Análisis comparativo del fenómeno de licuación en arenas : aplicación Tumaco (Colombia)

Abstract

La presente tesis tiene por objeto estudiar el fenómeno de licuación de arenas desde diferentes perspectivas, comparando algunos métodos clásicos, de tipo empírico, con otros procedimientos más modernos basados en el análisis en tensiones efectivas y el uso del método de los elementos finitos. El uso de diferentes metodologías ha permitido mejorarlas en algunos aspectos y al mismo tiempo, ha sido posible compararlas entre sí. Los métodos indicados se aplican a un sitio real, bien instrumentado, situado en la ciudad de Tumaco (Colombia), al suroeste de Bogotá. Tumaco se ha visto sometida en el pasado siglo a sismos de gran magnitud que ha originado la licuación de los estratos arenosos sobre la cual se encuentra cimentada la ciudad. Con el fin de estudiar el comportamiento de la arena ante cargas dinámicas, se instrumentó el terreno, para lo cual se instaló un acelerógrafo en superficie y otro en roca (borehole), así como una serie de piezómetros para la medición de los incrementos de presión de poros. Posteriormente, se procedió a caracterizar el terreno, para lo cual se realizaron una serie de pruebas de campo en el sitio, así como ensayos de laboratorio. Dentro de las pruebas de campo se destacan el SPT, DMT (Dilatómetro de Marchetti) y CPTU, mientras que en laboratorio las muestras recolectadas fueron sometidas principalmente a ensayos triaxiales estáticos y dinámicos. El uso conjunto de las pruebas de campo y las de laboratorio, permitieron una adecuada caracterización geotécnica de las propiedades de las diferentes capas encontradas. La gran cantidad y variedad de datos obtenidos en Tumaco ha permitido comparar las ventajas e inconvenientes de los métodos empíricos para evaluar el potencial de licuación, basados generalmente en los ensayos de campo indicados.<br/>Para el análisis en tensiones efectivas se desarrolló un código de elementos finitos, que permite solucionar de manera acoplada las ecuaciones de Biot haciendo uso de la formulación "u-p". El código está basado en técnicas de estabilización que permite el uso de elementos de igual orden de interpolación, con lo cual es posible el uso de grandes mallas con tiempos de cálculo relativamente rápidos. Adicionalmente, se trató el problema de reflexión de ondas en los contornos para lo cual se implementaron contornos absorbentes. De igual manera en los análisis se tuvo en cuenta el tamaño del elemento en la malla de elementos finitos. También se analizó en detalle algunos aspectos conceptuales de la componente de acoplamiento en la formulación "u-p". Las pruebas de laboratorio se utilizaron para la calibración de la ecuación constitutiva, correspondiente en este caso al modelo de Pastor Zienkiewicz.<br/>Finalmente se realizan simulaciones sobre el comportamiento dinámico de la arena de Tumaco ante un sismo. Para ello, se integran de manera racional los resultados in situ, las pruebas de laboratorio y el modelo numérico. Los análisis se realizan para formulación desacoplada en tensiones totales (programa EERA, PROSHAKE y QUAD4M), formulación semi-acoplada (programa FLAC3D) y acoplada (programa SOLDYNA). Los anteriores resultados permiten realizar una comparación entre las diferentes formulaciones, y adicionalmente, comparar los valores del potencial de licuación obtenidos por métodos semi-empíricos y los resultados numéricos.

ABASTRACT<br/><br/>The objective of this thesis is to study the phenomenon of liquefaction of sands from different perspectives, comparing some classic empirical methods with new procedures based on the analysis in effective stresses and using the finite element method. The use of different methodologies simultaneously, allowed not only a comparison between methods, but also an improvement of the procedures in some aspects. Those methods are applied to a real, well instrumented place, located in the city of Tumaco (Colombia), to the Southwest of Bogotá. Tumaco has been subjected during last century to earthquakes of great magnitude that have originated the liquefaction of the sandy strata on which the city is built. In order to analyze the "in situ" behaviour of the sand under dynamic loading, a site was instrumented, including an accelerograph at surface and another at the bedrock level (borehole). Also several piezometers were installed to measure any increment of pore water pressure. In addition to that, field tests as well as laboratory experiments were carried out. Regarding field tests, SPT, DMT (Marchetti Dilatometer) and CPTU were performed. In the laboratory, reconstituted samples were subjected mainly to static tests and dynamic triaxials. The combined use of the field tests and laboratory experiments, allowed an appropriate geotechnical characterization of the conditions of the different layers. The large quantity and variety of data obtained in Tumaco was used to devise the advantages and disadvantages of each empirical method considered to evaluate the liquefaction potential. <br/>To perform an effective stress analysis, a finite element code was developed that allows solving in a coupled manner the Biot equations by using the "u-p" formulation. The code is based on stabilization techniques which allow the use of elements of same interpolation order. That facilitates the calculation of large finite element meshes with limited computing time. Additionally, the thesis addresses the problem of wave's reflection at the boundaries by defining absorbing boundaries. Other relevant aspects like the effect of the element size on the results were also considered. Some conceptual issues regarding the meaning of the coupled term in the "u-p" formulation were considered as well. The laboratory tests were used for the calibration of the constitutive equation. The Pastor-Zienkiewicz model was selected for this purpose.<br/>Finally, several simulations of the dynamic response of the sand deposits at Tumaco are presented. They try to involve, in an integrated manner, al the information collected from the "in situ" tests and the laboratory experiments. Some of the analyses were performed using a classical total stress approach (codes EERA, PROSHAKE, QUAD4M), and a semicoupled formulation (code FLAC3D). A comparison with the coupled formulation considered in this thesis and the program developed (SOILDYNA) is also presented. A general perspective on the analysis of the liquefaction risk of a particular site comparing most of the tools currently available is finally presented.