ESTUDIO DEL RIESGO DE LICUACION PARA LA REPRESA DE RIO BLANCO.COMPARACION ENTRE METODOLOGIAS EXISTENTES

por: Amrico L. Fernndez1 y Alan R. Crumley1

Sumario

Los casos histricos de licuacin comenzaron a hacerse cada vez ms notables a partir del terremoto de Niigata en 1964. Desde de entonces innumerables metodologas han sido desarrolladas para tratar de definir el riesgo de licuacin de un deposito de arenas saturadas. Una vez que se determina que existe riesgo de licuacin en un depsito arenoso, hay dos aspectos fundamentales que deben tratar de controlarse: la prdida de resistencia al corte y las grandes deformaciones debido a fallas de flujo. Estos efectos cobran mayor importancia cuando se trata de una represa, pues pueden poner en peligro la integridad y estabilidad de la misma. Por esto, se realiz un extenso estudio de licuacin en el rea de la futura represa de Ro Blanco a fin de tratar de minimizar el riesgo de licuacin en los estratos arenosos que yacen a lo largo de todo el eje de la represa.

1. Introduccin

El objetivo de este trabajo es presentar los resultados de los anlisis de licuacin conducidos en las fundaciones de la futura presa de Ro Blanco, localizada en Naguabo, Puerto Rico (ver Figuras 1 y 2). Los anlisis efectuados corresponden a un enfoque de resistencia al esfuerzo cclico, y estn basados en ensayos de CPT (Cone Penetration Test). Mas an, considerando la ubicacin y la importancia de la presa de Ro Blanco, una parte fundamental de su diseo ser el estudio de la respuesta dinmica de los depsitos de suelo sometidos a una fuerte excitacin de movimiento.De acuerdo a la caracterizacin geotcnica del sitio de la presa, hay varias zonas de material granular alrededor y cerca del estribo izquierdo de la misma. La presencia de estas capas arenosas nos lleva a revisar, ms cuidadosamente, dos factores importantes que son considerados en el diseo: conductividad hidrulica y licuacin.En este trabajo el procedimiento usado para la investigacin ssmica abarca:

1. Definicin del mximo terremoto creble, basndose en observaciones geolgicas, sismolgicas e histricas;

2. Caracterizacin geotcnica del sitio de la represa para determinar cuales son las capas granulares ms propensas a licuarse (basndose en los ensayos de campo y de laboratorio);

3. Estudio de la resistencia residual (en estado crtico) del suelo licuado.

1 Geoconsult, Inc. Geotechnical Engineers, Puerto RicoP.O. Box 362040, San Juan, PR 00936-2040

N

Sitio deNSitio de

UbicacinUbicacin

Figura 1: Mapa de ubicacin de la presa de Ro Blanco

N

SCAL E IN ME TERS0 100 200

Figura 2: Dibujo esquemtico de la presa y el embalse de Ro Blanco

2. Caracterizacin GeotcnicaLas perforaciones ejecutadas muestran variaciones espaciales significativas en lalitologa, an en cortas distancias. A lo largo del eje de la presa se observa que la roca base yace a una profundidad que vara entre 35 y 40 hacia el estribo izquierdo, y 115-120 pies hacia el estribo derecho.En general, en toda el rea se encuentra una gruesa capa superficial de material arcilloso de origen aluvial, con compacidad media a blanda, seguida por suelos ms duros o ms densos (arcillas y arenas limosas). En la base de estos depsitos aparece un estrato de roca meteorizada la cual yace sobre la roca base a unos 115 pies de profundidad (ver Figura 3).El espesor de estos depsitos aluviales aumenta hacia el sur, lejos de la presa, pero disminuye rpidamente en direccin norte, hacia el embalse propuesto y los estribos de la presa. Esto sugiere que no deben esperarse amplificaciones significativas (mas all de lo estipulado en los cdigos ssmicos). Esta hiptesis considera las distancias entre las zonas ssmicas fuentes y el sitio de la presa, y el hecho que los eventos ssmicos esperados deberan producir movimientos con concentracin de energa hacia las altas frecuencias mientras que se espera que el sitio vibre a frecuencias ms bajas. Basados en este hecho puede esperarse que las aceleraciones dentro los suelos licuables, para efectos prcticos, sern iguales a las aceleraciones de la roca base; sin embargo, ms cerca de la superficie, pueden ocurrir aceleraciones ms altas debido a la amplificacin local en la arcilla blanda superior.

Es triboDerecho

Es triboIzquie rdo

Cuerpo de la Pres a H ~ 18m

MaterialColuvia l

Arcillas Aluvia les

Aluvin

Arenas Aluviales

Crest a de la PresaEs tribo Es triboDerecho Crest a de la Presa Izquie rdoCuerpo de la Pres a H ~ 18mMaterial Arcillas Aluvia lesColuvia l Arenas AluvialesAluvinColuvio D ~ 20mRoca Bas e - GranodioritaColuvio

D ~ 20m

Roca Bas e - Granodiorita

Figura 3: Estratigrafa debajo del eje de la presa

3. Caracterizacin DinmicaLos parmetros dinmicos del suelo se obtuvieron de registros de perforacin y deperfiles de velocidad de ondas de corte efectuados en el sitio. Como resultado de la reduccin de informacin, el perfil definido por el anlisis dinmico result bastante complejo, observndose una secuencia de arcillas inter-estratificadas y depsitos de arena que aumentan de rigidez con la profundidad. Esta estratigrafa se hace ms intrincada en el rea de los depsitos de conglomerados en forma de abanico (Fanglomerate deposits) cerca del estribo derecho. La base del depsito, interfase roca-suelo definida como roca equivalente, vara a lo largo de la alineacin de la presa entre 40 y 115 pies.

4. Anlisis de LicuacinLa licuacin de los depsitos de arena siempre va seguida por un ciertoasentamiento del terreno, lo cual se produce como resultado de la disipacin del exceso de presin de poros. De acuerdo con Ishihara (1990), tales asentamientos pueden alcanzar normalmente entre 10 a 20 centmetros. Los efectos de una deformacin tan significativa se agravan si ocurren de manera diferencial. Ms an, si la superficie del suelo est algo inclinada la reduccin de la resistencia al corte puede causar grandes deformaciones horizontales, conocidas como falla por flujo. El estudio de estos efectos es de gran importancia para las estructuras de gran longitud, tales como las presas de tierra. Por lo tanto, la evaluacin del potencial de licuacin, y la formulacin de las correspondientes medidas de mitigacin, son un factor muy importante en la evaluacin del riesgo ssmico de la presa.El anlisis del potencial de licuacin en este estudio sigue procedimientos basados en la determinacin de la razn de esfuerzos cclicos (CSR). Esta razn CSR depende directamente de la mxima aceleracin horizontal en el sitio; lo cual motiv un anlisis de microzonificacin ssmica del rea, a fin de obtener un mejor estimado de este parmetro. Se utilizaron 2 tipos de correlaciones diferentes con el CSR (CPT y velocidad de ondas de corte), a fin de cubrir de manera complementaria todo el rea de la presa.Como resultado de este anlisis se definieron los estratos que son potencialmente licuables y se presentan mapas con isolneas mostrando los espesores mximos esperados de estratos en los cuales puede ocurrir licuacin alrededor del eje de la presa.Adicionalmente, se discuten ms a fondo los beneficios y desventajas de los mtodos utilizados en este anlisis y se hace mencin de cuales son las nuevas tendencias de la geotecnia para atacar este problema. Aunque estas nuevas metodologas no estn suficientemente validadas para ser utilizadas en la prctica convencional, representan un futuro no muy lejano para evaluar y comprender mejor el fenmeno de licuacin y sus consecuencias

5. Enfoque de esfuerzo cclicoEs un principio generalmente aceptado que el potencial de licuacin de estratosarenosos puede evaluarse utilizando correlaciones entre datos de resistencia a la penetracin (tales como SPT y CPT) y la resistencia cclica del material movilizado durante una fuerte excitacin vibratoria. En este estudio se utilizaron datos de ensayos CPT debido a que stos proveen resultados ms confiables de densidad relativa en

depsitos granulares. Adicionalmente, comparado con datos SPT, el cono es menos dependiente del operador del equipo y suministra un registro prcticamente continuo de la resistencia a la penetracin y de la friccin lateral. Ms an, a diferencia del SPT, el efecto de perturbaciones a lo largo de la perforacin no afecta la medicin debido a que el cono es empujado continuamente sin requerir de la extraccin y reinsercin de la probeta.En este enfoque, la resistencia cclica es caracterizada por la relacin de esfuerzo cclico (CSR). Bsicamente, la CSR se define como el esfuerzo cortante promedio (avg) actuante en un estrato, normalizado por el esfuerzo efectivo de sobrecarga (vo).El estudio de licuacin hecho para la presa de Ro Blanco se basa en lacorrelacin de esfuerzos desarrollada originalmente por Seed & Idris (1971 & 1987) y modificada por Robertson & White ( 1997). De acuerdo con estos autores, la CSR es una funcin de la duracin del terremoto (representada por la magnitud del momento Mw), la aceleracin horizontal mxima (representada por la aceleracin pico del suelo normalizada por la aceleracin de la gravedad, amax/g), la profundidad del depsito granular (representada por el coeficiente de reduccin del esfuerzo, rd) y el esfuerzo vertical total normalizado (la relacin entre el esfuerzo efectivo total actuando sobre el

voestrato, sigmavo/sigma'

). Por lo tanto, CSR puede calcularse como:

dCSR avg 0.65 a max vo r

(1)vo

g vo

Tal como lo sugirieron Schneider y Mayne (1999), rd puede obtenerse utilizando la siguiente expresin de Idriss (1999): z ( z )*M w rd e

(2)

Donde z es la profundidad en metros hasta 25m, alfa y beta son funciones de ajuste definidas como:

z(z) 1.01 1.06 sin 11.73 5.133

(3)

z(z) 0.106 0.118 sin 11.28 5.142

(4)

El siguiente paso es graficar los valores obtenidos de CSR contra la resistencia a la penetracin del suelo. En el caso de este estudio, se utiliz la resistencia de punta del ensayo CPT, porque estos son ms confiables que los datos de SPT. Una ventaja es que el CPT suministra informacin continua sobre el perfil el suelo, reduciendo la incertidumbre sobre las suposiciones del espesor y profundidad de los estratos licuables.Para determinar el potencial de licuacin, se comparan la posicin de los puntos graficados con relacin a la curva de referencia (CRR). Dicha curva CRR conecta las menores relaciones cclicas de esfuerzos que se sabe producen licuacin para un valor dado de resistencia normalizada de la punta (qcln ). Esta curva es considerada como una frontera para limitar las condiciones en las que la licuacin puede o no ocurrir (ver Figura 4).

0.5

Razn de Esfuerzos Cclicos (CSR)0.4

0.3

0.2

0.1

00 50 100 150 200 250

Resistencia de Punta Normalizada (qc1N)

Figura 4: Evaluacin del potencial de licuacin en uno de los sondeos

6. Procedimiento de anlisis. Anlisis de licuacin basada en CPT.En este anlisis se utilizaron datos de 34 ensayos CPT. Los resultados de cadaensayo se tabularon y se calcularon los esfuerzos efectivos y totales para cada profundidad. Entonces se calcularon valores CSR a todo lo largo del material granular encontrado en los perfiles (desde arena arcillosa hasta grava), entonces estos valores se graficaron contra la resistencia normalizada de la punta, qcln , siendo:

q cq Pa q c

(Pa: presin atmosfrica) (5)c1N

voPa

vo

Pa 0.5

Los valores de CSR graficados son comparados con la razn de resistencia cclica, CRR, los cuales definen el umbral donde comienza la licuacin. Por lo tanto, todos los puntos sobre esta lnea sern sometidos a un esfuerzo cclico cortante mayor que su resistencia cclica, en consecuencia se licuarn.Las curvas de CRR dependen del tipo de la prueba de penetracin utilizadas. En nuestro caso, los CRR son correlacionados con los ensayos CPT de acuerdo con la siguiente expresin presentada por Robertson & Wride ( 1998):

q

3If 50 (qc1N)cs < 160 then: CRR

93 c1N cs

0.08

(6)7.5

1000 q If (qc1N)cs < 50 then: CRR

0.83 c1N cs 0.05

(7)7.5

1000

Considerando la gran cantidad de datos CPT que se obtuvieron en los estudios de campo, los resultados del anlisis de licuacin en cada sitio se caracterizaron con dos parmetros: (a) el factor de seguridad contra licuacin; y (b) el espesor del estrato licuable en cada perfil del suelo.El factor de seguridad contra licuacin, FSL, se calcul para cada estrato licuable a fin de cuantificar el potencial de licuacin. Este factor de seguridad se define como:

FSL

CRR 7.5 CSR

(8)

Como resultado, valores de FSL menores que uno (1) identifican estratos licuables (ver Figura 5). Es importante comentar que CSR es altamente dependiente de amax. Por lo tanto, para reducir la incertidumbre, este parmetro debe determinarse basndose en aceleraciones pico del suelo "apropiadamente estimadas". Para este estudio, amax se obtuvo a partir de anlisis dinmico unidimensional de un perfil representativo del suelo.

Factor de Seguridad a la Licuacion0.1 1 10

LicuacinNo Licuacin0

5

Profundidad (pie)10

15

20

25

30

Figura 5: Definicin de los espesores de los subestratos licuables

Una vez calculado el FSL a todo lo largo del perfil de suelos (considerando solamente los estratos granulares) definimos al "espesor licuable", HL, como la suma de todos los subestratos dentro de cada perfil de suelo con FSL menor que uno (1). Entonces los valores calculados de HL fueron graficados en los correspondientes lugares de ensayos CPT, y se produjeron isocurvas para interpolar los resultados entre los puntos de ensayo. Este procedimiento se repiti para dos valores diferentes de aceleracin (ver Figuras 6 y7); estas aceleraciones fueron (a) 0,19g, definida en el anlisis dinmico realizado para el rea de la presa, y (b) 0,40g tomada del "USGS/BSCC Project 98". A partir de estos resultados, es evidente que ocurrir licuacin en un amplio sector de la base de la presa para cualquiera de los dos valores de aceleracin.

CPT-20 2

RB-23 4

CPT-1 7

CPT-1 3CPT-1 1

CPT-3 0

RB-23 5CPT-1 8

CPT-1 6 CPT-1 4CPT-20 4

CPT-2 2CPT-1 9

CPT-1 5

RB-20 5

CPT-2 1CPT-2 3

RB-23 6

CPT-2 6CPT-7

CPT-3CPT-2RB-23 7

RB-20 6

CPTCP-6T-1CPT-4

CPT-20 2RB-23 4CPT-1 3CPT-1 1CPT-1 7CPT-3 0 RB-23 5CPT-1 8 CPT-1 6 CPT-1 4CPT-20 4 CPT-2 2CPT-1 9 CPT-1 5CPT-2 1CPT-2 3 RB-23 6RB-20 5CPT-2 6CPT-7 CPT-3CPT-2RB-23 7 CPTCP-6T-1CPT-4RB-20 6CPT-23 1

CPT-23 1

Figura 6: Isolneas de espesores de estratos licuables (en pies) para una aceleracin horizontal de 0.19 g (Anlisis basado en CPT)

CPT-20 2

RB-23 4

CPT-1 7

CPT-1 3CPT-1 1

CPT-3 0

RB-23 2

RB-23 5CPT-20 4

CPT-22CPT-1 9

CPT-1 5

RB-20 5

CPT-2 1CPT-2 3

RB-236

CPT-2 6CPT-7

CPT-3CPT-2RB-237

RB-206

CPCTP-6T-1CPT-4

CPT-20 2RB-23 4CPT-1 3CPT-1 1CPT-1 7CPT-3 0 RB-23 5CPT-18 CPT-1 6 CPT-1 4RB-23 2CPT-20 4 CPT-22CPT-1 9 CPT-1 5CPT-2 1CPT-2 3 RB-236RB-20 5CPT-2 6CPT-7 CPT-3CPT-2RB-237 CPCPT-6T-1CPT-4RB-206CPT-231

CPT-231

Figura 7: Isolneas de espesores de estratos licuables (en pies) para una aceleracin horizontal de 0.40 g (Anlisis basado en CPT)

7. Procedimiento Alterno. Anlisis de licuacin basado en ondas de corteLos procedimientos generalmente aceptados para estimar el potencial de licuacin(correlaciones con datos CPT y SPT) estn basados en el estudio de los esfuerzos cclicos inducidos. La suposicin bsica de este enfoque es que la resistencia a la licuacin y los ensayos in situ de resistencia a la penetracin son ambas funcin de la densidad relativa, y por lo tanto, son correlacionables.Por otra parte, Dobry y colaboradores (1982) concluyeron que para la prediccin de los incrementos de la presin de poro y la licuacin, las deformaciones cclicamente inducidas son ms significativas que los esfuerzos cclicamente inducidos. Por lo tanto se recomienda un enfoque basado en pequeas deformaciones. Hasta ahora, el modo ms rpido y confiable para determinar pequeas deformaciones in situ es mediante mediciones de campo de velocidades de ondas de corte, Vs. Adems, considerando que Gmax depende directamente de Vs, hay bases tericas para correlacionar resistencia a la licuacin con Vs.

Para este estudio, se utiliz la correlacin entre CRR y la velocidad de onda de corte de sobrecarga normalizada, V sl , propuesta por Andrus y Stokoe (1997):

V 2 1 1

s1CRR 7.5 0.022 100

2.8 V V V

(9)Donde:

s1V

Vs

s1 s1

s1

(10)vo

0.25

Para contenido de finos, FC 5 %Vs1* = 215 m/s (11)

Para contenido de finos, 5% < FC < 35 %Vs1* = [215 0.5(FC-5)] m/s (12)

Aunque este enfoque parece ser ms robusto que el enfoque basado en CPT, en este estudio se utiliza solamente como una herramienta de apoyo. Las razones para esto son: (1) no hay suficientes datos disponibles para cubrir con confianza el rea del estudio, y (2) no hay suficientes casos documentados para verificar la curva CRR. Sin embargo, los resultados obtenidos son consistentes con los resultados que se presentan en el anlisis basado en la resistencia de punta del CPT. (ver Figura 8).

RB-234

CPT-17

RB-234CPT-17CPT-30 RB-235RB-206CPT-30

RB-235

RB-206

Figura 8: Isolneas de espesores de estratos licuables (en pies) para una aceleracin horizontal de 0.40 g (Anlisis basado en Vs)

8. Enfoque de Mecnica de Estados CrticosLa mecnica de estados crticos est basada en la dependencia nica entrecambios volumtricos, grado de confinamiento y la densidad inicial del suelo. La relacin entre la deformacin volumtrica de un material granular y el esfuerzo aplicado es un aspecto muy significativo de su comportamiento esfuerzo-dependiente.En un ensayo de compresin triaxial, la tendencia de un material arenoso a contraerse o expandirse puede caracterizarse en un espacio e-sigma definido por la relacin de vaco y los esfuerzos efectivos de confinamiento. En este espacio, la regin donde los especmenes presentan altas relacin de vaco y esfuerzos efectivos de confinamiento, tiene un comportamiento contractivo. Inversamente, la regin con bajas relacin de vaco y esfuerzos efectivos de confinamiento define un rea de comportamiento expansivo. El limite entre esas reas contractivas / expansivas se define como la lnea de estados crticos (Santamarina et al. 2000).Se condujo un procedimiento experimental para determinar la lnea del estado crtico, LEC, para un espcimen de arena tomado de una calicata bajo el eje de la presa. Los resultados de las pruebas muestran los siguientes parmetros (ver Figura 9): Intercepto: =0.911 y pendiente: = 0.092.De acuerdo con estos resultados la lnea del estado crtico, LEC, puede trazarse enel espacio e-sigma. Entonces las condiciones tpicas del suelo antes y despus de colocar la represa muestran que, aunque las condiciones iniciales tienden a mostrarse expansivas, una vez construido el terrapln, el cambio en la presin de confinamiento produce desplazamientos en el estado del suelo hacia lo contractivo.

0.85

0.80

1

Relacin de vacos, e0.75

Resultados de ensayo triaxial CID (Condiciones en sitio)

0.70

0.65

0.60

Lnea de estados crticos, CSL, para espcimen tomado bajo el eje de la presae = -0.04Ln(p') + 0.9108R2 = 0.997

1 10 100 1000 10000

Esfuerzo promedio efectivo de confinamiento, p', [kPa]

Figura 8: Enfoque de estados crticos para determinar potencial de licuacin

9. ConclusionesEl criterio para la evaluacin del potencial de licuacin basado en los ensayos deCPT, muestra grandes reas potencialmente licuables, lo cual tiene un gran impacto en la extensin de las necesarias medidas de mitigacin para manejar el material arenoso potencialmente licuable.De acuerdo con la evaluacin basada en CPT, hay dos grandes reas de preocupacin en relacin con el espesor de la capa de arena que pudiera sufrir licuacin. Esas reas estn se muestran claramente en las Figuras 6 y 7, donde el espesor de las capas licuables alcanza de 4 a 7 pies.Las correlaciones Vs son un mtodo robusto para evaluar el potencial de licuacin; sin embargo, para este estudio los datos Vs eran muy escasos. Por lo tanto. Este tipo de anlisis se hizo solamente para corroborar los resultados obtenidos con las correlaciones basada en CPT.Aunque el enfoque basado en el estado crtico sugiere que el potencial de licuacin pudiera tal vez no ser tan extensivo como se muestra en el enfoque basado en las correlaciones CPT, no hay todava suficientes datos para apoyar esta suposicin. Considerando el costo y la extensin de las probables medidas de mitigacin, ciertamente valdr la pena obtener mas mediciones a los fines de validar esta hiptesis.

10. ReferenciasBuilding Seismic Safety Council (1998) NEHRP Recommended Provisions for NewBuildings Part 2, Commentary, FEMA

Dobry, R., Ladd, R.S., Yokel, F.Y., Chung, R.M. and Powell, D. (1982) Prediction of Pore Water Pressure Buildup and Liquefaction of Sands During Earthquakes by the Cyclic Strain Method National Bureau of Standards Publication NBS-138. July 1982

Finn, W.D.L. and Ledbetter, R.H. (1991) Evaluation of Liquefaction Effects and remediation Strategies by Deformation Analysis Proceedings of GEO-COAST 91. Yokohama, Japan, pp. 441-446

Ishihara, K (1990) Evaluation of Liquefaction Potential and Consequent Deformations in Sand Fills Proceedings of the Workshop on Seismic Issues. Port of Los Angeles, CA.

Robertson, P.K. and Wride, C.E. (1998) Evaluating Cyclic Liquefaction Potential Using the Cone Penetration Test Canadian Geotechnical Journal, 35 (3), pp.442-459

Santamarina, J.C., Fam, M. and Klein, K (2000) Particulate Materials: Characterization with Elastic and Electromagnetic Waves John Wiley & Sons.

Scheneider, J.A. and Mayne, P.W. (1999) Soil Liquefaction Response in Mid-America Evaluated by Seismic Piezocone Tests Mid-America Earthquake Center Report MAE- GT-3A. Georgia Institute of Technology, GA

Vucetic, M. and Dobry, R. (1991) Effect of Soil Plasticity on Cyclic Response ASCE Journal of Geotechnical Engineering. 117 (1). Pp. 89-1