Licuefacción de suelos en rellenos hidráulicos: lecciones del terremoto de Tohoku 2011 en Chiba, Japón

Este informe analiza las fallas de terreno -y también las zonas donde no se observaron fallas- en el distrito de Mihama Ward, Chiba, Japón, después del terremoto de Tohoku de 2011, de magnitud M9.0. Además, el trabajo amplía de manera importante el componente de ensayos de laboratorio de la base relacional Next Generation Liquefaction (NGL). Mihama Ward se emplaza sobre suelos de relleno hidráulico colocados mediante tuberías. Ese método produjo un gradiente de granulometría: los materiales más gruesos se depositaron cerca de las tuberías de descarga, mientras que los finos fueron transportados a mayor distancia. Las observaciones de investigadores de la Universidad de Chiba mostraron que las manifestaciones de falla del terreno aparecieron principalmente cerca de las zonas de descarga y no tan claramente en sectores más alejados. La hipótesis inicial fue que la susceptibilidad a la licuefacción explicaría el patrón observado: suelos más gruesos y arenosos cerca de las tuberías serían más susceptibles, mientras que suelos más finos, con arcillas y mayor plasticidad, serían menos susceptibles. Los ensayos de laboratorio confirmaron solo parcialmente esta idea. Hubo zonas con alto contenido de arcilla y sin manifestación superficial, y zonas granulares con manifestaciones extensas. Sin embargo, en la zona de transición se encontraron limos finos no plásticos que sí eran susceptibles a licuefacción, aunque no generaron manifestación superficial evidente. La interpretación principal es que esos limos probablemente licuaron durante el terremoto, pero no llegaron a manifestarse en superficie. Dos factores pudieron influir: condiciones de terreno relativamente plano con bajas tensiones estáticas de corte y construcciones residenciales livianas; y, además, una menor capacidad de los limos para erosionarse hacia la superficie y formar volcanes de arena, en comparación con suelos más arenosos. El caso destaca una distinción crítica para la ingeniería sísmica: no es lo mismo el disparo de licuefacción -desarrollo de presión de poros y pérdida de resistencia- que su manifestación superficial -grietas, volcanes de arena, asentamientos o desplazamientos laterales-.

1. Introducción La licuefacción de suelos arenosos y limosos sin cohesión es uno de los mecanismos de falla más relevantes en ingeniería sísmica. Ha producido deformaciones, asentamientos e inestabilidad en terremotos históricos, como Niigata 1964, Tohoku 2011 y la secuencia sísmica de Canterbury, Nueva Zelanda, entre 2010 y 2011. El informe también recuerda que suelos finos, tradicionalmente considerados poco susceptibles, pueden generar fallas importantes por ablandamiento cíclico. Ejemplos históricos incluyen deslizamientos en Anchorage durante el terremoto de Alaska de 1964, daños en Wufeng durante el sismo Chi-Chi de Taiwán de 1999 y fallas bajo fundaciones en Adapazari, Turquía. La lección técnica es directa: para evaluar el riesgo sísmico no basta con mirar si el suelo es arena o arcilla. También importan la mineralogía, la plasticidad, el estado del suelo, el nivel freático, el confinamiento, la presencia de una costra superficial, la estratigrafía y la interacción suelo-estructura. 1.1 Susceptibilidad, disparo y manifestación El informe define la susceptibilidad como una propiedad de los minerales que componen el suelo. Los suelos susceptibles están formados por partículas de baja superficie específica, como arenas, gravas o limos no plásticos. Su resistencia depende principalmente del contacto mecánico entre partículas. Los suelos no susceptibles están dominados por minerales arcillosos de alta superficie específica. En ellos, las interacciones electroquímicas generan plasticidad y un comportamiento más moldeable o pegajoso. En un suelo arenoso susceptible, la carga cíclica puede producir una caída rápida de resistencia: eso es el disparo de licuefacción. En un suelo arcilloso o menos susceptible, el deterioro puede ser gradual: eso es ablandamiento cíclico. Ambos mecanismos pueden producir daño, pero no siempre dejan la misma huella en superficie. La manifestación es lo que el inspector ve en terreno: grietas, volcanes de arena, asentamientos o desplazamiento lateral. Un punto crítico del informe es que puede existir disparo de licuefacción sin manifestación superficial clara. 2. Caso de estudio: Mihama Ward, Chiba Mihama Ward es un sector de terreno ganado al mar en Chiba, Japón. Fue construido con material dragado desde el fondo de la bahía de Tokio y depositado mediante tuberías de descarga. La colocación del relleno comenzó en la década de 1960 y terminó hacia mediados de la década de 1980. Durante el proceso de relleno hidráulico, las partículas más gruesas tendieron a depositarse cerca de las tuberías. Las partículas más finas fueron transportadas más lejos por el flujo de agua. Esto generó una variación espacial del tipo de suelo y, por lo tanto, de la susceptibilidad a licuefacción. Después del terremoto M9.0 de Tohoku-Oki del 11 de marzo de 2011, equipos de la Universidad de Chiba inspeccionaron caminos y parques del distrito. Registraron evidencias superficiales de licuefacción, especialmente volcanes de arena, y las clasificaron como severas, menores o inexistentes.

2.1 Hipótesis inicial del estudio La hipótesis inicial fue que la distancia a las tuberías de descarga explicaba el daño: cerca de las tuberías habría suelos más arenosos, por tanto más susceptibles a licuefacción; lejos de ellas habría suelos más finos y plásticos, por tanto menos susceptibles. La investigación confirmó parte de esa hipótesis: las zonas con manifestación superficial coincidieron con suelos arenosos susceptibles, y los sectores con suelos de alta plasticidad no mostraron licuefacción superficial. Pero la hipótesis falló en la zona de transición, donde aparecieron limos no plásticos susceptibles que no manifestaron daño en superficie. 2.2 Investigación geotécnica El estudio utilizó nueve ensayos de penetración de cono (CPT), sondajes, mediciones de velocidad de onda de corte, muestras inalteradas y ensayos de laboratorio. Los ensayos fueron realizados por equipos de Chiba University, UCLA y Tokyo Soil Research Co. Ltd. Los CPT ubicados cerca de las tuberías de descarga mostraron suelos más arenosos. A medida que aumentaba la distancia a la tubería, aparecieron materiales más finos. Esta transición granulométrica fue central para analizar la diferencia entre disparo de licuefacción y manifestación superficial. El informe interpreta secciones estratigráficas a partir de los CPT y selecciona capas críticas para evaluar el disparo de licuefacción con el procedimiento de Boulanger e Idriss (2016).

2.3 Resultado técnico: disparo no siempre equivale a daño visible El modelo CPT predijo correctamente manifestación en los puntos donde efectivamente se observaron volcanes de arena. Sin embargo, también predijo manifestación en puntos donde no se observó daño superficial. Esos casos se consideran falsos positivos desde el punto de vista de la manifestación, no necesariamente desde el punto de vista del disparo de licuefacción. El informe plantea tres razones principales para esa diferencia: capas licuables delgadas e intercaladas con capas no licuadas; capas licuables demasiado profundas para afectar la superficie; y una costra superficial suficientemente gruesa o resistente que impide que la licuefacción subyacente se exprese como volcanes de arena o grietas. Para la práctica profesional, esto es clave: una evaluación de licuefacción debe distinguir entre potencial de disparo, severidad esperada, manifestación superficial y consecuencias para las obras. 3. Base de datos NGL y ensayos de laboratorio La segunda parte del informe amplía la base de datos Next Generation Liquefaction (NGL) para incorporar ensayos de laboratorio. El objetivo es organizar datos de corte simple directo, triaxial y consolidación junto con información de campo y observaciones de licuefacción. La motivación es importante: muchos resultados de laboratorio quedan publicados solo como gráficos en artículos o informes, sin datos digitales reutilizables. Al incorporarlos en una base relacional, otros investigadores pueden revisar, reinterpretar y comparar datos con nuevas metodologías. El esquema de laboratorio incluye información sobre el laboratorio, programa de ensayos, sitio, muestra, espécimen, condiciones iniciales, trayectoria de carga, resultados y archivos asociados. El informe también describe una interfaz gráfica para consultar y visualizar esos datos.

4. Conclusiones traducidas y adaptadas • El estudio de Mihama Ward muestra que la susceptibilidad del suelo ayuda a explicar los patrones de daño, pero no es suficiente por sí sola para predecir la manifestación superficial. • Las zonas con volcanes de arena coincidieron con suelos de comportamiento arenoso y susceptibles a licuefacción. Las zonas con suelos de alta plasticidad no manifestaron licuefacción. • En la zona de transición se encontraron limos no plásticos que son susceptibles a licuefacción, pero no generaron manifestación superficial evidente. Por lo tanto, la ausencia de daño visible no prueba necesariamente ausencia de licuefacción. • El procedimiento CPT de Boulanger e Idriss (2016) predijo correctamente los sitios con manifestación, pero también predijo manifestación en sitios donde no se observó daño. Esto refuerza la necesidad de separar el análisis de disparo del análisis de consecuencias. • La estratigrafía intercalada, la profundidad de las capas licuables y la presencia de una costra superficial pueden controlar si el fenómeno llega o no a la superficie. • La expansión de la base NGL con ensayos de laboratorio permite mejorar el estudio de suelos finos, limos no plásticos, arcillas de baja plasticidad y otros materiales donde los métodos tradicionales pueden ser insuficientes. 5. Comentario técnico para ingeniería sísmica y construcción civil Para un blog de ingeniería sísmica, la principal enseñanza es que la licuefacción no debe evaluarse solo como un fenómeno visible. La falla puede activarse bajo la superficie y no expresarse inmediatamente con volcanes de arena, especialmente si existe una costra no licuable, capas delgadas intercaladas o poca pendiente del terreno. En proyectos sobre rellenos artificiales, borde costero, explanadas portuarias, urbanizaciones en suelos ganados al mar o sectores con napa somera, el estudio geotécnico debe integrar CPT, sondajes, laboratorio, nivel freático, estratigrafía y análisis de desempeño esperado. En Chile, esta lección es aplicable a zonas costeras, portuarias y urbanas con rellenos, especialmente donde existen depósitos sueltos, limos, arenas finas, napa alta y exposición sísmica severa. Texto breve para cierre del post En simple: el suelo puede licuar sin “avisar” en superficie. Por eso, en ingeniería sísmica no basta con mirar grietas o volcanes de arena después de un terremoto. Hay que estudiar el perfil completo, distinguir disparo de manifestación y diseñar considerando las consecuencias reales para fundaciones, redes sanitarias, pavimentos y obras civiles. Referencia base Brandenberg, S. J.; Stewart, J. P.; Hudson, K. S.; Kwak, D. Y.; Zimmaro, P.; Parker, Q. (2024). Ground Failure of Hydraulic Fills in Chiba, Japan and Data Archival in Community Database. PEER Report No. 2024/06. Pacific Earthquake Engineering Research Center, University of California, Berkeley. Documento preparado como traducción técnica y adaptación editorial para Blogger. Para citas académicas, usar el informe original en inglés.