¿CUÁLES SON LOS TIPOS DE FALLAS INDUCIDAS POR LICUACIÓN EN SUELOS?

Es bien sabido que el fenómeno de licuación de suelos (también llamado licuefacción) es de gran importancia en la ingeniería geotécnica debido a los daños catastróficos que provoca en las obras civiles al producirse un terremoto o sismo de gran magnitud. Por ejemplo, durante el terremoto de 1964 en Niigata, Japón, la licuación de suelos obligó a las cimentaciones de los edificios a asentarse e inclinarse, a los tanques de almacenamiento subterráneos a flotar hacia la superficie del suelo y a que grandes áreas del suelo se extendieran lateralmente y dañaran líneas vitales subterráneas, puentes y muelles portuarios. Durante el terremoto de 1989 en Loma Prieta, California, la licuación de los suelos y los escombros utilizados para rellenar una laguna provocó un importante hundimiento, fractura y deslizamiento horizontal de la superficie del suelo en el distrito de Marina en San Francisco (Figura 1). Como estos ejemplos, se ha documentado una gran cantidad de casos de licuación de suelos después de terremotos en China, Japón, América del Sur y América del Norte.

En México se han registrado daños por licuación cerca de las fallas geológicas localizadas en las costas del pacifico (Figura 2). Algunos de los estados con mayor registro de daños por licuación de suelos en los últimos años son: el estado de Colima (1995, 2003) y Baja California (2010). Durante el terremoto en México de 1995, en el estado de Colima se presentó licuación de arenas en algunos lugares bajos de la zona epicentral, la mayoría de las casas sufrieron daños producidos por licuación de arenas y por los hundimientos. Los hundimientos máximos observados fueron de cerca de 50 cm, que provocaron fuertes asentamientos diferenciales y graves daños estructurales. La mayoría de las losas de piso sin refuerzo, fueron empujadas por arriba del suelo que estaba licuándose, alcanzando alturas de un metro en algunos casos. Muchas estructuras resultaron dañadas por los grandes desplazamientos sufridos por las cimentaciones, lo que originó algunos colapsos (Rodríguez, 2012).

En un esfuerzo por definir las evidencias de licuación (por ejemplo, deformaciones del suelo y ebullición de arena) y las circunstancias para qué licuación ocurriera o no ocurriera se han recopilado varios tipos de datos de historias de casos de licuación y se han organizado en bases de datos (por ejemplo, Seed e Idriss, 1971). Estas bases de datos se revisan constantemente para eliminar posibles incertidumbres sobre la información recopilada y agregar nuevas entradas después de los terremotos recientes. Tales bases de datos son el principio de los análisis de ingeniería de licuación según lo descrito por Youd e Idriss (2001), el cual, definió los mecanismos de falla producidos por licuación. Estos mecanismos de falla se describen en el siguiente blog, incluyen lateral spreading, falla por pérdida de capacidad de carga y asentamiento, falla por desplazamiento oscilatorio y falla de flujo (Youd, 1993). Los diferentes modos de falla producidos dependen de las condiciones del sitio y del tipo de obra, a continuación, se describen de manera general cada modo de falla provocado por la licuación de suelos.

De acuerdo con Rauch (1997) el termino Lateral spreading se refiere al movimiento superficial de estratos de suelo en dirección paralela a la superficie del terreno, el cual ocurre cuando existe una reducción en la resistencia al esfuerzo cortante en el suelo debido al fenómeno de licuación de suelos y en taludes de pendientes suaves (menos del 5%) constituidos sobre suelos friccionantes, licuables y con un nivel freático superficial. Por su parte Kramer y Franke (2014) definieron el término Lateral spreading como el movimiento lateral finito de depósitos de suelo saturado de pendiente suave a pronunciada causado por la licuación inducida por un terremoto (Figura 3).

La licuación de suelo tiene efectos especialmente devastadores en las estructuras, especialmente en las cimentaciones, cuando desencadena desplazamientos laterales en una sola dirección o lateral spreading. Durante terremotos pasados, se observó que grandes áreas de suelo se desplazaban lateralmente debido a la licuación de suelo (Bardet, 2003). Además, Este fenómeno es de gran interés debido a que involucra la separación de la superficie terrestre, la cual no es licuable, pero se mueve sobre un suelo licuable, lo cual causa el movimiento. Lateral spreading ha sido reportado desde unos pocos centímetros hasta unos pocos metros de desplazamiento permanente (Baziar et al. 1992). Además, el lateral spreading es el fenómeno inducido por la licuación que más ha causado daños en el mundo (NRC, 1985) a pesar de ser la falla del suelo menos agresiva asociada con los terremotos, suelen ocurrir con más frecuencia que las fallas de flujo asociadas a la licuación (Kramer y Franke, 2014)

Las fallas asociadas al lateral spreading son más generalizadas y tienen el potencial de infligir la mayor cantidad de daño durante un terremoto (McCulloch & Bonilla, 1970). El lateral spreading no amenaza la vida humana tanto como los tsunamis o los deslizamientos de tierra, pero puede dañar considerablemente los cimientos, puentes, carreteras, tuberías, etc. Las pérdidas en la densidad del suelo pueden provocar un levantamiento flotante en la infraestructura del subsuelo y el lateral spreading puede cortar las cimentaciones profundas, por ejemplo, durante el terremoto en Niigata, Japón en 1964 se produjo lateral spreading que provocó que los tramos del puente Showa se cayeran de sus soportes, el deslizamiento del estrato superior indujo un esfuerzo cortante sobre las pilas produciendo una deformación en la parte superior de las pilas de 0.9 m y las fallas de las mismas, las pilas no estaban diseñadas para soportar un incremento de carga lateral, el mecanismo de falla de las pilas se esquematiza en la Figura 4.

Debido a su omnipresencia, la predicción del lateral spreading se ha convertido en un tema importante en la ingeniería geotécnica sísmica. Saber dónde existe un riesgo de propagación lateral y tener una estimación de su gravedad puede indicar si, y en qué medida, la mitigación es necesaria para un sitio de construcción en particular. Muchos modelos populares en la práctica de la ingeniería para predecir los desplazamientos de latera spreading se derivaron empíricamente del estudio de historias de casos de terremotos (Bunn M. 2014). Los modelos empíricos solo son aplicables a los terremotos y las condiciones del terreno a partir de los cuales se desarrollaron, además, son métodos estadísticos que dependen de un nivel de confiabilidad, en su mayoría bajo, debido a la poca información del tema.

La licuación de suelos tiene lugar debido a la acumulación de presión intersticial en los depósitos de arena saturada suelta bajo carga sísmica, lo que provoca una reducción sustancial de la resistencia de los suelos subyacentes. Este fenómeno suele ir acompañado de una gran cantidad de hundimiento de la superficie del suelo. La ocurrencia de licuación del suelo debajo de cimientos también puede conducir a deformaciones permanentes excesivas de edificios y otras estructuras. Si la resistencia del suelo se reduce a una cantidad que es insuficiente para soportar el peso de la estructura, se producirá la falla por capacidad de carga como se muestra en la Figura 5. En consecuencia, la estructura se asentará y rotará sustancialmente debido a la pérdida de capacidad de carga. Ambos tipos de comportamientos, es decir, el asentamiento de la cimentación y la falla de la capacidad de carga, se han observado durante los últimos terremotos.

Durante el terremoto de Niigata, Japón de 1964, el terremoto de Filipinas de Luzón de 1990 y el terremoto de Kocaeli de Turquía de 1999, se observaron varias fallas por capacidad de carga de cimientos debido a la licuación. Cientos de edificios inclinados hasta 60° y hundidos hasta 3,8 m se observaron en Niigata (Ishihara y Koga, 1981), de los cuales se observaron daños más severos en los depósitos de suelo con un valor N más bajo en la Prueba de Penetración Estándar (SPT) y una profundidad de licuación de más de 10 m. Adachi et al. (1990) informaron el asentamiento de edificios hasta 2.5 m en la ciudad de Dagupan después del terremoto de Luzón. Los edificios dañados en la ciudad de Adapazari se inclinaron unos 30° debido a la falla de la capacidad de carga inducida por la licuación inmediatamente después del terremoto de Kocaeli y luego rotaron gradualmente hasta 60° (JGS, 2000).

Los desplazamientos horizontales debido a la oscilación del suelo ocurren en terreno plano, a diferencia del lateral spreading, en respuesta a las fuerzas de inercia que actúan sobre los materiales del suelo desacoplados por encima o dentro de la zona licuada (Figura 6). Este desacoplamiento permite que se desarrollen grandes movimientos de tierra transitorios u ondas de tierra, pero los desplazamientos permanentes suelen ser pequeños y caóticos. Los observadores de la oscilación del suelo suelen notar ondas de suelo de movimiento lento, de hasta un metro de altura, acompañadas de fisuras que se abren y cierran. Durante el terremoto de Loma Prieta de 1989, la oscilación del suelo rompió las líneas de agua, gas y alcantarillado, y fracturó pavimentos, bordillos y cimientos en el Distrito Marina de San Francisco (Pease y O'Rourke, 1997). Sin embargo, las oscilaciones del suelo no generaron un patrón consistente de desplazamientos laterales permanentes del suelo que serían indicativos de un lateral spreading.

La falla por desplazamiento oscilatorio del suelo es un fenómeno que ocurre en un terreno relativamente nivelado donde no se produce lateral spreading. En este fenómeno, los bloques rotos de suelo no licuado oscilan hacia adelante y hacia atrás y hacia arriba y hacia abajo sobre una capa licuada subyacente durante un terremoto. Un puente soportado por la capa superficial puede experimentar severas deformaciones cuando las columnas de la subestructura o los muros soportados por cimentaciones superficiales sobre los bloques sufren movimientos diferenciales.

La falla de flujo es una de las fallas más catastróficas asociadas a la licuación de suelos, ocurre en taludes mayores de 5% (a diferencia del lateral spreading, el cual ocurre en pendientes menores del 5%). Estas fallas se caracterizan por grandes desplazamientos (varios metros o más) y una severa disrupción interna del bloque de falla (Figura 7). Las estructuras con cimentaciones sobre o dentro del suelo licuable por lo general se destruyen. Estas fallas comúnmente desplazan grandes masas de suelo decenas de metros y, en algunos casos, grandes masas de suelo han viajado decenas de kilómetros por largas pendientes a velocidades que van hasta decenas de kilómetros por hora (Youd, 1993). Los grandes desplazamientos se deben a que la resistencia residual del suelo licuado es menor que la necesaria para resistir las fuerzas gravitatorias estáticas que actúan sobre los suelos no licuados suprayacentes durante y después de la sacudida sísmica (Kramer et al. 1996). Aunque se ha observado que tales fallas ocurren principalmente en lechos marinos en alta mar o presas de relaves, pueden ser posibles en el sitio de un puente si hay suficiente

Los datos de campo de terremotos pasados han demostrado que la falla del tipo de flujo puede ocurrir, la mayoría de las veces, en los depósitos arenosos que contienen algo de limo o arcilla (Ishihara et al. 1990). En el terremoto de Izu-Ohshima-Kinkai de enero de 1978, en Japón, los diques que encerraban el estanque de relaves de la mina se derrumbaron en dos lugares liberando una gran cantidad de relaves que se clasifican como arena limosa que contiene aproximadamente un 50% de finos en promedio (Ishihara, 1984). Durante el terremoto de San Fernando de 1971 se generó una ruptura parcial de la represa del bajo San Fernando debido a una falla de flujo que llevó la corona y gran parte del terraplén al embalse. Como consecuencia de esta ruptura, 80000 personas fueron evacuadas de sus hogares en el densamente poblado Valle de San Fernando aguas abajo de la represa.

Se ha reconocido que la ebullición o expulsión del suelo son evidencia clara de la ocurrencia de licuación (p. ej., Seed e Idriss, 1967; Bardet y Kapuskar, 1991; Chu et al., 2003; Wakamatsu, 2011; Ishikawa y Yasuda, 2012; Yasuda et al. 2012). Cuando se produce una cantidad significativa de ebullición de arena, el mecanismo de eyección de sedimentos suele ser el factor dominante para el asentamiento del suelo porque transporta físicamente el suelo que sostiene los cimientos a la superficie del suelo, como se muestra en la Figura 8 (Bray y Dashti, 2014). Por ejemplo, una gran cantidad de suelo licuado fue expulsado en áreas recuperadas o depositadas naturalmente durante el terremoto de 2010 y 2011 en Canterbury, Nueva Zelanda (Cubrinovski and Green, 2010; Cubrinovski et al. 2012), terremoto de 2011 en Tohoku, Japón (Yasuda et al. 2012; Ishihara et al., 2014) y el terremoto de 2016 en Meinong, Taiwán (Tsai et al. 2017; Tsai et al. 2020). El asentamiento inducido por la licuación de los edificios de cimientos poco profundos había dañado muchos edificios durante estos terremotos. Sin embargo, las condiciones exactas que conducen a la producción del sand bowl aún no están claras y el asentamiento inducido por la arena es difícil de cuantificar (Tsai et al. 2022).

La cantidad de suelo expulsado o el mecanismo detrás de la ebullición de arena pueden inferir alguna información básica y significativa del movimiento y las propiedades del suelo. Sin embargo, como se mencionó anteriormente, se han utilizado principalmente como evidencia de licuación porque el mecanismo sigue sin estar claro y es difícil de predecir. Recientemente, muchos estudios investigaron el mecanismo del sand bowl a través de mesas vibratorias o pruebas de modelado centrífugo. Brennan (2008) mostró que los cimientos relativamente pesados sobre capas de limo relativamente delgadas eran susceptibles a las ebulliciones de arena. Yamaguchi et al. (2008) propusieron una relación empírica entre el espesor de la capa licuada y el número de ocurrencias de ebullición de arena por unidad de área sobre la base de numerosas pruebas de mesa vibratoria de suelo de arena con una capa delgada poco permeable en la parte superior. Ishikawa y Yasuda (2012) examinaron las características del sand bowl utilizando un modelo del fenómeno de ebullición. Se producirá mucha ebullición de arena si se licua arena fina que contiene suelo de grano fino no plástico. Takano et al. (2016) demostraron que la generación de ebullición de arena se incrementa con una segunda capa licuable a gran profundidad.