¿QUÉ ES EL FENÓMENO DE LATERAL SPREADING?

El lateral spreading es una deformación común del suelo inducida por la licuación del suelo, que ha causado grandes daños a edificios en terremotos anteriores. En la actualidad, se han propuesto varios métodos empíricos para evaluar el lateral spreading; sin embargo, debido a la complejidad del problema, es difícil para los métodos tradicionales predecir el desplazamiento del lateral spreading con gran precisión (Chen et al. 2022), a pesar de eso, no es un fenómeno que deba ser despreciado o tomado a la ligera, ya que es una de las fallas por licuación más catastrófica y más común ocurrida durante los terremotos.

Por ejemplo, el Gran Terremoto del Este de Japón de 2011 provocó la grave licuación del terreno en el área de la Bahía de Tokio, desde Shinkiba en Tokio a través de las ciudades de Urayasu, Ichikawa y Narashino hasta la ciudad de Chiba, a pesar de haber sido construidas después del terremoto de Niigata en 1960 (en donde hubo también registros de lateral spreading). Sin embargo, el terreno que había sido mejorado por el método de pilotes de compactación de arena, el método de drenaje de grava u otros métodos no se licuaron (Yasuda et al. 2012).

Por lo tanto, para poder definir los métodos de mitigación y prevención de daños producidos por lateral spreading es necesario conocer de manera correcta y detallada este mecanismo de falla y como afecta a las diversas obras geotécnicas, así como revisar los métodos empíricos que han propuesto otros autores anteriormente para resolver el problema, todo esto es el objetivo principal de este blog.

Cuando ocurre la licuación de suelos, pueden ocurrir varios tipos diferentes de fallas en el suelo, generalmente dependiendo de la topografía. En terreno llano, los bloques de suelo superficial mayormente intacto por encima de una capa licuada pueden chocar y empujar durante la sacudida del suelo, abriendo grietas en la superficie del suelo (oscillation ground). En pendientes pronunciadas, grandes bloques de suelo casi intacto por encima de la capa licuada pueden ser lanzados violentamente decenas de metros, lo que resulta en deslizamientos de tierra catastróficos conocidos como fallas de flujo. Pero en pendientes suaves (típicamente de 0.3 a 5%), los bloques de suelo superficial en su mayoría intactos sobre la capa de suelo licuado pueden desplazarse lentamente pendiente abajo o hacia una cara libre (por ejemplo, el canal de un río), estos desplazamientos son conocidos como lateral spreading (Bunn et al. 2015).

Como lo definimos en el blog anterior (¿Cuáles son los tipos de fallas inducidas por licuación en suelos?) 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. Usualmente este modo de falla se ha registrado cerca de ríos y costas (Araujo y Ledezma, 2020). El lateral spreading es el fenómeno inducido por la licuación que más ha causado daños en el mundo 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).

La infraestructura lineal, como las líneas de servicios públicos y las rutas de transporte son particularmente susceptible a los daños en terremotos debido a la generación de lateral spreading. Las instalaciones de este tipo a menudo se consideran líneas de vida, porque se espera que continúen funcionando ininterrumpidamente en caso de un terremoto. Debido a que los desplazamientos laterales individuales producidos por lateral spreading tienden a ocurrir en regiones relativamente grandes, las rutas de servicios públicos y de transporte pueden verse afectadas en numerosos lugares como taludes, puentes y estructuras de retención que conforman las carreteras.

Por ejemplo, de acuerdo con lo reportado por el Instituto de Investigación de Ingeniería Sísmica (EERI, 2010) durante el terremoto de 2010 en México hubo daños significativos en las carreteras de Mexicali debido a lateral spreading (Figura 2), durante el gran terremoto de Alaska de 1964 el lateral spreading inducido por licuación dañó 266 puentes ferroviarios y de carreteras, colapsaron alrededor de 20 y dañaron muchos otros sin posibilidad de reparación. Esta destrucción dañó gravemente el sistema de transporte de superficie en el sur de Alaska durante muchos meses después del terremoto, este ha sido el daño sísmico más devastador a los puentes en la historia de los E.U.A. (Youd, 1993).

Otras obras civiles fuertemente afectadas por el lateral spreading son las que están sobre cimentaciones profundas. Las pilas o pilotes que se extienden desde una capa de corteza no licuable, hacia abajo a través de una capa licuable y hacia capas de soporte más competentes produce lateral spreading durante terremotos causando daños a pilas tanto en la parte superior como en la inferior de las capas licuadas (Figura 3). Sin embargo, la distribución de las cargas de distribución lateral sobre las cimentaciones profundas y, por lo tanto, los momentos de flexión, pueden verse afectados por la restricción de la superestructura contra el movimiento de la cabeza del pilote o pila.

Un ejemplo de lo anterior, se pudo observar durante el terremoto de México en 2010, el cual causó daños de moderados a severos en algunas zonas de las carreteras 2 y 5 de Baja California, provocó el colapso de un tramo del Puente San Felipito (Figura 4), que es un puente ferroviario sobre el río Colorado. El desplazamiento permanente de las pilas hacia el río fue causado por lateral spreading inducido por licuación; el desplazamiento lateral reportado por el EERI (2010) fue de más de 5 m de la orilla este del río a lo largo de aproximadamente 40 m al norte del puente, y a más de 1 m de extensión lateral en la orilla occidental. La deformación lateral del suelo a lo largo del eje del puente fue restringida por los elementos de cimentación profundos que soportaban el puente a medida que atraían las cargas del suelo en expansión. Se observó una desalineación transversal sustancial de los dos pilares en el río. Esta desalineación plantea la posibilidad de que los pilares en el río se hayan movido más como resultado de la menor cantidad de suelo que los rodea que los pilares en tierra. Es interesante que los dos pilares del río estén desalineados aguas abajo del resto de los pilares.

Debido a que las cimentaciones profundas son parte de las obras geotécnicas más importantes, es necesario que las cimentaciones de pilotes o pilas de varios tipos se diseñen para funcionar adecuadamente en suelo licuado y, al mismo tiempo cabe recalcar que ningún tipo de pilote o pila es inmune al daño si no se diseña adecuadamente por los efectos de licuación. Además, el daño de las cimentaciones profundas no está necesariamente relacionado con el daño de la superestructura (Karube y Kimura 1996, Matsui y Oda 1996) y, por lo tanto, se deben evaluar varios métodos para detectar daños después del terremoto, como: inspección de rayos X, cámara de pozo, televisión de pozo (BHTV), inclinómetro, indicador de pendiente, medición de plomada, pruebas de integridad sónica no destructivas para detectar daños en los cimientos, etc.

Otra obra civil que se ve dañada fuertemente por el lateral spreading son las tuberías, ya que las tuberías por lo general están obligadas a seguir los derechos de paso o adaptarse a las propiedades existentes, por lo que no siempre se pueden evitar las malas condiciones del suelo y los sitios potencialmente inestables. Estas restricciones pueden ser importantes para grandes tuberías de transmisión que atraviesan amplias áreas geográficas. En consecuencia, el diseño de una tubería en zonas sísmicas puede necesitar tener en cuenta grandes desplazamientos del suelo, especialmente si la tubería está ubicada cerca o dentro de un área de licuación potencial del suelo, por lo tanto, el lateral spreading se encuentran entre los peligros de licuación más problemáticos para las tuberías enterradas como se puede ver en la Figura 5 (O’Rourke y Lane, 1989).

Son muchos los daños registrados en tuberías provocados por lateral spreading, por ejemplo, durante el terremoto de San Fernando de 1971, se encontraron 11 ductos que cruzaban las áreas involucradas en desplazamientos debidos a lateral spreading. Además, dos ductos de transmisión de gas natural a alta presión resultaron severamente dañados por lateral spreading (Hamada, 1983). El terremoto de Nihonkai-Chubu de 1983 causó una gran destrucción de las instalaciones sanitarias y, en la ciudad de Noshiro, las tuberías de gas, agua y alcantarillado enterradas sufrieron daños asociados con los desplazamientos del suelo provocados por la licuación de suelo, el lateral spreading se desarrolló en una dirección perpendicular al eje de la tubería y la tubería no pudo soportar la deformación por flexión en el codo (Hamada et al. 1986). También se detectó un caso de pandeo de tubería dentro del área de lateral spreading inducido por licuación en la ciudad de Dagupan en 1990 (Wakamatsu et al. 1991).

De manera general, podemos asegurar que las estructuras situadas sobre estratos inferiores licuables en pendientes menores del 5% cerca de ríos o costa son susceptibles al lateral spreading, el cual puede causar deformaciones permanentes y fallas en las estructuras. Por lo tanto, es necesario tomar en cuenta medidas de mitigación, prevención y corrección de los efectos que podría tener el lateral spreading durante un terremoto.

Además, el nivel de las deformaciones del suelo causadas por lateral spreading está influenciado por la pendiente del suelo, la profundidad del nivel freático, la densidad del suelo debajo del nivel freático y la fuerza causada por el terremoto. La mecánica del lateral spreading es bastante compleja, por lo que las deformaciones de la superficie del suelo se predicen actualmente utilizando modelos empíricos calibrados contra el comportamiento de lateral spreading observado en terremotos anteriores. Las deformaciones del subsuelo también pueden ser importantes, particularmente para estructuras como puentes sostenidos sobre pilotes que se extienden a través de suelos licuables hacia depósitos estables subyacentes (Kramer, 1996).

Las altas pérdidas económicas atribuidas al lateral spreading resultan principalmente de la naturaleza perturbadora de las fallas individuales en múltiples sitios en grandes áreas geográficas. además, el lateral spreading ocurre con frecuencia en sitios bastante planos al lado de arroyos y otros frentes de agua donde comúnmente se encuentran sedimentos saturados. Hasta cierto punto, el alto costo de los daños asociados con el lateral spreading inducido por la licuación está relacionado con el valor del desarrollo urbano e industrial ubicado en sitios propensos al lateral spreading (Rauch, 1997).

La mitigación de los peligros producidos por lateral spreading generalmente implica la densificación, el refuerzo o la cementación del suelo susceptible a la licuación. Hay disponible una amplia variedad de métodos de construcción para reducir los peligros del lateral spreading. De acuerdo con Rauch (1997) las medidas de mitigación del lateral spreading se pueden dividir como sigue:

Las últimas dos opciones para mitigar el lateral spreading requieren un análisis para predecir los movimientos del suelo frente a la licuación estimulando la necesidad de medios fiables de modelado de lateral spreading y de mayor investigación acerca del tema.

Debido a la dificultad del mecanismo del problema de lateral spreading, la mayoría de métodos empleados para la predicción de las deformaciones inducidas por lateral spreading son de tipo empírico y semiempírico, a continuación, se describen los métodos empíricos más relevantes de acuerdo con Bunn (2015).

El primer gran esfuerzo realizado para predecir los desplazamientos del suelo asociados con lateral spreading se produjo en Hamada et al. (1986). Comenzaron utilizando fotografías aéreas de antes y después de los terremotos de Niigata, Japón, de 1964, y de Nihonkai-Chubu, Japón, de 1983, para mapear los desplazamientos horizontales del suelo causados por cada evento.

Tratando el suelo como unidades discretas, Hamada et al. (1986) pudieron determinar una pendiente promedio del suelo, θ (%), el espesor de las capas licuables, H (m), y un desplazamiento promedio, D (m), para cada bloque. Luego se realizó un análisis de regresión sobre los valores promedio de cada bloque para producir la Ecuación 1, la pendiente del suelo utilizada en la ecuación se considera la mayor entre la pendiente debajo de la capa licuable y la pendiente de la superficie del suelo.

Hamada y O'Rourke (1992) presentaron varias posibles fuentes de error al derivar la Ecuación 1, incluida la incorporación de datos de pozos obtenidos a más de 100 metros de los desplazamientos observados y las dificultades para estimar la pendiente debajo de la capa licuable. Después de limitar los datos del pozo a aquellos dentro de los 25 metros de los desplazamientos y extender la distancia sobre la cual se calcularon las pendientes del suelo, Hamada y O'Rourke (1992) obtuvieron correlaciones mejoradas entre el espesor de cada capa licuada y el desplazamiento.

Casi al mismo tiempo que Hamada et al. (1986), Youd y Perkins (1987) estaban trabajando para desarrollar un método empírico para evaluar la severidad esperada del daño causado por la licuación para poder realizar un mapeo regional de amenazas. Comenzaron definiendo un parámetro llamado severidad de licuación S (pulgadas), que describe los desplazamientos medidos de terremotos anteriores, y R (km), que representa la distancia desde un sitio hasta la fuente de energía sísmica más cercana. Debido a que se pueden medir numerosos valores en un solo lugar, Youd y Perkins (1987) luego definieron el índice de severidad de licuación (LSI) como la mayor de las medidas observadas o esperadas. Luego, los factores finales se ajustaron a los datos usando un análisis de regresión lineal múltiple para crear la ecuación 2.

Varios años después de los trabajos de Hamada et al. (1986) y Youd y Perkins (1987), Bartlett y Youd (1992a, 1995) reconocieron que ambos métodos fallaron en abordar muchos de los factores que contribuyen a las deformaciones permanentes del terreno inducidas por la licuación. Para producir un enfoque más sólido, compilaron historias de casos de lateral spreading durante varios terremotos en Estados Unidos y Japón y agregaron más factores geológicos, topográficos y geotécnicos a lo que ya se había incluido en los dos análisis anteriores.

A partir de este estudio, Bartlett y Youd (1992a, 1995) encontraron que la base de datos de casos históricos de lateral spreading se podía dividir en dos categorías según la topografía: (1) lateral spreadings que se produjeron hacia una cara libre (como el cauce de un río o una depresión escarpada); y (2) lateral spreadings que ocurrieron en una pendiente gradual sin una cara libre. Para los casos de cara libre, la magnitud de la deformación del suelo aumentó con la proximidad a la cara libre, lo que llevó a Bartlett y Youd (1992a, 1995) a crear un parámetro descriptivo que luego podría incorporarse a sus análisis estadísticos. El resultado fue la relación de cara libre, W (%), que se define por la Ecuación 3 con la altura de la cara libre, H, y la distancia horizontal desde la base de la cara libre hasta el suelo desplazado, L.

Bartlett y Youd (1992a, 1995) también encontraron una relación entre los desplazamientos del suelo y el espesor de la capa de suelo licuado. Para evaluar esta relación, se calcularon los valores de T10, T15 y T20 (todos en metros) en cada caso histórico y se definieron como el espesor acumulativo de todas las capas saturadas y sin cohesión. A través de análisis de regresión, Bartlett y Youd (1992a, 1995) encontraron que el parámetro T15 proporcionaba el mejor ajuste para predecir los desplazamientos de lateral spreading.

Además de la relación de caras libres y el espesor de las capas licuadas, Bartlett y Youd (1992a, 1995) también notaron correlaciones entre los desplazamientos horizontales y el contenido promedio de finos, F15 (%) y el tamaño promedio de grano, D5015 (mm), de la capa T15. Luego, los parámetros se analizaron junto con otras variables sismológicas y topográficas para producir un modelo de regresión multilineal para predecir los desplazamientos horizontales debido a la dispersión lateral, DH.

A partir de la base de datos de históricos, Youd et al. (2002) cambiaron la forma de los parámetros D5015 y R. Para mejorar el desempeño del modelo con suelos de grano grueso, ahora se incorporó el logaritmo de D5015 en la regresión. Además, R, la distancia a la fuente de energía sísmica más cercana, se ajustó para que se convirtiera en una función de la magnitud del terremoto para evitar sobreestimaciones del desplazamiento a medida que R se hacía pequeño. La distancia ajustada, R*, se define en las siguientes ecuaciones.

Luego, los parámetros, incluidos R* y R, se analizaron mediante una regresión lineal múltiple, como la de Bartlett y Youd (1992a, 1995), para producir las siguientes ecuaciones que se han vuelto bastante populares en la práctica de la ingeniería.

El modelo para caras libres:

Y el modelo para sitios con pendiente suave: