Problemas geotécnicos en suelos: licuefacción y sifonamiento

Desde el punto de vista geotécnico ingenieril, podemos encontrarnos ante dos tipos de problemáticas fundamentales en relación con los suelos. Por un lado los problemas denominados “habituales” en los que los suelos forman parte del medio natural y se ven sometidos a la acción antrópica, respondiendo a los problemas generales que esta acción o acciones plantean, como son las excavaciones a cielo abierto, la construcción de cimentaciones, las obras subterráneas, etc.

Dentro de estos problemas habituales se encuentran, por tanto, los siguientes:

1. Problemas de capacidad portante o resistencia: El terreno debe ser capaz de resistir los incrementos de tensiones, ya sean positivos o negativos, inducidos por las obras de ingeniería, no llegando a alcanzar los límites de seguridad previamente establecidos.
2. Problemas de deformabilidad: las estructuras en contacto con el terreno han de ser capaces de experimentar los movimientos de las mismas sin repercusiones especiales. Tales movimientos son la consecuencia de las deformaciones inducidas en el terreno por las cargas que las estructuras transmiten al mismo. De esta manera, por ejemplo, se suelen definir para las cimentaciones, unos asientos máximos y una distorsión angular máxima admisibles, según del tipo de estructura, que no deben ser rebasados.
3. Problemas de durabilidad temporal: las condiciones de resistencia y deformabilidad anteriormente descritas, deben permanecer sin variación a lo largo del tiempo, o por lo menos no disminuir en el tiempo por debajo de los valeres admisibles previamente establecidos. Esto puede suceder con relativa frecuencia en los casos de nuevas actuaciones ingenieriles que afectan las condiciones de contorno de actuaciones previamente ejecutadas.

Por otro lado los problemas denominados “especiales” que se pueden dar en los suelos, por su propia condición y la acción de la naturaleza sin intervención antrópica. Esta problemática de determinados suelos pueden afectar sobremanera la actividad ingenieril, bien por la propia existencia de dicha condición o debido a que la intervención humana acentúa dichos problemas naturales existente.

Esta problemática puede interferir y alterar el equilibrio natural del terreno, incluso de forma cíclica, o bien puede provocar que las obras y el terreno circundante sufran de forma distinta la acción climática, que muchas veces se sucede de forma periódica aunque no cambie la intensidad o al menos no sea menos intensa.

De esta forma podemos distinguir las siguientes problemáticas fundamentales de este tipo en el ámbito de los suelos:

1. Los suelos expansivos
2. Los suelos colapsables
3. Los suelos licuefactables

En este artículo nos vamos a centrar en este último módulo en el estudio de los denominados problemas especiales, en particular en los relativos a los suelos licuefactables. Así mismo, se dará un repaso al fenómeno de sifonamiento, de particular interés.

Problemas de licuefacción

Se entiende por licuefacción de un suelo la pérdida anómala de su resistencia al esfuerzo cortante de forma temporal o definitiva, lo que permite un aumento rápido de las presiones intersticiales (por falta de drenaje) hasta valores del orden de la presión total existente. En estos casos la presión efectiva prácticamente se anula, con lo que los granos dejan de estar en contacto y la resistencia al corte desaparece por lo que el material se comporta como un líquido, dando lugar a movimientos verticales y horizontales de su masa, que se traducen en deslizamientos (en caso de taludes) o grandes asentamientos.

El fenómeno de la licuefacción afecta a determinados suelos sedimentarios naturales o a los depósitos artificiales, en los que los contactos entre los granos son comparativamente escasos, lo que propicia que se pierdan casi totalmente durante el flujo propiamente dicho. El tamaño de los granos, su uniformidad y la baja velocidad de sedimentación en aguas tranquilas, son factores que se conjugan para formar estructuras muy sueltas.

Este fenómeno se suele dar por disminución de la resistencia a los esfuerzos cortantes del suelo producido por una solicitación brusca sobre el suelo, tal como un sismo, un impacto, etc., siendo importante desde el punto de vista ingenieril por la rapidez con que puede tener lugar como veremos más adelante.

Los materiales en los que se puede dar este fenómeno son las arcillas saturadas muy sensibles, las arenas secas sueltas y las arenas limosas saturadas, sobre todo las de baja compacidad.

Veamos este fenómeno en función del tipo de suelo al que se asocian:

• Arcillas saturadas:

Todas las arcillas que han presentado fenómenos de licuefacción poseen una historia geológica común, ya que se formaron por sedimentación marina y emergieron por la recuperación isostática de los continentes al desaparecer las grandes cargas de hielo.

El resultado de este proceso en las arcillas fue la lenta sustitución del agua salada por agua dulce, que produjo el lavado de la sal, provocando con ello la perdida de iones sódicos y en consecuencia de actividad eléctrica de superficie, con lo que la resistencia al esfuerzo cortante se vio fuertemente disminuida y la sensibilidad aumentada. La menor resistencia conduce a menores factores de seguridad en los taludes naturales hasta que fallan sin causa aparente; en el proceso, la arcilla se remoldea comportándose como un líquido, estado que conserva, ya que la falta de iones en el agua impide la reestructuración.

Estas arcillas denominadas “Arcillas Rápidas o Quick Clays” se encuentran fundamentalmente en el Norte de Europa (Noruega y Suecia), así como en el Este de Canadá y en el Noreste de EE.UU.

• Arenas sueltas secas:

En las arenas sueltas y secas pueden ocurrir fenómenos de licuefacción por un mecanismo semejante al que ocurre en arenas saturadas con la diferencia de que en arenas secas la presión de poro se genera en el aire de los vacíos y no en el agua.

En este caso debe tenerse en cuenta que el aire no es incompresible, por lo que su volumen debe disminuir antes de que la presión generada sea importante, además, el aire tiene más facilidad que el agua para drenarse, por lo que lo hará con mayor rapidez. Por todo esto, la licuefacción en un material seco, solo será posible si una masa grande de suelo de estructura suelta tiende a disminuir de volumen bruscamente en todos sus puntos. Además, el lapso en estado líquido será necesariamente más corto.

Este fenómeno en arenas sueltas secas se ha documentado en ciertos “loess” detectados en China.

• Arenas limosas saturadas:

Este fenómeno suele denominarse licuefacción espontanea cuando ocurre en arenas limosas saturadas, por la rapidez con que tiene lugar siendo el caso de licuefacción más importante desde el punto de vista ingenieril.

La licuefacción se produce cuando determinados tipos de suelos afectados por terremotos desarrollan elevadas presiones intersticiales de forma rápida (sin drenaje), dando lugar a una pérdida de la resistencia al corte y a la rotura del suelo,  que se comporta como si fuera un líquido.

De acuerdo con la observación de zonas afectadas por licuefacción, ésta tiene lugar en las siguientes circunstancias:

• Terremotos de magnitud igual o superior a 5.5, con aceleraciones superiores o iguales a 0.2
• Por debajo de 15 m de profundidad no se han dado
• En la mayoría de los casos donde se han observado licuefacciones, el nivel freático estaba a poca profundidad, inferior a 3 m; por debajo de 5 m, la susceptibilidad a la licuefacción suele ser muy baja.

Según se extrae de “Ingeniería Geológica” (González de Vallejo et all.; 2004), las propiedades que caracterizan a los suelos licuefactables son las siguientes:

• Grado de saturación del 100 %.
• Diámetro medio D₅₀ entre 0,05 y 1,0
• Coeficiente de uniformidad Cu = D₆₀/D₁₀ <
• Contenido en finos inferior al 10 %.
• Bajo grado de compactación, es decir N < 10 para profundidades < 10m y N < 20 para profundidades > 10m.

La susceptibilidad a la licuefacción puede estimarse a partir de diversos métodos, Blázquez (2001). Uno de los más utilizados es el método de Seed e Idriss (1971). Según este método el suelo licuará si la razón de tensión tangencial cíclica CSR (cyclic shear stress ratio) producida por un sismo es mayor que la resistencia tangencial del suelo:

Donde,

_cm = esfuerzo cortante cíclico medio

σ_v = tensión total

σ’_v = tensión efectiva

amax = aceleración máxima horizontal

g = aceleración de la gravedad

r_d = factor de reducción con la profundidad (r_d =1 – 0,005z, siendo z la profundidad)

A partir de datos empíricos se puede estimar si el suelo es susceptible de licuefacción. Calculando el valor de CSR según la expresión anterior y pura un valor de (N_l)₆₀ en la figura 1 se indica si es posible la licuefacción para varias magnitudes de terremotos o sismos.

Figura 1. Susceptibilidad de licuefacción de un suelo en función de (NI)60, y la razón del esfuerzo cortante cíclico CSR (Ho et al., 1986).

(N_l)₆₀ es el valor del SPT, normalizado para una presión aproximada de 10 t/m² y una energía eficaz de golpeo del 60%. Para obtener este valor, se aplica la expresión:

(N₁)₆₀ = NC_NC_EC_BC_RC_S

Donde,

N = Nº de golpes del SPT

C_N = (Pa/ σ’_v)^0,5, donde C_N no debe exceder 1,7. Pa = presión atmosférica (10 t/m² ≌ 100 KPa)

C_E varía en función de la energía de golpeo del ensayo; para el tipo “donut” 0,5 < C_E < 1,2. Para el tipo “automático” 0,8 < C_E < 1,3 Y para el tipo “safety” 0,7 < C_E < 1,7.

C_B indica la influencia del diámetro del sondeo, siendo igual a 1,0 para: 6S mm < Ø < 115 mm.

C_R varía en función de la longitud del varillaje (L); para L menor de 3 m, C_R = 0,75; para L entre 4 y 6 m C_R = 0.85 y para L entre 10 m y 30 m, C_R= 1,0.

C_S = 1,0 para tomamuestras estándar.

Este fenómeno de suelos areno-limosos flojos y con baja permeabilidad ha dado lugar, durante terremotos, a grandes desastres por la anulación de las presiones efectivas debido a la repetición cíclica y rápida de los esfuerzos tangenciales provocados por el sismo. Esta situación se produjo en Japón durante el terremoto de 1964, en el que se produjeron asientos métricos con el consiguiente vuelco y giro de edificios por estar cimentados en depósitos flojos licuables. En ese mismo año se documentaron grandes deslizamientos en Alaska con la afección de varios edificios que se desplazaron hasta 200m.

Otros problemas geotécnicos: el sifonamiento 

El proceso de sifonamiento puede definirse como una inestabilidad del suelo producida cuando un flujo de agua ascendente, es decir, en sentido contrario al peso del terreno, genera una presión igual a la presión de tierras, anulando, por tanto, la presión efectiva.

Es decir, el sifonamiento provoca una presión efectiva nula lo que hace que en estas condiciones un suelo sin cohesión pierde su resistencia al corte y se comporte como un fluido, con lo cual tenemos la impresión que el terreno se ha “licuado” y se comporta como un líquido en ebullición. Para que se anulen las tensiones efectivas tenemos que aumentar la presión intersticial, ya que la presión total se mantendrá constante si no variamos la geometría ni las densidades de los materiales. Sin embargo, aunque similares, el sifonamiento no es lo mismo que la licuefacción de suelos. El fenómeno que hace aumentar a esta presión intersticial será lo que diferencia el sifonamiento de la licuefacción.

• Sifonamiento: en este caso, la causa del aumento de la tensión intersticial es un flujo ascendente de agua. Comúnmente esto ocurre en excavaciones al abrigo de pantallas, donde el nivel freático se encuentra relativamente alto y se realiza un bombeo de la excavación. El esquema hidráulico será el de la figura que se encuentra más abajo en el apartado de sifonamiento.

• Licuefacción: en este fenómeno, el aumento de la presión de poro viene producido por un esfuerzo súbito (y repetido) sobre la masa de suelo. De manera simplificada, podemos decir que en los suelos sometidos a una carga “rápida”, esta carga es absorbida en primer lugar por el agua, produciéndose sobrepresiones intersticiales (al igual que en el caso de la consolidación) que pueden llegar a producir la anulación de tensiones efectivas.

El parámetro fundamental para el cálculo frente a sifonamiento es el gradiente hidráulico. El valor de este gradiente hidráulico puede estimarse de varias maneras: mediante programas de cálculo numérico, mediante redes de flujo o, si es posible, mediante ábacos y gráficas para situaciones comunes (entre los que cabe destacar el gráfico del “Canadian Foundation Manual” para recintos cuadrados, rectangulares y circulares entre pantallas)

Habrá que comparar dicho gradiente hidráulico con un gradiente hidráulico crítico, que será el que produzca el “fallo”. Este gradiente hidráulico crítico (i_cr) será el que anule las tensiones efectivas, por tanto el sifonamiento ocurre cuando se alcanza un gradiente hidráulico crítico cuyo valor es el cociente entre el peso específico sumergido del suelo y el peso específico del agua:

Tomando unos valores “normales” para un suelo arenoso de densidad saturada igual a 20 kN/m³ y densidad del agua próxima a 10 kN/m³, resulta que el gradiente crítico suele encontrarse en el entorno de la unidad.

Cualquier objeto que se sitúe sobre un terreno con estas características, es decir, que tenga un peso específico superior al de la mezcla fluida de terreno y agua, se hundirá.  Esta situación es especialmente importante cuando encontramos maquinaria operando dentro de una excavación, o existen cimentaciones apoyándose en esa zona. Se trata del conocido fenómeno de las arenas movedizas.

Este problema es importante cuando se tiene que excavar bajo el nivel freático a una determinada profundidad, por lo que suele ocurrir en excavaciones profundas al abrigo de pantallas, tablestacas o pilotes secantes donde el nivel freático se encuentra muy elevado y  se detectan suelos sin cohesión como limos y arenas.

En estos casos, se producirá un flujo de agua desde el intradós de la pantalla hasta el fondo de la excavación cuyas filtraciones irán a parar a los elementos de agotamiento y drenaje.

Si el gradiente es importante, el fondo de la excavación perdería su estabilidad, disipándose toda la resistencia al corte del material granular. El terreno pasaría a comportarse como un fluido y entraría en un proceso de similar a la licuefacción de suelos.

El sifonamiento se produce, como hemos dicho, cuando en un trabajo de excavación y en un terreno saturado por debajo del nivel freático, el agua debe llenar la excavación hasta la cota superior del nivel. Al interponer una cimentación, esta debe soportar la subpresión por el empuje del agua por la diferencia entre la cara inferior de la cimentación y el nivel freático.

Esta filtración en el terreno se puede producir a mayor o menor velocidad, siempre en función de diferentes medidas. En este caso, se puede dar el caso que la velocidad o circulación del agua sea elevada, produciéndose arrastre de partículas o rotura súbita del fondo en la excavación.

En excavaciones de más de 6 m de profundidad al abrigo de pantallas impermeables debe estudiarse con detalle puesto que si se produce el sifonamiento del suelo las consecuencias podrían ser muy graves, llevando incluso a la ruina toda la obra.

Una forma de evitar que pase esto es realizando un bombeo en el fondo de la excavación, de forma que se produzca un rebajamiento del nivel freático, pero siempre con las debidas precauciones para con las estructuras cercanas. En estos trabajos se debe tener un especial cuidado con la existencia de estratos con menor permeabilidad cercano a los pies de las pantallas, puesto que las presiones pueden resultas mayores a la obtenida.

Otra forma de solucionar este problema consiste en utilizar tablestacas o ataguías que tengan una longitud de empotramiento “x” suficiente. En este caso, la línea de filtración más corta del agua tiene una longitud igual a h+2x, según se esquematiza en la siguiente figura 2.

 Figura 2. Longitud de empotramiento para evitar efecto de sifonamiento.

A modo de ejemplo, suponiendo el caso en que se tiene como datos el peso específico de las partículas sólidas de un suelo “γs” y su porosidad “n“. El peso específico del agua es “γw “. Se considera un coeficiente de seguridad “η“. Como el gradiente es h/(h+2H), se  puede comparar con el gradiente crítico dividido por su coeficiente de seguridad. De este modo, la longitud de empotramiento resulta:

En la figura 3 se representa la evolución del empotramiento en función de la profundidad de la excavación bajo nivel freático y de la porosidad del suelo, suponiendo un γs = 2,65 t/m³  y  un coeficiente de seguridad η = 3. Se puede observar la relación lineal entre el empotramiento y la altura del nivel freático sobre la excavación. Por otro lado cabe comentar que cuantos más poros presenta el terreno, más empotramiento es necesario.

Figura 3. Profundidad de empotramiento de una tablestaca para evitar el sifonamiento. Autor: Víctor Yepes.

Se debe tener en cuenta que una cosa es la profundidad mínima de empotramiento para evitar el sifonamiento y otra muy distinta es calcular el empotramiento necesario de una tablestaca para soportar los esfuerzos de empuje a los que está sometido. Por tanto, el empotramiento real será el mayor de los dos valores.

Extracto de uno de los módulos del “Curso de mecánica de suelo“, que se imparte en el centro de formación Ingeoexpert, de la mano de Juan José Pérez Santos, colaborador de Geoquantics.

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