La licuefacción del suelo ocurre cuando un suelo sin cohesión, saturado o parcialmente saturado, pierde sustancialmente resistencia 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 Calaveras en California . Describió el mecanismo de licuefacción del flujo de la presa del terraplén como:
Si la presión del agua en los poros es lo suficientemente grande como para soportar toda la carga, tendrá el efecto de mantener separadas las partículas y producir una condición que es prácticamente equivalente a la de las arenas movedizas ... el movimiento inicial de alguna parte. del material podría resultar en una acumulación de presión, primero en un punto y luego en otro, sucesivamente, a medida que los primeros puntos de concentración se licuaban.
El fenómeno se observa con mayor frecuencia en suelos arenosos saturados, sueltos (de baja densidad o no compactados). Esto se debe a que la arena suelta tiende a comprimirse cuando se 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 de los poros aumenta y el agua intenta fluir desde el suelo hacia zonas de baja presión (generalmente hacia la superficie del suelo). Sin embargo, si la carga se aplica rápidamente y es lo suficientemente grande, o se repite muchas veces (por ejemplo, terremotos, 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 aumentar hasta en la medida en que excede 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 suprayacentes 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 fuerza (la capacidad de transferir el esfuerzo cortante ) y se puede observar que fluye como un líquido (de ahí la "licuefacción").
Aunque los efectos de la licuefacción del suelo se conocen desde hace mucho tiempo, los ingenieros 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 propiedades residenciales en los suburbios del este y 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 sacudió la provincia de Sulawesi Central en 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 barro. El gobierno de Indonesia está considerando 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 exigen que los ingenieros consideren los efectos de la licuefacción del suelo en el diseño de nuevos edificios e infraestructuras como puentes, diques de terraplén y estructuras de contención. [5] [6] [7]
La licuefacción del suelo ocurre cuando la tensión efectiva ( resistencia al corte ) del suelo se reduce esencialmente a cero. Esto puede iniciarse mediante una carga monótona (es decir, una aparición única y repentina de un cambio en la tensión; los ejemplos incluyen un aumento de 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 carga de olas o sacudidas de terremotos ). En ambos casos, los suelos en estado saturado y suelto y uno que puede generar una presión de agua de poro significativa ante un cambio en la carga son los que tienen más probabilidades de licuarse. Esto se debe a que el suelo suelto tiene tendencia a comprimirse cuando se corta, generando un gran exceso de presión de agua de poro a medida que la carga se transfiere desde el esqueleto del suelo al agua de poro adyacente durante la carga no drenada. A medida que aumenta la presión del agua de los poros, se produce una pérdida progresiva de 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 en casos raros puede ocurrir en gravas y arcillas (ver arcilla rápida ).
Se puede iniciar una 'falla de flujo' si la resistencia del suelo se reduce por debajo de las tensiones requeridas para mantener el equilibrio de una pendiente o zapata 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 por 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 corte en respuesta a la carga cíclica. Una deformación de referencia típica para la ocurrencia aproximada de tensión efectiva cero es una deformación cortante de doble amplitud del 5%. Esta es una definición basada en pruebas de suelo, generalmente realizada mediante aparatos de tipo triaxial cíclico , corte simple directo cíclico o corte torsional cíclico. Estas pruebas se realizan para determinar la resistencia de un suelo a la licuefacción observando el número de ciclos de carga en una amplitud de tensión de corte particular requerida para inducir "fallas". La falla aquí se define por los criterios de deformación por corte 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 suelos densos. Sin embargo, al alcanzar un estado de estrés efectivo cero, estos suelos inmediatamente se dilatan y recuperan fuerza. Por lo tanto, las deformaciones por corte son significativamente menores que en un verdadero estado de licuefacción del suelo.
Es más probable que la licuefacción ocurra en suelos granulares sueltos a moderadamente saturados con drenaje deficiente , como arenas limosas o arenas y gravas que contienen sedimentos impermeables . [9] [10] Durante la carga de olas , generalmente cargas cíclicas no drenadas, por ejemplo, cargas sísmicas , las arenas sueltas tienden a disminuir en volumen , lo que produce un aumento en sus presiones de agua intersticial y, en consecuencia, una disminución en la resistencia al corte , es decir, una reducción en la tensión efectiva .
Los depósitos más susceptibles a la licuefacción son arenas y limos jóvenes (edad Holoceno , depositados en los últimos 10.000 años) de tamaño de grano similar (bien clasificados), en lechos de al menos metros de espesor y saturados con agua. Estos 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 , arcilla rápida, 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 o endureciéndose por deformación. Los suelos ablandados por deformación, por ejemplo, arenas sueltas, pueden provocar su colapso, ya sea de forma monótona o cíclica, si el esfuerzo cortante estático es mayor que la resistencia cortante última o en estado estacionario del suelo. En este caso se produce licuefacción por flujo , donde el suelo se deforma con un esfuerzo cortante residual constante bajo. Si el suelo se endurece por deformación, por ejemplo, arena moderadamente densa a densa, generalmente no ocurrirá licuefacción por flujo. Sin embargo, puede ocurrir un ablandamiento cíclico debido a cargas cíclicas no drenadas, por ejemplo, cargas sísmicas. 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 del esfuerzo cortante. Si se produce una inversión de la tensión, la tensión cortante efectiva podría llegar a cero, permitiendo que se produzca una licuefacción cíclica. Si no se produce la inversión de la tensión, no puede producirse una tensión efectiva cero y se produce una 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 (tejido, 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 de los poros 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 de los poros. Cuando el medio poroso saturado se somete a fuertes sacudidas del suelo, se induce el movimiento del fluido de los poros en relación con el esqueleto sólido. El movimiento transitorio del fluido de los poros puede afectar significativamente la redistribución de la presión del agua de los poros, que generalmente se rige 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 que rige en medios porosos no es lineal y no sigue la ley de Darcy . Este hecho ha sido considerado recientemente en los estudios de interacción suelo-fluido poro para el modelado de licuefacción. Se ha desarrollado un método dinámico de elementos finitos completamente explícito para la ley de flujo turbulento . Las ecuaciones rectoras se han expresado para medios porosos saturados basándose 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 fluencia junto con una regla de flujo no asociada. [18]
Las presiones generadas durante grandes terremotos pueden expulsar el agua subterránea y la arena licuada a la superficie. Esto se puede observar en la superficie mediante efectos conocidos alternativamente como " ebullición de arena ", "golpes de arena" o " volcanes de arena ". Estas deformaciones sísmicas del terreno pueden clasificarse como deformaciones primarias si se localizan en la falla rota o cerca de ella, o deformaciones distribuidas si se ubican a una distancia considerable de la falla rota. [19] [20]
La otra observación común es la inestabilidad de la tierra: grietas y movimiento del suelo cuesta abajo o hacia márgenes no sustentados de ríos, arroyos o la costa. La falla del terreno de esta manera se denomina "extensión lateral" y puede ocurrir en pendientes muy poco profundas con ángulos de sólo 1 o 2 grados con respecto a la horizontal.
Un aspecto positivo de la licuefacción del suelo es la tendencia a amortiguar ( reducir) significativamente los efectos del terremoto durante el resto del terremoto. Esto se debe a que los líquidos no soportan una tensión cortante y, por lo tanto, una vez que el suelo se licua debido a la sacudida, la sacudida sísmica posterior (transferida a través del suelo por ondas cortantes ) no se transfiere a los edificios en la superficie del suelo.
Los estudios de las características de licuación dejadas por los terremotos prehistóricos, llamados paleolicuefacción o paleosismología , pueden revelar información sobre los terremotos que ocurrieron antes de que se llevaran registros o se pudieran tomar mediciones precisas. [21]
La licuefacción del suelo inducida por los terremotos es un importante contribuyente al riesgo sísmico urbano .
Los efectos de la licuefacción del suelo en el entorno construido pueden ser extremadamente dañinos. Los edificios cuyos cimientos se apoyan directamente sobre arena que se licua experimentarán una pérdida repentina de soporte, lo que resultará en un asentamiento drástico e irregular del edificio causando daños estructurales, incluyendo grietas en los cimientos y daños a la estructura del edificio, o dejando la estructura inservible, incluso sin daños estructurales. Cuando existe una fina costra de suelo no licuado entre los cimientos del edificio y el suelo licuado, puede ocurrir una falla de los cimientos del tipo "punzonamiento". Los asentamientos irregulares pueden romper las líneas subterráneas de servicios públicos. La presión ascendente aplicada por el movimiento del suelo licuado a través de la capa de corteza puede agrietar las losas de cimientos débiles e ingresar a los edificios a través de conductos de servicios y puede permitir que el agua dañe el contenido de los edificios y los servicios eléctricos.
Los puentes y edificios grandes construidos sobre cimientos de pilotes pueden perder el apoyo del suelo adyacente y pandearse o descansar al inclinarse.
Los terrenos inclinados y los terrenos próximos a ríos y lagos pueden deslizarse sobre una capa de suelo licuado (lo que se denomina "expansión lateral"), [22] abriendo grandes fisuras en el suelo y pueden causar daños importantes a edificios, puentes, carreteras y servicios como el agua, los recursos naturales. gas, alcantarillado, energía y telecomunicaciones instalados en el terreno afectado. Los tanques y pozos de registro enterrados 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 comprende el terraplén o sus cimientos se licua.
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 podría desarrollarse mediante pedogénesis. [23]
Los ingenieros sísmicos han ideado métodos de mitigación e 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 vibro . [24] Estos métodos densifican el suelo y permiten que los edificios eviten la licuefacción del suelo. [25]
Los edificios existentes se pueden mitigar inyectando lechada en el suelo para estabilizar la capa de suelo que está sujeta a licuefacción. Ahora es posible aplicar a mayor escala otro método llamado IPS (saturación parcial inducida). En este método, se reduce el grado de saturación del suelo.
Las arenas movedizas se forman cuando el agua satura un área de arena suelta y la arena se agita. Cuando el agua atrapada en el lote de arena no puede escapar, se 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 flujo de agua subterránea, la fuerza del flujo de agua se opone a la fuerza de gravedad, lo que hace que los gránulos de arena floten más. En el caso de los terremotos, la fuerza del temblor puede aumentar la presión de las aguas subterráneas poco profundas, licuando los depósitos de arena y limo. En ambos casos, la superficie licuada pierde fuerza, lo que provoca que los edificios u otros objetos sobre esa superficie se hunda o caiga.
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 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 Leda Clay en Canadá , es un gel saturado de agua, que en su forma sólida se asemeja a una arcilla altamente sensible . Esta arcilla tiene tendencia a cambiar de una condición relativamente rígida a una masa líquida cuando se la perturba. Este cambio gradual de 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 un corte suficiente, entra en estado fluido.
La arcilla rápida se encuentra únicamente en países del norte como Rusia , Canadá , Alaska en EE. UU., Noruega , Suecia y Finlandia , que fueron glaciares durante la época del Pleistoceno .
La arcilla rápida ha sido la causa subyacente de muchos deslizamientos de tierra mortales . Sólo en Canadá, se 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 de tierra submarinos son corrientes de turbidez y consisten en sedimentos saturados de agua que fluyen cuesta abajo. Un ejemplo ocurrió durante el terremoto de Grand Banks de 1929 que azotó el talud continental frente a la costa de Terranova . Minutos más tarde, los cables telefónicos transatlánticos comenzaron a romperse secuencialmente, cada vez más cuesta abajo, alejándose del epicentro . Se rompieron doce cables en un total de 28 lugares. Se registraron los tiempos y lugares exactos para cada descanso. Los investigadores sugirieron que un deslizamiento de tierra submarino de 60 millas por hora (100 km/h) o una corriente de turbidez de sedimentos saturados de agua barrió 400 millas (600 km) por el talud continental desde el epicentro del terremoto, rompiendo los cables a su paso. [27]
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Medios relacionados con la licuefacción del suelo en Wikimedia Commons