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Seismic Stability of Karst Sinkholes under high peak ground acceleration: a three dimensional numerical study in Barangay Dontogan, Baguio City, Philippines

Este estudio numérico tridimensional evalúa la estabilidad sísmica de 44 socavones validados en Barangay Dontogan, Baguio City, bajo altas aceleraciones pico del suelo, revelando que mientras las cavidades superficiales permanecen estables a 0.40 g, la demanda de diseño de 0.80 g provoca una bifurcación hacia estados de colapso y críticos para cavidades con relaciones de altura-diámetro de 1.00 o menores, lo que conduce a la propuesta de una matriz de umbral de estabilidad de cuatro niveles para las evaluaciones de seguridad de cimentaciones.

Autores originales: Deryl Jhon Lucas

Publicado 2026-09-15

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CC BY 4.0

Autores originales: Deryl Jhon Lucas

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

En las escarpadas tierras altas de Filipinas, el suelo bajo nuestros pies no siempre es sólido. En lugares donde la lluvia antigua ha disuelto lentamente la piedra caliza durante milenios, una red oculta de cuevas y vacíos se forma bajo tierra. Cuando el techo de uno de estos vacíos se vuelve demasiado delgado para soportar el peso de la tierra que tiene encima, el suelo cede repentinamente, creando un sumidero. Estos no son solo pozos profundos; son fallos repentinos y catastróficos que pueden tragarse casas y carreteras sin previo aviso. El peligro se amplifica cuando la tierra tiembla. Un terremoto no solo sacude un edificio; sacude el suelo mismo, añadiendo una fuerza poderosa y rítmica que puede empujar un techo de roca apenas estable al borde del colapso. Para los ingenieros y planificadores urbanos, el desafío ha sido durante mucho tiempo saber exactamente cuándo ese techo es seguro y cuándo está a punto de fallar, especialmente en regiones donde el terreno ya es conocido por ser inestable.

En la ciudad de Baguio, un centro turístico de montaña conocido por su clima fresco y terreno escarpado, este problema es agudo. La ciudad se asienta sobre una formación de piedra caliza fracturada, y un barrio específico, el Barangay Dontogan, posee la mayor concentración de sumideros documentados en la región. El código de construcción local establece reglas estrictas para diseñar estructuras capaces de resistir terremotos, pero no ofrece orientación específica para edificios situados directamente sobre estas cavidades subterráneas ocultas. Para llenar este vacío, un investigador de la Universidad de las Cordilleras recurrió al modelado computacional avanzado para simular qué sucede cuando una cavidad de un sumidero es sometida al intenso temblor de un terremoto importante. Su objetivo no era solo ver si el suelo se agrietaría, sino determinar el punto de inflexión preciso donde un techo estable se convierte en uno que colapsa, y traducir esos hallazgos en una herramienta práctica para proteger a la comunidad.

El investigador se centró en la geometría de los vacíos, específicamente en la relación entre el espesor del suelo y la roca que cubre la cavidad y el ancho de la propia cavidad. Creó un modelo digital tridimensional de un agujero esférico enterrado bajo una capa de suelo y una capa de piedra caliza con juntas, imitando las condiciones reales encontradas en Dontandgan. Luego, sometió este modelo a fuerzas sísmicas simuladas, escalando la intensidad del temblor para que coincidiera con las altas demandas sísmicas de la región, que pueden alcanzar niveles de hasta 0.80 g. Esta es una medida de la aceleración del suelo, que representa una fuerza casi igual a la atracción de la gravedad misma. Al ejecutar la simulación a través de una variedad de diferentes tamaños de cavidad y espesores de cobertura, el investigador pudo observar cómo la roca y el suelo respondían al estrés del temblor.

Los resultados revelaron un patrón claro y algo alarmante. Cuando el temblor era moderado, el suelo permanecía estable independientemente del tamaño del agujero. Sin embargo, a medida que la intensidad del terremoto simulado aumentaba, la estabilidad del techo caía drásticamente. El hallazgo más crítico ocurrió en el nivel de sacudida de diseño más alto, donde el investigador identificó un umbral geométrico específico. Si la cobertura de roca y suelo sobre la cavidad era menor que el ancho de la propia cavidad, el sistema se volvía críticamente inestable. En estos escenarios, los modelos computacionales mostraron que el techo de roca no podía soportar la carga, provocando un colapso. Las simulaciones indicaron que, para las condiciones específicas en Barangay Dontogan, un techo que es más delgado que el agujero que cubre es propenso a fallar bajo un evento sísmico mayor, mientras que un techo que es significativamente más grueso que el agujero permanece seguro.

Para hacer que estos complejos hallazgos sean útiles para la toma de decisiones cotidiana, el investigador desarrolló un sistema de clasificación sencillo. Dividió el riesgo en cuatro categorías basadas en el margen de seguridad calculado: estable, marginal, crítico y colapso. Una calificación de "estable" significa que un cimiento convencional, como una losa de concreto estándar o un pilote único, es suficiente. Una calificación "marginal" sugiere que el terreno es lo suficientemente inestable como para requerir un soporte más fuerte, como micropilotes inyectados que anclen el edificio profundamente en la roca sólida debajo de la cavidad. Una calificación "crítica" indica que el riesgo es lo suficientemente alto como para demandar una solución especializada, como una plataforma de pilotes interconectados que puentee el vacío por completo. Finalmente, una calificación de "colapso" significa que el terreno es demasiado peligroso para construir, y la única opción segura es evitar el sitio o transferir el peso del edificio a través del agujero hacia la roca sólida que se encuentra mucho más abajo.

Este nuevo marco fue aplicado a los cuarenta y cuatro sumideros validados actualmente mapeados en Barangay Dontogan. El análisis mostró que la seguridad de un edificio no puede asumirse basándose en la estabilidad del vecindario circundante; cada huella debe ser evaluada individualmente. Un sitio que parece seguro hoy podría estar al borde del fallo si un terremoto importante ocurre, particularmente si la geometría del vacío subyacente lo coloca en las zonas crítica o de colapso. El estudio confirma que el enfoque tradicional de confiar en la estabilidad estática es insuficiente para esta región; la fuerza dinámica de un terremoto es el factor decisivo. Al proporcionar un método claro y cuantitativo para evaluar estos riesgos, la investigación ofrece a los funcionarios municipales e ingenieros una herramienta vital para prevenir desastres futuros, asegurando que las nuevas estructuras se construyan solo donde el suelo pueda realmente sostenerlas.

Resumen Técnico: Estabilidad Sísmica de Sumideros Kársticos bajo Alta Aceleración Pico del Suelo

Planteamiento del Problema
El Barangay Dontogan en la ciudad de Baguio, Filipinas, enfrenta un alto riesgo de subsidencia kárstica, al albergar 44 sumideros validados (la mayor concentración en un inventario regional de 129). Estos sumideros, con aperturas que oscilan entre 1.0 y 50.0 metros, se asientan sobre la formación de Caliza de Kennon, la cual presenta un carácter fracturado. Si bien el Código Estructural Nacional de Filipinas (NSCP) proporciona disposiciones de diseño sísmico para la Zona 4 (con una demanda de diseño cerca de la fuente de aproximadamente 0.80 g a 0.83 g), carece de criterios específicos para evaluar la estabilidad de cavidades subsuperficiales bajo carga sísmica. Los sistemas de clasificación de macizos rocosos existentes y los métodos analíticos deterministas no logran considerar el comportamiento no lineal tridimensional de los macizos rocosos fracturados que contienen vacíos, lo que deja una brecha regulatoria en la toma de decisiones a nivel de permisos para el desarrollo residencial en esta zona de alta susceptibilidad.

Metodología
El estudio emplea un método de elementos finitos (FEM) tridimensional utilizando PLAXIS 3D para modelar la respuesta sísmica de cavidades kársticas esféricas.

Geometría del Modelo: Se construyó un perfil estratigráfico de dos capas: un mantillo de limo-arcilla arenoso/granuloso de Mohr–Coulomb sobre una Caliza de Kennon fracturada de Hoek–Brown generalizada. Se incrustó una cavidad esférica de tal manera que la interfaz entre la caliza y el mantillo pasara por la mitad de la altura de la cavidad.
Barrido Paramétrico: Se generó una matriz de 15 escenarios mediante el cruce de cinco relaciones de altura-diámetro (H/D) (0.50, 0.75, 1.00, 1.50, 2.25) con tres niveles de Aceleración Pico del Suelo (PGA) (0.40 g, 0.60 g y 0.80 g). El nivel de 0.80 g representa la demanda de diseño del NSCP 2015 para el sitio.
Entrada Sísmica: El análisis utilizó un acelerograma de registro histórico del terremoto de Luzon de 1990 (Mw 7.8), escalado a los PGAs objetivo. El estudio reconoce la limitación de utilizar un solo registro en lugar de los 11 requeridos por la norma ASCE 7-22, señalando que los resultados son específicos del registro.
Procedimiento de Análisis: La simulación siguió un flujo de trabajo de cuatro fases: (1) construcción por etapas y equilibrio estático; (2) carga dinámica de historial de tiempo; (3) reequilibrio residual post-sacudida; y (4) extracción del Factor de Seguridad Dinámico ( $\Sigma M_{sf}$ ) mediante el Método de Reducción de Resistencia (SRM) en el estado de equilibrio límite residual.
Verificación: El modelo fue verificado para independencia de malla y comparado con estudios de análisis límite 3D existentes. Se realizaron ejecuciones de verificación de eventos discretos en PGAs intermedios (0.55 g, 0.65 g, 0.75 g) para delimitar la transición de estabilidad a colapso.

Resultados Clave
El estudio cuantificó la estabilidad de las configuraciones de los sumideros bajo diversas demandas sísmicas:

Nivel 0.40 g: Todas las cinco configuraciones de H/D permanecieron Estables ( $\Sigma M_{sf}$ rango: 1.642–1.683). El margen de estabilidad fue débilmente sensible a la geometría.
Nivel 0.60 g: La estabilidad se degradó significamente. La banda de $\Sigma M_{sf}$ colapsó a 1.007–1.210, lo que representa un aumento de 4.95 veces en la dispersión de la relación H/D en comparación con el nivel de 0.40 g. La mayoría de las configuraciones entraron en las zonas Marginal (1.10–1.30) o Crítica (1.00–1.10).
Nivel 0.80 g (Base de Diseño): El barrido se bifurcó en dos ramas distintas:
- Rama de Colapso: Dos configuraciones fallaron. H/D = 0.50 resultó en colapso dinámico ( $\Sigma M_{sf}$ = 0.9313). H/D = 1.00 falló durante la Fase 1 estática (colapso anticipado, $\Sigma M_{sf}$ = 0.9092), confirmado como independiente de la malla.
- Rama Crítica: Tres configuraciones (H/D = 0.75, 1.50, 2.25) permanecieron marginalmente estables pero críticas, con valores de $\Sigma M_{sf}$ entre 1.001 y 1.006.
Umbrales Identificados: El estudio identifica un umbral mecánico de $\Sigma M_{sf}$ = 1.00 y un rango geométrico crítico de H/D $\le$ 1.00 ante la demanda de diseño de 0.80 g. La transición de estabilidad a colapso ocurre entre 0.75 g y 0.80 g.

Contribuciones y Resultados
La principal contribución es el desarrollo de una Matriz de Umbral de Estabilidad adaptada para el Barangay Dontogan. Esta herramienta traduce los umbrales abstractos ( $\Sigma M_{sf}$ = 1.00 y H/D = 1.00) en cuatro veredictos accionables mapeados a recomendaciones de cimentación:

Estable ( $\Sigma M_{sf} \ge$ 1.30): Cimentaciones superficiales convencionales o pilotes simples.
Marginal (1.10 $\le$ $\Sigma M_{sf}$ < 1.30): Cimentaciones de micropilotes inyectados.
Crítica (1.00 $\le$ $\Sigma M_{sf}$ < 1.10): Losa de pilotes micro o evitar la construcción.
Colapso ( $\Sigma M_{sf}$ < 1.00): Evitar la construcción o transferencia de carga de ingeniería a través del vacío hacia la roca competente.

La matriz fue aplicada a los 44 sumideros validados en el inventario, proporcionando un instrumento de cribado específico por huella de ocupación que va más allá de la zonificación cualitativa.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma llenar un vacío regulatorio crítico al proporcionar el primer instrumento de apoyo a la decisión cuantitativo y específico para sismos en sumideros kársticos en Filipinas. Demuestra que la demanda sísmica, en lugar del mantillo estático, gobierna la estabilidad de los techos kársticos superficiales en esta región; configuraciones que parecen estables bajo condiciones estáticas pueden fallar bajo un alto PGA. El estudio enfatiza que los márgenes de estabilidad ante la demanda de diseño (0.80 g) son estrechos, lo que requiere un cribado numérico individual para cada huella de edificación propuesta en lugar de confiar en la estabilidad histórica del terreno circundante. El autor posiciona la Matriz de Umbral de Estabilidad como un módulo potencial para futuras ediciones del NSCP, ofreciendo un puente entre los mapas de susceptibilidad cualitativos del MGB-CAR y los requisitos cuantitativos de los ingenieros estructurales y funcionarios de edificación. El autor mantiene la modestia respecto a la generalización de los resultados, señalando que los umbrales son específicos de cada registro y están calibrados para la geología específica de Barangay Dontogan, requiriendo recalibración para otros entornos kársticos.

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