26 al 28 de Noviembre de 2014

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SITIOS AFECTADOS POR LICUEFACCIÓN A CAUSA DEL TERREMOTO 27-F

Javiera González Fuentealba (1); Ramón Verdugo Alvarado (2)

(1) Estudiante de Magíster de Ingeniería Geotécnica, Universidad de Chile (2) Ing. Senior, CMGI Ltda

jgonzalez@cmgi.cl; rverdugo@cmgi.cl; Av. Lib. Bdo. O’Higgins 2356 Of. D. Santiago

Resumen

Antes del terremoto del 2010 en muchos profesionales existía la creencia que en nuestro país no se producía la licuefacción debido a que la elevada cantidad de sismos que han azotado nuestra región produjeron una densificación de los suelos. No obstante, revisando los antecedentes históricos disponibles, no cabe duda que los grandes terremotos de Chile han generado licuefacción, pero que ésta no fue asociada a este fenómeno por desconocimiento de dicho fenómeno antes de 1964. El terremoto del 27-F dejó en evidencia un gran número de sitios donde ocurrió el fenómeno de licuefacción de suelos, extendiéndose entre La Calera y el Lago Llanquihue. Los principales patrones de daños incluyen la formación de grietas, asentamientos, desplazamiento lateral del suelo y formación de volcanes de arenas. Las estructuras que fueron afectadas con este fenómeno corresponden a viviendas, puentes y pasos a desnivel, puertos y muelles, tranques de relaves y estructuras enterradas. En base a los antecedentes históricos es posible indicar que el fenómeno de licuefacción se ha manifestado de forma reiterada. Por tanto, es posible señalar que áreas que han presentado licuación en el pasado constituyen sectores que potencialmente pueden licuar en el futuro. Palabras-Clave: licuación de suelos, lateral spreading, 27 de febrero de 2010

Abstract

Before the 2010 Earthquake many engineer believed that in our country there was no soil liquefaction due to the high number of earthquakes that have struck our region, inducing densification of the soils. However, a review of the historical available reports clearly indicates that major earthquakes in Chile have generated liquefaction, but it was not associated with this phenomenon because it was conceptually unknown before 1964. The F-27 earthquake revealed a large number of sites where the phenomenon of soil liquefaction occurred, covering an area between La Calera and Llanquihue Lake. The main patterns of damage include cracking, settlement, lateral spreading and sand boils. The structures that were affected by this phenomenon correspond to houses, bridges and overpasses, ports and docks, tailings dams and buried structures. Based on the historical background, it is possible to indicate that the liquefaction phenomenon has manifested repeatedly in some sites. Thus, it is possible to recognize that areas that have experienced liquefaction in the past may liquefy again in the future. Keywords: liquefaction of soils, lateral spreading, february 27th 2010

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1 Licuefacción de suelos en Chile

En Chile, hasta el terremoto del 27-F, existía la creencia por parte de un número no menor de ingenieros que en nuestro país no se producía el fenómeno de licuefacción de suelos, estando este tipo de falla relacionada únicamente a tranques de relaves o rellenos antrópicos no compactados. El argumento era que la elevada cantidad de sismos que han azotado nuestra región, serían los responsables de que los terrenos se encuentren en un estado de densificación tal que imposibilite la licuación del material. Lo anterior no es correcto pues, por una parte, sí hay evidencia de licuación en los grandes terremotos que han ocurrido en Chile y, por otra, depósitos de suelos arenosos sueltos han mostrado que pueden desarrollar licuación en varios eventos sísmicos [1].

Es interesante recordar que el fenómeno de licuefacción fue identificado y conceptualizado por la ingeniería geotécnica a partir del año 1964, a raíz de los catastróficos efectos de éste en los terremotos de Niigata, Japón y de Alaska, EEUU. No hay duda que el terremoto de Valdivia de 1960, como otros eventos sísmicos anteriores, produjeron licuefacción de muchos sitios, pero la ingeniería nacional no logró entenderlos como tal.

2 Evidencia de licuefacción en Chile en terremotos anteriores

La información gráfica y escrita de los grandes terremotos de la historia reciente de Chile, permiten, sin lugar a dudas, concluir que el fenómeno de licuefacción de suelos ha ocurrido sistemáticamente. Por ejemplo, relatos de los grandes terremotos de Concepción (1570) y Santiago (1647), describen enormes grietas en el suelo por donde fue expelido material, que en algunos casos se caracterizó por un color oscuro y olor intenso. El historiador Diego Barros Arana en su obra “Historia General de Chile” [2] realiza la siguiente afirmación del terremoto de 1647:

“Pero el territorio comprendido entre los ríos de Choapa por el norte, i de Maule por el sur, era el que había sufrido más desastrosos estragos, a punto de no quedar edificio entero. En muchas partes la tierra se había rasgado formando grandes grietas, algunas de la cuales arrojaban aguas turbias como barro diluido, impregnadas de gases mefíticos que despedían un olor insoportable”.

También es interesante lo expuesto por Charles Darwin en su libro “Viaje de un Naturalista Alrededor del Mundo” [3], donde relata su experiencia del terremoto de Concepción en 1835, que lo sorprendió en nuestro país. Su compañero de viaje, el capitán Fitz-Roy, le indicó que fue testigo de dos erupciones marinas: una semejantes a una columna de humo y otra parecida al chorro de agua lanzado por una inmensa ballena. Según el capitán, por todas partes el agua parecía en ebullición, se puso negra y dejó escapar vapores sulfurosos muy desagradables. De acuerdo al naturalista, estos fenómenos también se observaron en el terremoto de 1822 en la bahía de Valparaíso y los asocia a la “agitación del lodo que forma el fondo del mar, lodo que contiene materias orgánicas

en descomposición”.

El terremoto de Valparaíso de 1906 tuvo varios hechos que llamaron la atención de la población y que se pueden atribuir directamente a licuación de suelos. Rodríguez y Gajardo [4] señalan los siguientes acontecimientos en las ciudades de Viña del Mar y Talca, respectivamente:

“…en los momentos mismos en que se sucedían los temblores más fuertes, en la calle de Limache, frente a la Refinería de Azúcar, se abrió una profunda grieta por donde salía el agua á borbotones é igual cosa sucedió en varias partes de la población Vergara, donde se formaron verdaderas lagunas, sobre el nivel de las calles…”.“En distintos puntos se formaron hoyos circulares por donde salía agua y arena, formándose montículos de la última. Por uno de esos agujeros el agua saltó con fuerza, elevándose hasta 10 metros”.

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Segerstrom et al [5] describieron erupciones de agua y arena ocurridas en las cercanías de Concepción producto del terremoto de 1960. Los autores señalan que se dio una noticia – la que fue posteriormente suprimida para evitar la alarma- en que se declaraba que erupciones de agua caliente y gases sulfurosos se produjeron en el área de Boca Sur, a unos 8 km al oeste de Concepción e inmediatamente al sur de la desembocadura del río Bío Bío. Estos orificios, que llamaron mud-volcanoes, fueron acompañados por grietas con una orientación predominante paralela al río. Los cráteres formados se caracterizaron por tener montículos de arenas de color gris, con hasta 10 cm de espesor y 70 cm de diámetro (Fig. 1). Interesante es la información señalada que alrededor de las 8:00 a.m. (el terremoto se produjo cerca de las 6:10 a.m.) se observaron chorros de agua que emergieron de fisuras y orificios hasta una altura máxima de 50 cm, situación que se mantuvo hasta cerca del mediodía. Sin comprender en ese entonces el fenómeno de licuación, Segerstrom et al [5] pensaron que el mecanismo de erupción se podía asociar a un repentino incremento de la presión artesiana causada por las ondas de compresión del terremoto.

Fig. 1 – Representación de los montículos de arenas observados en el área de Boca Sur [5].

Otras claras evidencias de la ocurrencia de licuefacción en el terremoto de 1960 son los daños ocurridos en la costanera (Fig. 13), la flotación de estanques de una bencinera en Angelmó (Fig. 2a) y los daños un muelle en Puerto Montt, el cual presentó importantes asentamientos y desplazamientos en sus pilotes (Fig. 2b), probablemente debido a lateral spreading.

Fig. 2 – Terremoto 1960. a) Estación de bencina en Angelmó [6] y b)muelle de Puerto Montt [6].

El terremoto de 1985 también dejó varios sitios con daños por licuación de suelos. Destaca lo ocurrido en San Antonio, cuyo puerto resultó con importantes daños en los sitios 1 y 2, con el desplazamiento de los muros gravitacionales hacia la poza de abrigo, asentamientos diferenciales y formación de volcanes de arenas (Fig. 3a). También se generaron daños hacia el centro de la ciudad, donde un edificio presentó asentamientos diferenciales del orden de 30 cm (Fig. 3b).

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Fig. 3 – Terremoto 1985. a) Desplazamiento del molo de bloques de concreto en Sitio 1 del Puerto de San Antonio [7] y b) Asentamientos diferenciales en edificio de San Antonio [7].

La evidencia de sitios donde ocurrió licuación en el pasado reciente es bastante extensa y aquí sólo se ha mostrado una parte que permite dar a conocer esta situación.

3 Licuefacción observada producto del terremoto del 27-F

El terremoto del 27-F dejó en evidencia un gran número de sitios donde ocurrió el fenómeno de licuefacción de suelos. Esta situación impulsó el desarrollo de un extenso catastro de dichos sitios a lo largo de nuestro país, a través de la recopilación de antecedentes, consulta a diversos organismos, instituciones, medios de comunicación y visitas de terreno. Este trabajo dio como resultado más de 180 sitios con evidencia de licuefacción, ubicados entre las regiones de Valparaíso y Los Lagos, los que fueron clasificados según las condiciones de terreno y/o estructuras afectadas en los siguientes grupos: terrenos relativamente planos, lateral spreading, puentes y pasos a desnivel, puertos y muelles, tranques de relaves, estructuras enterradas, fallas de talud, terraplenes de accesos y terrenos ganados al mar.

Fig. 4 - Distribución sectores con licuación de suelos terremoto 27-F

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La Fig. 4 corresponde a la distribución de los puntos de licuación encontrados y separados de acuerdo a los grupos indicados. La distancia aproximada de desarrollo de licuación fue de alrededor de 950 km, desde La Calera hasta el Lago Llanquihue, es decir, una longitud cercana al doble de la zona de ruptura. Esta área se extiende con mayor preponderancia hacia el sur del país, lo que se explica por el predominio de suelos arenosos y la gran cantidad de ríos, lagos, y napas de poca profundidad, que difiere con las características de los terrenos ubicados en la parte centro-norte del país [8].

4 Sectores con concentración de sitios licuados

Se observa una concentración de licuación en tres áreas a lo largo del país (Fig. 4). La primera se ubica al sur de la región metropolitana, destacando los daños ocurridos en la localidad de Champa, donde un conjunto de grietas dejó con graves daños casas, calles y especialmente una escuela local. En Abrantes, una iglesia y varias casas resultaron con daños (Fig.5a). Sin embargo, el caso que más destaca en esta zona corresponde a lo ocurrido con cinco pasos a desnivel (Paso Superior Champa, Paso Superior Hospital (Fig. 5b), Paso Inferior Los Pinos, Paso Inferior Chada y Paso Inferior Azufraderos), los que resultaron con importantes corrimientos en vigas, tableros, estribos y asentamientos en terraplenes.

Fig. 5 - Daños en a) Abrantes y b) Paso Superior Hospital.

El segundo sector con abundantes sitios licuados se ubica en las áreas de Retiro y Parral donde casas y pavimentos resultaron dañados en el centro de Retiro, debido principalmente a asentamientos diferenciales y agrietamiento del terreno. Los casos de mayor envergadura fueron las extensas grietas que se formaron en el fundo Los Álamos (Fig.6a), camino a Catillo (Fig.6b), Yiyahue y Monteflor. Destaca la expulsión de ceniza a través de orificios, grietas y desde algunos pozos, situación que se repite en decenas de otros sitios a lo largo del país.

Fig. 6 – a) Fundo Los Álamos [9] y b) Cruce Catillo [10].

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El tercer sector de abundante licuación, y el más afectado corresponde al área de Concepción, donde el tipo de sedimentos depositados por el río Bío-Bío, nivel freático somero y la construcción de rellenos sobre humedales, constituyen los componentes propicios para resultar potencialmente licuables ante una solicitación sísmica. Destacan los conjuntos de viviendas Brisa del Sol, Condominio Los Presidentes (Fig.7a), Condominio Portal del Centro (Fig.7b), Población Buena Vista, Condomino Portal del Centro y Bayona (Fig.7c), entre otros. También resultaron dañados por licuación los puentes sobre el Bío-Bío: Juan Pablo II, Llacolén, La Mochita y el Puente Viejo.

Fig. 7 – a) Los Presidentes [11], b) Cond. Portal del Centro [12] y c) Bayona [13].

5 Sitios severamente afectados por licuación

5.1 Puertos en Coronel

En la Bahía de Coronel varios puertos fueron afectados por la licuefacción del terreno del borde costero y del fondo marino, como el Puerto de Coronel (Fig. 8a), Lo Rojas y el sifón industrial (Fig 8b). La licuación del terreno del borde costero indujo el movimiento de éste hacia el mar, en una falla del tipo lateral spreading, arrastrando los pilotes que soportan las supra-estructuras. [8]

Fig. 8 – Bahía de Coronel a) Puerto comercial y b) sifón industrial.

5.2 Apalta

En la Ruta I-350, que une Apalta con Santa Cruz, se produjeron importantes daños en tres tramos del camino debido a la formación de grietas paralelas a la ruta, causando el colapso de terraplenes y el pavimento (Fig. 9). En el primer tramo, ubicado en el sector de Cóndor de Apalta, las grietas se extendieron un largo de 150 m, con profundidades cercanas a los 2.5 m. En el segundo tramo (sector de Millahue), las grietas se extendieron por 80 m, y profundidades de hasta 1.5 m. El tercer tramo, ubicado en San José de Apalta, fue el más dañado, con grietas que se extendieron por 720 m y profundidades superiores a 3.5 m [14].

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Fig. 9 - Apalta [15].

5.3 Enlace Villaseca

El Enlace Villaseca (Fig. 10) se ubica en la Ruta 5, en el kilómetro 326, a 2 km al norte de la localidad de Retiro. El terremoto produjo la falla del terraplén de acceso poniente, el cual se desplazó –de forma relativamente intacta– en más de 10 m [9]. De acuerdo a información disponible, cercano a este sitio hay presencia de estratos de arenas con espesores de bajos índices de penetración, lo que hace prever una falla por licuefacción de la base del terraplén.

Fig. 10 – Enlace Villaseca.

5.4 Río Itata, Puahun

En Puahun, ubicado a 16 km de Trehuaco, se produjo el fenómeno de lateral spreading en la ribera norte del río Itata, a la altura de su desembocadura (Fig. 11). Las cuantiosas grietas, que se formaron en un sector de cultivo de hortalizas, desarrollaron una geometría escalonada, con aberturas de hasta 2 m de profundidad y anchos de hasta 5 m, afectando una longitud de 1 km aproximadamente. Además, se aprecian algunos depósitos de material fino dentro de las grietas.

Fig. 11 – Río Itata [16].

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6 Sectores más alejados que sufrieron licuefacción

Los puntos más alejados de la zona epicentral que presentaron licuación se ubican en los lagos Villarrica, Calafquén, Panguipulli (Fig. 12a), Ranco (Fig. 12b) y Llanquihue, sitios que se caracterizan por presentar suelos arenosos finos de origen volcánico. En el caso del Lago Panguipulli se formaron tres orificios en su ribera sur, dos de los cuales aparecieron en un estero, desde los cuales fluyó abundante material barroso de tipo ceniza, quedando el agua de color plomizo. El tercer agujero se abrió en una quinta distante a unos 50 m de una casa habitación. A través de este último orificio salió agua eyectada -según mencionan algunos testimonios del diario de Panguipulli [17] - caliente y con abundante ceniza hasta una altura de 4 m, quedando los residuos esparcidos en un área de 10 m2.

Fig. 12 – Lagos a) Panguipulli [17] y b) Ranco [18].

Dentro del contexto de sitios lejanos es importante señalar que el acelerógrafo más al sur que registró el movimiento sísmico el 27-F, corresponde al ubicado en Valdivia, que midió un PGA igual a 0.14 g. Luego, en sectores más australes es posible inferir que el nivel de aceleración fue menor. Semejante situación fue observada en el terremoto de Japón el año 2011, donde se registró licuación en áreas con aceleraciones peak horizontales iguales o superiores a 0.15g [1].

7 Evidencia de licuación reiterada

Testimonios fotográficos del terremoto de Valdivia de 1960 indican que en la costanera se produjo el desplazamiento lateral del terreno y se formaron numerosas grietas paralelas al río Calle-Calle (Fig. 13a), semejante a los daños producidos en el 27F en el área del Muelle Schuster, lo que incluyó el asentamiento en aproximadamente 1.2 m y se observaron rastros de un material arenoso fino de color café (Fig. 13b). Esta situación deja en evidencia la posibilidad que un sitio puede presentar licuación reiterada, lo que se observó también en los puertos de Valparaíso y San Antonio, los puentes Hospital y Lo Gallardo, lago Rapel y los ríos Tinguiririca y Bío-Bío, entre otros.

Fig. 13 –Costanera de Valdivia a) Terremoto de 1960 [6] y b) Terremoto de 2010 [19].

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En el caso del puerto de Valparaíso y el muelle Prat, éstos presentaron desplazamientos de muros, formación de grietas y asentamientos del terreno, los que se registraron de forma semejante en los terremotos de 1985 y 2010 (Fig. 14).

Fig. 14 – Muelle Prat a) Terremoto 1985 [20] y b) Terremoto 2010 [21].

El Puente Lo Gallardo (Fig. 15), cruza el río Maipo y une Llolleo con Santo Domingo. Fue construido en los inicios de los años 60’ y consta de 28 vanos de 30 m, simplemente apoyados, sobre 4 vigas de hormigón pretensado [20]. Con el terremoto de 1971 el puente registró un movimiento transversal de hasta 60 cm y 30 cm en el sentido longitudinal. Posteriormente, con el terremoto de 1985, se registró el descenso de pilas y el colapso de cuatro tableros, los cuales quedaron sin el área suficiente sobre la mesa de apoyo. Además, se registraron fallas en ambos terraplenes de acceso, los cuales quedaron agrietados y desmoronados. Durante el terremoto del 27-F se registraron daños de menor envergadura, los que consistieron en el desplazamiento transversal de los tableros, evidenciando la ocurrencia sistemática de licuación en el terreno de fundación.

Fig. 15 – Puente Lo Gallardo a) Terremoto 1985 [22] y b) Terremoto 2010 [23].

8 Conclusiones

- El análisis de documentos que describen lo acontecido en los grandes terremotos que han afectado Chile, permite, sin lugar a dudas, concluir que el fenómeno de licuación ha estado presente sistemáticamente en nuestro país.

- Debido al terremoto del 27F, sitios licuados se observaron desde La Calera hasta el Lago Llanquihue, es decir, en una extensión de casi 1000 km.

- Los daños causados por licuación fueron severos en puertos, puentes, pasos a desnivel, terrenos agrícolas e industrias, principalmente.

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- La licuación de suelos es un fenómeno que se ha evidenciado de forma reiterativa en Chile. Áreas que han presentado licuación en el pasado constituyen sectores que potencialmente pueden licuar en futuros terremotos.

- La evidencia empírica permite concluir que el fenómeno de licuación puede ocurrir en Chile a causa de grandes sismos y por tanto debe ser considerado su estudio en todo proyecto de ingeniería.

9 Referencias

[1] Wakamatsu K. Recurrence of Liquefaction at the same site induced by the 2011 Great East Japan Earthquake Compared with Previous Earthquakes; 2012.

[2] Barros Arana D. Historia General de Chile. Rafael Jover; 1885.

[3] Darwin Ch. Viaje de un naturalista alrededor del mundo; 1945, p. 360 – 372.

[4] Rodríguez A, Gajardo A. La catástrofe del 16 de agosto de 1906 en la República de Chile; 1906.

[5] Segerstrom K, Casertano L, Galli C. Eruptions of water and sand resulting from an earthquake near Concepción, Chile. Art. 35 in U.S. Geol. Survey Prof. Paper 475-B; 1963, p. B131-B134.

[6] Diario El Mercurio. Especial de Prensa Terremoto 1960.

[7] Ortigosa P. El sismo del 3 de Marzo 1985 Chile. Universidad de Chile FCFM; 1986, Cap. 11.

[8] Verdugo R, González J, González V, Torres A. Mw = 8.8 Terremoto en Chile 27 de febrero 2010. Universidad de Chile. Departamento de Ingeniería Civil FCFM; 2012, Cap. 4, 63-103.

[9] I. Municipalidad de Retiro.

[10] youtube/ppdaza.

[11] Roberto Ponce Abarca, comunicación personal.

[12] Begoña en http://www.chilesoluciones.cl.

[13] flickr/annais.

[14] José Miguel Torres Morales, comunicación personal.

[15] Sitio web. http://sites.google.com/site/valledeapalta.

[16] youtube/Mauricio Lillo.

[17] eldiariodepanguipulli.cl.

[18] youtube/ Jose Mario Ríos Figueroa.

[19] youtube/imontiel1985.

[20] Earthquake Spectra. The Chile Earthquake of March, 1985. Vol. 2, No. 2; 1986.

[21] Sitio web: chile-catastrofes-tragedia.blogspot.com.

[22] Maximiliano Astroza.

[23] youtube/tvsanantoniochile.