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Licuefacción del suelo 1 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

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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

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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.

1Youd, 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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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".

2Robertson, 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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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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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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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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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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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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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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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 bien construidos los

cimientos, esta 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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*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 estos fenómenos son los

terremotos, como ya se ha dicho “al

aplicar fuerza 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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managua/licuacion-sismica-suelo-managua.shtml