Licuefacción con el software Liquiter

Procedimiento simplificado para estimar la resistencia a la licuefacción de los suelos

Después de los desastrosos terremotos de Alaska y de Niigata (en Japón, 1964), Seed e Idris (1971) propusieron un método simplificado para la estimación de la resistencia a la licuefacción de los suelos. Tal metodología se ha visto modificada y mejorada con los años (por ej. Seed, 1979; Seed e Idriss, 1982; Seed et al., 1985) lo suficiente como para convertirse en un estándar de referencia ampliamente utilizado para la valoración del riesgo de licuación (NRC 1985). Las actualizaciones al método simplificado fueron discutidas sucesivamente en un workshop de Youd e Idriss (1997) y publicados en el informe «Liquefaction Resistance of Soils» (Youd and Idriss, 2001). Estas actualizaciones han sido incluidas también en el software Liquiter (Fig.1).

 

Fig.1 – En esta sección del software Liquiter se pueden elegir los métodos implementados en el programa para la verificación de licuefacción.

 

El método simplificado fue desarrollado sobre la base de estimaciones empíricas de los análisis in situ y de laboratorio.

En el primer caso, se realizan estudios SPT, CPT, geofísicos, etc. Además, la evidencia del fenómeno de la licuefacción es de naturaleza superficial y se manifiesta con remolinos de arena (sand boils; Fig.2), sedimentos, fracturas en el terreno, etc. En el segundo caso, los métodos se basan en los resultados de las pruebas de corte cíclicas y pruebas triaxiales cíclicas.

Fig.2 – Licuefacción del suelo en el estuario de Avon-Heathcote 

El fenómeno de la licuefacción

La licuefacción es un fenómeno que verifica cuando un suelo, sometido a un shock sísmico, muestra un aumento de las presiones intersticiales y una resistencia al corte nula. El cambio del estado físico (de sólido a líquido) se presenta generalmente en los depósitos superficiales suelos granulares (granular material) saturados, con características que no logran disipar la presión intersticial con suficiente velocidad después del temblor.

Como se muestra en la ecuación de Mohr Coulomb, la resistencia al corte (τ) tiende a reducirse como efecto de la cancelación de la tensión efectiva (σ’= σ-u):

τ = (σ-u) tgφ + c

con σ= tensión normal total; u= presiones intersticiales φ= ángulo de rozamiento y c= cohesión.

De la fórmula es fácil comprender que, si u aumenta hasta igualar σ, la presión efectiva se anula y la resistencia tiende a cero, determinando por lo tanto la condición de licuefacción.

CSR and CRR

Para determinar el riesgo de licuefacción en términos de seguridad (FS), se requiere el cálculo de dos variables: 1) CSR (Cyclic Stress Ratio) relación de esfuerzo cíclico y 2) CRR (Cyclic Resistance Ratio) relación de resistencia cíclica.

Los métodos simplificados, de hecho, se basan en la relación entre las solicitaciones de corte que producen licuefacción y las inducidas por el temblor. Por esto se necesita estimar los parámetros relacionados tanto con el evento sísmico como con el depósito; estos últimos determinados preferentemente con métodos basados en correlaciones de la resistencia a la licuefacción con parámetros derivados de ensayos in situ. Por lo tanto, la resistencia del depósito a la licuefacción se determina en términos de factor de resistencia a la licuefacción.

Método basado en ensayos SPT

Seed e Idriss – Metodología actualizada en el software Liquiter

Seed e Idriss (1971) propusieron una ecuación para el cálculo de la solicitación de corte máxima inducida (CSR):

CSR=τ_av/(σ’_v0)=0.65∙(a_max/g)∙(σ_v0/(σ’_v0))∙r_d

Donde:

• t_{av =} tensión de corte cíclica;
• σ_v0 e σ’_v0= presión vertical total y efectiva;
• a_max = aceleración horizontal máxima esperada en superficie;
• g = aceleración de la gravedad.

Para determinar el valor del coeficiente de reducción r_d se utiliza la fórmula empírica propuesta por (Liao y Whitman,1986):

r_d=1.0-0.00765z per z≤9.15m
r_d=1.174-0.0267z per 9.15m<z≤23m

Donde z es la profundidad del plano expresada en metros.

Con eventos sísmicos de magnitud 7,5 se considera el grafico de la figura 3 de Seed e Idriss (1982).

Fig. 3 – SPT Clean Sand-Base Curve for Magnitude 7.5 Earthquakes (modificado por Seed et al., 1985)

Rauch (1998) propone una fórmula que aproxima mejor la curva al interno del gráfico, según la ecuación:

CRR_7.5=1/[34-(N₁)₆₀] +(N₁)₆₀/135+ 50/[10∙(N₁)₆₀+45]² – 1/200

Tal ecuación es válida para (N₁)₆₀<30. Si en cambio (N₁)₆₀≥30, no se verifica el fenómeno de la licuefacción ya que el suelo es demasiado denso, por lo que se clasifica como “suelo no licuable”.

Magnitud Scaling Factor

Para otras magnitudes (mayores o menores a 7.5), Seed e Idris (1982) introdujeron el factor correctivo MSF (Magnitudo Scaling Factor) dado por la fórmula:

MSF= 10^2.24/(M_w^2.56 )

Para el valor de Mw si hace referencia a los valores presentes en la tabla Tabla1 obtenidos por varios investigadores, entre ellos Seed e Idriss (1982).

Magnitud	Seed and Idriss (1982)	Ambraseys (1988)	Andrus Stokoe (1997)	NCEER (Seed et al.) (1997; 2003)
5,5	1,43	2,86	2.8	2,21
6,0	1,32	2,20	2.1	1,77
6,5	1,19	1,69	1.6	1,44
7,0	1,08	1,30	1.25	1,19
7,5	1,00	1,00	1.00	1,00
8,0	0,94	0,67	0.8?	0,84
8,5	0,89	0,44	0.65?	0,73

Tabla 1 – Factor de escala de la magnitud (Youd and Noble, 1997a)

 

La relación de Resistencia Cíclica CRR, se calcula en función de la magnitud, del número de golpes en el ensayo SPT, de la presión vertical efectiva, de la densidad relativa. Se calcula inicialmente el número correcto de golpes (N₁)_60CS en la cuota deseada para tener en cuenta la presión litostática mediante la siguiente expresión:

(N₁)_60CS= α+β(N₁)₆₀

Donde α y β son coeficientes determinados con las siguientes relaciones (Tabla 2):

 

FC	α	β
≤5%	α = 0.0	β=1.0
5%<FC≥35%	α=exp[1.76-(190/FC2)]	β= 0.99+(FC1.5/1000)
FC≥35%	α = 5.0	β=1.2

Tabla 2– Factor de influencia del contenido fino (FC)

 

Las otras correcciones a aportar a los resultados SPT se incorporan en la siguiente fórmula:

(N₁)₆₀ =N_mC_NC_EC_BC_RC_S

donde Nm es el número promedio de golpes en el ensayo penetrométrico SPT; C_N es un factor para normalizar Nm; C_E es un factor correctivo de la energía del grave ER (Energy Ratio); C_B es un factor correctivo del diámetro del hoyo y Cs es un factor correctivo de las muestras.

Factor de seguridad a licuefacción 

Aplicando la influencia del factor de corrección de escala de la magnitud a los riesgos calculados, la ecuación del factor de seguridad a licuefacción (FS) se escribe en términos de CRR, CSR y MSF, como a continuación:

FS= (CRR_7.5/CSR)MSF

Donde CSR (Cyclic Stress Ratio) es la tasa de solicitación cíclica generada por el sismo y CRR7.5 (Cyclic Resistance Ratio) es la relación de resistencia cíclica para sismos de magnitud 7.5.

Software Geostru

Considerando lo anteriormente descrito, para enfrentar de la mejor forma los estudios que tienen que ver con análisis de licuefacción, es aconsejable el uso de los siguientes software:

• Liquiter – software Liquiter para el análisis de licuefacción de suelos en condiciones sísmicas. 
• DYNAMIC PROBING – Ensayos penetrométricos dinámicos – Programa de elaboración de Pruebas Penetrométricas Dinámicas con gestión y archivos de cada tipo de sonda penetrométrica (incluso nueva o personalizada) y pruebas SPT en la perforación. 
• STATIC PROBING – Ensayos penetrométricos estáticos – Programa para archivar y elaborar Ensayos de Penetración Estática con punta mecánica CPT, punta eléctrica CPTE y piezocono CPTU.

Geoapp Geostru

Geostru ha ideado un servicio para efectuar cálculos on-line en la página web Geoapp,dentro de la cual se encuentran diferentes aplicaciones para ingeniería, Geología, Geofísica, Hidrología e Hidráulica. Entre las mismas hay varias que se pueden utilizar junto con los software citados anteriormente, como por ejemplo :

• Liquefacción
• Formulario NSPT
• Zone sismogenetiche
• Clasificación de las tierras SMC

 

Bibliografía 

Castro, G. (1995). ‘‘Empirical methods in liquefaction evaluation.’’ Primer Ciclo d Conferencias Internationales, Leonardo Zeevaert, Universidad Nacional Autonoma de Mexico, Mexico City.

Seed, H. B. (1979). ‘‘Soil liquefaction and cyclic mobility evaluation for level ground during earthquakes.’’ J. Geotech. Engrg. Div., ASCE, 105(2), 201–255.

Seed, H. B., and Idriss, I. M. (1971). ‘‘Simplified procedure for evaluating soil liquefaction potential.’’ J. Geotech. Engrg. Div., ASCE, 97(9), 1249–1273.

Seed, H. B., and Idriss, I. M. (1982). ‘‘Ground motions and soil liquefaction during earthquakes.’’ Earthquake Engineering Research Institute Monograph, Oakland, Calif.

Seed, H. B., Tokimatsu, K., Harder, L. F., and Chung, R. M. (1985). ‘‘The influence of SPT procedures in soil liquefaction resistance evaluations.’’ J. Geotech. Engrg., ASCE, 111(12), 1425–1445.

Youd and Idriss, I. M. (2001). Liquefaction resistance of soils: summary report from the 1996 NCEER and 1998 NCEER/NSF workshops on evaluation of liquefaction resistance of soils. Journal of geotechnical and geoenvironmental engineering.