resistencia de gravas

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


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


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


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


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


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


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⎡ ⎤⎣ ⎦


( ) ( ) ( )* *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


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.


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


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 (㎜)


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


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


Def. Axial vs. Esfuerzo Desviador/Exceso de presión de poros; Ensayos Monotónicos No Drenados luego de ocurrida la licuación


(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%


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%


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%


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%


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.

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