El fenómeno de licuación, causas y efectos
By Héctor de la FuenteEl fenómeno de licuación de arenas ha interesado desde finales del siglo XVIII, ya que se tienen registros de su ocurrencia desde 1783 (Hobbs, 1907). En la época moderna (siglo XX), los primeros casos de importancia fueron los registrados durante los sismos de San Francisco en 1957, de Jáltipan en 1959, y el de Chile en 1960. Sin embargo, no fue sino hasta los sismos de 1964 en Anchorage, Alaska y en Niigata, Japón, que el fenómeno comenzó a tener una gran importancia para los investigadores del área de la mecánica de suelos ya que las pérdidas asociadas al fenómeno (tanto materiales como humanas), durante estos eventos fueron considerablemente importantes. El sismo de Niigata se cita simbólicamente como “el primer evento en el mundo en donde todo tipo de infraestructura moderna fue destruida (para sorpresa de muchos), por un fenómeno que después se conocería como “licuación del suelo” (Ishihara, 1993).
Definición de licuación de suelos
Al fenómeno de licuación, también llamado licuefacción, se le asocia una pérdida parcial o total de la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos, que ocurre por la aplicación repentina de una carga monotónica o cíclica en condiciones no drenadas (a volumen constante).
La tendencia a la contracción de los depósitos de arena en estado inicial suelto, durante la aplicación repentina de un esfuerzo cortante monotónico o cíclico y la nula posibilidad de la disipación de la presión de poro generada como consecuencia, provoca un incremento progresivo de esta presión, que cuando llega a ser igual al esfuerzo confinante inicial efectivo, la arena pierde su resistencia y se dice que ha sufrido licuación. El fenómeno se manifiesta a través de grandes deformaciones, flujo y la aparición de pequeños volcanes de arena una vez que termina la aplicación de la carga.
Seed y Lee (1966) describen el fenómeno de la siguiente manera: “si una arena saturada es sometida a vibración, tiende a compactarse y a disminuir su volumen; si es difícil que se presenten las condiciones de drenaje adecuadas, esta tendencia de disminución de volumen resulta en un incremento de la presión del agua en los poros, y si este incremento de presión iguala a el esfuerzo confinante inicial, el esfuerzo efectivo se hace cero y la arena perderá su resistencia al esfuerzo cortante, se dice entonces que desarrolla su estado licuado”.
Posteriormente se reconoció que el término de licuación se utilizaba para describir diferentes fenómenos, que están íntimamente relacionados.
Casagrande (1976) definió como “licuación real” a la respuesta de una muestra de arena suelta y saturada cuando se le somete a deformaciones o impactos que dan como resultado una pérdida sustancial de resistencia y en casos extremos a flujo de taludes, y por licuación cíclica a la respuesta de un espécimen dilatante de arena cuando se le ensaya en cámara triaxial cíclica y la presión de poro se eleva en forma sostenida hasta igualar a la presión de confinamiento.
Castro (1975) distinguió al menos dos fenómenos diferentes asociados a la licuación y los definió como licuación y movilidad cíclica, ambos fenómenos tienen en común el desarrollo de altas presiones de poro a volumen constante. Sin embargo, la licuación consiste en una pérdida de la resistencia al esfuerzo cortante y solamente puede ocurrir en arenas que se encuentran más sueltas que su estado crítico. La movilidad cíclica consiste en un incremento gradual de deformaciones cíclicas y puede ocurrir en arenas sueltas o densas, pero que no necesariamente representa una perdida total en la resistencia al esfuerzo cortante del suelo.
Seed (1979) con el objeto de aclarar confusiones acerca de la terminología usada para definir el efecto de la pérdida de resistencia al esfuerzo cortante debido al incremento en la presión de poro propuso las siguientes definiciones:
“Licuación”. Es la condición en la cual el suelo puede experimentar una deformación continua a un esfuerzo residual bajo y constante o con una resistencia residual baja, ocasionada por el incremento y mantenimiento de grandes presiones de poro, lo cual reduce el esfuerzo confinante efectivo a valores muy bajos. Este incremento de la presión de poro puede ser ocasionado por la aplicación de esfuerzos cíclicos o estáticos, y su posibilidad de ocurrencia dependerá de la relación de vacíos o compacidad relativa de la arena y del esfuerzo confinante; también puede ser provocado por el gradiente hidráulico crítico generado por el flujo ascendente del agua en el depósito de suelo.
“Relación de presión de poro cíclica pico de 100%”. Es la condición en donde, durante el curso de la aplicación de esfuerzos cíclicos, la presión de poro residual, al completarse cualquier ciclo de esfuerzos, se vuelve igual al esfuerzo confinante aplicado; el desarrollo de la presión de poro cíclica pico de 100% no tiene implicaciones con respecto a la magnitud de las deformaciones que el suelo puede experimentar posteriormente; sin embargo, define una condición que es una base útil para evaluar diversas formas posibles del comportamiento posterior del suelo.
“Relación de presión de poro cíclica pico de 100% con potencial de deformación limitado o Movilidad Cíclica”. Es la condición en la cual las aplicaciones de esfuerzos cíclicos desarrollan una relación de presión de poro pico cíclica de 100% y las subsecuentes aplicaciones de esfuerzos cíclicos provocan el desarrollo de deformaciones limitadas ya sea debido a la resistencia remanente del suelo a la deformación, o debido a que el suelo se dilata, la presión de poro decrece y el suelo se estabiliza bajo la carga aplicada. La Movilidad Cíclica puede usarse también en un sentido amplio para describir la deformación cíclica que puede ocurrir aun con relaciones de presión de poro menores del 100%, caso en el que el valor actual pico de la presión de poro puede ser fijo.
La licuación de flujo ocurre cuando los esfuerzos cortantes necesarios para el equilibrio estático de la masa de suelo (esfuerzos cortantes estáticos), son mayores que la resistencia al esfuerzo cortante del suelo en su estado licuado. Una vez iniciada la licuación, se presentan grandes deformaciones debido a la licuación de flujo, que son gobernadas principalmente por la acción de esfuerzos cortantes estáticos. Los esfuerzos cíclicos pueden simplemente llevar al suelo a un estado inestable, en el cual su resistencia disminuye lo suficiente como para permitir que los esfuerzos estáticos produzcan la falla de flujo.
Factores que influyen en la ocurrencia de la licuación
Díaz Rodríguez (1986) identificó ocho factores que influyen de la ocurrencia a licuación de los suelos, éstos son:
- Tipo de suelo
- Compacidad relativa o relación de vacíos
- Esfuerzo confinante inicial
- Magnitud del esfuerzo repetido
- Número de ciclos de esfuerzo
- Estructura,
- Lapso de esfuerzo sostenido y
- Historia previa de deformaciones
Actualmente se reconocen otros factores como: el grado de saturación (Sr) y la influencia de estructuras o edificaciones (la presencia de esfuerzos cortantes estáticos adicionales), por nombrar los más relevantes.
Los suelos con mayor susceptibilidad a licuación son aquellos en los que los procesos geológicos los depositan en un estado suelto y con granulometría uniforme. Los depósitos fluviales, coluviales y eólicos saturados son los de mayor probabilidad a sufrir licuación.
El relleno de los vacíos existentes entre las partículas de mayor dimensión por partículas de menor dimensión en un suelo bien graduado, disminuye la posibilidad de cambio de volumen del suelo ante la aplicación de la carga y por lo tanto, evita la generación de la presión de poro en exceso.
El fenómeno de licuación no se limita a suelos arenosos, ya que se ha observado su ocurrencia en limos no plásticos, tanto en laboratorio como en campo (Ishihara, 1985). Así mismo, se ha encontrado que el incremento en la plasticidad de los finos que contiene el suelo, disminuye el riesgo a licuación (Kramer, 1996).
De acuerdo con el criterio chino (Wang, 1979), un suelo fino es susceptible a licuación si cumple con lo siguiente:
- Fracción del suelo con partículas menores de 0.005 mm < 15%
- Límite líquido de esa fracción ≤ 35%
- Contenido natural de agua ≥ 0.9 LL Índice de liquidez ≤ 0.75
Por otro lado y con el objeto de evaluar la susceptibilidad a licuación de los suelos con cierto contenido de grava, Evans y Zhou (1995) realizaron pruebas triaxiales cíclicas no drenadas en suelos compuestos de una mezcla grava-arena, cuyo contenido de grava varió de entre 0 a 100%. Ellos encontraron que la resistencia a licuación de estas mezclas se incrementa significativamente con el contenido de grava, y que un suelo con una compacidad relativa del 40% y con un contenido de grava del 40%, se comporta como una arena limpia con una compacidad relativa del 65%.
Enfoque de mejoramiento suelos potencialmente licuables con Columnas de Grava Compactada
Las Columnas de Grava Compactada con los sistemas Geopier, a través de su particular proceso constructivo, no solo generan una densificación en el suelo matriz circundante, sino que también toma los esfuerzos cortantes del suelo brindándole mayor soporte o resistencia. Los mecanismos clave de las pilas de grava compactada para mitigar la licuación son:
- Aunque el material de la pilas de grava no cumple los criterios establecidos para un filtro, la reducción gradual de la presión de poros en la pilas es importante ya que crea un efecto similar a un filtro que mantiene el soporte lateral necesario para la capacidad de carga de las pilas y que impide un mayor grado de infiltración del terreno en las pilas
- Los elementos de pilas de grava compactada producen una densificación de la matriz de suelo
- Transferencia del esfuerzo cortante cíclico hacia las inclusiones rígidas y aumento del esfuerzo confinante del suelo
El cálculo del potencial de licuación de un suelo viene dado de la siguiente manera:
CRR: La tasa de resistencia al esfuerzo cortante cíclico producto del sismo
CSR: La demanda de esfuerzo cortante cíclico
Producto de la instalación de estos elementos de refuerzo, se suman dos factores que afectarán la expresión señalada anteriormente, como lo son el factor de incremento de esfuerzo medio por densificación (Km), y el porcentaje de re-distribución del esfuerzo cortante del suelo matriz hacia los elementos de pilas de grava (Kg). Mediante estos dos factores se obtiene la siguiente expresión:
En la Figura 2, se observa cómo se puede mitigar el potencial de licuación debido a una reducción del esfuerzo cortante del suelo (Kg), y un incremento en la densificación del suelo (Km) producto de la instalación de las pilas de grava compactada.
Conclusiones
Durante algún tiempo, se consideró a los suelos no cohesivos como materiales estables y de bajo riesgo comparados con los suelos cohesivos, esta consideración es cierta para condiciones de carga sostenida de larga duración, sin embargo, cuando se les somete a cargas dinámicas rápidas y repentinas, la situación se revierte.
Mientras que los suelos cohesivos exhiben más resistencia a la deformación o a la falla bajo cargas dinámicas de corta duración, la resistencia de los suelos no cohesivos tiende a disminuir bajo cargas dinámicas (como las inducidas por un evento sísmico), en particular cuando se encuentran saturados y en estado suelto.
Las Columnas de grava Compactada son efectivas como medida de mitigación de licuación de suelos al densificar, aumentar el confinamiento, y capacidad de disipación de presión de poros. De forma similar, han probado un excelente desempeño como medida de mejoramiento para suelos blandos con baja capacidad de carga.
Referencias
Casagrande, A. (1976). “Liquefaction and cyclic deformation of sands – a critical review,” Harvard Soil Mechanics Series, No. 88, Harvard University, Cambridge, Mass. Castro G. (1975). “Liquefaction and cyclic mobility of saturated sands,” Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE, Vol. 101, GT6, pp. 551 – 559. Castro G. y Poulos, S. J. (1977). “Factors affecting liquefaction and cyclic mobility,” Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE, Vol. 103, GT6, pp. 501 – 516. Díaz Rodríguez, J. A. (1986). “Comportamiento sísmico de suelos granulares,” DEPFI, UNAM, México. Díaz Rodríguez, J. A. (1995). “Determinación de las propiedades dinámicas de los suelos,” DEPFI, UNAM, México. Evans, M. D. y Zhou, S. (1995). “Liquefaction behavior of sand gravel composites,” Journal of the Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 121, No. 3, pp. 287 – 298. Hobbs, W. H. (1907). Earthquakes, D. Appleton Co., New York. Ishihara K. (1985). “Stability of natural deposits during earthquakes,” Proccedings 11th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, San Francisco, Cal. Vol. 1, pp. 321 – 376. Kramer, S. L. (1996). Geotechnical Earthquake Engineering, Prentice Hall, N. J. Ishihara, K. (1993). “Liquefaction and flow failure during earthquakes,” Geotechnique, Vol. 43, No. 3, pp. 351-415. Ishihara, K. (1996). Soil Behavior in Earthquake Geotechnics, Clarendon Press, Oxford. Ishihara, K., y Li, S. (1972). “ Liquefaction of saturated sand in triaxial torsion shear test,” Soils and Foundations, JSSMFE, Vol. 12, No. 1, pp. 19 – 39. Ishihara, K., Tsuchiya, H., Huang, Y., y Kamada, K. (2001). “Recent studies on liquefaction resistance of sand – effect of saturation,” Proceedings: Four International Conference on Recent Advances in Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics and Symposium in Honor of Professor W. D. Liam Finn, Keynote Lecture, San Diego, Cal., pp. 1 – 7. Ishihara, K., y Yamazaki, F. (1980). “ Cyclic simple shear test on saturade sand in multi- directional loading,” Soils and Foundations, JSSMFE, Vol. 20, No. 1, pp. 45 – 59. Seed, H. B. (1979). “Soil liquefaction and cyclic mobility evaluation for level ground during earthquakes,” Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE, Vol. 105, GT2, pp. 201 – 255. Seed, H. B. (1983). “Earthquake resistant desing of earth dams,” Proceedings of Symposium of Seismic Desing of Embankments and Caverns, ASCE, Vol. 1, New York, pp. 41 – 64. Seed, H. B., Arango, I., y Chan, C. K. (1975). “Evaluation of soil liquefaction potential during earthquakes,” Report No. EERC 75-28, Earthquake Engineering Research Center, University of California Berkeley, CA. Seed, H. B. e Idriss, I. M. (1971). “Simplified procedures for evaluating soil liquefaction potential,” Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE, Vol. 97 No. SM9, pp. 1249 – 1273. Seed, H. B. y Lee, K. L. (1966). “Liquefaction of saturated sands during cyclic loading,” Journal of Soil Mechanics and Fondation Division, ASCE, Vol. 92, SM6, pp. 105 – 134. Seed, R. B. y Harder, L. F. (1990). “SPT – based analysis of cyclic pore pressure generation and undrained residual strength,” Proceedings of Memorial Symposium of H. B. Seed, Vol. 2, pp. 351 – 376. Wang, W. (1979). “Some findings in soil liquefaction,” Report: Water Conservancy and Hydroelectric Power Scientific Research Institute, Beijing, China.