos de diseño, en el caso de la zona del eje cafetero existen ya algunos registros de sismos recientes de magnitud intermedia que sirven de base para la definición de los sismos de análisis para la ciudad. Para las modelaciones se utilizaron los sismos Bienoff Calima y Romeral Sintético. De acuerdo con el estudio de Microzonificación Sísmica de Manizales (CIMOC, CEDERI, 2005), la amenaza sísmica a nivel de roca para una localidad determinada es la descripción completa de los sismos esperados, incluyendo la aceleración máxima en diferentes puntos, el contenido frecuencial dominante, así como la duración de la señal y de la fase intensa del sismo. Depende de la sismicidad regional y local, de las características y condiciones geológicas y geomorfológicas del entorno.

Manizales se encuentra localizada en la zona de amenaza sísmica alta, dentro de la región 6 del mapa de valores de Aa que se presenta en la Figura 49, a la cual corresponde un coeficiente de aceleración pico efectiva Aa = 0.25 g, obtenido para una probabilidad de excedencia del 10% en 50 años, con un nivel de confianza del 90%, es decir, para un período de retorno de 475 años (NSR-98).


CENIZAS VOLCÁNICAS


96

Figura 49 Mapa de zonificación sísmica de Colombia

Fuente: (Figura 2.1AIS, 2009)


CENIZAS VOLCÁNICAS


97

4.2 Metodología de los ensayos

Las muestras de suelo utilizadas se obtuvieron de las perforaciones en el parque Zen (Palogrande) con equipos de Corpo Caldas. Estuvieron almacenadas en la Universidad Nacional de Manizales, donde fueron ensayadas en el equipo de columna resonante.

Posteriormente las muestras fueron empacadas cuidadosamente con plásticos de protección e introducidas en tubos de PVC para ser transportadas en avión hasta los laboratorios de la Pontificia Universidad Javeriana de Bogotá y allí se les realizaron los ensayos triaxiales con bender element.

Los ensayos se realizaron sin saturación ni consolidación, a un confinamiento de 100 KPa para las primeras dos muestras y de 250 KPa para las otras dos muestras. Estos valores de confinamiento se adoptaron de acuerdo a la capacidad del quipo de columna resonante.

4.3 Parámetros de ensayo El análisis de la respuesta del suelo puede ser utilizado para predecir los tiempos de esfuerzo cortante a varias profundidades dentro de un depósito de suelo. Este análisis produce un historial de tiempo con las características transitorias e irregulares de los movimientos de un sismo real. Seed et al. (1975) aplicó un procedimiento de ponderación de un conjunto de historias de esfuerzos cortantes registrando movimientos fuertes para determinar el número ciclos de esfuerzo uniforme Neq (con una amplitud de 65% del esfuerzo cortante cíclico máximo) que produciría un aumento de la presión de poros equivalente a la de la evolución temporal irregular (Figura 50). En todos los casos, el número equivalente de ciclos de esfuerzo uniforme aumenta con el aumento de la magnitud del sismo (también la duración del movimiento fuerte aumenta con el aumento de la magnitud del sismo); referenciado por Kramer (1996). La amplitud cíclica de esfuerzo cortante uniforme de un sitio a nivel (o ligeramente inclinado) también puede estimarse a partir de un procedimiento simplificado:

donde es la aceleración del suelo de superficie máxima, g es la aceleración de la

gravedad, es el esfuerzo vertical total y el valor de un factor de reducción del esfuerzo (Figura 51) a la profundidad de interés. Este esfuerzo cíclico de corte uniforme, se asume que debe aplicarse en el número equivalente de ciclos como se muestra en la Figura Independientemente de qué procedimiento de análisis de respuesta de suelo se utilice, la carga inducida por un sismo se caracteriza por un nivel esfuerzo cíclico de corte uniforme que se aplica para un número equivalente de ciclos.


CENIZAS VOLCÁNICAS


98

Figura 50 Número de ciclos equivalentes del esfuerzo uniforme, Neq para sismos de

diferente magnitud. Fuente: (Seed e Idriss, 1971); referenciado por Kramer (1996).

Figura 51 Factor de reducción para calcular la variación del esfuerzo de corte cíclico con

profundidad de superficies de tierra por debajo del nivel o ligeramente inclinadas. Fuente: (Seed e Idriss, 1971); referenciado por Kramer (1996).

Valores Promedio

Rango de

diferentes

propiedades del

suelo

Pro

fundid

ad (

pie

s)

Factor de reducción de esfuerzo

Núm

ero

equiv

ale

nte

de c

iclo

s a 0

.65

Magnitud de sismos M

Media

Media – desviación estándar

Media + desviación estándar

21.16

37.07

44.12


CENIZAS VOLCÁNICAS


99

Profundidad y factor de reducción del esfuerzo:

Esfuerzo vertical:

Esfuerzo cortante máximo:


CENIZAS VOLCÁNICAS


100

Figura 52 Esfuerzo Cortante τ vs. Esfuerzo Normal σ

σc

σc 1

σc+Δσ

σc 2

σc-Δσ

σc 3

3

σc+Δσ

τ

σ

σc

τmáx = Δσ /2

1 3 2

σc-Δσ

2

Trayectoria de esfuerzos

Δσ


CENIZAS VOLCÁNICAS


101

Para una profundad de 11.3 m

Número equivalentes de ciclos:





La Tabla 12 y 13 presenta el resumen de los datos de entrada para la realización de los ensayos dinámicos.


CENIZAS VOLCÁNICAS


102

Tabla 12 Datos de entrada para la realización de los ensayos Triaxiales.

ESPÉCIMEN PROFUNDIDAD

rd σ'C

(kPa) FRECUENCIA

(Hz) σ'v

(KN/m2)

INCREMENTOS (kPa) (m) (pies)

M#22 (1), SH10 11.3 37.073 0.87 100 0.5 180.8 78.648

M#22 (2), SH10 11.3 37.073 0.87 100 2 180.8 78.648

M#12, SH05 6.45 21.161 0.955 250 0.5 103.2 49.278

M#25, SH12 13.45 44.127 0.795 250 2 215.2 85.542

Tabla 13 Datos de entrada para la realización de los ensayos de Columna Resonante

ESPÉCIMEN PERFIL

(m)

TORQUE T

(N-m)

σ'C

(kPa)

M#22 (1), SH10 11.3 3 0 - 50 - 75 - 100

5 -6 - 8- 12 100

M#22 (2), SH10 11.3

3 0 - 50 - 75 - 100

5 -6 - 8- 12 100

M#12, SH05 6.45 3

0 - 50 - 75 - 100 -150 - 200 - 250

6 -8 - 10 - 12 250

M#25, SH12 13.45 3

0 - 50 - 75 - 100 -150 - 200 - 250

6 -8 - 10 - 12 250

Los datos de nivel de confinamiento para los ensayos se obtuvieron mediante pruebas en el equipo de columna resonante empezando desde 0 y subiendo hasta el máximo nivel de confinamiento de 250 Kpa que soportó una muestra de suelo de ceniza volcánica.

4.4 Sismos de Diseño En la Tabla 14 se presenta una caracterización detallada de los sismos de análisis establecidos en el estudio de microzonificación de la ciudad de Manizales, los cuales se adoptan para la presente evaluación de efectos locales por sismo.

En la Figura 53 se presentan los acelerogramas considerados representativos de los sismos probables, tanto en cuanto a frecuencias, como en cuanto a duraciones de la señal y de su fase intensa, donde, ya se han escalado dichos acelerogramas al pico de


CENIZAS VOLCÁNICAS


103

aceleración que representa una amenaza homogénea (con período de retorno de 475 años). Figura 53 Señales escaladas representativas de la amenaza sísmica homogénea a nivel de

roca. Fuente: (Calle, 2011)



104

Tabla 14 Señales originales representativas de sismos probables

CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS SEÑALES SISMICAS DE ENTRADA

CARACTERÍSTICA

SISMO B SISMO C

Bienoff Calima

Romeral Sintético

FUENTE SISMOGÉNICA Zona de subducción de Bienoff Ramal de falla de Romeral

TIPO DE FUENTE REPRESENTADA profundo campo cercano superficial

EVENTO DE LA SEÑAL ORIGINAL sismo de Calima, Valle (08/02/95) sismo de Armenia (25/01/99)

MAGNITUD ML 6.6 6.2

PROFUNDIDAD (Km) 102 10

SITIO DE MEDICIÓN estación Anserma 1 Bocatoma Nuevo Libaré (Pereira)

DISTANCIA DE LA FUENTE (Km) 42 42

MATERIAL AL NIVEL DE MEDICIÓN roca Roca

TOPOGRAFÍA semiplana Semiplana

ARCHIVO ORIGINAL bencal.ace romsin.ace

COMPONENTE este-oeste norte-sur

NUMERO DE DATOS 3856 3472

INTERVALO DE MUESTREO Dt (s) 0.02 0.01

MÉTODO DE PROCESAMIENTO registro original escalado sismo sintético por funciones de Green

MÉTODO DE CORRECCIÓN corregido por línea base- julio de 2002 corregido por línea base- julio de 2002

DURACIÓN DE LA FASE INTENSA (s) 40 s 15 s

ACELERACIÓN MAXIMA ORIGINAL 0,06 g 0,087 g

PICO DE ACELERACION DE LA SEÑAL TRATADA (g) 0.22244 0.2

PICO DE ACELERACION ESCALADA (TR=475 años (g)) 0,15 g 0,18 g

FACTOR PARA ESCALAR LA SEÑAL 0.67 0.9


CENIZAS VOLCÁNICAS


105

4.5 Caracterización de las muestras de suelo

Tabla 15 Caracterización de las muestras de suelo

CIUDAD: MANIZALES

LOCALIZACIÓN: UNIVERSIDAD NACIONAL - CAMPUS PALOGRANDE

PERFORACIÓN: PARQUE ZEN

MUESTRA N°: 22, SH 10(1)

SUELO 1 22, SH 10(2)

SUELO 2 12, SH 5 SUELO 3

25, SH 12 SUELO 4

TIPO / IDENTIFICACIÓN: SH10 SH10 SH05 SH12

PROFUNDIDAD INICIAL (m): 11,00 11,00 6,60 13,90

PROFUNDIDAD FINAL: 11,60 11,60 6,30 13,00

PROFUNIDAD MEDIA: 11,30 11,30 6,45 13,45

CLASIFICACIÓN SUCS: SM SM SM SM

GRAVEDAD ESPECÍFICA (Gs): 2,56 2,56 2,60 2,66

HUMEDAD NATURAL: 142,30 142,30 36,90 111,90

LÍMITE LÍQUIDO: 162,00 162,00 53,00 132,00

LÍMITE PLÁSTICO: 111,00 111,00 31,00 86,00

ÍNDICE PLÁSTICO: 51,00 51,00 22,00 46,00

% menor que tamiz 1" (25.4) 100,00 100,00 100,00 100,00

% menor que tamiz 3/4" (0) 100,00 100,00 100,00 100,00

% menor que tamiz 1/2" (0) 100,00 100,00 100,00 100,00

% menor que tamiz 3/8" (0) 100,00 100,00 100,00 100,00

% menor que tamiz 4 (4.75) 100,00 100,00 99,80 100,00

% menor que tamiz 10 (2) 96,90 96,90 99,30 99,30

% menor que tamiz 20 (0.85) 81,70 81,70 93,60 89,60

% menor que tamiz 40 (0.425) 65,20 65,20 81,00 66,80

% menor que tamiz 60 (0.25) 50,60 50,60 65,90 44,20

% menor que tamiz 140 (0.106) 32,70 32,70 51,10 21,60

% menor que tamiz 200 (0.075) 29,70 29,70 49,00 18,90

DIÁMETRO INICIAL (mm): 71,75 71,69 70,47 70,40

ALTURA INICIAL (mm): 143,97 143,40 140,89 126,59

MASA (g): 714,90 737,40 928,10 630,99

VOLUMEN INICIAL (cm3): 582,09 578,80 549,47 492,78


CENIZAS VOLCÁNICAS


106

4.6 Resultados de ensayos de laboratorio

4.6.1 Ensayos de Compresión triaxial cíclico

A continuación se presentan los resultados obtenidos de los ensayos triaxiales cíclicos. En

el ANEXO D se incluyen los ciclos de histéresis de esfuerzo cortante t contra deformación

angular de cada muestra ensayada.

4.6.1.1 Muestra N°22, SH10 (1) I. DIMENSIONES Y CARACTERÍSTICAS DEL ESPÉCIMEN

DIMENSIONES MUESTRA CARACTERÍSTICAS

ALTURA cm 14,26 ÁREAcm2 39,93 Gs 2,56 S (%) 89.5

DIÁMETRO cm 7,13 VOLUMEN cm3 569,36 LL (%)

Clasificación SUCS ---

LP %)

w n (%)

125%

PESOS Y HUMEDADES (I.N.V. E-122) IP (%)

INICIAL FINAL SECO

Wm (g) 720,00 711,00 320,70 PESO UNITARIO

w

1,245 1,217 INICIAL FINAL SECO

e 3,54 Wm (g) 720,00 711,00 320,70

gt (g/cm3 ) 1,26


CENIZAS VOLCÁNICAS


107

4.6.1.2 Muestra N°22, SH 10 (2)

I. DIMENSIONES Y CARACTERÍSTICAS DEL ESPÉCIMEN


ALTURA cm 14,286 ÁREA cm2 40,83 Gs 2,56 S (%) 83.07

DIÁMETRO cm 7,21 VOLUMEN cm3 583,27 LL (%) Clasificación SUCS ---

LP (%) w n (%) 112%


INICIAL FINAL SECO

Wm (g) 711,3 698,4 336 PESO UNITARIO

w 1,116 1,078

INICIAL FINAL SECO

e 3,443 Wm (g) 711,30 698,4 336

gt (g/cm3 ) 1,22


CENIZAS VOLCÁNICAS


108


CENIZAS VOLCÁNICAS


109

4.6.1.3 Muestra N°12, SH 5





LP (%) w n (%) 38%


INICIAL FINAL SECO


w 0,383 0,379

INICIAL FINAL SECO

e 1,122 Wm (g) 925,40 922,8 668,8

gt (g/cm3 ) 1,69


CENIZAS VOLCÁNICAS


110

4.6.1.4 Muestra N°25, SH 12





LP (%) w n (%) 122%


INICIAL FINAL SECO


w

1,223 1,219

INICIAL FINAL SECO

e 3,491 Wm (g) 481,00 480,1 216,4

gt (g/cm3 ) 1,32


CENIZAS VOLCÁNICAS


111


CENIZAS VOLCÁNICAS


112

4.6.2 Ensayos de Bender Element

4.6.2.1 Muestra N°22, SH 10 (1)

Tabla 16 Resultados de ensayos Bender Element Muestra N°22, SH 10 (1)


CENIZAS VOLCÁNICAS


113

4.6.2.2 Muestra N°22 , SH10 (2)

Tabla 17 Resultados de ensayos Bender Element Muestra N°22, SH 10 (2)


CENIZAS VOLCÁNICAS


114

4.6.2.3 Muestra N°12, SH 5

Tabla 18 Resultados de ensayos Bender Element Muestra N°12, SH 5


CENIZAS VOLCÁNICAS


115

4.6.2.4 Muestra N°25, SH 12

Tabla 19 Resultados de ensayos Bender Element Muestra N°25, SH 12



116

4.6.3 Ensayos Columna Resonante

Tabla 20 Resultados de ensayos Columna Resonante

ESPÉCIMEN (ENSAYO):

PRESIÓN CONFINAMIENTO

sc (kpa)

TORQUE T

(N-m)

DEFORMACIÓN AXIAL

CONSOLIDACIÓN d

(mm)

ALTURA INICIAL

H (mm)

DIÁMETRO INICIAL

d (mm)

DEFORMACIÓN CORTANTE

g (%)

MÓDULO DE

CORTE G

(Mpa)

AMORTIGUAMIENTO (DECAIMIENTO

LIBRE) D o z (%)

AMORTIGUAMIENTO (ANCHO DE BADA)

D o z (%)

FRECUENCIA DE

RESONANCIA fn

(%)

M#22 (1), SH10

0 3 0,00 143,97 71,75 0.0004 2,96 12,05 7,58 38

50 3 0,15 143,82 71,67 0.00035 4,64 7,04 4,96 47,5

75 3 0,14 143,83 71,68 0.00036 4,35 6,76 6,36 46

100 3 0,14 143,83 71,68 0.00035 4,74 7,14 5,5 48

100 5 0,14 143,83 71,68 0.00038 2,38 10,05 12,85 34

100 6 0,14 143,83 71,68 0.00053 2,97 10,3 13,1 38

M#22 (2), SH10

0 3 0,00 143,40 71,69 0.00041 1,95 5,93 9,21 30,8

50 3 0,30 143,10 71,54 0.00032 2,63 5,42 6,18 35,6

75 3 0,15 143,25 71,61 0.00032 2,68 5,44 5,24 36

100 3 0,13 143,27 71,62 0.00031 2,68 5,37 5,76 36

100 5 0,13 143,27 71,62 0.00064 2,12 6,3 7,25 32

100 6 0,13 143,27 71,62 0.0009 1,74 7,27 8,91 29

100 8 0,13 143,27 71,62 0.0014 1,36 12,54 4,22 25,7

100 12 0,13 143,27 71,62 0.00195 0,95 13,29 13,02 21,4

M#12, SH05

0 3 0,00 140,89 70,47 0.00018 6.76 10.64 6.28 54.80

50 3 0,00 140,89 70,47 0.00021 6.45 9.20 6.21 53.50

75 3 0,00 140,89 70,47 0.00021 6.52 9.30 6.32 53.80



117

ESPÉCIMEN (ENSAYO):

PRESIÓN CONFINAMIENTO

sc (kpa)

TORQUE T

(N-m)

DEFORMACIÓN AXIAL

CONSOLIDACIÓN d

(mm)

ALTURA INICIAL

H (mm)

DIÁMETRO INICIAL

d (mm)

DEFORMACIÓN CORTANTE

g (%)

MÓDULO DE

CORTE G

(Mpa)

AMORTIGUAMIENTO (DECAIMIENTO

LIBRE) D o z (%)

AMORTIGUAMIENTO (ANCHO DE BADA)

D o z (%)

FRECUENCIA DE

RESONANCIA fn

(%)

100 3 0,00 140,89 70,47 0.00022 6.45 9.14 6.57 53.50

150 3 0,00 140,89 70,47 0.00022 6.52 8.72 5.97 53.80

200 3 0,00 140,89 70,47 0.00022 6.66 8.23 5.68 54.40

250 3 0,00 140,89 70,47 0.00023 6.59 8.34 5.95 54.10

250 6 0,01 140,88 70,46 0.00038 3.75 6.09 12.53 40.80

250 8 0,02 140,87 70,46 0.00055 2.99 6.41 14.52 36.40

250 10 0,02 140,87 70,46 0.00075 2.81 4.16 16.29 35.30

250 12 0,02 140,87 70,46 0.00094 2.45 7.36 18.60 33.00

M#25, SH12

0 3 0 126,59 70,40 0.00035 5.42 7.77 4.13 53.50

50 3 0,06 126,53 70,37 0.00036 5.78 7.56 3.80 55.20

75 3 0,08 126,51 70,36 0.00036 5.87 7.56 3.67 55.60

100 3 0,09 126,50 70,35 0.00035 5.95 7.48 3.74 56.00

150 3 0,1 126,49 70,35 0.00033 6.13 7.35 3.45 56.80

200 3 0,11 126,48 70,34 0.00035 6.13 7.38 3.45 56.80

250 3 0,1 126,49 70,35 0.00038 6.04 7.14 3.34 56.40

250 6 0,1 126,49 70,35 0.00074 4.45 10.14 4.67 48.40

250 8 0,1 126,49 70,35 0.00087 3.59 14.88 8.88 43.50

En las Figuras 54 y 55 se presentan las curvas de módulo de corte contra deformación angular y amortiguamiento contra deformación angular, obtenidas de los resultados de los ensayos de columna resonante.



118

Figura 54 Curvas de Módulo de corte y amortiguamiento contra deformación . Muestras N°22, SH 10 (1) y N°22, SH 10 (2)



119

Figura 55 Curvas de Módulo de corte y amortiguamiento contra deformación . Muestras N°25, SH 12 y N°12, SH 05


CENIZAS VOLCÁNICAS


120

5. ANALISIS DE RESULTADOS

En los resultados obtenidos de los ensayos triaxiales cíclicos realizados, se encontraron inconsistencias por la alta degradación del material, debido a las propiedades que caracterizan a las cenizas volcánicas explicadas anteriormente y a su baja rigidez lo que generó un contraste de impedancias mayor y por lo tanto una amplificación mayor.

Teniendo en cuenta que el equipo de Columna Resonante está en una etapa de prueba inicial ya que el equipo es nuevo, se consideró mayor incertidumbre en estos resultados (ver apartado 4.4.3 resultados columna resonante).

5.1 Construcción curvas de degradación de módulo y comportamiento de amortiguamiento.

El proceso de construcción de las curvas de degradación de módulo y amortiguamiento se realizó mediante los resultados de los ensayos triaxiales de las 4 muestras, eliminando algunos datos y generando la tendencia y forma de cada curva. Posterior a la construcción de las curvas se realizó un ajuste de cada curva a la mejor tendencia por medio del programa Matlab, en el ANEXO B se muestran las cuatro aproximaciones de cada curva de acuerdo a las tendencias exponencial 1 y 2 y power 1 y 2 que se ajustaron mejor a la forma de las curvas.

Finalmente solo se adoptaron las formas de las curvas más parecidas de cada muestra para poder realizar las modelaciones dentro de los rangos de deformación obtenidos en los ensayos y los utilizados por el programa EERA (ver apartado 6.1.2.3. Mat (i) 1, 2, 3 ,4: Material de curvas).

5.2 Comparación de los niveles de amplificación de onda con los obtenidos en la microzonificación Sísmica de Manizales.

Se realizó una comparación entre las curvas obtenidas en los ensayos triaxiales cíclicos y columna resonante normalizadas con el valor máximo de módulo obtenido en los resultados del bender element y las curvas de referencia de la microzonificación sísmica de Manizales tanto de la degradación del módulo de corte y el amortiguamiento; también se compara con las curvas obtenidas de los estudios de Yamin et al. (2000), en relación con la degradación de la rigidez al cortante (G) en función de la deformación por corte ( ),

(Figuras 56, 57, 58 y 59).

En la Microzonificación Sísmica de Manizales (2005) las curvas de amortiguamiento y degradación de módulo realizadas en función de la deformación angular, representada en las Figuras 34 y 37, están en función de sus correspondientes índices de liquidez, parámetros trabajados con base en correlaciones obtenidas de resultados de ensayo triaxiales cíclicos, bender element y columna resonante.


CENIZAS VOLCÁNICAS


121

Las curvas de la Microzonificación se realizaron teniendo en cuenta que el amortiguamiento varía con el módulo de rigidez al corte Gmáx con la expresión

Están graficados el valor máximo del amortiguamiento b máxima para cada ensayo en función el índice de liquidez IL correspondiente, obteniendo la expresión para las dos variables. Sustituyendo la expresión de b máxima calculada en la siguiente ecuación

se obtuvo la ley de amortiguamiento para este tipo de suelos:

De acuerdo a las graficas de comparación de las curvas, es notable que los resultados de la columna resonante son los más aproximados tanto a los de la Micorzonificación sísmica de Manizales como al estudio de Yamin et al. (2000).

Para los ensayos triaxiales los niveles de amortiguamiento son muy bajos comparado con las referencias posiblemente por la estructuración del material, al igual que la baja rigidez.

Los resultados de bender element obtenidos se utilizaron para normalizar las curvas del triaxial cíclico. Para normalizar las curvas de la columna resonante se tomaron de los mismos datos el mayor, multiplicado por un factor de 1.6 que se adoptó por criterio.


CENIZAS VOLCÁNICAS


122

Figura 56 Comparación de curvas de referencia y ensayos realizados G|Gmax y Amortiguamiento contra . Muestra N°22, SH 10 (1)


CENIZAS VOLCÁNICAS


123


Amortiguamiento contra . Muestra N°22, SH 10 (2)


CENIZAS VOLCÁNICAS


124


Amortiguamiento contra . Muestra N°12, SH 05


CENIZAS VOLCÁNICAS


125


Amortiguamiento contra . Muestra N°25, SH 12


CENIZAS VOLCÁNICAS


126

6. MODELACIÓN RESPUESTA DINÁMICA DE UN DEPÓSITO DE CENIZA VOLCÁNICA Las modelaciones se hicieron con base en los resultados de los ensayos triaxiales y bender element. Debido a los resultados inconsistentes de los ensayos por la alta degradación del material y su baja rigidez se generó un contraste de impedancias mayor y por lo tanto una amplificación mayor.

Durante un sismo el comportamiento de un suelo no es lineal, los métodos lineales se pueden adaptar de forma adecuada para predecir correctamente la respuesta real del suelo. Asimismo se obtienen métodos que son programables computacionalmente de manera sencilla y permiten analizar los cambios producidos en el suelo por un terremoto. En este trabajo se utiliza el programa EERA. La presente investigación incluye fundamentalmente la evaluación de la respuesta sísmica de los depósitos de cenizas volcánicas de Manizales utilizando modelos unidimensionales en los que se analiza principalmente la amplificación de las señales en el rango completo de frecuencias, sin tener en cuenta efectos topográficos o heterogeneidades en los depósitos sub superficiales. La aproximación lineal de la respuesta del suelo es posible adaptando los parámetros dinámicos al nivel de deformación existente en el terreno. Estos parámetros se obtienen a partir de ensayos de laboratorio que a su vez usan cargas harmónicas. Se ha observado que la deformación de corte provocada por un terremoto presenta una distribución mucho más irregular que la provocada por un registro harmónico y por este motivo el nivel de deformación en el terreno durante un terremoto se caracteriza por una deformación de corte efectiva, que varía entre un 50 y un 70 % de la deformación de corte obtenida en el laboratorio (normalmente se toma el 65 %) (Ishihara K. , 1996).

6.1 Respuesta dinámica de depósitos de ceniza volcánica mediante un software de modelación unidimensional (EERA).

El análisis de respuesta dinámica se realiza a partir de un modelo unidimensional de una y dos capas, el cual se corre en el programa de computador EERA. El programa se desarrolla a partir de las siguientes hipótesis: a. Los estratos de suelo se extienden uniformemente y hasta el infinito en dirección horizontal y la capa inferior es el semi espacio infinito. b. La respuesta principal del depósito de suelo es la producida por la propagación vertical de ondas de cortante provenientes de la formación de roca subyacente. c. Las propiedades no lineales del suelo se modelan a través de sistemas visco elásticos lineales equivalentes. Cada estrato considerado es homogéneo e isotrópico y se caracteriza por su densidad de masa, espesor, módulo de corte y factor de amortiguamiento, así como por las características de degradación de estas últimas propiedades con la deformación por cortante.


CENIZAS VOLCÁNICAS


127

6.1.1 Modelos de depósitos de ceniza volcánica

Para la modelación, se realizaron 18 modelos de depósitos de ceniza volcánica con una combinación de las muestras ensayadas a diferentes contenidos frecuenciales y niveles de confinamiento que se presentan a continuación:

1. Muestra N° 22, SH 10 (1)

SUELO 1

2. Muestra N° 22, SH 10 (1)

3. Muestra N° 22, SH 10 (1)

Espesor 5 m

Espesor

10 m

Espesor 15 m

16.4 pies

32.81 pies

49.21 pies

σ'C (kPa) FRECUENCIA

(Hz)


(Hz)


(Hz)

100 0.5

100 0.5

100 0.5

4. Muestra N° 22, SH 10 (2)

SUELO 2

5. Muestra N° 22, SH 10 (2)

6. Muestra N° 22, SH 10 (2)

Espesor 5 m

Espesor

10 m

Espesor 15 m

16.4 pies

32.81 pies

49.21 pies


(Hz)


(Hz)


(Hz)

100 2

100 2

100 2

6.1.2 Pasos de la modelación en EERA

El programa consta de 9 hojas de cálculo y su contenido se presenta a continuación (como

ejemplo se tiene la modelación de un depósito de ceniza con: 15 m de Muestra N°22, SH

10 (2) y 10 m de Muestra N°12, SH 5. En el ANEXO C se muestran las 6 modelaciones

para cada sismo (Bienoff Calima y Romeral Sintético)

6.1.2.1 Sismo (earthquake): sismo de entrada en el tiempo

Se incluye el sismo a utilizar: Benioff Calima. Tomando como partida una aceleración máxima de 0.25 g correspondiente a la zona de Manizales. El sismo tiene un T=0.01 s,

(Figura 60).



128

Figura 60 Hoja N°1 del programa EERA - Earthquake



129

6.1.2.2 Perfil: Perfil vertical de las capas de suelo

En esta hoja se incluyen todas las características del material:

Figura 61 Hoja N°3 del programa EERA – Profile


CENIZAS VOLCÁNICAS


130

Características depósito de ceniza volcánica:

Número de la subcapa

Tipo de material del depósito

Espesor de la capa del material dividido en subcapas

Máximo módulo cortante:

Utilizando el (G) módulo de rigidez o de corte, psi (o Pa);

Con las velocidades de propagación de onda a la compresión y corte, Vp y Vs

respectivamente se calcula la relación de poisson (parámetros obtenidos del ensayo

bender element)

=coeficientede Poisson;

Peso unitario del suelo

Velocidad de onda de corte (obtenido del ensayo bender element)

El programa calcula el esfuerzo vertical efectivo.

En las Tablas 23 a 26 se presentan los parámetros de los 4 materiales.

Tabla 21 Parámetros del Perfil de suelo Mat 1

Mat 1 (N° 22, SH 10 (1)

E (Kpa)= 97281.79333

Vs (m/s)= 292.125

Vs (ft/s)= 958

Vp (m/s)= 213.8633333

n= 0.25

G (Kpa)= 38912.71733

Peso unitario (kg/m3)=

1264.57


CENIZAS VOLCÁNICAS


131


Mat 1 (N° 22, SH 10 (2)

E (Kpa)= 97281.8

Vs (m/s)= 178.615

Vs (ft/s)= 586.007

Vp (m/s)= 309.367

n= 0.25

G (Kpa)= 38913.0


1219.5


Mat 3 (Muestra N° 12, SH 5)

E (Kpa)= 202364.97

Vs (m/s)= 218.53

Vs (ft/s)= 716.96

Vp (m/s)= 378.51

n= 0.25

G (Kpa)= 80945.35


1694.99


Mat 4 (Muestra N° 25, SH 12)

E (Kpa)= 63528.12

Vs (m/s)= 219.51

Vs (ft/s)= 720.17

Vp (m/s)= 378.51

n= 0.25

G (Kpa)= 25479.83


1316.44

Los valores de Vs de laboratorio se utilizaron para la modelación del programa EERA, lo que produjo un error en los resultados ya que tenían que utilizarse valores de Vs de campo, pero por la falta de información se utilizaron datos de laboratorio; la diferencia de estos datos es grande ya que los datos de campo demuestran una degradación más razonable.


CENIZAS VOLCÁNICAS


132

6.1.2.3 Mat (i) 1, 2, 3 ,4: Material de curvas (G / Gmax y la amortiguación frente a la deformación de tipo de material i)

Material 1

Figura 62 Hoja N°3 del programa EERA – Mat 1

Material 2



CENIZAS VOLCÁNICAS


133

Material 3


Material 4



CENIZAS VOLCÁNICAS


134

6.1.2.4 Resultados de la iteración de cálculo principal

Figura 66 Hoja N°7 del programa EERA – Iteration

De los resultados finales se obtienen las gráficas de cada parámetro respecto a la profundidad, como se muestra en la Figura 67

. Figura 67 Gráfica resultado del Programa EERA – Profundidad vs Aceleración máxima



135

6.1.2.5 La aceleración en el tiempo: aceleración / velocidad / desplazamiento

Figura 68 Hoja N°8 del programa EERA –Aceleration



136

6.1.2.6 Tiempo de esfuerzo deformación

Figura 69 Hoja N°9 del programa EERA –Strain


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137

6.1.2.7 Amplificación entre dos sub-capas

Figura 70 Hoja N°10 del programa EERA – Amplification

Espectro de amplitud de Fourier de la aceleración

Figura 71 Hoja N°11 del programa EERA – Fourier



138

6.1.2.8 Espectros de respuesta

Figura 72 Hoja N°11 del programa EERA – Spectra



139

7. FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SISMICAS EN CENIZAS VOLCÁNICAS DE MANIZALES

Tabla 25 Factores de amplificación de ondas sísmicas en cenizas volcánicas de Manizales.

FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SISMICAS EN CENIZAS VOLCÁNICAS DE MANIZALES

MUESTRA DE SUELO

N°

ESPESOR DEPÓSITO

ACELERACIÓN EN ROCA

(g)

ACELERACIÓN MÁXIMA

(g)

FACTOR ACELERACIÓN

MAX. ACELERACIÓN

ESPECTRAL

AMPLIFICACIÓN MÁXIMA

(m) (pies)

SISMO CALIMA

1 5 16,4 0,25 0,943 3,772 5,591 11,81

1 10 32,8 0,25 0,692 2,768 2,915 11,8

1 15 49,2 0,25 0,386 1,544 1,207 5,11

2 5 16,4 0,25 0,773 3,092 4,88 11,8

2 10 32,8 0,25 0,578 2,312 2,449 10,193

2 15 49,2 0,25 0,378 1,512 1,554 9,41

MZSM 5 5 16,4 0,25 0,69 2,760 3,295 18,02

MZSM 5 10 32,8 0,25 0,221 0,884 0,811 1,2

MZSM 5 15 49,2 0,25 0,2 0,800 0,729 1,5

SISMO ROMERAL

1 5 16,4 0,25 0,71 2,840 3,621 6,594

1 10 32,8 0,25 0,232 0,928 0,979 7,939

1 15 49,2 0,25 0,397 1,588 1,752 5,717

2 5 16,4 0,25 0,404 1,616 1,264 17,317

2 10 32,8 0,25 0,841 3,364 4,06 12,251

2 15 49,2 0,25 0,656 2,624 1,932 15,855

MZSM 5 5 16,4 0,25 0,337 1,348 0,89 2,994

MZSM 5 10 32,8 0,25 0,207 0,828 0,784 1,1

MZSM 5 15 49,2 0,25 0,265 1,06 0,855 3,981


CENIZAS VOLCÁNICAS


140

Teniendo en cuenta estos resultados se determinó que los factores de amplificación aumentan en las muestras de suelo 1 y 2 si disminuye el espesor del depósito en ambos sismos.

El factor Aceleración se determino dividiendo la aceleración máxima obtenida de las modelaciones sobre la aceleración en roca adoptada para la ciudad de Manizales Aa=0.25 g. Estos factores disminuyen a medida que el espesor del depósito aumenta.

De la misma forma la amplificación máxima aumenta en las muestras de suelo 1 y 2 si el espesor del depósito disminuye en los dos sismos de diseño.

7.1 Comparación de los espectros de aceleración de la Microzonificación sísmica de Manizales con los resultados obtenidos

Con las características del material identificado en la Microzonificación sísmica de Manizales se elaboraron 3 modelaciones con cada sismo Bienoff Calima y Romeral sintético. En la Tabla 27 se muestran los parámetros del suelo (CIMOC, CEDERI, 2005).

Tabla 26 Parámetros del Suelo Microzonificación sísmica de Manizales

Parámetros del Suelo Microzonificación sísmica de Manizales


1300 Peso unitario

(lb/ft3)= 81,16

Vs (m/s)= 450 Vs (ft/s)= 137,16

Figura 73 Velocidad de onda cortante del Suelo Microzonificación sísmica de Manizales


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141

La velocidad de onda cortante Vs explica las diferencias en los rangos de la respuesta dinámica del material, por una parte los valores de Vs se utilizaron para normalizar las curvas G/Go y amortiguamiento del laboratorio. Igualmente estos valores de laboratorio se utilizaron para la modelación del programa EERA, lo que produjo un error en los resultados ya que tenían que utilizarse valores de Vs de campo, pero por la falta de información se utilizaron datos de laboratorio; la diferencia de estos datos es grande ya que los datos de campo demuestran una degradación más razonable.

Se realizó la comparación de los espectros de aceleración registrados en la Microzonificación sísmica de Manizales y los obtenidos en las modelaciones realizadas en este trabajo. Se presentan en las Figuras 74 y 75 los registros de los sismos Calima y Romeral Sintético de la Microzonificación.

Figura 74 Espectros de aceleración en superficie Sismo Calima

Figura 75 Espectros de aceleración en superficie Sismo Romeral Sintético

Sismo

Bienoff

Calima

Aa= 0.20g

Sismo

Romeral

Sintético

Aa= 0.20g



142

Los espectros de aceleración obtenidos en las modelaciones de los suelos N°22, SH10 (1) y N°22, SH10 (2) a 5m, 10 y 15m cada uno a los dos sismos de diseño se muestra en la Figura 76. También se presentan los espectros de la Microzonificación a un Aa= 0.25.

Figura 76 Aceleración espectral- Periodo – Sismos Benioff Calima y Romeral Sintético – Suelo 1 y 2 y suelo de la MZSM


CENIZAS VOLCÁNICAS


143

Se muestra en las gráficas que los espectros de aceleración son mayores con depósitos de suelo de menor espesor.

Según Tabla 27, los resultados de los espectros de aceleración de la modelación del material descrito en la Microzonificación Sísmica para cada sismo, se alejan notablemente a los resultados de las modelaciones calculadas por el programa EERA, esto se debe a los problemas que tienen las curvas de degradación utilizadas para modelar.

Tabla 27 Comparación de las aceleraciones espectrales modeladas

COMPARACIÓN ACELERACIÓN MÁXIMA ESPECTRAL

SISMO CALIMA

MZSM 5 SUELO 1 DIFERENCIA (%) SUELO 2 DIFERENCIA (%)

3,295 5,591 58,9 4,88 67,5

0,811 2,915 27,8 2,449 33,1

0,729 1,207 60,4 1,554 46,9

SISMO ROMERAL

MZSM 5 SUELO 1 DIFERENCIA (%) SUELO 2 DIFERENCIA (%)

0,89 3,621 24,6 1,264 70,4

0,784 0,979 80,1 4,06 19,3

0,855 1,752 48,8 1,932 44,3

8. CONCLUSIONES

Se calcularon factores de amplificación de ondas sísmicas en depósitos de cenizas volcánicas con base en datos de los ensayos realizados.

Tanto los factores de aceleración como de amplificación aumentan en las muestras de suelo 1 y 2 si disminuye el espesor del depósito en ambos sismos, pero con particularidades de las muestras donde se disminuyen o aumentan los factores en 10 m de depósito.

Los resultados de las modelaciones de aceleraciones espectrales realizadas para cada muestra a diferentes espesores superan notablemente a los resultados de los espectros de aceleración máxima de la Microzonificación. Los espectros de aceleración son mayores con depósitos de suelo de menor espesor.

Esto se debe a que los valores de Vs usados fueron menores y por la degradación de las muestras al momento de hacer los ensayos lo que produce que los contrastes de impedancia fueran mayores y la amplificación también.

El estudio del estado del arte de los efectos del suelo reconoce que los depósitos de suelo que pueden amplificar el movimiento sísmico son los que tienen consistencia


CENIZAS VOLCÁNICAS


144

blanda, grado de consolidación baja y caracterizados por velocidad de ondas de corte sísmicas bajas, como en este caso las cenizas volcánicas. También es importante el espesor de los depósitos y las características del perfil estratigráfico.

Se identificaron problemas de confiabilidad en la información utilizada para los análisis de respuesta por la sensibilidad del material, los protocolos y métodos de cálculo y los valores confiables para la normalización de la curvas.

Las curvas utilizadas para las modelaciones reducen mucho la rigidez del material de suelo considerado en los análisis. Estas curvas de degradación de módulo cortante y amortiguamiento en relación a la deformación cortante, obtenidas con los resultados de los ensayos triaxiales cíclicos, se ajustaron a determinadas tendencias, las cuales indicaron en la modelación el comportamiento dinámico de cada muestra. Las causas de la amplificación del suelo se deben a la diferencia de impedancias entre los medios en contacto y al efecto de resonancia debida a la similitud de frecuencias entre el depósito sedimentario y a la del movimiento sísmico que parte de la roca. Las limitaciones de la caracterización dinámica de las cenizas volcánicas para este trabajo de grado fueron principalmente las muestras alteradas debido a la sensibilidad del material, su remoldeo por maniobrar y trasladar las muestras y aun más el ensayar las muestras inicialmente en el equipo de columna resonante donde fueron degradadas por el ensayo y luego en el triaxial cíclico donde colapsaron internamente dando resultados no consistentes.

Este proyecto de grado sobre la caracterización de la respuesta sísmica de las

cenizas volcánicas de Manizales, expone los resultados de los factores de amplificación de onda sísmica en cenizas volcánicas que se han obtenido a partir de la elaboración de ensayos de laboratorio y posteriormente modelaciones unidimensionales de depósitos de cenizas volcánicas expuesto a dos sismos de alta y baja intensidad.

Interesa resaltar el interés del estudio de la respuesta sísmica de las cenizas volcánicas, ya que un conocimiento adecuado de los fenómenos de amplificación es importante en la evaluación del riesgo sísmico. Los datos obtenidos de los ensayos de columna resonante no se tuvieron en cuenta debido a problemas de unidades y escala del equipo.

Finalmente los factores de amplificación utilizados para la Microzonificación sísmica

de Manizales parecen ser adecuados.


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145

9. RECOMENDACIONES

Para próximas caracterizaciones de este tipo de materiales tan blandos como las cenizas volcánicas, es importante tener en cuenta las limitaciones obtenidas y así evitar errores que fácilmente pueden ocurrir.

La metodología de los ensayos podría realizarse si se utilizan diferentes muestras de la misma perforación para realizar cada ensayo por separado. También es importante la calidad del equipo de perforación ya que para este tipo de material la sola extracción de la muestra ya altera el suelo.

Se podrían estudiar posibles efectos topográficos, interacciones suelo-estructura y estimar el grado de daño estructural que producirían posibles efectos inducidos en el depósito de suelo.

Se recomienda un análisis de sensibilidad que permita establecer la importancia de las propiedades físicas y dinámicas del suelo en la respuesta sísmica.

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11. ANEXOS

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