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Effect of fines content on reliquefaction resistance and consolidation–reconsolidation behavior of silty sand

Este estudio investiga cómo el aumento del contenido de finos (hasta un 35%) mejora la resistencia a la reliquefacción de la arena limosa y altera su comportamiento de consolidación-reconsolidación, revelando que la resistencia supera los umbrales de licuefacción iniciales cuando el contenido de finos alcanza el 25% y la relación de coeficientes anisotrópicos propuesta cae por debajo de 1.

Autores originales: Yeming Zhong, Xueqian Ni, Sheng Zhang, Zhao Zhang, Feng Zhang, Feng Shan

Publicado 2026-09-03

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CC BY 4.0

Autores originales: Yeming Zhong, Xueqian Ni, Sheng Zhang, Zhao Zhang, Feng Zhang, Feng Shan

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El suelo bajo nuestros pies no siempre es tan sólido como parece. En ciertas condiciones, cuando la tierra tiembla, el agua atrapada entre los granos de suelo puede acumular tanta presión que el suelo pierde temporalmente su resistencia y comienza a comportarse como un líquido espeso. Este fenómeno, conocido como licuefacción, puede causar que los edificios se hundan y las carreteras se agrieten. Durante décadas, los ingenieros creyeron que una vez que un parche de suelo se había licuado y luego se había asentado de nuevo, se volvería más denso y seguro, endureciéndose eficazmente contra futuros temblores. Sin embargo, las observaciones del mundo real tras grandes terremotos han desafiado esta idea reconfortante. En algunos lugares, el suelo se licuó de nuevo durante réplicas menores, causando daños adicionales. Este misterio es particularmente desconcertante en suelos que son una mezcla de arena y partículas de limo fino. Mientras que la arena pura se comprende bien, estos suelos mixtos se comportan de maneras complejas que dependen en gran medida de cuánto limo fino esté presente, dejando a los ingenieros inseguros sobre cómo proteger las estructuras construidas sobre ellos.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Central South y la Universidad de Tongji en China se propuso resolver este enigma observando de cerca cómo diferentes cantidades de limo cambian el comportamiento de la arena después de haberse licuado ya una vez. Prepararon ocho mezclas diferentes de arena y limo, que iban desde arena pura hasta una mezcla que contenía un treinta y cinco por ciento de limo. Utilizando una máquina especializada que simula el temblor de un terremoto, sometieron estas muestras de suelo a una primera ronda de sacudidas hasta que se licuaron. Después de que el temblor cesó, permitieron que la presión del agua se disipara y que el suelo se asentara de nuevo en un estado sólido, un proceso llamado reconsolidación. Luego, sacudieron exactamente las mismas muestras de nuevo para ver cómo responderían a un segundo terremoto. El objetivo era determinar si el suelo se volvía más fuerte o más débil tras el primer evento y comprender cómo la cantidad de limo influía en este resultado.

Los resultados revelaron un cambio sorprendente en el comportamiento que depende enteramente de la cantidad de limo en la mezcla. Para las muestras con bajas cantidades de limo, el suelo se comportó como se esperaba: se volvió más débil tras la primera licuefacción y falló mucho más rápido durante la segunda sacudida. Sin embargo, a medida que los investigadores aumentaban el contenido de limo, surgió un punto de inflexión. Cuando el contenido de limo alcanzó el veinticinco por ciento o más, el suelo se volvió en realidad más resistente a la segunda licuefacción de lo que fue a la primera. En estas mezclas con alto contenido de limo, el terreno pudo soportar más ciclos de sacudidas antes de fallar una segunda vez, desafiando el supuesto tradicional de que el suelo licuado es siempre más vulnerable ante eventos subsecuentes. Los investigadores descubrieron que esta mejora en la resistencia no era aleatoria, sino que seguía un patrón claro vinculado a la estructura interna del suelo.

Para entender por qué sucedió esto, el equipo observó cómo se disponían las partículas del suelo antes y después de la sacudida. Descubrieron que la presencia de limo cambia la forma en que los granos de arena se tocan y se empaquetan. En las mezclas con menor contenido de limo, la sacudida crea una alineación interna específica que hace que el suelo sea inestable cuando se sacude de nuevo. Pero en las mezclas con alto contenido de limo, las partículas finas actúan como un recubrimiento alrededor de los granos de arena más grandes. Este recubrimiento cambia los puntos de contacto entre las partículas y altera cómo se comprime el suelo. Después de la primera licuefacción y la subsiguiente consolidación, esta estructura recubierta crea una nueva disposición que es sorprendentemente estable. Los investigadores introdujeron una nueva forma de medir esta estabilidad comparando cuánto se comprimía el suelo verticalmente frente a cuánto se deformaba lateralmente durante el proceso de asentamiento. Encontraron que cuando esta relación caía por debajo de un cierto nivel, el suelo estaba garantizado para ser más fuerte contra un segundo sismo.

El estudio también examinó el mundo microscópico del suelo utilizando imágenes potentes para ver los detalles diminutos de la disposición de las partículas. Observaron que, en las mezclas con alto contenido de limo, las partículas finas envolvían eficazmente la arena, aislándola unas de otras. Este recubrimiento evitaba que los granos de arena formaran las estructuras inestables, de tipo columna, que suelen conducir a un fallo rápido durante una segunda sacudida. En su lugar, el suelo mantenía una estructura interna más uniforme y robusta. Esta visión microscópica confirmó que el limo no solo llena los espacios vacíos, sino que moldea activamente el esqueleto del suelo, cambiando su respuesta al estrés. Los hallazgos sugieren que, para suelos con alto contenido de limo, el riesgo de reliquefacción podría ser menor de lo que se pensaba anteriormente, siempre que el suelo haya tenido tiempo de asentarse y reorganizarse tras el evento inicial.

Esta investigación proporciona una imagen más clara de cómo se comportan los suelos mixtos bajo el estrés de terremotos repetidos. Desafía la vieja regla de que todo el terreno licuado se vuelve permanentemente más débil y muestra que la composición específica del suelo, particularmente la cantidad de limo, desempeña un papel decisivo en su recuperación. Al identificar el umbral específico donde el suelo se vuelve más resistente a una segunda sacudida, el estudio ofrece una nueva herramienta para que los ingenieros evalúen la seguridad a largo plazo de los cimientos en zonas propensas a terremotos. El trabajo destaca que el suelo no es un objeto estático, sino un sistema dinámico que puede reorganizarse a sí mismo, volviéndose a veces más fuerte tras una perturbación, dependiendo del equilibrio preciso de materiales dentro de él.

Resumen Técnico: Efecto del Contenido de Finos en la Resistencia a la Reliquefacción y el Comportamiento de Consolidación–Reconsolidación de Arenas Limosas

Planteamiento del Problema
La teoría tradicional de la licuefacción postula que el suelo se densifica después del primer evento de licuefacción, aumentando así su resistencia a futuras licuefacciones. Sin embargo, las observaciones de campo contradicen esto, mostrando que los sitios de arenas limosas pueden sufrir reliquefacción durante réplicas subsecuentes. Mientras que los estudios de laboratorio en arenas limpias indican que la resistencia a la reliquefacción a menudo disminuye significativamente después del primer evento debido a la reorganización estructural y la anisotropía inducida por el esfuerzo, los mecanismos que gobiernan estos procesos en arenas limosas permanecen en gran medida inexplorados. Específicamente, se requiere una mayor elucidación sobre la influencia del contenido de finos (FC) en el comportamiento de consolidación/reconsolidación y la resistencia a la reliquefacción de mezclas transicionales de arena-limo.

Metodología
El estudio empleó una serie de ensayos triaxiales cíclicos no drenados en ocho mezclas de arena de Fujian y limo de depósito marino, con un contenido de finos (FC) que oscilaba entre el 0% y el 35%. Los especímenes fueron preparados utilizando el método de compactación húmeda para controlar la densidad y evitar la segregación. El protocolo de ensayo consistió en:

Consolidación Inicial: Consolidación isotrópica bajo un esfuerzo medio efectivo de 100 kPa.
Primera Licuefacción: Aplicación de carga controlada por esfuerzo cíclico (onda sinusoidal, 0.01 Hz) a Relaciones de Esfuerzo Cíclico (CSR) de 0.20 y 0.10. La licuefacción se definió como una deformación axial de amplitud doble del 5%.
Reconsolidación: Se abrió el drenaje y se permitió que los especímenes se reconsolidaran bajo una presión de confinamiento de 100 kPa.
Reliquefacción: Los mismos especímenes fueron sometidos a la misma carga cíclica para simular un segundo evento sísmico.
Análisis Microestructural: Se utilizó Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) para examinar los cambios en la meso-estructura (modos de contacto de partículas, estructura de poros y orientación) en especímenes antes y después de la licuefacción para valores de FC entre 20% y 35%.

Contribuciones Clave y Resultados

Contenido de Finos y Resistencia a la Reliquefacción: El estudio reveló una relación no monotónica entre el FC y la resistencia a la licuefacción. Durante la primera licuefacción, la resistencia generalmente disminuyó a medida que el FC aumentó del 0% al 15%, con una transición hacia la licuefacción por flujo al alcanzar el 15%. Sin embargo, para un FC ≥ 20%, la resistencia comenzó a aumentar. Crucialmente, se identificó un umbral en FC = 25%. Por debajo de este umbral, la resistencia a la reliquefacción fue menor que la resistencia a la primera licuefacción. Por encima de este umbral (FC ≥ 25%), la resistencia a la reliquefacción superó la resistencia a la primera licuefacción y continuó aumentando con un mayor FC.
Desarrollo de Deformación y Anisotropía:
- Deformación Volumétrica: La compresibilidad aumentó con el FC. Durante la reconsolidación, las deformaciones volumétricas fueron consistentemente mayores que durante la consolidación inicial, particularmente para FC > 20%.
- Evolución de la Anisotropía: El estudio analizó la relación entre la deformación volumétrica y la deformación axial ( $\epsilon_v/\epsilon_a$ ) para cuantificar la anisotropía. En la región "tipo arena" (bajo FC), la anisotropía inherente disminuyó inicialmente y luego aumentó con el FC. En la región "tipo limo" (alto FC), la anisotropía inherente disminuyó.
- Anisotropía Inducida por Esfuerzo: Tras la licuefacción, la anisotropía inducida por el esfuerzo aumentó con el FC en la región tipo arena, pero se debilitó continuamente en la región tipo limo. La arena limpia exhibió una mayor anisotropía inducida por el esfuerzo que la arena limosa, lo que sugiere que los finos debilitan la expresión de esta anisotropía.
Índice Propuesto ( $R_{ac}$ ): Los autores introdujeron un coeficiente de relación anisotrópica, $R_{ac}$ , definido como la relación entre la razón de deformación volumétrica a axial durante la reconsolidación y la razón durante la consolidación inicial.
- $R_{ac}$ disminuyó consistentemente a medida que el FC aumentó.
- Se identificó una condición crítica: Cuando $R_{ac} < 1$ y $FC \ge 25\%$ , la resistencia a la reliquefacción excede la resistencia a la primera licuefacción. Por el contrario, cuando $R_{ac} > 1$ (típicamente $FC < 25\%$ ), la resistencia a la reliquefacción es menor que la resistencia a la primera licuefacción.
Mecanismos de Meso-estructura: Las observaciones de SEM proporcionaron una explicación física para el aumento de la resistencia con un alto FC.
- Antes de la Licuefacción: En suelos tipo arena, los finos actuaban como rellenos. En suelos tipo limo (FC ≥ 25%), los finos reemplazaron a la arena como constituyente principal del esqueleto, formando agregados que encapsulaban las partículas de arena.
- Después de la Licuefacción: El proceso de reconsolidación creó vías de drenaje y densificó el suelo. En los especímenes con alto FC, los finos formaron un recubrimiento alrededor de los granos de arena, transitando los modos de contacto de punto/difuso a contactos superficiales íntimos. Este recubrimiento interrumpió la continuidad del esqueleto de la arena, evitando la transmisión efectiva de la anisotropía inducida por el esfuerzo a través de la estructura granular. Consecuentemente, la manifestación macroscópica de la anisotropía se atenuó, lo que condujo a una mayor resistencia a la reliquefacción.

Significancia
El artículo sostiene que comprender la evolución de la anisotropía y el papel específico del contenido de finos es esencial para predecir la estabilidad a largo plazo de los suelos de cimentación en zonas sísmicas. Al proponer el $R_{ac}$ como un indicador, el estudio ofrece un método para evaluar el potencial de reliquefacción en arenas limosas. Los hallazgos sugieren que para suelos con alto contenido de finos ( $FC \ge 25\%$ ) y bajo $R_{ac}$ , la anisotropía inducida por el esfuerzo típicamente asociada con la reducción de la resistencia puede ya no ser el factor dominante. Este conocimiento permite estrategias de mitigación diferenciadas en regiones sísmicamente activas, particularmente para sitios propensos a múltiples eventos de licuefacción. El estudio enfatiza que la evolución de la resistencia a la licuefacción no es solo una función de los cambios de densidad durante la consolidación, sino que está estrechamente ligada a mecanismos intrínsecos como la reorganización de la estructura del suelo y las alteraciones en la disposición de las partículas inducidas por el sismo principal.

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