Cuando la resistencia al esfuerzo cortante de las arenas se reduce a cero, o sobre el fenómeno de la LICUEFACCIÓN

El conocido físico e ingeniero francés Coulomb fue el científico que publicó en 1776 el primer trabajo reseñable que trataba de explicar la génesis de la resistencia de los suelos. Su primera idea consistió en atribuir a la fricción entre las partículas del suelo la resistencia al corte del mismo y extender a este orden de fenómenos las leyes que rigen la fricción entre los cuerpos, según la Mecánica elemental.

Si un cuerpo sobre el que actúa una fuerza normal (P) ha de deslizar sobre una superficie rugosa, la fuerza (F) necesaria para ello resulta ser proporcional a P, de modo que F = µ P, donde µ es el coeficiente de fricción entre las superficies de contacto.

Coulomb admitió que los suelos fallan por esfuerzo cortante a lo largo de planos de deslizamiento y que el mismo mecanismo de fricción rige la resistencia al esfuerzo cortante de, por lo menos, ciertos tipos de suelos. Dada una masa de suelo y un plano potencial de falla de la misma AA´, el esfuerzo cortante máximo susceptible de equilibrio y, por lo tanto, la resistencia al esfuerzo cortante del suelo por unidad de área en ese plano, es proporcional al valor de σ, presión normal en el plano AA´, teniendo: F/Area= s = τ máximo = σ tan f.

De este modo nace una ley de resistencia, según la cual la falla se produce cuando el esfuerzo cortante actuante, τ, alcanza un valor, s, tal que: s =  σ tan f. La constante de proporcionalidad entre s y σ, tan f, fue definida en términos de un ángulo que llamó ángulo de fricción interna y definió como una constante del material. De todo esto se deduce que la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos que obedezcan a esta ecuación debe ser nula para σ=0.
Sirva como ejemplo una muestra de arena seca y suelta sobre la palma entreabierta de una mano, que al deslizar entre nuestros dedos indica claramante σ=0 y s=0. Un suelo de este tipo se denominó «suelo puramente friccionante» o, utilizando un término más actual, suelo granular. Queda claro que este supuesto es un caso extremo y que la mayoría de los suelos existentes se encuentran en un término medio entre los suelos puramente granulares y los puramente cohesivos.

La resistencia al esfuerzo cortante de una masa de suelo granular depende de las siguientes características del propio material: compacidad, curva granulométrica, forma, tamaño y resistencia individual de las partículas. Podemos estblacer una tendencia a la deformación: arena suelta > arena compacta > arena cementada. Cuando tiende a producirse un desplazamiento en arena sueltas, las partículas no se traban entre sí, ni se bloquean, por lo que la resistencia que se opone a la deformación es sólo fricción. Además la deformación por esfuerzo cortante produce un mejor acomodo de los granos, lo que se traduce en disminución de volumen. La forma típica de la línea de resistencia de una arena suelta es una recta que pasa por el origen, quedando descrita perfectamente por la ley dada anteriormente (s = σ tan f).

Como hemos dicho, las arenas deformadas bajo esfuerzos cortantes disminuyen su volumen y, por lo tanto, su relación de vacíos, en cambio para arenas compactas ambos aumentan. En este sentido, es de esperar un valor intermedio en el que la arena que lo tuviese no variaría su volumen. Este valor intermedio recibe el nombre de «relación de vacíos crítica» (según A. Casagrande). La importancia de esta relación de vacíos crítica surge cuando se considera la resistencia al esfuerzo cortante de las arenas finas saturadas, sometidas a deformaciones tangenciales rápidas. Si la arena es suelta, al deformarse tiende a compactarse, aumentando la presión neutral en el agua si ésta no drena con la suficiente rapidez. Este aumento de presión hace disminuir la presión efectiva y la resistencia al esfuerzo cortante.

Ahora la pregunta sería: ¿en qué situaciones se producen deformaciones tangenciales rápidas? La respuesta es igual de rápida: en terremotos o grandes impactos. El fenómeno de la licuefacción de arenas viene definido por una disminución rápida de la resistencia del terreno al esfuerzo cortante hasta valores nulos o prácticamente nulos, debido al aumento rápido de la presión intersticial. Esto ocurre cuando el suelo queda sujeto a una solicitación brusca de tipo dinámico, como cuando se produce un terremoto o sismo. Lo que sucede es que la estructura granular del material sufre un derrumbe instantáneo que afecta a masas grandes de suelo, obligando al agua a tomar bruscamente presiones adicionales muy por encima de la propia presión hidrostática, que reducen la presión efectiva a cero. El conjunto se comporta como una suspensión densa y es este comportamiento el que da nombre al fenómeno.

Los terremotos producen una aceleración vertical de la superficie del terreno, pero estas aceleraciones son demasiado pequeñas (como máximo 0.3g) para producir por si misma un aumento de la compacidad del terreno. Los fenómenos sísmicos producen también aceleraciones con componente horizontal que, como ya hemos explicado, dan lugar a esfuerzos tangenciales. Pues bien, la repetición de la aplicación de cargas de este tipo puede puede producir una pérdida casi total de la resistencia al corte, dando lugar a fallas catastróficas durante terremotos. El fenómeno de la licuefacción ha sido bien estudiado por expertos como Seed y Lee (1966), y fue en el terremoto de Niigata de 1964, en Japón, donde se observó y describió por primera vez el fenómeno (ver vídeo). Es en Japón donde se dan los casos de fenómenos de licuefacción, ligados a los terremotos, más espectaculares, aunque también se han dado casos en Estados Unidos y en algunas zonas de Europa

Por esta razón, cuando se producen terremotos en núcleos de población, urbanizados sobre depósitos sedimentarios con características como las descritas anteriormente, se pueden observar cosas tan impactantes como las ocurridas en Niigata (Japón) en 1964, con el vuelco o rotación de bloques de viviendas enteros, o como en el último terremoto que se ha vivido en recientemente en el norte de Italia, donde también se ha observado el fenómeno de la licuefacción.

fuentes: Lambe, Badillo, Rodríguez.