ec-514 - licuación de suelos 2011

UNI - FICDAMS

CURSO DE DINÁMICA DE SUELOSEC – 514 G

LICUACIÓN DE SUELOS

Denys Parra MurrugarraMSc., Profesor Asociado

(Youd, 1973)“transformación de un material granular de un estado sólido a un estado licuado como

Definición de LicuaciónDefinición de Licuación

consecuencia del incremento de la presión de agua de poros”

Un depósito de suelo consiste de un grupo de partículas individuales de suelo.

Descripción del Proceso de LicuaciónDescripción del Proceso de Licuación

Definición de LicuaciónDefinición de Licuación

• Fenómeno en el cual el equilibrio estático es destruido por cargas estáticas o dinámicas en un depósito de suelo con baja resistencia residual.

• Resistencia residual es aquella que posee el suelo después de haber licuado.

• Cargas estáticas son aplicadas por edificaciones sobre una ladera en pendiente.

• Los terremotos, voladuras, y el hincado de pilotes son ejemplos de cargas dinámicas que pueden producir flujo por licuación.

• Las fallas por licuación pueden ser movimientos grandes y rápidos con efectos desastrosos.

Movilidad CíclicaMovilidad Cíclica

• Fenómeno de licuación provocado por una carga cíclica.

• Ocurre en depósitos de suelo con esfuerzos de corte estáticos menores que la resistencia del suelo.

• Las deformaciones se incrementan porque esfuerzos estáticos y dinámicos subsisten durante un terremoto.

• Desplazamiento lateral es un resultado común de la movilidad cíclica, y ocurre sobre terrenos suavemente inclinados y en terrenos llanos cercados por ríos y lagunas.

Factores que Determinan LicuaciónFactores que Determinan Licuación

• Magnitud del Movimiento Sísmico

• Duración del Movimiento Sísmico

• Granulometría del Suelo

• Densidad Relativa

• Profundidad del Nivel Freático

Consecuencia de la LicuaciónConsecuencia de la Licuación

• Asentamientos

• Desplazamientos laterales

• Flujos laterales

• Pérdida de soporte lateral

• Pérdida de capacidad de soporte

• Flotación de cimentaciones enterradas

Desplazamiento LateralDesplazamiento Lateral

• Tipo más común de falla del terreno por licuación.

• Involucra movimiento lateral de capas superficiales debido a licuación y pérdida transitoria de resistencia de las capas inferiores.

• Desplazamiento lateral ocurre en terrenos relativamente llanos (pendientes entre 0.5 -5%).(pendientes entre 0.5 5%).

• Desplazamiento lateral presenta pocos metros.

• En condiciones anormales ocurren desplazamientos de varias decenas de metros con grietas en el terreno y desplazamientos verticales.

• Daños en cimentaciones de edificios, tuberías de desagües y otras estructuras en la zona afectada.

Oscilación del TerrenoOscilación del Terreno

Estado Inicial

Nivel Freático

Estado Final

Movilidad cíclica causada por licuación en la zona achurada. Estaocasiona el desacople de las capas de suelo. La capa desacopladaoscila de modo diferente al suelo vecino, causando agrietamientos.

(Youd. 1992)

Licuación

Desplazamiento LateralDesplazamiento Lateral

Nivel Freático

Sección Inicial

Sección deformada

Esquema de lo que ocurre con undesplazamiento corrimiento lateral(Youd. 1992)

Falla por FlujoFalla por Flujo

• Fallas muy catastróficas causadas por licuación.

• Los flujos se movilizan decenas de metros y a altasvelocidades.

• Los flujos involucran suelo completamente licuado o bloquesde suelo firme sobre una capa de suelo licuado.

• Generalmente en arenas saturadas, sueltas, con pendientedel terreno mayor que 5%.

• Fallas por flujo se han desarrollado bajo agua en áreascosteras y en tierra firme.

• Depósitos y presas de relaves antiguas, construidas por elmétodo de aguas arriba.

Pérdida de la Capacidad PortantePérdida de la Capacidad Portante

• Pueden ocurrir grandes deformaciones en el suelolicuado que soporta una edificación, ocasionandoasentamientos o inclinaciones.

• Caso más documentado: edificios Kawagishi-cho,terremoto de Niigata, Japón en 1964. Rotación de hasta60° y hundimiento en la arena licuada. Suelo compuestopor 15m de arena suelta (N<20goles/pie) sobre arenasmás densas. NA a 1m. Daño estructural no grave.

Pérdida de Capacidad PortantePérdida de Capacidad Portante

Estado Inicial

Nivel Freático

Flujo de agua hacia arriba

Estado Final

DAÑOS OCURRIDOS EN TERREMOTOS

PASADOS POR EFECTOS DE LICUACIÓN

Terremoto de Niigata en Japón, en 1964Terremoto de Niigata en Japón, en 1964

• Fecha: 16 de Junio de 1964

• Magnitud de 7.5 en escala de Richter

• Se destruyeron 2000 casas y se perdieron 28 vidasSe destruyeron 2000 casas y se perdieron 28 vidas

• Ocurrencia de tsunami destruyó totalmente el puerto de Niigata

Terremoto de Alaska en E.U., 1964Terremoto de Alaska en E.U., 1964

• Lugar: Prince William Sound

• Fecha: Viernes Santo, 27 de Marzo de 1964

• Magnitud Ms=9.2

• El evento sísmico duró 3 minutos aproximadamente

• Ocurrió un tsunami después del terremoto con daños en Ciudad Creciente, California

• Fecha: 17 de Octubre de 1989

• Magnitud Ms=7.1

• Severos daños en Santa Cruz y áreas distantes

Terremoto de Loma Prieta en E.U. (1989Terremoto de Loma Prieta en E.U. (1989))

• Severos daños en Santa Cruz y áreas distantes como San Francisco y Oakland

• Terremoto de Hanshin de 1995, comúnmente llamado terremoto de Kobe

• Magnitud Ms=6.9

• Uno de los más devastadores terremotos en Japón

Terremoto de KOBE, Japón (1995)Terremoto de KOBE, Japón (1995)

Uno de los más devastadores terremotos en Japón

• Más de 5.500 muertos y 26.000 heridos

• Pérdida económica estimada en 200 billones de dólares

• Pérdidas por licuación en el puerto de la ciudad

TERREMOTOS EN EL PERÚ

• Fecha: 31 de Mayo de 1970

• Ms=7.8

• Profundidad focal de 45 Km

E i t 50 K l O t d l i d d d Chi b t

Terremoto de Chimbote, Perú (1970)Terremoto de Chimbote, Perú (1970)

• Epicentro a 50 Km al Oeste de la ciudad de Chimbote

• Aceleración máxima corregida en Lima de 0.11g

• Intensidad en Chimbote de grado IX Mercalli Modificada

• Fecha: 29 de Mayo de 1990, mb=6.0

4 de Abril de 1991, mb=6.5

• Sismos producidos por fallas activas

Terremotos de Moyobamba, Perú (1990, 1991)Terremotos de Moyobamba, Perú (1990, 1991)

• Fecha: 15 de Agosto de 2007

• Mw=8.0

• Profundidad focal de 39 Km

E i t 50 K l O t d Chi h Alt

Terremoto de Pisco, Perú (2007)Terremoto de Pisco, Perú (2007)

• Epicentro a 50 Km al Oeste de Chincha Alta

• Aceleración máxima corregida en Ica de 0.30g

Licuación y desplazamiento lateralFalla talud de 400 m

Corte de alcantarillas por debajo de la carretera

Cono de arena en la base de la falla del terraplén de la carretera Panamericana

Desfase vertical de aproximadamente 3.0 mInterface Terraza Marina y Formación Cañete

Grietas en el terreno y eyección en los depósitos de terrazas marinas

Asentamiento de viviendas por licuaciónDe 0,70 a 1,0 m

Asentamientos observados en el Puerto San Martín

Desplazamiento de 0,50 m en el muelle

Agrietamiento de gran extensión (´puerto)

Daños observados en Tambo de Mora

Daños observados en el Complejo Las LagunasCortesía Ing. Edgar Flores

ing. Edgar Flores A.

OTROS CASOSOTROS CASOS

Licuación cerca de Umedpar

Aprox. 20 km al norte de Khavda7 km al oeste de Lodai

1.3 m

Licuación cerca de Suraj Bari

Desplazamiento Lateral cerca de la presa Rudramata

Daño debido a asentamiento diferencial, Terremoto de Chi-Chi Taiwan, 1999

Daños observados en el Terremoto de Turkía, 1999

Nueva Zelanda, Junio 2011

Figure 1: CrossFigure 1: Cross--Section and instrumentation at the Section and instrumentation at the Wildlife site.Wildlife site.

Figure 2: Record acceleration at the ground surface, NS component, during the November 24, 1987 Earthquake.

Figure 3: Record acceleration at downhole, NS component, during theNovember 24, 1987 Earthquake.

Figure 4: Pore water pressure measured by P5, during the November 24,1987Earthquake.

Figure 5: Average stress-strain time history during the November 24, 1987 Earthquake.

Figure 6: Schematic shear stress-strain hardening behavior

Evaluación de Resistencia a la LicuaciónEvaluación de Resistencia a la Licuación

Se requiere la estimación de 2 variables para evaluar la resistencia a la licuación de suelos:

1. La demanda sísmica en un estrato de suelo, expresada en términos de CSR (CSR inducido porexpresada en términos de CSR (CSR inducido por el terremoto)

2. La capacidad del suelo para resistir la licuación,expresada en términos de CRR (CSR requeridopara causar licuación)

Evaluación de Evaluación de CSRCSR

Ecuación de Seed e Idriss (1971)

d'v o

v omax'v o

av rσσ

ga0.65

στCSR

av = esfuerzo cortante promedioamax = aceleración máxima

g = aceleración de la gravedad

o = esfuerzo total vertical

o = esfuerzo efectivo verticalrd = factor de reducción

Evaluación de Evaluación de CRRCRR

• Ensayo de Laboratorio:• Ensayo de corte simple cíclico• Ensayo triaxial cíclico

• Ensayos in situ:• Ensayo de penetración estándar (SPT)• Ensayo de penetración cónica (CPT)• Medición de velocidad de ondas de corte (Vs)• Ensayo de penetración Becker (BPT)

Estudios de Laboratorio para Simular Estudios de Laboratorio para Simular Condiciones de Licuación de SuelosCondiciones de Licuación de Suelos

• Condiciones de campo de carga idealizados

• Limitaciones Selección de muestras representativas Concentraciones de esfuerzos y mantenimiento de

esfuerzos y deformaciones uniformes Disturbancia del muestreo, etc.

Correcciones al SPTCorrecciones al SPT

• Corrección por esfuerzo efectivo de sobrecarga (CN)• Corrección por relación de energía del martillo (CE)• Corrección por diámetro de la perforación (CB)• Corrección por muestreador (CS)• Corrección por longitud de varilla (CR)

(N1)60 = Nm CN CE CB CR CS

Sobrecarga: 7.1PC ´v

aN

Energía :60ERC m

E

Correcciones por Sobrecarga y EnergíaCorrecciones por Sobrecarga y Energía

ERm ≈ 60 -----> U.S.A.

ERm ≈ 75 -----> Japón

Pa = Presión atmosférica

ERm = Relación de Energía para el método usado

Relación entre valores de esfuerzo cíclico que causa licuación y valores de (N1)60 para sismos de M = 7.5

Gráfico de Evaluación de Licuación SPTGráfico de Evaluación de Licuación SPT

Gráfico de evaluación de licuación a partir del SPT (modificado de Seed et al.1985)

Gráfico de Evaluación de Licuación Gráfico de Evaluación de Licuación CPTCPT

• El CPT es más consistente y se puede repetir

• Se disponen de registros de penetración continua

• Gráfico de evaluación de la licuación ha sido elaborado a qpartir de la resistencia por punta normalizado

q

Gráfico de evaluación de licuación a partir del CPT (modificado de Robert PK 1998)

Ensayo de Penetración Becker (Ensayo de Penetración Becker (BPTBPT))• Útil en gravas• Número de golpes requeridos para hincar un tubo de 300 mm en la

grava• Muy pocos datos que relacionen BPT con eventos de licuación de

campo• El número de golpes BPT es equivalente al SPT• Utilizar gráficos SPT para encontrar CRRg p

Correlación entre el número de golpes SPT y BPT en arenas (modificado de Harder y Seed en 1986)

• La velocidad de ondas de corte es corregida por presión de sobrecarga

• Las mediciones de Vs son posibles en suelos que son difíciles de penetrar con el CPT y SPT o extraer muestras

Gráfico de Evaluación de Licuación VsGráfico de Evaluación de Licuación Vs

SPT o extraer muestras inalteradas, tales como suelos gravosos, y en lugares donde no se permiten perforaciones

• Vs es una propiedad mecánica básica de los suelos, directamente relacionada al módulo de corte a bajo nivel de deformación

Gráfico de evaluación de licuación a partir del Vs (reproducido de Andrus y Stokoe en el 2000)

Comparación de las ventajas y desventajas de los diferentes ensayos de campo para la evaluación de la resistencia a la licuación (de NCEER, 1997)

Comparación de Ensayos de CampoComparación de Ensayos de Campo

• La evaluación de licuación a partir de los ensayos SPT y CPT son los métodos preferidos para la evaluación del potencial de licuación.

• Estos métodos son los más confiables debido a que están sustentados en una base de datos muy grande sobre la ocurrencia de licuación.

• Los ensayos SPT proporcionan muestras de suelos para la identificación del tipo de suelo y muchos procedimientos empíricos de diseño están basados en los valores de N del SPT.

Comentarios GeneralesComentarios Generales

• Los ensayos CPT proporcionan la mejor imagen de la estratificación del suelo y es el ensayo de penetración más confiable. Muchos procedimientos de diseño están basados también en datos de CPT.

• Si el ensayo CPT es realizado con un cono sísmico, se pueden medir las velocidades de ondas de corte al mismo tiempo y obtenerse el módulo de corte. Esta información puede ser usada para análisis estáticos y dinámicos.

• El ensayo BPT es la más incierta de las herramientas para evaluar el potencial de licuación, pero puede ser usado en gravas.

Evaluación de LicuaciónEvaluación de LicuaciónMetodología SimplificadaMetodología Simplificada

• CSR: Relación de esfuerzo cíclico• σvo : Esfuerzo total• σ´vo : Esfuerzo de confinamiento efectivo

d´0v

0vmax´0v

cic rga65.0)(CSR

Seed e Idriss (1971)

Método Simplificado Método Simplificado YoudYoud et al. (2001)et al. (2001)

• rd : Coeficiente de reducción de esfuerzos

• amax : Aceleración máxima o pico del sismo• g : Aceleración de la gravedad• τcic : Esfuerzo de corte cíclico

m 9.15 z ;z00765.00.1rd

m 23 z m 9.15 ;z0267.0174.1rd Liao y Whitman (1986)

Rauch (1998) 2001

45)N(1050

135)N(

)N(341CRR 2

cs601

cs601

cs6015.7


• CRR7.5 : Relación de Resistencia cíclica, para sismo Mw = 7.5• (N1)60cs : Golpes de SPT corregido por esfuerzo de

confinamiento, energía y contenido de finos

• (N1)60 = NmCNCECBCRCS

Factor Variable del equipo Término CorrecciónPressión Efectiva --- CN (Pa/σ´v) 0̂.5Pressión Efectiva --- CN CN ≤ 1.7Relación de Energía Martillo donu CE 0.5-1.0Relación de Energía Martillo de seguridad CE 0.7-1.2Relación de Energía Martillo donu automático CE 0.8-1.3Diámetro de Perforación 65 115 mm CB 1


Diámetro de Perforación 65-115 mm CB 1Diámetro de Perforación 150 mm CB 1.05Diámetro de Perforación 200 mm CB 1.15Longitud 1 < 3m CR 0.75Longitud 2 3-4 m CR 0.8Longitud 3 4-6 m CR 0.85Longitud 4 6-10 m CR 0.95Longitud 5 10-30 m CR 1Método de Muestreo Muestreo estándar CS 1Método de Muestreo Muestreo sin revestimiento CS 1.1-1.3

(N1)60cs = a + b(N1)60

Donde a y b son determinados bajo los siguientes criterios:

• a = 0; para CF ≤ 5%• a = exp (1 76 - (190/CF2)); para 5% < CF < 35%


a exp (1.76 (190/CF )); para 5% < CF < 35%• a = 5.0; para CF ≥ 35%• b = 1.0; para CF ≤ 5%• b = (0.99 + CF1.5/1000)); para 5% < CF < 35%• b = 1.2; para CF ≥ 35%

CF: Contenido de finos en %.

Correcciones para evaluación de Factor de seguridad:

KKMSFCSRCRRFS 5.7

CRR7.5 : Relación de Resistencia cíclica para sismo de Mw = 7.5CSR : relación de esfuerzo cíclico.

Evaluación de LicuaciónEvaluación de Licuación

CSR : relación de esfuerzo cíclico.MSF: Factor de escalamiento por magnitud de sismo

Kσ : Corrección por esfuerzo efectivo de confinamiento inicial.

Kα : Corrección por esfuerzo de corte inicial.

26.2w

24.2

M10MSF

)1f(´v

PaK

Dr: 40-60%; f = 0.7 – 0.8; Dr: 60-80%; f = 0.6 – 0.7 Youd

et. al (2001)

Seed e Idriss (1982); Youd et. al (2001)

Criterios para Evaluar los Efectos del Daño Inducido por Licuación en el Terreno

Índice del Potencial de Licuación

EVALUACIÓN DEL DAÑOEVALUACIÓN DEL DAÑO

Espesor del Estrato Licuable

Índice del Potencial de Licuación

IwasakiIwasaki y y TokimatsuTokimatsu, 1982, 1982

Cuantifica el grado de peligro que existe al ocurrir licuación. Se define como :

20

0 dzF(z).W(z).PL )I(

Índice del Potencial de Licuación (PL)

Donde : z = profundidad en metros.F(z) = 1 - FL(z) , para FL(z) 1.0F(z) = 0 , para FL(z) 1.0Además :W(z) = 10 - 0.5z , para z 20 mW(z) = 0 , para z > 20 m

FL(z) = Factor de Relación de Licuación = CRR / CSR

W(z)1.00 FL(z) 0 0 10

Z1

FACTOR DE RELACION DE LICUACION FACTOR DE PROFUNDIDAD

IwasakiIwasaki y y TokimatsuTokimatsu, 1982, 1982

PL = 0 SUELOSNO LICUABLES.

0 < PL 5 NO HAY EFECTOSDE LICUACION.

5 PL 15 PUEDE EXISTIR

Resultados

Z (m) Z (m)

20 m

Z2

Z3

Z4

PL = [1- FL(z)] . W(z) . dz + [1- FL(z)] . W(z) . dzZ1

Z2

Z3

Z4

5 < PL 15 PUEDE EXISTIR EFECTOS SEVEROS DE LICUACION.

15 < PL <100 EFECTOS SEVEROSDE LICUACION

PL = 100 SUELOS ALTAMENTELICUABLES

Espesor del Estrato Licuable, (H2)Compara el espesor del estrato licuable

con el espesor del estrato no licuable

Suelo no licuable

Suelo licuable

H1

H2

Max. 200 gal

terre

no in

duci

dos

licua

ción

Aceleración

AceleraciónMax. 300 galAceleración

RA

TO D

E A

RE

NA

E

H2(

m)

9

7

6

8

Iwasaki y Tokimatsu, 1982Iwasaki y Tokimatsu, 1982

No licua, CL,CH,MH,relleno,grava

No licua, arena no saturada

Licua, arena (N10)

Suelo no licuable

Arena (N 10)

Suelo no licuableH1

Arena

Arena (N 10) H2

H1

H2

H1

H2

Dañ

os e

n el

tpo

r l

Max. 400-500 galAceleracióng

ES

PE

SO

R D

EL

ES

TLI

CU

AB

LE

ESPESOR DEL ESTRATO SUPERFICIAL, H1(m)

5

4

3

2

1

97654321 8

Si en la gráfica, el punto (H1, H2) se encuentra POR ENCIMA de la curva correspondiente a la aceleración del sismo de diseño, entonces EXISTIRÁ DAÑO POR LICUACIÓN

D1

A'

D2

B2

E

1B

C1

D1

BBA'A

21

LLANURA DE INUNDACIÓNB 3

LÍNEAS DE PLAYA ANTIGUASC1

ARENAS EÓLICAS RECIENTES C2 3,C

PANTANOSARENAS EÓLICAS ANTIGUASD2

D1

TERRENOS DE BAJO NIVEL DIVIDIENDO EL ALUVIÓN EF

:

:::

:

:

::

::

:

2

F OCEANO PACÍFICO

LÍNEAS DE PLAYA RECIENTES

EE

CC4

E

E

B3

AA

C1

C3

ROCA BASALROCA BASAL CUBIERTA CON ARENAS EÓLICAS ANTIGUASDEPÓSITOS ALUVIALES DEL RÍO LACRAMARCA REMANENTES DE DEPÓSITOS ALUVIALES ANTIGUOS

4,C

AV . V ICTOR RA UL HAYA DE LA TORRE

AV. ENRIQUE MEIGGS

EE

AV. VICTOR RAUL HA YA DE LA TORRE

IIIII

IV

II

I

AV. ENRIQUE M EIGGS

OCEANO PACIFICO

EL SUBSUELO ES DE ARENAS CUBIERTAS POR CAPA DELAGADA DE LIMO.

I

PROFUNDIDAD. SE TOMARÁN PRECAUCIONES ESPECIALES EN LA CIMENTACIÓN.

ZONA CON NIVEL FREÁTICO MUY ALTO, FRECUENTES ZONAS PANTANOSAS.

ZONA I

ZONA II

ZONA III

ZONA IV

IVIV

ZONA CUBIERTA POR ARENA SUELTA A SEMI-DENSA DE VARIOS METROS DE ESPESOR. EN LA MAYORPARTE EL AGUA SE ENCUENTRA A 5 m DE PROFUNDIDAD. SOLO SE ESPERAN ASENTAMIENTO EN LOS

SUELO ARENOSO CUBIERTO POR DELGADA CAPA DE TIERRA AGRÍCOLA. GRAVAS POR DEBAJODE 10 m. NIVEL FREÁTICO A POCA PROFUNDIDAD. POSIBLE LICUACIÓN DE ARENA FINA A CIERTA

SUBSUELO DE GRAVA O ROCA, CON AGUA SUBTERRÁNEA A CERCA DE 10mDE PROFUNDIDAD. POCAS POSIBILIDADES DE ASENTAMIENTOS. MAYOR EFECTO SÍSMICO DEBIDO A INTERACCIÓN SUELO - ESTRUCTURA.

BORDES DE LAS DUNAS. DEBERÁN USARSE PILOTES PARA EDIFICACIONES DE MÁS DE DOS PISOS.

CON SISMOS LOS ASENTAMIENTOS SON INEVITABLES.

U RB.

U RB.LAD ER AS

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A . H.

CRUZ

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RAMAL PLAYAA.H. A .H.

V ILLA ESPAÑA

A.H. TRES ESTRELLAS

URB . E L BOSQUE

URB . LOS CI PRES ES5A 5B

URB . LA S GA RDENIAS

U RB . SA N RA FAEL

U RB . UNICRETO

URB . LOS HE ROES

STA . ROSA

URB . CA CE RE S ARAMATO A . H . 1° DE AGOSTO

3A

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P .J. MIRA FL OR ES III ZONA

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P.J . SAN JUAN

B S. AS . 1ºE TAPA

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S-8S-2

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P-5

P- 4

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SU-10SU-11

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SU-9

SU-19

SU-20

SU-37

SA-19

del a l

SA-20

SA-21

SA-22

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SA-24 SA-25

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SA-7SA-8 SA-9

SA-10

SA-37 SA-56

PLAZ A MAYOR

(DE ARMAS)

P.J . MIR AMAR BAJO P.J . C IU D AD DE DIOS

C.E .P.

P EDRO

P.J . MIRA P .J. MIRAFLORES 1° ZONA

ESTADIO

URB. EL TRAPECIO

P ETRO PERU

A .H. RA MIRO PRIALE

FUTUTRA V IA COSTANERA

P .J. LA LIBERTAD

A .H . 15 D E ABRILA .H . 6 DE ABRIL

A .H . RA UL CLARK

Z ON A IN DU ST RIALGRA N TR APECIO

P .J. FL ORIDA ALTA

P .J. MIRAF LORES ALTOU RB. B

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A V. HUA RMEY A V. LAS PA LMERAS

A V. LA MA RINACARRE TE RA P ANAM ERICANA SUR

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SU-17SU-16 SU-36

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SU-22SU-18

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SU-24

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SU-25

SU-29

SU-26

SU-27

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SU-15

P.J. FLORIDA BAJA

SU-21

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SU-17SU-16 SU-36

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SU-22SU-18

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SU-26

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ec-514 - licuación de suelos 2011

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