CAPACIDAD DE CARGA DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS LICUABLES CON COSTRA ARCILLOSA

Muchos terremotos fuertes recientes y estudios experimentales aún más relevantes (por ejemplo, [Yodhimi y Tokimatsu, 1977; Ishihara et al., 1993; Liu y Dobry, 1997; Kawasaki et al., 1998; Acacio et al., 2001; Sancio et al., 2002; Adalier et al., 2003; Cohelo et al., 2004; Dashti et al., 2010]) han resaltado los riesgos de usar cimientos superficiales, incluso para estructuras livianas, en áreas donde se anticipa licuefacción inducida por terremotos (Fig. 1), los principales efectos de estas acciones son:

(a) Las sacudidas sísmicas dan como resultado la acumulación de asentamientos significativos, que son varias veces mayores que sus contrapartes de campo libre y, por lo tanto, pueden conducir a fallas operativas e incluso estructurales. (b) La acumulación excesiva de presión de poro y la degradación asociada de la resistencia al corte de las capas licuables del suelo conducen a una degradación gradual de la capacidad de carga de los cimientos, lo que puede resultar en que el factor de seguridad correspondiente se deslice por debajo de la unidad.

Los efectos anteriores se vuelven menos pronunciados e incluso pueden evitarse en presencia de una costra de suelo no licuable suficientemente gruesa y resistente al corte (por ejemplo, arcilla, arena densa o seca, grava o suelo mejorado) entre los cimientos y el subsuelo licuable (por ejemplo, [Ishihara et al., 1993; Liu y Dobry, 1997; Kawasaki et al., 1998; Acacio et al., 2001; Sancio et al., 2002]). Sin embargo, la práctica actual de la ingeniería todavía carece de un método de análisis ampliamente aceptado que permita el diseño basado en el desempeño de cimentaciones superficiales en dichos perfiles de suelo, considerando sistemáticamente tanto la acumulación de asentamientos sísmicos como la degradación de la capacidad de carga estática.

Teniendo en cuenta que este efecto está asociado con la reducción de la resistencia al corte del subsuelo inducida por la licuefacción, se comprende que la degradación de la capacidad de carga es una amenaza de corta duración, que se espera que surja durante el período de excitación sísmica y que solo durará el menor tiempo posible. siempre que sea necesario para que se disipe el exceso de presión de poros. Aun así, sigue siendo de importancia clave y debería constituir el primer paso hacia un enfoque de diseño racional, por dos razones principales. En primer lugar, una eventual falla en la capacidad de carga durante una sacudida resultará en un aumento incontrolable de los asentamientos de los cimientos, que se atribuyen principalmente a la falla por corte del subsuelo y no a la densificación dinámica (por ejemplo, [Karamitros et al., 1943]). Además, dado que la degradación de la capacidad de carga inducida por la licuefacción persistirá durante algún tiempo después del final de la sacudida, existe un riesgo adicional de falla post-sísmica estática de los cimientos, con un "hundimiento" desigual de la estructura en el fondo. suelo licuado.

A pesar de su importancia crítica para el diseño de cimentaciones superficiales basado en el desempeño, este tema solo ha sido abordado por un número relativamente limitado de investigadores (Naesgaard et al., 1998; Cascone y Bouckovalas, 1998; Bouckovalas et al., 2005), quienes propusieron soluciones analíticas para el caso simple de cimentaciones superficiales que descansan sobre dos Perfiles de suelo en capas: una capa de arena licuable recubierta por una costra de arcilla no licuable. Cabe señalar que estas soluciones no pudieron verificarse experimentalmente, debido a dificultades objetivas para medir la capacidad de carga de la cimentación, en el corto período de tiempo posterior al final de la sacudida, antes de cualquier disipación del exceso de presiones intersticiales inducidas por la licuefacción.

La capacidad de carga de cimentaciones poco profundas sobre suelos licuables con una costra arcillosa fue abordada por primera vez por Naesgaard et al. (1998), quienes estudiaron el comportamiento de licuefacción de edificios ligeros fundados sobre zapatas extendidas, utilizando una metodología numérica simplificada pero inspiradora para simular el comportamiento del subsuelo licuado. Centrándose en el cálculo de los asentamientos inducidos por la licuación de cimentaciones superficiales, observaron que se podían obtener correlaciones relativamente buenas con el factor de seguridad degradado post-licuación FSdeg, que se calculó basándose en el mecanismo de falla compuesta de Meyerhof y Hanna (1978). Más específicamente, se asumió que la falla por punzonamiento ocurría a través de la corteza de arcilla, combinada con una falla tipo cuña dentro de la capa de arena licuada, como se demuestra en la Fig. 2. La resistencia al corte no drenado cu se usó para calcular la falla por punzonamiento, mientras que se consideró que la arena licuada tenía un ángulo de fricción nulo y una cohesión igual a la resistencia al corte residual.

donde q es la presión de soporte promedio de la cimentación, B es el ancho de la cimentación y H es el espesor de la costra de arcilla.

Trabajando en líneas similares, Cascone y Bouckovalas (1998) supusieron que se desarrolla una relación uniforme de exceso de presión de poro sobre toda la capa licuable, estimada a través de relaciones empíricas, derivadas del análisis estadístico de pruebas de corte triaxiales cíclicas y simples. Esta relación de exceso de presión de poro luego se usa para calcular un ángulo de fricción degradado para la arena licuada, como una función del ángulo de fricción real:

En consecuencia, se aplicó el mecanismo de falla compuesto de Meyerhof y Hanna para calcular la capacidad de carga degradada, de la siguiente manera:

donde B es el ancho de la cimentación, H es el espesor de la corteza de arcilla, cu es la resistencia al corte no drenado de la corteza y γ' es el peso de flotación, que se considera el mismo para las capas de arena y arcilla. En este caso, los factores de capacidad de carga Ng y Nq deben calcularse como funciones del ángulo de fricción degradado:

Para simplificar los cálculos, Cascone y Bouckovalas (1998) introdujo el factor de degradación, definido como la relación entre la capacidad de carga degradada después de la sacudida, normalizada frente a la capacidad de carga última de la corteza arcillosa:

Esta normalización les permitió crear una serie de gráficos de diseño para la estimación directa de ζ, en función de la relación promedio de exceso de presión de poro U, para zapatas corridas y cuadradas, para diferentes valores del ángulo de fricción inicial, así como para diferentes valores de los parámetros adimensionales H/B y cu/γ'B.

Además, se observó que existe un espesor crítico Hcr de la corteza arcillosa, más allá del cual se espera que ocurra falla dentro de la corteza arcillosa, de modo que la posible licuefacción de la capa de arena subyacente no afecta la capacidad de carga.

Varios años después, Bouckovalas et al. (2005) intentó introducir una serie de mejoras a la solución simplificada de Cascone y Bouckovalas (1998). En primer lugar, consideraron una superficie de deslizamiento inclinada (en lugar de vertical) en la corteza arcillosa, que se definió mediante análisis de equilibrio límite. Además, modificaron la ecuación, para introducir la resistencia al corte residual de la arena licuada, en términos de un ángulo de fricción residual:

Sin embargo, se demostró que ambos refinamientos anteriores tienen efectos menores sobre el factor de degradación ζ.