Licuefacción de suelos: qué es y cómo intervenir

Licuefacción de suelos: qué es y cómo intervenir

La licuefacción es un fenómeno que se produce en terrenos no cohesivos saturados (arena, grava, limo no plástico) luego de un enjambre sísmico, el cual favorece la reducción de la resistencia al corte del suelo como efecto del incremento y de la acumulación de la presión intersticial.

Tal fenómeno comporta como resultado final, importantes deformaciones permanentes o inclusive la anulación de los esfuerzos eficaces en el terreno (Decreto 17 enero 2018, Eurocódigo 8-Parte 5).

Casos históricos

En todo el mundo se cuenta con evidencias de fenómenos macroscópicos de licuefacción (Fig. 1A, 1B, 1C, 1D):

Figura 1 – A) Hundimiento de edificios en la ciudad de Niigata (Japón, 1964); B) Efectos de la licuefacción del suelo en el gran terremoto de Alaska, en 1964 ; C) Fallas del puente Showa durante el terremoto de Niigata (Japón,1964); Hundimiento de la calzada debido a la expansión lateral del suelo (Alaska, 1964)

Cómo se produce la licuefacción

Consideremos el suelo como un conjunto de partículas (o gránulos) (Figura 2a) que, bajo el peso del terreno genera fuerzas de contacto entre las mismas partículas (Figura 2b): en tales condiciones, éstas dan estabilidad al terreno.

Cuando se produce un sismo, los depósitos potencialmente licuables, sometidos a vibración, tienden a adensarse, pero sin tener el tiempo necesario para drenar o expulsar el agua intersticial. Esta última, al quedar atrapada, produce el efecto de aumento de la presión intersticial (Figura 2c). Cuando la presión del agua iguala la presión de confinamiento, las presiones eficaces transmitidas a través de las partículas sólidas se anulan, con la consiguiente pérdida de contacto entre ellas y por ende el depósito se comporta como un líquido.

Figura 2 – Mecanismo de licuefacción

La licuefacción en términos generales

Considerando la relación (1) del criterio de Mohr-Coulomb;

Donde:

τ_n = Tensión tangencial;
σ_n = Tensión normal total;
u = presión intersticial;
φ’ = ángulo de rozamiento;
c = cohesión

La licuefacción se da cuando la Tensión tangencial τ_n tiende a cero. En la relación (1), se nota que la cohesión c, el ángulo de rozamiento φ’ y la tensión total σ_n, aumentando, hacen que el fenómeno de la licuación tenga menos probabilidades de verificarse. Al contrario, las presiones intersticiales u al aumentar, hacen que aumente la probabilidad (y el peligro) de licuefacción.

Otras características que influyen en el fenómeno son la Densidad relativa Dr y granulometría del suelo. Un suelo incoherente con una baja densidad relativa, en igualdad de otros factores, es más susceptible a la licuefacción.

Clasificación según Robertson y Fear (1996)

Los dos autores han diferenciado dos tipos de fenómenos de licuefacción:

1. Licuefacción tipo flujo o Fluidificación (Flow liquefaction): se da en terrenos con pendientes superiores a 3 grados. Los esfuerzos de corte estático, siendo superiores a resistencia residual del terreno, activan rápidos movimientos del suelo licuado en grandes cantidades. Los daños en los edificios son devastadores;
2. Ablandamiento cíclico (Cyclic softening), a diferencia del tipo anterior, las deformaciones se detienen en el momento ien que se agotan los esfuerzos de corte externos aplicados. Las deformaciones se dividen a su vez en dos casos:
   • Licuefacción cíclica (Cyclic Liquefaction): fenómeno que se da en el caso de que el plano del terreno sea horizontal y no se apliquen cargas. Una evidencia típica morfológica se da en la formación de volcanes de arena;
   • Mobilidad cicílica (Cyclic mobility): fenómeno caracterizado por deformaciones permanentes limitadas, a menudo en pendientes pronunciadas con consecuentes asientos post-sísmicos y diferenciales, pequeños deslizamientos y lateral spreading).
     

En el siguiente video se muestra un ejemplo numérico de aplicación de lateral spreading con el Software Geostru Liquiter:

Cuáles factores hacen que los suelos se vuelvan susceptibles a la licuación

Los principales factores son:

• Granulometría;
• Presión litostática;
• Grado de adensado;
• Contenido de fino;
• Deformación volumétrica.

Métodos simplificados para la valoración de la resistencia a la licuefacción CRR

Los métodos simplificados se basan en la relación existente entre las solicitaciones de corte que producen licuefacción y las inducidas por el sismo, por lo tanto se necesita evaluar los parámetros relativos tanto al evento sísmico como al depósito.
La resistencia del depósito a la licuefacción se evalúa, por lo tanto, en términos de factor de resistencia a la licuefacción (Fs):

(1)

donde CRR (Cyclic Resistance Ratio) indica la resistencia del terreno a los esfuerzos de corte cíclico y CSR (Cyclic Stress Ratio) la solicitación de corte máxima producida por el sismo.

Figura 4 – Esquema conceptual de los métodos simplificados 

Como se nota en el esquema de la Figura 4, hay licuefacción cuando el parámetro CSR es mayor que CRR, siendo el denominador en la relación (1), produce un Fs<1. Analizando la profundidad Z, se nota además que se obtiene un «pico de licuefacción» cuando la diferencia entre los avalores ci CSR y CRR es máxima (con CSR>CRR), para luego decrecer al aumentar la profundidad.

Al valorar el parámetro CRR (resistencia a licuefacción), con los métodos simplificados, el parámetro más utilizado es el número de golpes en el ensayo SPT  no obstante hoy, con el avance de los conocimientos, se prefiere valorar el potencial de licuefacción utilizando ensayos estáticos (CPT) o ensayos de medidas de la sondas de corte Vs.

Mientras tanto, entre los métodos de cálculo del potencial de licuefacción CSR:

• Método de Seed e Idriss (1982);
• Método de Iwasaki et al. (1978; 1984);
• Método de Tokimatsu e Yoshimi (1983);
• Método de Finn (1985);
• Método de Cortè (1985);
• Método de Robertson y Wride modificato (1997);
• Método de Andrus y Stokoe (1998);
• Métodos basados en el Eurocódigo 8 (ENV 1998-5);
• Método de Idriss & Boulanger (2008)
• Métodos basados en normas técnicas.

Acciones para reducir el potencial de licuefacción

Las intervenciones para combatir el fenómeno de licuefacción, en un terreno libre en la superficie, consisten en :

• Mejorar la compactibilidad con métodos dinámicos:
  • Vibrocompactación;
  • Heavy Tamping;
    

    Figura 5 – Intervención de compactación dinámica (Heavy Tamping)

  • Uso de explosivos.
• Bajar el nivel freático para incrementar las presiones efectivas:
• Efectuar inyecciones cementicias o con resinas sintéticas para mejorar los enlaces intergranulares;
• Aumentar la permeabilidad intersticial por medio de la instalación de desagües (métodos estáticos):
  • Desagües verticales, con grava, etc. 
    

    Figura 6 – Método de instalación de desagües