Propiedades dinamicas del suelo

Capítulo Cap ítulo 2

LOS SUELOS SUELOS

2. LO S SUE SU ELO S

2.1. Introducción La naturaleza y la distribución del daño sísmico están muy influenciadas por la respuesta del suelo frente a cargas cícl cíclic icas. as. Dicha Dicha respu esta está controlada controlada en gran m edida por las prop iedades del suelo. Por ejemplo, la susceptibilidad de un depósito de suelo para amplificar el movimiento dep ende d e las prop iedades d inámicas, inámicas, siendo siendo el mód ulo de corte, G, y el el amortiguamiento, ξ, los principales parámetros para modelar la respuesta sísmica del suelo. Estos parámetros se relacionan con otras propiedades del suelo, de carácter más físico, como por ejemplo el índice de poros, la densidad relativa relativa y la velocidad velocidad de las ond as de cizalla. cizalla. Se hace necesario, por lo tanto, revisar los conceptos más importantes relacionados con la caracterización sísmica de los suelos. En concreto, en este capítulo se presentan los conceptos geológicos, geológicos, geotécnicos, sísmicos sísmicos y geológicos geológicos relaci r elacionad onad os con los suelos. Un p arámetro clave en estud ios de evaluación evaluación d e la respuesta sísmica sísmica d e suelos es la la velocidad velocidad de las ondas d e corte (u (u on das S). Norm almente su v alor se dedu ce a partir de ensayos o técnicas técnicas de reconocimiento de suelos, por ejemplo, se han estudiado a lo largo del tiempo correlaciones con el valor del contaje N en el ensayo de penetración estándar (SPT) con la velocidad de corte. Por lo tanto, se han revisado los pr incipales incipales ensayos de laboratorio laboratorio e in situ relacionados relacionados con este tema. Sin embargo, estos métodos sólo alcanzan una profundidad limitada y por lo tanto se requieren mod elos que redu zcan la la incertidum incertidum bre asociada asociada a dichos valores con la la profun did ad . El riesgo sísmico sísmico pued e aum entar considerablemente considerablemente por causa de la geología geología y/ o la topografía topografía de la zona que experimenta la sacudida, y por eso es conveniente que las normativas de diseño sismoresistente reflejen adecuadamente el peligro sísmico. Por este motivo también se han analizado las clasificaciones del suelo y los espectros de respuesta elástica presentados en las normativas de construcción sismoresistentes de varios países que, por su contexto tectónico regional, o sufren terr emotos fuertes o nos son cercanos. cercanos. Entre las primera pr imera s, se analiza las normativas d e Estados Estados Unidos d e América América y Japón. Japón. Entre las las segund as, el Eurocódigo Eurocódigo y la la normativa de construcción sismoresistente española: la NCSE-02.

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LOS SUELOS SUELOS

2.2. 2.2. Defin iciones y conceptos 2.2. 2.2.1. 1.

Defin ición de suel o

Desde el p unto de vista ingenieril, ingenieril, el material que constituye la corteza corteza terrestre se d ivide en d os categorías: suelo y roca. Suelo es el agregado natural de granos minerales que pueden separarse mediante medios mecánicos, como por ejemplo la agitación en agua. En cambio, roca es el agregado natural de minerales que están conectados por fuerzas permanentes y cohesivas de carácter fuerte y permanente. Las dos definiciones difieren en los términos “fuerte” y “perm anente”, que son m uy su bjetivos bjetivos y por tan to están sujetos sujetos a interpr etaciones etaciones diferentes. diferentes. Desde el punto de vista geológico, suelo es el material producido por los efectos de la meteorización o alteración sobre las rocas de la superficie de la tierra y está dividido en estratos u horizontes (concepto edafológico*). En cambio roca es el material constitutivo de la corteza terrestre, formado en general por una asociación de minerales y que presenta una cierta homogeneidad estadística; estadística; en general es d ura y coherente p ero a veces es plástica plástica (por ejemplo, ejemplo, la arcilla) arcilla) o m óvil (como (como ejemp ejemp lo, la la arena). ar ena). En todas estas definiciones se observa que el concepto suelo describe algo que es dinámico, por lo que discernir muchas veces entre roca con un alto grado de meteorización o suelo es, al menos, discutible. 2.2. 2.2.2. 2.

Consi stencia y lími tes de Atterberg

En geotecnia se dividen los suelos en función del contenido de humedad que se representa mediante los límites de Atterberg: límite de retracción, ωR, límite plástico, ωP, y límite líquido ωL. Estos valores separan las diferentes consistencias o apariencias del suelo. Así, distinguimos entre consistencia dura o sólida, consistencia friable (desmenuzable fácilmente) o semisólida, consistencia plástica y consistencia viscosa o fluid a (fig. 2.1) 2.1).. De este m odo, el límite d e retra cción, cción, contenido d e hum edad del suelo en su apariencia sólida. sólida. El límite límite líquido líquido d el suelo, suelo, ωL , ωR, es el contenido es el contenido contenido d e hu med ad en su apariencia líquid líquid a. Del mismo m odo, el límite límite plástico plástico o ωP es el contenido de humedad en el estado plástico del suelo. El contenido de humedad, P w y los límites límites de Atterberg se expresan en % d e agua en peso d e suelo seco. seco.

Figura 2.1. Consistencias del suelo en función del contenido de humedad, Pw. Edafologia*: Ciencia que trata sobre el estudio del suelo y que aparece a finales del siglo XIX. Su nombre viene del griego “edaph os”que significa significa superfície superfície de la tierra en contraposición de “geos” que denom ina al cuerpo cósmico. cósmico. Aunqu e algunos au tores han contrap uesto los conceptos conceptos “ciencia “ciencia d el suelo” y “edafología” con un carácter estático estático en la primera y d inámico en la segunda, en la actualidad ambas ciencias ciencias se confund confund en.

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2.2. 2.2.3. 3.

LOS SUELOS SUELOS

Índ ice de Plasticidad , IP

Se define índice de plasticidad como la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico, es decir: IP =

L

−

P

(2.A)

Donde ωL y ωP se expresan en %. Es un parámetro clave en estudios de respuesta sísmica ya que influye de forma notable en las prop iedades d inámicas de los suelos. suelos. 2.2. 2.2.4. 4.

Porosid ad e índ ice de poros

La porosidad, n , es la relación entre el volumen de huecos o poros (volumen de agua y volumen de aire en el suelo) respecto al volum en total de suelo: n=

V p

(2.B)

V T

Es un par ámetro ad imensional y toma valores que varían entre 0 y 1. El índice de poros, e, es la relación relación entre el volumen de h uecos o poros y el volumen de sólido, es decir: e=

V p

(2.C)

V S

Donde VP es el volumen de poros y V S es el volumen de sólido. El índice de poros es un parámetro adimensional. El índice de poros es un p arámetro tam bién adimensional que varía entre 0 e infinito. infinito. 2.2. 2.2.5. 5.

Peso específico natu ral y den sidad relativa

El peso esp ecífic ecíficoo natu ral es la relación relación entr e el peso total y el volumen total del su elo, es decir:

ρ =

W T

(2.D)

V T

Se expresa expresa en kN/ m 3. A par tir del índice de poros se d efine efine la densidad relativa relativa D r como: Dr

=

emax emax

−e

− emin

(2.E)

Donde e max , el índice de poros máximo qu e correspond correspond e al estado estado m ás suelto del suelo y e min y el índice de poros mínimo corresponde al estado más compacto del mismo. e es el índice de poros determinado del suelo. Para determinar el índice de poros máximo se introduce el suelo, previamente secado al horno, a volteo en un recipiente de volumen conocido. Para determinar el índice de poros mínimo se introduce el suelo seco en el mismo recipiente pero por capas,

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LOS SUELOS SUELOS

varillando y vibrando enérgeticamente cada capa hasta observar que no adquiere mayor compacidad. Una vez enrasad o el recipiente recipiente se calcula calcula su e. Este parámetro se utiliza para caracterizar materiales arenosos, de forma que una densidad relativa relativa d el 0 % equivaldría a una arena su elta y una d el 100 100 % a una arena d ensa. Una arena con una densidad relativa del 90 % indica que la compactación a la que ha llegado el material es la máxima compactación compactación que p ued e alcanzar. alcanzar. La tabla 2.1 2.1 calif califica ica el estad o de comp actación del suelo en fun ción de la den sidad relativa, D r. Dr (%)

0-15

15-30

30-50

50-80

>80

Estado de compactación

Muy suelta

Suelta

Media

Densa

Muy Densa

Tabla 2.1. 2.1. Densidad es relativas y compactación asociada

2.2. 2.2.6. 6.

Grad o de sobrecons olidación

Bajo el punto de vista geotécnico, distinguimos suelos no consolidados de los suelos sobreconsolidados. Los suelos normalmente consolidados son aquellos que ha soportado tensiones tensiones m áximas áximas históricas históricas similares similares a las tensiones tensiones qu e soportan actualmente; correspond correspond en a suelos que han sido cargados. En cambio los los suelos sobreconsoli sobreconsolidad dad os son aquéllos que han sido cargados y descargados, es decir, las tensiones máximas históricas que han soportado han sido mayores que las actuales. Este concepto se expresa a través del grado de sobreconsolidación u OCR (Over Consolida tion Ratio): '

OCR =

p max '

p act

(2.F)

Donde p’ma x y p ’act son las tensiones tensiones máxima y actual a las que se ha som etido el suelo. suelo. El valor de la razón d e sobreconsoli sobreconsolidación dación es igual a 1 para suelos normalmente consolidad consolidad os y para suelos sobreconsoli sobreconsolidad dad os es mayor a 1. 2.2. 2.2.7. 7.

Resisten cia al corte sin dren aje

Se define resistencia al corte sin d renaje (C u ) como la diferencia entre la tensión principal mayor y menor en rotu ra, es decir: decir: C u

=

(σ 1 − σ 3 ) ROTURA

(2.G)

2

Donde σ1 y σ3 son, respectivamente, respectivamente, las las tensiones principales principales mayor y menor en el mom ento de la rotura d el suelo. Este parámetro depende del tipo de material, del grado de confinamiento y de la historia de tensiones. Así, los suelos de índice de poros elevado presentan valores de C u menores, lo que implica menor resistencia del suelo. En cambio un suelo con índice de poros bajo es más compacto, está más confinado y por tanto presenta un valor de C u mayor, lo que implica mayor resistencia.

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LOS SUELOS SUELOS

2.3. 2.3. Propiedades d inámicas de los su elos La amplificac amplificación ión del movim iento en el suelo suelo está determinad a por las pr opiedad es dinám icas icas del suelo. Entre éstas, la rigidez del suelo y el amortiguamiento son las propiedades claves para el estudio d e la respuesta d e sitio. sitio. Una buena apr oximación oximación a la rigidez rigidez d el suelo se se obtiene obtiene a p artir del mód ulo d e corte G que se calc calcula ula por med io de la velocidad velocidad de las ond as sísmicas. sísmicas. La La razón d e amortiguamiento, ξ, muestra la capacidad que tiene el suelo para disipar la energía. Otras propiedades dinámicas son la densidad ρ y el índice de Poisson ν, pero éstas tienen menor influencia. En la figura 2.1 se muestra la caracterización de una columna litológica orientada a realizar un estudio d e respuesta d el suelo. suelo. Para cada cada estrato debe indicarse, al menos, su potencia, densidad y velocidad de las ondas sísmicas de cizalla. Información adicional sería el tipo de material, edad geológica, consistencia, límites de Atterberg, índice de plasticidad, humedad y profundidad del nivel freático, entre otr os.

Profundidad [m]

Zona de estudio

0 100 200 400

0

10 0 m

Figura Figura 2.1. 2.1. Caracterizac Caracterización ión de u na columna litoló litológic gicaa en u na zon a don de se realiza un an álisis álisis de la respuesta d e suelos. Para cada estrato d ebe indicarse indicarse potencia, densidad y velocidad velocidad de las ond as sísmicas sísmicas S

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2.3. 2.3.1. 1.

LOS SUELOS SUELOS

Propied ades y mód ulos dinám icos

La sacudida provocada por un terremoto es una carga cíclica rápida que provoca en el suelo un comportamiento tenso-deformacional no lineal, como el descrito por en la figura 2.2, que corresponde a la curva de histéresis deformación de corte γ tensión de corte τ. Las propiedades dinám icas icas más imp ortantes son el mód ulo de corte G y la razón de amortiguam iento ξ. El mód ulo de corte se define como la relación entre la tensión y la deformación de corte en un punto determ inado d e la curva de la figura figura 2.2 y es una med ida de la du reza del material. material. Se obtiene obtiene calculando la pendiente de la curva tensión- deformación y en función de dónde se evalúa esta pend iente se distingue entre el mód ulo de corte tangente (G tan ), secante (G sec) o máximo (G ma x). En la figura 2.2 se ilustran dichos módulos: el módulo de corte máximo (G max ), calculado como el valor de la pendiente de la recta tangente en el punto incial de la curva, el módulo de corte tangente (G tan ) que es el valor de la la pendiente en un pun to de la la curv curv a y el mód ulo de corte corte secante (G sec) que se calcula como la pendiente de la recta secante a la curva. El módulo de corte G está relacionad o con el coefici coeficiente ente d e Poisson ν y el módu lo de Young Young E según: E = 2(1 +

)G

(2.H)

Esta fórmula es válida para materiales que tienen un comportamiento isótropo. El coeficiente de Poisson ν también es un parámetro dinámico pero se considera que tiene una influencia menor. En la tabla 2.2 se muestran valores típicos de este parámetro para arcilla, arena y roca. En condiciones condiciones drenad as el valor típico típico d e este parám etro es 0.3 0.3 y en condiciones condiciones no d renad as toma el valor d e 0.5. 0.5.

Figura 2.2. 2.2. Curv a de histéresis deform ación de corte corte γ -tensión - tensión de corte τ, y definición definición del m ódu lo de corte máximo (Gma x), tang tang ente (Gtan ) y secante (G sec). La La ten sión τ se expr expr esa en kPa y la deform ación γ es adimen sional sional y se expresa en%.

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LOS SUELOS SUELOS

Tipo Tipo d e material

Ratio de Poisson ν

Arcilla

0.4-0.45

Arena

0.30-0.40

Roca

0.15-0.25

Tabla 2.2. Ratio de Poisson ν asociado asociado a diferentes diferentes tipo d e ma terial. terial.

La razón de amortiguam iento expresa expresa la capacidad capacidad del material para d isipar isipar la energía . Se calcula según:

ξ =

W D 4π W S

=

Alazo

1

(2.I)

2π Gsec γ c2

Donde W D corresponde a la energía disipada, W S es la energía de deformación deformación m áxima y A lazo es el área d el lazo del ciclo ciclo de h istéresis. Es habitual la representación normalizada del módulo de corte versus el módulo de corte máximo, conoci conocida da como curva d e redu cción cción de m ódu lo (fi (fig. g. 2.3 2.3)) dond e se observa que el mód ulo de corte disminuye a med ida que au menta el nivel de d eformación. eformación. La razón de amortiguam iento también depende del nivel de deformación siendo mayor a medida que aumenta la deformación d e corte (fig. 2.3). 2.3).

1

30

25

0,8

% (

o 20 t x a m

0,6

G / G

n e i m a u g 15 i t r o m a n 10 ó z a R

Módulo de Corte Corte Razón Amortiguamiento

0,4

0,2

5

0 0,0001

0 0,001

0,01

0,1

1

10

Deformación Deformación d e Corte (%)

Figura Figura 2.3. 2.3. Curva d e redu cción cción de m ódu lo de corte y variación variación de la razón de am ortiguación ortiguación con el nivel de d eformación eformación de corte para un a arcilla arcilla blanda [5]. [5].

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LOS SUELOS SUELOS

El comp comp ortamiento d el suelo varía en función d el rango d e d eformación eformación d e cizall cizallaa qu e existe existe en el terreno [6]. Por lo tanto, debe tenerse en cuenta este nivel de deformación para estudiar qué parámetros y modelos son los más adecuados para describir el comportamiento del suelo (fig. 2.4).

Figura Figura 2.4. 2.4. Cambios Cambios en las propiedad es del suelo con la d eformación eformación d e corte y mod elos correspondientes correspondientes [6].

Por ejemplo para deformaciones de corte del orden de 10 -5 % el comportamiento es elástico puro (es decir, la deformación producida en el suelo es recuperable). Se utilizan modelos elásticos y el parámetro más adecuado para caracterizar el suelo es G ma x que, en este n ivel de d eformación, eformación, se calcula calcula como: Gmax

= ρ ⋅ v S2

(2.J)

Donde ρ es la densidad natural del suelo (incluyendo partículas sólidas y agua) y v S es la velocidad velocidad de las ond as sísmicas sísmicas d e cizalla. cizalla. Las Las unidad es de G ma x son masa por longitud -1 por tiemp tiemp o -2. El uso de la velocidad velocidad de las ond as sísmicas sísmicas S es uno d e los medios más utilizados para m edir in situ Gmax , aunq ue este m étodo p resenta limitaciones. limitaciones. Por ejemplo, ejemplo, en zonas dond e las condiciones condiciones de esfuerzo esfuerzo son anisótropas la interpretación de la velocidad velocidad de las ondas sísmicas debe realizarse realizarse con con cuidad o porqu e la anisotropía anisotropía pu ede causar variaciones variaciones en la veloci velocidad dad de las ondas sísmicas de cizalla variando su dirección [7], [8] y [9]. En estos casos, G max se puede estimar a partir de los datos obtenidos en ensayos d e laboratorio. laboratorio.

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2.3. 2.3.2. 2.

LOS SUELOS SUELOS

Facto Factores res qu e influyen en las las propied ades dinámicas del suelo

Los factores factores clave clave que influyen influyen en las p ropiedad es d inámicas del suelo son la tensión efectiva efectiva de confinamiento, el nivel de tensiones en el suelo, el índice de poros y la plasticidad del suelo. La tensión total efectiva vertical está definida como σ’V = ρz, donde ρ es el peso específico del suelo y z la p rofund idad desd e la sup erfíci erfície. e. Por lo tanto la tensión tensión efectiva efectiva vertical vertical aum enta con la profundidad y el material está más confinado. Un incremento de tensión efectiva media provoca un aumento del límite de deformación elástica. En consecuencia, los suelos bajo tensiones de confinamiento altas se comportan como materiales más rígidos que suelos idénticos bajo tensiones de confinamiento menores (fig. 2.5). Se ha observado que para arcillas el aumento del índice de p oros causa causa u na d isminución isminución del mód ulo de corte y de la razón de amor tiguamiento.

Figura 2.5. 2.5. Variación Variación del mód ulo de corte en fun fun ción de la tensión tensión d e confinam confinam iento, del índ índ ice de plasticidad y la d eformación cíclica cíclica de corte [10]. [10].

La disminución del mód ulo d e corte con con el aum ento de la d eformación eformación es menor cuand o el índ índ ice ice de plasticidad plasticidad del m aterial aumenta (fig. (fig. 2.6 2.6). ). Se Se ha m ostrado qu e dicho mód ulo en ar cill cillas as d e alta plasticidad es elástico a altas deformaciones [11]. Para suelos ligeramente consolidados (OCR>1) con alto indice ind ice de plasticid plasticid ad, ad , G max aumenta. En cambio para suelos normalmente consolidados (OCR = 1) si el índice de plasticidad crece, G max permanece más o menos constante. Esta característica es muy importante ya que puede influir en la manera en que un depósito de suelo amp lifi lificará cará o atenuará los movimientos provocados por u n terremoto.

Figura 2.6. 2.6. Variación del módu lo de corte corte en función del grad o de sobreconsolicación sobreconsolicación del suelo y del índice de p lastic lasticidad idad y la d eformación. eformación.

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LOS SUELOS SUELOS

En el mismo estudio se mostró que, para índices de plasticidad elevados, la razón de amortiguam iento disminuye con el aum ento d e la d eformación eformación (fig. (fig. 2.7 2.7). ).

Figura Figura 2.7. 2.7. Variaci Variación ón de la razón d e amortiguamiento en función función d el índice de plastici plasticidad dad , el grado d e sobreconsolidación del suelo y la deforma ción.

Estos Estos ensayos mu estran que el mód ulo de deformación deformación de corte máximo pu ede expresarse según: Gmax

= 625 ⋅ F (e )(OCR )k Pa1−n (σ m' )

n

(2.K)

Donde F(e) es una función que depende del índice de poros del suelo, OCR es la razón de sobreconsolidación del suelo, P a es la presión atmosférica, σ’m es la presión efectiva media [ σ’m =σ’1+σ’2+σ’3] y n = 0.5 0.5.. El El parám etro k dep end e del índice d e plasticida plasticidadd d el suelo (tabla 2.3) 2.3).. ÏNDICE ÏND ICE DE PLASTICIDAD 0 20 40 60 80 >=100

K 0.00 0.18 0.30 0.41 0.48 0.50

Tabla 2.3 2.3 Relación Relación entre el índ ice de plasticidad y el par ámetr o k [12] [12]

Algunas d e las propu estas para la función F (e) (e) son: son: F (e ) =

1

(0.3 + 0.7e )

F (e ) =

2

1

e

1.3

, [13]

, [14]

(2.L)

(2.M)

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LOS SUELOS SUELOS

También se han propuesto correlaciones empíricas del parámetro G max para tipos específicos de suelos. Por ejemp ejemp lo para u na arena: G max

= 1000 K 2,max (σ m' )

0.5

(2.N)

Donde K 2,max se calcula a partir del índice de poros e o de la densidad relativa de la arena, D (tabla 2.4 ). e 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

K2,max 70 60 51 44 39 34

Dr(%) 30 40 45 60 75 90

r

K2,max 34 40 43 52 59 70

Tabla 2.4. Relación e- K2,max y D r (%)- K2,max [15].

Para d eformaciones eformaciones del orden entre 10 -5 % y 10-3 % el comportamiento del suelo es elastoplástico y se utiliza el módulo de corte secante (G sec) y la razón de amortiguamiento. Estos parámetros no varían con el núm ero de cicl ciclos os de carga. Para deformaciones superiores a 10 -3 % las propiedades del suelo varían en función de la deformación de corte y también del número de ciclos de carga, por lo que se ha de considerar la velocidad velocidad de carga. El El módu lo de corte y la la razón d e amortiguam iento varían en función función de cómo varían las tensiones efectivas de confinamiento durante la historia de deformaciones de corte aplicadas sobre el suelo (que puede no ser uniforme). Cuando queda establecida esta ley de variaciones de las tensiones efectivas de confinamiento puede establecerse los lazos histeréticos que son compatibles compatibles con d icha icha ley. En resumen, los factores que controlan el comportamiento de los suelos frente a carga cíclica son los factores de carga: deformación de corte, tipo de carga (uniforme o irregular) y frecuenciavelocida velocidadd d e carga carga y los los factores factores inh inherentes erentes al suelo: índice índ ice d e plasticidad plasticidad , índice índ ice d e poros, ed ed ad geológica, grado de cementación, razón de sobreconsolidación y estado tensional inicial del suelo. 2.4. 2.4. Reconocim Reconocim iento d e los suelos En los siguientes apartados se analizarán las diferentes técnicas de reconocimientos de los suelos encaminadas principalmente a definir una serie de parámetros que se pueden relacionar con varias prop iedades de los suelos (módu los de deformabilidad deformabilidad , densid ad relativa, relativa, grado de consolidación, consistencia y r igidez, etc). El objetivo objetivo final es establecer la clasificaci clasificación ón d el suelo. Se ha d istingu istingu ido entre m étodos d e laboratorio laboratorio y los métodos d e campo d iferenci iferenciánd ánd ose en estos últimos entre ensayos que supon en baja deformación deformación y los qu e implican implican altas d eformaciones. eformaciones. Los ensayos de baja deformación implican niveles de deformación de corte inferiores a 0.001 % y el comportamiento tensión-deformación del suelo es lineal. Por este motivo el fundamento teórico de estos métodos se basa en teorías de p ropagación de ond as en m ateriales ateriales lineale linealess y en la medida de las velocidad velocidad es de las onda s sísmicas sísmicas internas internas (P y S) al propaga rse a través de éstos. Los datos obtenidos pu eden r elacionarse elacionarse con con el mód ulo d e corte del material a bajas bajas d eformaciones. eformaciones. Es más frecuente la med ida d e las veloci velocidad dad es de ond as sísmicas sísmicas de cizalla cizalla (S) (S) dad o que, aun que las ondas longitudinales son más rápid as y se detectan detectan con mayor facili facilidad dad , su veloci velocidad dad dep ende

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LOS SUELOS SUELOS

de la temperatura y la salinidad del agua. Así, en suelos blandos y saturados se obtienen valores mu y altos y esto no es ind ind icativo icativo de m ayor rigidez del ma terial. terial. Los ensayos que implican altas deformaciones se usan para medir parámetros tales como la resistenci resistenciaa d el suelo y los resultados obtenidos se correlaci correlacionan onan con otras p ropiedad es. 2.4. 2.4.1. 1.

Métod os de laborat orio

2.4.1.1 2.4.1 .1 Columna Colum na de resonan resonancia cia

Es el el ensayo de laboratorio que se utiliza utiliza usualmen te para d eterminar las prop iedades d el suelo suelo a -4 deformaciones inferiores a 10 %. Consiste en someter m uestr as cilí cilínd nd ricas d e suelo, huecas o sólidas, sólidas, a u na carga h armón ica ica torsional por med io de u n sistema electromagn electromagn ético. ético. Este Este sistema sistema norm almente aplica aplica un a carga harm ónica ónica de la que pu ede controlarse controlarse la la amp litud litud y la frecuenci frecuenciaa (fig. 2.8).

Figura 2.8. 2.8. Dispositivo tipo de un ensa yo de column a de resona ncia: (a) Vista Vista sup erior del sistema sistema d e carga (b) Vista Vista lateral del sistema d e carga.

Tras la preparación de la muestra, se somete a una carga cíclica. Inicialmente la frecuencia de carga tiene un valor bajo y se aumenta progresivamente hasta que la amplitud de deformación alcanza un valor máximo. La frecuencia más baja para la cual la respuesta de la muestra es máxima se conoce como frecuencia fundamental y depende de la rigidez de la muestra, de su geometría y d e las caracterís característic ticas as d el dispositivo de la column a d e resonancia. La frecuencia fundamental obtenida se correlaciona con el módulo de corte y la razón de amortiguam iento mediante el siguiente siguiente proceso. Si se considera considera u na m uestra d e altura h cuya base no admite rotación y sometida a una carga torsional harmónica se puede relacionar el momento según: torsor T con con el módu lo de corte corte G y la rotación θ que experimenta la mu estra según: T = GJ

∂ I ∂ =G ∂ z ρ ∂ z

(2.O)

Donde J es el momento polar d e inercia inercia e I es es la masa d el momento p olar de inercia inercia de la m uestra. Este momento torsor T debe ser igual al torsor inercial del sistema de carga, es decir:

∂ 2θ T = − I 0 h 2 ∂t

(2.P)

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LOS SUELOS SUELOS

Donde I0 es la la masa del momento p olar de inerci inerciaa de los elementos elementos del sistrema sistrema de carga torsional torsional conectados conectados en la p arte sup erior de la mu estra. Sup oniendo que la rotación rotación también es harm ónica ónica se pued e expresar: expresar:

( z, t ) = Θ( z )(C 1 cos ω t + C 2 sin ω t )

(2.Q)

Donde Θ(z) = C 3coskz + C 4sinkz. Con la condición rotación en la base cero se obtiene C 3 = 0 e igualando las ecuaciones ecuaciones se obtiene obtiene la frecuenci frecuenciaa fund amental ωn = k nv s. I I 0

=

n

h

vS

tan

ω n h vS

(2.R)

Los datos conocidos son h, I, I 0 y la frecuencia frecuencia fundam ental ωn se obtiene experimentalmente con este ensayo. A partir de la ecuación 2.27 se obtiene la velocidad v s que se correlaciona con el mód ulo d e corte G por m edio d e la ecuación ecuación 2.19 2.19.. 2.4.1.2

Ensayo Ens ayo de corte cíclico de torsión

Es un ensayo de corte simple cíclico en el que los esfuerzos tangenciales en la probeta se imponen a través de un momento torsor (fig. 2.9). Se suele realizar este ensayo con probetas huecas e imponiendo presiones de confinamiento interiores y exteriores diferentes que permiten reprod ucir prácticamente prácticamente cualquier trayectoria trayectoria d e tensiones en en el material ensayado y determinar la influencia de la variación en la orientación de las tensiones principales en el comportamiento del m aterial. aterial. Se Se utiliza para med ir las característi características cas de r igidez igidez y am ortiguamiento d el material en un am plio rango de deformaciones. deformaciones.

Figura 2.9. 2.9. Ensayo Ensayo d e corte corte cícli cíclico co de torsión. La muestra está rod ead a por u na mem bran a exterior e interior que aplican presiones exterior e interior independientemente. La aplicación del momen to torsor ind uce tensiones tangenciales tangenciales en los p lanos horizontales.

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Capítulo Cap ítulo 2 2.4. 2.4.2. 2.

LOS SUELOS SUELOS

Métod os de campo

2.4.2.1 2.4.2. 1 Ensayos En sayos de baja baja deformación deformación

Análisis espectral de ond as sup erficiales erficiales El dispositivo dispositivo d e este ensayo consiste en la instalación instalación d e d os receptores verticales verticales separados un a distancia ∆d = d B – d A en la superfície del suelo y al lado de una fuente emisora de ruido, sobre un a misma línea visua l (fig. (fig. 2.1 2.10). 0).

Figura 2.10. 2.10. Dispositivo del aná lisis lisis espectral de on da s sup erficiales. erficiales. Los receptor receptor es se colocan colocan respecto a la fuente fuente d e mod o que la d istancia istancia dA+d B es constante [16].

Los datos registrados son la d iferenci iferenciaa d e fase de las ond as RayLeigh. RayLeigh. Estos Estos datos se tra nsforman al dom inio de frecuencias frecuencias mediante la transformad a ráp ida d e Fourier. Tras dicha transformación, transformación, la diferencia de fase se computa para cada frecuencia. De esta forma se puede obtener el tiempo de v iaje iaje de las ondas entr e los dos receptores como:

∆t ( f ) =

Φ ( f ) 2π f

(2.S)

Dado que la distancia entre los dos receptores es conocida ∆d = d B – d A se puede calcular la velocidad velocidad y la la longitud longitud d e onda como: como: v R ( f )

=

λ R ( f ) =

∆d ∆t ( f ) v R ( f ) f

(2.T) (2.U)

La representación de la velocidad de las ondas superficiales RayLeigh en función de la frecuencia (o de la longitud longitud de ond a) se conoce conoce como como curva d e dispersión. Se ha demostrad o que la forma forma d e las curvas de dispersión en un lugar determinad o está está relacionada relacionada con la la variación variación de la velocidad velocidad de las ondas internas con la p rofund idad (fig. (fig. 2.1 2.11) 1)..

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LOS SUELOS SUELOS

Figura Figura 2.11 2.11.. Curva de d ispersión ispersión experimental obtenida obtenida a partir d e un análisis análisis espectral espectral de ond as superficiales [16].

Los datos obtenidos con un solo espaciado entre receptores son buenos pero se recomienda utilizar varios espaciados manteniendo el punto central del mismo siempre a la misma distancia de la fuente de manera qu e d A+d B perm anece constante. constante. Los resultados obtenidos sirven para determ inar la p otencia otencia d e los estratos superficial superficiales es así como como las veloci velocidad dad es de las ondas S en en estos niveles mediante la comparación de la curva de d ispersión ispersión obtenida y un a curva d e dispersión teórica. teórica. Los perfiles perfiles de velocidad velocidad obtenidos se ajustan ajustan bastante bien a otros p erfiles erfiles de velocidad velocidad de otros ensayos (p or ejemplo en el ensa yo Cross-H ole [17] [17]). ). Este ensayo tiene una serie de ventajas sobre otros métodos de campo porque se ejecuta rápidamente y no requiere de sondeo, puede detectar niveles de baja velocidad de las ondas sísmicas y se puede utilizar para profundidades considerables (superiores a los 100 m). Además puede usarse en zonas donde la extracción de muestras y la realización de sondeos sea difícil de realizar. Los materiales donde se suele utilizar este ensayo son las gravas, depósitos debris-flow [18] [18] y los verted eros d e basu ras [19]. [19]. Como limitaciones cabe destacar que requiere de equipos especiales y observadores experimentados y su aplicabilidad se restringe a zonas donde la curva de dispersión teórica es satisfactoria satisfacto ria [20] y [21]. [21].

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LOS SUELOS SUELOS

Ensayo sísm ico Cross- Hole Este ensayo sísmico utiliza dos o más sondeos para medir la velocidad de las ondas sísmicas. El dispositivo consiste consiste en en d os sondeos, el primero con la fuente emisora de energía y el segund o con el receptor receptor situad os a la misma profun did ad (fig. (fig. 2.1 2.12) 2).. De esta manera se m iden la velocidad velocidad de prop agación agación d e las ondas a través d el material situado entre am bos sondeos. Repitie Repitiend nd o el ensayo a distintas profund idad es se obtiene obtiene un perfil de veloci velocidad dad es vs. la profund idad.

Figura 2.12. 2.12. Ensayo sísmico Cross-Hole. Cross-Hole. (a) Medid a d irecta usand o dos son deos (b) Configuración de tres sondeos.

Se recomienda utilizar más de dos sondeos para minimizar los errores resultados de las medidas del tiempo de disparo, los efectos del material superficial e intersondeos y la anisotropía. Las velocidades de onda se calculan a partir de la diferencia en los tiempos de llegada en el par de sondeos. Los tiempos de llegada se determinan visulamente usando puntos de fase común (primera llegada, primer pico, etc). o por medio de técnicas de correlaciones cruzadas usadas habitualmente en exploración petrolera [22]. En función del tipo de fuente emisora utilizada en la generación de las ondas sísmicas, el contenido en ondas P y S es diferente. Por ejemplo para explosivos el contenido en ondas P es mayor [23] particularmente cuando se utilizan grandes cantidades y se detona cerca de la superfície del suelo. Las fuentes de tipo mecánico son ensayos de penetración tipo SPT, impactos verticales y cargas torsionales torsionales en la base d el sondeo. Los impactos verticales verticales también tienen u n contenido elevado en onda s P, por ello ello se recomienda recomienda utilizar utilizar imp actos actos horizontales en la superficie superficie del suelo suelo que generan mayor contenido en ondas SH. Las ventajas de este método son las siguientes. Permite obtener perfiles de velocidades a profundidades de 30 a 60 m utilizando fuentes emisoras mecánicas. Con fuentes emisoras tipo explosivo puede alcanzar profundidades mayores. Además detecta capas ciegas con mayor facilidad que otros métodos como por ejemplo la sísmica de refracción. Y entre las limitaciones, las velocidades de las ondas sísmicas son sensibles a la distancia emisorreceptor. receptor. Esto requiere estudiar estas desviaciones, desviaciones, particularmente par a sond eos de 15 a 20 m d e profundidad. Además las velocidades pueden emmascararse si se atraviesan capas de alta velocidad. En estos casos se requieren otros métodos como la sísmica de refracción, la corrección de trayectorias de la curvatura del rayo sísmico en materiales que varían continuamente de velocida velocidadd , etc. etc. La velocidad de las ondas internas permite obtener la rigidez del material, los módulos de deformabilidad del suelo (E, G) y el índice de Poisson ( ν). También se ha relacionado la atenuación de la amp litud litud de las ond as sísmicas sísmicas con el amortiguamiento del material.

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LOS SUELOS SUELOS

Así los materiales más blandos tienen velocidades de propagación de la onda menores (y viceversa). La relación que existe entre los parámetros de deformabilidad, el índice de Poisson y la velocidad velocidad de las ondas P y S son los siguientes: siguientes: vP

=

vS

=

E (1 − υ )

ρ (1 + υ )(1 − 2υ ) E 2 ρ (1 + υ )

vP vS

=

Gmax

=

G

ρ

2(1 − υ ) 1 − 2υ

= ρ ⋅ v S2

(2.V)

(2.W)

(2.X)

(2.Y)

Las medidas de la atenuación de la amplitud en los datos obtenidos de estos ensayos se han utilizado para obtener la razón de amortiguamiento del suelo [24], [25] y [26]. El procedimiento requiere de receptores receptores ad ecuad ecuad amente calibrados, calibrados, orientados y su jetos a la pared del sond eo. Si Si se supone que existe un patrón de radiación conocido, los efectos de la atenuación geométrica se pueden separar de la atenuación medida para obtener la atenuación debida al amortiguamiento del material. La hipótesis utilizada limita la aplicabilidad de este método a zonas de geometría sencil sencilla la y d e suelo hom ogéneo. Ensayo sísmico Down - Hole (Up-Hole) El dispositivo dispositivo d e este ensayo es similar al anterior pero sólo utiliza utiliza u n sond eo y sitúa el receptor en la superfície del suelo (Up-Hole) o en el interior del sondeo (Down-Hole). El receptor se puede mover a distintas profundidades o bien colocar múltiples receptores a varias profundidades predeterminadas (fig. 2.13).

Figura 2.13. 2.13. (a) Ensayo Ensayo sísmico Up-Hole. (b) Ensayo sísmico Dow n-Hole.

El objetivo del ensayo es tomar medidas de los tiempos de viaje de las ondas sísmicas internas generadas a partir d e la energía energía de la fuente emisora. Se Se recurre a la representación representación en u na curva de los tiempos de llegada versus la profundidad; el valor inverso de la pendiente de esta curva representa la velocidad velocidad de p ropagación de la ond a sísmica. sísmica. El ensayo ensayo Down -Hole genera ondas sísmicas de cizall cizallaa S con con mayor facili facilidad dad que el ensayo UpHole y por lo tanto su uso es más frecuente. Con una fuente de ondas SH el ensayo Down-Hole mide las veloci velocidad dad es de onda similares similares a aqu ellas ellas que tr ansportaron mayor en ergía sísmica sísmica hacia hacia la sup erfície erfície del suelo.

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LOS SUELOS SUELOS

También se ha intentado medir la razón de amortiguamiento con este ensayo [26], [27] y [28]. Dado qu e las ondas p ued en atravesar tod os los materiales materiales que existan existan entre la fuente emisora y el receptor receptor el ensayo Down-Hole pu ede, adem ás, detectar detectar capas ciegas. Las limitaciones del ensayo son el grado de alteración del suelo cuando se realiza el sondeo, posibles efectos de fluídos en el sondeo, excesivo o insuficiente impulso, efectos de ruido sísmico y efectos del nivel freático. La expansión geométrica y el amortiguamiento pueden influir en las longitudes de onda y por tanto las velocidades de las ondas S pueden tener una interpretación incorrecta incorrecta para p rofund idad es superiores a 30-6 30-600 m. 2.4.2.2

Ensayos En sayos de alta deformación deformación

Ensayo de Pen etración etración Estánd ar (SPT) Este ensayo es uno de los más antiguos y utilizados en ingeniería geotécnica y en algunas aplicaciones para ingeniería sísmica. El dispositivo del ensayo se muestra en la figura 2.14. Consiste en clavar una barra que incorpora una punta afilada en un sondeo dejando caer un martillo de 63.6 63.6 Kg Kg d esde u na altur a d e 76 cm. cm.

Figura 2.14. 2.14. Muestra d el ensayo SPT SPT

Se cuentan el nú mero d e golpes necesarios necesarios para clavar la pu nta 60 mm p ero cada 15 mm , es decir, decir, se realizan cuatro medidas y se toman los 30 mm centrales. Este valor, conocido como N SPT , se toma como la resistencia del terreno. El valor N d epend e del tipo de su elo, elo, la la tensión de confinamiento confinamiento y la densidad pero también está influenciado p or el pr ocedimient o de d e realización del ensa yo y el equip o [29], [29], [30] [30] y [31]. [31]. El valor de resistencia N debe corregirse en función de la energía aplicada. La siguiente expresión corrige este valor al 60 % del ratio d e energía:

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LOS SUELOS SUELOS

( N 1 )60 = N m ⋅ C N ⋅

E m

(2.Z)

0.60 E ff

Donde (N 1)60 es la resistencia resistencia corregid corregid a, N m es la resistencia de penetración medida, C N es un factor de corrección, E m es la energía del martillo y E ff es la energía teórica del martillo en caída libre. El valor (N 1)60 se ha correlacionado con propiedades de los suelos de grano grueso, como por ejemplo la densidad relativa o el ángulo de fricción del suelo. Las correlaciones con los suelos de grano fino existen pero no son tan fiables. Existen versiones de este ensayo para trabajar con suelos tipo grava (BPT “Becker Hammer Penetration”). Se ha de tener en cuenta que los resultados obtenidos de este ensayo son producto de correlaciones empíricas. Algunas de dichas correlaciones entre N y V S para d istintos istintos tipos de suelo fueron obten idas p or [32] [32] y se pr esentan en la tabla 2.5. 2.5. Tipo de material y edad Arena Holocena Holocena Grava Holocena Holocena Depósito de eda d Pleistocena

Correlaci Correlación ón V S = 87.8 N 0.292 V S = 75.4 N 0.351 VS = 138 N 0.246

Tabla 2.5. 2.5. Correlaciones Correlaciones emp íricas íricas entre el valor N d el ensayo d e pen etración estánd ar (SPT) (SPT) y la velocida velocida d de las ond as sísmicas sísmicas de corte (m/ s) par a diferentes tipos de su elo y edad es geológicas geológicas [32] [32]..

Cono de Penetración (CPT/CPTU) El procedimiento del ensayo consiste en la penetración de una punta cónica en el terreno a una velocidad velocidad constante de 2 cm/ cm/ s. El El dispositivo dispositivo incorpora, incorpora, ad emás, un m angu ito de fricci fricción ón qu e está conectado a células de carga que miden la resistencia de punta q c , y la resistencia friccional friccional del mangu ito, f s. A p artir d e estos pará metros se obtiene el ratio de fricci fricción, ón, R f, como: R f

=

f S qc

(2.AA)

El ratio de fricción fricción sirve pa ra clasificar clasificar el suelo (fig. (fig. 2.15 2.15)) y es may or en su elos cohesivos cohesivos p ero menor en su elos elos no cohesivos. cohesivos. La resistencia de punta y la fricción lateral se correlacionan con el tipo de suelo y otras propiedades como la razón de sobreconsolidación, el grado de cementación, la edad y la sensitividad obteniéndose así una clasificación final (fig. 2.15). Discrimina entre suelos muy blandos a duros, entre arenas muy sueltas a muy densas, entre arenas y arcillas limosas, arcillas arenos as, arcillas arcillas inorgán icas icas insensitivas, arcillas arcillas orgán icas y turba ( peat ). peat ).

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LOS SUELOS SUELOS

Figura 2.15. 2.15. Clasif Clasificac icación ión d el suelo a par tir de los resultad os del cono d e pen etración. El El suelo se clasif clasifica ica a par tir de la ratio d e fricción fricción Rf y d e la resistencia resistencia de la p un ta cónica, qc [33].

Existe una variante del ensayo, el piezocono (CPTU) que puede medir la presión de agua en la punta por medio de una piedra porosa situada justo detrás de la punta y conectada a un tran sductor sd uctor d e pr esiones. La La clasific clasificación ación de su elo (fig. (fig. 2.17 2.17)) en este caso se obtiene a pa rtir d e otro parámetro, Bq , definido como: Bq

=

− u0 qT − σ v 0 uT

(2.BB)

Donde u T es la presión de poros medida en la piedra porosa, σv0 es la tensión vertical, u 0 es la presión de poros y q T es la tensión tensión en la pu nta.

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LOS SUELOS SUELOS

La clasificación obtenida en la figura 2.16 permite saber si se trata de un suelo normalmente consoli consolidad dad os, o bien bien sobreconsoli sobreconsolidad dad o (aumento de OCR), de u n su elo de mayor ed ad, o bien de un su elo con con mayor gr ado d e cementación. cementación.

Figura 2.16. 2.16. Clasificac Clasificación ión del suelo a partir de los resultados d el cono cono d e penetra ción a partir del ratio de fricción fricción norm alizado y d e la resistencia resistencia del cono [34].

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LOS SUELOS SUELOS

Figura 2.17. 2.17. Clasificac Clasificación ión del suelo a p artir d e los resultados d el cono cono d e pen etración [35]. [35].

A partir de los resultados de estos ensayos (q c y f s) se pueden obtener propiedades como la densidad relativa del suelo D r o el módulo de corte a bajas deformaciones G’ 0 mediante correlaciones: G 0'

' = qc C 0 (σ oct )

C 1

e

C 2 Dr

(2.CC)

Donde C 0 C1 y C 2 son pa rámetros em píricos, píricos, Dr es la densidad relativa, relativa, e el índ índ ice ice de p oros, q c es la resistencia de punta y σ’oct es la tensión octaédrica octaédrica efectiva. efectiva. Dado u n sistema sistema de referencia referencia d onde σ1 ,σ2 y σ3 son las tensiones tensiones principales se se pu ede d efinir efinir un a recta dond e σ1 = σ2 = σ3 . Dicha Dicha r ecta se conoce como recta hidrostática y el plano perpendicular a ésta es la plano octaédrico. Entonces, la tensión tensión octaédrica es la tensión norm al a d icho icho p lano. Los facto factores res qu e influyen influyen en los resultados de este ensayo son los siguientes. La La temp eratura, ya que durante la penetración del cono y especialmente en arenas secas o en arcillas cuando se trabaja trabaja cerca cerca d e sup erfíe, erfíe, se prod ucen temp eraturas elevad elevad as debido a la fricci fricción ón con el suelo que pueden afectar en gran medida a los resultados obtenidos. El ratio de penetración porque se ha comprobado que en limos y arcillas el ratio de penetración recomendado produce exceso de presión de poros y que en suelos de grano grueso si se excede este ratio de penetración recomendado se obtienen valores de resistencia de punta q c superiores a los esperados. La resolución resolución del d ispositivo ispositivo ya qu e los dispositivos dispositivos d e este ensayo transmiten d atos digitalmente lo que implica que las medidas son valores medios obtenidos a una profundidad determinada y debe tenerse en cuenta que la resolución del dispositivo disminuye a medida que aumenta la profun dida d. La presión de poros porqu e dicha presión debe ajustarse ajustarse especialmente especialmente en suelos suelos de grano fino y en arcillas. Además, las presiones de poros medidas depende de la saturación mantenid a en la piedr a porosa y en el transductor. La rigidez rigidez del cono porqu e la resolución resolución de las medidas realizadas depende del rango de tensiones totales para el cual se ha diseñado el dispositivo. Exi Existe ste la tend encia encia a utilizar utilizar d ispositivos ispositivos únicos para materiales muy diferentes como como por ejemplo arena o arcilla blanda. Esto conlleva disminuir la resolución en el rango de las bajas tensiones [36]. [36]. La alteración alteración del terren o porqu e el ensayo CPT prod pr oduce uce rotura en el suelo. Durante esta rotura se desarrollan presiones de poros en función de las propiedades del suelo y por tan to la fricc fricción ión medid a es la de u n suelo alterado.

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LOS SUELOS SUELOS

Dilatómetro Este dispositivo de medida in situ de las propiedades del suelo es relativamente reciente ya que fue introdu cido cido por Marchetti en 1975 1975-1 -198 980. 0. Consiste Consiste en u n tu bo que acaba en un pu nta y sobre el que se adapta una membrana lateral que se introduce en un sondeo realizado en la pared de 60 mm (fig. 2.18). La membrana se expande debido a la presión de aire y un sensor indica el movimiento del terreno cuando se ha producido un hinchamiento de membrana. Se realizan tres lecturas lecturas d e la presión a la que está sometido sometido el terreno: cuand o la mem brana se ha expand ido 0.05 0.05 mm , 1.10 1.10 mm y 0.05 0.05 mm , respectivamente. resp ectivamente.

Figura 2.18. 2.18. Dispositivo del dilatóm etro, visión visión frontal y lateral.

Los parámetros obtenidos a partir del dilatómetro son el módulo de rigidez, el aumento de la resistencia en el terreno necesario para que la membrana se expanda y la tensión horizontal que actúa sobre la misma. El mód ulo de r igidez, igidez, E D, se expresa expresa com o: E D

= 34.7( p1 − p0 )

(2.DD)

Donde p 0 y p 1 son los valores de la presión corregidos. Si se tuviese en cuenta los efectos de la curva tur a de d e la memb rana ran a el coefic coeficiente iente 34.7 34.7 pasaría pa saría a 50. La medida relativa relativa del aum ento de resistencia resistencia necesario necesario para que la membr ana se expanda , I D. Su valor aumenta con el aumento de tam año d e la la partícula y de la perm eabilidad eabilidad d el suelo. suelo. I D

=

( p1 − p0 ) ( p0 − u 0 )

(2.EE)

Donde u 0 es la presión d e poros an tes de la instalación instalación d el dilatómetro. La tensión tensión horizontal que actúa sobre la membr ana d espués d e su instalación, instalación, K D. Aum enta con con el aum ento d e la razón d e sobreconsoli sobreconsolidación, dación, la la d ensidad relativa relativa y el ángu lo de fricci fricción ón d el suelo.

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LOS SUELOS SUELOS

K D

=

( p0 − u 0 ) σ v' 0

(2.FF)

Donde σ∋ V0 es la tensión vertival efectiva antes de la instalación del dilatómetro. A partir de la combinación de E D, ID, KD, la tensión vertical total sobre el suelo y la presión de poros se obtienen correlaciones entre diferentes propiedades de los suelos como por ejemplo consistencia, resistencia, densid ad y la clasific clasificación ación d el su elo (fig. 2.19 2.19 y 2.20). 2.20). En la figura 2.19 distingue claramente la arcilla de las arenas y los limos. Aparecen también suelos combinación como el limo arcilloso ( silt clayey) o el limo arenoso ( silt sandy), entre otros. En esta clasificación también se distingue entre apariencias o consistencias y densidades. En la figura 2.20 permite además distinguir entre los grados de sobreconsolidación del suelo (suelos normalmente consolidados o sobreconsolidados).

Figura 2.19. 2.19. Clasificac Clasificación ión del suelo a par tir del módu lo del dilatómetro y de la resistencia resistencia de su m embra na [37].

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LOS SUELOS SUELOS

Figura 2.20. 2.20. Clasificac Clasificación ión del suelo a par tir del mód ulo del dilatóm etro y de la resistencia resistencia de su mem bran a [38].

Presiómetros Es el único ensayo in situ capaz de medir la tensión-deformación del suelo así como su resistencia. El dispositivo consiste en una membrana flexible cilíndrica situada en un sondeo que aplica una presión uniforme en la pared del sondeo (fig. 2.21). La deformación del suelo se puede calcular por el volumen de fluído inyectado en la m embrana . Despu Despu és de realizadas las correcci correcciones ones sobre las medidas tomadas se obtiene la curva presión-volumen y a partir de ésta se deduce el comportam comp ortam iento tensod eformacional d el suelo (fig. (fig. 2.21 2.21). ).

Figura 2.21. 2.21. (a) Ensayo presióm etro (b) Curv a presiom étrica

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LOS SUELOS SUELOS

2.5. 2.5. Clasificación Clasificación sim plifi cada de los suelos 2.5. 2.5.1. 1.

Geotécnica. Basada en la plas ticidad y el contenid o en agua.

La clasificación geotécnica representa los suelos mediante un diagrama donde se grafican el índice de plasticidad, IP, versus el límite líquido de la fracción más fina de los suelos (arcillas, limos y suelos orgá nicos). El índ índ ice de plasticidad , IP, se calcula calcula segú n la ecuación 2.A. Los suelos toman el nombre de la inicial de la nomenclatura inglesa correspondiente, es decir, las arcillas o clays se nombran con la inicial C , los suelos orgánicos (organic soils) se conocen con la inicial O y son aqu ellos ellos suelos que tienen aproximad amente m ás de u n 20 % de m aterial orgánico. orgánico. Los limos limos (silt ) se conocen especialmente con la inicial inicial M. M . Para realizar esta clasificac clasificación ión se d istinguen dos líneas límite: la línea A y la línea B (fig. (fig. 2.2 2.22). 2). La línea A separa suelos arcillosos ( C ) de los suelos no arcillosos (limos M o suelos orgánicos O ) y tiene por ecuación: IP = 0.73(ω L ) − 20

(2.GG)

Así, por encima de esta línea siempre se sitúan iniciales C y por debajo de esta línea iniciales M y O. La línea B es vertical y separa materiales de alto límite líquido, ωL > 50%, y de bajo límite líquido, ωL <50 %. %. Tiene por ecuación : L

= 50

( 2.HH 2.HH )

Se distinguen así suelos H de la p alabra inglesa inglesa High y suelos L de la p alabra inglesa inglesa Low Low. De esta forma se realizan las combinaciones entre tipo de suelo (C, M, O) y consistencia (límite líquido alto o bajo) obteniéndose suelos CH y CL que representan puntos por encima de la línea A o suelos OH, OL, OL, MH y ML corresponden a p untos p or debajo. Existe Existe una franja situad situad a entre los valores d e IP 4 y 7, pero per o por encima d e la línea línea A, en la cua cuall se sitúan , sin sin d istinción, istinción, suelos CL y ML M L.

Linea B

100 90 80 d a d i c i t s a l p e d e c i d n I

70 60 Linea A CH

50 40 30

CL

20 OH o

10

MH

CL-ML

OL

0

o

ML

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Límite líquido %

Figura 2.22. 2.22. Sistema d e Clasificac Clasificación ión un ificado ificado d e los suelos.

32

Capítulo Cap ítulo 2 2.5. 2.5.2. 2.

LOS SUELOS SUELOS

Geológica. Basada en la edad .

En función función d e la edad geológic geológicaa d el material, se prod uce mayor o menor amp lifi lificac cación. ión. Estud Estud ios realizados realizados por [39] [39] determinaron qu e la amp lifi lificac cación ión era ma yor par a d epósitos recientes recientes de edad Cuaternaria y que disminuía para depósitos más antiguos (tabla 2.6). La amplificación de los suelos Cuaternarios es mayor a baja frecuencia y menor a alta frecuencia. En definitiva, los efectos locales se producen en terrenos jóvenes. Esta información es relevante porque en el test de aplicación en suelos de la ciudad de Barcelona se trabaja con suelos de edad Cuaternaria. En concreto, se han seleccionad seleccionad o suelos de edad eda d Holocena, característicos característicos d e la zona de costa costa y suelos de ed ad Pleistoc Pleistocena, ena, más antigu os y característi característicos cos de la zona alta d e la ciud ciud ad. También es interesante definir algunos términos geológicos usados en las normativas sísmicas como son alluvium y diluvium. Alluvium es un término genérico para designar a los depósitos detrítcos resultado del flujo de toda clase de vías fluviales, incluyendo los materiales que sedimentan en el lecho lecho d e un arroyo, en llanuras fluviales, fluviales, lagos, lagos, abanicos abanicos acumu lados a los pies de una montaña y estuarios. El término diluvium se emplea para depósitos de suelo que han sido transportad os gravitacionalmente gravitacionalmente acum acum ulánd ose en las las laderas.

ERA

SISTEMA

SERIE HO LOCENO

C U A T E R N A R I O

P L E I S T O C E N O

ROCAS TIPO (FACIES) AluvialesAluv iales-Coluviales Coluviales

AFLORAMIENTOS PRINCIPALES Cursos Cur sos fluviales

Gravas, arenas y limos

Márgenes de cursos fluviales Zonas costeras costeras

Grava s cuarcítica cuarcítica en matriz arcillosa

Depósitos fluviales

SUP.

MED.

INF. C E N O Z O I C O T E R C I A R I O

N E Ó G E N O

P A L E Ó G E N O

PLIOCENO M I O C E N O

SUP.

Calizas, margas ma rgas y yesos

MED.

Arcillas Arcillas y margas ma rgas

INF.

Areniscas

OLIGOCENO EOCENO PALEOCENO

Conglomerados calcáreos, margas y yesos Areniscas y yesos Calizas Calizas y mar gas Areniscas, Calizas

Depresiones interiores

Depresiones interiores Bord es o áreas mar ginales ginales Ambientes p roximales roximales de abanicos fluviales

MESOZOICO PALEOZOICO PRECÁMBRICO Tabla 2.6. 2.6. Principales Principales d ivisiones ivisiones d e los tiemp os geológicos, rocas rocas tipo y afloramien tos pr incipales. Las Las celdas d e color verde corresponden a las edad es estud estud iadas en este trabajo. trabajo.

33


2.5. 2.5.3. 3.

LOS SUELOS SUELOS

Los su elos en las norm as sísm icas

Las condiciones locales influyen en el contenido frecuencial de los movimientos superficiales y por lo tanto en el espectro espectro d e respu esta que se p rodu ce (en (en el ANEXO ANEXO I se describen describen los conceptos conceptos básicos referentes al tratamiento de las señales sísmicas y espectros de respuesta). La figura 2.23 mu estra los espectros espectros normalizados de resp uesta d e acelerac aceleración ión para cuatro categorías de material [40]: roca, suelos cohesivos a profundidades inferiores a 61 m, suelos no cohesivos a profund idad es mayores a 76 m y finalmente, arcill arcillas as y arenas d e consistenc consistencia ia blanda a m edia. Se Se observó que el tipo de material influye sobre la forma de los espectros de respuesta (fig. 2.23). Así, para períodos inferiores a 0.5 s, las mayores amplificaciones se dan en zonas caracterizadas geológicamente por suelos rígidos y en cambio la roca presenta menores amplificaciones. También se observó observó qu e para períodos su periores a 0.5 0.5 s, la la am plific plificaci ación ón au menta a med ida qu e decrece la rigidez del suelo. Los depósitos arcillosos blandos y los suelos no cohesivos son los que producen mayor proporción de movimiento de largo período. Este efecto puede ser muy significativo para estructuras de alto período, como por ejemplo, puentes o edificios altos, si estan cimentadas en este tipo de materiales. Estos resultados mostraron que el uso de un solo espectro de resp uesta estánd ar p ara tod as las cond cond iciones iciones de sitio sitio no era ap ropiad o y tuvo gran influencia influencia en el desarrollo de los códigos sismoresistentes. En definitiva, el terreno de cimentación de una estructura actúa como un filtro de frecuencias y cambia en gran med ida la excitaci excitación ón qu e se transm ite a la estructura. En general se conoce conoce que los suelos rígidos amplifican las señales cuyas frecuencias predominantes son altas (períodos bajos) mientras que los suelos blandos lo hacen con señales de frecuencias predominantes bajas (períodos altos). Aparecen además otros fenómenos que puede alterar la respuesta de la estructura, por ejemp ejemp lo la la licuefac licuefacci ción ón que p rovoca la la pérd ida d e capacidad capacidad portante d el terreno. Esto hace necesario que los espectros de respuesta reflejen el tipo de suelo. En este apartado se analiza la clasificación de los suelos en distintas normativas sísmicas. El objetivo principal de una normativa sísmica sísmica es p roporcionar el espectro de respu esta en aceleraci aceleraciones, ones, es decir, decir, la máxima aceleración de respuesta. Este objetivo se acomete, en la mayoría de las normativas, mediante el cálculo cálculo de u na fun ción ción d e amp lificac lificación ión genérica válida par a un a región sísmica, sísmica, la aceleración sísmica máxima en el suelo y u n coeficiente que qu e incluye otros criterios como sismicidad , peligrosidad sísmica, importancia socioeconómica y geología, entre otros, y que es empírico generalmente. En concreto, se mostrarán las clasificaciones de suelo utilizadas en la norma sísmica vigente en España, la NCSE-02, y el Eurocódigo y finalmente dos normativas de naciones con enorme tradición e historia sísmica: Japón y Estados Unidos.

Figura 2.23. 2.23. Espectros norm alizad os de respu esta medios (5% (5% de am ortigua miento) para diferentes condiciones locales [40].

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LOS SUELOS SUELOS

La NCSE-0 N CSE-022 La norma de construcción sismoresistente española, NCSE-02 [41], clasifica los suelos en función del parám etro veloci velocidad dad de p ropagación de las ondas transversales de cizalla cizalla u ondas secun secun dar ias (S). Distingue los tipos de terreno asignando un valor C de coeficiente del terreno (tabla 2.7). Se observa que el coeficiente del terreno aumenta para aquellos suelos más sueltos y menos cohesivos o más blandos. Para obtener el coeficiente C de cálculo se determinan los espesores e 1, e2, e 3 y e 4 de los suelos tipo I, II, III y IV, respectivamente, existentes en los treinta primeros metros existentes bajo la superficie. Se adopta como valor de C el valor medio obtenido al ponderar los coeficientes C i de cada estrato con su espesor e i en m etros med iante la siguiente ecuación: ecuación:

C =

TIPO DE SUELO I

II

III

IV

∑

C i ⋅ e i

(2.II)

30

DESCRIPCIÓN Roca Roca comp acta, suelo cementad cementad o o granular muy d enso Roca Roca muy fracturad a, suelos granulares densos o cohesivos cohesivos du ros Suelo granular d e compacidad compacidad media, o suelo cohesivo de consistencia firme a muy firme firme Suelo granu lar suelto o suelo cohesivo blando.

VS

C

>750

1.0

750-400

1.3

400-200

1.6

<200

2.0

Tabla 2.7. 2.7. Clasifi Clasificaci cación ón d e suelos en la n orm ativa sísmica españ ola.

Además se establece un espectro normalizado de respuesta elástica en la superfície libre del terreno (fig. 2.25), para aceleraciones horizontales, correspondiente a un oscilador lineal simple con un amortiguamiento de referencia del 5% respecto al crítico, definido por los siguientes valores:

1 + 1.5 T  T A  α (T ) = 2.5  C k  T

Si T < T A Si T A

≤ T < T B

(2.JJ)

Si T > T B

Donde α(T) (T) es el valor d el espectro espectro norm alizado de respu esta elástic elástica, a, T es el período pr opio d el oscilador en segundos, k es el coeficiente de contribución, utilizado para describir la influencia que tiene sobre el terremoto de diseño el hecho de que los terremotos se originen en zonas con

35


LOS SUELOS SUELOS

diferentes características características sism ológicas ológicas (fig. 2.24 2.24), ), C es el coeficiente coeficiente d el terren o d e la tab la 2.7 y T A y TB son los períodos característi característicos cos del espectro de resp uesta d e valores:

T A T B

= K = K

C 10 C

(2.KK)

2.5

En la figura figura 2.24 2.24 se se pr esenta el map a sísmico sísmico d e la norm ativa sismorresistente sismorresistente don de se gra fica fica el coefic coeficiente iente d e distr ibución k:

Figura 2.24. 2.24. Map a sísmico de la norm a sismoresistente. Coeficiente Coeficiente de Distribución, k [41] [41]

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LOS SUELOS SUELOS

Así los espectros de resp uesta elástica pa ra cada tipo d e suelo son (fig. 2.25) 2.25)::

3

2,5 2,5

2 Suelo I Suelo II

1,5 1,5

Suelo III Suelo IV

1

0,5 0,5

0 0

1

2

3

4

5

Figura 2.25. 2.25. Espectro de respu esta elástica elástica en función d el tipo tipo d e terreno en la NCSE-02 NCSE-02 par a un a aceleración aceleración sísmica básica d e 0.04g 0.04g y u n coeficiente coeficiente d e contribución k = 1.

El espectro de respuesta elástica mostrado en las figura 2.25 es una simplificación del espectro de respuesta medio normalizado propuesto por [40], pero se observa la tendencia mostrada: para períodos cortos el suelo tipo I (el de más consistencia) presenta mayores amplificaciones que el resto de suelos y que para períodos mayores la amplificación crece a medida que disminuye la rigidez del suelo. Es decir, se observa como la banda de períodos amplificados deriva hacia períodos largos para terrenos blandos. Para obtener el espectro de diseño es necesario multiplicar las ordenadas del espectro de respuesta resp uesta elástica por el valor d e la aceleración aceleración sísmica de cálculo, cálculo, a c , definida como: ac

= S ⋅ ρ ⋅ ab

(2.LL)

Donde a b es la acelerac aceleración ión sísmica sísmica básica, básica, que se p ued e obtener d irectamente irectamente a partir de la figura figura 2.24 2.24 o en tablas facilitad facilitad as en la mism a N CSE-02 CSE-02.. Donde ρ es el coeficiente adimensional de riesgo, que depende de la probabilidad aceptable que se exceda a c du rante la vida ú til de la estructura, es decir, decir, ρ toma el valor d e 1 para construcciones construcciones de importan cia cia norm al y el valor d e 1.3 1.3 para construcciones construcciones de imp ortancia especial especial.. Y d ond e S es el el coefici coeficiente ente d e amp lificac lificación ión del d el terreno obt enido como:  C si ρ ⋅ ab < 0.1g 

1.25   C  a  C + 3.33  ρ ⋅ b − 0.1 S= 1 −    1 . 25 1 . 25 g     1  

si 0.1g

< ρ ⋅ ab < 0.4 g

si 0.4 g

≤ ρ ⋅ ab

( 2.MM)

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LOS SUELOS SUELOS

Las limitaciones limitaciones de la norm ativa son que el coefici coeficiente ente del terreno no contemp la fenóm fenóm enos como la rotura del terreno bajo la estructura, el hundimiento de cavidades subterráneas, movimientos de ladera y licuefacción, que son los que causan mayor daño estructural. Además la descripción del suelo es muy dispersa y ap lica lica a amplias tipologías. tipologías. El Eurocódi Eurocódi go 8 Para el diseño de estructuras sismoresistentes en la Unión Europea [42] y [43], la geología del subsuelo se clasifica en función de la velocidad de las ondas sísmicas S en los 30 primeros metros de la colum na litológica, el valor N SPT y la resistencia al corte sin dr enaje C U. La veloci velocidad dad de las ond as sísmicas sísmicas en los treinta pr imeros metros, V s,30, se define como: V S , 30

=

30 N

hi

i =1

i

(2.NN)

∑ V

Donde h i y Vi son la potencia y velocidad en cada uno de los niveles i, respectivamente. N es el núm ero de estratos considerad considerad os en los los treinta primeros metros. La clasifi clasificaci cación ón d e las cond cond iciones iciones d el subsu elo se agrup a en: TIPO DE SUELO A B

C

D

E

S1 S2

DESCRIPCIÓN Roca Roca u otr a forma ción ción con al men os 5 m de material meteorizado en sup erfíci erfíciee Depósitos de arena d ensa, grava o arcilla arcilla muy d ura d e varios varios m de potencia potencia caracterizada caracterizada por u n incremento de sus propiedades mecánicas en profundidad Depósitos profun dos de arena d ensa a med io densa, grava o arcilla arcilla du ra con potencias de varias d ecenas ecenas a centenares centenares de m Depósitos Depósitos d e suelos sueltos a medio cohesivos (con (con o sin niveles cohesivos blandos) o bien suelos cohesivos cohesivos bland bland os a d uros predominantemente. Perfil de suelo que consiste en un nivel aluvial en la su perfície con con v alores Vs,30 Vs,30 de la clase C o D y potencia variable entre 5 y 20 20 m situad os sobre un m aterial más du ro de Vs,3 Vs,30>8 0>800 00 m/ s Depósitos qu e consisten consisten en a rcillas rcillas o limos limos con un índice de plasticidad alto (>40) y un alto contenido contenido en agu a Depósitos formad formad os p or su elos elos licuables, licuables, arcillas sensitivas o cualquier otro tipo de perfil incluído en las clases A, E o S1 S1

Vs,30 [m/ s]

N SPT

Cu [kpa]

>800

-

-

360-800

>50

>250

180-360

15-50

70-250

<180

<15

<70

-

10-20

Tabla 2.8. 2.8. Clasificac Clasificación ión d el suelo en el eur ocódigo-8.

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LOS SUELOS SUELOS

Se indica además que para aquellos lugares caracterizados por las clases de subsuelo S1 y S2 son necesarios estudios especiales para la definición de la actividad sísmica y en el caso del tipo S2 se debe considerar la p osible osible rotur a en el suelo. El movimiento del suelo está representado por el espectro espectro elástico elástico de respu esta:

  T  a g S 1 + (η ⋅ 2.5 − 1)    T B a g S ⋅η ⋅ 2.5  S e (T ) =   T  a g S ⋅η ⋅ 2.5  T B       T T  a g S ⋅η ⋅ 2.5  C 2 D   T  

Si 0

≤ T ≤ T B

Si T B

≤ T ≤ T C

Si T C

≤ T ≤ T D

Si T D

(2.OO)

≤ T

Donde Se (T) (T) es la ordenad a d el espectro espectro elástico elástico de respu esta, T es es el período d e vibración vibración d e un sistema lineal de un solo grado de libertad, a g es la aceleración de diseño del suelo para un período d e retorno d e referenci referencia, a, TB, TC son los límites límites d el tramo h orizontal, TD indica ind ica el inicio inicio del rango d e desplazam iento constante constante en el espectro. espectro.

Clase A B C D E

S 1.0 1.2 1.15 1.35 1.4

TB 0.15 0.15 0.2 0.2 0.15

TC 0.4 0.5 0.6 0.8 0.5

TD 2.0 2.0 2 .0 2.0 2.0 2.0

Tabla 2.9. 2.9. Valores de los parám etros que d escriben el espectro espectro d e respu esta elástico elástico tipo 1

Clase A B C D E

S 1.0 1.35 1.5 1.8 1.6

TB 0.05 0.05 0.05 0.1 0.1 0.05

TC 0.25 0.25 0.25 0.3 0.25

TD 1.2 1.2 1 .2 1.2 1.2 1.2

Tabla 2.10 2.10.. Valores Valores de los pa rám etros que d escriben el espectro espectro d e respu esta elástico elástico tipo 2

S es un parám etro que d epend e d el tipo tipo d e material (tablas (tablas 2.9 2.9 y 2.10 2.10)) y η es el factor d e corrección corrección por am ortiguamiento (de valor 1 para u n 5% de amortiguam iento visco viscoso). so).

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LOS SUELOS SUELOS

Como se ha mostrado en las tablas 2.9 y 2.10, se introducen dos tipos de espectros (tipo 1 y tipo 2) cuya elecci elección ón d epend e d e la magn itud del terremoto representad os en las figuras 2.26 2.26 y 2.27 2.27.. Para magnitu des n o sup eriores a 5.5 5.5 se recomienda recomienda el uso d el espectro espectro tipo 2.

6

5

4

Suelo A Suelo B

) T ( e 3 S

Suelo C Suelo D Suelo E

2

1

0 0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

T(s)

Figura 2.26. 2.26. Espectro de resp uesta elástica elástica tipo 1 pa ra cada tipo de suelo en el eurocód igo, calculad calculad o para una a g = 0.16 0.16 g y u na η = 1 correspond correspond iente a un 5 % de amortiguamiento.

8 7 6 Suelo A

5

Suelo B

) T ( e 4 S

Suelo C Suelo D

3

Suelo E

2 1 0 0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

T(s)

Figura 2.27. 2.27. Espectro de respu esta elástica elástica tipo 2 pa ra cada tipo de suelo en el eurocód igo, calculad calculad o para una a g = 0.16 0.16 g y u na η = 1 correspond correspond iente a un 5 % de amortiguamiento.

40


LOS SUELOS SUELOS

La normativa japonesa El diseño sismoresistente sismoresistente en Japón [44] [44] aborda el comportam iento sísmico sísmico de d istintas istintas estructuras. Así, se contemplan métodos sismoresistentes específicos para las siguientes estructuras e infraestructuras: sistema de abastecimiento de agua, construcciones portuarias, puentes y presas, en la parte 1, edificación en la parte 2 y por último instalaciones de producción de gas a alta presión en la parte 3. El método de diseño sismoresistente utiliza mapas de zonación sísmica del país específicos para las construcciones portuarias, los puentes, los edificios y las instalaciones de prod ucción ucción d e gas a alta presión, que consideran factores de suelo. Dichos Dichos factores factores son d iferentes iferentes en función del tipo tipo d e estructur a y tienen descrip ciones ciones tamb ién específicas. específicas. A continu continu ación se presenta la clasificación del suelo utilizada en el diseño sismoresistente de las citadas estructuras con el objetivo de poner de manifiesto la importancia que adquiere la clasificación del suelo en esta normativa. Potencia Potencia d el dep ósito Cuaternario Menor que 5 m 5-25 m Mayor que qu e 25 m

Grava

Arena Aren a o Arcilla Arcilla

Suelo Bland o

Tipo 1 Tipo 1 Tipo 2



Tabla 2.11. 2.11. Clasificac Clasificación ión d el suelo pa ra constru cciones cciones p ortua rias.

Clasificación factor facto r

Tipo 1 0.8

Tipo 2 1.0

Tipo 3 1.2

Tabla 2.12. 2.12. Factor de suelo pa ra constru cciones cciones portu arias.

Para construcciones portuarias, el suelo se clasifica en función de la potencia del depósito Cuaternario y del tipo según sean gravas, arenas, arcillas o suelos blandos (tabla 2.11 ). A partir de esta clasificac clasificación ión se ob tiene el factor d e subsu su bsuelo elo (tabla 2.12). 2.12). Clase I II

Tg (s) Tg <0.2 0.2 ≤ T g < 0.6

III

0.6 ≤ T g

Tabla 2.13 2.13.. Clasificac Clasificación ión d el subsuelo p ara p uen tes.

En pu entes la clasific clasificación ación del su elo se realiza en función d el valor característico, característico, T g. (tabla 2.13). 2.13). El valor cara cterístico cterístico T g, se expresa expresa en segun dos y se calcula calcula como: como: n

T g

= 4∑

H i

(2.PP)

i =1 V si

Donde H i es la potencia del estrato i-ésimo en metros y V si es la veloci velocidad dad de las ond as simicas simicas de cizalla en metros por segundo. Para suelos cohesivos dicha velocidad se calcula como: V s

= 100 N i1 / 3

para 1 ≤ N i

≤ 25

(2.QQ)

41


LOS SUELOS SUELOS

Y para pa ra su elos arenosos se calcula calcula como: V s

= 80 N i1 / 3

para 1 ≤ N i

≤ 50

(2.RR)

Donde N i es el valor valor N del ensayo d e pentración estándar p ara el estrato i-ési i-ésimo. mo. El sustrato rocoso se supone que como estrato de suelo que tiene un valor N mayor que 25 para estratos de suelo cohesivos, cohesivos, mayor qu e 50 para estratos d e suelo arenosos; o bien que tiene una velocidad velocidad de ond a sismica sismica de cizalla cizalla mayor que 300 m/ s. Finalmente, en edificación los suelos se clasifican en función del período crítico T c y de su consistencia dura, blanda o media (tabla 2.14), distinguiéndose tres tipos.

TIPO DE SUELO SUELO

Tipo 1 (Suelo (Suelo du ro)

Tipo 2 (Suelo (Suelo m edio)

Tipo 3 (Suelo Bland Bland o)

CARACTERÍSTICAS Suelo que consiste en una roca, grava arenosa du ra, etc etc de ed ad Terciaria Terciaria o más antigua O bien, un suelo cuyo período estimado, ya sea po r cálculos cálculos o bien otras inv estigaciones sea equivalente a Serán de esta tipología aquellos suelos que sean d iferentes iferentes de los de tipo 1 y 2 Suelo aluvial consistente consistente en d epósitos blandos d e típicos de zonas deltaicas,capas superficiales del suelo, lodo, o aqu ellos (incluyend (incluyend o rellenos), cuya cuya profun did ad sea igual o sup sup erior a 30 30 m, tierras tierras p antanosas, lodos del fondo d el mar, etc, dond e la tierra tierra ganad a sea igual o sup sup erior a 3 m y dond e hayan pasado m ás de 30 años años desde que se ganó la tierra al mar O bien, un suelo cuyo período estimado, ya sea po r cálculos cálculos o bien otras inv estigaciones sea equivalente a

PERÍODO CRÍTICO D EL SUELO T C

0,4 0,6

0,8

Tabla 2.14. Clasificación del suelo en edificación y en función del período crítico del suelo Tc y su consistencia.

Finalmente, Finalmente, en instalaciones instalaciones d e pr odu cción cción d e gas el su elo se clasif clasific icaa en función función d e la edad y d e su origen como alluvium o d iluvium iluvium (tabla (tabla 2.15) 2.15).. Tipo de suelo

1

2

3

4 Suelo tipo Suelos no Suelo relleno o capa clasificados en de alluvium Terciario Terciario o d e Descripción Diluvium las categorías edad más con con un a 1,2 o 4 antigua, roca* potencia mayor a 25 m 1.4 2.0 2.0 2.0 β3 Tabla 2.15. 2.15. Descripción del su elo para instalaciones de ga s y valor d el coefici coeficiente ente d e zona ciónβ3 asociado. En roca* se especifica especifica que cuan do se satisfagan d etermina da s condiciones, la la d escripción escripción d el suelo se ap licará licará a la base d el suelo de las categorías 1 o 2 (véase explicación explicación y cond iciones iciones en el texto).

42


LOS SUELOS SUELOS

En roca* se especifica que cuando se satisfagan alguna de las siguientes condiciones, la descripción del suelo se aplicará no a la superfície del suelo de las categorías 3 o 4 sino a la base del su elo de las categorías 1 o 2: 1. Estructura Estructura soportad a con con pilotes pilotes o cimentaciones cimentaciones rígidas rígidas y con una potencia potencia superficial superficial de suelo menor que ½ d e la altura altura en el centro centro de grav edad de la estructura. 2. La potencia sup erfici erficial al del suelo es es menor que 1/ 1/ 5 de la altura altura en el centro centro de gravedad de la estructura. La aceleración superficial del suelo horizontal se evalúa según: H

=

3

⋅

(2.SS)

OH

Donde αOH es la aceleración horizontal en el sustrato rocoso (en gal) para el movimiento del suelo de diseño básico y se calcula según: OH

= 150 ⋅

1

⋅

(2.TT)

2

β1 , β2 y β3 son diferentes coeficientes que están definidos en las tablas , respectivamente: Factor de importan cia cia de la instalación

Ia

I

II

III

β1

1.0

0.8

0.65

0.50

Tabla 2.16. Definición d el coeficiente coeficiente β1 en fun ción de la imp ortan cia de la instalación. instalación. El factor de imp ortan cia califica califica el el tipo de rotu ra d e la instalación instalación en función d el daño q ue p rod uce [44] [44]..

Zonación Zon ación

β2

S-A S-A 1.0

A 0.8

B 0.6

C 0.4

Tabla 2.17. 2.17. Definción Definción del coefici coeficiente ente de zona ción β2 .

Si se comparan la clasificación de los suelos para puentes y edificación se observa que los valores se sitúan en el mismo ran go d e variabilidad variabilidad . Sin Sin embargo, la cota inferior inferior utilizada en p uentes es algo menor que en edificios

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LOS SUELOS SUELOS

Las Las recomen recomen daciones en Estados Unid os de Am érica érica El diseño sismoresistente en Estados Unidos está basado en las recomendaciones de NEHRP (National Earthquake Hazards Reduction Program) [45] que establece los procedimientos recomend recomend ados p ara determ inar los espectros espectros de diseño basándose en map as de peligro sísmic sísmicoo de aceleración espectral y en coeficientes de sitio determinados por las condiciones geológicas locales. Se ajusta la aceleración espectral esperada en una roca de referencia basándose en las condiciones locales para aumentar o disminuir los movimientos del suelo esperados. Supone que la roca de referencia estás situa da en el p un to B (fig. (fig. 2.28 2.28). ). Los Los factores de sitio ajusta ajusta n los mov imientos d e la roca estimados estimados p ara tener en cuenta las condicio condiciones nes del suelo en el pun to A.

Figura 2.28. 2.28. Cond iciones iciones d e sitio sitio y prop iedad es del material [46]. [46].

La clasificación del material (tabla 2.18) está basada en las condiciones geológicas locales por medio de: 1. La descripción física física de los los materiales ma teriales subsu perfic per ficiales. iales. 2. Estimaciones Estimaciones de la veloci velocidad dad de las ond ond as sísmicas sísmicas de cizall cizallaa medias obtenidas a partir de correlaciones con ensayos de penetración SPT y teniendo en cuenta el valor de C U. 3.

Medidas d irectas irectas de la velocidad velocidad sísmica sísmica d e las ondas S en los treinta treinta p rimeros metros. Esta profund idad de interés corresponde a auélla en que las resonancias resonancias con el depósito de su elo son m ayores qu e 0.1 0.1 s [47]. [47].

La roca A es representativa de la zona centro del Este de Estados Unidos y presenta baja susceptibilidad a la amplificación. La roca B representa la zona Oeste y se trata de un material blando. El tipo E representa un dep ósito de suelo bland bland o y profun do con potencial para am plific plificar ar el movimiento y para provocar la rotur a d el mismo. El El tipo F es un m aterial que requiere análisis análisis específicos específicos de d e sitio.

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TIPOLOGÍA DE MATERIAL A B C D E

F

LOS SUELOS SUELOS

DESCRIPCIÓN Roca Roca compacta comp acta Roca Suelo Suelo mu y denso y roca blanda Suelo rígido 15 ≤ N SPT ≤ 50 o 50 kPa ≤ CU ≤ 100 kPa Perfil con con m ás de d e 3 m de ar cilla cilla bland a con IP>20 ω ≥ 40 % y C U < 25 kPa 1. Suelos Suelos su sceptibles de rot ura ur a o colapso bajo carga sísmica tales como su elos licuefractables, licuefractables, arcillas arcillas sensitivas o suelos su elos débilmente cementad cementad os 2. Turba/ arcill arcillas as orgánicas de potencia mayor a 3 m 3. Arcill Arcillas as de p lastici lasticidad dad mu y alta con una p otencia otencia mayor a 3 m y u n IP>75 IP>75 4. Arcil Arcillas las de rigidez bland a a m edia d e potencia >36 >36 m

V S en los 30 m superiores (m/s) > 1500 1500 760< VS ≤ 1500 360< VS ≤ 760 180 ≤ VS ≤ 730 <180

Tabla 2.18. Clasificación d el suelo N EHRP [45]. [45].

Comentarios finales La filoso filosofí fíaa d el diseño sismoresistente sismoresistente se basa en evitar pérdid as de v idas hu man as, la la d efensa efensa d e estructuras y propiedades así como el mantenimiento de la estabilidad social tras un terremoto. Pero la determinación del valor de la fuerza sísmica de diseño presenta dificultades debido a varias incertidumbres, como por ejemplo, la probabilidad de ocurrencia de un terremoto en el área de estudio, las características sismológicas del mecanismo fuente, la propagación de las ondas d esde la fuente fuente a la zona concreta concreta y la respuesta del suelo y de la estructura a la sacudida. Los movimientos del suelo de proyecto se pueden desarrollar por medio de dos vias: análisis específicos de la zona concreta y a través de las indicaciones de los códigos sísmicos. En concreto, los códigos sísmicos consiste en diseñar edificios de forma que resistan movimientos pequeños sin daño, movimientos moderados sin daño estructural y movimientos fuertes sin colapso. Actualmente, los códigos sísmicos contemplan los efectos locales pero se hace mediante grupos de suelo con perfiles similares y por ello las especificaciones aplican a amplios rangos de condiciones de su elo, elo, tal y como se ha m ostrado. Por tanto, las condicio condiciones nes específi específicas cas de un a zona se p ued en sobreestimar. Por esta razón los movimientos del suelo de proyecto desarrollados a partir de códigos suelen ser más conservativos, es decir, corresponden a niveles de sacudida muy superiores que los desarrollados por medio de análisis específicos lo que supone diseños más caros. Los análisis específicos de una zona reflejan detalladamente los efectos de las condiciones subsuperficiales de interés. El proceso habitual para desarrollar movimientos de suelo específicos de proyecto incluye incluye análisis de p eligro eligro sísmico y análisis análisis d e la respu esta de suelo.

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LOS SUELOS SUELOS

2.6. 2.6. Resum en y conclusión En este capítulo se han revisado conceptos de relevancia en estudios de respuesta sísmica relacionados con las características de los suelos. En concreto se han revisado parámetros relacionados con la plasticidad, la compactación del material y su historia de tensiones. Se han definido las propiedades dinámicas del suelo y se han analizado los factores que pueden modificar las relaciones tensodeformacionales en el suelo. Se ha comprobado que existe una relación relación entre las prop iedades físicas físicas del suelo y sus p ropiedad es dinám icas. icas. Posteriormente se han analizado algunos de los métodos de laboratorio y campo que se utilizan para obtener parámetros encaminados a caracterizar los suelos y clasificarlos. Finalmente se han mostrado las clasificaciones básicas del suelo en función de la plasticidad y contenido de agua, en función función d e la edad y en las norma tivas sísmicas sísmicas.. Las principales conclusiones de este capítulo son: 1. La susceptibili susceptibilidad dad de un su elo para am plific plificar ar la señal sísmica sísmica está determ inada por sus propiedades dinámicas. En concreto, el módulo de corte y el amortiguamiento son las prop iedades d inámicas clave clave y depend en del nivel de deformación deformación d el suelo. suelo. 2. Las propied pr opied ad es d inám icas icas varían en fun fun ción ción de las características características físicas físicas de un suelo. Es importan te determ inar la r elación elación entre las p ropiedad es dinám icas icas y otras caracterís característic ticas as del suelo como la plasticidad, la historia de tensiones y el confinamiento. 3. Los suelos que que amp lifi lifican can en en mayor grad o el movimiento sísmico sísmico correspond correspond en a los los de edad Cuaternaria. Cuaternaria. 4. Los métod os de reconocimiento reconocimiento de los suelos tienen como como objetivo objetivo principal clasifi clasificar car los los suelos en función de una serie de parámetros, entre los que destaca, por su común utilización en las nor mas sísmicas, el valor N d el ensayo SPT. Sin Sin embargo, em bargo, la información obtenida a partir de los métodos de reconocimiento está limitada por la profundidad del sondeo y las alteraciones introducidas en el terreno por el sistema utilizado. Esto es importante d ebido a qu e la veloci velocidad dad de las ond as sísmicas sísmicas d e cizalla, cizalla, V S , utilizada utilizada en las norm as sísmicas, se obtiene a pa rtir d e correlaciones correlaciones con el valor N SPT . 5. La clasific clasificación ación d e los los suelos en las norm ativas sísmicas sísmicas actua actuales les parece pa rece que qu e sobreestima el movimiento del suelo y p or lo tanto se hace necesaria necesaria su revisión. revisión.

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Propiedades dinamicas del suelo

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