GEO-RESILIENCIA MEDIANTE MEJORAMIENTO DE SUELOS

El terremoto tuvo su centro dentro de un espacio sísmico dejado después de los eventos ocurridos en 1942, 1958, 1979 y 1998, con Mw de 7,8, 7,7, 8,2 y 7,1, respectivamente, que cubrieron parcialmente el área de ruptura de 500 km del 1906. Terremoto de Esmeraldas de 8,7 Mw. (Una brecha sísmica es un segmento de una falla activa que se sabe que produce terremotos significativos que no ha disminuido en un tiempo inusualmente largo en comparación con otros segmentos a lo largo de la misma falla). La aceleración máxima del suelo (PGA) registrada en dos estaciones sísmicas de la ciudad de Pedernales superó 1,0 g. Hacia el sur del plano de ruptura se registró una mayor intensidad, en comparación con las estaciones ubicadas hacia el norte, lo que resultó en daños significativamente mayores a ciudades e infraestructura en el sur de la provincia de Manabí.

La licuación generalizada causó grandes daños a la infraestructura esencial, incluidos puertos, puentes y terraplenes de carreteras. Entre muchos terraplenes de carreteras, el terraplén de Mejía, ubicado a 180 km al sur del epicentro y 8 km al norte de la ciudad de Portoviejo, sufrió una falla catastrófica cuando las arenas sueltas y limosas que sostenían el terraplén se licuaron. En comparación, el terraplén de Briceño, ubicado a 130 km al sur del epicentro, estaba sostenido por suelos de cimentación que fueron reforzados con elementos de mejoramiento del terreno. Este terraplén experimentó sólo grietas superficiales menores, a pesar de que estuvo sujeto a mayores demandas sísmicas.

Los Dos Terraplenes El terraplén de tierra compactada de cuatro carriles y 4 m de altura de Mejía se construyó sobre 1,5 a 7 m de arena limosa suelta y licuable. El terraplén constituye el acceso a dos puentes de 50 m de largo que cruzan el río Portoviejo, que fueron construidos con unos 15 años de diferencia. Durante la etapa de diseño, se avanzaron dos perforaciones de suelo dentro de los terraplenes existentes de cada uno de los accesos al segundo puente. Las exploraciones revelaron la presencia de una capa relativamente delgada de arena limosa suelta a lo largo del acceso sur a los puentes.

Debido a que los diseñadores no consideraron que esta capa delgada fuera lo suficientemente gruesa como para provocar un mal funcionamiento grave debido a la licuación del suelo, este terraplén de acceso se construyó sobre los suelos de cimentación nativos sin ninguna estabilización. Cerca del río, la arena suelta y limosa era mucho más espesa. Con un espesor máximo de 7 m, los diseñadores consideraron más tarde que la capa de arena suelta y limosa era lo suficientemente gruesa como para sufrir daños potencialmente catastróficos bajo el evento sísmico a nivel de diseño. El terraplén de Mejía fue sometido a un PGA de 0,35 g, un valor lo suficientemente alto como para desencadenar la licuación, lo que resultó en una falla catastrófica (Figura 2a).

El terraplén experimentó un importante asentamiento vertical y deformaciones laterales, alcanzando los 4 m en su lado izquierdo. Los análisis pseudoestáticos de estabilidad de taludes posteriores mostraron que el plano de falla probablemente era circular y estaba asentado en los suelos de cimentación gruesos y licuables. En el lado derecho del terraplén se observó una fisura de 1,0 m de profundidad entre la calzada y las aceras adyacentes, que limitaba el tránsito rodado a los dos carriles más a la derecha. La pérdida de dos carriles disponibles para el tráfico provocó una tremenda pérdida de conductividad local y la imposibilidad de transportar rápidamente vehículos de emergencia a las comunidades cercanas.

El terraplén de tierra compactada Briceño se encuentra ubicado en la ciudad de Briceño, 130 km al sur del epicentro (Figura 1). El terraplén forma parte de la Troncal del Pacífico (E15), una de las cuatro vías estatales que atraviesan el Ecuador de norte a sur. Esta carretera de cuatro carriles es paralela a la orilla del mar. Conecta las principales ciudades costeras y las playas populares de Ecuador, y es esencial para la economía y el turismo del país. Con base en un extenso programa de exploración geotécnica realizado durante el estudio geotécnico para el terraplén, los diseñadores del proyecto identificaron arenas limosas licuables a lo largo de un tramo de 0,7 km de la carretera propuesta cerca del río Boca de Briceño. De acuerdo y bajo la aprobación de las instituciones gubernamentales del Ecuador, se requirió el mejoramiento del terreno en el área licuable.

El método de mejora del terreno seleccionado incorporó elementos de pila de agregado apisonado (RAP) de desplazamiento de 50 cm de diámetro que estaban espaciados de 2 a 3 m entre centros y se extendían a través de los materiales licuables. Esta fue la primera aplicación de la tecnología RAP para la reducción de la licuación en Ecuador, una aplicación que finalmente demostró ser fundamental para proporcionar resiliencia a la estructura. Al igual que el terraplén de Mejía, el terraplén de Briceño se construyó sobre arenas limosas sueltas y licuables que fueron sometidas a un PGA de 0,4 g. Este valor fue lo suficientemente alto como para desencadenar la licuación en las arenas adyacentes al terraplén (Figura 3), donde se observaron numerosos forúnculos de arena que alcanzaron un diámetro de 1,0 m.

Además, hacia el norte del terraplén, cerca del estribo del puente Briceño, se desarrollaron grandes deformaciones laterales en sus laderas. Pero a diferencia del sitio de Mejía, el terraplén de Briceño sobrevivió al terremoto con sólo grietas superficiales menores en el pavimento a lo largo de las juntas frías del pavimento (Figura 2b). Después del terremoto, la carretera E15 fue crucial para la comunicación directa y el transporte de emergencia de mercancías a las zonas más afectadas. Una falla catastrófica del terraplén de Briceño, como la que ocurrió en Mejía, habría retrasado los servicios de rescate y probablemente habría llevado a un aumento en la pérdida de vidas.

Después del terremoto, se investigaron las condiciones del subsuelo en ambos terraplenes utilizando diferentes técnicas de exploración invasivas. En el sitio de Mejía, las pruebas de penetración estándar (SPT) y las pruebas de penetrómetro de cono con mediciones de presión de poro (CPTu) mostraron una capa de arena limosa y arcillosa suelta a medianamente densa que varía en espesor de 6 a 7 m en el lado izquierdo del terraplén, disminuyendo de 1 a 1,5 m en el lado derecho. Los depósitos licuables más espesos en el lado izquierdo cumplieron las condiciones para una falla de flujo, mientras que la disminución del espesor en el lado derecho limitó los desplazamientos en el terraplén.

La Figura 4 muestra los lugares de exploración geotécnica, las características de falla observadas y los resultados de los análisis de estabilidad para el terraplén de Mejía. Además de las pruebas SPT y CPTu, los suelos de cimentación que sostienen el terraplén Briceño fueron evaluados mediante pruebas de dilatómetro (DMT) y diferentes pruebas de velocidad de ondas de corte, incluidas pruebas de crosshole y análisis multicanal de ondas sísmicas superficiales con mediciones de matriz de microtemblores (MASW+MAM).

Con base en estas pruebas, los diseñadores descubrieron que el terraplén estaba sustentado por un depósito de arcilla limosa no licuable de 2,5 a 3 m de espesor sobre arena limosa y limo arenoso licuable, suelto y de 1,0 a 2,5 m de espesor. La Figura 5 muestra la geometría del terraplén y las ubicaciones de las pruebas SPT, SCPTu y DMT realizadas después del terremoto en los suelos de cimentación debajo del terraplén y en el campo libre adyacente a él.

Al igual que otros métodos vibratorios, se sabe que los RAP densifican materiales de arena limpios y limosos sueltos, como los que se encuentran en muchos depósitos de suelo aluvial. Sin embargo, instalaciones de prueba en Nueva Zelanda, Italia y Estados Unidos han demostrado que la técnica de construcción RAP también puede densificar materiales de arena limosa, aunque con una reducción proporcional en la eficiencia a medida que aumenta el contenido de limo. En el sitio de Briceño, los resultados de las pruebas posteriores al terremoto en las áreas de campo libre alejadas del terraplén mostraron claramente que estos materiales eran susceptibles a la licuación. Esta conclusión se confirmó con base en observaciones de ebullición de arena adyacentes al terraplén (Figura 3).

La Figura 6 muestra los resultados de los análisis desencadenantes de la licuación mediante los cuales los datos trazados a la izquierda de la línea están asociados con la licuación. Cuando se corrige la presión de sobrecarga del terraplén, los análisis muestran que, si bien la susceptibilidad a la licuación es menor, aún queda suficiente susceptibilidad para desencadenar la licuación.

La Figura 6 también muestra la densificación que se logró con las instalaciones de RAP, medida por el aumento en los valores de resistencia de la punta del CPT debajo del terraplén, donde los valores equivalentes de resistencia de la punta de arena limpia (qc1,Ncs) corresponden a la media de los valores medidos. en la capa licuable. Este aumento de densidad contribuyó, al menos parcialmente, al aumento del factor de seguridad frente a la activación de la licuación. Sin embargo, los análisis sugieren que el aumento de la densidad es insuficiente para explicar completamente la estabilidad del terraplén. Entonces, ¿qué más ayudó a los suelos de cimentación a resistir la licuación?.

Además de la densificación, los elementos RAP resisten la licuación al: (a) proporcionar una vía de drenaje más permeable para la reducción del exceso de presiones de agua de los poros; (b) aumentar la tensión media de confinamiento en la matriz del suelo; (c) reducir el esfuerzo cortante dinámico inducido aplicado durante el terremoto redistribuyendo los esfuerzos hacia los elementos más rígidos; y (d) aumentar la resistencia al corte general de los materiales del subsuelo.

Debido a que los materiales de arena limosa exhiben una baja conductividad hidráulica y debido a que los elementos RAP estaban relativamente espaciados, parece poco probable que la reducción de la presión del agua de poro sea la causa de la estabilidad adicional incremental. Por lo tanto, los efectos combinados de los mecanismos (b) a (d) (no presentados) parecen haber resultado en una mayor estabilidad del terraplén Briceño. Los resultados del terraplén de Briceño brindan la oportunidad de obtener una idea de las contribuciones potenciales de cada uno.

Una investigación realizada en Virginia Tech y UC Davis para investigar la influencia beneficiosa de la redistribución del esfuerzo cortante a través del mecanismo (c) utilizando el análisis de elementos finitos acoplados ha demostrado que, debido a su rigidez y esbeltez inherentes, las columnas verticales aisladas no resisten los esfuerzos aplicados por medios puros. cortar. Esto significa que los enfoques para la distribución pura del esfuerzo cortante promovidos en la década de 1990 son generalmente inapropiados para el diseño a menos que se considere la contribución de la rigidez a la flexión.

Dependiendo del espaciamiento y la rigidez de los elementos RAP, y del método de análisis seleccionado, la redistribución del esfuerzo cortante puede resultar en una disminución del 5 al 20 por ciento en la susceptibilidad a la licuación. En este análisis, sin embargo, se evaluó la distribución del esfuerzo cortante para elementos con espaciamiento de 1.9 m que corresponden a los pilares en el área de los taludes, arrojando una reducción entre 30 y 40 por ciento, como se muestra en la Figura 6. Estos valores pueden ser menor para otras zonas del terraplén donde el espaciamiento alcanza los 2,75 m (ver Figura 5).

Respecto al mecanismo (b), las pruebas DMT realizadas como parte de la investigación Briceño muestran un aumento significativo en el índice de tensión horizontal (KD) en la matriz del suelo entre los elementos RAP en comparación con las mediciones realizadas en campo libre. Estos resultados indican una tensión de confinamiento media general más alta con la consiguiente reducción del potencial de licuación. En la Figura 6, se presentan los efectos de los mecanismos (b) y (c) en la evaluación de la licuación, que reducen el potencial de licuación a "no probable". Sin embargo, el mecanismo (d), que considera la contribución de los pilares relativamente fuertes y rígidos en el comportamiento agregado, no se presenta en la figura.

Como parte del sistema vial estatal de Ecuador, ambos terraplenes son esenciales para la viabilidad económica de sus áreas regionales. Después del terremoto de Ecuador de 2016, el terraplén de Mejía se desplazó 4 m lateralmente, lo que provocó una falla catastrófica y una pérdida del 50 por ciento en la conductividad de los vehículos. Con un mejor conocimiento de los depósitos producidos por la geomorfología del río y con exploración geotécnica adicional, se hubiera podido detectar la variación espacial de la capa de arenas limosas sueltas que alcanzó los 7 m en la zona del terraplén fallido. Por el contrario, los diseñadores del terraplén de Briceño anticiparon la probabilidad de licuación.

El terraplén funcionó muy bien durante la carga sísmica y fue completamente utilizable después porque el sistema RAP cumplió su función de densificar los suelos licuables, mejorar el drenaje y así controlar el aumento de la presión del agua intersticial, aumentar el confinamiento, redistribuir los esfuerzos de corte dinámicos hacia los elementos más rígidos y aumentar resistencia al corte. Este tratamiento de mejora del suelo mejoró la resiliencia de los suelos de cimentación y del terraplén suprayacente. Pronto se reparó el terraplén de Briceño y se rellenaron sus grietas con asfalto caliente, tarea que duró apenas unos días y con un coste mínimo.

Creemos que esta es la primera vez que estos elementos de mejora del terreno relativamente rígidos, pero dúctiles, se han probado completamente en condiciones de la vida real bajo un evento tan severo como un terremoto de 7,8 megaempuje con PGA que alcanzaron 0,4 g. Los resultados de la investigación geotécnica y las observaciones de su desempeño sirven para mejorar la comprensión de los múltiples factores que contribuyen a la evaluación de la licuación con RAP. Además, los resultados demuestran que utilizando criterios de ingeniería y aprovechando técnicas efectivas de mejoramiento del terreno, es posible obtener geoestructuras resilientes, capaces de soportar las condiciones más desfavorables, como en el caso de suelos licuables bajo eventos sísmicos extremos. Las inspecciones y análisis posteriores al evento basados en datos registrados en Briceño demostraron que este sistema de mejora del suelo podría soportar futuros eventos sísmicos, satisfaciendo otra piedra angular de la resiliencia: la redundancia.