Síntesis tecnológica - ESTIMACIÓN DE LA HISTORIA DE PRECARGA CÍCLICA DE UN SUELO, CON AYUDA DEL POTENCIAL DE LICUACIÓN
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Síntesis tecnológica

ISSN 0718-025X versión impresa
 
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  Sínt. tecnol. n.1 Valdivia nov. 2004




L. Collarte et al. Síntesis Tecnológica. N° 1 (2004) 24-35
DOI:10.4206/sint.tecnol.2004.n1-05

 

ESTIMACIÓN DE LA HISTORIA DE PRECARGA CÍCLICA DE UN SUELO, CON AYUDA DEL POTENCIAL DE LICUACIÓN

 

LUIS COLLARTE CONCHA
MAURO ESTEBAN POBLETE FREIRE

Instituto de Obras Civiles, UACh, M.Sc. en Eng Civil, lcollart@uach.cl, Casilla 561, Valdivia, Chile.
Instituto de Obras Civiles, UACh, Ingeniero Civil en Obras Civiles, mepf@123.cl, Alonso Villanueva 3294, Valdivia, Chile.


Resumen

El presente trabajo consiste en la realización de ensayos triaxiales cíclicos en suelos saturados con baja densidad, para diferentes amplitudes de carga. Este trabajo se enmarca dentro de un problema mayor que consiste en establecer una correlación entre los ensayos realizados en laboratorio y los realizados in-situ, por lo dificultoso que resulta realizar estos últimos en suelos con estas características. Se realizan ensayos con y sin precarga cíclica para ver la influencia de este factor en el comportamiento que presentan las muestras al ser sometidas a un ensayo a la licuación.

Palabras claves: ensayo triaxial, licuación, precarga cíclica, presión de poros, sismo, tensión de corte.


Abstract

This work is concerned with cyclical triaxial laboratory testing of low density saturated sandy soil under different load amplitudes. This work fits into the overall goal of establishing a correlation between laboratory test and in-situ test because sample taking in such soils is not practical. Laboratory test whit and without cyclical preload up to liquefaction are reported.


 

1. INTRODUCCIÓN

El presente trabajo surge con el interés de investigar la problemática existente en el planteamiento del estado inicial de un suelo sometido a una carga cíclica.

Esto es un problema debido a lo complejo que es la toma de muestras inalteradas en suelos arenosos saturados y con baja densidad. Debido a ello se torna importante el establecer correlaciones entre los ensayos realizados in-situ y los realizados con muestras frescas preparadas en laboratorio.

La diferencia radica en que las muestras inalteradas de suelo poseen una historia de precarga cíclica que no tiene una muestra fresca preparada en laboratorio.

Por lo tanto el problema consiste en encontrar, dentro de los objetivos y alcances del presente trabajo, una correlación que haga posible la utilización de muestras frescas preparadas en laboratorio, utilizando para ello el potencial que posee un suelo a licuar al ser sometido a cargas cíclicas.

Para solucionar el problema se han realizado ensayos de laboratorio en muestras de arena utilizando un equipo triaxial cíclico.

Para ello se realizan en una primera etapa ensayos triaxiales cíclicos no drenados sobre las muestras de arena sin precarga cíclica previa.

La segunda etapa es realizar los mismos ensayos, pero con una precarga cíclica drenada. Los ciclos de precarga, como la amplitud de precarga se varían para ver la influencia de dichos factores.

Para finalizar se comparan los resultados obtenidos bajo las diferentes estados de precarga, siempre teniendo como parámetro el potencial de licuación.

Se busca encontrar como afectan a las muestras ensayadas, los ciclos de precarga drenada a la que fueron sometidas y establecer una relación entre ellos.

Los ensayos se realizaron en el laboratorio de dinámica de suelos de la Ruhr Universität, en la ciudad de Bochum, Alemania.

2. DEFINICIONES

2.1 Mecánica De Suelos

La tensión total en un depósito de suelo saturado, a una profundidad determinada, corresponde a la suma entre la tensión efectiva y la presión de poros de dicho depósito (1)

σTot = σ' + e      (1)

La tensión efectiva corresponde a las fuerzas de contacto entre las partículas de suelo y la presión de poros es la que se desarrolla en el agua que rellena los vacíos entre las partículas del suelo que se encuentra saturado.

En un depósito de suelo se definen las tensiones verticales (σ1) y las horizontales (σ2 y σ3), para un estado tridimensional de tensiones. Entonces se pueden definir los valores p (tensión media) y q (tensión desviadora) como se muestra en las formulas (2) y (3).

 

 
σ1+ σ2+ σ3
 
p =
          (2)
 
3
 

     

q = σ1 - σ3       (3)

 

Los valores p-q serán muy útiles en el análisis de los resultados posteriormente.

2.2 Para el ensayo triaxial.

En la figura 2.1 se observa el estado de tensiones y de deformaciones para una muestra de suelo.

 

 
Figura 2.1. Estado de tensiones y de deformaciones.

 

Aquí σ1 es la tensión vertical y σ2 y σ3 son las tensiones horizontales aplicadas. Estas tensiones se definen positivas en la dirección indicada en la figura. De la misma manera e1 es la deformación unitaria vertical, ξ2 y ξ3 las horizontales. Los valores positivos de la deformación unitaria indican compresión de la muestra en la dirección indicada en la figura.

Para el ensayo triaxial tenemos que:

σ2= σ3         (4)

ξ2 = ξ3      (5)

Con lo anterior podemos escribir la formula 2 como sigue:

 
1
 
p =
 ( σ1+ 2σ3 )     (6)
 
3
 

     

La figura 2.2 muestra el estado de tensiones para un ensayo triaxial cíclico en el diagrama p-q.

Antes de iniciarse la carga cíclica la muestra se encuentra en un estado inicial de tensiones p-q. Este estado será modificado debido al desviador de tensiones aplicado (Δq) con una amplitud Δσ1. Con esto se alcanza un estado de tensiones máximo (pmax,qmax) y mínimo (pmin,qmin).

 

 
Figura 2.2. Estado de tensiones para un ensayo triaxial cíclico en diagrama p-q.

 

En la figura 2.2 también se muestran las líneas críticas de frontera con pendientes M, tanto para compresión (Mc) como para extensión (Me). Estas pendientes son función del ángulo de fricción interna propio de la arena (que se puede obtener del ensayo de cono de arena). En tal caso se encuentran dos ángulos, el crítico (φc) y el máximo (φp). Dichas pendientes pueden definirse como sigue:

 

    Mc =     6Senφ           (7)
3 - Senφ

    Me =     6Senφ           (8)
3 + Senφ

 

Por último η es la razón de tensiones que se define como:

    η = q    (9)
  p

 

3. BASE TEÓRICA

3.1 ¿Que es la licuación de Suelos?

La licuación es un fenómeno en el cual la resistencia del suelo se ve reducida debido a movimientos sísmicos o de otros tipos de carga cíclica. La licuación y los fenómenos relacionados con ella han sido los responsables de daños catastróficos en terremotos históricos alrededor del mundo.

La licuación ocurre en suelos saturados, es decir, suelos en los cuales el espacio entre las partículas esta totalmente lleno de agua. Antes de un terremoto, la presión de poros, es relativamente baja. Sin embargo, el movimiento sísmico puede producir que la presión de poros aumente al punto en que las partículas del suelo pueden moverse fácilmente unas con respecto a otras.

Según Gonzalo Castro (1975) el término licuación se usa para referirse al grupo de fenómenos que se desarrollan en arenas saturadas con una alta presión de poros bajo cargas tanto estáticas como dinámicas en una condición de volumen constante.

Generalmente son los sismos son los responsables de accionar este aumento en la presión de poros, pero las actividades relacionadas con la construcción tales como explosiones, construcción de trenes subterráneos, pueden también causar movimientos cíclicos que conllevan un aumento en la presión de poros.

Cuando ocurre la licuación, la resistencia del suelo disminuye y con ello su capacidad de soporte, lo que pone en serio riesgo la estabilidad de estructuras como edificios y puentes.

Un claro ejemplo de esto se puede observar en la foto 3.1 de un complejo de edificios que literalmente se volcó durante el terremoto de Niigata en 1964.

3.2 Investigación del potencial de licuación en laboratorio.

Los primeros métodos utilizados para evaluar el potencial de licuación se basan en pruebas de laboratorio. Las pruebas de laboratorio para los propósitos de evaluar la licuación fueron desarrolladas para investigar la resistencia a la licuación de suelos arenosos bajo cargas cíclicas.

Para simular las condiciones esperadas en terreno, las tensiones de corte cíclicas (la aplicación de tensiones de corte) se realizarán mediante el ensayo triaxial cíclico.

3.3 Ensayo Triaxial Cíclico.

Los ensayos triaxiales cíclicos procuran modelar las cargas aplicadas por un terremoto a una masa de suelo. Hay varias diferencias entre las cargas aplicadas el in situ y las aplicadas a una muestra mediante un ensayo triaxial cíclico.

 

 
Foto 3.1. Un Grupo de edificios volcados producto de la perdida en la capacidad de soporte de sus fundaciones producida por la licuación del terreno. Niigata 1964.

 

Además, numerosos factores pueden afectar la resistencia a la licuación desarrollada por una muestra triaxial cíclica y hacer que difiera de la que se pudo desarrollar in situ. Éstos incluyen el método de preparación de la muestra, su densidad relativa, el tamaño de las partículas y la graduación del suelo, el tamaño de la muestra, la relación entre las tensiones principales durante la consolidación, la forma de la función de carga aplicada, la frecuencia de la función de la carga, y el grado de saturación en la muestra.

 

 
Figura 3.2. Desarrollo de la presión de poros y la tensión efectiva vertical y lateral durante la carga cíclica.

 

La resistencia a la licuación o la resistencia cíclica de un suelo se miden a menudo en laboratorio usando muestras reconstituidas y probándolas mediante ensayos triaxiales cíclicos.

La muestra se deposita dentro de una membrana de látex dentro de la celda triaxial, se satura, se consolida con una cierta condición de tensiones y después se carga con una tensión desviadora. Como el desviador de carga completa un ciclo entre la compresión y la tracción, aumenta la presión de poros en la muestra por lo que la tensión efectiva disminuye. Se dice entonces que el espécimen ha licuado, cuando la presión de poros llega a ser igual a la tensión total (es decir cuando la tensión efectiva en el espécimen es cero). Lo anterior se puede observar en la figura 3.2

Existen algunas diferencias entre la manera en que las tensiones son aplicadas a un elemento del suelo in situ y la manera en que las cuales se aplican en un ensayo triaxial cíclico.

Seed y Lee (1966) señalan que las tensiones de corte que afectan a un elemento del suelo in situ bajo el nivel del terreno a una profundidad determinada, están compuestas de tensiones de corte horizontales en ambas direcciones que actúan sobre planos horizontales (figura 3.3 b y c) conjuntamente con una tensión vertical constante (figura 3.3 a).

 

 
Figura 3.3. Condición idealizada para un elemento de suelo in situ durante un sismo a una profundidad determinada.

 

Los ensayos triaxiales cíclicos procuran modelar este estado de tensiones aplicando un desviador de tensiones cíclico sobre la muestra mientras que se mantiene una presión constante que confina la muestra.

Las tensiones que se presentan en un plano inclinado en 45 grados al eje de la muestra son similares a las tensiones que actúan en un plano horizontal in situ como se muestra en la figura 3.4.

 

 
Figura 3.4. Estado de tensiones normales y de corte para un plano x-x en 45° con la horizontal en una muestra triaxial.

 

3.4 Caracterización de la carga

El nivel al cual llega el aumento de la presión de poros, y además el inicio de la licuación, se relacionan con la amplitud y la duración de la carga solicitante. Los terremotos producen ondas que se propagan a través de la corteza terrestre, y por consiguiente, a través del depósito de suelo. La amplitud de dichas ondas se relaciona con la severidad del sismo; por lo tanto, es razonable expresar la carga sísmica en términos de las tensiones de corte cíclicas. La carga se puede obtener directamente si se conoce la historia de tensiones de corte en el tiempo, la cual se puede predecir utilizando una aproximación simplificada que se presenta a continuación.

La carga se expresa en términos del índice cíclico de tensiones (cyclic stress ratio CSR), definido por:

    

  Tcyc  
CSR =
     (10)
  σ'vo  

    

donde Tcyc es la tensión de corte cíclica y σ'vo es la tensión efectiva vertical inicial en la profundidad de interés.

Comparar las cargas inducidas por el sismo con la resistencia determinada de los ensayos de laboratorio requiere: 1) someter las muestras de laboratorio exactamente a la misma historia de tensiones cíclicas no uniforme que se espera en terreno, o 2) convertir una historia de tensiones de corte cíclica irregular en el tiempo en una serie equivalente uniforme, Neq.

El primer método tiene la desventaja de que si se van a considerar más de un sismo, se requieren muchas pruebas diversas de laboratorio. Además, el equipo de prueba especial para aplicar patrones programados de la tensión es algo costoso. Por lo tanto, el segundo método se utiliza más a menudo ya que un solo sistema de datos del ensayo de laboratorio se puede utilizar para evaluar muchos patrones de las tensiones que se presentan in situ, y se requiere un dispositivo de carga más simple en el laboratorio.

Los datos del laboratorio de los cuales la resistencia a la licuación puede ser estimada se obtienen comúnmente de las pruebas en las cuales las tensiones de corte cíclicas tienen amplitudes uniformes. Esta conversión se requiere para aproximar la duración de la carga esperada en terreno, que alternadamente se relaciona con la magnitud del terremoto.

De acuerdo con el trabajo de Seed e Idriss (1971), las cargas sísmicas se aplican a la muestra de laboratorio mediante una aproximación en términos de las tensiones de corte cíclicas. Dicha aproximación que se hace al describir las cargas como tensiones de corte cíclicas equivalentes a las inducidas por un terremoto (y la evaluación subsiguiente de las tensiones de corte cíclicas equivalentes requeridas para causar la licuación) se ha conocido extensamente como el procedimiento simplificado, en que la amplitud cíclica uniforme de la tensión de corte para sitios nivelados o levemente inclinados se puede estimar como sigue:

donde Tcyc es la tensión de corte cíclica, amax es la aceleración superficial máxima del sismo, g es la aceleración de gravedad, σvo es la tensión total vertical inicial en la profundidad de interés, y rd es un factor de reducción por profundidad.

3.5 Caracterización de la resistencia

Según lo indicado previamente, los primeros procedimientos para la evaluación de la resistencia de la licuación fueron basados en ensayos de laboratorio. Tales ensayos en muestras reconstituidas fueron realizados para evaluar la relación entre las características de la carga y la generación de la presión de poros. El primero de estos ensayos (Seed y Lee, 1966) demostró una relación entre los factores tales como la densidad del suelo, la tensión de corte, y la presión de confinamiento efectiva en el índice de la generación de presiones de poro. Seed y Lee definieron como licuación inicial el punto en que el aumento en la presión de poro se iguala a la tensión de confinamiento efectiva inicial (es decir, u = σ'3c).

Los resultados de los ensayos son la base para determinar el número de ciclos de carga necesarios para alcanzar un nivel en la tensión de corte cíclica, requerida para producir la licuación inicial.

El valor de la tensión de corte al momento de completar dicho número de ciclos, NL, se ha convertido en la base para expresar la resistencia del suelo a la licuación mediante ensayos de laboratorio.

4. PRESENTACIÓN DE LOS ENSAYOS REALIZADOS

Se han realizado dos tipos de ensayos, con y sin precarga cíclica. Se ensayaron con una densidad relativa de 60% en probetas cilíndricas de 20 cm de alto y un diámetro de 10 cm.

 

 
Foto 4.1. Equipo Triaxial Cíclico. Laboratorio de dinámica de suelos RUB.

 

En la fotografía 4.1 se puede observar el equipo triaxial cíclico utilizado en los ensayos del presente trabajo. Dicho equipo pertenece al laboratorio de dinámica de suelos de la Ruhr Universität de la ciudad de Bochum en Alemania. Las características de la arena utilizada se presentan en la siguiente tabla:

 

 
Tabla 4.2. Propiedades de la arena empleada en los ensayos.

 

4.1 Preparación de la muestra

Las muestras fueron preparadas con arenas limpias utilizando un método de rociado de la arena mediante un embudo especialmente diseñado en que la densidad de la muestra se controla variando el tamaño de la abertura y la altura de caída de la arena.

La arena se deposita dentro de la membrana utilizando un molde metálico. Una vez retirado el molde se montan el cilindro de plexiglás y el plato superior, asegurándolos con las barras interiores y exteriores de acoplamiento de la celda triaxial (Figura 3.3). Por último la cámara se llena de agua.

Luego se aplica una presión de cámara de 50 KPa y se somete a la muestra a un baño de CO2 para eliminar las partículas de aire que pueda contener en su interior. En seguida se satura con agua y se conecta la válvula de drenaje de la muestra.

Luego se aplica una presión interna de 10 KPa y paralelamente se aumenta dicha presión junto con la presión de cámara hasta los 300 KPa de presión interna y 340 KPa de presión de cámara. Debido a la posibilidad de que puedan quedar alojadas partículas de CO2 en la muestra se deja hasta el siguiente día en estas condiciones de carga.

 

 
Figura 4.3. Esquema del equipo triaxial cíclico utilizado en los ensayos del presente trabajo.

 

El siguiente día se prueba la saturación de la probeta utilizando para ello el valor B. Se cierra la válvula de drenaje de la muestra y se aplica una tensión isotrópica de Δσ3.

Al mismo tiempo se toma nota del aumento de Δu. El valor B consiste en el cuociente entre dichas variaciones B = Δu / Δσ3. Se considera aceptable para las arenas un valor de B igual o superior a 0,95.

Para finalizar se aumenta la presión de cámara hasta 350 KPa, con una presión interna de 300 KPa, obteniendo una tensión efectiva de 50 KPa.

En este momento es posible realizar una medida de los posibles cambios de geometría que haya sufrido la muestra. Se aumenta finalmente la presión de cámara hasta el valor deseado (para todos los ensayos del presente trabajo tenemos σ3= 400 KPa). Por último se aplica una carga vertical necesaria, mediante el pistón de carga, para obtener el σ1 buscado (σ1=400 KPa para todos los ensayos del presente trabajo).

Se toma nota de la geometría de la muestra y se inicia el ensayo luego de terminado el tiempo de consolidación de la muestra de cerca de una hora.

4.2 Ensayos sin precarga cíclica

Luego del tiempo de consolidación se cierra el drenaje. Y se comienza con la cara cíclica isotrópica σ1’ = σ3’ = 100 KPa (p = 100 KPa, q = 0 KPa, u = 300 KPa). La tensión total vertical varía entre σ1+ Δσ1 y σ1- Δσ1 donde Δσ1 corresponde al desviador de tensiones, que varia según el ensayo.

La carga cíclica se desarrolla controlando las cargas máximas y mínimas con una velocidad de aplicación de la carga constante. Cuando se alcanza la carga máxima o mínima indicada en el programa de ensayo, la dirección de la carga se invierte. Esto se realiza hasta que este completamente licuada la muestra o hasta alcanzar un numero de ciclos máximo previamente establecido (para los ensayos Nmax = 1000).

4.3 Ensayos con precarga cíclica

Para los ensayos con precarga cíclica antes de cerrar el drenaje se somete la muestra a una carga cíclica drenada con un desviador de tensiones Δσ1vorb y un número de ciclos Nvorb. Se somete la muestra a un estado isotrópico te tensiones (p = 100 KPa, q = 0 KPa). Y se mide finalmente la variación que esta precarga ha inducido en la muestra. Posteriormente se cierra el drenaje y se realiza un procedimiento idéntico de carga al explicado previamente para ensayos sin precarga.

5. ANÁLISIS Y RESULTADOS

5.1 Ensayos sin precarga cíclica

Se realizaron 7 ensayos sin precarga cíclica. En la tabla 5.1 se resumen los datos de dichos ensayos.

Para efectos del presente resumen solamente se mostraran los resultados de un ensayo elegido como ejemplo explicativo. Consideremos el ensayo Liq 10 que fue ensayado con una amplitud vertical de carga de 40 KPa.

En la tabla 5.1 encontramos que posee una densidad relativa inicial ID,0 = 62% y una densidad relativa al momento de iniciar el ensayo de ID,0 = 63%. El estado inicial de tensiones es el mismo para todos los ensayos p = 100 y q = 0 KPa.

En el grafico 5.2 podemos observar el diagrama p-q para dicho ensayo:

 

 
Figura 5.2. Camino de tensiones en diagrama p-q para ensayo sin Precarga.

 

En el diagrama se aprecia el camino desarrollado por las cargas. Se puede dividir en dos etapas. La primera es bastante homogénea en la cual se aprecian claramente los ciclos de carga sufridos por la muestra aumentando en la zona de compresión a los 40 KPa y disminuyendo (extensión) hasta –40 KPa. Durante dicha etapa del ensayo, las deformaciones sufridas por la muestra son mínimas.

La figura 5.3 muestra la curva de deformación vertical en el tiempo. En ella se observa una pequeña deformación vertical hasta aproximadamente los 1200 segundos. En este momento en el diagrama p-q (Figura 5.2) las tensiones tocan las líneas de frontera explicadas en el capitulo 2. Con ello se pasa a una segunda etapa en el grafico que va acompañada de mayores deformaciones y de un aumento acelerado de la presión de poros.

 

 
Figura 5.3. Deformación unitaria vertical para ensayo sin precarga.

 

Nombre del Ensayo
Densidad Relativa
Valor-B
Estado Inicial de Tensiones
Amplitud Carga Vertical Δσ1 [kPa]
ID,O
ID,S
p[kPa]
q[kPa]
Liq02
0.68
0.69
0.97
100
0
60(59.3)
Liq04
0.73
0.74
0.91
100
0
30(28.9)
Liq06
0.63
0.64
0.86
100
0
50(48.3)
Liq07
0.62
0.63
0.84
100
0
45(45.0)
Liq08
0.68
0.69
0.89
100
0
35(33.5)
Liq09
0.64
0.65
0.84
100
0
55(55.0)
Liq10
0.62
0.63
0.95
100
0
40(38.1)

 

Tabla 5.1. Resumen de datos. Siete ensayos sin precarga cíclica.

 

Ensayo
Densidad Relativa
Valor-B
Estado Inicial de Tensiones
Amplitud Carga Vertical Δσ1,vorb [kPa]
Nmero de Ciclos Precarga Nvorb 
Amplitud Carga Vertical Δσ1 [kPa]
ID,O
ID,v.V
ID,n.V
p[kPa]
q[kPa]
Liq12
0.66
0.67
0.68
1.02
100
0
50
10
60 (58.4)
Liq13
0.64
0.65
0.65
0.92
100
0
50
10
40 (39.5)
Liq16
0.64
0.64
-
0.85
100
0
50
10
50 (49.6)
Liq17
0.64
0.65
0.65
1.02
100
0
50
10
52.5 (52.0)
Liq18
0.65
0.66
--
0.95
100
0
50
10
47.5 (47.4)
Liq19
0.65
0.66
0.66
0.93
100
0
50
10
42.5 (42.3)
Liq24
0.65
0.66
0.67
0.91
100
0
50
10
45 (44.4)
Liq25
0.62
0.63
0.64
0.98
100
0
50
10
55 (54.8)

 

Tabla 5.6. Ensayos con precarga cíclica drenada. Precarga con Δσ1 = 50 kPa y N = 10.

 

Se dice a estas alturas que la muestra ha comenzado a licuar ya que la presión de poros ha alcanzado un valor igual a la tensión total por primera vez, al mismo tiempo que la tensión efectiva ha disminuido hasta valores cercanos a cero.

Esto se observa en la figura 3.2 como ya se ha visto. La presión de poros (u) y la tensión por lo tanto se hace cero.

Esta condición se mantiene durante los siguientes ciclos de carga pero como se observa en la figura 5.3 la deformación aumenta en gran medida con cada siguiente ciclo (14, 15, 16, 17).

El ensayo se detiene cuando la deformación unitaria supera el 10%.

Se toma nota de la deformación cuando esta tiene los valores de 2, 5 y 10% y se grafican contra el número de ciclos de carga, para las diferentes amplitudes ensayadas (ver tabla 5.1).

En la figura 5.4 están graficados los valores de l doble la amplitud de la deformación unitaria (2, 5 y 10%), para cada ensayo. Se aprecia que para una amplitud de carga mayor se obtiene la licuación de la muestra rápidamente en 2 o 3 ciclos y a medida que la carga es más baja el número de ciclos necesarios para hacer licuar la arena aumenta hasta un valor de 60 ciclos para la amplitud de 30 KPa

 

 
Figura 5.4. Numero de ciclos al cual licuan las muestras para diferentes amplitudes de carga vertical.

 

5.2 Ensayos con precarga cíclica

La precarga cíclica drenada produce en la muestra un cambio en su geometría (ver figura 5.5) lo que se traduce en un cambio en su densidad, debido a ello, en el posterior ensayo a la licuación, el numero de ciclos al cual la muestra fallará deberá ser distinto al encontrado para ensayos sin precarga.

 

 
Figura 5.5. Cambio en la geometría de la muestra debido a la precarga cíclica no drenada.

 

Las tablas 5.6, 5.7 y 5.8 muestran los ensayos realizados con precarga cíclica drenada. La tabla 5.6 y 5.8 corresponden a ensayos con 10 ciclos de precarga y amplitudes de 50 y 30 KPa respectivamente. La tabla 5.7 corresponde a los ensayos con una precarga drenada de 100 ciclos y una amplitud de 50 KPa.

Para todos los casos se tienen tres densidades relativas: ID,0 que corresponde a la densidad relativa inicial de la muestra, ID,v,V que corresponde a la densidad al momento de iniciar el ensayo de precarga e ID,n,V corresponde a la densidad después de la precarga cíclica drenada, esto es al momento de iniciar el ensayo a la licuación.

Todas las muestras, luego de la precarga respectiva se ensayaron a la licuación de manera similar a lo explicado para ensayos sin precarga. Es decir se variaron las amplitudes de carga, para cada caso de precarga, entre 30 y 60 kPa.

Los cambios de forma sufrida por la muestra durante la precarga cíclica se observan en las figuras 5.9 y 5.10.

La figura 5.9 muestra el aumento de la diferencia de volumen (ΔV) entre el volumen inicial, antes de la precarga y el volumen calculado para cada ciclo de precarga. En el gráfico se aprecian claramente los 10 ciclos de precarga drenada con el aumento correspondiente de esta diferencia de volumen que implica una disminución en el volumen total de la muestra (ver figura 5.5).

 

Ensayo
Densidad Relativa
Valor-B
Estado Inicial de Tensiones
Amplitud Carga Vertical Δσ1,vorb [kPa]
Nmero de Ciclos Precarga Nvorb 
Amplitud Carga Vertical Δσ1 [kPa]
ID,O
ID,v.V
ID,n.V
p[kPa]
q[kPa]
Liq20
0.64
0.65
0.66
0.97
100
0
50
100
50 (49.9)
Liq21
0.64
0.65
0.67
0.97
100
0
50
100
60 (59.9)
Liq22
0.68
0.69
0.98
100
0
50
100
55 (54.5)
Liq23
0.63
0.64
0.66
0.98
100
0
50
100
45 (45.0)

 

Tabla 5.7. Ensayos con precarga cíclica drenada. Precarga con Δσ1 = 50 kPa y N = 100.

 

Ensayo
Densidad Relativa
Valor-B
Estado Inicial de Tensiones
Amplitud Carga Vertical Δσ1,vorb [kPa]
Nmero de Ciclos Precarga Nvorb 
Amplitud
Carga Vertical Δ
σ1 [kPa]
ID,O
ID,v.V
ID,n.V
p[kPa]
q[kPa]
Liq26
0.63
0.64
0.64
0.94
100
0
30
10
50 (49.4)
Liq27
0.62
0.62
0.63
0.95
100
0
30
10
40 (39.9)
Liq28
0.63
0.64
0.64
1.00
100
0
30
10
35 (34.8)
Liq30
0.59
0.60
0.60
0.93
100
0
30
10
30 (30.0)
Liq31
0.61
0.62
0.62
0.94
100
0
30
10
45 (45.0)

 

Tabla 5.8. Ensayos con precarga cíclica drenada. Precarga con Δσ1 = 30 kPa y N = 10.

 

 
Figura 5.9. Reducción del volumen en muestra durante precarga cíclica de 10 ciclos.

 

Al igual que con el volumen la diferencia de altura Δh (figura 5.10) corresponde a la diferencia entre la altura inicial antes de la precarga cíclica y la altura medida para cada ciclo durante la precarga.

Como se ha visto, durante la precarga cíclica drenada la muestra sufre un cambio en su geometría, esto es, disminución de volumen y de altura. Lo anterior implica un aumento en su densidad, debido a lo cual es natural pensar que una vez terminados los ciclos de precarga con una muestra más densa, cueste mas lograr la licuación en el posterior ensayo. Sin embargo el cambio de densidad es pequeño comparado con las grandes diferencias encontradas en el número de ciclos necesarios para licuar las muestras que poseen una precarga cíclica drenada en comparación con las que no la poseen.

 

 
Figura 5.10. Reducción de la altura en muestra durante precarga cíclica de 10 ciclos.

 

Las comparaciones para diferentes amplitudes de carga se observan más claramente en la figura 5.11 en que se muestran 4 gráficos para cuatro ensayos realizados a la licuación con la misma amplitud de carga (45 kPa). Se observa la diferencia entre el desarrollo de la presión de poros y de la tensión efectiva lateral para las cuatro muestras, en las que se aprecia claramente el aumento en la cantidad de ciclos que cada una necesitó para licuar y su relación directa con el número de ciclos de precarga y la amplitud de la misma. En el gráfico superior izquierdo de la figura 5.11 se ve el desarrollo de la muestra que no posee historia de precarga, en la que se observó la licuación inicial aproximadamente a los 1000 segundos de iniciado el ensayo, claramente bajos en comparación a la muestra del gráfico inferior derecho que corresponden a una muestra ensayada con una precarga cíclica de 100 ciclos a 50 kPa en que se observó la licuación inicial sobre los 18000 segundos.

En el gráfico 5.12 se observan las tres curvas de los ensayos realizados con precarga cíclica y la curva para los ensayos realizados sin precarga correspondientes a los ensayos ya mostrados en las tablas 5.1, 5.6, 5.7 y 5.8.

En el grafico podemos observar que para amplitudes grandes (60 KPa por ejemplo), la diferencia entre el número de ciclos al cual licuan las muestras con y sin precarga no varia demasiado, pero para amplitudes inferiores se observan diferencias marcadas. Por ejemplo para una amplitud de carga de 45 kPa, la muestra sin precarga previa licuó cerca de los 10 ciclos, sin embargo alcanzo cerca de los 200 ciclos para el ensayo con una precarga de 100 ciclos a 50 kPa.

 

 
Figura 5.12. Relación entre la razón de tensión σ1ampl/pc y el número de ciclos necesarios para causar el 10% del doble de la amplitud de la deformación unitaria vertical, para diferentes casos de precarga cíclica.

 

Lo mismo ocurre al comparar los datos de los ensayos con 10 y 100 ciclos de precarga. Mientras a más ciclos de precarga sean sometidas las muestras, más a la derecha del gráfico quedarán los puntos, esto es, costará más lograr la licuación en ellas.

6. CONCLUSIONES

Se han establecido en los puntos anteriores las correlaciones buscadas para los ensayos en muestras frescas de arena preparadas en laboratorio.

Se pudo apreciar la manera en que afecta la precarga cíclica drenada al número de ciclos al cual licua la arena ensayada, y como varía este Número de ciclos con respecto a la amplitud de carga (figura 5.11).

Se puede concluir con lo anterior que es más fácil licuar una arena que no haya sido sometida anteriormente a una precarga cíclica que otra que si haya sido sometida, y que al mismo tiempo mientras mas ciclos de precarga sean aplicados sobre la muestra, más ciclos de carga serán necesarios para hacerla licuar posteriormente.

 

Figura 5.11. Desarrollo de la presión de poros u y la tensión efectiva lateral σ3' durante la carga cíclica no drenada para cuatro ensayos con diferente historia de precarga cíclica (para todos los ensayos σ1ampl = 45 kPa en la fase no drenada del ensayo).

 

Con estos datos se esta en condiciones de encontrar correlaciones con ensayos realizados in-situ (que no son parte del presente trabajo), los cuales entregarán el número de ciclos de precarga que tenga el suelo en estudio. Con ello ya no será necesario traer muestras inalteradas del terreno sino que preparando las muestras en laboratorio y ensayándolas al número de ciclos de precarga obtenido en terreno, se obtendrán resultados similares a los esperados en una muestra inalterada.

Por lo tanto se ha trazado una historia de precargas para muestras de arena, que puede ser completada con más ensayos, para diferentes amplitudes de precarga como también con más ensayos que varíen otros factores como la densidad de la muestra.

La continuación de los ensayos, como el estudio in-situ se está realizando en estos momentos en el departamento de mecánica de suelos de la Ruhr Universität en la ciudad de Bochum, Alemania.

AGRADECIMIENTOS

A Torsten Wichtmann por sus revisiones y a la Ruhr Universität Bochum por facilitar todos los medios para la realización del presente trabajo.

REFERENCIAS

[1] Bjerrum, L., Geotechnical Problems Involved in Fundations of Structures in the North Sea. Geotechnique, London, England, Vol. 23, No. 3, pags. 319-358, 1973.

[2] Castro, G. Liquefaction and cyclic mobility of satured sand. Proc. ASCE, Vol. 101, No. GT6, pags. 551-569, 1975.

[3] Coduto, D.P. Fundation Desing, Principles and Practices. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ. 1994.

[4] DeAlba, P.,Chan, C. K., y Seed. H. B. Determination of Soil Liquefaction Characteristics by Large-Scale Laboratory Test. Erthquake Engineering Research Center. University of California, Berkeley. Report No. EERC 75-14, 1975.

[5] Dorby, R., Ladd, R.S., Yokel, F.Y., Chung, R.M., Powell, D. Prediction of pore watter pressure build up and Liquefaction of sands during earthquakes by the cyclic strain method. Technical Report 138, U.S. Departament of Comerce, National boreau of standars. 1982.

[6] Finn, W. D. L., Bransby, P. L. Y Pickering, D. J., Effect of Strain History on Liquefaction of Sands. ASCE, Vol 96, No. SM6, pags. 1917-1934, 1970.

[7] Green, R.A. Energy-Based Evaluation and Remediation of Liquefieble Soils. Virginia Polytechnic Institute and State University. 2001

[8] Ladd, R.S. Specimen preparation and liquefaction of Sand. ASCE, Vol. 100, No GT10, pags. 1180-1184,1974.

[9] Lee, K. L. y Focht, J. A. Liquefaction potential at Ekofisk Tank in North Sea. ASCE, Vol. 101, No GT1, pags 1-18, 1975.

[10] Lee, K. L. y Seed H.B. Cyclic stress conditions causing liquefaction of sand. ASCE, Vol. 93, No SM1, pags. 47-70, 1967.

[11] Mori, K., Seed, H.B. y Chan, C.K. Influence of Sample Disturbance on Sand Response to Cyclic Loading. ASCE, Vol. 104, No GT3, pags. 323-339, 1978.

[12] Mulitus, J. P., Chan, C. K., y Seed, H.B. The Effects of Method of Sample Preparation on the Cyclic Stress-Strain Behavior of Sands. Erthquake Engineering Research Center. University of California, Berkeley. Report No. EERC 75-18, 1975.

[13] NCEER. Proceeding of the NCEER workshop on evaluation of liquefaction resistance of soils, (T.L Youd und I.M. Idriss, eds.), Technical Report NCEER-97-0022, National Center for Earthquake Engineering Research. State University of New York at Buffalo. 276 pags.

[14] Pyke, R.M. Settlement and Liquefaction of Sands Under Multi-Directional Loading. Thesis presented to the University of California, en Berkeley, Calif., 1973.

[15] Seed, H.B. e Idriss I.M. Simplified Procedure for evaluating soil liquefaction potential. ASCE, Vol. 97, No SM9, pags. 1249-1273, 1971.

[16] Seed, H.B. y Lee, K.L. Liquefaction of saturated sands during cyclic loading. Proc. ASCE, Vol. 92, No SM6, pags. 105-134, 1966.

[17] Seed, H. B., Mori, K. y Chan, C.K., Influence of Seismic History on the Liquefaction Characteristics of Sands. Erthquake Engineering Research Center. University of California, Berkeley. Report No EERC 75-25, 1975.

[18] Seed, H.B. y Tokimatsu, L.F. Influence of SPT procedures in soil liquefaction of sand. ASCE, Vol. 111, No 12, pags. 1425-1445,1985.

[19] Skempton, A. W. Standart Penetration Test Procedures and the Effects in Sands of Overburden Pressure, Relative Density, Particle Size, Aging and Overconsolidation. Geotechnique, Vol. 6, No 3, pp. 425-447

[20] Soil Liquefaction Web Site. http://www.ce.washington.edu/~liquefaction/html/main.html. University of Washington, 2000.

[21] Stark, T. D. y Olson, S. M. Liquefaction Resistance Using CPT and Field Case Histories. ASCE, Vol. 121 No 12, pags 856-869, 1995.

[22] Triantafyllidis, T. Arbeitsblätter für Bodenmechanik. Lehrstuhl für Grundbau und Bodenmechanik, RUB, 2002.

[23] Triantafyllidis, T. Bodenverflüssigung infolge zyklischer Belastung. Geolex, No 2, pags. 1-16, 2003.

 

 

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