Licuefacción de suelos

¿Qué es la licuefacción de suelos?

Se habla de la licuefacción de un suelo o también llamada en algunos países licuación de suelos cuando el terreno pierde su resistencia al corte y por tanto se comporta como un líquido debido a que se desarrollan presiones intersticiales de forma rápida (sin drenaje) como consecuencia de un sismo o terremoto. El fenómeno de la licuefacción en geotecnia afecta, en general, a cimentaciones y taludes.

Generalmente los suelos potencialmente más licuables son las arenas finas y poco densas y los limos y arenas mal gradados aunque también se han dado casos en arenas gruesas y gravas y en turbas o suelos altamente orgánicos.

Condiciones licuefacción suelos

Además del tipo de terreno, para que se produzca este fenómeno, el nivel freático debe encontrarse cerca de la superficie, la compacidad de los materiales suele ser baja (N_SPT<20) y la intensidad del terremoto alta.

Concrétamente, según González De Vallejo, 2002, se pueden establecer las siguientes circunstancias desencadenantes de este fenómeno:

• Sismos de magnitud igual o superior a 5,5, con aceleraciones superiores o iguales a 0,2g.
• A partir de los 15 m de profundidad no se han conocido fenómenos de licuefacción en suelos.
• El nivel freático, en la mayoría de los casos en los que se ha presentado la licuefacción se encontraba a poca profundidad, inferior a 3 m; por debajo de los 5 m de profundidad, la susceptibilidad a la licuefacción es muy baja.

De modo general, las propiedades que caracterizan a los suelos licuefactables (González de Vallejo, 2002) son las siguientes:

• Grado de saturación del 100%.
• Diámetro medio D₅₀ entre 0,05 y 1,0mm.
• Coeficiente de uniformidad C_u=D₆₀/D₁₀<15.
• Contenido en finos inferior al 10%.
• Bajo grado de compactación, es decir N_SPT<10 para profundidades <10m y N_SPT<20 para profundidades >10m.

O según Wang, 1979, los suelos con las siguientes propiedades:

• Tamiz 0,005 mm ≤ 15%
• Límite líquido LL ≤ 35%
• Humedad natural w ≥ 0,9 LL
• Índice líquido IL ≤ 0,75

Igualmente se representan, a continuación, las granulometrías de suelo por tamizado en los que la licuación es más probable.

Granulometrías de suelos que han licuado. Henríquez Pantaleón, 2013.

Como puede verse los suelos licuables suelen estar comprendidos entre las arenas y los limos aunque conviene estudiar en detalle otras granulometrías puesto que este fenómeno no es exclusivo de estos suelos.

Métodos para estimar la susceptibilidad a la licuefacción

Existen numerosos métodos en la bibliografía científica para determinar la susceptibilidad a la licuefacción. A continuación, se muestran los más utilizados:

– Método de Seed e Idriss, 1971

Uno de los más utilizados es el propuesto por Seed e Idriss (1971):

Según los autores, un suelo sufrirá licuefacción si la razón de tensión tangencial cíclica CSR ocasionada por un sismo es mayor que la resistencia tangencial de un suelo. Es decir,

Por tanto, a partir de datos empíricos puede estimarse si un suelo es susceptible a la licuefacción. Primeramente, se calcula el valor de CSR según la expresión anterior y seguidamente se entra en el gráfico siguiente (Ho y Kavazanjan, 1986 y modificado por Gonzalez de Vallejo, 2002) con el valor de la magnitud del sismo y el valor del (N₁)₆₀ del ensayo SPT. Dicho valor, es el valor normalizado para una presión de 100 KPa y una energía del 60%.

Susceptibilidad a la licuefacción de un suelo en función del (N₁)₆₀ y la razón de esfuerzo cortante cíclico CSR para distintas magnitudes de terremotos. González de Vallejo, 2002.

– Método de Youd e Idriss, 2001.

Posteriormente el método de Seed e Idriss fue revisado. En este caso para determinar la susceptibilidad a la licuefacción de suelos se requiere el valor de CSR esfuerzo cortante cíclico de un suelo ejercido por un sismo y el valor de CRR que es la capacidad del suelo de resistir dicho esfuerzo.

El valor de CSR se obtiene de forma igual a la expresión anterior, pero considerando que el valor de r_d se calcula como:

r_d = 1,0 – 0,00765z para z ≤ 9,15 m

r_d = 1,174 – 0,00765z para z ≤ 9,15 m

En cuanto a el valor de CRR puede ser obtenido a partir del piezocono CPT, del SPT o de la velocidad de las ondas V_s.

Una vez obtenido el valor del CSR y CRR puede conocerse si un suelo es susceptible a la licuefacción para distintos contenidos en finos y valor de (N₁)₆₀ y para un terremoto de magnitud 7,5 según el siguiente gráfico.

Susceptibilidad a la licuefacción en función del SPT (N₁)₆₀ para un sismo de magnitud de 7,5 basado en casos históricos. Youd e Idriss, 2001.

– Licuefacción según el Método de la ROM-05

Una variación de los métodos anteriores es el método expuesto en la ROM-05 el cual puede verificar la seguridad frente a la licuefacción según la siguiente expresión:

F=CRR/CSR

Siendo:

F: Coeficiente de seguridad, cuando el valor es próximo a la unidad 0,9 a 1,1 las probabilidades de licuefacción son altas.

CRR: Valor de resistencia a la licuefacción (Cyclic Resistance Ratio). Se trata de un número adimensional que trata de medir la resistencia a la licuefacción en base al contenido en finos y valor  del SPT corregido por la sobrecarga y efecto de la energía de ensayo.

Los valores mostrados en la tabla anterior están indicados para terremotos de magnitud momento M_w=7,5. Para otros sismos, el valor del CRR debe corregirse por los siguientes valores de corrección:

CSR: Solicitación sísmica. Se trata de un número adimensional que puede calcularse según la siguiente expresión:

Donde:

σ_vo = tensión vertical total, antes del terremoto.

σ’_vo = tensión vertical efectiva, antes del terremoto.

a_max = valor de cálculo de la aceleración horizontal máxima del terreno en el emplazamiento considerado, equivalente a la aceleración sísmica de cálculo obtenida a partir de la aceleración sísmica básica ab , de acuerdo con lo previsto en la norma NCSR-02.

g = aceleración de la gravedad.

r_d = factor de reducción que depende principalmente de la profundidad. Puede suponerse el siguiente valor aproximado: r_d=1-0,001·z²  donde z es la profundidad de la zona cuya licuefacción se investiga.

Ejemplos de licuefacción

• Terremoto de Niigata (Japón) de 1964

Se trata de uno de los fenómenos más conocidos de licuefacción de suelos. El terremoto se produjo el 16 de junio de 1964 con una magnitud momento M_w =7 causando 58 muertos, un tsunami muy destructivo y numerosos daños materiales entre los que cabe comentar los edificios de la portada del post (Fuente wikipedia). Puede verse como el terreno bajo las cimentaciones falla y los edificios caen tumbados sin llegar a romperse la estructura. A continuación también se muestra un video del proceso de licuefacción durante el sismo de Niigata de 1964.

¿Conocéis otros ejemplos de licuefacción de arenas, gravas u otros terrenos? Déjanos alguna reseña en los comentarios.