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La ciencia de la liquefacción: cuando el suelo se vuelve a la muda durante un terremoto
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¿Qué es la Liquefacción y por qué importa?
La licuefacción se sitúa entre los fenómenos más dramáticos y destructivos desencadenados por terremotos. Durante la fuerte sacudida sísmica, el suelo granular saturado por agua puede perder su estructura sólida y comportarse como un líquido viscoso, con consecuencias que incluyen la construcción de asentamientos, fallas mecánicas, rupturas de tuberías enterradas e incluso terreno lateral que se propaga por todo el vecindario.
Cuando los licuados de suelo, el suelo puede expulsar arena y agua a través de grietas, edificios de inclinación, causan tanques de almacenamiento subterráneo flotar a la superficie, y convertir lo que parecía ser tierra estable en un terreno que se comporta más como arenas movedizas. El fenómeno se ha documentado en grandes terremotos en todo el mundo, incluyendo el terremoto residencial de Niigata en Japón, el terremoto de Loma Priliquefaction en California, el terremoto de 1995 Kobe, y la secuencia de 2010
Este artículo examina detalladamente la ciencia detrás de la licuefacción, las condiciones del sitio que hacen vulnerable al suelo, las técnicas de ingeniería utilizadas para predecir y mitigar el riesgo, y las implicaciones reales para la infraestructura y la seguridad.
La Mecánica de la Liquefacción: Cómo el Terreno Sólido se convierte en Fluido
El papel de la presión del agua poro
El suelo consiste en partículas minerales sólidas con espacios vacíos entre ellas. En condiciones normales, estos espacios vacíos contienen tanto aire como agua, y la fuerza del suelo proviene del contacto friccional entre partículas individuales. El peso de la sobremolición del suelo y cualquier estructura superficial se transmite a través de la red de contacto de partículas a partículas, un concepto geotécnico llamado ]efsis eficaz.
Durante un terremoto, las ondas de derrame se propagan a través del suelo, sometiendo el suelo a carga rápida y cíclica. En suelos saturados, sueltos y arenosos, el agitado provoca que las partículas se reagrupen en un embalaje más denso. Sin embargo, debido a que los espacios vacíos ya están llenos de agua y drenaje no pueden ocurrir rápidamente durante el rápido agitamiento, el exceso de agua.
El umbral en el que esto ocurre depende de la densidad del suelo, la amplitud y duración del temblor, y las características de drenaje del depósito. Las arenas desniveladas, uniformes y saturadas con baja densidad relativa son más susceptibles. Las arenas y gravillas densas, por contraste, tienden a dilatar durante el timón, generando presión negativa poro que aumenta la fuerza, haciéndolos mucho más resistentes a la licuación.
Ciclic Movilidad Versus Liquefacción Verdadera
Los ingenieros distinguen entre dos fenómenos relacionados pero distintos. La licuefación superficial ocurre cuando la presión poro equivale a la presión de confinar efectiva inicial, produciendo una pérdida completa de fuerza sostenida con el tiempo. Movilidad ciclica, por contraste, describe una condición en la que la presión pore aumenta muy cerca de la presión residual
Condiciones que hacen que el suelo sea Vulnerable
Tipo de suelo y distribución de tamaño de la medida de la hilera
No todos los suelos son igualmente susceptibles. Los suelos más licuados son arenas de calidad uniforme con tamaños de partículas entre aproximadamente 0.1 y 2.0 milímetros. El coeficiente de uniformidad, que describe la gama de tamaños de partículas en una muestra de suelo, proporciona un indicador importante. Los suelos bien definidos con una amplia distribución de tamaños de partículas tienden a ser más resistentes.
Las arenas silenciosas y los párpados de baja plasticidad también pueden licuar bajo las condiciones adecuadas, aunque normalmente requieren una sacudida más fuerte o más larga. Las arcillas, con su estructura cohesiva y baja permeabilidad, generalmente no se someten a la licuefacción clásica, aunque pueden experimentar una pérdida de fuerza significativa y deformación bajo carga cíclica, un fenómeno relacionado llamado
Saturación y profundidad de aguas subterráneas
La presencia de agua en los espacios poros es lo que genera la presión excesiva durante el agitado. Sitios con una tabla de aguas subterráneas poco profundas, normalmente menos de 10 metros debajo de la superficie, están en mayor riesgo. En las zonas costeras, los destas de río, las tierras reclamadas y los lagos llenos, la mesa de agua es a menudo cercana a la superficie terrestre, colocando raramente las zonas de peligro.
Densidad relativa e historia deposicional
Los suelos sueltos con densidades relativas inferiores aproximadamente al 40% son los más propensos a la licuefacción. La densidad relativa compara la densidad in situ de un suelo con sus densidades máximas y mínimas posibles en el laboratorio. Los suelos depositados hidraulicamente como los aficionados aluviales, los depósitos deltaicos y los rellenos hidráulicos de poca o menor densidad
Históricamente, muchos de los sitios más propensas a la licuefacción del mundo son pequeños, depósitos recientes menores de 10.000 años. Los depósitos más antiguos y consolidados tienden a ser más densos y más estables. Los perfiles de suelos con arena alternada, silencia y lentes de arcilla también pueden crear barreras de drenaje que atrapan el exceso de agua poro, aumentando el potencial de licuación dentro de las capas de arena atrapadas.
Características del terremoto: Magnitud, Duración y Frecuencia
Las características del evento sísmico en sí juegan un papel controlador. La lipofacción requiere un número suficiente de aplicaciones fuertes y cíclicas de tensión para generar el aumento de presión poro necesario. Los terremotos de magnitud 5.5 o mayor son generalmente necesarios para desencadenar una licuefacción generalizada, con la magnitud creciente con la magnitud y duración.
El contenido de frecuencia de la sacudida también importa. La frecuencia baja, que produce ciclos más largos y más amplios, tiende a ser más eficaz para generar presión poro en depósitos de arena gruesos que movimiento de alta frecuencia. cuencas profundas y sitios blandos pueden amplificar estas ondas de baja frecuencia, prolongando la duración de la fuerte sacudida y aumentando la probabilidad de la licuación lejos de la ruptura de falla.
Manifestaciones de la superficie de la liquefacción
Boils de arena y material expulsado
Uno de los signos más visibles de licuefacción es la formación de sand calderas, también llamados volcanes de arena. Cuando el exceso de presión poro se construye por debajo de la superficie, una mezcla de agua y arena puede erupción a través de grietas en la corteza residencial, depositando arena en montículos en forma de ventilador en la superficie terrestre.
Esparcimientos posteriores
Tal vez el efecto superficial más dañino es propagación unilateral], donde las capas de suelo licuado se mueven cuesta abajo o hacia una cara libre como una orilla de río, costa o excavación abierta. La expansión posterior ocurre típicamente en suaves pendientes de sólo 0,5 a 3 grados, desplazando la superficie terrestre lateralmente por metros en lugar de vertical.
Flow Failures
En las pendientes más pronunciadas, la licuefacción puede desencadenar fallos de flujo], donde grandes masas de suelo viajan rápidamente cuesta abajo sobre distancias considerables. Estos fracasos son catastróficos y a menudo mortales. El terremoto de San Fernando en California de 1971 produjo una enorme falla de flujo en la presa de San Fernando, y el terremoto de Haiyuan en China desencadenaron flujos particularmente peligrosos.
Asentamientos y Movimiento Diferente
Como la presión de los poros se disipa después de las paradas de agitación, el suelo se consolida y densifica, a menudo resulta en asentamiento de terreno de 10 a 100 centímetros o más. El asentamiento diferencial a través de una huella de edificio puede causar inclinación estructural, grieta de fundición y daños de superestructura.
Oscilación de tierra y soplamientos de arena
En terreno plano donde la capa licuada se limita bajo una corteza no licuada, el suelo puede oscilar en patrones de onda fija, produciendo oscilación subterránea sin desplazamiento permanente grande. Esto puede dañar aún estructuras, fundaciones y pavimentos superficiales. Cuando la corteza rompe bajo presión, sand blows[Fbat]
Casos de estudios de la lipofacción en los terremotos principales
El terremoto de Niigata en 1964: un evento de cuencas hidrográficas
El terremoto de magnitud 7.5 que golpeó Niigata, Japón, en junio de 1964 es ampliamente considerado el evento que trajo licuefacción a la atención de la comunidad de ingeniería moderna. La licuefacción extensa causó que los edificios se hundieran, inclinaran e incluso se desplomaran. Las fotografías ahora famosas de los edificios de apartamentos acostados en sus lados mientras permanecían intactas estructuralmente se convirtieron en imágenes de ingeniería sismo.
El terremoto de Loma Prieta de 1989: Liquefacción en un entorno urbano
El terremoto de magnitud 6.9 Loma Prieta en el Área de la Bahía de San Francisco proporcionó una lección de gran importancia en la vulnerabilidad de las tierras llenas. El Distrito Marina, construido sobre relleno hidráulico colocado después del terremoto de 1906, experimentó una extensa licuefacción, incluyendo calderas de arena, cracking de suelo y daños de construcción. Fuegos encendidos de líneas de gas rotas, y varios edificios colapsaron o fueron redeados debido al movimiento de la tecnología de fundición.
El 2010 Pulndash;2011 Torpe de Canterbury: Ancha pan de la espiga lateral
El terremoto de magnitud 7.1 Darfield en septiembre de 2010 y la magnitud devastadora 6.3 Christchurch aftershock en febrero de 2011 licuaron grandes áreas de las llanuras Canterbury, particularmente en los suburbios orientales de Christchurch construidos sobre depósitos aluviales jóvenes y canales de ríos antiguos. Posteriormente la propagación a lo largo del río Avon causó daños extensos a puentes, carreteras y infraestructura enterrada.
Evaluación y Predicción de la Liquefacción
Métodos empíricos simplificados
Los ingenieros utilizan comúnmente procedimientos empíricos simplificados] para evaluar la susceptibilidad de la licuefacción. Estos métodos, desarrollados originalmente por Seed e Idriss en los años 70 y refinados continuamente desde entonces, comparar la demanda sísmica, expresada como la relación de estrés cíclico (CSR), a la capacidad del suelo, expresada como la relación de resistencia cíclica (CRR)
Pruebas de laboratorio avanzadas
Para los proyectos de alta calidad, los ingenieros geotécnicos realizan pruebas triaxiales ciclos y pruebas de corte simples ciclociclistas en muestras de suelo sin perturbar para medir la resistencia del material a la licuefacción directamente.
Modelado numérico
Los modelos de diferencia finita y elemento finito pueden simular la respuesta acoplada de esqueletos de suelo y líquidos poros durante el agitado terremoto. Programas como FLAC, OpenSees y PLAXIS permiten a los ingenieros modelar perfiles complejos de suelo, estratigrafías estratificadas y propiedades espaciales variables. Estos análisis pueden predecir el desarrollo de exceso de presión poroblico
Técnicas de mitigación y rehabilitación
Métodos de mejora de la tierra
Los ingenieros han desarrollado una serie de técnicas de mejora de suelo para reducir la susceptibilidad de la licuefación en los sitios existentes y nuevos.El enfoque más común es densificación, que aumenta la densidad relativa de suelos sueltos, haciéndolos más resistentes a la pérdida de fuerza.
Sistemas de drenaje
Debido a que la licuefación requiere la acumulación de presión poro excesivo, proporcionar vías de drenaje puede reducir o eliminar el peligro. Se instalan drenajes verticales para crear vías de flujo preferenciales que permitan escapar del suelo de agitación, reduciendo el aumento de la presión poro.
Foundation Solutions
En los casos en que la mejora del suelo es impráctica, los ingenieros pueden diseñar bases para adaptarse a los efectos de la licuefacción. Fundaciones profundas como pilas, taladros o caissons que se extienden a través de la capa licuada a las capas de rodamientos competentes inferiores pueden transferir cargas estructurales a terreno estable.
Desagüe y selección de sitios
Para la construcción nueva en áreas con alto potencial de licuefacción, deshidratación para bajar la tabla de aguas subterráneas debajo de profundidades críticas puede eliminar la condición de saturación requerida para la licuación. Este enfoque es más práctico cuando la tabla de agua es superficial y el volumen de agua para ser removida es manejable.
Códigos de construcción y marcos reglamentarios
Los códigos de construcción modernos en las regiones propensas al terremoto incorporan requisitos específicos para la evaluación y mitigación de la licuefacción. Código Internacional de Edificios (IBC) en los Estados Unidos, el Código Nacional de Edificios del Canadá y las Eurocode 7]
Más allá de los códigos de construcción, los enfoques de diseño basados en el desempeño se utilizan cada vez más para proyectos importantes, definiendo límites específicos de deformación de suelo en lugar de evaluar simplemente si se producirá la licuefacción. Este cambio reconoce que la licuación limitada con deformaciones tolerables puede ser aceptable para algunas estructuras, mientras que otras estructuras requieren plena protección. Programa Nacional de Reducción de Riesgos de Terremoto (NEHRP)[Informaciones específicas de los Estados Unidos]
Climate Change and Future Considerations
El cambio climático introduce nuevas dimensiones para la evaluación de peligros de licuefacción. El aumento de los niveles de mar y la mayor frecuencia de las oleadas de tormenta pueden elevar las tablas de aguas subterráneas en las zonas costeras, ampliando las zonas de saturación que son requisitos previos para la licuación. En las regiones donde la permafrost está prosperando, los suelos previamente congelados y estables que se saturan con agua de agua de agua pueden volver vulnerables a la pérdida de fuerza durante futuros terremotos.
El desarrollo urbano sigue extendiéndose a tierras marginales, incluyendo los frentes acuáticos llenos, los pantanos recuperados y las llanuras aluviales, todas ellas a menudo muy susceptibles a la licuefacción. La expansión de las ciudades en estas áreas, junto con la creciente densidad de población en regiones sesmáticamente activas, significa que las consecuencias de futuros eventos de licuefacción continuarán creciendo a menos que las medidas de mitigación sigan avanzando.
Conclusión
La lipofacción es un proceso complejo y conducido físicamente con profundas implicaciones para la seguridad del terremoto y la resistencia a la infraestructura. En su núcleo, el fenómeno resulta de la interacción entre la carga sísmica cíclica, la densidad del suelo, el contenido del agua y las condiciones de drenaje. Cuando estos factores se alinean, el terreno que fue sólido puede perder toda fuerza efectiva, produciendo efectos que van desde el asentamiento sutil hasta la falla de flujo catastrófico.
El número de víctimas económicas de la licuefacción puede superar el de la tierra que se agita, como se demuestra repetidamente en los grandes terremotos de todo el mundo. Para los propietarios y desarrolladores que planean nuevos proyectos en zonas sessmáticamente activas, invertir en investigación geotécnica exhaustiva y, cuando se indica, mejorar el terreno o diseñar bases especializadas no es un gasto discrecional sino un requisito fundamental para proteger la vida y la propiedad.