Determinación del Comportamiento de Licuación por Flujo de la

V Congreso Internacional de Ingeniería Civil, Universidad Santo Tomás Seccional Tunja
Determinación del Comportamiento de Licuación por
Flujo de la Arena del Depósito Cuaternario del
Municipio de Paipa Mediante Ensayos Triaxiales No
Drenados
Torres Rincón. Astrid Lorena. [email protected].
(Recibido: 25 de Junio de 2014; Aprobado: 04 de Julio de 2014)
Resumen— A lo largo de la historia, se han registrado eventos sísmicos catastróficos en diferentes lugares
del mundo, dejando como consecuencia pérdidas humanas y económicas, en algunas ocasiones, debido a
la ocurrencia del fenómeno de licuación en suelos granulares. La licuación es el proceso mediante el cual un
suelo saturado sin cohesión cambia de ser un material firme a comportarse como un material viscoso,
debido a la aplicación de cargas estáticas o dinámicas. Cuando el suelo entra en estado de licuación no
soporta una carga aplicada, produciéndose deslizamientos, flujos, hundimiento o inclinación de edificaciones,
entre otros.
Desde 1964, luego de ocurrido el sismo de Niigata (Japón), donde se evidenciaron graves daños a causa
de la licuación de suelos, se han realizado numerosos estudios sobre las causas y consecuencias de este
fenómeno. Sin embargo, aún existen muchas incógnitas por resolver sobre el comportamiento de suelos
granulares ante la aplicación una carga.
Se busca determinar parámetros importantes del comportamiento mecánico de licuación por flujo para la
arena del deposito cuaternario del municipio de Paipa, analizando el estado de falla monotónico no
drenado mediante la ejecución de ensayos de compresión triaxial a muestras construidas de acuerdo a
parámetros definidos.
Palabras clave— Arena, falla, licuación, monotónico, triaxial.
Abstract— Throughout history, there have been catastrophic seismic events in different parts of the world,
leaving as result human and economic losses, sometimes due to the occurrence of the liquefaction
phenomenon in granular soils. Liquefaction is the process whereby a saturated cohesionless soil changes
from a firm material to act like a viscous material due to the application of static or dynamic loading
material. When soil enters in liquefaction state, it not support a load, resulting slides, flows, subsidence or
tilting of buildings.
Since 1964, when happened the Niigata (Japan) earthquake, where severe damage from soil liquefaction
were evident, there have been numerous studies on the causes and consequences of this
phenomenon. However, there are still many unknowns concepts about the behavior of granular soils
before applying a load.
Looking for determine important parameters the mechanical behavior of flow liquefaction for sand
Quaternary deposit of Paipa, including the state of monotonic undrained failure by triaxial compression
tests on samples constructed according to defined parameters.
Keywords— Failure, liquefaction, monotonic, sand, triaxial.
I. INTRODUCCIÓN
En el campo de la ingeniería civil, el suelo es uno de los materiales más utilizados,
como material de construcción o como material de soporte de las estructuras
construidas. Se define como un material heterogéneo de agregados minerales no
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cementados, el cual de acuerdo a su composición, clasificación y propiedades presenta
diferente comportamiento ante la aplicación de una carga.
Uno de los principales temas de investigación en el campo de la geotecnia,
enmarcados dentro de la mecánica y la dinámica de suelos ha sido el estudio de sus
propiedades físicas y las condiciones bajo las cuales pierden significativamente su
resistencia, produciendo fallas que pueden ser significativas y generar pérdidas
importantes. En el caso de suelos no cohesivos como las arenas, uno de los
fenómenos principales que lleva a la falla del material es la licuación.
El estudio de los parámetros de licuación del suelo se inició dada la gravedad de los
daños presentados en sismos pasados, tales como el de México (1959), Chile (1960),
Alaska y Niigata (1964), entre otros. Arenas como la de Ottawa y Toyura, se
encuentran dentro de las arenas más estudiadas a nivel mundial; a nivel nacional, la
arena del Guamo es un material representativo de este tipo de estudios, la cual se ha
utilizado para determinar parámetros de licuación mediante ensayos de laboratorio y
para la elaboración de modelos constitutivos, de manera tal que se han determinado
parámetros importantes de este material.
Se plantea el análisis de los parámetros de licuación por flujo de la arena que conforma
el depósito cuaternario del municipio de Paipa (Boyacá), mediante la ejecución de
ensayos monotónicos de compresión Triaxial a muestras de arena en estado denso y
suelto, bajo diferentes presiones de confinamiento. Lo anterior con el fin de determinar
factores importantes que permitan evaluar el comportamiento de licuación por flujo del
material, mediante la determinación de los principales parámetros que llevan a estados
de esfuerzos críticos en el material. Estos elementos, aportan de manera significativa
dentro de la caracterización dinámica del material.
II. METODOLOGÍA
La fase experimental del proyecto se centra en la ejecución de los ensayos de
compresión triaxial de tipo consolidado no drenado (CU) tomando como referencia la
Norma ASTM D4767-04. Las etapas del ensayo son saturación, consolidación y falla,
sin permitir drenaje en la etapa de falla de la muestra y a una velocidad de aplicación
de carga media. En la figura I se presentan las etapas de la investigación.
Durante la etapa de saturación debe tenerse especial cuidado para evitar la presencia
de aire en la muestra. Mediante el cálculo del parámetro B de Skempton es posible
determinar el grado de saturación de la muestra, para un valor de B=1.0, se considera
que el material se encuentra totalmente saturado.
Finalizada la etapa de saturación de la muestra, se realiza la consolidación, mediante la
aplicación de una presión de cámara que marca el inicio de la trayectoria de esfuerzos.
La presión de cámara es aplicada permitiendo drenaje de la muestra hasta lograr su
consolidación. A continuación se da inicio a la etapa de falla de la muestra.
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FIGURA I.
ETAPAS DE LA INVESTIGACIÓN
Fuente: el autor.
III. EL FENÓMENO DE LICUACIÓN
El fenómeno de licuación es el proceso de perdida de resistencia del suelo al ser
sometido a una carga, “en campo es típicamente asociado con el aumento de presión
de poros que a su vez disminuye el esfuerzo efectivo principal, reduciendo la
resistencia al corte del suelo” (Andrade, 2009, p.673), debido a la tendencia de este
tipo de suelos a densificarse bajo la aplicación de una carga. El comportamiento del
suelo licuado se asemeja al de un fluido.
Se puede decir que se dio inicio al estudio del fenómeno de licuación, luego de la
ocurrencia de los terremotos de Alaska (Mw= 9,2) y Niigata Japón (Ms= 7,5) en el año
de 1964. Estos dos eventos, produjeron especial atención en los geotecnistas, debido a
los espectaculares casos de efectos dramáticos, provocados por licuación del suelo,
tales como fallas de taludes, fallas de edificaciones y puentes y flotación de estructuras.
El fenómeno de licuación se divide en licuación por flujo y movilidad cíclica.
A. Licuación por flujo: se presenta bajo la aplicación de una carga estática, cuando el
esfuerzo de corte requerido para el equilibrio estático del suelo es mayor que su fuerza
de corte en estado licuado. Las fallas de flujo por licuación son las más catastróficas y
se caracterizan por originarse repentinamente produciendo rápidos movimientos de
suelo, que presentan altas deformaciones y se movilizan a grandes distancias.
(Krammer, 1996, p. 349)
La academia de ciencia de los EEUU, define la licuación por flujo como la “condición
donde la masa de suelo puede deformarse continuamente bajo un esfuerzo de corte
menor o igual que el esfuerzo estático aplicado. El equilibrio es restaurado después de
enormes desplazamientos o fallas.” (National Research Council, 1985, p. 17)
La figura II muestra la trayectoria de esfuerzos típica de una arena sometida a
compresión triaxial no drenada bajo carga monotónica y cíclica. Sobre la línea
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punteada, que representa la resistencia última del suelo, se encuentra la zona
susceptible a desarrollar falla de flujo, dado que allí existe una fuerza de corte estático
inicial mayor a la resistencia última del suelo.
FIGURA II
TRAYECTORIA DE ESFUERZOS DE ARENA BAJO COMPRESIÓN TRIAXIAL.
Fuente: Asenjo, R. H. (2010).
B. Movilidad Cíclica: es otro fenómeno que hace referencia a la deformación progresiva
de suelos saturados bajo cargas cíclicas a una humedad constante, se produce cuando
el esfuerzo de corte estático es menor que la fuerza de corte del suelo licuado. En la
figura II, la zona susceptible a movilidad cíclica es la que se encuentra por debajo de la
resistencia ultima del suelo (línea punteada), para que se presente este fenómeno es
necesario imponer una carga cíclica, la cual en cada ciclo de carga genera un aumento
en la presión de poros y disminución en la presión de confinamiento, cuando ésta
disminuye hasta acercarse a cero, las trayectorias de esfuerzo se acercan a la línea de
transformación de fase y las deformaciones aumentan drásticamente.
III. ELEMENTOS QUE INFLUYEN EN LA LICUACIÓN DEL SUELO
A. Granulometría: las arenas mal gradadas y las arenas limpias presentan mayor
susceptibilidad a ser licuadas, a medida que el porcentaje de contenido de finos de un
suelo aumente, disminuye la susceptibilidad: “Cuando contenido de finos excede cierto
porcentaje (aproximadamente 20-30%), el comportamiento del suelo es completamente
gobernado por el contacto entre finos” (Chu, et al., 2002), es decir no son susceptibles
a licuación.
B. Densidad relativa: los suelos que presentan mayor susceptibilidad a la licuación son
los que tienen bajas densidades, ya que hay una mayor cantidad de espacios vacíos
que permitirían la reacomodación de las partículas de suelo cuando tiende a
densificarse, producto de la aplicación de una carga. Un mismo material puede no ser
susceptible a la licuación en estado denso, pero en estado suelto puede licuarse bajo la
aplicación de una carga cíclica o estática.
Materiales con valores altos de densidad relativa presentan menor susceptibilidad a la
licuación que materiales con valores menores, los cuales pueden desarrollar altas
presiones de poros bajo la aplicación de cargas, produciéndose altos valores de
deformación en el suelo.
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C. Historia de esfuerzos: los suelos normalmente consolidados presentan mayor
susceptibilidad a la licuación que los sobreconsolidados. Con respecto a la historia de
esfuerzos del suelo, el reglamento Colombiano de construcción sismo resistente
plantea que “suelos del Holoceno son más susceptibles que los del Pleistoceno y la
licuación de depósitos de edades anteriores no es común” (NSR-10, 2010, p. H-36).
D. Nivel freático: la presencia de agua en el suelo es fundamental para que ocurra el
fenómeno de licuación ya que el aumento en la presión de poros del suelo, producido
por la aplicación de una carga cíclica o estática, es el detonante en la ocurrencia de
este fenómeno. (Delgado, 2011)
IV. SUSCEPTIBILIDAD DE LOS SUELOS A LA LICUACIÓN
Los suelos granulares son los más susceptibles a presentar licuación, sin embargo este
fenómeno también puede presentarse en suelos con contenido de finos, es decir
arcillas y limos. Para determinar la amenaza de licuación de un suelo es necesario
estudiar ciertos factores que influyen en la susceptibilidad del suelo a ser licuado, con
este fin, Kramer (1996) define cuatro criterios a evaluar.
Los dos primeros hacen referencia a la historia sísmica y la geología del sitio. Existe
cierta relación entre la distancia, epicentro y la magnitud del sismo con la
susceptibilidad a licuación del depósito, lo cual se ha definido como criterio histórico. El
criterio geológico define como factores que influyen en la susceptibilidad a licuación de
un suelo, el ambiente de posicional e hidrológico y la edad del depósito de suelo.
Un tercer criterio es el composicional, en el cual se tienen en cuenta características del
suelo que incluyen tamaño de partícula, forma y gradación. Se han definido criterios
composicionales para evaluar la susceptibilidad del suelo que definen límites de
porcentaje de fracción de finos, limite líquido, humedad natural e índice de liquidez.
Kramer (1996) define el criterio de estado, que hace referencia al estado inicial del
suelo, es decir a las características de esfuerzo y densidad al momento de recibir la
carga aplicada, estas influyen altamente de la generación de exceso de presión de
poros en el suelo.
V. LICUACIÓN DE ARENA BAJO CARGA MONOTÓNICA
El estudio de la licuación monotónica o estática ha contribuido a la comprensión de la
licuación sísmica inducida, identificando las condiciones de esfuerzo efectivo bajo las
cuales inicia el fenómeno de licuación. Los siguientes son algunos de los parámetros
que enmarcan el comportamiento mecánico de las arenas bajo carga monotónica:
A. Relación de vacíos crítica: es la relación de vacíos en la cual dos muestras de suelo,
en estado denso y suelto, sometidas a grandes deformaciones se acercan a la misma
densidad y la resistencia al corte continúa siendo constante. Como se muestra en la
figura III, las muestras de arena suelta, que tienden a densificarse durante el corte y las
muestras de arena densa, que primero se contraen y luego se empiezan a dilatar,
alcanzan un mismo estado de esfuerzos cuando llegan a la relación de vacíos critica.
(Kramer, 1996)
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FIGURA III.
RELACIÓN DE VACÍOS CRÍTICA
Fuente: Kramer, S. (1996).
B. Parámetro de estado: es la diferencia entre la relación de vacíos de un suelo
ensayado y la relación de vacíos de la línea de estado estable a una misma presión de
confinamiento. El parámetro de estado es utilizado para identificar si un suelo es
susceptible a licuación por flujo. Cuando el parámetro de estado es positivo, el suelo
presenta un comportamiento contractivo y puede ser susceptible a licuación, cuando es
negativo, su comportamiento es dilatante y no es susceptible a licuación. (Kramer,
1996)
C. Estado crítico: es la condición que presenta una muestra de arena cuando, al
cortarse de manera continua, fluye sin presentar cambios de volumen o esfuerzo. El
estado crítico es alcanzado solo a altas deformaciones y gobierna la respuesta del
suelo licuado. Su comportamiento se describe por la línea de estado critico (CSL),
también denominada línea de falla, la cual es determinada mediante ensayos drenados
y representa todas las posibles combinaciones de relación de vacíos y presión de
confinamiento para un suelo en el estado crítico; es usada para identificar las
condiciones en las cuales un suelo puede o no ser susceptible a licuación por flujo
(Idriss, et al., 2008, p. 11).
D. Transformación de fase: marca la transición de la tendencia contractiva de la
muestra a una tendencia dilatante, la unión de los puntos de transformación de fase
para un mismo suelo, bajo diferentes presiones de confinamiento efectivo, marca la
línea de transformación de fase (PTL). “Cuando la muestra alcanza la línea de
transformación de fase, las tendencias de dilatancia toman el control y la ruta de
esfuerzo sigue la falla de la arena” (Georgiannou et al., 2008, p. 113-124). La línea de
transformación de fase se determina mediante ensayos no drenados, es asociada con
el valor mínimo esfuerzo efectivo (p’).
En la figura IV se presenta el comportamiento de la trayectoria de esfuerzos de la arena
de Fontainebleau, obtenida mediante ensayos no drenados de Hollow Cylinder Test. En
esta se puede observar claramente la conformación de la línea de transformación de
fase del suelo ensayado, producto de la unión de los puntos de transformación de fase
obtenidos para muestras con diferentes presiones de confinamiento efectivo.
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FIGURA IV.
TRAYECTORIA DE ESFUERZO EFECTIVO NO DRENADA DE ARENA DE FOINTAINBLEAU.
Fuente: Georgiannou V. N., et al. (2008)
E. Estado cuasiestable (QSS): corresponde al estado del suelo en el cual el esfuerzo
desviador (q) alcanza el menor valor durante el corte no drenado. El estado
cuasiestable y el punto de transformación de fase de un suelo se alcanzan al obtener
valores de resistencia al corte muy similares y como se observa en la figura V (a), en la
trayectoria de esfuerzos, corresponden a dos puntos muy cercanos. Sin embargo, estos
son dos estados del suelo distintos, los cuales se alcanzan a diferentes valores de
deformación axial, como se muestra en la figura V (b). “El estado cuasiestable se
asocia comúnmente con el estado de transformación de fase. La diferencia entre las
fuerzas de corte y el esfuerzo principal efectivo, comúnmente no exceden el 4% y 10%,
respectivamente.” (Murthy, 2007, p. 284)
FIGURA V.
COMPORTAMIENTO TÍPICO DE ARENA BAJO CARGA MONOTÓNICA.
(a)
(b)
Fuente: Murthy, T.G., et al. (2007).
F. Inestabilidad: hace referencia a una deformación descontrolada que ocurre debido a
que la muestra no es capaz de soportar la carga aplicada. Luego del inicio de la
inestabilidad el suelo puede colapsar o fluir súbitamente. El estado de inestabilidad no
drenada tiene una gran importancia debido a que marca el inicio de la licuación. En la
figura VI, se observa la manera en la cual se presenta la inestabilidad en una arena
suelta. El esfuerzo desviador, q, alcanza un valor máximo marcando un pico (Punto A),
bajo la carga del pico, se presenta la inestabilidad en forma de deformación
descontrolada (Punto B), donde se observa un incremento súbito en la deformación
axial y presión de poros del elemento. (Chu et al., 2001, p. 314)
La línea de inestabilidad, obtenida mediante ensayos no drenados, conecta los picos
de las rutas de esfuerzo efectivo de un suelo bajo diferentes presiones de
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confinamiento y el origen, la pendiente es menor que la de la línea de transformación
de fase y se presenta aproximadamente para el 0,5% de la deformación axial. En la
figura VI, se observa la construcción de la línea de inestabilidad para muestras de
arena de Fointainbleau.
FIGURA VI.
INESTABILIDAD EN ARENA SUELTA.
Fuente: de Chu, J. y Leong, W.K. (2001).
Según Chu y Leong (2001), la línea de inestabilidad no es única, presenta variación con
la relación de vacíos de la arena y se ve afectada por el esfuerzo efectivo aplicado. A
medida que aumenta la relación de vacíos, la pendiente de la línea de inestabilidad es
menor, la línea más alta de inestabilidad se encuentra muy cerca de la línea de estado
crítico.
De otro lado, Poul Lade et al. (1993) aplican los postulados de estabilidad de Drucker y
Hill para metal sólido a materiales granulares, los cuales presentan flujo no asociado,
encontrando que el material puede ser inestable cuando está expuesto a ciertas
trayectorias de esfuerzo dentro de la superficie de falla.
Para esto, se realizaron series de ensayos triaxiales bajo esfuerzo controlado, en
muestras de arena que se dilatan durante el corte, saturadas y parcialmente saturadas
bajo condiciones drenadas y no drenadas, con el fin de estudiar las regiones de
comportamiento estable e inestable. Se utilizó arena fina para evitar problemas por
penetración de la membrana, ya que “La penetración de la membrana en suelos es
pequeña a despreciable cuando el promedio del diámetro de los suelos es menor de
0.1-0.2 mm” (Frydman, 1993).
Los suelos completamente saturados que tienden a comprimirse durante el corte,
pueden convertirse en inestables dentro de la superficie de falla y esto puede producir
licuación. La inestabilidad se desarrolla durante el incremento de la presión de poros.
Sin embargo, bajo condiciones completamente drenadas no pueden ocurrir
comportamientos inestables.
Asi mismo, J.E. Andrade (2009) presenta criterios de inestabilidad por licuación de la
arena basado en leyes físicas, con el objetivo de detectar el inicio del flujo por licuación
dentro del marco de la inestabilidad del material. Con este fin, se realizaron dos series
de ensayos de compresión triaxial no drenada, bajo la suposición de que las muestras
se comportan de manera homogénea o como un elemento.
Para la primera serie de ensayos, manteniendo relación de vacíos constante, se
muestra que la inestabilidad por licuación, ocurre cuando hay un incremento inicial en el
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esfuerzo desviador, se presenta un pico en la trayectoria de esfuerzo seguido por altas
deformaciones y un repentino flujo hacia la línea de estado crítico. Con respecto a la
segunda serie de ensayos, bajo la condición de presión de consolidación constante, se
obtiene que en muestras contractivas, al llegar a estados de esfuerzos que llevan a la
pérdida de control, se presentan grandes deformaciones acompañadas por grandes
presiones poros y posteriormente la falla.
Chu y Leong (2001) diferencian dos tipos de comportamiento que se presentan antes
del estado de falla, dada la inhabilidad de la muestra de sostener una carga: la prefalla
por ablandamiento, que ocurre cuando la carga axial se aplica bajo condiciones de
deformación controlada y la prefalla por inestabilidad, que se presenta bajo condiciones
de carga controlada.
En el caso de la prefalla por ablandamiento, la trayectoria de esfuerzo efectivo se
incrementa a un pico y se presenta un aumento de la los valores registrados de
deformación axial y presión de poros. La ocurrencia de la prefalla por inestabilidad se
afecta por factores como el incremento de la relación de esfuerzo impuesta, la relación
de vacíos del suelo y la relación de esfuerzo efectivo inicial. Sin embargo, para que
ocurra inestabilidad, se requiere una perturbación, tal como el incremento en la presión
de poros.
Tras el inicio de la inestabilidad, la muestra puede colapsar o fluir súbitamente,
mientras que al inicio del ablandamiento la muestra puede no colapsar y el esfuerzo
desviador reducirse gradualmente. La ocurrencia de ablandamiento es necesaria pero
no suficiente para que ocurra inestabilidad y la inestabilidad es suficiente pero no
necesaria para que ocurra ablandamiento. Para que ocurra inestabilidad es necesario
que se cumplan otras condiciones como la carga controlada y la perturbación.
Para determinar la inestabilidad, S. L. Yang et al. (2006), realizaron ensayos triaxiales a
mezclas de arena con diferentes contenidos de limo no plástico, preparadas mediante
el método de apisonamiento húmedo. La pendiente de las líneas de inestabilidad
aumenta con la densidad relativa del suelo y esta se aproxima a la pendiente de la
línea de falla para altos valores de densidad relativa.
Los suelos granulares pueden permanecer inestables antes de alcanzar el estado de
esfuerzos de falla para diferentes condiciones de carga. Esta inestabilidad se refiere al
comportamiento en el cual se genera rápidamente un esfuerzo plástico debido a la
inestabilidad del suelo para resistir una carga o al comportamiento en el cual el exceso
de presión de poros se genera rápidamente y el esfuerzo de corte decrece en ensayos
triaxiales bajo carga no drenada y esfuerzo controlado.
Por otro lado, Chu y Leong (2002) estudiaron la influencia de los finos en el
comportamiento inestable de la arena. Hasta un porcentaje dado de contenido de finos,
estos solo ocupan el espacio vacío y el comportamiento ingenieril de la arena limosa no
se ve afectado. La relación de esfuerzos de la línea de inestabilidad y la relación de
vacíos intergranular determinada para arena limpia puede ser utilizada para arena
limosa o viceversa, hasta cierto límite de contenido de finos (aproximadamente 2030%), a partir del cual el comportamiento del suelo empieza a ser gobernado por los
finos.
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VI.
DETERMINACIÓN DEL POTENCIAL DE LICUACIÓN DEL SUELO
Los métodos para determinar la susceptibilidad de licuación del suelo se pueden
clasificar principalmente en: métodos empíricos o de campo, métodos simplificados y
métodos de análisis basados en el cálculo de la respuesta del terreno (Díaz, 2005, p.
312). Se han postulado distintos métodos simplificados y analíticos basados en
pruebas in situ y ensayos de laboratorio como penetración estándar (SPT), penetración
con cono (CPT), velocidad de ondas de corte, compresión triaxial monotónica y ciclica,
entre otros.
Verdugo e Ishihara (1996) proponen un método para determinar la vulnerabilidad del
suelo a la licuación, teniendo en cuenta características de las partículas de suelo como
la forma, distribución, dureza, contenido de finos y su plasticidad. Estos factores se
reflejan en la ubicación de la línea de estado estable y en la posición de las curvas de
consolidación para estado denso y suelto. Al graficar estas tres líneas (figura VII), se
definen dos zonas, la contractante (Ac) y la dilatante (Ad).
Para determinar el potencial de licuación de un suelo se hace necesario determinar el
área de la zona dilatante y de la zona contractiva, mediante la expresión Ac/(Ac+Ad).
De esta manera, a medida que aumenta Ac, la vulnerabilidad a la licuación es mayor.
FIGURA VII.
ZONAS CONTRACTANTE Y DILATANTE DEL SUELO.
Fuente: Verdugo, R.; Ishihara, K. (1996).
VII. RESPUESTA DE LA ARENA BAJO CARGA MONOTÓNICA
Para determinar la respuesta de la arena bajo carga monotónica, Murthy et al (2007)
evaluaron la respuesta no drenada de arena limpia y con distintos contenidos de limo
no plástico, mediante ensayos triaxiales monotónicos no drenados bajo condición de
deformación controlada en arena de Ottawa.
Las muestras de arena se acercan a la línea de estado crítico independientemente de
su estado inicial, aunque algunas muestras sueltas mostraron tendencia a dilatación a
grandes deformaciones, se consideró el estado final de las pruebas como estado
crítico.
Otras muestras con bajas densidades relativas, no alcanzaron el estado crítico y
mostraron respuesta dilatante después de la fase de transformación.
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Al incrementar el contenido de finos se produce un desplazamiento de la línea de
estado crítico hacia abajo y un incremento del ángulo de fricción de estado crítico; la
relación de esfuerzos del estado de transformación de fase decrece con la disminución
del parámetro de estado. Al aumentar la densidad de la arena, incrementa la
deformación por corte en el estado de inestabilidad no drenado de la arena.
De otro lado, Georgiannou et al. (2008) realizaron ensayos de triaxial verdadero
(Hollow Cylinder Test) para evaluar la respuesta cíclica y monotónica bajo carga
torsional de la arena de Fortainebleau, que es una arena usada ampliamente en la
modelización de problemas geotécnicos. Los autores investigaron características de
esfuerzo, deformación y rigidez de la arena a diferentes densidades, para evaluar las
condiciones requeridas para desencadenar inestabilidad en las muestras.
Haciendo una comparación entre la respuesta de muestras de arena con
características similares, bajo carga monotónica y bajo carga cíclica no drenada. Como
se observa en la figura VIII, se encontró que en el primer cuarto del primer ciclo de
carga la ruta de esfuerzo cíclico es similar a la de la carga monotónica, después de
esto no coinciden.
Durante la ruta de esfuerzo de la carga cíclica, para muestras sueltas, la inestabilidad
se produce al alcanzar la línea de inestabilidad definida en el ensayo monotónico y para
muestras densas, se produce al alcanzar la línea de transformación de fase, también
definida en el ensayo monotónico.
FIGURA VIII.
RESPUESTA DE LA ARENA BAJO CARGA MONOTÓNICA Y CÍCLICA.
Fuente: Georgiannou V., et al (2008), p.118.
La arena bajo carga monotónica no drenada muestra respuesta inestable a pequeñas
deformaciones manifestado por un rápido descenso de un valor pico a un valor mínimo,
presenta tendencias dilatantes después de la fase de transformación; bajo carga
drenada presenta comportamiento contractivo para deformaciones bajas seguido por
un comportamiento dilatante. El ángulo de resistencia al corte movilizado en la fase de
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transformación o de estado característico no se ve afectado por las condiciones de
drenaje y es mayor para pruebas drenadas.
VIII. ESTUDIOS DE COMPORTAMIENTO DE LA ARENA EN COLOMBIA
Dentro de los estudios realizados a nivel nacional, se encuentra el desarrollado por
Solaque Guzmán (2008), quien mediante ensayos triaxiales no drenados determino el
ángulo de fricción crítico de la arena del Guamo y realizo una comparación con los
resultados obtenidos para el ángulo de fricción en reposo. El estado crítico es la fase
en la que el material se deforma indefinidamente sin presentarse cambios en el
esfuerzo efectivo aplicado y en el volumen, el suelo alcanza el estado crítico a una
deformación mayor al 10% donde el movimiento de los granos básicamente es
rotacional.
Por otro lado, Patiño (2006) determino los parámetros hipoplasticos de la arena del
Guamo mediante ensayos edometricos y triaxiales bajo condiciones drenadas. Los
ensayos triaxiales fueron realizados a muestras de arena saturada y seca con
diferentes presiones de confinamiento y relación de vacíos inicial. En la figura IX se
presenta una comparación de los resultados de ensayos triaxiales ejecutados a
muestras de arena del Guamo, con la misma densidad relativa y relación de vacíos
inicial, bajo diferentes presiones de confinamiento. Se puede observar que a mayor
presión de confinamiento, mayor es el valor alcanzado de q.
FIGURA IX.
ENSAYOS TRIAXIALES A LA ARENA DEL GUAMO
Fuente: Patiño, J. C. (2006).
Para la arena del Guamo, el ángulo de fricción crítico obtenido mediante ensayos
triaxiales drenados se puede aproximar al ángulo de reposo del material. La
hipoplasticidad reproduce adecuadamente las condiciones de dilatancía y contractancia
de la arena del Guamo, ya que no se presenta ninguna diferencia entre deformaciones
plásticas y elásticas.
Así mismo, Arias García (2006) propone una metodología para determinar los
parámetros hipoplasticos de la arena del Guamo y presenta un modelo que simula su
comportamiento no lineal, partiendo de que los materiales granulares son inelásticos y
de comportamiento no lineal.
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A su vez, Gómez Vergara (2010), mediante la ejecución de una serie de ensayos
triaxiales monotónicos, bajo condición no drenada, realiza una caracterización de la
arena del Guamo y además presenta una descripción detallada de dos metodologías
para la preparación de la muestra: sedimentación en agua y apisonamiento húmedo.
Se realizaron ensayos triaxiales a muestras densas y sueltas preparadas mediante el
método de sedimentación en agua y a muestras densas utilizando el método de
apisonamiento húmedo, bajo diferentes presiones de confinamiento inicial. Como
resultado se presentó el efecto de barotropía, llegando a la misma conclusión de
Patiño: a medida que aumenta la presión de confinamiento, aumenta el esfuerzo
desviador (q).
En la figura X se grafica el comportamiento presentado por las muestras de arena del
Guamo en el plano -. Las muestras en estado suelto presentan inicialmente una
tendencia contractante hasta llegar a un pico en la presión de poros, donde se presenta
un cambio a una tendencia dilatante hasta llegar a un valor relativamente constante.
Por el contrario las muestras en estado denso presentan una tendencia dilatante hasta
llegar a un valor mínimo de presión de poros y luego de este la tendencia es
contractante. El cambio en la pendiente, para muestras densas y sueltas, coincide con
el punto en el que se presenta un cambio de fase.
FIGURA X.
PLANO -  PARA MUESTRAS DE ARENA DEL GUAMO.
Fuente: Gómez, E. J. (2010).
Los parámetros del modelo hipoplastico para la arena del Guamo son también
determinados por De La Rosa (2011) utilizando el modelo de Wolffersdorff, mediante la
ejecución de ensayos triaxiales drenados y no drenados a muestras preparadas con el
método de apisonamiento húmedo.
Finalmente, Jiménez (2011) determino el comportamiento de licuación por flujo de la
arena del Guamo mediante la ejecución de ensayos triaxiales no drenados, analizando
el estado de falla monotónica de la arena. Para este fin se fallaron 20 muestras con
gradación uniforme, variando la densidad relativa.
Se encontró semejanza en el comportamiento que presento el material con respecto a
las teorías evaluadas; se determinó que la arena del Guamo presenta una
vulnerabilidad a la licuación de grado bajo, encontrándose flujo por licuación para
muestras con bajas presiones de confinamiento y densidades relativas menores de
25%.
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V Congreso Internacional de Ingeniería Civil, Universidad Santo Tomás Seccional Tunja
IX. CONCLUSIONES
Desde el punto de vista experimental, se han desarrollado numerosas
investigaciones, con el fin de determinar parámetros de licuación de diferentes
parámetros de suelo, mediante ensayos de laboratorio como ensayo de compresión
triaxial (bajo carga monotónica y cíclica), corte simple cíclico, mesa vibratoria, entre
otros y ensayos de campo, tales como ensayo de penetración estándar (SPT), ensayo
de penetración con cono (CPT), dilatómetro (DMT). Se ha determinado la influencia de
las propiedades del suelo en la susceptibilidad a la licuación y numerosas correlaciones
para su determinación
El fenómeno de licuación es aún muy complejo y no es claro en su totalidad. Hasta
el año 2004 se asociaba solamente con los suelos granulares (arenas y gravas), a
partir de este año, se ha encontrado que la licuación puede ocurrir también en suelos
con contenido de finos que presentan ciertas características. Además se ha encontrado
que la licuación no solo se presenta cuando el suelo es sometido a carga cíclica, sino
que también puede ocurrir bajo la aplicación de una carga estática o monotónica.
Para el análisis del comportamiento de licuación por flujo en suelos arenosos, se
debe realizar el análisis del comportamiento no drenado, teniendo en cuenta que en
este, se presenta un aumento de exceso de presión de poros, produciendo una
reducción de los esfuerzos efectivos del suelo, principio fundamental del fenómeno de
licuación que puede llegar a producir el colapso de la estructura o la generación de
asentamientos importantes.
La presión de confinamiento, estructura general del suelo, relación de vacíos,
presencia de aire, método de preparación de la muestra, entre otros, son factores
determinantes en el estudio del comportamiento de las arenas.
Al graficar la trayectoria de esfuerzos q – p’, para un material suelto con baja presión
de confinamiento, se desarrollan una serie de estados: estado crítico (SC), estado de
transformación de fase (PTS), estado cuasi-estable (QSS) y el estado inestable no
drenado (UIS). En el plano e - p’, localizando los estados obtenidos para el material con
diferentes valores de densidad relativa, es posible evaluar la línea del estado crítico
(CSL) y la línea de transformación de fase (PTL), las cuales dependen del
confinamiento de la muestra en el la etapa de falla.
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