Asentamiento por vibraciones y licuación del suelo.(Tomado del libro de Dujisín y Rutllant, Mecánica de Suelos en la Ingeniería Vial, 1974)

Introducción.

Es sabido que determinados suelos que son sometidos a solicitaciones dinámicas, tales como vibraciones, impactos, sismos, etc., tienden a densificarse disminuyendo de volumen. Si estos suelos tienen baja permeabilidad, la tendencia a la densificación se traduce en un incremento de presión de la fase fluida, que puede crecer hasta el punto en que iguale a la presión total, llegando a anular a la presión efectiva o presión de contacto entre los granos. En estas circunstancias un suelo de características granulares pierde totalmente su capacidad de soporte.

En el caso de las arenas finas y limos sueltos saturados, el aumento de presión en la fase fluida que no alcanza a drenar durante el corto tiempo que dura una carga transiente, puede llevar al suelo transitoriamente al estado de licuación con el consiguiente hundimiento de las estructuras apoyadas en él.

Este fenómeno de licuación pudo ser observado en la zona sur de Chile durante los sismos de Mayo de 1960, donde se produjeron grandes hundimientos de terraplenes a causa de sete fenómeno.

Uno de los casos más espectaculares ocurrió en Niigata, Japón, durante los sismos de 1964. Hubo edificios que giraron en 60° y quedaron prácticamente acostados en el suelo con su estructura intacta. Un estudio estadístico en esta zona reveló la separación de acuerdo a la penetración normal, entre zonas que se licuaron y otras en que no se detectaron daños de importancia.(Figura 31)

Figura 31. Indice de penetración – zona de daños (*) terremoto Niigata, Japón, 1964.

De acuerdo a datos empíricos se sabe que los suelos más susceptibles a la licuación son las arenas y limos que tienen un diámetro efectivo menor que 0,2 mm. y un coeficiente de uniformidad menor que 5, depositados bajo agua en estado suelto. Un suelo compacto o que tenga algo de cohesión no ofrece riesgo de licuación.

Asentamiento por sismo.

La magnitud del asentamiento total producido por la densificación del suelo de espesor H, queda determinada por:

en que

e1 : índice de huecos inicial.e2 : índice de huecos final.

Si se quiere expresar la magnitud del asentamiento, al aumentar la densidad relativa de DR 1 a DR2, la ecuación anterior toma la forma:

en que

El problema principal consiste en establecer la densidad relativa que alcanza el suelo ante una determinada aceleración horizontal. En la Figura 32, se presentan, en forma resumida, las experiencias realizadas con arena sometida a vibración horizontal (IDIEM - A. Cafati, 1969). En ellos se estableció una relación entre la densidad relativa y la aceleración horizontal que no producía incremento en la densidad.

Figura 32. Relación densidad relativa – aceleración horizontal CAFATI – IDIEM 1969.

Un estudio más completo realizado por A. Gutiérrez (Memoria de Título, 1973) permite visualizar mejor la relación entre la aceleración horizontal y la densidad relativa, partiendo de cierto nivel de compactación al aumentar la aceleración horizontal. En la Figura 33, se presentan los valores en forma resumida. Puede observase, que a partir de cierto valor de DR, al aumentar la aceleración las curvas se van “remontando” suavemente hasta la línea principal por donde siguen su curso. La línea llena corresponde a la situación más crítica de arena fina saturada. La

línea segmentada, arenas medias a finas, secas. Mientras más gruesa es la arena, menor es la densidad relativa de equilibrio correspondiente a una determinada aceleración horizontal.A continuación se presenta un método para estimar el asentamiento por vibración de una arena suelta subyacente a un terraplén. El método propuesto fue adaptado del original para fundaciones, de R. Dobry (1973).

Figura 33. Relación entre densidad relativa final y aceleración horizontal máxima

Método propuesto para el cálculo del asentamiento por sismo.

El método que se propone permite estimar en forma conservadora el asentamiento sísmico de un terraplén fundado sobre arena suelta, a partir del índice de penetración normal. Además, se indica cómo usar el mismo enfoque para analizar el problema de licuación. El perfil del suelo deberá modelarse en la forma indicada en la Figura 34.

Figura 34. Terraplén sobre arena suelta.

Los datos requeridos son:Densidad del suelo sobre napa .Densidad sumergida ’.Índice de penetración medido N.Índice de penetración corregido Nw

El índice de penetración Nw corresponde al valor del índice de penetración medido N, corregido según alguna de las siguientes expresiones:

Nw = 0,6 N (Bazaraa)Nw = 15 +1/2 (N-15) (Terzaghi)

Corresponde hacer la corrección indicada, cuando la medición se haya hecho bajo la napa de agua, en arenas muy finas o limosas con D10<0,074 mm.

El método consiste en determinar el asentamiento que aporta cada capa subyacente en que Nw < Ncr. El valor de penetración crítica Ncr será determinado más adelante. Si las profundidades en que aparece Nw<Ncr son mayores de 10 m, podrá estudiarse una reducción del asentamiento por aflojamiento de la capa densa.

Determinación de Ncr.

De acuerdo a la relación ajustada por Bazaraa (1967) a las curvas experimentales de Gibbs y Holtz, se tiene.

En el caso de la figura se tiene.

Simplificando se pueden usar los valores típicos = 2 T/m3 y ’ = 1 T/m3, con lo que se llega a.

Por otra parte, de acuerdo a los estudios de Gutiérrez, para una aceleración horizontal de a=0,2g ( a = 0,2 ), los valores de la densidad crítica ( DRcr ) a usarse en el diseño son:

DRcr = 0,55 arena seca.DRcd = 0,77 arena sumergida.

En el caso de la Figura 34, estos valores se pueden aplicar directamente a los casos:

Aplicando los valores de DRcr a la relación N-DR se tiene

Como los coeficientes de z son prácticamente iguales se puede establecer la relación.

El uso de las ecuaciones anteriores entrega la siguiente tabla de valores de Ncr entre la superficie y 20 mt de profundidad.

Relación penetración crítica - profundidad.Profundidad

z , (mt.)Ncr

z < ha

Ncrha=0

2,55,07,510,012,515,017,520,0

811141720232629

14172023262393235

Para el caso de se puede usar el siguiente criterio de interpolación.

Relación N – asentamiento.

A partir de la relación entre Nw y DR, se puede escribir.

La que se puede diferenciar en forma aproximada en.

Esta ecuación fue verificada con varios ejemplos numéricos, encontrándose que es aceptable con un error máximo en el cálculo de DR no superior a un 20%.

Considerando que la deformación unitaria vertical en un punto del suelo es

y que por definición

, se obtiene

Combinando las ecuaciones anteriores se llega a

Si se supone los siguientes valores típicos emax = 1,0 y e = 0,75, se tiene:

Después de verificar con los valores de e y emax, de algunas arenas típicas, se concluye que una ecuación probablemente conservadora es:

Como la suposición es que , y si se considera como valor a ser usado en el denominador, la ecuación se transforma en:

Procedimiento recomendado.

Calcular el Ncr bajo la superficie de apoyo del terraplén para las profundidades en que haya valores de Nw.

El Ncr se calculará con la ecuación

Para z < ha ; r = 0Para z > ha ; r = 1

Comparar Nw con Ncr.Para cada punto del sondaje en que Nw<Ncr, calcular Nw-Ncr y Nw+Ncr, y el espesor de influencia H.

El asentamiento sísmico máximo queda expresado por la ecuación

(cm.)

Hi : espesor en metros de la capa de influencia en que Ncr>Nw

Peligro de licuación.

Si Nw>Ncr, en todo punto bajo el suelo de fundación, se podrá descartar el peligro de licuación sin mayores consideraciones. Si Nw<Ncr en alguna zona bajo el suelo, será necesario un estudio especial que considere el valor de ha, la graduación de la arena, su plasticidad y otros factores.

Medidas de corrección en suelos de fundación inadecuados.

Cuando las necesidades del trazado obligan a colocar terraplenes sobre suelos de mala calidad, es necesario tomar una serie de precauciones y emplear métodos constructivos que aseguran un grado mínimo de estabilidad a los rellenos. El suelo de fundación puede presentar, en general, tres tipos de deficiencias importantes.

Alta compresibilidad, lo que implica la posibilidad de asentamientos importantes en la superficie debido al sobrepeso impuesto por el terraplén.

Baja consistencia, lo que puede significar la posibilidad de que se desarrolle flujo plástico, por la generación de un esfuerzo de corte que sobrepase los valores resistentes del suelo.

Baja compacidad, que puede implicar la posibilidad de asentamiento bruscos debido a efectos dinámicos o un colapso total del terraplén por licuación del suelo de fundación.

La mejor solución es la eliminación parcial o total del suelo subyacente mediante la excavación o desplazamiento (Figura 35 y 36). Sin embargo, no siempre es económicamente viable este procedimiento, debiendo adoptarse alguna de las siguientes medidas correctivas que elimine o minimice el problema.

Suelos de alta compresibilidad.

En este caso es recomendable eliminar la mayor cantidad posible de suelo compresible, de modo tal que la mayor parte de la consolidación se produzca durante el período de construcción. En este sentido es útil recordar que el tiempo de consolidación es proporcional al cuadrado del espesor del estrato compresible. Una estimación aproximada del tiempo de consolidación puede lograrse del análisis de la curva índice de huecos - tiempo, del ensayo edométrico.

El uso de materiales livianos ( por ejemplo, cenizas volcánicas existentes en varias zonas del país, que tienen una baja densidad ), permite disminuir la sobrepresión impuesta por el terraplén en forma considerable y, por lo tanto, es recomendable su uso para disminuir los asentamientos por consolidación.

El uso de sobrecarga adicional sobre el terraplén, permite acelerar el proceso de consolidación. Esta sobrecarga es luego retirada para dar el nivel de la rasante del camino.

El uso de drenes verticales de arena como procedimiento para disminuir el tiempo de consolidación, es usado en varios países. Sin embargo, su eficiencia es muy controvertida y depende de la relación entre la consolidación primaria y la consolidación total ( primaria más secundaria ). Bjerrum ha establecido un coeficiente de eficiencia , dado por.

c

c s

p p p

p p pplog log

log log0

0 0

en que

c : consolidación primaria.s : consolidación secundaria.p0 : presión efectiva inicial.p : incremento de presión.pp : presión de preconsolidación.

Pueden establecerse los siguientes valores del coeficiente como referencia para el uso de drenes verticales.

Valor coeficiente

Eficiencia dren vertical

< 0,300,30 a 0,60

> 0,60

bajaregular

alta

Suelos de baja resistencia.

En los suelos de fundación cuya cohesión sea muy baja y exista riesgo de flujo plástico, se puede tender los taludes para mejorar la estabilidad o colocar bermas laterales de contrapeso (Figura 37). Esta última tiene el inconveniente de ocupar gran espacio, lo que la hace poco práctica. En caminos secundarios, que no sean pavimentados, se puede utilizar el procedimiento de colocar el terraplén sobre un lecho de troncos como se indica en la Figura 38. Además, como en el caso anterior, es recomendable colocar materiales livianos, disminuyendo de esta forma el esfuerzo de corte inducido en el suelo de fundación.

Suelos granulares de baja compacidad.

Este tipo de suelos que está sujeto al riesgo de asentamientos bruscos o licuación, debe densificarse hasta un mínimo que asegure su estabilidad general.

Los equipos vibratorios pesados tienen influencia hasta profundidades menores que 1,50 m. Para espesores mayores, pueden usarse pilotes de densificación o sistemas de vibroflotación. Este último se basa en que bajo el efecto combinado de vibración e inyección de agua se obtiene una reubicación de las partículas de suelos lográndose una mayor densificación. En este método se introduce la unidad vibratoria a la profundidad requerida y es sacada lentamente, inyectando agua. Debido a las vibraciones se producen depresiones de forma cónica alrededor del eje de la unidad vibradora que se van llenando al agregar arena por la entubación. En arenas sin finos cohesivos, el efecto de compactación alcanza un radio de 1 a 2 mt. Este sistema es útil en arenas con una contenido máximo de limo de 25% y en arenas con un contenido máximo de arcilla de 5%.

El sistema de hincar pilotes de densificación resulta más sencillo y económico que el de vibroflotación. Los impactos producidos durante el hincamiento provocan una densificación en el suelo, lo que se traduce en un asentamiento superficial. Por otra parte, la masa del pilote produce una densificación adicional por desplazamiento y compresión del suelo adyacente.

Una variante de ese último método consiste en el hincado, con sistema Franki, de pilotes de arena que consiguen un efecto de densificación del suelo circundante. Este método resulta particularmente efectivo cuando se trata de suelos granulares sueltos.