Licuefacción del suelo - feriadelasciencias.unam.mx · Otro tipo de ondas superficiales son ondas...
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Licuefacción del suelo
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Licuefacción del suelo
Resumen
El objetivo de este trabajo fue el de crear un efecto parecido al de las arenas
movedizas, las cuales cuando no son perturbadas parecen una masa gelatinosa,
pero cuando lo son, causa una repentina disminución de su viscosidad, haciendo
que el agua y la arena se separen, formándose regiones densas de arena
sedimentada; esto se debe a la formación de áreas constituidas por grandes
volúmenes de materia con diferente tamaño, con lo cual la viscosidad de las
arenas movedizas aparece incrementada súbitamente, haciendo que lentamente
absorban un objeto hasta que lo cubren completamente. Las arenas movedizas
pueden ser halladas en tierras interiores a orillas de ríos, cerca de lagos, o en
pantanos, o cerca de la costa y no en los desiertos como se cree, ya que en este
tipo de lugares hay muy poca humedad, lo cual no permite que haya arenas
movedizas.
Basados en ese efecto, hicimos que una pequeña caja de un peso
considerable, se hundiera en un recipiente lleno de tierra, dándole ligeros golpes al
recipiente.
Para lograr esto se colocó tierra en un recipiente y sobre de ella una
pequeña caja llena de piedras, que le daban un mayor peso; a este recipiente se
le golpeó ligeramente en un costado, lo que ocasionó que se creara un fenómeno
parecido al proceso de licuefacción en suelos o arenas movedizas.
El resultado fue que la caja que habíamos puesto sobre la tierra, terminó
hundiéndose parcialmente por las vibraciones causadas por los golpes que le
dimos al recipiente. La mayoría de las situaciones en que se presenta este
fenómeno, es en los terremotos; además de que causa muchas pérdidas
materiales e incluso humanas, por lo que debe ser estudiado antes de que se
haga alguna construcción, especialmente en el valle de México, que es donde
vivimos, ya que estamos sobre un lago y en una zona sísmica, lo cual favorece a
que se desate este fenómeno.
Licuefacción del suelo
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Introducción
La licuefacción de suelo describe el comportamiento de suelos que, estando
sujetos a la acción de una fuerza externa, pasan de un estado sólido a un estado
líquido, o adquieren la consistencia de un líquido pesado. Es uno de los
fenómenos más dramáticos y destructivos.
“Es más probable que la licuefacción ocurra en suelos granulados sueltos
saturados o moderadamente saturados con un drenaje pobre, tales como arenas
sedimentadas o arenas y gravas que contienes vetas de sedimentos
impermeables”1
Durante el proceso en que actúa la fuerza exterior, por lo general una fuerza
cíclica sin drenaje, tal como una carga sísmica, las arenas sueltas tienden a
disminuir su volumen, lo cual produce un aumento en la presión de agua en los
poros y por lo tanto disminuye la tensión de corte, originando una reducción de la
tensión efectiva.
Los suelos más susceptibles a la licuefacción son aquellos formados por depósitos
jóvenes de arenas y sedimentos de tamaños de partículas similares, en capas de
por lo menos más de un metro de espesor, y con un alto contenido de agua. Estos
depósitos por lo general se presentan en los lechos, ríos, playas, dunas y áreas
donde se han acumulado arenas y sedimentos arrastrados por el viento y/o cursos
de agua.
“El material del suelo puede responder ante la carga bien en un modo
de ablandamiento inducido por deformación o alternativamente
sufrir endurecimiento inducido por deformación. En el caso de suelos del tipo
ablandamiento inducido por deformación, tales como arenas sueltas, los mismos
pueden alcanzar un punto de colapso, tanto en forma monótona o cíclica, si la
tensión de corte estática es mayor que tensión de corte estacionaria del suelo.
1Youd, T.L., and Idriss, I.M"Liquefaction Resistance of Soils: Summary report from the 1996 NCEER and 1998
NCEER/NSF Workshops on Evaluation of Liquefaction Resistance of Soils", Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, 2001. pg. 297-313
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En este caso ocurre licuefacción de flujo, en la cual el terreno se deforma con una
tensión de corte constante de valor reducido. Si el terreno es del tipo
endurecimiento inducido por deformación, o sea arenas de densidad moderadas a
altas, en general no ocurrirá una licuefacción por flujo. Sin embargo, puede
presentarse un ablandamiento cíclico a causa de cargas cíclicas sin drenaje, tales
como cargas sísmicas. La deformación durante cargas cíclicas dependerá de la
densidad del terreno, la magnitud y duración de la carga cíclica, y la magnitud de
inversión de la tensión de corte. Si es que ocurre una inversión de la tensión, la
tensión de corte efectiva puede ser nula, en cuyo caso puede ocurrir el fenómeno
de licuefacción cíclica. Si no ocurre inversión de las tensiones, no es posible que
la tensión efectiva sea nula, en cuyo caso puede ocurrir el fenómeno de movilidad
cíclica”2.
Justificación
El propósito de esta investigación es ampliar más nuestro conocimiento sobre la
licuefacción, un fenómeno que afecta a la sociedad debido a que daña las
estructuras. Con el trabajo queremos dar a conocer que no todos los suelos son
aptos para la construcción ya que con un movimiento sísmico las construcciones
pueden colapsar.
Marco teórico
Licuefacción inducida por sismos
La licuefacción inducida por terremoto es uno de los principales contribuyentes al
riesgo sísmico urbano. Las sacudidas hacen que aumente la presión de agua en
los poros lo que reduce la tensión efectiva, y por lo tanto disminuye la resistencia
al corte de la arena. Si existe una corteza de suelo seco o una cubierta
impermeable, el exceso de agua puede a veces surgir en la superficie a través de
grietas en la capa superior, arrastrando en el proceso arena licuada, lo que
produce borbotones de arena, comúnmente llamados "volcanes de arena".
2Robertson, P.K., and Fear, C.E. (1995). "Liquefaction of sands and its evaluation.", Proceedings of the 1st
International Conference on Earthquake Geotechnical Engineering, Tokyo
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Los estudios de la licuefacción sísmica de Seed (1966) llevaron a postular las
siguientes condiciones:
Si la presión de poros inducida por la acción dinámica o cíclica del
terremoto alcanza el valor de la presión de confinamiento, el suelo
alcanzará el estado de licuefacción inicial
Si la arena sometida a acción cíclica alcanza el 20% de deformación se
alcanzará la licuefacción total.
Seed and Idriss (1982) propusieron la siguiente expresión
para el cálculo de la Relación de Tensiones Cíclicas
(CSR) , la expresión de la demanda sísmica de la capa de
suelo, que junto con la Relación de Resistencia Cíclica
(CCR), la capacidad del suelo para resistir la licuación,
son las dos variables de La resistencia a la licuación de
suelos.
CSR = τav /σ´vo = 0.65µ (amax/g) (µσvo/σ´vo) rd
Donde
τav- es la tensión de corte promedio.
amax- aceleración pico horizontal en la superficie del terreno generada por el
sismo
g-es aceleración de la gravedad
σvo y σ´vo -son las tensiones totales y efectivas verticales respectivamente
rd -coeficiente de reducción de tensiones, debido a la flexibilidad del suelo.
El conocimiento de este fenómeno es limitado debido en principal parte a estos
dos factores:
Dificultad en observar sus características en condiciones reales.
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La complejidad del fenómeno, pues además de ser el resultado de una
acción símica altamente variable, induce en el suelo un comportamiento
fuertemente no lineal, con una fuerte degradación de las características
mecánicas del suelo de cada ciclo determinada por la generación de
presiones neutras en la muestra bajo acción sísmica.
Ondas sísmicas
Las ondas sísmicas son un tipo de onda elástica fuerte en la propagación de
perturbaciones temporales del campo de tensiones que generan pequeños
movimientos en las placas tectónicas.
Si desplazamos un diapasón de su posición de equilibrio y lo soltamos
repentinamente, percibimos su sonido característico. Lo mismo sucede en la
Tierra, un sismo consiste precisamente en la liberación repentina de los esfuerzos
impuestos al terreno. De esta manera, la tierra es puesta en vibración. Esta
vibración es debida a la propagación de ondas como en el caso del diapasón.
En un terremoto se transmiten ondas que viajan por el interior de la
tierra. Siguen caminos curvos debido a la variada densidad y composición del
interior de la Tierra. Este efecto es similar al de la refracción de ondas de luz. A
este tipo de ondas se llaman ondas internas, centrales o de cuerpo, transmiten los
temblores preliminares de un terremoto pero poseen poco poder destructivo. Las
ondas de cuerpo son divididas en dos grupos: ondas primarias y secundarias.
También se propagan ondas por la superficie. Son las que más tardan en
llegar. Debido a su baja frecuencia provocan resonancia en edificios con mayor
facilidad que las ondas de cuerpo causando los efectos más devastadores. Hay
ondas superficiales de dos tipos: de Rayleigh y de Love.
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Ondas Primarias
Las ondas primarias son ondas longitudinales, lo cual significa que el suelo es
alternadamente comprimido y dilatado en la dirección de la propagación. Estas
ondas generalmente viajan a una velocidad 1.73 veces de las ondas secundarias y
pueden viajar a través de cualquier tipo de material. Velocidades típicas son
330m/s en el aire, 1450m/s en el agua y cerca de 5000m/s en el granito.
Ondas Secundarias
Las ondas secundarias son ondas transversales o de corte, lo cual significa
que el suelo es desplazado perpendicularmente a la dirección de propagación,
alternadamente hacia un lado y hacia el otro. Estas ondas pueden viajar
únicamente a través de sólidos debido a que los líquidos no pueden soportar
esfuerzos de corte. Su velocidad es alrededor de 58% la de una onda primaria
para cualquier material sólido. Usualmente la onda secundaria tiene mayor
amplitud que la primaria y se siente más fuerte que ésta.
Ondas de Rayleigh
Cuando un sólido posee una superficie libre, como la superficie de la tierra,
pueden generarse ondas que viajan a lo largo de la superficie. Estas ondas
tienen su máxima amplitud en la superficie libre, la cual decrece
exponencialmente con la profundidad, y son conocidas como ondas de Rayleigh
en honor al científico que predijo su existencia. La trayectoria que describen las
partículas del medio al propagarse la onda es elíptica retrógrada y ocurre en el
plano de propagación de la onda. Una analogía de estas ondas lo constituyen
las ondas que se producen en la superficie del agua.
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Ondas de Love
Otro tipo de ondas superficiales son ondas de Love llamadas así en honor del
científico que las estudió. Estas se generan sólo cuando un medio elástico se
encuentra estratificado, situación que se cumple en nuestro planeta pues se
encuentra formado por capas de diferentes características físicas y químicas. Las
ondas de Love se propagan con un movimiento de las partículas, perpendicular a
la dirección de propagación, como las ondas secundarias, sólo que polarizadas en
el plano de la superficie de la Tierra, es decir sólo poseen la componente
horizontal a superficie. Las ondas de Love pueden considerarse como ondas
superficiales "atrapadas" en la superficie. Como para las ondas de Rayleigh, la
amplitud de las mismas decrece rápidamente con la profundidad. En general su
existencia se puede explicar por la presencia del vacío o un medio de menor
rigidez, tiende a compensar la energía generando este tipo especial de
vibraciones.
Objetivos
Al efectuar esta investigación se buscaba observar el fenómeno de la licuefacción
incurriendo a los grandes ejemplos tales como los terremotos pero por la falta de
conocimiento y disposición de estos fenómenos se pretendió observar en que
proporciones debía ser movido el bloque de tierra y el tamaño, peso que necesita
tener un objeto para ser víctima de este fenómeno en pequeñas escalas.
Sobre todo saber cómo es que un sólido adquiere capacidades de un líquido
pesado, y provocar uno de los fenómenos más recurrentes en los terremotos.
Problema
Los desplazamientos laterales que provoca la licuefacción, muy a menudo
distorsionan las cimentaciones de los edificios, dañan las tuberías de desagües, y
otras estructuras a lo largo de la zona afectada. El daño ocasionado no siempre es
espectacular y raras veces catastrófico, sin embargo es muy destructor.
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Cuando el suelo que soporta una edificación licua y pierde su resistencia, pueden
ocurrir grandes deformaciones en este, que ocasionan que la edificación se
asiente, se incline o sumerja. Aunque esta es una falla espectacular, es la menos
producida por la licuefacción. Debido a esto, hay que tener en cuenta el fenómeno
de la licuefacción al momento de construir una edificación.
Materiales y procedimiento
Se requiere contar con:
1 recipiente de considerable tamaño
Arena o tierra
Agua
Algo que simule ser una construcción
pero con algo de peso
Procedimiento:
1. Primero se vierte agua y arena en el
recipiente sin que el aguan se vea
en la superficie y tenga ½ pulgada
aproximadamente de separación de
la capa de arena.
2. Agregar algo de peso a los modelos
y colocarlo encima de la arena.
3. Golpear suavemente el exterior del
contenedor y observar.
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Resultados
Desde un punto de vista científico,
lo que ocurre es que disminuye
drásticamente la resistencia y la
capacidad portante de la tierra por
el incremento de la presión de
poros y posterior reducción de las
tensiones efectivas de la tierra,
tendiendo a cero, llegando a
comportarse como un líquido.
Volviendo al experimento,
visualmente lo que pasa es que
cuando alguna persona comienza
a golpear el recipiente con la
tierra, ocasiona que la misma
comience a moverse lo que
provoca que la pequeña caja llena
de piedritas empiece a hundirse
lentamente, hasta que una parte
de esta queda absorbida por la
tierra.
Primero empieza a hacerse hacia uno de sus lados, para después poco a poco
seguirse hundiendo, hasta que la pequeña caja de madera queda parcialmente
cubierta por la tierra, así generando el efecto que se parece al de las arenas
movedizas.
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Y mientras más fuerte era el contacto en el recipiente la caja se hunde más
rápidamente por que las ondas viajan con mayor fuerza y hacen que la tierra se
mueva más rápida y fuertemente lo que ocasiona el más rápido hundimiento de la
caja.
Este efecto también puede ser
comparado con el de un
terremoto, por lo que este proceso
de licuefacción también debe ser
tomado en cuenta, cuando se van
a construir edificios, casas, o
cualquier construcción, ya que si
no son bien construidos los
cimientos, esta construcción
puede llegar a hundirse en el
momento en que ocurra algún sismo.
El valle de México es una zona vulnerable a la licuefacción, porque estamos sobre
un lago y el agua favorece que se de este fenómeno, además es una zona
sísmica, lo que hace aún mayores las posibilidades de que se de este efecto.
No pudimos observar el deterioro y daño estructural que causa este fenómeno a
gran escala en la población, sin embargo, sirvió para comprender la naturaleza de
este fenómeno y cuáles son las condiciones propicias que lo originan, las cuales
sabemos que son la baja cohesión de la tierra y la tendencia de ciertos lugares a
ser perceptores de epicentros sísmicos debido a su ubicación geográfica.
Interpretación de resultados
*se ejemplifica de manera clara este fenómeno, al aplicar fuerza externa el sólido
adquirió la consistencia de un líquido pesado.
*Los objetos suelen hundirse en cierto porcentaje dependiendo de la fuerza a la
que sea sometida el sólido.
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*dependiendo del tipo de tierra se dará la velocidad de licuefacción resultando de
su fuerza de cohesión
*Aunque esto es a una muy pequeña escala se puede apreciar el efecto de
licuefacción, aunque sería más recomendable estudiar a detalle este tema ya que
es importante para tomar medidas de seguridad en una población.
Conclusión
Las mayores situaciones en la que se
presentan estos fenómenos son los
terremotos, como ya se ha dicho “al
aplicar fuerza extrema adquirió la
consistencia de un líquido pesado como
en un terremoto“Este fenómeno está
principalmente, más no exclusivamente,
asociado con suelos saturados poco
cohesivos.
Este tipo de fenómenos cobran muchos daños estructurales y en casos en los que
no se prevé puede haber hasta bajas humanas, por esto es necesario tener más
materia en el estudio de este fenómeno.
La construcción de edificios en tierras de baja cohesión dan las condiciones
propicias para este fenómeno, ante esto se requiere una intervención más
completa pues si se determinara que tierras son más útiles para edificación se
podrían llegar a prevenir dicho efecto causado por terremotos, que no siempre
resulta en catástrofe inmediata ni es muy rápido aunque en muchas carreteras o
edificaciones de gran magnitud se presenta de manera constante por la fuerza que
ejerce el peso de estas.
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Fuentes de información
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