Dinamica de Suelos

GEOTECNIA DINAMICA DE SUELOS

1 UNIVERSIDAD NACIONAL SANLUIS GONZAGA | Facultad de Ingeniería Civil

Comportamiento Dinámico

de los Suelos por

efecto


ANTECEDENTES

La historia sísmica de la región central del Perú pone en evidencia que, desde el pasado,

Lima Metropolitana y la Provincia Constitucional del Callao han sido y vienen siendo

afectadas por la ocurrencia continua, a través del tiempo, de sismos de gran magnitud e

intensidad. Estos sismos han producido, en dichas ciudades y en reiteradas ocasiones,

daños materiales y pérdidas de vidas humanas. La recopilación detallada de los sismos

ocurridos en esta región, desde el año 1500, puede ser consultada en detalle en Silgado

(1978) y Dorbath et al (1990). La principal fuente que genera estos sismos se encuentra

en la superficie de fricción existente entre las placas de Nazca y Sudamericana debido al

proceso de convergencia que se desarrolla entre ambas. En esta fuente, los sismos

históricos habrían alcanzado magnitudes de hasta 9.0Mw como el ocurrido en Octubre de

1746, sismos recientes presentaron magnitudes de hasta 8.0Mw, tal es el caso de los

ocurridos en Mayo de 1940, Octubre de 1966 y Octubre de 1974. De acuerdo al desarrollo

urbanístico de Lima Metropolitana, a través de los años, los posibles efectos desastrosos

de estos sismos serían más fuertes debido principalmente a condiciones como antigüedad

de las construcciones, mala calidad del material utilizado y, principalmente, al poco

conocimiento de la calidad del suelo sobre el cual se ha levantado la ciudad y en otras

áreas consideradas como proyectos de expansión urbana. Ejemplos recientes, son los

procesos de licuación de suelos que se produjeron en Tambo de Mora (Ica) con la

ocurrencia del sismo de Agosto del 2007.


Comportamiento Dinámico

de los Suelos por

efecto


INTRODUCCION

Un Sismo es un movimiento súbito e impredecible de una parte de la corteza terrestre,

ocasionado por fuerzas que tienen su origen en el interior de la Tierra.

Las investigaciones de los daños ocasionados por sismos recientes a todo tipo de

estructuras, como edificios, instalaciones industriales, puentes, caminos, obras portuarias

y embalses; han permitido concluir que un gran porcentaje de fallas estructurales han

ocurrido como consecuencia de comportamientos desfavorables de los suelos de

fundación.

Los sismos son propagados por ondas; las características del movimiento ondulatorio son

modificadas por las propiedades dinámicas del medio a través del cual se propagan

dichas ondas. El medio de propagación de las ondas sísmicas es el suelo el cual filtra el

movimiento y lo transforma, amplificando las componentes de ciertas frecuencias y

atenuando otras, haciéndolo así potencialmente más destructivo para aquellas estructuras

cuyas frecuencias propias son cercanas a las frecuencias predominantes del movimiento

del suelo.

Así mismo, la ingeniería y la dinámica de suelos están interesadas en los periodos

característicos de vibración de los suelos y los edificios. La respuesta de los edificios

depende de la frecuencia predominante del movimiento sísmico, y de las frecuencias

naturales de la columna de suelo y del edificio. La respuesta del edificio se verá afectada

si las dos frecuencias coinciden.



DINAMICA DE SUELOS

El movimiento de una partícula que oscila alrededor de una posición de equilibrio se

conoce como vibración. Cuando un sistema elástico es desplazado de una posición de

equilibrio, se genera una vibración, debido a la acción de fuerzas recuperadoras. Los

terremotos y las ondas sísmicas producen vibraciones en las partículas del suelo.

I. PROPIEDADES DINÁMICAS DE LOS SUELOSLa naturaleza y la distribución del daño sísmico están muy influenciadas por la

respuesta del suelo frente a cargas cíclicas. Dicha respuesta está controlada en

gran medida por las propiedades del suelo. Por ejemplo, la susceptibilidad de un

depósito de suelo para amplificar el movimiento depende de las propiedades

dinámicas, siendo el módulo de corte y el amortiguamiento principales parámetros

para modelar la respuesta sísmica del suelo. Estos parámetros se relacionan con

otras propiedades del suelo, de carácter físico, por ejemplo el índice de poros, la

densidad relativa y la velocidad de las ondas de corte.

Módulo de Corte

El módulo de corte (G) se define como la razón entre la tensión de corte (t)

y la deformación unitaria de corte (y). La respuesta de un material a las

deformaciones se puede observar en un diagrama tensión – deformación.

En un material lineal, la gráfica es una línea recta, mientras que para un

material no lineal, la gráfica es una curva, como se muestra en la fig.



Los Suelos generalmente muestran un comportamiento no lineal, pues son

materiales inelásticos e histéricos, es decir que al ser sometidos a cargas

cíclicas, como las producidas por un terremoto, su respuesta tensión –

deformación es un ciclo como se observa en la fig.



Razón de Amortiguamiento

La razón de amortiguamiento (D) expresa la capacidad del material para

disipar la energía. Al contrario de lo que ocurre con el módulo de corte, la

razón de amortiguamiento aumenta cuando la deformación máxima

aumenta. Esto significa que la respuesta del suelo es una función del nivel

de solicitación y que mientras mayor sea la tensión solicitante más

deformable será el suelo y mayor será su capacidad de amortiguamiento.

Las relaciones entre las propiedades dinámicas (módulo de corte y razón

de amortiguamiento) y al deformación unitaria, se pueden obtener en el

laboratorio, pero no se conocen o no se pueden reproducir fielmente en el

laboratorio, como la estructura, la edad y la trayectoria de tensiones del

suelo. Los factores claves que influyen en las propiedades dinámicas del

suelo son la tensión efectiva de confinamiento, el nivel de tensiones en el

suelo, el índice de poros y la plasticidad del suelo.

Los depósitos de suelos afectados por vibraciones sísmicas pueden sufrir

cambios importantes en su capacidad resistente y provocar daños

considerables a las construcciones ubicadas sobre esos depósitos. Los

cambios en la estructura del suelo son causados por las fuerzas de inercia

que se generan por la propagación de las ondas sísmicas.

II. EFECTOS DE UN SISMO SOBRE EL SUELODependiendo de la rigidez del suelo, que condiciona la velocidad de propagación

de las ondas, se tiene que, para terremotos de fuerte magnitud, as deformaciones

unitarias pueden alcanzar valores entre 10-3 y 10-1 por ciento. Estas distorsiones

pueden causar la densificación del suelo. Si este puede drenar rápidamente, variar

las presiones de poros en condiciones no drenadas, o reducir la resistencia al

corte a valores mínimos. Las consecuencias de estos comportamientos son

asentamientos de fundaciones, hundimientos o flotación de obras subterráneas,



volcamientos de edificios, deslizamiento de taludes y fallas de flujo de depósitos

no confinados.

DensificaciónLa densificación de depósitos de arena suelta se produce cuando el agua

intersticial puede drenar fácilmente, generando el reordenamiento de las

partículas del suelo por la variación en el índice de vacíos y por lo tanto su

densificación. Este fenómeno causa varios tipos de daños debido a los

cambios de volumen del terreno soportante, principalmente asentamientos

diferenciales.

Las relaciones Tensión – Deformación y las variaciones de volumen son

diferentes para arenas sueltas y para arenas densas. Las arenas sueltas

se comprimen para cualquier nivel de deformación, mientras que las

arenas densas se comprimen primero, pero luego se dilatan para

deformaciones mayores.

A partir de este comportamiento se define el índice crítico de vacíos y la

densidad relativa critica, que corresponden a la frontera entre el

comportamiento de compresión y de dilatación. En general se observa que

las arenas más sueltas de DR=50% se densifican y las arenas más

densas que DR=60% se dilatan, como consecuencia de las cargas

sísmicas.

LicuefacciónEn áreas donde los materiales granulares no consolidados están

saturados, las vibraciones de los terremotos pueden generar un fenómeno

conocido como licuefacción o licuación de suelos. Durante la licuefacción,

las vibraciones del suelo generan una pérdida de resistencia al corte del

mismo, transformándolo temporalmente en un estado licuado. Bajo estas

condiciones, lo que había sido suelo estable se convierte en un fluido

móvil que no es capaz de soportar edificios ni otras estructuras. Como

consecuencia, los objetos situados bajo tierra, como tanques de

almacenamiento y conducciones de alcantarillado, pueden flotar

literalmente hacia la superficie, mientras las estructuras superficiales

pueden hundirse.



Licuefacción provocada por Terremoto

Fallas de TaludesLos depósitos de suelos limitados por superficies inclinadas, están

permanentemente sometidos a esfuerzos de corte cuyas magnitudes

dependen de las alturas y las inclinaciones de los taludes. Aumentos en

las tensiones solicitantes o disminuciones de las fuerzas resistentes,

pueden ocasionar problemas de inestabilidad como fallas de flujo y

deslizamientos de bloques.

Los movimientos sísmicos pueden activar deslizamientos de tierra. En el

caso de un sismo existe el triple efecto de aumento de esfuerzo cortante,

disminución de resistencia por aumento de la presión de poros y

deformación asociados con la onda sísmica, pudiéndose llegar a la falla, al

cortante y hasta la licuefacción, en el caso de suelos granulares saturados.

Las consecuencias de la ruptura de un talud o ladera dependen

principalmente del mecanismo de falla y de las propiedades de los suelos.

Los procesos Geotécnicos corresponden generalmente, a movimientos

hacia abajo y hacia afuera de los materiales que conforman un talud de

roca, suelo natural o relleno, o una combinación de ellos. Los movimientos

ocurren a lo largo de superficies de falla, por caída libre, movimientos de

masa, erosión o flujos.

Los movimientos más comunes causados por la falla de un talud, debido a

solicitaciones sísmicas, son las fallas de flujo y los deslizamientos.



Deslizamiento por licuación en el momento de un sismo

Posibilidad de deslizamientos causados por sismos



Amplificación SísmicaNormalmente, las regiones situadas a una distancia similar del epicentro

experimentan la misma intensidad de movimiento del terreno durante un

terremoto. Sin embargo esto no siempre se cumple debido a la naturaleza

del suelo sobre el cual están construidas las estructuras.

La amplificación del movimiento del terreno se produce cuando el suelo

tiene un periodo natural de vibraciones que coincide con el periodo de las

ondas sísmicas, lo que se conoce como resonancia y que puede generar

un aumento considerable en la amplitud de vibraciones.

III. COMPORTAMIENTO DEL SUELO EN LA ZONAS CRITICAS DE LOS GRANDES SISMOS PERUANOSSe hace un análisis del comportamiento del suelo y sus efectos producidos por

grandes sismos ocurridos en el Perú en las últimos décadas, análisis que muestra

que estas catástrofes, asociadas al comportamiento desfavorable de los suelos,

han causado daños considerables en pérdidas de vida estimándose que en los

últimos sismos de 1966, 1970, 1974 y 2007 han fallecido mas de 50,000 personas

y se han producido perdidas económicas de muchos miles de millones de dólares.



El conferencista establece que existen diferentes tipos de suelos, desde suelos

resistentes o duros, como el caso del suelo subyacente al cono de deyección del

Río Rímac, en Lima, o suelos blandos o sueltos, como ocurre en los alrededores

de la metrópoli y en otras ciudades importantes del país, dándose el caso que en

algunas zonas tienden a registrarse efectos de modificación de onda y en otros

densificación o licuefacción de suelos, los cuales han dañado estructuras

importantes como otras de menor importancia .Comprendiendo la importancia que

tiene el tipo de suelo y su probable comportamiento en los proyectos de ingeniería,

desde hace varios años se ha venido investigando y publicando resultados de

numerosos avances en el campo de la Geotecnia de Terremotos , lo que ha

permitido una aceptable interpretación del comportamiento dinámico de los suelos

del Perú

En la investigación del proceso de deformación elástica de los suelos, las

partículas sólidas que constituyen el “Conglomerado de Lima”, pueden ser

consideradas como elementos absolutamente rígidos depositados en estratos

potentes que llegan hasta la profundidad de 450 m en algunos casos, por lo tanto,

pueden considerarse como suelo clasificado sísmicamente como “duro”(Figura 1 y

2).Por medio de ensayos de carga vertical y lateral (Figura 3) así como de rotura

progresiva (Figura 4), fue evaluada la condición pseudo elástica de las arenas y

gravas de los suelos de Lima.

De estos análisis se estableció que en las arenas las cargas cíclicas repetitivas

producen módulos de deformación elástica 40% mayor que su comportamiento por

aplicación de carga estática uniforme; mientras que en el caso de gravas

compactas, los módulos se incrementan en un rango de 40 a 50%.



Por otro lado, los suelos arenosos saturados son inestables en caso de un

terremoto severo, habiendo originado el fenómeno de licuación en diferentes

regiones del país .Esto se ha podido apreciar específicamente en las áreas de

Chimbote, Huacho y Samanco en el norte del Perú y en Chincha (Tambo de

Mora), Pisco e Ica en el sur donde se ha establecido y comprobado

fehacientemente el desarrollo del fenómeno de licuación durante los terremotos de

1970 y 2007, en áreas donde el nivel freático se ubica muy cercano a la superficie

y los rangos de la distribución granulométrica de suelo y valoración del ensayo de

normal de penetración son similares a los casos ocurridos en otros lugares del

mundo (Figuras 5 y 6).

Tomando en consideración las

comparaciones efectuadas con los

resultados de los ensayos de carga directa en suelos estables con la evaluación

de la distribución de intensidades del sismo del 3 de Octubre de 1974 (Lima y

alrededores), se estableció una adecuada correlación, en la mayoría de los casos,

entre el tipo de suelo subyacente a cada localización y la evaluación de daños

registrados. Se estableció que para una magnitud sísmica de MM. 7.6, 0.19g de



aceleración máxima del suelo y 100 segundos de duración aproximada, el suelo

areno-gravoso presenta una intensidad promedio de VI MMI y un rango de módulo

elástico de 150 a 500 kg/cm2. Además, se encontró que para módulos elásticos

promedio, correspondientes al suelo especificado, los daños siempre han sido

menores que en otro tipo de suelo, tomando en cuenta los sismos ocurridos

anteriormente. Para estos materiales geotécnicos los módulos elásticos son altos,

comprendidos entre 170 a 975kg/cm2, y su valor crece al aplicarse cargas

repetidas por ciclos.

Sin embargo, los suelos donde se presentaron casos de amplificación, reflexión y

refracción de ondas sísmicas, o efectos de densificación, o licuación, tienen

parecido módulo elástico, son bajos y están entre rangos de 98 a 130 kg/cm2,

decreciendo o permaneciendo estables cuando son aplicadas cargas cíclicas.

(Figura 7)



Para las arenas licuadas durante el terremoto ocurrido en 1970 en Ancash, se

aplicaron relaciones aproximadas que permiten determinar si la tensión cortante

inducida en cualquier punto de la masa del suelo por un terremoto es

suficientemente grande para causar la licuación, estableciéndose que la relación

entre la aceleración máxima y la densidad relativa puede calcularse para

condiciones específicas de cada tipo de suelo, ciclos de tensión y posición del

nivel freático. Tomando en cuenta estas consideraciones, se elaboraron diagramas

con rangos de variación de licuefacción y no-licuefacción, bajo condiciones

promedio de ubicación de nivel freático é intensidad sísmica, adoptando tensiones

comprendidas entre 10 y 30 ciclos para llegar a diagramas que relacionan la

máxima aceleración superficial de terreno con la densidad relativa del suelo.

(Figura 8). Todo esto indica que el grado del potencial de licuación de los suelos

depende de su comportamiento dinámico y de factores como la intensidad y

duración de los terremotos, la ubicación de la tabla de agua,, la gradación del

tamaño de las partículas, la forma de las partículas, el entorno de los depósitos del

suelo, las condiciones de drenaje, la presión de confinamiento del suelo, la

duración del sismo y la cementación del suelo que conforma los depósitos

Por otro lado, la licuación de los depósitos de arena siempre va seguida por un

asentamiento del terreno, lo cual se produce como resultado de la disipación del

exceso de presión de poro. De acuerdo con Ishihara (1990), tales asentamientos

pueden alcanzar normalmente entre 10 a 20 centímetros, sin embargo tanto en

Chimbote (zona norte del Perú) cuanto en Chincha (zona sur del Perú) estos

asentamientos fueron más importantes en el descenso de los terraplenes de

acceso a puentes de la Carretera Panamericana Norte y los desplazamientos de la

plataforma de la misma carretera y en el Puerto General San Martín, en la zona

Sur, evidenciaron el comportamiento anómalo del suelo licuado.




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