Por Ing. Héctor G. Manya — Ingeniero Mecánico, Máster en Gestión de la Promoción y Explotación de Infraestructuras, especialidad Grandes Proyectos de Edificación (Universidad Alfonso X el Sabio, Madrid).
De todos los fenómenos que puede desencadenar un sismo severo, hay uno que no depende de cómo se calculó la estructura, sino de algo que ocurre varios metros por debajo de la cimentación: la licuefacción de suelos. Es, probablemente, el mecanismo de falla geotécnica más espectacular y menos intuitivo de la ingeniería sismorresistente — un suelo sólido que, durante segundos, se comporta como un líquido.
Qué es exactamente
Un suelo arenoso saturado de agua soporta las cargas de una estructura gracias al contacto directo entre sus granos: es ese contacto, y la fricción que genera, lo que le da su resistencia al corte. El agua que llena los espacios entre los granos no aporta resistencia — solo ocupa espacio, a una presión determinada por su profundidad (la presión de poros).
Durante un sismo, las ondas sísmicas someten al suelo a ciclos de corte rápidos y repetidos. En una arena suelta y saturada, cada ciclo tiende a compactar ligeramente los granos, empujando el agua que ocupa los espacios entre ellos. El problema es que, durante el sismo, esa agua no tiene tiempo de drenarse — y al no poder escapar, absorbe el esfuerzo que debería transmitirse entre los granos: la presión de poros sube, ciclo tras ciclo, hasta igualar la presión total que soporta el suelo. En ese momento, el esfuerzo efectivo entre granos —la variable que realmente le da resistencia y rigidez al suelo— cae a cero. El suelo deja de comportarse como un sólido y empieza a comportarse como un fluido denso, incapaz de sostener ninguna carga por corte.
El cálculo: el método simplificado de Seed e Idriss
La forma estándar de evaluar si un suelo específico va a licuar bajo un sismo de diseño es comparar la demanda sísmica contra la resistencia del suelo, ambas expresadas como una razón de esfuerzo cortante normalizado por el esfuerzo vertical efectivo.
La demanda sísmica se calcula con la razón de esfuerzo cíclico (CSR):
CSR = 0,65 × (amax/g) × (σv/σ’v) × rd
Donde amax es la aceleración máxima del suelo estimada para el sismo de diseño, g es la aceleración de la gravedad, σv es el esfuerzo vertical total a la profundidad analizada, σ’v es el esfuerzo vertical efectivo a esa misma profundidad, y rd es un factor de reducción que disminuye con la profundidad —una aproximación estándar (Liao y Whitman) es rd = 1,0 − 0,00765·z, con z en metros, válida hasta 9,15 m de profundidad.
La resistencia del suelo se expresa como razón de resistencia cíclica (CRR), obtenida en campo a partir del ensayo de penetración estándar (SPT), corrigiendo el número de golpes medido a un valor normalizado (N1)60. La condición de falla se evalúa con el factor de seguridad:
FS = CRR / CSR
Si FS < 1,0, el suelo es susceptible a licuar bajo ese sismo de diseño; si FS ≥ 1,0, no lo es.
Un ejemplo numérico
Consideremos un caso representativo de un suelo arenoso suelto en zona costera, con nivel freático a 1,5 m de profundidad, analizando la condición a 5 m de profundidad:
σv = (18 kN/m³ × 1,5 m) + (19 kN/m³ × 3,5 m) = 27 + 66,5 = 93,5 kPa
Presión de poros: u = 9,81 kN/m³ × 3,5 m = 34,3 kPa
σ’v = σv − u = 93,5 − 34,3 = 59,2 kPa
rd = 1,0 − 0,00765 × 5 = 0,96
Para un sismo de diseño con amax = 0,4g (representativo de zona de alta peligrosidad sísmica en la costa ecuatoriana):
CSR = 0,65 × 0,4 × (93,5/59,2) × 0,96 ≈ 0,65 × 0,4 × 1,58 × 0,96 ≈ 0,39
Si el ensayo SPT en ese estrato arroja un valor normalizado (N1)60 = 10 —típico de una arena suelta—, la resistencia cíclica correspondiente, leída de las curvas empíricas estándar (Seed et al.) para un sismo de magnitud 7,5, es aproximadamente CRR ≈ 0,13.
FS = 0,13 / 0,39 ≈ 0,33
Un factor de seguridad de 0,33 —muy por debajo de 1,0— indica un suelo claramente susceptible a licuar bajo ese sismo de diseño. Es exactamente el tipo de resultado que un estudio geotécnico debe detectar antes de cimentar, no después del sismo.
Cómo se manifiesta
Cuando un suelo licua, sus efectos en superficie son visualmente inconfundibles: volcanes de arena (surgencia de agua y arena a través de grietas en superficie), asentamientos súbitos y diferenciales del terreno, pérdida total de capacidad portante bajo cimentaciones superficiales —edificios que se hunden o se inclinan como un todo, sin que la estructura misma haya fallado— y flotación de estructuras enterradas más livianas que el suelo licuado, como tanques subterráneos o piscinas, que literalmente emergen a la superficie empujadas por el suelo circundante ya sin resistencia.
Cómo se previene y qué hacer
- En el estudio geotécnico, identificar estratos de arena suelta saturada mediante ensayos SPT o CPT es el primer paso obligatorio en cualquier proyecto sobre suelos costeros o con nivel freático alto — el cálculo del factor de seguridad no puede hacerse sin esos datos de campo.
- Cuando el análisis muestra FS < 1,0, existen técnicas de mejoramiento de suelo diseñadas específicamente para este problema: compactación dinámica, vibrocompactación, columnas de grava, o inyecciones que aumentan la densidad relativa del suelo y mejoran su drenaje.
- En cimentación, cuando el mejoramiento de todo el volumen de suelo no es viable económicamente, cimentar sobre pilotes que atraviesen el estrato licuable y transfieran la carga a un estrato competente más profundo es la alternativa estructural más común.
- En estructuras existentes sobre suelos de riesgo conocido, una evaluación de vulnerabilidad sísmica que incluya el componente geotécnico —no solo el estructural— es indispensable para dimensionar el riesgo real, especialmente en las zonas costeras donde ya se han documentado casos de licuefacción en sismos anteriores.
La lección
La licuefacción es, quizás, el recordatorio más contundente de que un edificio nunca es más seguro que el suelo sobre el que se apoya. Una estructura perfectamente diseñada, con columnas y vigas dimensionadas con el mayor rigor, puede hundirse o inclinarse igual si el suelo bajo su cimentación pierde toda su resistencia durante el sismo — y esa es una variable que ningún cálculo estructural, por sí solo, puede corregir. Solo el estudio geotécnico, hecho a tiempo, puede.