Campus de Campus de CienciaCiencia & & IngenierIngenierííaade la Universidad de Chuo (de la Universidad de Chuo (TokioTokio))
http://const.civil.chuo-u.ac.jp/lab/doshitu/
Temas de Investigación en Ing. Geotécnica
Licuación de suelos limosos y gravosos.
Mecanismos de flujo después de la licuación.
Fallas en taludes inducidas por sismos.
Respuesta sísmica del suelo durante terremotos severos.
RESISTENCIA NO DRENADA DE SUELOS GRAVOSOS
DURANTE TERREMOTOS
Takaji Kokusho
Profesor de la Universidad de Chuo
REFERENCIAS PARA ESTA PRESENTACIÓN (1)
Investigación en CRIEPIKokusho,T. and Tanaka,Y.(1994): Dynamic properties of gravel layers investigated by in-situ freezing sampling, ASCEGeotechnical Eng. Div. Sessions, ASCE Convention (Atlanta), pp.121-140.
Kokusho,T., Tanaka,Y., Kawai, T., Kudo, K., Suzuki, K., Tohda, S. and Abe, S. (1995): Case study of rock debris avalanche gravelliquefied during 1993 Hokkaido-Nansei-Oki Earthquake, Soils and Foundations, Vol.35, No.3, pp83-95.
Kokusho,T. and Yoshida,Y. (1997): SPT N-value and S-wave velocity for gravelly soils with different grain size distribution,Soils & Foundations, Vol.37, No.4, pp105-113, 1997.
REFERENCIAS PARA ESTA PRESENTACIÓN (2)Investigación en la Universidad de Chuo
Hara, T. (1999): Study on liquefaction strength of gravelly soil by means of cyclic triaxial test, Master’s Thesis, Science and Engineering School, Chuo University.
Hiraoka, R. (2000): Effects of physical properties on liquefaction strength in gravelly soils, Master’s Thesis, Science and Engineering School, Chuo University.
Komiyama, Y. (2002): Undrained shear characteristics of gravelly soil containing non-plastic fine fraction, Master’s Thesis, Science and Engineering School, Chuo University.
Kokusho, T., Hara, T. and Hiraoka, R. (2004): Undrained shear strength of granular soils with different particle gradations, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol.130, No.6, 621-629.
PROPIEDADES FÍSICAS DE SUELOS GRAVOSOS EN ESTADO NATURAL
La densidad in-situ o la relación de vacíos dependen de la distribución y tamaño de las partículas de suelo. La densidad será mayor cuandomayor sea el Coeficiente de Uniformidad: Uc
El valor de (emax-emin) es normalmente 0.3-0.2, menor que en las arenas, indicando que un menor cambio en la relación de vacíos trae comoconsecuencia un cambio mayor en la densidad relativa Dr, y en otraspropiedades.
Como en las arenas, Dr puede ser un importante índice para evaluar laspropiedades de suelos gravosos.
Tal como es las arenas, la estandarización de ensayos para la densidadmáxima y mínima en gravas se está realizando en Japón para la evaluación de la densidad relativa, obteniendo resultados confiables.
Muestras de Gravas congeladas in-situ
Método innovador para obtener muestrasde gravas usando polímeros, elaborado
recientemente.
Clasificación de las partículas vs Relación de vacíos de suelos gravosos del Cuaternario
(Kokusho,T. and Tanaka,Y. 1994)
ALGUNOS ANTECEDENTES DE LAS PROPIEDADES DE LOS SUELOS GRAVOSOS
Normalmente son bien gradadas y densas.
Los suelos gravosos densos sirven como estratos portantespara cimentaciones profundas y cimentacionessuperficiales de estructuras importantes.
Los suelos gravosos sueltos son suceptibles a la licuación.
El potencial de licuación en suelos gravosos no está bienestablecido en relación con la resistencia a la penetración.
Los efectos de las partículas finas en suelos gravosos esvagamente comprendido.
Grava licuada en “Pence Ranch” durante el terremoto de 1983 en “Borah Peak”(Andrus, R. D. 1994)
Masa erupcionada (DG) con gravas de considerable tamaño en “Port Island”durante el terremoto del Kobe - 1995
Avalancha de escombros volcánicos licuados durante el terremoto de Hokkaido Nansei-Oki (1993)
(Kokusho et al. 1995)
Suelo Limoso eyectado en un patio
Limo eyectado en cenizas volcánicas(Kokusho et al. 1995)
Zona licuada
(Kokusho et al. 1995)Resistencia a la penetración y “Vs” de la avalancha de escombros volcánicos
gravosos licuados durante el terremoto de Hokkaido Nansei-Oki (1993)
0
50
100
150
200
250
300
0 5 10 15 20 25 30
Kobe Port IslandItaly AvasinUSA Borah PeakHokkaidoMorimachi
S-w
ave
velo
city
Vs
(m/s
)
SPT N-value
Valor “N” del SPT vs velocidad de ondas-S (Vs) en gravas recientemente licuadas
(Kokusho et al. 1995)
0.1 1 10 1000
50
100
150
200
250
300
Mean grain size D 50(mm)
Uni
form
ity c
oeffi
cien
t U
c
Kobe-Mayahuto
Kobe-Port island
Hokkaido-Morimachi
USA-Borah peak
Typical sand
Tamaño promedio de las partículas de suelo vs Uc para gravasrecientemente licuadas
(Kokusho et al. 1995)
TEMAS A DISCUTIREfectos de la distribución y del tamaño de laspartículas sobre el valor-N (SPT) y sobre la Vs.
Efectos de la distribución del tamaño de laspartículas sobre la resistencia no drenada cíclica y monotónica
Efectos del contenido de las partículas finas en la resistencia no drenada cíclica y monotónica.
Efecto de la distribución del tamaño de las partículas sobre el valor-N y Vs
2000
350
350
Pressure cell
Pressurecell
Rubber bag
Testedsoil
1500
1100
Penetrationtest hole
0
20
40
60
80
100
0.01 0.1 1 10 100
TKSTSG25G50G75
Per
cent
age
Fine
r by
Wei
ght (
%)
Sieve Mesh Size (mm)
Contenedor para la muestra de suelo del SPT y medición de
Vs
Suelos ensayados con diferentesgradaciones
Kokusho and Yoshida (1997)
1
10
100
1000
0.1 1
TS(HC)G25(HC)G50(HC)G75(HC)TS(LC)G25(LC)G50(LC)G75(LC)N
0min
N0max
N
0min
N0max
N0 =
N /
(σm
/p0)n
Void ratio e
Original data for G75
Valor-N normalizado vs relación de vacíospara suelos con diferentes gradaciones.
N0max
N0min
Kokusho and Yoshida (1997)
1
10
100
1000
1 10 100
N0min
N0max
N0 =
N /
(σm
'/p0)n
Uniformity Coefficient Uc
N0max = 42.6Uc0.46
N0min = 5.8
Valor-N normalizado vs Coeficiente de uniformidadpara suelos con diferentes gradaciones
Kokusho and Yoshida (1997)
8090
100
200
O>'ýÝ>'@
0.1 1
TS(HC)G25(HC)G50(HC)G75(HC)TS(LC)G25(LC)G50(LC)G75(LC)TKGS(LC)
Vs/
{(σv/p
0)(σh/p
0)}n
Void ratio: e
Vs0(e
max)
Vs0(e
min)
Vs normalizada vs. Relación de vacíospara suelos con diferentes gradaciones
Kokusho and Yoshida (1997)
0
100
200
300
400
500
600
1 10 100
Vs0min(HC)
Vs0max(HC)
Vs0min(LC)
Vs0max(LC)
Vs 0m
in a
nd V
s 0max
Uniformity coefficient: Uc
Vs0min =120m/s
Vs0max = 420Uc/(Uc+1)
Vs normalizado vs. Coeficiente de uniformidadpara suelos con diferentes gradaciones
Kokusho and Yoshida (1997)
Fórmula empírica propuesta para el valor-N y velocidad de la Onda-S para Suelos con
diferentes gradaciones; dependiente del Uc, Dr y el esfuerzo de confinamiento
Valor-N:
Velocidad de la Onda-S:
( ) ( ) ( )* *Dr n Dr0.64c m 0N=5.8 42.6U 5.8 σ p′
( ){ } ( )0
0.1252c c v hVs= 120+ 420U U +1 -120 Dr σ σ p⎡ ⎤⎣ ⎦
Kokusho and Yoshida (1997)
( ) ( ) ( )* *Dr n Dr0.64c m 0N=5.8 42.6U 5.8 σ p′
0
50
100
150
200
250
-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
TS G25G50G75
Nor
mal
ized
SPT
N-v
alue
N/(
σ'm/p
0)n
Relative density Dr(%)
TSG25
G50
G75
p0=98kPa
Ecuación empírica del valor-N vs. Dr comparadacon los resultados de los ensayos
Kokusho and Yoshida (1997)
RESUMEN-1Efectos de la gradación de las partículas en el Valor-N y en Vs
• Vs mantiene una relación lineal con e, mientras que log N mantiene una relación lineal con log e
• Las relaciones son dependientes de la gradación de laspartículas.
• Vsmin and Nmin son prácticamente constantes, mientras queVsmax and Nmax son muy diferentes para suelos con diferenteUc.
• En las fórmulas empíricas propuestas, Vs y el valor-N son evaluadas a partir del Uc, Dr, y el esfuerzo de confinamiento.
○ ○○
33.0
200
32.0
Loadi ngpi st on
Luci t ePor ousmet al
Loadi ng cap
Pedest al
Load cel l
Por epr essur e gauge
Cel lpr essur egauge
20 20
100
Efectos de la distribución del tamaño de las partículasen la resistencia no drenada cíclica y monótona.
(Kokusho et al. 2004)
5. 0 195. 0
5. 0
277. 0
168. 0
192. 0
400
300. 0
30. 070. 0
50. 0
20. 0
a) Mol d wi t h cul l ar
b) Vi br at or and cap
c) Funnelc' ) Mout h- pi ece
f or sand
Uni t :㎜
45. 0
200. 0
Herramientasusadas en el ensayo de
densidad máxy mín
(Kokusho et al. 2004)
0
20
40
60
80
100
0.001 0.01 0.1 1 10 100
SG1SG2SG3
Perc
ent f
iner
by
wei
ght (
%)
Grain size (㎜)
(Kokusho et al. 2004)
Arena & Grava fluviales usadas en ensayos triaxiales no drenados
SG1
SG2
SG3
Arena & Grava fluviales usadas en ensayos triaxiales no drenados
Resistencia a la licuación vs. Dr; gráficas para tres suelos granulares
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 20 40 60 80 100
SG1(Uc=1.44)SG2(Uc=3.79)SG3(Uc=13.1)
σ c'=98kPa
Stre
ss R
atio
R L20
Relative density Dr (%)
DA=5% Wet tampingModified for MP
NL=20
(Kokusho et al. 2004)
Dr~50% Wet tampingσ c
' =0.098 MPa-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
0 5 10 15 20 25
q- ε u- ε
Dev
iato
ric s
tress
q (M
Pa)
Exce
ss p
ore-
pres
sure
u (M
Pa
Axial strain ε(%)
SG2
SG3SG1
Deformación axial vs. Esfuerzo desviador/Exceso de presión de poros en Ensayos No Drenados Monotónicos sin carga cíclica
(Kokusho et al. 2004)
Def. Axial vs. Esfuerzo Desviador/Exceso de presión de poros; Ensayos Monotónicos No Drenados luego de ocurrida la licuación
(Kokusho et al. 2004)
(Dr=49% σd/2σ c' =0.185)
(Dr=50.9% σ d/2σ c' =0.197)
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
0 5 10 15 20 25
q-εu-ε
Dev
iato
ric s
tress
q (M
Pa)
Exce
ss p
ore-
pres
sure
u (M
Pa)
Axial strain ε(%)
Wet tampingσ c
' =0.098 MPa
(Dr=51.6% σ d/2σ c' =0.187)
SG2
SG3
SG1
Dr~50%
RESUMEN-2Efectos de la gradación de las partículas en la
resistencia no drenada• La resistencia cíclica no drenada no es fuertemente
dependiente del Uc. La resistencia cíclica para εDA =5% escasi idéntica entre arenas pobremente gradadas y gravasbien gradadas y es únicamente definida por la Dr.
• La resistencia no drenada,cuando se presentandeformaciones considerables, es fuertemente dependientedel Uc. Es más considerable aún para gravas bien gradadasque para arenas pobremente gradadas.
• La resistencia residual no drenada, luego de ocurrida la licuación, es también fuertemente dependiente del Uc.
Efectos del contenido de finos de baja plasticidaden la resistencia no drenada cíclica y monotónica
0
20
40
60
80
100
0.001 0.01 0.1 1 10 100
Fc=0Fc=2.5%Fc=5%Fc=10%Fc=20%Fc=30%
Fine
r by
wei
ght (
%)
Grain size (mm)
Los finos provienen de granito descompuestocon Ip~5.
SG3
SG3 mezclada con finos. Fc=10%
Grava arenosa SG3, Fc=0%
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.1 1 10 100 1000Number of cycles NL
Stre
ss ra
tio R
L fo
r DA=
5%Fc=0%Fc=2.5%Fc=5%Fc=10%Fc=20%Fc=30%
Relación de Esfuerzos (DA=5%) vs. Número de ciclos para Dr~32%
Dr~32%
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.1 1 10 100 1000
Number of Cycles NL
Stre
ss ra
tio R
L fo
r DA
= 5%
Fc=0%Fc=2.5%Fc=5%Fc=10%Fc=20%Fc=30%
Dr~50%
Relación de Esfuerzos (DA=5%) vs. Número de ciclos para Dr~50%
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.1 1.0 10.0 100.0 1000.0
Number of Cycles NL
Stre
ss ra
tio R
L fo
r DA=
5%
Fc=0%Fc=2.5%Fc=5%Fc=10%Fc=20%Dr~73%
Relación de Esfuerzos (DA=5%) vs. Número de ciclos para Dr~73%
Resistencia a la licuación/ Densidad Seca vs. Contenido de finos (%)
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0 10 20 30 40 50
Fine contents (%)
Stre
ss ra
tio R
L20
DA=5
%, N
L=20
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
2
Dry
dens
ity (g
/cm
3)
RL20 for Dr=70%RL20 for Dr=50%RL20 for Dr=30%ρ d for Dr=50%ρ d for Dr=30%ρ d for Dr=70%
Dr=70% Dr=50
% Dr=30%
Contenido de Finos Crítico CFc
CFc=14~17% for sand
CFc=22~23% for sandy gravel
Fines content Fc (%)
Cyc
lic st
ress
ratio
Wet tampingsand +fines: Dr~30%sand +fines: Dr~50%sand +fines: Dr~70%sandy gravel +fines: Dr~30%sandy gravel +fines: Dr~50%sandy gravel +fines: Dr~70%
Comparación del Fc dependiente de la resistencia a la licuación entre arenas gravosas y arenas.
Concepto de vacío en el esqueleto de suelos de grano grueso relleno de finos
Vacío en SueloGrueso
Finos llenando el vacíoPartículas de SueloGrueso
Suelo Completo Esqueleto Matriz
1-nc
ncVacío finos
Fino
Grueso1
e
1
e
1-nf
nf
1-Fc
Fc
1-Fc
Fc
Vacío finos
Fino
Gureso
Fc < CFcFinos en los vacíos de las part.
gruesas
Fc > Critical FcPart. Gruesas flotando
entre los finos
Composición de suelos Gruesos incluyendo finos
Volumen de suelos gruesos y finos variando con el Fc
0
0.5
1
1.5
2
2.5
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Fines content (%)
Tota
l vol
ume
(=1+
e)
Volume of fines
Volume ofcoarse soils
CFc=18%
Total volume(1+e)
Dr=50%
1 11
fc
f
ne F
n+ = +
−111
c
c
Fen
−+ =
−
( )( )11
1 1c c c f
en n n n
+ =− + − ( )( )1 1
c
c c c f
nn n n n− + −
Void volume of coarse soil
11 cn−
11 fn−
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0 5 10 15 20
Axial strain ε (%)
Devia
toric
str
ess
q(M
Pa)
Fc=0%Fc=2.5%Fc=5%Fc=10%Fc=20%Fc=30%
Relación Esfuerzo-Deformación para ensayos no drenados con carga monotónica para Dr~30%
Dr~30%
0
0. 02
0. 04
0. 06
0. 08
0. 1
0. 12
0. 14
0 5 10 15 20
Axi al st r ai n ε ( %)
Devi
ator
ic s
tres
s q(
MPa)
Fc=0%Fc=2.5%Fc=5%Fc=10%Fc=20%Fc=30%
Dr~50%
Relación Esfuerzo-Deformación para ensayos no drenados con carga monotónica para Dr~50%
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
0 5 10 15 20
Axial strain(%)
Devia
tric
str
ess
(M
Pa)
Fc=0%Fc=2.5%Fc=5%Fc=10%Fc=20%
Dr~70%
Relación Esfuerzo-Deformación para ensayos no drenados con carga monotónica para Dr~70%
00.20.40.60.8
11.21.41.6
0 5 10 15 20 25 30
Fines content Fc(%)
Undr
aine
d sh
ear s
treng
th(M
Pa)
Dr~30%Dr~50%Dr~70%
Resistencia monotónica no drenada vs. Fcpara diferentes densidades relativas
Contenido de finos crítico
RESUMEN-3Efecto causado por el contenido de finos con baja
plasticidad (Fc)• La resistencia cíclica no drenada de suelos gravosos decrece con
el incremento del Fc hasta cierto CFc. La tendencia esbásicamente similar que en las arenas, pero el CFc en las gravases menor.
• El CFc puede ser de alguna manera relacionado con un contenidode finos crítico en el cual los finos llenan el vacío de los suelosgruesos. Fc para la grava es 10-20%, mientras que para las arenas es mayor.
• La resistencia monotónica no drenada para suelos gravosos decrececon el incremento del contenido de finos. El decrecimiento en suelosdensos es drástico, siendo menor que 1/10 para Fc=10%.
CONCLUSIONES FINALESNmin,Vsmin son prácticamente constantes mientras que Nmax, Vsmaxson altamente dependientes de la gradación en suelos granulares.
Los suelos granulares limpios son tan suceptibles como las arenas con presión de poros aumentada al 100% y con deformaciónlimitada, siendo difícil obtener una falla drástica con unadeformación considerable.
Los suelos gravosos que contienen finos de baja plasticidad tiendena licuarse más fácilmente y desarrollan una deformación mayor quelas gravas limpias. El efecto causado por los finos es muy variable para diferentes valores de Dr.
Una investagación más sistemática es necesaria para establecer unafórmula tal que correlacione la resistencia no drenada con la resistencia a la penetración para suelos granulares con contenido de finos.