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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.