Fragilidad sísmica

Dilatancia

Subsidencia

Licuefacción

Jaime Suárez Díaz erosion.com.co

Fragilidad Sísmica

ALGUNOS MATERIALES DUROS SE DESMORONAN DEBIDO

A LA FRAGILIDAD DEL SISTEMA DE UNIONES O

DISCONTINUIDADES

ELA

BO

RÓ

: JA

IM

E S

UA

RE

Z D

IA

Z

LOS SUELOS RESIDUALES

FRACTURADOS Y POCO

METEORIZADOS SON MUY

FRAGILES SISMICAMENTE

ELA

BO

RÓ

: JA

IM

E S

UA

RE

Z D

IA

Z

EN SUELOS FRAGILES

APARECEN GRIETAS DE

TENSION EN SISMOS

ESPECIALMENTE EN LA

CORONA DE TALUDES

ELA

BO

RÓ

: JA

IM

E S

UA

RE

Z D

IA

Z

ESTAS GRIETAS PUEDEN GENERAR DESLIZAMIENTOS DE

TIERRA

ELA

BO

RÓ

: JA

IM

E S

UA

RE

Z D

IA

Z

DILATANCIA

LA DEFORMACION ASOCIADA CON ESFUERZOS SISMICOS DE

CORTANTE ES IMPORTANTE EN SUELOS GRANULARES Y EN

ENROCADOS DE GRANDES PRESAS

ELA

BO

RÓ

: JA

IM

E S

UA

RE

Z D

IA

Z

8

Cambio de volumen de los suelos granulares debido

al cortante por efecto del sismo

La dilatancia es negativa (El volumen disminuye)

Deformación

volumétrica εv

Estado

inicial Cortante

Presión de poros

en exceso debida

a la dilatancia

τ

La dilatancia genera un asentamiento

SUBSIDENCIA SISMICA

ASENTAMIENTOS DEL TERRENO

ESPECIALMENTE EN SUELOS EOLICOS Y EN RELLENOS

ELA

BO

RÓ

: JA

IM

E S

UA

RE

Z D

IA

Z

La subsidencia sísmica es una de las más importantes propiedades dinámicas del “loess”. Esto se debe principalmente al gran volumen de poros y a la poca cementación de la estructura de estos materiales depositados por el viento y a la presencia de macroporos de tamaño varias veces mayor a la de la partícula

ELA

BO

RÓ

: JA

IM

E S

UA

RE

Z D

IA

Z

Respuesta mecánica de los suelos sometidos a

acción sísmica

No-lineal

No-reversible

Disipación de energía

Deformaciones plásticas residuales

Comportamiento observado

Estado de cortante simple

Deformaciones distorsionales

Aspectos principales:

Comportamiento de los suelos en los sismos

Las ondas inducen esfuerzos cíclicos de cortante sobre los suelos. Las propiedades características de los suelos desde el punto de vista de los esfuerzos cíclicos son las siguientes:

G : Módulo de cortante

Es la relación entre el esfuerzo y la deformación a cortante a amplitudes bajas como las de un sismo.

D, o λ : Relación de amortiguación interna

Representa la disipación de energía durante el cargue cíclico.

ʋ : Relación de Poisson

Se requiere tener en cuenta pero afecta muy poco la respuesta sísmica

La amortiguación

Módulo de Cortante G y relación de amortiguación D:

Figura 3.33 Location 2051 Geotechnical engineering investig

AL

AT

Soil behaviour 21

D = Relación de amortiguación

pp

ppG

G = Módulo de cortante

(G0 = Módulo inicial)

pp = Esfuerzo pico a pico

pp = Deformación pico a pico

T

L

A

AD

4

AT = Energía elástica equivalente

AL = Energía amortiguada en un ciclo

Modelos mecánicos básicos

Resorte elástico (Hooke)

Amortiguador viscoso (Newton)

Deslizador plástico (Coulomb)

Soil behaviour 23

Patrones reológicos de referencia

Modelo visco-elástico (Kelvin-Voigt)

Modelo elasto-plástico (Coulomb)

Equlibrio dinámico )(tFkuucum

Ciclo de forma elíptica

Ciclo de rectas (hysteresis)

La energía se disipa por amortiguación viscosa

La energía se disipa por fricción

Inicialmente las cargas cíclicas causan deformaciones parcialmente irreversibles y las curvas de carga y descarga no coinciden. Después de algunos ciclos de amplitudes pequeñas similares la curva se convierte en un “closed loop”. Este comportamiento puede representarse por G y D Esta gráfica refleja la energía que debe colocarse al suelo para mantener un estado de vibración libre.

Factores que afectan a G y D: • Amplitud de los esfuerzos de cortante. En suelos No Cohesivos G disminuye para amplitudes mayores a 10-4 y por debajo de ese nivel G se mantiene constante. En suelos cohesivos G disminuye al aumentar la amplitud. •Relación de vacíos. •Nivel de los esfuerzos de cortante. •Número de ciclos de carga. •Relación de sobre-consolidación. •Grado de saturación. •Parámetros de resistencia efectiva.

Valores típicos de D

Valores típicos de D

Ensayos de campo y de Laboratorio para obtener las propiedades dinámicas de los suelos

Medición de Velocidades de onda de compresión y cortante en campo. Triaxial cíclico. Columna resonante. Correlación con el SPT u otro ensayo.

Downhole

Penetración estandar：→ N

Determinación de G

Vs G0

g V G t

s

γ ρ ρ = = ,

2

0

N

Vs (

m/s

)

[Imai et al, 1985]

Medición en el laboratorio de las propiedades dinámicas de los suelos

.

Figura 11.12 Geotechnical eng invest. Location 9898

Velocidad de Onda de Cortante , Vs

Es una propiedad fundamental de todos los sólidos

(Acero, concreto, madera, suelos, rocas)

La rigidez inicial a pequeñas deformaciones unitarias

representado por el módulo de cortante. : G0 = T Vs2

(alias Gdyn = Gmax = G0)

Aplica a todos los problemas estáticos y dinámicos a

pequeñas deformaciones unitarias. Applies (s < 10-6)

Aplicable para condiciones drenadas y no drenadas en

ingeniería geotécnica.

Relación entre N de penetración estandar y velocidad de onda de cortante

Equipo para

ensayo sísmico

Crosshole

EL

AB

OR

Ó : J

AIM

E S

UA

RE

Z D

IAZ

Ensayo Crosshole Osciloscopio

Sondeo con tubo PVC

Sondeo con tubo PVC

Martillo Downhole (Fuente) Transductor

de velocidad (Geofono Recibidor)

t

x

Velocidad onda de cortante:

Vs = x/t

ASTM D 4428

Bomba

packer

Inclinómetros para

Determinar la verticalidad

Y distancias a

profundidad.

Inclinómetro

Inclinómetro

© Paul Mayne/GT x = fctn(z)

de inclinómetros

Equipo para ensayo sísmico Downhole

EL

AB

OR

Ó : J

AIM

E S

UA

RE

Z D

IAZ

En los estudios con NSR10 se están realizando ensayos de Downhole

Ensayo Downhole Osciloscopio

Perforación revestida

Prof. de

Ensayo

Transductores De velocidad (Geófonos Recibidores)

packer

Bomba Martillo en

superficie

Velocidad de onda De Cortante: Vs = R/t

z1 z2

t

R12 = z1

2 + x2

R22 = z2

2 + x2

x

Martillo

© Paul Mayne/GT

56

Señales Down-hole

Soil testing

57

Interpretación del ensayo Downhole

Tiempos directos promedio VS entre 0 y Z

t

x + z = V

22

S

t

x + z

z = t

d

z = t

22

*

*

*S

t

z = V

1.0

45E

-02

1.1

04E

-02

1.6

60E

-02

2.0

51E

-02

2.3

63E

-02

2.9

69E

-02

3.1

84E

-02

3.6

72E

-02

3.8

48E

-02

4.1

60E

-02

4.4

92E

-02

4.6

48E

-02

4.8

44E

-02

5.1

17E

-02

5.2

15E

-02

5.4

49E

-02

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

Tempo, t (sec)

0.50

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

10.00

11.00

12.00

13.00

14.00

14.80

CARDITELLO

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

14.0

16.0

0 100 200 300 400 500 600

Velocità dell onde di taglio, Vs (m/s)

pro

fon

dit

à, z (

m)

inversione (7 st - bis)

interpolazione t*

CARDITELLO

y = 167.61x + 0.10

R2 = 1.00

y = 480.03x - 11.04

R2 = 0.99

y = 248.22x - 1.42

R2 = 0.98

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

14.0

16.0

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06tempi di viaggio corretti, t* (sec)

pro

fon

dit

à, z (

m)

strato 1

strato 2

strato 3

CARDITELLO

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

14.0

16.0

0 100 200 300 400 500 600

Velocità dell onde di taglio, Vs (m/s)

pro

fon

dit

à, z (

m)

Tiempos equivalentes VS a cada prof.

800

700

600

500

400

300

200

100

0

De

pth

- fe

et

0 50 100 150 200 250 300

Vertical Travel Time - milliseconds

Slingshot Source - Uncased Hole - 20 Oct 06

Slingshot Source - Stainless Casing - 30 Jan 07

Sledgehammer Source - Stainless Casing - 9 Feb 07

Fig. 7Borehole C4993 - WTP Site at HanfordDownhole Shear-Wave Travel Times

Slingshot Source (20 Oct 06 & 30 Jan 07) and Sledgehammer Source (9 Feb 07)Showing Approximate Values of Velocity and Depths to Interfaces

1600 ft/sec

1760 ft/sec

2300 ft/sec

7150 ft/sec

8000 ft/sec

2800 ft/sec

8500 ft/sec

3750

HanfordFormation

RingoldFormation

Elephant MountainBasalt

Reworked

Unit A

Rattlesnake Ridge

Interbed

PomonaBasalt

Selah Interbed

Esquatzel Basalt

(5 msec offset due to low velocityin immediate vicinity of sledgehammersource location)

30780 ft/sec

100

170

236

300

358

532

474

1950 ft/sec

725

742

SHEAR

Resultados de ensayos Down-hole

Cra 39A

Calle 46

En el sitio donde se realizo el ensayo de downhole, se había realizado

previamente un sondeo a 16,5 metros (sondeo No. 1) con ensayos SPT.

Calle 46

S1

S3 Sondeos a Rotación

Sondeos a Percusión

S4

S2-2A S3 S1

Ensayo Downhole

erosion.com.co

Freedom Data PC

62

Down-hole testing Downhole

TestingOscilloscope

Cased Borehole

x

Test

Depth

Interval

HorizontalVelocity

Transducers(GeophoneReceivers)

packer

PumpHorizontal Plank

with normal load

Shear Wave Velocity:Vs = R/t

z1z2

t

R12 = z1

2 + x2

R22 = z2

2 + x2

x

Hammer

Down-hole/cross-hole/krishna Aryal

DATOS OBTENIDOS EN EL ENSAYO

Onda S

Depth Time (μs) r Time Cr (μs) Time Cr (sg)

2,5 24670 2,693 22905,520 0,023

3,5 28230 3,640 27143,821 0,027

4,5 34930 4,610 34098,214 0,034

5,5 34880 5,590 34317,382 0,034

6,5 34700 6,576 34296,498 0,034

7,5 37860 7,566 37527,888 0,038

8,5 43160 8,559 42864,380 0,043

9,5 44370 9,552 44126,207 0,044

10,5 46700 10,548 46489,639 0,046

11,5 50050 11,543 49861,841 0,050

13,5 52850 13,537 52705,601 0,053

14,5 55790 14,534 55657,796 0,056

INTERPRETACIÓN DE LOS DATOS

Se calculo la línea de tendencia que mas se ajustara a la serie de

datos, obteniendo una línea Polinómica de Orden 2.

CALCULO VELOCIDAD

La velocidad se obtuvo derivando la ecuación de la línea de tendencia, para

cada profundidad y su respectivo tiempo.

Depth Vel (m/sg)

2,5 243,299

3,5 276,730

4,5 331,587

5,5 333,316

6,5 333,151

7,5 358,640

8,5 400,734

9,5 410,688

10,5 429,330

11,5 455,930

13,5 478,362

14,5 501,649

Onda S

CLASIFICACION NSR 10

La clasificación del suelo se realizo de acuerdo a la Tabla A.2.4-1 del Titulo

A, Capitulo A-2 de la Norma NSR 10 Colombia.

Tabla A.2.4-1

Clasificación de los perfiles de suelo

DATOS PENETRACIÓN ESTÁNDAR (SPT)

Datos obtenidos de acuerdo al ensayo de penetración estándar.

SONDEO

1

N

0.0 a 0.5 14

0.5 a 1.0 17

1.0 a 1.5 45

1.5 a 2.0 45

2.0 a 2.5 45

2.5 a 3.0 45

3.0 a 3.5 52

3.5 a 4.0 41

4.0 a 4.5 39

4.5 a 5.0 38

5.0 a 5.5 26

5.5 a 6.0 32

6.0 a 6.5 24

6.5 a 7.0 37

7.0 a 7.5 45

Profundidad

(metros)

SONDEO

1

N

7.5 a 8.0 79

8.0 a 8.5 61

8.5 a 9.0 61

9.0 a 9.5 61

9.5 a 10.0 61

10.0 a 10.5 43

10.5 a 11.0 93

11.0 a 11.5 77

11.5 a 12.0 77

12.0 a 12.5 63

12.5 a 13.0 63

13.0 a 13.5 63

13.5 a 14.0 63

14.0 a 14.5 79

14.5 a 15.0 79

Profundidad

(metros)

SONDEO

1

N

15.0 a 15.5 79

15.5 a 16.0 79

16.0 a 16.5 79

Profundidad

(metros)

CORRELACION ENSAYOS DOWNHOLE Y SPT

Depth Vel (m/sg) Clasificación (NSR 10)

2,5 243,299

3,5 276,730

4,5 331,587

5,5 333,316

6,5 333,151

7,5 358,640

8,5 400,734

9,5 410,688

10,5 429,330

11,5 455,930

13,5 478,362

14,5 501,649

Perfil D, suelos rigidos

Perfil C, suelos muy

densos o roca blanda

Onda SSONDEO

1

N

2.5 a 3.0 45

3.0 a 3.5 52

3.5 a 4.0 41

4.0 a 4.5 39

4.5 a 5.0 38

5.0 a 5.5 26

5.5 a 6.0 32

6.0 a 6.5 24

6.5 a 7.0 37

7.0 a 7.5 45

7.5 a 8.0 79

8.0 a 8.5 61

8.5 a 9.0 61

9.0 a 9.5 61

9.5 a 10.0 61

10.0 a 10.5 43

10.5 a 11.0 93

11.0 a 11.5 77

11.5 a 12.0 77

12.0 a 12.5 63

12.5 a 13.0 63

13.0 a 13.5 63

13.5 a 14.0 63

14.0 a 14.5 79

14.5 a 15.0 79

Perfil C, suelos muy densos o

roca blanda

Profundidad

(metros)Clasificación (NSR 10)

Perfil D, suelos rigidos

ENSAYO TRIAXIAL DINÁMICO E

LA

BO

RÓ

: JA

IM

E S

UA

RE

Z D

IA

Z

Soil testing

70

IIS-Tokyo type cell @ University of Napoli

Ensayo triaxial cíclico

Triaxial cíclico

Top plate

Bottom plate

Remolded

Specimen

Porous disc

Accelerometer

Impact source

Triaxial Cell

Accelerometer

Soil testing

72

Local axial strain measurement

with LDT transducers resolution to <0.001%

Soil testing

73

Undrained stress-path controlled CTX test (p=cost.)

on reconstituted Bisaccia clay (IP=100%)

Time histories q(t), ea(t), u(t) q:ea cycles and q:p’ paths

TSP

ESP

Resultados ensayo Triaxial cíclico

Corte directo cíclico

Soil testing

75

Strain range investigated:

f = 0.01-1 Hz

Ensayo de corte simple cíclico (CSS)

Execution: simple shear cycles @ constant frequency

small medium large

Typical frequency range:

Soil testing

76

Cambridge-type cell

(prismatic specimen)

NGI-type cell

(cilindrical specimen)

Cyclic Simple Shear test: apparatus

Soil testing

77

Double specimen direct simple shear (DSDSS)

designed by UCLA

and operating at University of Rome La Sapienza

Cyclic Simple Shear test: developments

Soil testing

78 DSDSS tests on Santa Barbara clay (D’Elia et al., 2003)

-0.0004 -0.0002 0 0.0002 0.0004

-0.25

-0.125

0

0.125

0.25

Sh

ear

stre

ss,

(kP

a)

c=0.00038%

-0.0038 -0.0019 0 0.0019 0.0038

-2.1

-1.05

0

1.05

2.1

Sh

ear

stre

ss, (

kP

a)

-0.04 -0.02 0 0.02 0.04

-18

-9

0

9

18

Sh

ear

stre

ss, (

kP

a)

-0.3 -0.15 0 0.15 0.3

Shear strain, (%)

-60

-30

0

30

60

Sh

ear

stre

ss,

(kP

a)

Gs=55.4 MPa

D = 1.6 %

c=0.0038%

c=0.039%

c=0.28%

Gs=54.5 MPa

D = 1.9 %

Gs=44.1 MPa

D = 4.8 %

Gs=19.9 MPa

D = 14.7 %

(a)

(c)

(e)

(g)

-0.001 -0.0005 0 0.0005 0.001

-0.56

-0.28

0

0.28

0.56

-0.01 -0.005 0 0.005 0.01

-5.6

-2.8

0

2.8

5.6

-1 -0.5 0 0.5 1

Shear strain, (%)

-90

-45

0

45

90

c=0.01%

Gs=53.5 MPa

D = 2.1 %(d)

c=0.00098%

Gs=54.8 MPa

D = 1.8 %(b)

c=0.92%

Gs=8.9 MPa

D =19.1 %

(h)

-0.1 -0.05 0 0.05 0.1

-34

-17

0

17

34

c=0.10%

Gs=32.6 MPa

D = 8.6 %(f)

0.0001 0.001 0.01 0.1 1

Cyclic shear strain amplitude, c(%)

0

20

40

60

Sec

an

t sh

ear

mo

du

lus,

Gs

(MP

a)

Santa Barbara clay #1

'vc = 400 kPa

Santa Barbara clay #2

0.0001 0.001 0.01 0.1 1

Cyclic shear strain amplitude, c (%)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

No

rmal

ised

sh

ear

mo

du

lus,

Gs/

G0

0.0001 0.001 0.01 0.1 1

Cyclic shear strain amplitude, c (%)

0

5

10

15

20

25

Dam

pin

g r

atio

, D

(%

)

Santa Barbara clay #1

'vc = 400 kPa

Santa Barbara clay #2

(a) (b)

Cyclic Simple Shear test: results

Soil testing

79

f = 0.01-10 Hz

Execution: torsional simple shear cycles @ constant frequency

Strain range investigated: Typical frequency range: small medium

large

Ensayo de corte torsional cíclico (CTS)

Soil testing

80 CTS tests on Cilento compacted silty sand (d’Onofrio & Penna, 2003)

Stress-strain cycles Pore pressure buildup

Cyclic stiffness degradation

Cyclic Torsional Shear test: results

Soil testing

81 Stokoe-type RCTS cell of University of Napoli (Silvestri, 1991)

Ensayo de columna resonante – Corte torsional (RC-TS):

Soil testing

82

f = 10-100 Hz

0.001 0.01 0.1 1 10 (%)

piccole medie elevate

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 (%)

piccole medie elevate

0.0001

steady-state free decay

Execution: torsional simple shear cycles @ variable frequency

Strain range investigated: Typical frequency range: small medium

large

Ensayo de columna Resonante (RC)

Soil testing

83 THOR prototype torsional shear cell at University of Napoli (D’Onofrio,

1996)

Resonant Column – Torsional Shear test (RC-TS): developments

Soil testing

84 Control and acquisition instruments for RCTS and THOR cells (University of

Napoli)

Resonant Column – Torsional Shear test (RC-TS): developments

Soil testing

85

Frequency response curves :f

from acceleration amplitudes

of rotation at the specimen top

(f VS G0.5)

(V

)

RC tests on S. Giuliano di Puglia marly clay (Politecnico di Torino, 2003)

Tests at increasing

Tests after pre-straining

Resonant Column test: results

Soil testing

86

in situ tests lab tests

(weak motion) (strong motion)

lab0sito0

G

)(G)G()(G

0

20

40

60

80

100

120

0.0001 0.001 0.01 0.1 1

deformazione tangenziale, (%)

G (

MP

a)

0

5

10

15

20

25

30

D (

%)

shear strain, (%)

Geotechnical characterization combining in situ and lab tests

lab0field0

G

)(G)G()(G

Ensayo de Centrífuga E

LA

BO

RÓ

: JA

IM

E S

UA

RE

Z D

IA

Z

Gracias.