dinamica de suelos
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GEOTECNIA DINAMICA DE SUELOS
1 UNIVERSIDAD NACIONAL SANLUIS GONZAGA | Facultad de Ingeniería Civil
Comportamiento Dinámico
de los Suelos por
efecto
GEOTECNIA DINAMICA DE SUELOS
ANTECEDENTES
La historia sísmica de la región central del Perú pone en evidencia que, desde el pasado,
Lima Metropolitana y la Provincia Constitucional del Callao han sido y vienen siendo
afectadas por la ocurrencia continua, a través del tiempo, de sismos de gran magnitud e
intensidad. Estos sismos han producido, en dichas ciudades y en reiteradas ocasiones,
daños materiales y pérdidas de vidas humanas. La recopilación detallada de los sismos
ocurridos en esta región, desde el año 1500, puede ser consultada en detalle en Silgado
(1978) y Dorbath et al (1990). La principal fuente que genera estos sismos se encuentra
en la superficie de fricción existente entre las placas de Nazca y Sudamericana debido al
proceso de convergencia que se desarrolla entre ambas. En esta fuente, los sismos
históricos habrían alcanzado magnitudes de hasta 9.0Mw como el ocurrido en Octubre de
1746, sismos recientes presentaron magnitudes de hasta 8.0Mw, tal es el caso de los
ocurridos en Mayo de 1940, Octubre de 1966 y Octubre de 1974. De acuerdo al desarrollo
urbanístico de Lima Metropolitana, a través de los años, los posibles efectos desastrosos
de estos sismos serían más fuertes debido principalmente a condiciones como antigüedad
de las construcciones, mala calidad del material utilizado y, principalmente, al poco
conocimiento de la calidad del suelo sobre el cual se ha levantado la ciudad y en otras
áreas consideradas como proyectos de expansión urbana. Ejemplos recientes, son los
procesos de licuación de suelos que se produjeron en Tambo de Mora (Ica) con la
ocurrencia del sismo de Agosto del 2007.
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Comportamiento Dinámico
de los Suelos por
efecto
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INTRODUCCION
Un Sismo es un movimiento súbito e impredecible de una parte de la corteza terrestre,
ocasionado por fuerzas que tienen su origen en el interior de la Tierra.
Las investigaciones de los daños ocasionados por sismos recientes a todo tipo de
estructuras, como edificios, instalaciones industriales, puentes, caminos, obras portuarias
y embalses; han permitido concluir que un gran porcentaje de fallas estructurales han
ocurrido como consecuencia de comportamientos desfavorables de los suelos de
fundación.
Los sismos son propagados por ondas; las características del movimiento ondulatorio son
modificadas por las propiedades dinámicas del medio a través del cual se propagan
dichas ondas. El medio de propagación de las ondas sísmicas es el suelo el cual filtra el
movimiento y lo transforma, amplificando las componentes de ciertas frecuencias y
atenuando otras, haciéndolo así potencialmente más destructivo para aquellas estructuras
cuyas frecuencias propias son cercanas a las frecuencias predominantes del movimiento
del suelo.
Así mismo, la ingeniería y la dinámica de suelos están interesadas en los periodos
característicos de vibración de los suelos y los edificios. La respuesta de los edificios
depende de la frecuencia predominante del movimiento sísmico, y de las frecuencias
naturales de la columna de suelo y del edificio. La respuesta del edificio se verá afectada
si las dos frecuencias coinciden.
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DINAMICA DE SUELOS
El movimiento de una partícula que oscila alrededor de una posición de equilibrio se
conoce como vibración. Cuando un sistema elástico es desplazado de una posición de
equilibrio, se genera una vibración, debido a la acción de fuerzas recuperadoras. Los
terremotos y las ondas sísmicas producen vibraciones en las partículas del suelo.
I. PROPIEDADES DINÁMICAS DE LOS SUELOSLa naturaleza y la distribución del daño sísmico están muy influenciadas por la
respuesta del suelo frente a cargas cíclicas. Dicha respuesta está controlada en
gran medida por las propiedades del suelo. Por ejemplo, la susceptibilidad de un
depósito de suelo para amplificar el movimiento depende de las propiedades
dinámicas, siendo el módulo de corte y el amortiguamiento principales parámetros
para modelar la respuesta sísmica del suelo. Estos parámetros se relacionan con
otras propiedades del suelo, de carácter físico, por ejemplo el índice de poros, la
densidad relativa y la velocidad de las ondas de corte.
Módulo de Corte
El módulo de corte (G) se define como la razón entre la tensión de corte (t)
y la deformación unitaria de corte (y). La respuesta de un material a las
deformaciones se puede observar en un diagrama tensión – deformación.
En un material lineal, la gráfica es una línea recta, mientras que para un
material no lineal, la gráfica es una curva, como se muestra en la fig.
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Los Suelos generalmente muestran un comportamiento no lineal, pues son
materiales inelásticos e histéricos, es decir que al ser sometidos a cargas
cíclicas, como las producidas por un terremoto, su respuesta tensión –
deformación es un ciclo como se observa en la fig.
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Razón de Amortiguamiento
La razón de amortiguamiento (D) expresa la capacidad del material para
disipar la energía. Al contrario de lo que ocurre con el módulo de corte, la
razón de amortiguamiento aumenta cuando la deformación máxima
aumenta. Esto significa que la respuesta del suelo es una función del nivel
de solicitación y que mientras mayor sea la tensión solicitante más
deformable será el suelo y mayor será su capacidad de amortiguamiento.
Las relaciones entre las propiedades dinámicas (módulo de corte y razón
de amortiguamiento) y al deformación unitaria, se pueden obtener en el
laboratorio, pero no se conocen o no se pueden reproducir fielmente en el
laboratorio, como la estructura, la edad y la trayectoria de tensiones del
suelo. Los factores claves que influyen en las propiedades dinámicas del
suelo son la tensión efectiva de confinamiento, el nivel de tensiones en el
suelo, el índice de poros y la plasticidad del suelo.
Los depósitos de suelos afectados por vibraciones sísmicas pueden sufrir
cambios importantes en su capacidad resistente y provocar daños
considerables a las construcciones ubicadas sobre esos depósitos. Los
cambios en la estructura del suelo son causados por las fuerzas de inercia
que se generan por la propagación de las ondas sísmicas.
II. EFECTOS DE UN SISMO SOBRE EL SUELODependiendo de la rigidez del suelo, que condiciona la velocidad de propagación
de las ondas, se tiene que, para terremotos de fuerte magnitud, as deformaciones
unitarias pueden alcanzar valores entre 10-3 y 10-1 por ciento. Estas distorsiones
pueden causar la densificación del suelo. Si este puede drenar rápidamente, variar
las presiones de poros en condiciones no drenadas, o reducir la resistencia al
corte a valores mínimos. Las consecuencias de estos comportamientos son
asentamientos de fundaciones, hundimientos o flotación de obras subterráneas,
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volcamientos de edificios, deslizamiento de taludes y fallas de flujo de depósitos
no confinados.
DensificaciónLa densificación de depósitos de arena suelta se produce cuando el agua
intersticial puede drenar fácilmente, generando el reordenamiento de las
partículas del suelo por la variación en el índice de vacíos y por lo tanto su
densificación. Este fenómeno causa varios tipos de daños debido a los
cambios de volumen del terreno soportante, principalmente asentamientos
diferenciales.
Las relaciones Tensión – Deformación y las variaciones de volumen son
diferentes para arenas sueltas y para arenas densas. Las arenas sueltas
se comprimen para cualquier nivel de deformación, mientras que las
arenas densas se comprimen primero, pero luego se dilatan para
deformaciones mayores.
A partir de este comportamiento se define el índice crítico de vacíos y la
densidad relativa critica, que corresponden a la frontera entre el
comportamiento de compresión y de dilatación. En general se observa que
las arenas más sueltas de DR=50% se densifican y las arenas más
densas que DR=60% se dilatan, como consecuencia de las cargas
sísmicas.
LicuefacciónEn áreas donde los materiales granulares no consolidados están
saturados, las vibraciones de los terremotos pueden generar un fenómeno
conocido como licuefacción o licuación de suelos. Durante la licuefacción,
las vibraciones del suelo generan una pérdida de resistencia al corte del
mismo, transformándolo temporalmente en un estado licuado. Bajo estas
condiciones, lo que había sido suelo estable se convierte en un fluido
móvil que no es capaz de soportar edificios ni otras estructuras. Como
consecuencia, los objetos situados bajo tierra, como tanques de
almacenamiento y conducciones de alcantarillado, pueden flotar
literalmente hacia la superficie, mientras las estructuras superficiales
pueden hundirse.
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Licuefacción provocada por Terremoto
Fallas de TaludesLos depósitos de suelos limitados por superficies inclinadas, están
permanentemente sometidos a esfuerzos de corte cuyas magnitudes
dependen de las alturas y las inclinaciones de los taludes. Aumentos en
las tensiones solicitantes o disminuciones de las fuerzas resistentes,
pueden ocasionar problemas de inestabilidad como fallas de flujo y
deslizamientos de bloques.
Los movimientos sísmicos pueden activar deslizamientos de tierra. En el
caso de un sismo existe el triple efecto de aumento de esfuerzo cortante,
disminución de resistencia por aumento de la presión de poros y
deformación asociados con la onda sísmica, pudiéndose llegar a la falla, al
cortante y hasta la licuefacción, en el caso de suelos granulares saturados.
Las consecuencias de la ruptura de un talud o ladera dependen
principalmente del mecanismo de falla y de las propiedades de los suelos.
Los procesos Geotécnicos corresponden generalmente, a movimientos
hacia abajo y hacia afuera de los materiales que conforman un talud de
roca, suelo natural o relleno, o una combinación de ellos. Los movimientos
ocurren a lo largo de superficies de falla, por caída libre, movimientos de
masa, erosión o flujos.
Los movimientos más comunes causados por la falla de un talud, debido a
solicitaciones sísmicas, son las fallas de flujo y los deslizamientos.
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Deslizamiento por licuación en el momento de un sismo
Posibilidad de deslizamientos causados por sismos
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Amplificación SísmicaNormalmente, las regiones situadas a una distancia similar del epicentro
experimentan la misma intensidad de movimiento del terreno durante un
terremoto. Sin embargo esto no siempre se cumple debido a la naturaleza
del suelo sobre el cual están construidas las estructuras.
La amplificación del movimiento del terreno se produce cuando el suelo
tiene un periodo natural de vibraciones que coincide con el periodo de las
ondas sísmicas, lo que se conoce como resonancia y que puede generar
un aumento considerable en la amplitud de vibraciones.
III. COMPORTAMIENTO DEL SUELO EN LA ZONAS CRITICAS DE LOS GRANDES SISMOS PERUANOSSe hace un análisis del comportamiento del suelo y sus efectos producidos por
grandes sismos ocurridos en el Perú en las últimos décadas, análisis que muestra
que estas catástrofes, asociadas al comportamiento desfavorable de los suelos,
han causado daños considerables en pérdidas de vida estimándose que en los
últimos sismos de 1966, 1970, 1974 y 2007 han fallecido mas de 50,000 personas
y se han producido perdidas económicas de muchos miles de millones de dólares.
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El conferencista establece que existen diferentes tipos de suelos, desde suelos
resistentes o duros, como el caso del suelo subyacente al cono de deyección del
Río Rímac, en Lima, o suelos blandos o sueltos, como ocurre en los alrededores
de la metrópoli y en otras ciudades importantes del país, dándose el caso que en
algunas zonas tienden a registrarse efectos de modificación de onda y en otros
densificación o licuefacción de suelos, los cuales han dañado estructuras
importantes como otras de menor importancia .Comprendiendo la importancia que
tiene el tipo de suelo y su probable comportamiento en los proyectos de ingeniería,
desde hace varios años se ha venido investigando y publicando resultados de
numerosos avances en el campo de la Geotecnia de Terremotos , lo que ha
permitido una aceptable interpretación del comportamiento dinámico de los suelos
del Perú
En la investigación del proceso de deformación elástica de los suelos, las
partículas sólidas que constituyen el “Conglomerado de Lima”, pueden ser
consideradas como elementos absolutamente rígidos depositados en estratos
potentes que llegan hasta la profundidad de 450 m en algunos casos, por lo tanto,
pueden considerarse como suelo clasificado sísmicamente como “duro”(Figura 1 y
2).Por medio de ensayos de carga vertical y lateral (Figura 3) así como de rotura
progresiva (Figura 4), fue evaluada la condición pseudo elástica de las arenas y
gravas de los suelos de Lima.
De estos análisis se estableció que en las arenas las cargas cíclicas repetitivas
producen módulos de deformación elástica 40% mayor que su comportamiento por
aplicación de carga estática uniforme; mientras que en el caso de gravas
compactas, los módulos se incrementan en un rango de 40 a 50%.
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Por otro lado, los suelos arenosos saturados son inestables en caso de un
terremoto severo, habiendo originado el fenómeno de licuación en diferentes
regiones del país .Esto se ha podido apreciar específicamente en las áreas de
Chimbote, Huacho y Samanco en el norte del Perú y en Chincha (Tambo de
Mora), Pisco e Ica en el sur donde se ha establecido y comprobado
fehacientemente el desarrollo del fenómeno de licuación durante los terremotos de
1970 y 2007, en áreas donde el nivel freático se ubica muy cercano a la superficie
y los rangos de la distribución granulométrica de suelo y valoración del ensayo de
normal de penetración son similares a los casos ocurridos en otros lugares del
mundo (Figuras 5 y 6).
Tomando en consideración las
comparaciones efectuadas con los
resultados de los ensayos de carga directa en suelos estables con la evaluación
de la distribución de intensidades del sismo del 3 de Octubre de 1974 (Lima y
alrededores), se estableció una adecuada correlación, en la mayoría de los casos,
entre el tipo de suelo subyacente a cada localización y la evaluación de daños
registrados. Se estableció que para una magnitud sísmica de MM. 7.6, 0.19g de
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aceleración máxima del suelo y 100 segundos de duración aproximada, el suelo
areno-gravoso presenta una intensidad promedio de VI MMI y un rango de módulo
elástico de 150 a 500 kg/cm2. Además, se encontró que para módulos elásticos
promedio, correspondientes al suelo especificado, los daños siempre han sido
menores que en otro tipo de suelo, tomando en cuenta los sismos ocurridos
anteriormente. Para estos materiales geotécnicos los módulos elásticos son altos,
comprendidos entre 170 a 975kg/cm2, y su valor crece al aplicarse cargas
repetidas por ciclos.
Sin embargo, los suelos donde se presentaron casos de amplificación, reflexión y
refracción de ondas sísmicas, o efectos de densificación, o licuación, tienen
parecido módulo elástico, son bajos y están entre rangos de 98 a 130 kg/cm2,
decreciendo o permaneciendo estables cuando son aplicadas cargas cíclicas.
(Figura 7)
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Para las arenas licuadas durante el terremoto ocurrido en 1970 en Ancash, se
aplicaron relaciones aproximadas que permiten determinar si la tensión cortante
inducida en cualquier punto de la masa del suelo por un terremoto es
suficientemente grande para causar la licuación, estableciéndose que la relación
entre la aceleración máxima y la densidad relativa puede calcularse para
condiciones específicas de cada tipo de suelo, ciclos de tensión y posición del
nivel freático. Tomando en cuenta estas consideraciones, se elaboraron diagramas
con rangos de variación de licuefacción y no-licuefacción, bajo condiciones
promedio de ubicación de nivel freático é intensidad sísmica, adoptando tensiones
comprendidas entre 10 y 30 ciclos para llegar a diagramas que relacionan la
máxima aceleración superficial de terreno con la densidad relativa del suelo.
(Figura 8). Todo esto indica que el grado del potencial de licuación de los suelos
depende de su comportamiento dinámico y de factores como la intensidad y
duración de los terremotos, la ubicación de la tabla de agua,, la gradación del
tamaño de las partículas, la forma de las partículas, el entorno de los depósitos del
suelo, las condiciones de drenaje, la presión de confinamiento del suelo, la
duración del sismo y la cementación del suelo que conforma los depósitos
Por otro lado, la licuación de los depósitos de arena siempre va seguida por un
asentamiento del terreno, lo cual se produce como resultado de la disipación del
exceso de presión de poro. De acuerdo con Ishihara (1990), tales asentamientos
pueden alcanzar normalmente entre 10 a 20 centímetros, sin embargo tanto en
Chimbote (zona norte del Perú) cuanto en Chincha (zona sur del Perú) estos
asentamientos fueron más importantes en el descenso de los terraplenes de
acceso a puentes de la Carretera Panamericana Norte y los desplazamientos de la
plataforma de la misma carretera y en el Puerto General San Martín, en la zona
Sur, evidenciaron el comportamiento anómalo del suelo licuado.
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