Licuefacción del suelo Licuefacción del suelo Resumen El objetivo de este trabajo fue el de crear un efecto parecido al de las arenas movedizas, las cuales cuando no son perturbadas parecen una masa gelatinosa, pero cuando lo son, causa una repentina disminución de su viscosidad, haciendo que el agua y la arena se separen, formándose regiones densas de arena sedimentada; esto se debe a la formación de áreas constituidas por grandes volúmenes de materia con diferente tamaño, con lo cual la viscosidad de las arenas movedizas aparece incrementada súbitamente, haciendo que lentamente absorban un objeto hasta que lo cubren completamente. Las arenas movedizas pueden ser halladas en tierras interiores a orillas de ríos, cerca de lagos, o en pantanos, o cerca de la costa y no en los desiertos como se cree, ya que en este tipo de lugares hay muy poca humedad, lo cual no permite que haya arenas movedizas. Basados en ese efecto, hicimos que una pequeña caja de un peso considerable, se hundiera en un recipiente lleno de tierra, dándole ligeros golpes al recipiente. Para lograr esto se colocó tierra en un recipiente y sobre de ella una pequeña caja llena de piedras, que le daban un mayor peso; a este recipiente se le golpeó ligeramente en un costado, lo que ocasionó que se creara un fenómeno parecido al proceso de licuefacción en suelos o arenas movedizas. El resultado fue que la caja que habíamos puesto sobre la tierra, terminó hundiéndose parcialmente por las vibraciones causadas por los golpes que le dimos al recipiente. La mayoría de las situaciones en que se presenta este fenómeno, es en los terremotos; además de que causa muchas pérdidas materiales e incluso humanas, por lo que debe ser estudiado antes de que se haga alguna construcción, especialmente en el valle de México, que es donde vivimos, ya que estamos sobre un lago y en una zona sísmica, lo cual favorece a que se desate este fenómeno.
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Licuefacción del suelo Introducción La licuefacción de suelo describe el comportamiento de suelos que, estando sujetos a la acción de una fuerza externa, pasan de un estado sólido a un estado líquido, o adquieren la consistencia de un líquido pesado.
Es uno de los
fenómenos más dramáticos y destructivos. “Es más probable que la licuefacción ocurra en suelos granulados sueltos saturados o moderadamente saturados con un drenaje pobre, tales como arenas sedimentadas o arenas y gravas que
contienes vetas de sedimentos
impermeables”1 Durante el proceso en que actúa la fuerza exterior, por lo general una fuerza cíclica sin drenaje, tal como una carga sísmica, las arenas sueltas tienden a disminuir su volumen, lo cual produce un aumento en la presión de agua en los poros y por lo tanto disminuye la tensión de corte, originando una reducción de la tensión efectiva. Los suelos más susceptibles a la licuefacción son aquellos formados por depósitos jóvenes de arenas y sedimentos de tamaños de partículas similares, en capas de por lo menos más de un metro de espesor, y con un alto contenido de agua. Estos depósitos por lo general se presentan en los lechos, ríos, playas, dunas y áreas donde se han acumulado arenas y sedimentos arrastrados por el viento y/o cursos de agua. “El material del suelo puede responder ante la carga bien en un modo de ablandamiento
inducido
por
deformación o
alternativamente
sufrir endurecimiento inducido por deformación. En el caso de suelos del tipo ablandamiento inducido por deformación, tales como arenas sueltas, los mismos pueden alcanzar un punto de colapso, tanto en forma monótona o cíclica, si la tensión de corte estática es mayor que tensión de corte estacionaria del suelo.
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Youd, T.L., and Idriss, I.M"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, ASCE, 2001. pg. 297-313
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Licuefacción del suelo En este caso ocurre licuefacción de flujo, en la cual el terreno se deforma con una tensión de corte constante de valor reducido. Si el terreno es del tipo endurecimiento inducido por deformación, o sea arenas de densidad moderadas a altas, en general no ocurrirá una licuefacción por flujo. Sin embargo, puede presentarse un ablandamiento cíclico a causa de cargas cíclicas sin drenaje, tales como cargas sísmicas. La deformación durante cargas cíclicas dependerá de la densidad del terreno, la magnitud y duración de la carga cíclica, y la magnitud de inversión de la tensión de corte. Si es que ocurre una inversión de la tensión, la tensión de corte efectiva puede ser nula, en cuyo caso puede ocurrir el fenómeno de licuefacción cíclica. Si no ocurre inversión de las tensiones, no es posible que la tensión efectiva sea nula, en cuyo caso puede ocurrir el fenómeno de movilidad cíclica”2. Justificación El propósito de esta investigación es ampliar más nuestro conocimiento sobre la licuefacción, un fenómeno que afecta a la sociedad debido a que daña las estructuras. Con el trabajo queremos dar a conocer que no todos los suelos son aptos para la construcción ya que con un movimiento sísmico las construcciones pueden colapsar. Marco teórico Licuefacción inducida por sismos La licuefacción inducida por terremoto es uno de los principales contribuyentes al riesgo sísmico urbano. Las sacudidas hacen que aumente la presión de agua en los poros lo que reduce la tensión efectiva, y por lo tanto disminuye la resistencia al corte de la arena. Si existe una corteza de suelo seco o una cubierta impermeable, el exceso de agua puede a veces surgir en la superficie a través de grietas en la capa superior, arrastrando en el proceso arena licuada, lo que produce borbotones de arena, comúnmente llamados "volcanes de arena".
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Robertson, P.K., and Fear, C.E. (1995). "Liquefaction of sands and its evaluation.", Proceedings of the 1st International Conference on Earthquake Geotechnical Engineering, Tokyo
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Licuefacción del suelo Los estudios de la licuefacción sísmica de Seed (1966) llevaron a postular las siguientes condiciones:
Si la presión de poros inducida por la acción dinámica o cíclica del terremoto alcanza el valor de la presión de confinamiento, el suelo alcanzará el estado de licuefacción inicial
Si la arena sometida a acción cíclica alcanza el 20% de deformación se alcanzará la licuefacción total. Seed and Idriss (1982) propusieron la siguiente expresión para el cálculo de la Relación de Tensiones Cíclicas (CSR) , la expresión de la demanda sísmica de la capa de suelo, que junto con la Relación de Resistencia Cíclica (CCR), la capacidad del suelo para resistir la licuación, son las dos variables de La resistencia a la licuación de suelos.
CSR = τav /σ´vo = 0.65µ (amax/g) (µσvo/σ´vo) rd Donde τav- es la tensión de corte promedio. amax- aceleración pico horizontal en la superficie del terreno generada por el sismo g-es aceleración de la gravedad σvo y σ´vo -son las tensiones totales y efectivas verticales respectivamente rd -coeficiente de reducción de tensiones, debido a la flexibilidad del suelo. El conocimiento de este fenómeno es limitado debido en principal parte a estos dos factores:
Dificultad en observar sus características en condiciones reales.
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Licuefacción del suelo
La complejidad del fenómeno, pues además de ser el resultado de una acción símica altamente variable, induce en el suelo un comportamiento fuertemente no lineal, con una fuerte degradación de las características mecánicas del suelo de cada ciclo determinada por la generación de presiones neutras en la muestra bajo acción sísmica. Ondas sísmicas
Las ondas sísmicas son un tipo de onda elástica fuerte en la propagación de perturbaciones temporales del campo de tensiones que generan pequeños movimientos en las placas tectónicas. Si desplazamos un diapasón de su posición de equilibrio y lo soltamos repentinamente, percibimos su sonido característico. Lo mismo sucede en la Tierra, un sismo consiste precisamente en la liberación repentina de los esfuerzos impuestos al terreno. De esta manera, la tierra es puesta en vibración. Esta vibración es debida a la propagación de ondas como en el caso del diapasón. En un terremoto se transmiten ondas que viajan por el interior de la tierra. Siguen caminos curvos debido a la variada densidad y composición del interior de la Tierra. Este efecto es similar al de la refracción de ondas de luz. A este tipo de ondas se llaman ondas internas, centrales o de cuerpo, transmiten los temblores preliminares de un terremoto pero poseen poco poder destructivo. Las ondas de cuerpo son divididas en dos grupos: ondas primarias y secundarias. También se propagan ondas por la superficie. Son las que más tardan en llegar. Debido a su baja frecuencia provocan resonancia en edificios con mayor facilidad que las ondas de cuerpo causando los efectos más devastadores. Hay ondas superficiales de dos tipos: de Rayleigh y de Love.
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Licuefacción del suelo Ondas Primarias Las ondas primarias son ondas longitudinales, lo cual significa que el suelo es alternadamente comprimido y dilatado en la dirección de la propagación. Estas ondas generalmente viajan a una velocidad 1.73 veces de las ondas secundarias y pueden viajar a través de cualquier tipo de material. Velocidades típicas son 330m/s en el aire, 1450m/s en el agua y cerca de 5000m/s en el granito.
Ondas Secundarias Las ondas secundarias son ondas transversales o de corte, lo cual significa que el suelo es desplazado perpendicularmente a la dirección de propagación, alternadamente hacia un lado y hacia el otro. Estas ondas pueden viajar únicamente a través de sólidos debido a que los líquidos no pueden soportar esfuerzos de corte. Su velocidad es alrededor de 58% la de una onda primaria para cualquier material sólido. Usualmente la onda secundaria tiene mayor amplitud que la primaria y se siente más fuerte que ésta.
Ondas de Rayleigh Cuando un sólido posee una superficie libre, como la superficie de la tierra, pueden generarse ondas que viajan a lo largo de la superficie. Estas ondas tienen
su
máxima
amplitud
en
la
superficie
libre,
la
cual
decrece
exponencialmente con la profundidad, y son conocidas como ondas de Rayleigh en honor al científico que predijo su existencia. La trayectoria que describen las partículas del medio al propagarse la onda es elíptica retrógrada y ocurre en el plano de propagación de la onda. Una analogía de estas ondas lo constituyen las ondas que se producen en la superficie del agua.
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Licuefacción del suelo Ondas de Love Otro tipo de ondas superficiales son ondas de Love llamadas así en honor del científico que las estudió. Estas se generan sólo cuando un medio elástico se encuentra estratificado, situación que se cumple en nuestro planeta pues se encuentra formado por capas de diferentes características físicas y químicas. Las ondas de Love se propagan con un movimiento de las partículas, perpendicular a la dirección de propagación, como las ondas secundarias, sólo que polarizadas en el plano de la superficie de la Tierra, es decir sólo poseen la componente horizontal a superficie. Las ondas de Love pueden considerarse como ondas superficiales "atrapadas" en la superficie. Como para las ondas de Rayleigh, la amplitud de las mismas decrece rápidamente con la profundidad. En general su existencia se puede explicar por la presencia del vacío o un medio de menor rigidez, tiende a compensar la energía generando este tipo especial de vibraciones. Objetivos Al efectuar esta investigación se buscaba observar el fenómeno de la licuefacción incurriendo a los grandes ejemplos tales como los terremotos pero por la falta de conocimiento y disposición de estos fenómenos se pretendió observar en que proporciones debía ser movido el bloque de tierra y el tamaño, peso que necesita tener un objeto para ser víctima de este fenómeno en pequeñas escalas. Sobre todo saber cómo es que un sólido adquiere capacidades de un líquido pesado, y provocar uno de los fenómenos más recurrentes en los terremotos. Problema Los desplazamientos laterales que provoca la licuefacción, muy a menudo distorsionan las cimentaciones de los edificios, dañan las tuberías de desagües, y otras estructuras a lo largo de la zona afectada. El daño ocasionado no siempre es espectacular y raras veces catastrófico, sin embargo es muy destructor.
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Licuefacción del suelo Cuando el suelo que soporta una edificación licua y pierde su resistencia, pueden ocurrir grandes deformaciones
en este, que ocasionan que la edificación se
asiente, se incline o sumerja. Aunque esta es una falla espectacular, es la menos producida por la licuefacción. Debido a esto, hay que tener en cuenta el fenómeno de la licuefacción al momento de construir una edificación.
Materiales y procedimiento Se requiere contar con:
1 recipiente de considerable tamaño
Arena o tierra
Agua
Algo que simule ser una construcción pero con algo de peso
Procedimiento: 1. Primero se vierte agua y arena en el recipiente sin que el aguan se vea en la superficie y tenga ½ pulgada aproximadamente de separación de la capa de arena. 2. Agregar algo de peso a los modelos y colocarlo encima de la arena. 3. Golpear suavemente el exterior del contenedor y observar.
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Licuefacción del suelo Resultados
Desde un punto de vista científico, lo que ocurre es que disminuye drásticamente la resistencia y la capacidad portante de la tierra por el incremento de la presión de poros y posterior reducción de las tensiones efectivas de la tierra, tendiendo
a
cero,
llegando
a
comportarse como un líquido.
Volviendo
al
experimento,
visualmente lo que pasa es que cuando alguna persona comienza a golpear el recipiente con la tierra, ocasiona que la misma comience
a
moverse
lo
que
provoca que la pequeña caja llena de piedritas empiece a hundirse lentamente, hasta que una parte de esta queda absorbida por la tierra. Primero empieza a hacerse hacia uno de sus lados, para después poco a poco seguirse hundiendo, hasta que la pequeña caja de madera queda parcialmente cubierta por la tierra, así generando el efecto que se parece al de las arenas movedizas.
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Licuefacción del suelo Y mientras más fuerte era el contacto en el recipiente la caja se hunde más rápidamente por que las ondas viajan con mayor fuerza y hacen que la tierra se mueva más rápida y fuertemente lo que ocasiona el más rápido hundimiento de la caja. Este efecto también puede ser comparado
con
el
de
un
terremoto, por lo que este proceso de licuefacción también debe ser tomado en cuenta, cuando se van a construir edificios, casas, o cualquier construcción, ya que si no
son
cimientos,
bien
construidos
esta
los
construcción
puede llegar a hundirse en el momento en que ocurra algún sismo. El valle de México es una zona vulnerable a la licuefacción, porque estamos sobre un lago y el agua favorece que se de este fenómeno, además es una zona sísmica, lo que hace aún mayores las posibilidades de que se de este efecto. No pudimos observar el deterioro y daño estructural que causa este fenómeno a gran escala en la población, sin embargo, sirvió para comprender la naturaleza de este fenómeno y cuáles son las condiciones propicias que lo originan, las cuales sabemos que son la baja cohesión de la tierra y la tendencia de ciertos lugares a ser perceptores de epicentros sísmicos debido a su ubicación geográfica. Interpretación de resultados *se ejemplifica de manera clara este fenómeno, al aplicar fuerza externa el sólido adquirió la consistencia de un líquido pesado. *Los objetos suelen hundirse en cierto porcentaje dependiendo de la fuerza a la que sea sometida el sólido.
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Licuefacción del suelo *dependiendo del tipo de tierra se dará la velocidad de licuefacción resultando de su fuerza de cohesión *Aunque esto es a una muy pequeña escala se puede apreciar el efecto de licuefacción, aunque sería más recomendable estudiar a detalle este tema ya que es importante para tomar medidas de seguridad en una población. Conclusión Las mayores situaciones en la que se presentan
son
los
terremotos, como ya se ha dicho
“al
aplicar
estos
fuerza
fenómenos
extrema
adquirió
la
consistencia de un líquido pesado como en un terremoto“Este fenómeno está principalmente, más no exclusivamente, asociado
con suelos saturados poco
cohesivos. Este tipo de fenómenos cobran muchos daños estructurales y en casos en los que no se prevé puede haber hasta bajas humanas, por esto es necesario tener más materia en el estudio de este fenómeno. La construcción de edificios en tierras de baja cohesión dan las condiciones propicias para este fenómeno, ante esto se requiere una intervención más completa pues si se determinara que tierras son más útiles para edificación se podrían llegar a prevenir dicho efecto causado por terremotos, que no siempre resulta en catástrofe inmediata ni es muy rápido aunque en muchas carreteras o edificaciones de gran magnitud se presenta de manera constante por la fuerza que ejerce el peso de estas.
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Licuefacción del suelo Fuentes de información Biot, M. A. (1962). Mechanics of Deformation and Acoustic Propagation in Porous Media. 8 marzo 2014. De scitation.aip.org Sitio web: http://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=JAPIAU0000 33000004001482000001&idtype=cvips&gifs=yes Claudia Eugenia Giraldo Lopera. (1997). licuación del suelo. 29 enero 2014, de eia.edu Sitio web: http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/interesantes/licuacion/licuacion.htm J. M. Espíndola y Z. Jiménez (1994). Terremotos y ondas sísmicas una breve introducción. 7 marzo 2014, de lpi.tel.uva.es Sitio web: http://www.lpi.tel.uva.es/~nacho/docencia/ing_ond_1/trabajos_06_07/io3/public_ht ml/Ondas/Ondas.html Khaldoun, E. Eiser, G. H. Wegdam and Daniel Bonn Rheology (2005) Liquefaction of quicksand under stress" 'Nature'. 8 marzo 2014 de Nature.com Sitio Web: http://www.nature.com/nature/journal/v437/n7059/full/437635a.html
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