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Universidad de La Salle Universidad de La Salle Ciencia Unisalle Ciencia Unisalle Ingeniería Civil Facultad de Ingeniería 2016 Evaluación del potencial de licuación por medio del ensayo Evaluación del potencial de licuación por medio del ensayo triaxial cíclico de un suelo en la sabana de Bogotá triaxial cíclico de un suelo en la sabana de Bogotá David Andrés Castañeda León Universidad de La Salle, Bogotá Jesica Juleiny Romero Díaz Universidad de La Salle, Bogotá Follow this and additional works at: https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_civil Part of the Civil Engineering Commons Citación recomendada Citación recomendada Castañeda León, D. A., & Romero Díaz, J. J. (2016). Evaluación del potencial de licuación por medio del ensayo triaxial cíclico de un suelo en la sabana de Bogotá. Retrieved from https://ciencia.lasalle.edu.co/ ing_civil/81 This Trabajo de grado - Pregrado is brought to you for free and open access by the Facultad de Ingeniería at Ciencia Unisalle. 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Así mismo agradecemos a los laboratoristas del área de suelos, que con su ayuda pudimos realizar los ensayos requeridos para nuestro trabajo. También agradecemos a todos los docentes que nos guiaron en nuestro proceso educativo a lo largo de la carrera; y quienes aportaron en nuestro proceso de formación como ingenieros integrales. Dedicatoria Dedico este trabajo de grado a mis papas Carmen Rosa León y Víctor David Castañeda que con su apoyo incondicional a lo largo de todos mis estudios, llevaron a que pudiera conseguir este gran logro, que es tan solo un paso más en mi vida; y que siempre les estaré agradecido por haberme hecho la persona que soy en este momento y siempre haber creído en mí. También dedico esta tesis a mis segundos padres, mis abuelos Carmen de León y Luis Francisco León, ya que sin su apoyo no habría logrado este paso en mi vida. Y como olvidar a mi hermano Oscar Castañeda, que con sus locuras me ayudo a no dejar mis sueños atrás. Igualmente a mi novia Carolina Arcila, que a lo largo de la carrera se volvió mi gran soporte a nivel emocional y académico; y que sin su gran apoyo no hubiera logrado muchas de las cosas que llevo hasta ahora y me dio el mejor regalo del mundo que es mi hija Verónica Castañeda, quien de ahora en adelante será mi motor en la vida y mi razón de todo lo que hare. Y finalmente a mi compañera y amiga de tesis Jesica Romero, ya que me acogió para que pudiéramos realizar este sueño juntos. David Andrés Castañeda León Dedicatoria Dedico este gran logro a Dios primeramente, quien me regala la sabiduría, fortaleza y voluntad para desarrollar desde los más pequeños hasta los más grandes propósitos de mi vida, como lo es el que hoy logre culminar con mucho esfuerzo pero con gran alegría mi proceso de formación como Ingeniera Civil, y quien además me ha guiado por el buen camino y me ha permitido levantarme de cada uno de mis tropiezos durante el transcurso de mi vida. A mi madre Nulbis Díaz por confiar en mí, por siempre estar ahí cuando la necesito, brindándome el más grande apoyo y regalándome las palabras precisas en los momentos de mayor agobio y frustración; y además, porque con el mayor de los esfuerzos me ha sacado adelante y me ha dado la oportunidad de crecer y formarme como una persona y profesional integra. A mi padre Isidro Romero, a mis hermanos Joysi, Julizeth, Joselin, y Anthony, a mi novio Carlos, porque de una y otra forma me han brindado su apoyo y compañía durante este largo proceso de aprendizaje y formación, y porque me han aguantado y oído con gran paciencia cuando lo he necesitado. A mi compañero de tesis y amigo, David Castañeda por su compañía, por soportar mi impuntualidad, terquedad, mis pellizcos y mi mal genio en ocasiones, y porque con su apoyo y sus grandes aportes logramos culminar satisfactoriamente este proyecto de grado. A todos los amigos y compañeros que aportaron parte de su tiempo y sus conocimientos para ayudarme hacer una mejor persona cada día. Mil y mil gracias porque este logro es por y para ustedes; Dios les bendiga y prospere en gran manera sus vidas. Jesica Juleiny Romero Díaz TABLA DE CONTENIDO Introducción............................................................................................................................13 Descripción del problema .......................................................................................................15 Planteamiento del problema .............................................................................................. 15 Formulación del problema ................................................................................................. 16 Delimitación del problema ................................................................................................ 17 Justificación ....................................................................................................................... 18 Objetivos ................................................................................................................................19 Objetivo general................................................................................................................. 19 Objetivos específicos ......................................................................................................... 19 Marco referencial ...................................................................................................................21 Antecedentes teóricos ........................................................................................................ 21 Marco teórico - conceptual ................................................................................................ 24 Licuación de arenas ...........................................................................................................29 Metodología............................................................................................................................46 Toma de muestras .............................................................................................................. 46 Ensayos de laboratorio ....................................................................................................... 50 Cálculos y análisis de resultados ............................................................................................57 Realización de sondeo ....................................................................................................... 57 Caracterización del suelo .................................................................................................. 58 Calculo de la tensión cíclica .............................................................................................. 61 Ensayo triaxial cíclico........................................................................................................ 62 Potencial de licuación por SPT (Método empírico) .......................................................... 74 Conclusiones ..........................................................................................................................76 Recomendaciones ...................................................................................................................79 Referencias .............................................................................................................................80 Anexos ....................................................................................................................................84 Anexo A. Manual de procedimiento para el ensayo triaxial cíclico (licuación) ............... 85 Anexo B. Resultados y cálculos del ensayo triaxial cíclico para la arena de guamo ........ 86 Anexo C. Resultados y cálculos del ensayo triaxial cíclico para la sondeo 2 muestra 2 .. 97 Anexo D. Resultados y cálculos del ensayo triaxial cíclico para la sondeo 1 muestra 1 108 Anexo E. Perfil Estratigráfico.......................................................................................... 109 Lista de Figuras Figura 1. Diagrama esquemático para la disposición de granos de arena en un suelo arenoso saturado (Ministry of Transport) ................................................................................................... 30 Figura 2. Tabla típica de resultados de las fuerzas dinámicas triaxiales. (ASTM D-5311) . 39 Figura 3. Esfuerzo cíclico, deformación y presión de poros. (ASTM D-5311) ................... 40 Figura 4. Factor rd vs profundidad (Seed e Idriss, 1971; modificado por Youd e Idriss, 1997). ....................................................................................................................................................... 41 Figura 5. Curvas de la relación CRR para diferentes contenidos de finos y Mw = 7.5 (Seed y otros, 1985; modificada por Youd e Idriss, 1997). ....................................................................... 42 Figura 6: Eficiencia SPT según países (Coduto 1994) ......................................................... 45 Figura 7. Instituto Distrital de Riesgos y Cambio Climático (IDIGER). (18 de marzo de 2016). Recuperado de: geoportal.sire.gov.co:8001/GeoPortalV2/mapa.jfs ............................................. 47 Figura 8. Instituto Distrital de Riesgos y Cambio Climático (IDIGER). (18 de marzo de 2016). Recuperado de: geoportal.sire.gov.co:8001/GeoPortalV2/mapa.jfs ............................................. 48 Figura 9. Instituto Distrital de Riesgos y Cambio Climático (IDIGER). (18 de marzo de 2016). Recuperado de: geoportal.sire.gov.co:8001/GeoPortalV2/mapa.jfs ............................................. 48 Figura 10. Fletcher G. F. A., “Standard Penetration Test: Its Uses and Abuses, ASCE, Vol. 93, SM 4, P. 67-75, 1965. ............................................................................................................. 50 Figura 11. Perfilamiento de la muestra Fuente: Autor ........................................................ 51 Figura 12. Muestra 2 extraída del sondeo 1 Fuente: Autor .................................................. 57 Figura 15: Desplazamiento axial cíclico arena de Guamo ................................................... 64 Figura 16. Ciclo de histéresis arena de Guamo .................................................................... 65 Figura 17. Exceso de presión de poros ciclos iniciales arena de Guamo ............................. 66 Figura 18. Exceso de presión de poros ciclos finales arena de Guamo................................. 67 Figura 20: Desplazamiento axial cíclico Muestra 2 Sondeo 2 ............................................. 69 Figura 21. Ciclo de histéresis Muestra 2 Sondeo 2 .............................................................. 70 Figura 22. Exceso de presión de poros ciclos iniciales muestra 2 Sondeo 2 ........................ 72 Figura 23. Exceso de presión de poros ciclos finales muestra 2 sondeo 2 ............................ 73 Lista de Tablas Tabla 1. Resultados caracterización ...................................................................................... 58 Tabla 2. Resumen dimensiones muestras del sondeo 1......................................................... 60 Tabla 3. Resumen dimensiones muestras sondeo 2 .............................................................. 60 Tabla 4. Calculo de la tensión cíclica sondeo 1. ................................................................... 61 Tabla 5. Calculo de la tensión cíclica sondeo 2. ................................................................... 61 Tabla 6. Características arena de Guamo .............................................................................. 62 Tabla 7. Datos iniciales para el ensayo para la arena de Guamo .......................................... 63 Tabla 8. Datos iniciales del ensayo para la muestra del sondeo 2 muestra 2 ........................ 68 13 Introducción La licuación del suelo se define como la transformación de suelos granulares saturados y poco consolidados, en una masa con propiedades de un líquido o fluido debido a la vibración del terreno causada por un sismo. Por consiguiente, para el análisis de este fenómeno se utilizó uno de los varios métodos con los que se cuenta, el ensayo triaxial cíclico; el cual permite estudiar los factores que generan la licuación. Considerando así el asunto acerca de la existencia de equipos que permiten realizar este tipo de ensayos, cabe mencionar, que uno de ellos fue adquirido por la Universidad de La Salle, con el fin de permitir el respaldo práctico a la teoría dada en las clases y el fomento de la investigación del área de suelos, al estudiar a través de ella las diferentes propiedades, estados y condiciones de muestras de suelos; todo esto en un menor tiempo y con la obtención de resultados más precisos debido a la automatización de gran parte del proceso de las pruebas; por lo que se hizo uso de este equipo para la profundización del análisis de este fenómeno. Dentro de esta situación se consideró importante realizar un estudio cuasi-experimental, el cual es apropiado en situaciones naturales, en que no se puede controlar todas la variables de importancia, por lo que no se satisfacen todas las exigencias de una investigación experimental, sin embargo sus resultados son aproximados a los de dicho estudio experimental, esto permitirá 14 aclarar por qué ocurre dicho fenómeno, en qué condiciones se da este y porque dos o más variables están relacionadas en su aparición. Estos conocimientos fueron la base de la propuesta fundamental de este trabajo de grado, que fue la de analizarel comportamiento de un suelo granular saturado ante la presencia de cargas dinámicas, bajo el fenómeno de licuación a través del Equipo Triaxial Cíclico (GDS 2Hz) de la Universidad de La Salle. Todo lo dicho hasta ahora explica por qué fue importante el desarrollo del presente proyecto al verse su resultado reflejado en: el aporte investigativo a la comprensión del fenómeno de la licuación y los diferentes factores que intervienen en él; el fomento de la investigación en temas de gran importancia en el área de dinámica de suelos como lo es este y finalmente, el aprovechamiento de la adquisición realizada por la Universidad. 15 Descripción del problema Planteamiento del problema Colombia se encuentra localizada en la esquina noroccidental de América del Sur, en una zona de muy alta complejidad tectónica, en donde las placas de Nazca, Suramérica y del Caribe se encuentran generando una alta actividad sísmica y volcánica que se ha evidenciado por la ocurrencia de sismos destructores, tsunami (maremotos) y la activación constante de varios de sus volcanes. Por lo tanto, se debe considerar que la amenaza sísmica, se expresa primordialmente por los efectos directos de las vibraciones que actúan sobre la superficie y afectan las construcciones y modifican momentáneamente el equilibrio del suelo y subsuelo. Ellas producen efectos de segundo orden, también llamados fenómenos secundarios o inducidos, entre los cuales destacan, por su importancia en la región, los deslizamientos y la licuación de los suelos granulares saturados de agua. Este último fenómeno, la licuación de suelos, es un proceso que ocurre en arenas saturadas que tienden a densificarse cuando son sometidas a cargas cíclicas o monotónicas. Si el drenaje es lento o inexistente la presión de poros se puede incrementar hasta anular el esfuerzo efectivo, con 16 lo cual sobreviene la flotación de las partículas y la perdida de la resistencia al esfuerzo cortante. En el suelo licuado se producen grandes deformaciones para muy bajos esfuerzos de corte, las cuales causan daños a los edificios, puentes, líneas vitales y obras de infraestructura en general. Por lo tanto, teniendo en cuenta que el estudio de la sismicidad en Colombia apenas se ha estado desarrollando en los últimos años, no se cuenta con mucha información referente a este campo; lo que ha retrasado la posibilidad de dar soluciones a dicho fenómeno e impedido disminuir la probabilidad de amenaza sísmica a la que estamos expuestos. Todas estas consideraciones fundamentan la presente propuesta de grado; que es básicamente el análisis del comportamiento de un suelo granular en condiciones saturadas ante la presencia de cargas cíclicas, como consecuencia del fenómeno de licuación, a través del equipo Triaxial Cíclico (GDS 2Hz) de la universidad de La Salle. Es por tanto, muy significativa la importancia que tiene este proyecto para hacer un aporte a la solución del problema ya mencionado. Formulación del problema ¿Cuál es el comportamiento de un suelo granular en condiciones saturadas ante la presencia de cargas cíclicas, como consecuencia del fenómeno de licuación, mediante el uso del equipo Triaxial Cíclico (GDS 2Hz) de la universidad de La Salle? 17 Delimitación del problema En este trabajo de grado se hará una descripción del comportamiento de un suelo granular ante la presencia de cargas cíclicas y así evaluar cuál es el potencial de licuación de dicho suelo, basado en la norma ASTM D-5311. Suelos cercanos a Bogotá. El procedimiento del ensayo triaxial cíclico para la obtención del potencial de licuación, serán parte del alcance del documento a realizar, sin entrar en detalle con aquellos ensayos especiales que el equipo está en capacidad de realizar (ensayos estáticos, succión, ensayos de tensión, ensayos anisotrópicos, trayectorias de esfuerzos alrededor de un punto, pruebas tipo creep, variaciones en la contrapresión o en la presión de cámara, etc.). Cabe aclarar, que dentro del ensayo que se planea realizar se ha considerado efectuar el ensayo bajo condiciones no drenadas para simular las condiciones durante un terremoto; en donde, los materiales a utilizar serán arenas para los suelos granulares. Se debe tener en cuenta que también estarán dentro del alcance del documento, la realización de la caracterización del suelo, la determinación del peso específico y los limites, dependiendo del contenido de finos o no; teniendo en cuenta, que los ensayos se realizarán de acuerdo a la disponibilidad del equipo. Por otro lado, la selección del suelo de donde se extrajeron las muestras a utilizar, se determinó de acuerdo al Decreto 523 de 2010, en el que se discriminan los suelos de Bogotá conforme a sus características y sus comportamientos; a partir de lo anterior, se eligió un tipo de suelo propenso a la licuación, como el Aluvial 200, el cual se encuentra en la rivera del rio 18 Tunjuelito en la localidad de Kennedy (Bogotá). De esta zona, se tomaron tres sondeos de los que se extrajeron las muestras necesarias para analizar dicho fenómeno por medio del equipo Triaxial Cíclico. Justificación Uno de los fenómenos presentados en los suelos granulares durante la aplicación de cargas cíclicas es la licuación; la cual genera que los suelos pierdan el contacto entre sus partículas, ocasionado por el aumento de la presión de poros y produciendo de esta forma la pérdida de su capacidad portante; con lo que las estructuras que se encuentran sobre él tienden a colapsar o sufrir grandes daños irreversibles. Por lo tanto, este fenómeno puede llegar a ser lo suficientemente devastador en una zona de alta sismicidad, como lo es Colombia. El fin principal de nuestro estudio es determinar qué factores afectan a los suelos granulares ante la presencia de cargas cíclicas y cuál podría ser su comportamiento. Se utilizará la máquina Triaxial Cíclica para Suelos GDS 2Hz que posee el programa de Ingeniería Civil de la universidad de La Salle, con el fin de llevar a cabo nuestro cometido; y a su vez, generar un espacio de interés y conocimiento en esta área para que en futuros proyectos se genere una investigación más fondo sobre este fenómeno de gran impacto en las estructuras. 19 Objetivos Objetivo general Analizar el comportamiento de suelos granulares saturados ante la presencia de cargas dinámicas, bajo el fenómeno de licuación a través del equipo Triaxial Cíclico (GDS 2Hz) de la universidad de La Salle Objetivos específicos Analizar el fenómeno de licuación en un suelo granular y los factores que influyen en su ocurrencia Calcular el valor equivalente de la tensión cíclica uniforme para el tipo de suelo y su profundidad Determinar qué factores afectan en un suelo granular, para que se genere la licuación Interpretar como varía la presión de poros en un suelo granular, cuando se le aplican cargas cíclicas 20 Describir el procedimiento de los diferentes ensayos triaxiales dinámicos para la determinación de parámetros de un suelo granular saturado, para el montaje, ejecución del ensayo y la recopilación de los resultados a partir del Triaxial (GDS 2Hz) de la universidad Realizar una descripción de los elementos componentes de la máquina Triaxial, enmarcándose en su calibración, funcionalidad y cuidados, utilizados durante la ejecución del ensayo para el análisis del fenómeno de la licuación. 21 Marco referencial Antecedentes teóricos De acuerdo con la normativa ASTM D-5311 (American Society for Testing and Materials) “Standard Test Method for Load Controlled Cyclic Triaxial Strength of Soil”, la cual es la normativa internacional que rige este ensayo y es con la cual nos regimos para este trabajo de grado. Este fenómeno ha sidoestudiado durante mucho tiempo debido a los efectos que este genera, por lo que presentamos alguno de los estudios que se han realizado durante este tiempo. Resistencia de los Suelos a la Licuación: Comentarios a la Norma NSR-98 En la X Jornada de Geotécnica de la Ingeniera Colombiana (Coronado, Villafañe & Ríos, 1999), expusieron el presente documento, con el fin de concebir claridad sobre la normativa que se tiene en Colombia respecto al tema y hacer recomendaciones hacia como se establece dicho potencial. 22 En este documento se hace una descripción de los fenómenos relacionados con la licuación y de la susceptibilidad de los depósitos de suelos, se presentan las recomendaciones recientes para la aplicación del procedimiento simplificado y una metodología simple para la determinación de zonas potencialmente licuables. Adicionalmente, se muestran los resultados de la evaluación del potencial de licuación de un sitio de la llanura de inundación del río Cauca, para el cual se calcula el incremento y disipación de la presión poros que se espera durante el sismo de diseño. Mejora de Terrenos Potencialmente Licuables con Inyecciones de Compactación En la Universidad Politécnica de Madrid (Henríquez, 2007), presentó su tesis doctoral con el objetivo principal de desarrollar un método que permita mitigar el potencial de licuación en terrenos donde existan obras edificadas, mediante la revisión de diferentes métodos de predicción existentes. Esta tesis se enfoca sobre el comportamiento dinámico de los terrenos granulares finos, poniendo en especial atención y énfasis en el fenómeno de licuación de suelos, factores que influyen en su ocurrencia, revisión y actualización tanto de sus criterios para su predicción, así como los distintos métodos para su mitigación y dentro de ellos, aquellos que pueden ser aplicables a obras existentes. 23 Mecanismos de licuación y flujo de suelos granulares durante sismos En la universidad Nacional de Colombia (Alarcón, 2011), presenta un estudio de una amplia evidencia experimental de como una pequeña vibración, produce una disminución progresiva del volumen en suelos granulares, lo cual ocurre durante una carga monotónica o unidireccional bajo un cierto nivel de confinamiento. Allí se concluye que; la licuación de suelos granulares durante un sismo se produce cuando el esfuerzo efectivo existente en el esqueleto del suelo se reduce a cero como consecuencia del aumento gradual de la presión de poros. En el estado de licuación el número de contactos entre granos vecinos es mínimo y en consecuencia a densidades relativas bajas el suelo puede experimentar grandes deformaciones durante incrementos subsecuentes en los esfuerzos de corte. Sin embargo, las deformaciones asociadas con la licuación de suelos granulares muy densos son bajas, por lo tanto, no se produce licuación. Caracterización dinámica de los suelos – ensayos de campo y laboratorio En la universidad Nacional Autónoma de México (Díaz, 2013), presento un documento para el curso de actualización en ingeniería sísmica y dinámica de suelos, con el fin de mostrar los retos a los que se enfrenta la ingeniería civil ante el desarrollo de procedimientos analíticos para calcular la respuesta dinámica de las estructuras geotécnicas, con el fin de garantizar su seguridad y estabilidad. 24 La investigación experimental de las propiedades dinámicas de los suelos es un tema de gran interés, ya que puede afirmarse que las características esfuerzo-deformación de los suelos sometidos a cargas dinámicas son diferentes de aquellas obtenidas bajo cargas estáticas, por tanto, ha sido necesario desarrollar equipo, conceptos y procedimientos que nos permitan medir el comportamiento de los suelos en condiciones lo más cercanas posibles a las que estarán sometidos en una obra de ingeniería. Marco teórico - conceptual El suelo juega un rol importante en las construcciones civiles y determinar su comportamiento es fundamental para brindar una mayor estabilidad en las obras que se van a realizar, por este motivo es necesario conocer las características del suelo y el comportamiento que este tendrá ante la presencia de cargas cíclicas y así evaluar cuál es su potencial de licuación. Por esta razón se comenzará por las definiciones necesarias para identificar el problema que presenta en la mayoría de los suelos y como se podrían prevenir obteniendo resultados mucho más exactos y en el menor tiempo posible. Ángulo de fricción interna (ɸ): “es la resistencia al deslizamiento causado por la fricción que hay entre las superficies de contacto de las partículas y de su densidad. Como los suelos granulares tienen superficies de contacto mayores y sus partículas, especialmente si son angulares, presentan una buena trabazón, tendrán fricciones internas altas. En cambio, los suelos finos las tendrán bajas. En otras palabras, la fricción interna de un suelo, está definida por el 25 ángulo cuya tangente es la relación entre la fuerza que resiste el deslizamiento, a lo largo de un plano y la fuerza normal "p" aplicada a dicho plano”. (Cavero, 2010) Cohesión (C): es la atracción entre partículas, originada por las fuerzas moleculares y las películas de agua. Por lo tanto, la cohesión de un suelo variará si cambia su contenido de humedad.(Cavero, 2010) Consolidación: es el proceso de reducción de volumen de los suelos finos cohesivos, provocado por la aplicación de cargas sobre su masa y que ocurre en el transcurso de un tiempo considerable. (Cavero, 2010) Drenaje: se refiere a la permeabilidad y transmisibilidad del suelo, es decir, la facilidad para que el agua circule a través del suelo. (Cavero, 2010) Ensayos consolidados-drenados (CD) o lentos (S): en los cuales se permite el drenaje durante todo el ensayo y no se dejan generar presiones de poros aplicando los incrementos de carga en forma pausada durante le segunda etapa y esperando que el suelo se consolide con cada incremento. (Cavero, 2010) Ensayos no consolidados-no drenados (UU) o rápidos (Q): Este tipo de ensayo, además de ser el más rápido, es el más barato de ejecutar y proporciona los parámetros de corte más desfavorables del suelo, ya que lo lleva a la rotura en forma rápida y sin permitir el drenaje si la muestra está saturada (Leoni, 1987). 26 Esfuerzo Cortante: las fuerzas aplicadas a un elemento estructural pueden inducir un efecto de deslizamiento de una parte del mismo con respecto a otra. En este caso, sobre el área de deslizamiento se produce un esfuerzo cortante, o tangencial, o de cizalladura. Análogamente a lo que sucede con el esfuerzo normal, el esfuerzo cortante se define como la relación entre la fuerza y el área a través de la cual se produce el deslizamiento, donde la fuerza es paralela al área. (Cavero, 2010) Esfuerzo Desviador (σ𝑑): se conoce como la diferencia de los esfuerzos principales, es decir σ𝑑 = σ1 – σ3. (Cavero, 2010) Factor de Amortiguamiento: hace referencia a la capacidad que tiene el suelo de disipar la energía producida durante un movimiento; debido a esta disipación, dicho movimiento va disminuyendo con el tiempo. Muchos factores influencian este parámetro en los suelos, siendo el principal, la amplitud de la deformación. (Hurtado et al, 1999) Falla: es la fractura de la muestra, a lo largo de la cual hubo movimiento de uno de los lados respecto del otro. (Cavero, 2010) Módulo de Young: El módulo de elasticidad o módulo de Young es un parámetro que caracteriza el comportamiento de un material elástico, según la dirección en la que se aplica una fuerza. Para un material elástico lineal e isótropo, el módulo de Young tiene el mismo valor para una tracción que para una compresión, siendo una constante independiente del esfuerzo siempre 27que no exceda de un valor máximo denominado límite elástico, y es siempre mayor que cero: si se tracciona una barra, aumenta de longitud, no disminuye. (Schackelford, 2008) Módulo Resiliente: es la capacidad de recuperación de un material después de la aplicación de reiteradas de cargas, en el momento en que se cesa la aplicación de las mismas. Se determina por medio de la relación entre el esfuerzo desviador y la correspondiente deformación unitaria recuperada. (Vidal y Osorio, 2002) Presión axial o normal (σ₁): es la fuerza que actúa a lo largo del eje longitudinal de una muestra o espécimen aplicada al centro de la sección transversal del mismo produciendo un esfuerzo uniforme. (Cavero, 2010) Presión de Poros: La presión de poros está definida como la presión que ejerce un fluido en los espacios porosos de la roca. También es llamada presión de formación o presión poral, está en función de los fluidos de formación y de las cargas que están soportando. (Cavero, 2010) Presión hidrostática: es la fuerza por unidad de área que ejerce un líquido en reposo sobre las paredes del recipiente que lo contiene y sobre cualquier cuerpo que se encuentre sumergido. (Cavero, 2010) Presión lateral (σ₃): es la presión aplicada por medio del agua en la cámara para ensayo triaxial, con la finalidad de generar el efecto del suelo que rodea la muestra en estado natural. (Cavero, 2010) 28 Probeta: pieza o corte de material sometido a diversos ensayos mecánicos para estudiar la resistencia de un material. (Cavero, 2010) Relación de presión de poros total o 100%: una condición en la que el cambio de presión de poros es igual a la presión de confinamiento (Δu = σ'3c). (ASTM D-5311, 2007) Relación de picos de presión de poros: la relación máxima presión de poro medido durante una secuencia de carga particular. (ASTM D-5311, 2007) Pico (de amplitud) deformación: la deformación axial máxima (desde el origen o paso inicial) en compresión o extensión producido durante una secuencia de carga particular. (ASTM D-5311, 2007) Pico a pico (doble amplitud) deformación: la diferencia entre la tensión máxima axial en compresión y extensión durante un ciclo dado bajo condiciones de carga cíclicas. (ASTM D- 5311, 2007) Relación de presión de poros: la relación, expresada como un porcentaje, del cambio de exceso de presión de agua de los poros, u, al esfuerzo principal menor eficaz, σ'3c, al final de la consolidación primaria. (ASTM D-5311, 2007) 29 Relación de presión cíclica: la relación del esfuerzo desviador aplicado a la presión de confinamiento efectiva (la incorporación de los cambios en el exceso de presión de agua de poro) durante la carga cíclica. (ASTM D-5311, 2007) Licuación de arenas Cuando se somete a un suelo arenoso saturado a cargas cíclicas, este puede cambiar eventualmente su estado a líquido como si fuera lodo o fango. Este fenómeno es llamado licuación. En un sentido más amplio, el fenómeno en el cual un material granular cambia a estado líquido como resultado de una fuerte vibración, cuando el suelo se encuentra saturado con agua, es llamado generalmente licuación. En suelos arenosos, las partículas de arena mantienen contacto mutuo antes de un terremoto, por lo que las fuerzas pueden ser trasmitidas a través de dichos contactos. Esto permite que la resistencia al corte del suelo pueda soportar una estructura que descansa sobre la superficie del suelo. Esto se puede observar en la Figura 1. Cuando los suelos arenosos se deforman debido a un esfuerzo cortante causando por la vibración durante un sismo, el contacto entre las partículas se pierde. Entonces, la fuerza originalmente soportada en la dirección vertical a través del contacto de los puntos es trasmitida a través del agua en los poros. Esta condición corresponde al estado de licuación. En este estado, el contacto entre las partículas de arena se pierde, de modo que la resistencia al corte del suelo arenoso se pierde y manifiesta un comportamiento similar al agua teniendo el peso por unidad de un suelo saturado. Después de la licuación del suelo, el contacto entre las partículas de arena es eventualmente reestablecido mientras el agua sale de los 30 poros, pero se ha generado un asentamiento. El volumen disminuye en el suelo asentado lo que es igual al volumen de agua que ha salido de los poros. (Ministry of Transport, 1997) Figura 1. Diagrama esquemático para la disposición de granos de arena en un suelo arenoso saturado (Ministry of Transport) Factores que determinan el fenómeno de licuación Entre las causas que originan el fenómeno de licuación se encuentran: 31 Magnitud del movimiento sísmico La magnitud del movimiento está relacionada con la magnitud de los esfuerzos y deformaciones inducidos en el terreno por este movimiento. Dependiendo de la distancia hipocentral, la magnitud del movimiento producirá cierto valor de aceleración máxima en la roca basal, la cual sufrirá amplificación, dependiendo de las condiciones locales del suelo, hasta llegar a la superficie, de esta manera la propagación de las ondas de corte durante un terremoto a través del esqueleto del suelo, producirá una complicada distribución de esfuerzos de corte en función del tiempo, causando así deformaciones en la masa de suelo cuya magnitud dependerá de la magnitud del terremoto. (Seed et al., 1984). Duración del movimiento sísmico Normalmente la duración de un movimiento sísmico es corto (entre 5 a 40 segundos), pero si este es intenso, predominará la condición no drenada, es decir la disipación de la presión de poros se verá restringida y por el contrario, se evidenciará el aumento de la misma, produciendo en algún momento condiciones de esfuerzo efectivo nulo y por lo tanto, licuación. Granulometría del suelo Los suelos más susceptibles a sufrir licuación son aquellos que poseen una granulometría uniforme, siendo las arenas finas uniformes y los limos sin partículas arcillosas, más propensos a licuar que las arenas gruesas uniformes. Además, según algunos autores las arenas limosas 32 poseen mayor resistencia a sufrir licuación con respecto a las arenas limpias o con escaso contenido de finos. El problema de licuación será más serio si el suelo tiene un coeficiente de uniformidad mayor o igual a 2. Teniendo en cuenta que, el coeficiente de uniformidad está relacionado con el origen del suelo, y cuanto menor es, más uniforme es este. De esta forma, valores del coeficiente de uniformidad inferior a 5 corresponden a suelos uniformes y los inferiores a 2,5 a suelos muy uniformes. Lo que genera que las partículas del suelo no se traben entre sí, por lo que las deformaciones serán constantes durante la aplicación de una carga cíclica. Densidad relativa Durante la ocurrencia de un terremoto, una arena suelta puede sufrir licuación mientras que este mismo suelo en un estado más compacto puede no evidenciar el fenómeno. Una arena con un valor de resistencia a la penetración estándar de 40 golpes/30cm (densidad relativa de 70 a 80%) puede mostrar evidencias de licuación en la forma de volcanes de arena, pero no es probable que experimente más del 10% de deformación por corte bajo la influencia de la vibración sísmica, aún después de que se hayan desarrollado altas presiones de poros. En contraste con ello, arenas con valor de 20 golpes/pie (densidad relativa de 30 a 60%), pueden desarrollar relaciones de presiones de poro de 100% y experimentar deformaciones por corte muy grandes del orden del 25-30%, bajo la acción de los esfuerzos de corte aplicados (Seed et al., 1984). 33 Profundidad del nivel freático Es una condición necesaria para que ocurra licuación. La presión de poros, producida por el agua que ocupa los vacíos existentes entre las partículas del materialdebido a la posición del nivel freático, se incrementa por efecto de la vibración producida en el movimiento sísmico. Por consiguiente, la ubicación del nivel freático cuando se produzca un terremoto en un depósito arenoso, será de mucha importancia porque regirá la condición de saturación y por lo tanto, influirá también en el esfuerzo efectivo. Efectos dañinos que produce la licuación Youd (1978), propone tres tipos de falla del terreno asociados al fenómeno de licuación de suelos: Desplazamiento lateral Es el tipo más común de falla del terreno por licuación de suelos. Este tipo de falla involucra el movimiento lateral de las capas superficiales como resultado de la licuación y la pérdida transitoria de la resistencia de las capas inferiores. El desplazamiento lateral ocurre generalmente en terrenos relativamente llanos (con pendientes comprendidas entre el 0.5 y 5%). En condiciones normales el desplazamiento lateral tiene un rango de pocos metros y en condiciones anormales pueden ocurrir desplazamientos laterales de varias decenas de metros acompañados de grietas en el terreno y desplazamientos diferenciales verticales. Los desplazamientos laterales 34 muy a menudo distorsionan las cimentaciones de edificios, dañan las tuberías de desagües y otras estructuras a lo largo de la zona afectada. El daño ocasionado por este tipo de falla no es siempre espectacular y raras veces catastrófico, sin embargo es muy destructor. Este tipo de falla es particularmente destructiva para las tuberías. Existen técnicas de estabilización contra fallas de desplazamiento lateral, pero son relativamente caras y sólo justificables en lugares críticos. Las técnicas de estabilización incluyen la remoción, compactación, inyección, drenaje o la utilización de contrafuertes. (Youd, 1978) Falla de flujo Son las fallas del terreno más catastróficas causadas por el fenómeno de licuación. Los flujos pueden movilizarse a grandes distancias (decenas de metros) a altas velocidades (decenas de Km/h). Los flujos pueden involucrar suelo completamente licuado o bloques de suelo firme viajando sobre una capa de suelo licuado. Este tipo de falla se desarrolla generalmente en arenas saturadas, sueltas, con pendiente del terreno mayor que 5%. Los flujos pueden ocurrir bajo el mar o en tierra firme. Muchas de las mayores y más dañinas fallas de flujo se han desarrollado bajo agua en áreas costeras. Sin embargo, las fallas de flujo pequeñas durante los terremotos son comunes en terrenos montañosos, húmedos y arenosos. 35 Otro de los efectos de falla por flujo por licuación inducida por sismo, han sido los evidenciados en depósitos y presa de relaves antiguas, construidas por el método de aguas arriba, algunas de ellas con consecuencias catastróficas para los recursos humanos y económicos y para el medio ambiente. Este tipo de fallas han sido muy comunes en décadas pasadas obligando a mejorar las técnicas de construcción de presas de relaves en áreas de alta actividad sísmica. Cabe mencionar, que no existen técnicas prácticas para prevenir este tipo de falla. Pérdida de la capacidad portante Cuando el suelo que soporta una edificación licua y pierde su resistencia, pueden ocurrir grandes deformaciones en el suelo, que ocasionan que la edificación se asiente, se incline o sumerja. Aunque esta es una falla espectacular, es la menos común producida por licuación. Quizás la falla por pérdida de capacidad portante más publicitada ha sido la de los edificios Kawagishi-cho durante el terremoto de Nigata, Japón en 1964. Estos edificios rotaron hasta 60° y se hundieron en la arena licuada. El subsuelo en dicha zona consiste de 15 m de arena suelta (N<20goles/pie) suprayaciendo arenas más densas. El nivel freático estaba a 1 metro por debajo de la superficie. Aparentemente la licuación inicialmente se desarrolló en las partes media e inferior del depósito de arena suelta, después se propagó hacia la superficie debilitando el suelo de cimentación. El daño estructural de las edificaciones no fue grave. 36 Ensayo triaxial cíclico El ensayo triaxial fue desarrollado por Seed y Lee (1966) para estudiar los factores que controlan la licuación de arenas saturadas. Debido a su relativa simplicidad y a la gran disponibilidad del equipamiento necesario, es todavía el procedimiento de ensayo más comúnmente usado. En este ensayo una muestra cilíndrica y saturada de suelo es consolidada bajo un cierto esfuerzo efectivo. Se previene todo drenaje y luego la muestra es sometida a ciclos de cambio de esfuerzo axial. Mediante la aplicación de un esfuerzo desviador cíclico para representar el comportamiento de campo de depósitos de suelos, se pueden realizar los siguientes ensayos en el equipo triaxial cíclico: Ensayo de licuación de arenas, para evaluar la resistencia a la carga cíclica de especímenes de arenas saturadas. Ensayo de deformación dinámica para evaluar el módulo de Young y factor de amortiguamiento de los suelos. Ensayo para la determinación del módulo resiliente de suelos con fines de diseño de pavimentos. 37 Equipo de ensayo El equipo triaxial cíclico de la universidad de La Salle, permite preparar especímenes, confinarlos, saturarlos, consolidarlos y aplicarles una carga cíclica que induce esfuerzos de corte cíclicos en planos de compresión triaxial. La respuesta cíclica del suelo es determinada de modo de evaluar las propiedades dinámicas requeridas. Todo el sistema de carga es neumático, es decir, accionado por aire presurizado, accionado por un motor eléctrico. Este aire presurizado es a su vez controlado por válvulas reguladoras. El sistema de medición y adquisición de datos es electrónico, siendo posible monitorear el desarrollo de la prueba tanto en forma analógica como digital, ya sea en forma de gráficos continuos o en la computadora. El equipo se complementa con una microcomputadora en la cual se dispone de todo el software para el procesamiento de la información obtenida en el ensayo. Procedimiento de ensayo Eventualmente el equipo puede ser usado para llevar a cabo ensayos triaxiales convencionales. Además, se pueden realizar ensayos con consolidación anisotrópica, debido a la independencia entre el sistema de aplicación de la presión de confinamiento horizontal y vertical. El procedimiento para la preparación del espécimen, aplicación de la presión de confinamiento, saturación y consolidación, es similar al ensayo triaxial convencional. Para 38 especímenes de arcilla y suelos con cohesión aparente, la preparación consiste en el tallado de la muestra. Para suelos arenosos el espécimen es remoldeado a un peso específico dado o a una cierta densidad relativa. Para la aplicación de la carga cíclica se elige un determinado esfuerzo desviador cíclico, dependiendo del tipo de ensayo que se va a realizar, debido a que el ensayo es a carga controlada. Durante la aplicación de dicho esfuerzo desviador cíclico las válvulas pueden permanecer ya sea abierta o cerradas, lo cual dependerá de las condiciones establecidas para la ejecución del ensayo, es decir, drenadas o no drenadas. Los siguientes transductores permiten medir el desarrollo del ensayo. (Parra, 2011) Fuerza axial externa Fuerza axial interna Presión de poros Deformación axial Métodos de análisis del potencial de licuación Para poder determinar el potencial de licuación de los suelos granulares, se tienen varios métodos uno de ellos es mediante el método de prueba estándar para cargas cíclicas controladas del esfuerzo triaxial de un suelo el cual está regido bajo la norma ASTM-D5311, el cual determina el potencial de licuación mediante diversos factores como lo son: el desarrollo de la deformación axial, la magnitud del esfuerzo cíclico aplicado, elnúmero de ciclos de esfuerzo de 39 aplicación, el desarrollo del exceso de presión de poros y el estado del esfuerzo efectivo; este ensayo es destructivo, por lo que la falla debe ser definida por el número de ciclos requeridos para que se alcance el límite de deformación o el 100% de la relación de presión de poros total. Para poder determinar el potencial de licuación mediante este método se calcula el esfuerzo cíclico, deformación y presión de poros total mediante las relaciones que están establecidas en la norma; después de realizar las relaciones se dispone a tabular los resultados como se describe en la Figura 2, para así realizar las curvas que se hallan al usar los datos anteriormente evaluados. Figura 2. Tabla típica de resultados de las fuerzas dinámicas triaxiales. (ASTM D-5311) La tabulación de los resultados mostrara el comportamiento del suelo ante la aplicación de las cargas cíclicas, con lo que se podrá evidenciar en qué momento se genera la licuación en el suelo granular como se muestra en la Figura 3. 40 Figura 3. Esfuerzo cíclico, deformación y presión de poros. (ASTM D-5311) Después de realizar el reporte de los resultados de la serie de esfuerzos cíclicos, de los especímenes consolidados isotrópicamente, se calcula la excitación de la capa de suelo (CSR) para cada ciclo de carga y se calcula el promedio de los resultados; y para cada prueba de resistencia cíclica, es la relación media de tensión cíclica para la licuación inicial. Pero este método no es el único método con el que se puede evaluar el potencial de licuación, existen otros métodos, como lo son el estudio del fenómeno mediante modelos físicos en donde se usan centrifugas o tablas vibratorias para simular la carga sísmica bajo condiciones de contorno bien definidas. Pero por medio de este método no se consiguen resultados confiables, ya que no se consiguen las mismas condiciones de sitio. (ASTM D5311, 2007) También se puede estudiar el fenómeno mediante procedimientos empíricos, como lo es el procedimiento simplificado, en el que se calcula la excitación sísmica de la capa de suelo (CSR) y la capacidad de la capa de suelo para resistir la licuación (CRR), este procediendo se estima 41 mediante la ecuación 1 recomendada por Seed e Idris (1971) y que fue adoptaba por la Norma Sismo Resistente del 98 (NSR-98). (Ecuación 1) Dónde: amax es la máxima aceleración que se espera en el lugar según las leyes de atenuación, amplificada por el efecto de sitio, considerando que los suelos no se licúan y que las presiones de poros no se incrementan en el proceso; g es la aceleración de la gravedad; σvo, σy y σ´vo son los esfuerzos verticales total y efectivo; y rd es el factor de reducción de esfuerzos, el cual varía ampliamente con la profundidad dependiendo del perfil de suelos como se muestra en la Figura 4. Figura 4. Factor rd vs profundidad (Seed e Idriss, 1971; modificado por Youd e Idriss, 1997). 42 Dadas las dificultades de lograr conseguir muestras inalteradas de los depósitos de suelos licuables, se utilizan métodos in situ para, para poder determinar el potencial de licuación, como lo son: penetración estándar (SPT), penetración con cono (CPT), velocidad de ondas de corte (vs) y penetración Becker en gravas (BPT). Para determinar la resistencia a la licuación de los suelos arenosos, la relación CSR se compara con la relación CRR. Esta última se obtiene de correlaciones empíricas entre la relación de esfuerzos cíclicos requeridos para causar licuación y los valores de N (SPT) normalizados por profundidad y energía de los golpes del martillo (valores de (N1)60). Como se muestra en la Figura 5. Figura 5. Curvas de la relación CRR para diferentes contenidos de finos y Mw = 7.5 (Seed y otros, 1985; modificada por Youd e Idriss, 1997). 43 Es importante anotar que además del contenido de finos y la plasticidad del suelo, uno de los factores que más influye en los valores de (N1)60 es la energía que le llega a la cuchara muestreadora. Por lo tanto, además de medir la energía del SPT y calibrar los equipos para medir la razón de energía entregada por el martillo (ER). Adicionalmente, para aplicar el procedimiento simplificado se requieren factores de escala por la magnitud del sismo (MSF) y correcciones por presiones de sobrecarga, esfuerzos cortantes estáticos y edad del depósito. (Coronado, 1999) Además existen los métodos analíticos, los cuales se basan en resultados de ensayos de laboratorio para determinar la resistencia a la licuación, o las propiedades del suelo que pueden ser utilizados para predecir el proceso de la licuación, mediante programas de computador para condiciones de comportamiento lineal y no lineal. A causa de lo difícil que es obtener muestras inalteradas de los depósitos de suelos potencialmente licuables para evaluar sus propiedades dinámicas, los métodos analíticos generalmente se usan en proyectos especiales o en trabajos de investigación. Durante los últimos años se han realizado avances importantes en los métodos analíticos aplicados al proceso de la licuación. Este progreso ha sido posible gracias al aumento de los datos experimentales y a la información de campo recopilada durante diferentes eventos sísmicos. El ensayo de los suelos sometidos a carga dinámica puede realizarse mediante procedimientos de laboratorio o mediante procedimientos de campo, ambos enfoques tienen ventajas y desventajas, las cuales se discuten a continuación. 44 Las ventajas de los procedimientos de laboratorio radican en su economía, la relativa facilidad con la que las variables de ensaye se pueden variar, así como la definición de las condiciones de frontera; su principal desventaja radica en la alteración provocada por los procedimientos de muestreo, transporte, almacenamiento y ensaye. Pero al tener controladas todas sus condiciones, el estudio del fenómeno se realiza con una mayor certeza, con lo que los resultados se acercan a la forma en la que podrían llegar a comportarse en las condiciones reales y antes la presencia de una carga cíclica. (Soto, 2012) Por otro lado, en el Workshop de 1997 de los autores (Youd et al., 1997), utilizan un método en el cual realizan una pequeña modificación a la curva propuesta inicialmente propuesta por Seed (Seed & Idris, 1971), con el fin de que las curvas para arenas limpias tengan una mayor consistencia con las curvas desarrollas a partir del CPT y la velocidad de ondas de corte. Para este caso los autores recomiendan utilizar la ecuación 2 propuestas por Rauch de la Universidad de Texas. (Ecuación 2) Donde (N1)60 es el número de golpes del ensayo SPT normalizados para una energía del 60%, y CRR7.5 es la relación de resistencia cíclica para un sismo de magnitud 7.5 en la escala de Richter. Esta ecuación es válida para (N1)60 < 30. Para (N1)60 ≥ 30 las arenas limpias son muy densas, y por tanto clasifican como no licuables. Para el cálculo del (N1)60 es equivalente 𝑁160 = 𝑁 ∗ ( 𝐸 60 ), donde E representa la eficiencia de la prueba de penetración estándar de varios países como lo se muestra en la Figura 6. 45 Figura 6: Eficiencia SPT según países (Coduto 1994) 46 Metodología El tipo de investigación que se desarrolló en este proyecto fue cuasi experimental que de acuerdo con el metodólogo (Selltiz, 1980), “Es aquella que se efectúa sobre un tema u objeto desconocido o poco estudiado, por lo que sus resultados constituyen una visión aproximada de dicho objeto, es decir, un nivel superficial de conocimiento”. Con el estudio se llegó a analizar el comportamiento de los suelos granulares bajo el fenómeno de la licuación a través de la máquina Triaxial GDS 2Hz. El estudio se llevó a cabo de la siguiente manera: Toma de muestras La fase de toma de muestrasconsistió en tres etapas, las cuales fueron las siguientes: Selección del sitio de extracción de las muestras Para la selección del sitio, se utilizó como referencia el Decreto 523 del 16 de diciembre de 2010, por el cual se adopta la Microzonificación Sísmica de Bogotá, en donde se denotan sus tipos de suelo, sus descripciones geotécnicas, geológicas, geomorfológicas, sus composiciones principales y sus comportamientos geotécnicos generales. De acuerdo a lo anterior, se pudo seleccionar una zona cuyo tipo de suelo es propenso al fenómeno de la licuación, conocido como 47 Aluvial 200, el cual se describe como un suelo granular no cohesivo (limos-arenosos); dicha zona escogida es la aledaña al lecho del río Tunjuelito (ver Figura 7, Figura 8 y Figura 9). Figura 7. Instituto Distrital de Riesgos y Cambio Climático (IDIGER). (18 de marzo de 2016). Recuperado de: geoportal.sire.gov.co:8001/GeoPortalV2/mapa.jfs 48 Figura 8. Instituto Distrital de Riesgos y Cambio Climático (IDIGER). (18 de marzo de 2016). Recuperado de: geoportal.sire.gov.co:8001/GeoPortalV2/mapa.jfs Figura 9. Instituto Distrital de Riesgos y Cambio Climático (IDIGER). (18 de marzo de 2016). Recuperado de: geoportal.sire.gov.co:8001/GeoPortalV2/mapa.jfs 49 Extracción de muestras Se inició retirando la capa orgánica, que por su continua exposición a la intemperie no sirve para el muestreo, luego se realizó el montaje para realizar la extracción de muestras por el método de SPT, el cual se ejecutó a través de una cuchara partida (Figura 10) enroscada al extremo del muestreador de cuchara partida (Split spoon). Una vez que la cuchara se introdujo e hizo contacto con la superficie del suelo a muestrear se realiza el ensayo de SPT por medio de un dispositivo que dejaba caer libremente una maza de 140 libras (63,5 kg), desde una altura de 30” (762 mm) sobre la cabeza de golpeo de las barras de sondeo para que el muestreador penetrara en el suelo 18” (45 cm). Se anotaba entonces el № de golpes necesarios para cada 6” (15 cm) de carrera. Las primeras 6” de penetración, se denominaban “hinca de asiento”, (ref 3, 15). El № de golpes necesarios para la hinca de las restantes 12”, se llama resistencia normal a penetración (N). Una vez finalizada la hinca, se extrae la muestra, abriendo longitudinalmente la cuchara, se la colocaba en un recipiente hermético y se la etiquetaba indicando: Obra, № de sondeo, № de muestra, profundidad y el valor (N). En todo momento las muestras deben estar al resguardo de heladas o el sol hasta su llegada al laboratorio para la realización de los ensayos correspondientes. 50 Figura 10. Fletcher G. F. A., “Standard Penetration Test: Its Uses and Abuses, ASCE, Vol. 93, SM 4, P. 67-75, 1965. Selección de material para elaboración de muestra de referencia Con el fin de analizar la incidencia de la granulometría y la cohesión como factores determinantes para que se presente el fenómeno de la licuación, se seleccionó la arena de guamo como material para la elaboración de una muestra a la cual se le realizaron los mismos ensayos de laboratorio desarrollados con las muestras obtenidas en campo, con lo que se estableció un punto de referencia para su posterior comparación con los resultados obtenidos de dichas muestras extraídas in situ. Ensayos de laboratorio La realización de los ensayos estuvo basada en el procedimiento planteado por la normativa ASTM D5311 – 13, el cual fue el siguiente: 51 Caracterización de muestras Para la evaluación de las características físicas de las muestras y determinar las condiciones iniciales para el ensayo Triaxial, se llevaron a cabo ensayos de caracterización para determinar su granulometría, peso específico y dependiendo la cantidad de finos, limites plásticos. Preparación de muestras Las muestras debían ser cilíndricas y debían tener un diámetro mínimo de 51 mm y una relación de altura y diámetro de 2,0 a 2,5; por lo que se debieron perfilar las probetas extraídas del SPT para cumplir con tales dimensiones (ver Figura 11). Figura 11. Perfilamiento de la muestra Fuente: Autor 52 Medición de las muestras Debido a la gran influencia de la densidad en el ensayo triaxial cíclico, fue necesario que la determinación de la densidad fuera precisa y que las medidas del cambio de volumen fueran hechas durante la saturación y la consolidación. Por otro lado, se basaron las condiciones iniciales en las mediciones tomadas a la muestra después de remover el molde, dentro de las mediciones, se tomaron el diámetro y la longitud en cuatro posiciones diferentes usando un calibrador. Saturación El objetivo de la fase de saturación de la prueba es llenar los vacíos en el espécimen con agua, sin permitir que la muestra se hinche. La saturación se realiza mediante la aplicación de contrapresión a la muestra, para conducir el aire fuera de la muestra mediante la presión del agua que se está introduciendo; antes de iniciar con la saturación de la muestra se verifica que todo el sistema de drenaje (piedras porosas, papel filtro, transductores de presión y demás accesorios que hacen parte del montaje) estuvieran saturados para así evitar la inclusión de aire adicional a la muestra. Para la saturación de la muestra se incrementó simultáneamente la presión de cámara y la contrapresión, con las válvulas de drenaje de la muestra abiertas para que el agua desaireada 53 pueda fluir desde los transductores conectados a la parte superior e inferior de la muestra hasta el interior del espécimen. Para evitar un confinamiento previo, el cual no es deseable para la muestra, se aplica una contrapresión, las presiones deben aplicarse gradualmente con el tiempo adecuado entre los incrementos para permitir la igualación de la presión de poros de agua en todo el espécimen. Por ejemplo, el tamaño de cada incremento podría ser de 35 kPa [5 psi], 70 kPa [10 psi], o incluso 140 kPa [20 psi], dependiendo de la capacidad de compresión de la muestra de suelo, la magnitud del esfuerzo efectivo de consolidación deseada y el grado de saturación de la muestra justo antes del incremento del esfuerzo. La diferencia entre la presión de cámara y la contrapresión durante la saturación no debe exceder los 35 kPa a menos que se considere necesario para controlar la expansión de la muestra durante esta etapa del ensayo. Las diferencias entre la presión de cámara y la contrapresión debe permanecer también dentro del ±5% cuando las presiones se incrementan y dentro del ±2% cuando las presiones son constantes. Medición del parámetro B de la presión de poros El parámetro B de presión de poros se definió mediante la siguiente ecuación (ver ecuación 3): 𝐵 = 𝛥µ 𝛥𝜎3 (Ecuación 3) 54 Donde: 𝛥µ = El cambio en la presión de poro de la muestra que ocurre como resultado de un cambio en la presión de cámara cuando las válvulas de drenaje de la muestra están cerradas, y 𝛥𝜎3 = El cambio en la presión de cámara en esta etapa del ensayo El parámetro B fue determinado de la siguiente manera: Inicialmente, se cerraron las válvulas de drenaje de la muestra y se incrementó la presión de cámara 70 kPa. Seguidamente, se empezó a registrar el cambio en la presión de poros (versus el cambio en la presión de cámara (Δσ3). La medición se llevó a cabo hasta que se estabilizaron los valores en cada una de las variables y cuando la relación entre ellas fue igual o superior a 0,95; en caso de que dicha relación no supere el valor mencionado, se volverá a realizar una rampa de saturación y se repetirá lo anteriormente descrito. Finalmente, si el valor B es igual o superior a 0,95, y permanece constante, se procede a iniciar el proceso de consolidación. Consolidación La consolidaciónisotrópica está definida como el estado donde el esfuerzo efectivo de consolidación vertical (𝜎′1𝑐) es igual al esfuerzo efectivo de consolidación lateral (𝜎′3𝑐). Por lo tanto, para consolidar la muestra isotrópicamente, se mantuvo constante la contrapresión aplicada y se incrementó la presión de cámara hasta que la diferencia entre la presión de cámara 55 y la contrapresión fueran iguales a la presión de consolidación a la cual se va a realizar el ensayo, en este caso el esfuerzo efectivo de la muestra in situ. Finalmente, se midieron los cambios en la altura de la muestra durante la consolidación. Carga cíclica Para la realización del ensayo triaxial cíclico y para la obtención de los parámetros que representan el comportamiento dinámico del suelo, se utilizan los procedimientos expuestos en la Norma ASTM D5311-13. Además, se obtuvo la relación de tensión cíclica CSR = cíclico / ’v0 para la evaluación de licuación de la siguiente manera: Se calculó la tensión de corte in situ como (ver ecuación 4): max = rd z amax/g (Ecuación 4) Donde: rd = coeficiente corrector por deformabilidad del suelo debido a la profundidad. Aproximadamente rd = 1-0.015z peso unitario del suelo a la profundidad determinada z: profundidad del terreno donde se requiere el análisis de licuación. amax: aceleración máxima horizontal en el terreno causada por el sismo. g = gravedad especifica 56 Por otro lado, utilizando el método simplificado de Seed (1975), se calculó un valor equivalente de tensión cíclica uniforme (ecuación 5), equivalente a: cíclico = 0.65 max (Ecuación 5) Retiro de la muestra del equipo Por último, tras terminar el ensayo cíclico, se retiró con cuidado la muestra de la celda triaxial, evitando en lo posible la perdida de partículas durante la extracción de esta. A continuación, se realizó el ensayo de humedad y se determinaron los cálculos de la masa por peso unitario seco. 57 Cálculos y análisis de resultados Realización de sondeo Se seleccionó una zona cuyo suelo fuera potencialmente licuable, tomando como base la microzonificación sísmica de Bogotá adoptada por el decreto 523 de 2010. Se utilizó un equipo de perforación de una cuchara partida y procedimientos normalizados como el ensayo SPT. Las muestras fueron guardadas de tal forma que no se perdieran las condiciones iniciales en las cuales se encontraban tal y como se muestra en la Figura 12 Figura 12. Muestra 2 extraída del sondeo 1 Fuente: Autor 58 Caracterización del suelo Con el fin de caracterizar los suelos, encontrar la estratigrafía promedio y obtener los parámetros necesarios para la modelación física y matemática se realizaron ensayos de clasificación. Límites de consistencia El ensayo se divide en límite líquido y el límite plástico, por medio de estos ensayos se clasificaron las muestras de suelo según el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUSC). Los ensayos se realizaron bajo la norma I.N.V.E-125-13 y la I.N.V.E-126-13 de Invías. En la Tabla 1 se presentan los resultados consolidados. Tabla 1. Resultados caracterización Sondeo 1 Prof. SUSC N° Muestra OBSERVACIÓN N° Golpes N W nat (%) LL (%) LP (%) IP (%) 0 1.3 SM 1 Arena de grano fino color café claro 3 2 4 6 18.72 NP NP NP 1.85 SM 2 Arena de grano fino color café claro 4 4 5 9 22.53 NP NP NP 2.75 SC 3 Arcilla color café claro 5 4 5 9 23.01 29.9 15.07 14.83 3.25 CH 4 Arcilla color café claro 5 5 4 9 29.2 56 26.33 29.67 3.75 CH 5 Arcilla color café claro 7 6 8 14 29.69 55.3 25.09 30.21 4.75 CL 6 Arcilla color gris oscura 8 12 14 26 19.35 49.8 27.92 21.88 1 CH 7 Arcilla color gris oscura 12 13 16 29 44.19 94.8 38.79 56.01 59 Sondeo 2 Prof. SUSC N° Muestra OBSERVACIÓN N° Golpes N W nat (%) LL (%) LP (%) IP (%) 0 1.75 CH 1 Arcilla café clara 14 16 19 35 30.24 57.3 24.37 32.93 2.75 SM 2 Arena de grano fino color café claro 14 18 20 38 22.17 NP NP NP 3.5 CL 3 Arcilla limo arenosa café claro 14 16 16 32 24.72 43.5 22.64 20.86 4.75 CH 4 Arcilla limo arenosa café claro 8 10 8 18 29.9 54.85 24.37 30.48 5.25 CH 5 Arcilla gris clara 6 8 9 17 42.79 78 22.61 55.39 5.75 CH 6 Arcilla gris clara con pintas negras 8 7 7 14 53.02 100 41.53 58.47 Granulometría Se efectuó el análisis granulométrico pata definir el porcentajes de finos en la muestra. El ensayo se realizó bajo la norma I.N.V.E-123-13 del Invías. Los resultados consolidados se presentan en la Figura 13. Figura 13. Curva Granulométrica 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 0.01 0.1 1 10 P o rc en ta je q u e p as a (% ) Diametro de las particulas (mm) Curva Granulometrica Curva Granulometrica 60 Con los resultados anteriores se observa que el suelo estudiado posee una gran cantidad de finos, lo que puede indicar la dificultad en presentarse el fenómeno de licuación, debido a la cohesión que se pueda generar entre las partículas. Después de haber realizado la caracterización del suelo se presenta la tabla resumen de los datos del sondeo 1 y 2 en la Tabla 2 y Tabla 3. Tabla 2. Resumen dimensiones muestras del sondeo 1 Muestra Altura (m) Altura Promedio Diámetro (m) Diámetro Promedio (m) Peso (Kg) Área (m²) Vol. (m³) γ (KN/m³) 1 0.073 0.088 0.081 0.081 0.040 0.038 0.037 0.038 0.161 0.001 0.00009 16.88 2 0.073 0.088 0.081 0.081 0.040 0.038 0.037 0.038 0.161 0.001 0.00009 16.88 3 0.098 0.098 0.098 0.098 0.039 0.039 0.039 0.039 0.215 0.001 0.00012 17.89 4 0.134 0.132 0.133 0.133 0.038 0.038 0.038 0.038 0.315 0.001 0.00015 20.40 5 0.108 0.111 0.110 0.110 0.039 0.037 0.035 0.037 0.255 0.001 0.00012 21.17 6 0.119 0.119 0.118 0.119 0.038 0.038 0.038 0.038 0.296 0.001 0.00014 21.38 7 0.127 0.127 0.128 0.127 0.040 0.039 0.039 0.039 0.335 0.001 0.00015 21.52 Tabla 3. Resumen dimensiones muestras sondeo 2 Muestra Altura (m) Altura Promedio Diámetro (m) Diámetro Promedio (m) Peso (Kg) Área (m²) Vol. (m³) γ (KN/m³) 1 0.073 0.087 0.081 0.081 0.040 0.038 0.037 0.038 0.161 0.001 0.00009 16.88 2 0.078 0.078 0.077 0.078 0.040 0.039 0.042 0.040 0.176 0.001 0.00010 17.54 3 0.098 0.098 0.098 0.098 0.039 0.039 0.039 0.039 0.258 0.001 0.00012 21.47 4 0.134 0.132 0.133 0.133 0.038 0.038 0.038 0.038 0.336 0.001 0.00015 21.73 5 0.108 0.111 0.110 0.110 0.039 0.037 0.035 0.037 0.268 0.001 0.00012 22.20 6 0.119 0.119 0.118 0.119 0.038 0.038 0.038 0.038 0.311 0.001 0.00014 22.39 61 Calculo de la tensión cíclica De acuerdo a lo explicado en la teoría para el cálculo de la tensión cíclica y de acuerdo a los datos de las muestras se determinaron los valores iniciales: amax: 0.16 de acuerdo al decreto 523 de 2010 rd: se calculó de acuerdo a la ecuación anteriormente descrita g: es igual 9.81m/s2 z: valor de la profundidad a la que se encuentra la muestra. peso unitario del suelo a la profundidad determinada En la Tabla 4 y Tabla 5, se presenta las tensiones cíclicas calculadas para cada una de las muestras. Tabla 4. Calculo de la tensión cíclica sondeo 1. amax 0.16 amax/g 0.0163099 Muestra γ (KN/m³) rd Z (m) Tmax (kPa) 1 19.87 0.990 0.650 0.208 2 19.14 0.976 1.575 0.480 3 19.37 0.965 2.300 0.702 4 21.73 0.955 3.000 1.015 5 21.17 0.947 3.500 1.145 6 20.59 0.936 4.250 1.336 7 20.07 0.921 5.250 1.583 Tabla 5. Calculo de la tensión cíclica sondeo 2. amax 0.16 amax/g 0.0163099 Muestra γ (KN/m³) rd z (m) tmax (kPa) 1 16.88 0.987 0.875 0.238 2 17.54 0.966 2.250 0.622 3 21.47 0.953 3.125 1.043 62 Muestra γ (KN/m³) rd z (m) tmax (kPa) 4 21.73 0.938 4.125 1.371 5 22.20 0.925 5.000 1.675 6 22.39 0.917 5.500 1.843 Para poder tener un valor de comparaciónse utilizó un material totalmente granular el cual llegara a cumplir con los requisitos para poder observar el fenómeno de la licuación por lo que se optó por realizar un ensayo con una arena de Guamo. A continuación se presenta el cuadro resumen en la Tabla 6 de la arena de Guamo. Tabla 6. Características arena de Guamo amax 0.16 amax/g 0.0163099 Muestra γ (KN/m³) rd z (m) tmax (kPa) guamo 15.50 0.914 5.750 1.328 Ensayo triaxial cíclico Después de realizada la caracterización del suelo y el cálculo de la tensión cíclica se inició el montaje de las muestras seleccionadas; que para este caso fue la muestra del sondeo 2 - muestra 2; a las que se les aplicaron cargas cíclicas. Las muestras seleccionadas se determinaron de acuerdo a la caracterización realizada, ya que dichas muestras no tuvieron una gran cantidad de material fino plástico. Después de realizado el ensayo triaxial cíclico tanto para la arena de Guamo como para la muestra 2 del sondeo 2, se obtuvieron los siguientes resultados consolidados en las tablas 8 hasta la 13; y en las figuras 13 hasta la 22. Cabe aclarar que la información mostrada en las tablas y figuras mencionadas anteriormente se encuentra limitada a los primeros y los últimos ciclos de 63 ambos ensayos, esto es debido a la gran cantidad de datos obtenidos a lo largo del ensayo. Para ver los resultados completos dirigirse al Anexo B, Anexo C y Anexo D. Arena de Guamo A continuación se presentan los datos iniciales en la Tabla 7 y los resultados de la arena de Guamo obtenidos del equipo Triaxial Cíclico en el Anexo B. en las ; los cálculos se realizaron para la determinación de los diversos factores que se muestran en la Figura 2 y que se encuentra en la norma ASTM D5311-13. Tabla 7. Datos iniciales para el ensayo para la arena de Guamo Altura inicial (mm) 100 Diámetro inicial (mm) 50 Peso específico (KN/m³): 15.5 Profundidad (m) 5.75 Tipo de suelo Arena de Guamo Masa inicial (g): 310 Fecha de la prueba viernes, 15 de abril de 2016 Con base en los datos obtenidos en las tablas que se encuentran en el Anexo B se generaron las siguientes figuras: 64 En la Figura 14 se observa el comportamiento de la carga cíclica a lo largo del ensayo, cabe aclarar que en dicha grafica solo se encuentran los 10 primeros y los últimos 10 ciclos. Figura 14: Ciclo de cargas cíclicas arena de Guamo En la Figura 15 se muestra el comportamiento de la deformación axial de la muestra a lo largo de la aplicación de las cargas cíclicas. Figura 15: Desplazamiento axial cíclico arena de Guamo De las gráficas anteriores se puede observar que el comportamiento de los ciclos a lo largo de la prueba tienen forma sinusoidal con lo que se garantiza que la carga fue constante y no sufre modificaciones a lo largo del ensayo. -0.007 -0.002 0.003 0.008 -0.05 4.95 9.95 14.95 19.95C ar ga c íc lic a (K n ) Tiempo (s) Ciclo de Cargas Primeros 10 ciclos Ultimos 10 ciclos -0.03 0.02 0.07 -0.05 4.95 9.95 14.95 19.95 D es p la za m ie n to a xi al (m m ) Tiempo (s) Desplazamiento axial cíclico Primeros 10 cliclos Ultimos 10 ciclos 65 En la Figura 16 se presenta la gráfica del ciclo histerético, en donde se observan los esfuerzos desviadores a los cuales fue sometida la muestra, y además se puede evidenciar la máxima deformación unitaria generada por los ciclos a lo largo del ensayo, en la cual no se presentó degradación de la resistencia del suelo. Figura 16. Ciclo de histéresis arena de Guamo En la Figura 17 y Figura 18 se observa el comportamiento de la presión de poros a lo largo de la prueba, en donde se puede ver que los picos presentados muestran que el suelo estudiado es propenso a sufrir el fenómeno de licuación; lo que generó que las partículas del suelo se segregaran, perdiendo cohesión entre ellas y llevando a que el espécimen presentara grandes deformaciones. Cabe aclarar que, la máxima deformación unitaria que se presentó en la muestra fue de 10.54%, con lo que se puede decir que no se llegó a la deformación suficiente para que se presentara el colapso total de la muestra, que según la norma ASTM D5311-13 es del 20%. -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 Es fu er zo d es vi ad o r Deformacion axial unitaria Curva Histeretica Ciclos Iniciales Ciclos Finales 66 Figura 17. Exceso de presión de poros ciclos iniciales arena de Guamo 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 0 10 20 30 40 50 Ex ce so d e p re si o n d e p o o s (k P a) Tiempo (s) Exceso de presion de poros ciclos iniciales Presión de Poros ciclos Iniciales 67 Figura 18. Exceso de presión de poros ciclos finales arena de Guamo 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 50 60 70 80 90 100 Ex ce so d e p re si o n d e p o o s (k P a) Tiempo (s) Exceso de presion de poros ciclos finales Presión de Poros ciclos finales 68 Sondeo 2 – Muestra 2 A continuación se presentan los datos iniciales en la Tabla 8 solicitados por el equipo Triaxial Cíclico al momento de iniciar el ensayo, y los resultados de la muestra utilizada para el ensayo en el Anexo D; los cálculos se realizaron para la determinación de los diversos factores que se muestran en la Figura 2 y que se encuentra en la norma ASTM D5311-13. Tabla 8. Datos iniciales del ensayo para la muestra del sondeo 2 muestra 2 Altura inicial (mm) 93.07 Diámetro inicial (mm) 50 Peso específico (kn/m³): 17.54 Profundidad (m) 2.75 Tipo de suelo Limo Arcilloso Masa inicial (g): 355.17 Con base en los datos obtenidos para la muestra 2 del sondeo 2 en las tablas anteriores se generaron las siguientes figuras: En la Figura 19 se observa el comportamiento de la carga cíclica a lo largo del ensayo, cabe aclarar que en dicha gráfica solo se encuentran los 10 primeros y los 10 últimos ciclos. 69 Figura 19 Ciclo de cargas cíclicas Muestra 2 Sondeo 2 En la Figura 20 se muestra el comportamiento de la deformación axial de la muestra a lo largo de la aplicación de las cargas cíclicas. Figura 20: Desplazamiento axial cíclico Muestra 2 Sondeo 2 De las graficas anteriores se puede observar que el comportamiento de los ciclos a lo largo de la prueba son gráficas fue constante y no sufrio modificaciones a lo largo del ensayo. -0.003 -0.002 -0.001 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0 5 10 15 20 C ar ga c íc lic a (K N ) TIEMPO (s) Ciclo de Cargas Primeros 10 ciclos Ultimos 10 ciclos -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0 5 10 15 20D es p la za m ie n to a xi al ( m m ) Tiempo (s) Desplazamiento axial cíclico Primeros 10 ciclos Ultimos 10 ciclos 70 En la Figura 21 se presenta la gráfica del ciclo histerético, en donde se observan los esfuerzos desviadores a los cuales fue sometida la muestra, durante el ciclo de cargas, con lo que se puede evidenciar la maxima deformación unitaria generada por los ciclos a lo largo del ensayo y como se fue degradando la recuperación plástica de la misma. En este caso observamos como la parte elástica del suelo ya ha perdido sus capacidades de recuperarse completamente con lo que ya tiene una deformación no recuperable. Figura 21. Ciclo de histéresis Muestra 2 Sondeo 2 En la Figura 22 y Figura 23 se observa el comportamiento de la presión de poros a lo largo de la prueba, notandose que el compotamiento al inicio del ensayo no tuvo grandes variaciones, mientras que al final del ensayo se observó como las presiones de poros iban cambiando, generando picos y valles durante los cuales se produjo la mayor afectación por deformaciónes, axiales o transversales, a la muestra. Con lo anterior, se puede decir que el suelo posee un alto potencial de -1.5
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