LICUEFACCIÓN EN EL ÁREA DE PAINE INDUCIDA POR EL TERREMOTO 27F

Viviana González Estudiante Tesista Magister en Ingeniería Geotécnica, Universidad de Chile.

vgonzale@ing.uchile.cl

Ramón Verdugo Profesor Adjunto, Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile

rverdugo@cmgi.cl

RESUMEN El terremoto del 27 de Febrero de 2010 produjo en el sector de Paine (Sur de Santiago) una importante cantidad de sitios afectados por el fenómeno de licuación. En particular fueron afectados cinco pasos a desnivel: pasos inferiores Azufraderos, Chada y Los Pinos, y los pasos superiores Champa y Hospital. Se ha realizado un análisis numérico del Paso Superior Hospital, el cual se estima predice bastante bien lo observado en terreno, los detalles del análisis se presentan en este artículo.

1. INTRODUCCIÓN A causa del terremoto del Maule del 27 de febrero de 2010 (en adelante 27F), con epicentro marítimo frente a Cobquecura, de magnitud 8.8 Richter y con una longitud de ruptura de 500 km, se observó una importante extensión de sitios con evidencias de licuefacción. Desde La Calera por el Norte, hasta Valdivia por el Sur, se contabilizaron alrededor de 120 lugares afectados. (Verdugo et al 2012) Acorde a lo anterior y sobre la base de la información recopilada, el área de Paine, presenta una importante concentración de daños. Se observaron evidencias de licuación tales como, grietas de deformación lateral a orillas de la Laguna Aculeo, asentamientos diferenciales en la localidad de Abrantes, agrietamientos de suelos junto con asentamientos en Champa y daños significativos en cinco pasos a desnivel. En el presente artículo se exponen los daños ocurridos en cinco pasos a desnivel: pasos inferiores (PI) Azufraderos, Chada y Los Pinos, y pasos superiores (PS) Champa y Hospital. La ubicación de estas estructuras se presenta en la Figura 1. Estas estructuras se apoyan en un subsuelo cuya estratigrafía presenta lentes de arena de baja compacidad encapsulados por suelos finos, generándose el comportamiento no drenado, que permitió el desarrollo del fenómeno de licuación. De acuerdo a la literatura, existen dos posibles respuestas al importante exceso de presión de poros, la pérdida de rigidez, o simplemente la perdida de resistencia. En esta ocasión se verá cómo actúa la pérdida de resistencia en los lentes de arena.

Figura 1: Ubicación de pasos a desnivel. (Google Earth)

2. DESCRIPCIÓN DE ESTRUCTURAS DAÑADAS Dentro del contexto de los puentes dañados por el terremoto 27F, la zona sur de Santiago se vio seriamente afectada, pues 5 pasos a desnivel, estructuralmente similares, sufrieron daños de carácter importante. En este sector se estima que los depósitos de suelos están asociados al abanico aluvial del río Angostura, que como resultado genera una mezcla de suelos finos, arenas y gravas. En concordancia con los antecedentes aportados por el profesor Pedro Ortigosa, se debe señalar que los suelos del sector están compuestos por arcillas, arcillas limosas, limos arenosos, de mediana a baja plasticidad, de consistencia baja los primeros 4 a 7 m, continuando con consistencia media a alta hasta la grava compacta basal que se encuentra en torno a los 12 a 16 m de profundidad. El nivel freático se encuentra en torno a los 0.5 a 3 m de profundidad. Es importante mencionar un punto fundamental dentro de la estratigrafía, el cual indica la existencia de lentes de arena limosa de baja compacidad, potencialmente licuable, encapsulados por suelos finos de baja permeabilidad. Estos fueron detectados a bajas profundidades en al menos 3 estructuras: PS Hospital, PS Champa y PS Chada. La información disponible que caracteriza los lentes se presenta en la Tabla 1. (Ortigosa, Comunicación Personal, 2011).

Tabla 1: Caracterización lentes de arena.

Sondaje Prof. Lente

de arena Espesor (m)

#200 (%)

Nspt g/pie

N1 g/pie

Observaciones

P.S. CHAMPA

SA-1

5.5 1.5 25 3 10 Triaxial: Licua + Comport.

Dilatante

10 0.8 35 3 10 Compor. Dilatante

P.S. CHAMPA

SPR 1.8 0.8 - 5 7.5

Habría licuación: desafortunadamente no

hay datos de #200.

P.S. HOSPITAL

SA-2

2.0-2.5 3.0 22 6 14 Triaxial: Licúa + Comport.

Muy dilatante

8 1.0 46 18 25 Compacidad alta

10 0.8 25 13 18 Compacidad alta

P.I CHADA SA-3

2.3 0.6 25 26 Habría licuación propiamente tal a los 6 m. 6 0.5 14 4 7

ENLACE ANGOSTURA

SA-4

5.5 1.0 42 5 14 Triaxial: Muy dilatante

17 0.5 47 7 11 Dilatante y muy profundo

#200=Contenido de fino bajo malla N°200 ASTM N1=Índice de penetración estándar corregido por finos y por profundidad

N

PS Hospital

PS Champa

PI Chada

PI Azufraderos

PI Los Pinos

Ruta 5

Acceso Sur a

Santiago

Sobre la información recopilada, a continuación se presenta un resumen de cada estructura dañada. El Paso Inferior Azufraderos está ubicado en el km 44,6 de la autopista de acceso Sur a Santiago. Esta estructura está formada por dos estribos transparentes, una cepa central y un tablero de dos tramos de 24 m cada uno. Los estribos se apoyan sobre una corrida simple de dos pilotes, y la cepa sobre sólo uno. En ambos casos se trata de pilotes preexcavados, con diámetro de 1.5 m. La profundidad de estos bordea los 15 m para los estribos y 17 m para la cepa central. Los daños generados por el terremoto fueron desplazamientos transversales de tableros, 67 cm hacia el norte en el estribo de entrada y 46 cm hacia el sur en el estribo de salida. Deslizamientos superficiales en el talud de los terraplenes de acceso y corrimientos horizontales locales entre el pavimento y la berma. Cabe indicar que estos deslizamientos se originaron en los tramos de mayor altura de los terraplenes. También se generaron grietas transversales en el acceso oriente. (Figura 2) El Paso Inferior Chada se ubica en el km 43,3 de la autopista del acceso Sur a Santiago. Esta estructura consta de dos estribos transparentes más una cepa central y un tablero de dos tramos de 28 m cada uno. Ambos estribos descansan sobre tres pilotes preexcavados de 1,50 m de diámetro y 23,2 m de profundidad. La cepa descansa sobre tres columnas circulares de 1,00 m de diámetro empotrados en su base sobre un encepado que a la vez descansa sobre 3 pilotes preexcavados, de 1,50 m de diámetro y 17,07 m de profundidad. Los daños generados por el terremoto fueron corrimientos de tablero, vigas de borde y topes sísmicos agrietados, asentamiento de relleno en el trasdós del estribo transparente producto del desplazamiento de relleno en torno a los pilotes y deslizamientos en los terraplenes de acceso con movimiento del suelo natural al pie de los taludes. (Figura 3) El Paso Inferior Los Pinos está localizado en el km 42 del nuevo acceso Sur a Santiago. Su estructura está compuesta por dos estribos transparentes más una cepa central y un tablero continuo de dos tramos de 29,5 m cada uno. Los estribos descansan sobre una corrida simple de 4 pilotes preexcavados, de 1,50 m de diámetro y 15.7 m de profundidad, aproximadamente. Las cepas corresponden a columnas circulares de 1.0 m de diámetro, apoyadas sobre 4 pilotes de 1.5 m de diámetro y de 11 m de profundidad, aproximadamente. Es importante mencionar que esta estructura tiene un esviaje de 31°. Los daños generados por el terremoto fueron deslizamientos y giro de tableros, generando el colapso de la estructura, cayendo ambos sobre la carretera, vigas y tableros resultaron agrietadas, además de perder su punto de base por un ancho insuficiente en la mesa de apoyo. Adicionalmente se produjeron asentamientos en terraplenes. (Figura 4) El Paso superior Champa sobre el ferrocarril al Sur, ubicado en la comuna de Paine en el camino de acceso a Colonia Kennedy. Su estructura está conformada por dos estribos transparentes más una cepa central y un tablero continuo de dos tramos de 15,9 m y 25,90 m cada uno. Ambos estribos descansan sobre una corrida simple de 4 pilotes preexcavados de 1,5 m de diámetro y 23,5 m de profundidad, aproximadamente. Las cepas corresponden a 3 columnas de 1 m de diámetro, las cuales se apoyan sobre 3 pilotes preexcavados de 1,5 m de diámetro, bordeando los 20 m de profundidad.

Los daños generados por el terremoto correspondieron a corrimientos laterales de las vigas y desplazamientos de los estribos cuya espaldar quedó de tope con las vigas. Esto quiere decir que durante el sismo, la estructura se trasformó en un puente integral con su tablero actuando como puntal, reduciendo considerablemente los daños. (Petrus 2011), Rehabilitación estructural P.S. Champa). (Figura 5)

Figura 2: P.I. Azufraderos (Ogup & Asociados Ingeniería Estructural Ltda.)

Figura 4: P.I. Los Pinos (http://geonopia.com/2010/03/02/terremoto-de- chile-2010/)

Figura 3: P.I. Chada (Ogup & Asociados Ingeniería Estructural Ltda.)

Figura 5: P.S. Champa (www.teleaire.com/ terremoto-chile-ayuda-y-links-utiles)

3. PASO SUPERIOR HOSPITAL Por disponerse de mejor información estratigráfica se ha analizado el mecanismo de falla del PS Hospital, a través de un análisis numérico. El paso superior Hospital (PSH), se encuentra en la Ruta 5 Sur, pasando sobre el ferrocarril en el Kilometro 48,6, al Sur de Santiago. Su estructura está formada por dos estribos transparentes más una cepa central y un tablero de dos tramos de 28,0 m y 35,4 m cada uno, con apoyo simple en el terraplén de acceso, fundado sobre una corrida de cuatro pilotes en el estribo de entrada, de 27 m de profundidad, aproximadamente, dos corrida de 4 pilotes en el estribo de salida y 3 pilotes en la cepa central, bordeando los 11 m de profundidad, todos de hormigón armado y de 1,5 m de diámetro. Cabe destacar que ésta estructura posee un esviaje de 50º. Los efectos del terremoto sobre este paso fueron la caída de tableros y desplazamientos horizontales de los estribos hacia la cepa central. Se midieron 73 cm en promedio de corrimiento en el estribo de entrada (EE) y 10 cm en el estribo de salida (ES). El asentamiento en el EE fue de 13 cm y en el ES de 10 cm. Además, hubo evidentes deslizamientos de ambos terraplenes de acceso. También hubo levantamiento del terreno al pie de los terraplenes (bajo el paso a desnivel). (Figuras 6a y 6b) En la Figura 7 se presenta una vista en planta de los desplazamientos medidos en el EE hacia la cepa central.

Figura 6a: P.S. Hospital Figura 6b: P.S. Hospital (MOP) (www.flickr.com/metrotren)

Figura 7: Desplazamientos medido en estribo norte en el borde exterior de la mesa de apoyo, distancias proyectadas en el eje longitudinal (OPH 2010)

3.1. Antecedentes de daños anteriores terremoto 1985. Según lo indicado por el Profesor Pedro Ortigosa, tanto en sus textos, como luego de una entrevista personal, es posible decir que en el terremoto de 1985 con magnitud Richter 7.8 con epicentro en la costa central de Valparaíso, generó daños de la misma naturaleza que el terremoto de 2010. Antecedentes indican que se experimentaron dos tipos de desplazamientos en los terraplenes, aquellos que solo involucraron al talud, sin generar mayores daños, y aquellos que involucraron el cuerpo del talud, generando descensos en el pavimento de acceso. En esta ocasión (1985) no se relacionaron los daños con el fenómeno de licuación, solo se pensó en una degradación del suelo de fundación. Tiempo después, en la construcción del nuevo PS Hospital con la llegada de las concesionarias, se tuvo accesos a sondajes, los que permitieron detectar los lentes de arena inmersos en los estratos de suelo fino.

3.2. Estratigrafía Sobre la base de 7 sondajes de diferentes épocas (1985, 1990 y 2010), se interpretó el modelo estratigráfico del suelo de fundación. Como resultado, es posible notar, en general, que existen tres materiales: gravas en superficie y en profundidad; suelos finos, hasta los 17 m de profundidad, constituidos por limos, limos arcillosos de media a baja plasticidad, con intercalaciones de lentes de arcillas y arcillas limosas de baja plasticidad, fundamentalmente en la zona media. El tercer material presentado corresponde a lentes de arenas limosas, encapsulados por los suelos finos de compacidades bajas y medias. Los valores de N1-SPT (normalizados a 1 kg/cm2 de confinamiento) son menores a 20 golpes/pie para los lentes de arena superficial, lo que

permite deducir el desarrollo de licuefacción en estos lentes y utilizar la resistencia no-drenada de la arena. La Figura 8 presenta el modelo estratigráfico del PS Hospital.

Figura 8: Estratigrafía PS Hospital.

3.3. Caracterización Geotécnica. Acorde a los antecedentes de ensayos de laboratorio del informe de mecánica de suelos del PS Hospital, se ha obtenido los parámetros de resistencia al corte de los suelos finos, arenas y gravas. Adicionalmente, planos As-built proporcionados por el MOP, indican que en la infraestructura se usó hormigón de calidad H - 25 en los pilotes de hormigón armado. Los parámetros de caracterización se presentan en la Tabla 2. Tabla 2: Parámetros de caracterización.

Parámetro Unidad Finos Arenas Gravas Terraplén Pilote Hormigón H-25

Densidad terreno, t kN/m3 17.64 17.64 21.07 21.07 23.52

Densidad saturada, s kN/m3 19.11 19.60 22.54 22.54 23.52

Ángulo de fricción, ° 32 38 45 45 -

Cohesión, c kN/m2 14.70 0.00 0.00 0.00 -

Resistencia no drenada, Su kN/m2 137 P.D - - -

Coeficiente de poissón, 0.35 0.33 0.33 0.33 0.2

Gs 2.59 2.69 2.74 2.74 -

P.D: Por determinar (para lentes de arena suelta bajo estribo de entrada)

Por otro lado, los parámetros de deformación del suelo, se obtuvieron de acuerdo a correlaciones en base a ensayos N-SPT. Se usó aproximaciones propuestas por el Manual de Carreteras, capítulo 3.1000 para suelos finos y arenas, además de correlaciones de la grava de Santiago. Sobre la base de correlaciones se obtuvieron los módulos de deformaciones en función de la tensión vertical efectiva, éstos se presentan en la Tabla 3. De acuerdo a estas ecuaciones, se tomaron valores representativos para cada estrato y se utilizaron en el modelo numérico, estos valores característicos también son presentados en la Tabla 3.

Tabla 3: Parámetros de rigidez.

Parámetro Unidad Finos Arenas Gravas Terraplén Pilote

Hormigón H-25

Módulo de Deformación en función de σ'v , E est kN/m2

50 'v (*

) 49 'v (

*) 525 'v (

*)

- -

Velocidad de corte, Vs m/s 178 174 694 465 -

Módulo de Deformación, Eo kN/m2 166,770 161,865 2,943,000 1,324,350 5,150,250

Módulo de Corte, Go kN/m2 61,767 60,852 1,106,391 497,876 2,145,938

Módulo de Deformación, E est kN/m2 16,677 16,187 294,300 132,435 -

Módulo de Corte, G est kN/m2 6,177 6,085 110,639 49,788 -

(*

)

v' : tensión vertical efectiva en [kN/m2]

3.4. Modelo numérico

De acuerdo a la estratigrafía presentada en la Figura 8 y en consideración con los daños observados post terremoto descritos anteriormente, se decidió modelar el estribo de entrada del PSH, debido a que éste presentó los daños más significativos, los que se traducen en desplazamientos en el estribo del orden de 70 cm hacia la cepa central, además de 13 cm de asentamientos. Cabe indicar que bajo este estribo existen lentes de arena limosa de baja compacidad a bajas profundidades, destacando el que se encuentra a 2.5 m de profundidad. En la Figura 9 se presenta la configuración del modelo desarrollado en el programa computacional Plaxis. (ésta figura sólo presenta la zona de interés del modelo) Se decidió hacer el modelo de 120 m de profundidad ya que el pilote mide alrededor de 27 m, así se disminuye todo problema de condición de borde. Además se consideró 3 anchos a cada lado con el fin de no afectar los bordes de la zona analizada. Es importante destacar que se modeló en dos dimensiones, por lo que se efectuaron simplificaciones. Dentro de los supuestos importantes se debe indicar que los pilotes se modelaron como un material elástico con características de hormigón. Según la estructura del puente, este consta de 4 pilotes alineados a 3.5 m cada uno (distancia entre ejes), por lo tanto, para modelar este escenario, se analizó la deformación que deberían desarrollar. Sobre la base de las mediciones topográficas realizadas post terremoto, se concluyó que las fundaciones giraron en dirección hacia la cepa central, sin sufrir daños en el hormigón armado. Tomando en cuenta que se encuentran empotrados 7 metros dentro de la grava, es posible aproximar este comportamiento a una columna empotrada en la base y en voladizo. Igualando la rigidez flexural de los pilotes reales con los de una pantalla reflejada en el modelo 2D, se obtuvo el módulo de deformación equivalente de dicha pantalla. El resultado fue ¼ del módulo del hormigón. En la Tabla 3 se presenta los parámetros que fueron calculados. Inicialmente se desarrolló el estado estático del sistema, con el fin de ser el punto de partida para el modelo dinámico. Posteriormente, se cambiaron los parámetros de deformación a dinámicos, esto es, rigidizados y considerando respuesta no – drenada de los lentes de arena. Se aplicó el registro sísmico más cercano, el cual corresponde al registro en roca de la estación sismográfica cerro Santa Lucía (componente 1), su aceleración máxima fue de 0.32 g. La construcción del modelo dinámico, se basa en que la resistencia no drenada de la arena licuable se moviliza durante el sismo, esto quiere decir, que en cierta parte del sismo, se cambia los parámetros de los lentes de arena, a los parámetros no drenados licuados (Su y E Licuado No

Drenado).

Figura 9: Modelo estribo de entrada realizado en Plaxis.

3.4.1. Resultados y discusiones.

El modelo fue utilizado de tal manera que una de las principales variables de ajuste, fuese la resistencia no drenada (Su) de los lentes de arena. Luego de iterar, se llegó a que con Su=5kPa se reproducen las deformaciones observadas en terreno. Ahora bien de acuerdo a los índices N1-SPT, los valores para el lente de arena ubicado directamente bajo el estribo de entrada a una profundidad de 2.5 m, es del orden de 8 g/pie (presentados en Figura 8). Si recurrimos a la literatura para correlacionar Su con N1-SPT, del gráfico de Seed y Harder (1990), es posible caer dentro de la banda que estos autores proponen, pues para 8 g/pie, Su, va entre aproximadamente 4kPa y 20kPa. (Figura 10)

Figura 10: Correlación entre Su y N1-SPT (Seed and Harder 1990)

En el modelo la aceleración máxima en superficie es alrededor de 0,43 g. Este valor no se aleja de los registros sísmicos medidos para el terremoto 27F, basta con observar los valores en los acelerógrafos del sector de Santiago en la estación de San José con 0.468g (componente 1) y 0.474g (componente 2). La Figura 11 presenta el registro de aceleraciones calculado en superficie por el modelo. Es necesario mencionar que las aceleraciones se tomaron lo suficientemente alejado de la zona de falla.

Figura 11: Registro de aceleraciones en superficie.

En la Figura 12 se presentan las deformaciones desarrolladas por el pilote, que llegaron a 74 cm en la parte más alta, donde está ubicado el estribo. Además, se observa, que el mecanismo de falla fue una falla de talud, ya que el lente de arena actuó como si fuera una superficie de deslizamiento para el suelo superior, ejerciendo presión horizontal sobre los pilotes. Asimismo es posible reconocer que aguas abajo del talud se generó un levantamiento, producto del mecanismo de falla, que según los daños observados responde al levantamiento en terreno.

Figura 12: Modelo deformado.

Por otro parte, se grafica el registro de desplazamientos a lo largo del sismo del punto G presentado en la Figura 13, punto ubicado en el centro del lente de arena a los 2.5 m de profundidad. En este registro, se puede observar el momento en que los desplazamientos comienzan a desarrollarse de forma importante, siendo a los 50 – 60 segundos. Estas deformaciones plásticas llegan a una deformación asintótica de 40 cm.

Figura 13: Desplazamientos punto G.

Estos resultados del modelo muestran que la resistencia no drenada se moviliza durante el evento sísmico. Esto indicaría que la falla tendría que haber ocurrido durante la parte fuerte del terremoto, es decir, la resistencia post-licuación, o no-drenada, se habría movilizado durante el terremoto, cuando existían fuerzas inerciales del sismo actuando. Esta condición pondría en duda la aceptada hipótesis que la licuefacción ocurre hacia el final del sismo, con lo cual, de haber

A

A*

G

A*

Desplazamiento

máximo 74 cm

A

licuefacción, en el análisis de estabilidad se utiliza la resistencia no-drenada, pero no se incluyen fuerzas inerciales del sismo.

4. CONCLUSIONES

Los mayores daños en los estructuras se registraron en los P.S Hospital y el P.S. Champa, donde existen lentes de arena superficiales de baja compacidad en los primeros 3 m de profundidad. Daños menores se ubicaron los P.S Champa, P.I. Azufraderos y P.I. Los Pinos. No se puede dejar de recalcar que ambos puentes colapsados eran esviados, P.S. Hospital y P.I Los Pinos, donde las mesas de apoyo eran insuficientes para el nivel de rotaciones que sufrieron los tableros.

Los resultados del análisis numérico permiten interpretar y con ello confirmar, que la licuefacción y desarrollo de la resistencia no drenada se genera durante el evento sísmico y no al final. Esta evidencia podría cambiar las metodologías de análisis post licuefacción.

5. REFERENCIA 1. Contreras, J (2012). Estudio de los efectos del terremoto del 27 de febrero de 2010 en la zona

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and undrained residual strength.” H. Bolton Seed Memorial Symposium Proceedings, Vol. 2, BiTech Publishers Ltd, Vancouver, B. C., Canada

14. Verdugo, R., González, J., González V., y Torres, A., (2012). Características y efectos del fenómeno de licuefacción. Libro Mw=8.8 Terremoto en Chile, 27 de Febrero 2010, capítulo 3, 63-105.