INTRODUCCIÓN
En esta oportunidad, con la intención de hacer ciencia creativa y así llegar a una mayor audiencia, realizo un abordaje didáctico del fenómeno de licuefacción de suelos; ilustrando con videos los principios en los que se fundamenta este fenómeno, para posteriormente hacer un desarrollo de los postulados científicos que lo sustentan que se resumen en la teoría de esfuerzos efectivos. Sirva de introducción el planteamiento de las siguientes interrogantes:
¿Cuáles son las consecuencias visibles de cuando ocurre la licuefacción de un suelo?
La visualización de estas consecuencias se pueden apreciar en las edificaciones que allí se encuentran fundadas; un ejemplo de este hecho, ocurrió en el terremoto de Nigata, Japón del año de 1964. Y se ilustra en la imagen N°01.
Imagen N°01: licuefacción de suelos, terremoto de Nigata, Japón. Año: 1964. Mw=7.5
Fuente: Sauter (1989), Ref.04 (2017), adaptada por Santana (2018)
Se aprecian los grandes asentamientos que se presentan, lo que provoca hundimiento de las edificaciones, hasta llegar a casos extremos donde se produce el volteo por completo de estas.
Desde un punto de vista geotécnico ¿Qué está pasando?
A grandes rasgos las capas más superficiales de suelos con mala gradación y en condición saturada (típicamente arenas, cuyas partículas constituyentes tienden a ser del mismo tamaño), al ser sometidas a vibración tienden a compactarse, hecho que provoca la disminución de los espacios entre partículas ocupados por el agua, lo que sugiere que esta entra en un régimen hidrodinámico (agua en movimiento); si el suelo se encuentra confinado, y el movimiento en sentido horizontal del agua está impedido, esta experimentará un movimiento vertical (flujo ascendente), lo que origina un aumento en la presión de poros del agua, que va a contribuir a la pérdida del contacto efectivo entre las partículas. Cuando este contacto entre partículas se pierde por completo, se ha llegado a la condición de licuefacción, caracterizada por pérdida abrupta de resistencia del suelo, y presencia de grandes asentamientos, que inevitablemente hacen fallar los sistemas de fundación que sobre estos suelos se encuentran, tal como se aprecia en la imagen N°01.
¿Qué aprenderemos en este artículo?
En el presente artículo aprenderemos a partir del principio de esfuerzos efectivos, el por qué se produce la licuefacción de un suelo, en especial de las arenas (suelos sin cohesión). Primero que todo en aras de hacer ciencia creativa veamos el siguiente video de mi autoría, donde se realiza un contraste sobre la conducta de un suelo arcilloso y un suelo arenoso, ambos en condición saturada, sometidos a vibración, que puede ser provocada por movimientos fuertes del terreno. Recomiendo al lector, la revisión de la referencia N°05, donde puede profundizar en la diferencia entre estos suelos en base al parámetro de plasticidad. Disfruten el siguiente video:
FuenteRealizado este abordaje didáctico del tema, profundicemos en el principio de esfuerzos efectivos de los suelos.
PRINCIPIO DE ESFUERZOS EFECTIVOS
El principio de esfuerzos efectivos se enfoca en la determinación del esfuerzo neto de contacto entre las partículas de un suelo; siendo importante identificar las variables que intervienen en ese proceso de cálculo. Para tal fin tomemos como referencia la imagen N°02, en la que se aprecia un perfil de suelo con una columna de agua sobre el mismo (tal como se presentó en el video) y prestemos especial atención a la ampliación que se hace al contacto entre partículas, resaltado por el recuadro de color “verde”.
Imagen N°02: ilustración de variables que inciden en la determinación del esfuerzo efectivo
Fuente: Braja (2001), Juarez y Rico (2007), adaptada por Santana (2018)
Se identifican en ese contacto entre partículas distintas variables, a partir de las cuales podemos definir una relación de áreas de contacto de la siguiente forma:
Del análisis de la vista ampliada del contacto entre partículas se desprende también que el área ocupada por el agua corresponde a la resta del área de la sección transversal “A” menos el área de contacto entre partículas “As”. En este sentido, podemos plantear un equilibrio de fuerzas de la siguiente manera:
El término resaltado en color “rojo” de la ecuación N°01 representa el aporte para el equilibrio que hace la fuerza producida por el contacto neto entre partículas, la cuál puede ser expresada en términos de esfuerzo efectivo o presión intergranular al dividirlo por el área de la sección transversal “A”, de la siguiente manera:
Por su parte el término resaltado en color “magenta” de la ecuación N°01, representa el aporte de la fuerza del agua en los poros del suelo al equilibrio. En lo que respecta al término “P” esta puede ser expresado en términos de presión vertical “σ”, al dividirla con respecto al área de la sección transversal “A”:
Ahora bien, si dividimos la ecuación N°01 entre el área de la sección transversal “A”, obtenemos lo siguiente:
Si reescribimos y tomamos como referencia la expresión de esfuerzo efectivo “ σ' ” y presión vertical “σ”, se tiene:
Conviene señalar que la determinación del valor de “a” no es práctica, por el hecho de que implica la determinación de “As”, lo cual resulta extremadamente engorroso e incluso resulta inviable por la inmensa cantidad de partículas que puede existir en un perfil de suelo. Adicionalmente la información con la que contamos en la práctica para la resolución de problemas de esfuerzos efectivos, es concerniente a la profundidad del estrato “H”, cargas aplicadas “P”, área total de la sección transversal del suelo “A” a la que se le aplica esta carga “P”. Además Juarez y Rico (2007) señalan que la relación “a” tiende a ser muy pequeña, por lo que la ecuación N°04 se reescribe así:
De allí a que el esfuerzo efectivo de los suelos viene dado por:
El cálculo de la presión vertical “σ” se reduce a la multiplicación de profundidad del estrato “H” y el peso específico de este, respetando el punto de interés a estudiar. Algo similar ocurre para la presión de poros del agua “un”.
Dónde:
.γestrato, es el peso específico del estrato de suelo. Cuando este se encuentra saturado se expresa así “γsat”
.γw, es el peso específico del agua
Vale destacar que si un estrato de suelo se encuentra seco, la presión de poros de agua “un” es igual a cero. Esta variable, que se activa con la presencia de agua en el suelo, tiende a reducir el contacto efectivo entre partículas en la medida que su valor incrementa (ver ecuación N°06), siendo nuestro caso de interés cuando este contacto entre partículas es nulo, lo que da la bienvenida al fenómeno de “licuefacción de suelos”. Estudiemos las bases en las que se fundamenta este fenómeno, amparados en el principio de esfuerzos efectivos anteriormente estudiado.
APLICACIÓN DEL PRINCIPIO DE ESFUERZOS EFECTIVOS PARA LA COMPRENSIÓN DEL FENÓMENO DE LICUEFACCIÓN DE SUELOS
A continuación utilizaremos el principio de esfuerzos efectivos, para develar el trasfondo científico en el que se fundamenta la licuefacción de los suelos, tomando como referencia la imagen N°03, donde se presenta un estrato de suelo confinado y saturado, sometido a un régimen hidrodinámico (agua en movimiento), en una condición de flujo de agua ascendente.
Imagen N°03: representación del flujo de agua ascendente
Fuente: Braja (2001)
Este movimiento del agua, sugiere la existencia de un gradiente hidráulico “i” que representa la variación de la altura de agua, con respecto a la distancia recorrida por la misma. Contextualizándonos en el gráfico de la imagen N°03, tenemos lo siguiente:
La ley de Darcy (1856) señala que la velocidad del agua es directamente proporcional a la permeabilidad del suelo “k” y del gradiente hidráulico “i” que se desarrolle; en este sentido, nuestro punto de interés son las altas velocidades que se puedan desarrollar; favorecidas por un gradiente hidráulico que podemos llamar crítico; cuya deducción se presenta a continuación.
Determinación del gradiente hidráulico crítico “icrítico”
Tomando como referencia la imagen N°03, se tiene que la altura de agua alcanzada producto del flujo ascendente, es directamente proporcional con la profundidad del estrato de suelo, por ejemplo, para el punto “B” tenemos lo siguiente:
Mientras que para el punto “C”:
A los fines de explicar el fenómeno de licuefacción de suelos, tomemos como referencia el punto “C”. Aplicando las ecuaciones N°07 y N°08, respetando la acumulación de presiones entre capas del perfil mostrado en la imagen N°03, obtenemos lo siguiente:
Procedemos a sustituir en la ecuación N°06:
Reescribiendo:
Sacamos factor común “z” de la forma:
El término resaltado en color “azul” de la ecuación N°09, representa el peso específico sumergido del suelo “ γ' ”, por lo que esta ecuación se puede rescribir así:
La condición de licuefacción de suelos, se produce cuando el esfuerzo efectivo es cero, donde se pierde el total contacto entre partículas. Tomando como referencia la ecuación N°10, esta condición se da si:
El término “z” por aparecer a ambos lados se cancela, por lo que se puede definir un gradiente hidráulico crítico que provoca este fenómeno de licuefacción, dado por la siguiente relación:
La incidencia de este gradiente hidráulico crítico, puede ser originada por fuertes movimientos del terreno, provocados por ejemplo a través de un sismo, y la presencia de suelos con bajo niveles de cohesión entre sus partículas.
CONCLUSIONES
1.- Los suelos arenosos y mal gradados (tendencia de partículas del suelo a ser del mismo tamaño), son más propensos a sufrir licuefacción, en comparación con una arcilla (suelo con alta plasticidad).
2.- La licuefacción de un suelo, puede ser concebida como la pérdida total del contacto efectivo entre partículas, donde el suelo adquiere la consistencia de un fluido viscoso.
3.- En países de elevada amenaza sísmica, es trascendental la identificación de los suelos potencialmente licuables, de forma que la proyección del sistema de fundación se realice tomando en cuenta esta previsión.
4.- En el video presentado al inicio de este artículo, hice una demostración a escala reducida de lo que ocurre en una arena saturada cuando es sometida a fuertes vibraciones. A continuación comparto con ustedes un video donde se muestra a escala real el fenómeno de licuefacción de suelos, y es un excelente complemento para afianzar las ideas expuestas en este artículo.
FuenteFUENTES CONSULTADAS
1.- BRAJA M DAS. 2001. PRINCIPIO DE INGENIERÍA DE CIMENTACIONES. INTERNATIONAL THOMSON EDITORES, S.A.
2.- BADILLO J. Y RICO A. 2007. FUNDAMENTOS DE LA MECÁNICA DE SUELOS. EDITORIAL LIMUSA, S.A.
3.- SAUTER F. 1989. FUNDAMENTOS DE LA INGENIERÍA SÍSMICA I: INTRODUCCIÓN A LA SISMOLOGÍA. EDITORIAL TECNOLÓGICA DE COSTA RICA.
4-LICUEFACCIÓN DE SUELOS. 2017. CONSULTADA 28 DE MARZO DE 2018. DISPONIBLE EN: https://es.wikipedia.org/wiki/Licuefacci%C3%B3n_de_suelo
5.- SANTANA E. 2018. ABORDAJE DIDÁCTICO DEL CONCEPTO DE PLASTICIDAD DE LOS SUELOS. APLICACIONES PRÁCTICAS DESDE EL ENFOQUE DE LA INGENIERÍA GEOTÉCNICA. DISPONIBLE EN: https://steemit.com/stem-espanol/@eliaschess333/abordaje-didactico-del-concepto-de-plasticidad-de-los-suelos-aplicaciones-practicas-desde-el-enfoque-de-la-ingenieria-geotecnica