aspectos relevantes licuación de suelos - ing vera

IIFIUC

IMPORTANCIA DE LOS EFECTOS SSMICOS EN EL DISEO ESTRUCTURAL PARA LA

CIUDAD DE GUAYAQUIL

Da 3, 27 de Mayo del 2004

Por : Xavier Vera Grunauer, Ing. MIInvestigador del IIFIUC

Universidad Catlica Santiago de Guayaquil

Universidad Catlica Santiago de Guayaquil

Ingeniera Geotcnica Ssmica

Contenido del seminario:

Aspectos relevantes de la licuacin en suelos.

Licuacin en Olympia, WA. Terremoto de Nisqually, 2001. Deformaciones laterales son debidas a la prdida de resistencia debido a la licuacin del suelo. Cortesa de Shannon and Wilson, Inc.

Definicin: Prdida dramtica de resistencia debido al incremento de presin de poros bajo condiciones de carga no-drenada

Cargas ssmicas inducen licuacin en arenas y limos sueltos y saturados

Cargas monotnicas tambin pueden inducir licuacin en suelos muysueltos que estn en una condicin cercana al equilibrio lmite

Consecuencias de licuacin Fallas de taludes

- Prdida completa de resistencia en el suelo

- Desplazamiento considerable de pendientes con pendientes mnimas- Prdida completa de capacidad soportante en fundaciones

superficiales

LICUACIN

Consecuencias de licuacin (cont.) Asentamientos

Prdida de resistencia de fuste y resistencia de punta en pilotesemplazados en suelos que sufren licuacin

Rotura de pilotes debido a grandes movimientos laterales en el suelo

Rotura de servicio de agua, gas y otras caeras subterrneas

- La combinacin de prdida de servicio de agua y rotura de lneas de gas suele traer consecuencias funestas, p.ejem. Kobe 1995

Tanques de agua o gasolina vacos flotan hacia la superficie

LICUACIN

Considrese una arena suelta y seca sometida a vibraciones ssmicas Tiene tendencia a densificarse

Se observan asentamientos verticales

- En Turqua, asentamientos fueron suficientes para queun lago aledao a un barrio residencial cause unainundacin

Potencial de asentamientos diferenciales en cimentacionessuperficiales

CAUSAS DE LICUACIN

Considrese una arena suelta saturada sometida a vibraciones ssmicas

Tiene tendencia a densificarse, pero las condiciones de borde no permiten el drenaje del agua en el corto tiempo que dura la carga ssmica

Consecuentemente, las presiones de poros aumentan debido a la tendencia a contraccin de la arena

CAUSAS DE LICUACIN

Arena suelta saturada sometida a vibraciones ssmicas (cont.) Incremento de presin de poros (u) reduce esfuerzos efectivos

() = - u

- Movimientos vibratorios no afectan esfuerzos totales () La resistencia del suelo es funcin del esfuerzo efectivo

Resistencia = f () En el lmite, la presin de poros alcanza un valor igual al esfuerzo

total, por lo tanto el esfuerzo efectivo es 0 y el suelo pierde completamente su resistencia

Movimientos vibratorios inducen esfuerzos cortantes

CAUSAS DE LICUACIN

LICUACIN SECUNDARIA

Presiones de poros que se desarrollan en el suelo que sufrilicuacin crean la tendencia a disiparse

Flujo del agua hacia la superficie causa fuerzas de flujo(seepage pressures) que contrarrestan el peso del suelogenerando una situacin de piping

Licuefaccin secundaria puede observarse hasta varias horasdespus del sismo

Arena conLicuacin

Migracin deAgua

N

IDENTIFICACIN DE LICUACIN

Volcanes de arena Arena transportada por agua que migra para disipar presin de

poros- Se puede confundir con volcanes de arena causados por

rotura de caeras de agua

- Erupciones de arena se suelen concentrar alrededor de edificios o en grietas de pavimentos

Movimientos sospechosos del suelo o rotura de caeras subterraneas

Serie de tiempo de aceleraciones Cambio brusco del contenido de frecuencia (desaparicin de

frecuencias altas) Repentina reduccin en intensidad de aceleraciones

Serie de tiempo de aceleraciones (cont.)

Inicio de Licuacin

POTENCIAL DE LICUACIN

Para que exista el potencial de licuacin se requiere:

Suelo saturado

- Estudios recientes demuestran que existe potencial de generacin de altas presiones de poros an cuando la saturacin no es del 100%. En general, la saturacin tieneque estar cerca del 100% para que exista el potencial de licuacin

Carga no-drenada del suelo

- Para arenas, esto se da con las cargas dinmicas de terremotos o explosiones

- Para gravas, es necesario que existan condiciones de fronteraque prevengan drenaje, o que las gravas contengan suelosfinos que impidan el drenaje

Tendencia a la contraccin (i.e., prdida de volmen) cuando se aplican esfuerzos de corte

Potencial de Licuacin

Ensayos Drenados (Arena Seca) Ensayos No-Drenados

1 - 2

+

v

Densa

Suelta Suelta

Suelta

Densa

Densa

SueltaDensa

+

u

- -

Relacin de vacos critica

Arena Secaemax

emin

ec

Potencial de Licuacin

Si los ensayos se repiten para varios esfuerzos de confinamiento

- Obsrvese que si el suelo est suelto, existe potencial parageneracin de presin de poros para cargas no drenadas

Suelta

No Drenado

DrenadoDrenado

Densa

e

3

No Drenado


SiSi un un suelosuelo con con tendenciatendencia a a contraersecontraerse eses sometidosometido a a unaunacargacarga sssmicasmica, se , se observaobserva lo lo siguientesiguiente::

LicuefacciLicuefaccinn ocurreocurre cuandocuando u = u = 3

t

t

3,0

u


Se define la razn de presin de poros como:

Licuefaccin ocurre cuando la razn de presin de poros llega a 100%

- Tambin se puede definir licuacin usando lmites de deformacin unitaria. Algunos suelos medianamente densos no llegan a desarrollar ru = 100% pero sufren consecuencias graves debido a altas presiones de poros

ru = uo/3,i


TIPOS DE LICUACIN

Los suelos en estado de licuacin mantienen cierta resistencia al corte no-drenada (su)

Los esfuerzos de confinamiento en un suelo en estado de licuacin tienden a cero

Cuando estos llegan a cero, el suelo desarrolla una tendencia a expandirse, generando resistencia por cortos periodos de tiempo

Esto genera dos tipos de licuacin

Licuacin resultante en flujo de suelos

- El caso en el cual los esfuerzos de corte estticos en el sueloson mayores a su

- Deformaciones son inducidas por esfuerzos de corte estticospresentes en el suelo antes de la iniciacin del sismo

- Deformaciones son grandes, llegando en casos a varios metros- Deformaciones ocurren sbitamente

Cyclic Mobility, o movilizacin cclica

- Se refiere al caso en el cual los esfuerzos de corte estticos en el suelo son menores a su

- Deformaciones se producen solamente debido a los esfuerzos de corte inducidos por el sismo

- Deformaciones son relativamente menores y se desarrollan por incrementos durante el sismo

- Deformaciones pueden ocurrir en suelos con pendientes menores (hasta de 1 %). A este tipo de deformaciones se les llama lateral spread

- Deformaciones pequeas pueden llegar a desarrollarse en terreno plano si es que se est cerca de alguna pendiente

TIPOS DE LICUACIN

ANLISIS DE RIESGOS A LICUACIN

Se sugieren abordar las siguientes tres cuestiones:Se sugieren abordar las siguientes tres cuestiones:

1.1. Es el tipo de suelos susceptible a licuaciEs el tipo de suelos susceptible a licuacin?n?- Anlisis de susceptibilidad

2. Si el suelo es susceptible a licuaciel suelo es susceptible a licuacin, n, HabrHabr licuacilicuacin?n?- AnAnlisis de iniciacilisis de iniciacin de licuacin de licuacinn

3.3. Si hay licuaciSi hay licuacin, n, CausarCausar dadaos?os?-- AnAnlisis de efectos causados por licuacilisis de efectos causados por licuacinn

Si la respuesta a las tres preguntas es afirmativa, entonces se Si la respuesta a las tres preguntas es afirmativa, entonces se toman las decisiones correspondientestoman las decisiones correspondientes- Cambiar de emplazamiento para la construcciambiar de emplazamiento para la construccinn-- Reforzar el suelo para evitar licuaciReforzar el suelo para evitar licuacinn-- Reforzar la estructura para mitigar daReforzar la estructura para mitigar daosos

SUELOS SUSCEPTIBLES A LICUACIN

Criterios basado en composicin Arenas sueltas o medianamente sueltas

- Clsico ejemplo de licuacin- Investigacin del fenmeno se concentra en este tipo de suelos- Arenas uniformes son mas susceptibles que aquellas

Limos

- Limos no-plsticos son susceptibles a licuacin- Limos con plasticidad actan como arcillas

Arcillas

- Generalmente no se consideran susceptibles, aunque arcillas sensibles pueden perder resistencia al corte con cargas cclicas

Arcillas (cont.)

- Criterio desarrollado en China: Se consideran arcillas con potencial de licuacin aquellas que satisfacen:

- Fraccin menor a 0.005 mm < 15%- LL < 35%-- Contenido de humedad > 0.9 Contenido de humedad > 0.9 LLLL (normalmente consolidada)(normalmente consolidada)

Observaciones recientes sugieren que el porcentaje de fracciObservaciones recientes sugieren que el porcentaje de fraccin n fina no es tan importante como su plasticidad. Suelos con fina no es tan importante como su plasticidad. Suelos con plasticidad alta (> 15 plasticidad alta (> 15 20) no son susceptibles a licuaci20) no son susceptibles a licuacinn

Criterios Histricos

- Suelos que sufrieron licuacin en un sismo, tienen el potencial de volver a sufrir licuacin

SUELOS SUSCEPTIBLES A LICUACIN

- El mapeo de ocurrencias de licuacin luego de un sismo esimportante para futuros planeamientos urbanos

- Se pueden establecer lmites de distancia y magnitud bajo los cuales no se observ licuacin en terremotos pasados

Criterios Geolgicos

Tipo de depsito- Depsitos fluviales, coluviales, y elicos que estn saturados

tienen potencial alto de licuacin

- Depsitos en abanico aluvial, de playa, de terraza de playa, y estuarinos tienen potencial menor de licuacin

Edad geolgica

- Holoceno: altamente susceptibles

- Pleistoceno: menor potencial de licuacin

- Pre-Pleistoceno: no tienen potencial de licuacin

ANLISIS DE INICIO DE LICUACIN

Concepto:

1. Desarrollar curvas de resistencia a licuacin como funcin de la duracin del sismo (o nmero de ciclos de carga)

2. Estimar la solicitacin de esfuerzos de corte generada por un terremoto- Se obtiene de un anlisis de riesgo ssmico y un anlisis de

respuesta de suelos (p.ejem. usando SHAKE)

3. Comparar resistencia con solicitacin y determinar el Factor de Seguridad con respecto a licuacin

Anlisis de Inicio de Licuacin

DR = 60%o = 1ATM

LicuacinNoLicuacin

log N

L

Z

eqPara un nmeroN de ciclos de carga

Z

eqL

Licuacin

ANLISIS DE INICIACIN DE LICUACIN

Problemas con el procedimiento indicado La determinacin de la resistencia del suelo depende de

anlisis de laboratorio

El muestreo de arenas sueltas sin afectar la muestra es prcticamente imposible

- La excepcin es el mtodo de congelamiento del suelo (caro y difcil de ejecutar)

El potencial de licuacin es altamente sensible a la densidad del suelo. Muestreo de arenas sueltas tiende a densificar las mismas

Solucin:- Caracterizar la resistencia del suelo usando anlisis de sitio

Definiciones: CSR Cyclic Stress Ratio: Razn de esfuerzo cclico

vo Esfuerzos normales inicialeseq Esfuerzos de corte inducidos por el sismo

l Esfuerzos necesarios para inducir licuacin

CRR Cyclic Resistance Ratio: Razn de resistencia cclica

Vo

eqCSR '=

Vo

lCRR'

=

ANLISIS DE INICIACIN DE LICUACIN

FACTORES QUE CONTROLAN EL POTENCIAL DE LICUACIN

Densidad Relativa

Densidad Relativa se puede correlacionar con CompactacinRelativa

Dr (RC 80)

%100*D

%100*ee

eeD

min,dmax,d

min,dd

d

max,dr

minmax

maxr

=

=

Densidad Relativa (Dr)

- Factor muy importante- Correlacin directa con resistencia

Micro-estructura del suelo

- Factor muy importante- Micro-estructura se relaciona al procedimiento de formacin del

suelo. Ensayos de laboratorio deben poder replicar la estructuradel suelo para ser vlidos

- Arenas depositadas en aguas tranquilas tienen mayor potencial de licuacin

Razn por la cual un sitio que experiment licuacin en un sismo tiene alto potencial para volver a experimentar licuacin


Previas ocurrencias de vibracin

Edad

- Suelos que fueron sometidos a vibracin sin haber llegado a licuacin tienden a densificarse

- Suelos que experimentaron licuacin en un sismo tienen alto potencial para volver a experimentar licuacin debido a que la arena se vuelve a depositar en una columna de agua relativamente tranquila

- Suelos sometidos a una carga sostenida por mucho tiempo desarrollan resistencia a licuacin

Parmetro Ko (razn de esfuerzos laterales)

- A mayor Ko, mayor resistencia a licuacin- Arenas que sufrieron cargas altas en el pasado tienden a tener

valores altos de Ko


Factores que aumentan la resistencia a licuacin afectan tambin el valor de resistencia a la penetracin estndar, N

Anlisis de terremotos previos permite desarrollar una curva de resistencia

ANLISIS DE INICIACIN DE LICUACIN :Prueba Penetracin Estndar SPT

Ref : Seed et al (2003)

Fig. 16: Recommended Probabilistic SPT-BasedLiquefaction Triggering Correlation (forMw = 7.5 and v = 1.0 atm)

Fig. 17: Recommended Deterministic SPT-BasedLiquefaction Triggering Correlation (forMw = 7.5 and v = 1.0 atm), withAdjustments for Fines Content Shown

Observaciones importantes:

La solicitacin ssmica se da a travs de CSR. Esta razn se da para un sismo de magnitud M = 7.5

La resistencia a la licuacin se da a travs del valor (N1)60 El valor N est normalizado para

- 1 atmsfera de confinamiento- 60% de la energa de cada libre del martillo

La validez del grfico presentado depende del grado de estandarizacin en los parmetros usados en el estudio casustico

- 1 Usar un valor estndar de la penetracin estndar es esencial

ANLISIS DE INICIACIN DE LICUACIN :Prueba Penetracin Estndar SPT

ESTANDARIZACIN DEL SPT

(N1)60 = Nm CN CE CB CR CS

Nm Valor obtenido en el terreno

CN Correccin para esfuerzos de confinamiento

CE Correccin para la energa transmitida

CB Correccin para el dimetro de la perforacin

CR Correccin para el largo de la barra

CS Correccin para el tipo de cuchara

Eficiencias de martillos de la prueba SPT (adaptado de Clayton, 1990)

Factores de correccin (adaptado de Skempton, 1986)

ANLISIS DE INICIO DE LICUACIN

Con (N1)60 se puede ahora obtener la resistencia a travs del parmetro CRR.Obsrvese que laresistencia es funcin delcontenido de partculasfinas (< 0.075 mm)

Fig. 11: Recommended Deterministic SPT-BasedLiquefaction Triggering Correlation (forMw = 7.5 and v = 0.65 atm), withAdjustments for Fines Content Shown

Fig. 10: Recommended Probabilistic SPT-BasedLiquefaction Triggering Correlation (forMw = 7.5 and v = 0.65 atm), and theRelationship for Clean Sands Proposedby Sedd et al. (1984)

ANLISIS DE INICIO DE LICUACINPRUEBA SPT

Ahora que ya se tiene la resistencia, se puede determinar si se da o no licuacin si se puede predecir la solicitacin (CSR)

- Asmase que el suelo ms arriba de una profundidad H acta como un cuerpo rgido

Area AH

amax

max,RIGIDmaxmax )( ag

HRIGID

=

F = m aF/A = m/A a

Ecuaciones para rd estn incluidas en Youd e Idriss(2001)

- Para el caso en que el suelo es deformable, se introduce factor modificante:

(max)deform = (max)rigid rd


Fig. 7: R4 Results from Response Analyses for 2,153 Combinatinons of SiteConditions and Ground Motions, Superimposed with Heavier LinesShowing (a) the Earlier Recommendations of Seed and idriss (1,971), and (b) the Mean and 1 Standard Deviation values for the 2,153 Cases Analyzed (After Cetin and Sedd, 2000).

Combinando las dos ecuaciones previas se tiene

El CSR mximo se obtiene normalizando el esfuerzo de corte por el esfuerzo efectivo

Este esfuerzo mximo no acta durante toda la duracin de la vibracin (debido a que fue obtenido usando la aceleracin mxima), por lo tanto se lo reduce proporcionalmente usando un factor de 0.65

dEQ Hrga maxmax )(

dVo

Vo

Vorg

aCSR '')(maxmax

max

=

dVo

Vo rgaCSR '65.0

max


- Es en realidad una correccin para incorporar las variacin en duracin en el movimiento vibratorio. A mayor duracin, mayor generacin de presin de poros y mayor probabilidad de que haya licuacin

Obsrvese que las curvas de resistencia (CRR) se desarrollan para un sismo de Mw = 7.5. Para generalizar la resistencia, se introducen factores de correccin, Seet et al (2003):

CSRN = CSReq,M=7.5 = CSReq, M=M / DWFM

Correccin para Magnitud (Magnitude Corretated DurationWeighting, DWFM


Anlisis de Inicio de Licuacin Prueba SPT

Correccin para Magnitud (cont.) La correccin para magnitud tiene que:

- Aumentar la solicitacin/ reducir la resistencia cuando el sismo es mayor a 7.5

Importante porque algunos autores lo aplican a la solicitacin, otros a la resistencia


Correccin para esfuerzos de confinamiento CRR aumenta con esfuerzos de confinamiento, pero el

aumento es en realidad no-lineal, por lo tanto se usa un factor adicional

CSRliq = CSRliq,1atm * K


Fig15 Values of K Developed and Used in These Studies, NCEER Working Group Recommendations(for n = 0.7, DR 60) for Comparison)

Correccin para terrenos con pendiente (K)

La presencia de una pendiente implica la existencia de esfuerzosde corte estticos en el suelo. Estos afectan el potencial de licuacin

No existe un consenso en la profesiNo existe un consenso en la profesin sobre el valor de n sobre el valor de KK, se , se recomienda que en caso de necesidad, se hagan estudios para recomienda que en caso de necesidad, se hagan estudios para cada suelo en particularcada suelo en particular

En casos de que un terreno con pendiente tenga tendencia a la En casos de que un terreno con pendiente tenga tendencia a la licuacilicuacin, se sugiere aplicar disen, se sugiere aplicar diseos conservadores debido al os conservadores debido al potencial de dapotencial de daos debido a grandes deformaciones.os debido a grandes deformaciones.


CSRliq, >0 = CSRliq, =0 K

CSRe, >0 = CSReq, =0 / K

MTODO DE SEED E IDRISS USANDO PRUEBA SPT, ACTUALIZADO SEED ET AL (2003)

RESUMEN

Si suelos no estn saturados, se tiene que considerar la posibilidad de que lo estn en el futuro

b) Anlisis de efectos

2. Anlisis de inicio de licuacin

- Anlisis determinsitico de riesgo ssmico- Anlisis probabilstico de riesgo ssmico con

desagregacin de riesgo

Desplazamientos y asentamientos

Anlisis de capacidad de soporte

a) Evaluar esfuerzos iniciales en el perfil de suelos

b) Seleccionar el sismo que controla el diseo: Seleccionar aceleracin mxima y magnitud

1. Anlisis Preliminar

a) Ana) Anlisis de susceptibilidadlisis de susceptibilidad

dVo

Vo rgaCSR '65.0

max =

c) Obtener la solicitacin CSR para un terremoto de Mw = 7.5

d) Obtener el valor corregido de resistencia al ensayo de penetrometra estndar, (N1)60 y correlacionarlo con la resistencia a la licuacin, (CRR)

El valor de CRR depende del contenido de partculas finas del suelo

Tambin se puede aplicar la correccin a CRR sugerida por Youd e Idriss (2001) y luego usar la correlacin para arenas limpias

e) Calcular los factores de magnitud (DWFM) y factor para esfuerzos de confinamiento (K)

f) Obtener el factor de seguridad (FS) contra licuacin

FS = (CRR/CSR) * DWFM * K

RESUMEN

RECOMENDACIONES

FS > 1.4 Aceptable, deformaciones mnimas

FS > 1.25 Probablemente no habr problemas

Realizar nuevos estudios si las consecuencias de licuacin son graves

FS < 0.9 Tomar medidas de prevencin

Para el caso intermedio de 0.9 < FS < 1.25 1.4, se justifica realizar ensayos de terreno ms extensos

ANLISIS DE INICIO DE LICUACINMTODOS ALTERNATIVOS

Cono-penetrmetro El mismo tipo de anlisis indicado para el penetrmetro

estndar se puede realizar usando el cono-penetrmetro. Se aplican el mismo tipo de correcciones

Ventajas

- Se obtiene un perfil continuo, lo cual es importante porque incluso capas delgadas de arenas sueltas pueden causar grandes deformaciones en terrenos con pendiente

- Rpido y relativamente barato- Ms estandarizado que el SPT

Desventajas

- No se obtiene muestra, por lo tanto no se puede estimar el contenido de partculas finas (< 0.075 mm) y el ndice de plasticidad

- La casustica para CPT no est tan desarrollada como la de SPT(esto se invertir en los prximos aos)

- El CPT es un ensayo pseudo-esttico, mientras que licuacin es un fenmeno dinmico


Velocidad de Ondas de Corte (Vs)sese solamente como un mtodo para anlisis preliminares


Velocidad de Ondas de Corte (Vs)

Ventajas

- Algunos perfiles de suelo no permiten ensayos de penetrometra

- Vs se necesita de todas maneras para el anlisis de amplificacin de ondas ssmicas

Desventajas

- Vs mide deformaciones pequeas, en tanto que licuacin es un fenmeno de grandes deformaciones

- No se obtienen muestras

- La correlacin con potencial de licuacin no es muy buena


EFECTOS DE LICUACIN

Asentamientos verticales debido a la migracin de agua del suelo

Mtodo de Tokimatsu y Seed (1987), y de Ishihara y Yoshimine(1992)

Estos mtodos correlacionan el factor de seguridad contra licuacin con valores de SPT o de densidad relativa

Se obtienen valores muy aproximados que sirven ms para indicar un orden de magnitud de los asentamientos

El mtodo se puede aplicar con ciertas modificaciones para estimar asentamientos en arenas secas. Estos asentamientos se deben a densificacin inducida por cargas cclicas

Desplazamientos horizontales (Lateral Spreads)

Desplazamientos laterales ocurren en suelos que sufren licuacin an cuando las pendientes son imperceptibles

Existen mtodos para estimar deformaciones basados en correlaciones con pendiente, resistencia a licuacin, y otros parmetros relacionados a la geometra del problema y la magnitud del sismo. Estos mtodos sirven cuando mucho para estimar el grado de deformaciones que se puede esperar en un sismo

Mtodos numricos (modelos constitutivos) pueden usarse, pero todava no tienen la madurez suficiente como para aplicarlos en la prctica

EFECTOS DE LICUACIN

Efectos de Licuacin

RESISTENCIA AL CORTE DE SUELOS QUE SUFREN LICUACIN

Suelos que sufren licuacin mantienen cierta resistencia al corte que puede impedir una falla completa. Estimar esta resistencia es particularmente importante para presas de tierra o presas de relaves

- Nota: No es buena prctica construir una presa que puede llegar a sufrir licuacin

Dos enfoques distintos:Laboratorio

No es recomendable debido a la dificultad de obtener muestras intactas

El fenmeno de licuacin causa una re-distribucin espacial de razn de huecos. Esto implica que no se puede determinar con claridad una razn de huecos representativa para usarse en ensayos de laboratorio

45022511000

N% FINOS

Correlacin con ensayos de terreno

-Nota: sese un valor de (N1)60 con una correccin para tomaren cuenta la presencia de partculas finas

(N1)60,CS = (N1)60 + NFINOS


Correlacin con ensayos de terreno

- Dos mtodos prevalentes:


aspectos relevantes licuación de suelos - ing vera

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