La licuefacción del suelo ocurre cuando un suelo saturado o parcialmente saturado sin cohesión pierde sustancialmente fuerza y rigidez en respuesta a una tensión aplicada, como una sacudida durante un terremoto u otro cambio repentino en la condición de tensión, en el que el material que normalmente es un sólido se comporta como un líquido. En mecánica de suelos , el término "licuado" fue utilizado por primera vez por Allen Hazen [1] en referencia a la falla de 1918 de la presa de Calaveras en California . Describió el mecanismo de licuefacción del flujo de la presa de terraplén como:
Si la presión del agua en los poros es lo suficientemente grande para soportar toda la carga, tendrá el efecto de mantener las partículas separadas y de producir una condición que es prácticamente equivalente a la de las arenas movedizas ... el movimiento inicial de alguna parte del material podría resultar en la acumulación de presión, primero en un punto, y luego en otro, sucesivamente, a medida que los primeros puntos de concentración se licuaran.
El fenómeno se observa con mayor frecuencia en suelos arenosos , sueltos (de baja densidad o no compactados) saturados. Esto se debe a que una arena suelta tiene una tendencia a comprimirse cuando se le aplica una carga . Las arenas densas, por el contrario, tienden a expandirse en volumen o " dilatarse ". Si el suelo está saturado de agua, una condición que a menudo existe cuando el suelo está por debajo del nivel freático o del nivel del mar , entonces el agua llena los espacios entre los granos del suelo ("espacios porosos"). En respuesta a la compresión del suelo, la presión del agua intersticial aumenta y el agua intenta fluir desde el suelo hacia zonas de baja presión (generalmente hacia arriba hacia la superficie del suelo). Sin embargo, si la carga se aplica rápidamente y lo suficientemente grande, o se repite muchas veces (por ejemplo, temblor de un terremoto, carga de olas de tormenta) de modo que el agua no fluya antes de que se aplique el siguiente ciclo de carga, las presiones del agua pueden acumularse hasta el punto de exceder la fuerza ( tensiones de contacto ) entre los granos de suelo que los mantienen en contacto. Estos contactos entre granos son el medio por el cual el peso de los edificios y las capas de suelo que los recubren se transfiere desde la superficie del suelo a capas de suelo o roca a mayores profundidades. Esta pérdida de estructura del suelo hace que pierda su resistencia (la capacidad de transferir la tensión de corte ) y se puede observar que fluye como un líquido (de ahí el nombre de "licuefacción").
Aunque los efectos de la licuefacción del suelo se conocen desde hace mucho tiempo, los ingenieros le prestaron más atención después del terremoto de Alaska de 1964 y el terremoto de Niigata de 1964. Fue una de las principales causas de la destrucción producida en el Distrito Marina de San Francisco durante el terremoto de Loma Prieta de 1989 , y en el Puerto de Kobe durante el Gran terremoto de Hanshin de 1995. Más recientemente, la licuefacción del suelo fue en gran medida responsable de grandes daños a las propiedades residenciales en los suburbios orientales y los municipios satélite de Christchurch durante el terremoto de Canterbury de 2010 [2] y de manera más extensa nuevamente después de los terremotos de Christchurch que siguieron a principios y mediados de 2011. [ 3] El 28 de septiembre de 2018, un terremoto de magnitud 7,5 golpeó la provincia de Sulawesi Central de Indonesia. La licuefacción del suelo resultante enterró el suburbio de Balaroa y la aldea de Petobo a 3 metros (9,8 pies) de profundidad en el lodo. El gobierno de Indonesia está estudiando la posibilidad de designar como fosas comunes los dos barrios de Balaroa y Petobo, que han quedado totalmente enterrados bajo el barro. [4]
Los códigos de construcción de muchos países requieren que los ingenieros consideren los efectos de la licuefacción del suelo en el diseño de nuevos edificios e infraestructura, como puentes, diques y estructuras de contención. [5] [6] [7]
La licuefacción del suelo ocurre cuando la tensión efectiva ( resistencia al corte ) del suelo se reduce a esencialmente cero. Esto puede iniciarse por una carga monótona (es decir, una única ocurrencia repentina de un cambio en la tensión; los ejemplos incluyen un aumento en la carga en un terraplén o una pérdida repentina del soporte del pie) o una carga cíclica (es decir, cambios repetidos en la condición de tensión; los ejemplos incluyen la carga de las olas o el temblor de un terremoto ). En ambos casos, un suelo en un estado suelto saturado y uno que puede generar una presión de agua intersticial significativa con un cambio en la carga son los más propensos a licuarse. Esto se debe a que el suelo suelto tiene la tendencia a comprimirse cuando se corta, generando un gran exceso de presión de agua intersticial a medida que la carga se transfiere del esqueleto del suelo al agua intersticial adyacente durante la carga no drenada. A medida que aumenta la presión del agua intersticial, se produce una pérdida progresiva de la resistencia del suelo a medida que se reduce la tensión efectiva. Es más probable que la licuefacción ocurra en suelos arenosos o limosos no plásticos, pero puede ocurrir en casos raros en gravas y arcillas (ver arcilla rápida ).
Una "falla de flujo" puede iniciarse si la resistencia del suelo se reduce por debajo de las tensiones necesarias para mantener el equilibrio de una pendiente o la base de una estructura. Esto puede ocurrir debido a una carga monótona o cíclica y puede ser repentino y catastrófico. Un ejemplo histórico es el desastre de Aberfan . Casagrande [8] se refirió a este tipo de fenómenos como "licuefacción de flujo", aunque no se requiere un estado de tensión efectiva cero para que esto ocurra.
La "licuefacción cíclica" es el estado del suelo cuando se han acumulado grandes deformaciones de cizallamiento en respuesta a una carga cíclica. Una deformación de referencia típica para la ocurrencia aproximada de una tensión efectiva cero es una deformación de cizallamiento de amplitud doble del 5 %. Esta es una definición basada en pruebas de suelo, que generalmente se realiza mediante un aparato de tipo triaxial cíclico , de cizallamiento simple directo cíclico o de cizallamiento torsional cíclico . Estas pruebas se realizan para determinar la resistencia de un suelo a la licuefacción observando la cantidad de ciclos de carga a una amplitud de tensión de cizallamiento particular necesaria para inducir "fallas". La falla aquí se define mediante los criterios de deformación de cizallamiento antes mencionados.
El término "movilidad cíclica" se refiere al mecanismo de reducción progresiva de la tensión efectiva debido a la carga cíclica. Esto puede ocurrir en todos los tipos de suelo, incluidos los densos. Sin embargo, al alcanzar un estado de tensión efectiva cero, dichos suelos se dilatan inmediatamente y recuperan su resistencia. Por lo tanto, las deformaciones por cizallamiento son significativamente menores que en un estado real de licuefacción del suelo.
Es más probable que se produzca licuefacción en suelos granulares sueltos a moderadamente saturados con mal drenaje , como arenas limosas o arenas y gravas que contienen sedimentos impermeables . [9] [10] Durante la carga de las olas , normalmente carga cíclica no drenada, por ejemplo, carga sísmica , las arenas sueltas tienden a disminuir en volumen , lo que produce un aumento de sus presiones de agua intersticial y, en consecuencia, una disminución de la resistencia al corte , es decir, una reducción de la tensión efectiva .
Los depósitos más susceptibles a la licuefacción son arenas y limos jóvenes (de edad holocena , depositados en los últimos 10.000 años) de tamaño de grano similar (bien clasificados), en lechos de al menos metros de espesor y saturados de agua. Dichos depósitos se encuentran a menudo a lo largo de lechos de arroyos , playas , dunas y áreas donde se han acumulado limo ( loess ) y arena arrastrados por el viento. Ejemplos de licuefacción del suelo incluyen arenas movedizas , arcillas rápidas, corrientes de turbidez y licuefacción inducida por terremotos.
Dependiendo de la relación de vacíos inicial , el material del suelo puede responder a la carga ya sea ablandándose por deformación o endureciéndose por deformación. Los suelos ablandados por deformación, por ejemplo, las arenas sueltas, pueden verse obligados a colapsar, ya sea de forma monótona o cíclica, si la tensión de corte estática es mayor que la resistencia de corte última o en estado estacionario del suelo. En este caso, se produce la licuefacción por flujo , donde el suelo se deforma a una tensión de corte residual constante baja. Si el suelo se endurece por deformación, por ejemplo, arena moderadamente densa a densa, generalmente no se producirá la licuefacción por flujo. Sin embargo, el ablandamiento cíclico puede producirse debido a la carga cíclica no drenada, por ejemplo, la carga sísmica. La deformación durante la carga cíclica depende de la densidad del suelo, la magnitud y duración de la carga cíclica y la cantidad de inversión de la tensión de corte. Si se produce la inversión de la tensión, la tensión de corte efectiva podría llegar a cero, lo que permite que se produzca la licuefacción cíclica. Si no se produce la inversión de la tensión, no puede producirse una tensión efectiva cero y se produce la movilidad cíclica. [11]
La resistencia del suelo sin cohesión a la licuefacción dependerá de la densidad del suelo, las tensiones de confinamiento, la estructura del suelo (fabricación, edad y cementación ), la magnitud y duración de la carga cíclica y el grado en que se produce la inversión del esfuerzo cortante. [12]
Se necesitan tres parámetros para evaluar el potencial de licuefacción utilizando el método empírico simplificado :
Muchos investigadores han considerado la interacción entre el esqueleto sólido y el flujo de fluido intersticial para modelar el ablandamiento del material asociado con el fenómeno de licuefacción. El desempeño dinámico de los medios porosos saturados depende de la interacción suelo-fluido intersticial. Cuando los medios porosos saturados se someten a fuertes sacudidas del suelo, se induce el movimiento del fluido intersticial en relación con el esqueleto sólido. El movimiento transitorio del fluido intersticial puede afectar significativamente la redistribución de la presión del agua intersticial, que generalmente está gobernada por la tasa de carga, la permeabilidad del suelo , el gradiente de presión y las condiciones de contorno . Es bien sabido que para una velocidad de filtración suficientemente alta , la ley de flujo gobernante en medios porosos es no lineal y no sigue la ley de Darcy . Este hecho se ha considerado recientemente en los estudios de la interacción suelo-fluido intersticial para el modelado de la licuefacción. Se ha desarrollado un método de elementos finitos dinámicos completamente explícito para la ley de flujo turbulento . Las ecuaciones gobernantes se han expresado para medios porosos saturados con base en la extensión de la formulación de Biot. El comportamiento elastoplástico del suelo bajo carga sísmica se ha simulado utilizando una teoría de plasticidad generalizada que se compone de una superficie de rendimiento junto con una regla de flujo no asociada. [18]
Las presiones generadas durante grandes terremotos pueden hacer que el agua subterránea y la arena licuada suban a la superficie. Esto se puede observar en la superficie como efectos conocidos alternativamente como " ebullición de arena ", "soplos de arena" o " volcanes de arena ". Estas deformaciones del terreno provocadas por los terremotos se pueden clasificar como deformación primaria si se localizan sobre la falla rota o cerca de ella, o deformación distribuida si se localizan a una distancia considerable de la falla rota. [19] [20]
La otra observación común es la inestabilidad del terreno: agrietamiento y movimiento del suelo pendiente abajo o hacia márgenes no soportadas de ríos, arroyos o la costa. El colapso del terreno de esta manera se denomina "expansión lateral" y puede ocurrir en pendientes muy poco profundas con ángulos de solo 1 o 2 grados desde la horizontal.
Un aspecto positivo de la licuefacción del suelo es la tendencia a que los efectos de las sacudidas sísmicas se amortigüen (reduzcan) significativamente durante el resto del terremoto. Esto se debe a que los líquidos no soportan una tensión de corte y, por lo tanto, una vez que el suelo se licua debido a la sacudida, las sacudidas sísmicas posteriores (transferidas a través del suelo por ondas de corte ) no se transfieren a los edificios en la superficie del suelo.
Los estudios de las características de licuefacción dejadas por terremotos prehistóricos, llamados paleolicuefacción o paleosismología , pueden revelar información sobre terremotos que ocurrieron antes de que se mantuvieran registros o se pudieran tomar mediciones precisas. [21]
La licuefacción del suelo inducida por los temblores sísmicos es un factor importante que contribuye al riesgo sísmico urbano .
Los efectos de la licuefacción del suelo en el entorno construido pueden ser extremadamente perjudiciales. Los edificios cuyos cimientos se apoyan directamente sobre arena que se licua experimentarán una pérdida repentina de apoyo, lo que dará lugar a un asentamiento drástico e irregular del edificio que provocará daños estructurales, incluido el agrietamiento de los cimientos y daños a la estructura del edificio, o dejará la estructura inutilizable, incluso sin daños estructurales. Cuando existe una fina costra de suelo no licuado entre los cimientos del edificio y el suelo licuado, puede producirse una falla de los cimientos del tipo "punción cortante". El asentamiento irregular puede romper las líneas de servicios públicos subterráneas. La presión ascendente aplicada por el movimiento del suelo licuado a través de la capa de costra puede agrietar las losas de cimientos débiles y entrar en los edificios a través de los conductos de servicio y puede permitir que el agua dañe el contenido del edificio y los servicios eléctricos.
Los puentes y edificios de gran tamaño construidos sobre cimientos de pilotes pueden perder el apoyo del suelo adyacente y deformarse o quedar inclinándose.
Los terrenos en pendiente y los terrenos próximos a ríos y lagos pueden deslizarse sobre una capa de suelo licuado (denominado 'extensión lateral'), [22] abriendo grandes fisuras en el suelo , y pueden causar daños significativos a edificios, puentes, carreteras y servicios como agua, gas natural, alcantarillado, energía y telecomunicaciones instalados en el suelo afectado. Los tanques enterrados y los pozos de registro pueden flotar en el suelo licuado debido a la flotabilidad . [22] Los terraplenes de tierra, como los diques de inundación y las presas de tierra, pueden perder estabilidad o colapsar si el material que compone el terraplén o su base se licúa.
A lo largo del tiempo geológico, la licuefacción del material del suelo debido a los terremotos podría proporcionar un material parental denso en el que el fragipán puede desarrollarse a través de la pedogénesis. [23]
Los ingenieros sísmicos han ideado métodos de mitigación que incluyen varias técnicas de compactación del suelo , como la vibrocompactación (compactación del suelo mediante vibradores de profundidad), la compactación dinámica y las columnas de piedra vibratoria . [24] Estos métodos densifican el suelo y permiten que los edificios eviten la licuefacción del suelo. [25]
Los edificios existentes pueden mitigarse inyectando lechada en el suelo para estabilizar la capa de suelo que está sujeta a licuefacción. Otro método llamado IPS (saturación parcial inducida) ahora se puede aplicar a mayor escala. En este método, se reduce el grado de saturación del suelo.
Las arenas movedizas se forman cuando el agua satura una zona de arena suelta y esta se agita. Cuando el agua atrapada en la masa de arena no puede escapar, crea un suelo licuado que ya no puede resistir la fuerza. Las arenas movedizas pueden formarse por agua subterránea estancada o que fluye (hacia arriba) (como la de un manantial subterráneo), o por terremotos. En el caso del agua subterránea que fluye, la fuerza del flujo de agua se opone a la fuerza de la gravedad, lo que hace que los gránulos de arena floten más. En el caso de los terremotos, la fuerza de la sacudida puede aumentar la presión de las aguas subterráneas poco profundas, licuando los depósitos de arena y limo. En ambos casos, la superficie licuada pierde resistencia, lo que hace que los edificios u otros objetos que se encuentren en esa superficie se hundan o se derrumben.
El sedimento saturado puede parecer bastante sólido hasta que un cambio de presión o un choque inicia la licuefacción, lo que hace que la arena forme una suspensión con cada grano rodeado por una fina película de agua. Esta amortiguación da a las arenas movedizas y a otros sedimentos licuados una textura esponjosa y fluida. Los objetos en la arena licuada se hunden hasta el nivel en el que el peso del objeto es igual al peso de la mezcla de arena y agua desplazada y el objeto flota debido a su flotabilidad .
La arcilla rápida, conocida como arcilla Leda en Canadá , es un gel saturado de agua , que en su forma sólida se parece a una arcilla altamente sensible . Esta arcilla tiene una tendencia a cambiar de un estado relativamente rígido a una masa líquida cuando se la altera. Este cambio gradual en la apariencia de sólido a líquido es un proceso conocido como licuefacción espontánea. La arcilla conserva una estructura sólida a pesar de su alto contenido de agua (hasta un 80% en volumen), porque la tensión superficial mantiene unidas las escamas de arcilla recubiertas de agua. Cuando la estructura se rompe por un choque o una cizalladura suficiente, entra en un estado fluido.
La arcilla viva se encuentra únicamente en países del norte como Rusia , Canadá , Alaska en los EE.UU., Noruega , Suecia y Finlandia , que sufrieron glaciares durante la época del Pleistoceno .
La arcilla líquida ha sido la causa subyacente de muchos deslizamientos de tierra mortales . Solo en Canadá, se la ha asociado con más de 250 deslizamientos de tierra cartografiados. Algunos de ellos son antiguos y pueden haber sido provocados por terremotos. [26]
Los deslizamientos submarinos son corrientes de turbidez y consisten en sedimentos saturados de agua que fluyen pendiente abajo. Un ejemplo ocurrió durante el terremoto de Grand Banks de 1929 que golpeó el talud continental frente a la costa de Terranova . Minutos después, los cables telefónicos transatlánticos comenzaron a romperse secuencialmente, cada vez más cuesta abajo, lejos del epicentro . Doce cables se rompieron en un total de 28 lugares. Se registraron las horas y ubicaciones exactas de cada rotura. Los investigadores sugirieron que un deslizamiento submarino o corriente de turbidez de sedimentos saturados de agua de 60 millas por hora (100 km/h) arrasó 400 millas (600 km) pendiente abajo desde el epicentro del terremoto, rompiendo los cables a su paso. [27]
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