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SEMINARIO DE INVESTIGACIÓN APLICADA II 2018-0

PLANTILLA 01_INFORME DEL TEMA DE TESIS DATOS GENERALES Apellidos y nombres estudiante 1: Apellidos y nombres estudiante 2: Carrera profesional: Sección: Profesor Metodología (presencial): Profesor Asesor/Revisor especialidad (virtual): Línea de Investigación: Área de Investigación:

GOÑI PAULINO, Wilder Brayan Código: 201420161 MAQUIN DAMAZO, Nehemias Isaias Código: 201420217 Ingeniería Civil IV83

Carlos Mario Fernández Díaz Karla Lisette López Pasapera Geotecnia Suelos Licuables

Instrucciones: .- Utilizar formato APA en la redacción .- Incorporar la nueva información (10 papers) en la estructura

1. TÍTULO DEL TEMA DE INVESTIGACIÓN

“Mejoramiento de los suelos potencialmente licuables en chorrillos mediante el uso de nanomateriales basado en el método de la modificación del fluido intersticial de la arena” *Debe contener los elementos: Problema, Propuesta, Técnica y Escenario (este último opcional si lo amerita). Como elemento principal debe quedar clara la propuesta (artefacto viable) debe tener un nivel de abstracción tal como: modelo, método, algoritmo, sistema, arquitectura, etc.

2. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN: (máximo 2 páginas) 2.1 DESCRIPCIÓN E IMPORTANCIA DEL PROBLEMA

En el campo de la ingeniería civil, existen numerosos problemas que necesitan ser atendidos; en tal sentido, el área de geotecnia posee como uno de sus retos actuales, mitigar la ocurrencia del fenómeno de la licuefacción. La licuación de depósitos de arena suelta ha originado daños significativos en diferentes eventos sísmicos de gran magnitud en distintas partes del mundo. Los casos más relevantes tomados como referencia son el caso de Chile (Maule 2010), Nueva Zelanda (Christchurch 2011) y Japón en 2011.

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Figura 1. Vista aérea de la zona afectada por la licuefacción en Christchurch en septiembre de 2011, Nueva Zelanda. Fuente: Dr. Kelvin Berryman, 2012

Perú forma parte del Cinturón de Fuego, y parte de su territorio occidental desarrolla el proceso de convergencia de la placa de Nazca; es por ello que nuestro país presenta un gran número de sismos de variada magnitud que se originan a distintas profundidades.1 En el mapa (Figura 2) podemos apreciar la distribución espacial de la sismicidad en el Perú. Los derrumbes, tsunamis o la licuefacción de suelos son algunos de los efectos generados por la ocurrencia de un sismo, los cuales pueden tener graves consecuencias en nuestro medio. Está claro que existen zonas en el país que son vulnerables al sismo (Figura 3), tal como los terrenos con presencia de suelos potencialmente licuables en Lima (Figura 4). En tal sentido yace la importancia de conocer, y más adelante prevenir los fenómenos de licuefacción.

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Cfr. IGP 2018

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Figura 2. Mapa sísmico del Perú desde 1960-2016. La magnitud de los sismos es diferenciado por el tamaño de los círculos. Fuente: Instituto Geofísico del Perú (IGP).

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Figura 3. Mapa del Perú con las zonas licuables y áreas potencialmente licuables según Jorge Alva Hurtado.

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Figura 4. Zonificación de Lima de acuerdo al tipo de suelo. Fuente: Centro Peruano de Japonés de Investigaciones Sísmicas y Mitigación de Desastres – CISMID (2012)

En una de las recientes investigaciones realizadas por Felipe Ochoa-Cornejo y Sergio Muñoz se menciona que el fenómeno de la licuefacción se presenta en depósitos de suelos granulares sueltos y saturados durante los terremotos de gran magnitud; originándose daños catastróficos en el lugar de los acontecimientos.2 El proceso de la licuefacción sucede conforme las ondas sísmicas se propagan a través de las capas del sedimento granular, lo que induce a la deformación y colapso de las partículas. El contacto entre granos se distorsiona y las cargas previamente sostenidas por la fricción entre partículas son transferidas hacia el fluido intersticial. Esto aumenta la presión del agua que se encuentra en los poros y el agua logra cubrir las partículas del suelo creando una capa que reducirá el esfuerzo intergranular. Cuando la presión en los poros alcanza un nivel crítico, el esfuerzo efectivo se aproxima al cero y los sedimentos granulares se comportan como un líquido viscoso, ocurriendo la 2

Cfr. Ochoa-Cornejo y Muñoz 2017: 6

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licuación del suelo (J.A. Sladen, 1985). Los estudios realizados acerca de los suelos licuables precisan que “durante el movimiento sísmico, el exceso de presión de poros disminuye la tensión efectiva del suelo. Cuando el exceso de presión de poros aumenta hasta igualar el confinamiento efectivo inicial, comienza la licuefacción, causando grandes deformaciones en el suelo.” (Ocho-Cornejo y Muñoz, 2017) Es por ello, que los daños asociados al fenómeno de licuación como los permanentes asentamientos, grandes deformaciones horizontales del terreno y la pérdida de capacidad de carga son los principales problemas que se derivan de no tener un proceso o método adecuado de control de la licuación de los suelos. En tal sentido, la ingeniería civil ha planteado diferentes métodos de mejoramiento de suelos que actualmente son muy usados en nuestro medio. Sin embargo, el problema de estos métodos radica en su limitada aplicación. Respecto a ello, Yu Huang y Zhuoqiang Wen recalcan que “aunque los métodos tradicionales de mitigación de la licuefacción han sido ampliamente aplicados en la ingeniería, quedan aún algunos problemas importantes por tratar como los límites en el tamaño de las áreas tratadas, la alteración de estructuras existentes sensibles a la deformación o vibración y el impacto ambiental.” (Huang y Wen, 2015) Para mejorar un suelo licuable que contenga estructuras existentes como tanques de agua, viviendas, centros industriales, etc., es necesario manejar métodos que no afecten la cimentación de las mismas. El problema de mejorar los suelos con métodos tradicionales como el reemplazo de las mismas con material de préstamo, pilas de compactación de arena, vibrocompactación, compactación dinámica, compactación de voladura, método de pila de mezcla profunda, método de pila de grava, disipación utilizando tuberías de tamizado y descenso de la capa freática, es que necesitan un espacio grande de trabajo y es difícil su aplicación en suelos con estructuras existentes.3 Khodadadi y Bilsel (2012) observaron que los métodos tradicionales generalmente tienen altas necesidades de consumo de energía y altos costos, y por lo tanto no son adecuados para su uso en áreas extensas.4 Tal como lo señalaron Gallagher y otros autores: “Los métodos tradicionales están restringidos por las condiciones del sitio y, en general, no pueden aplicarse bajo estructuras sensibles a la deformación o vibración en sitios desarrollados.” (Gallagher et al., 2007) Por lo tanto, es necesario la investigación de nuevos métodos que logren una mitigación no disruptiva del riesgo de licuefacción en zonas con terrenos susceptibles, especialmente en presencia de estructuras vulnerables, cubrir áreas extensas a bajo costo y manejar un proceso con una economía baja en carbono. *Sólo describir el problema de manera clara, concisa y directa. Sustentar mediante referencias a fuentes oficiales y autorizadas. Apoyarse con estadísticas y cifras, tablas y figuras. *En esta parte no hablar de la solución; sólo exponer la situación problema. * Complementar con la nueva información

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Cfr. Huang y Wen 2015 Cfr. Khodadadi y Bilsel 2012; citado por Huang y Wen, 2015

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2.2 ANÁLISIS DEL PROBLEMA

*Utilizar árbol de problemas, Diagrama Causal (causas y consecuencias), Pictograma, etc. *Especificar con claridad el problema y las causas y consecuencias que la determinan. * Complementar con la nueva información *Debe contener el diagnóstico del sector, el diagnóstico de la propuesta.

SEMINARIO DE INVESTIGACIÓN APLICADA II 2018-0 2.3 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

¿Cómo mejorar la resistencia a las cargas cíclicas de un suelo con alto potencial de licuefacción en Chorrillos sin alterar las estructuras existentes?

En Lima, para ser específicos en el distrito de Chorrillos, es posible apreciar que existen numerosas infraestructuras edificadas sobre suelos con poca resistencia frente a las cargas cíclicas; y por tal motivo surge la interrogante planteada líneas arriba. En el Perú existen diversos métodos tradicionales para mejorar la resistencia de los suelos que son aplicados en la primeras fase de ejecución de una obra; sin embargo, la aplicación en suelos con estructuras ya presentes es un tanto limitada. Los últimos avances tecnológicos como la incorporación de nanomateriales para mejorar la resistencia de los suelos se han convertido en las nuevas tendencias para mitigar la licuefacción. Es ahí donde surge nuestra inquietud de investigar qué nuevo método se puede incorporar a nuestro medio haciendo uso de los nanomateriales para solucionar el problema de licuación de las arenas. Es claro que el método propuesto debe ser eficaz cuando sea aplicado en zonas con un alto potencial de licuación, de lo contrario las consecuencias luego de un sismo podrían mostrar un escenario devastador tanto en pérdidas humanas como estructurales. Además, el método que se implemente debe emitir un mínimo porcentaje de carbono al ambiente, pues no solo se trata de mejorar un suelo, sino se busca que la técnica sea sostenible.

*Enunciar como pregunta la definición del problema a resolver * Complementar con la nueva información, justificando el porqué de la formulación de la pregunta.

3. CASO DE ESTUDIO (máximo dos páginas) 3.1. DATOS GENERALES

La investigación sobre el mejoramiento de suelos licuables mediante la modificación del fluido intersticial se llevará a cabo de forma cuasi experimental. Para la primera fase de la investigación, bastará con realizar estudios experimentales en laboratorios. Una vez, demostrada la viabilidad del método se podrá realizar una incursión en el mercado constructivo. Para el presente estudio, se analizarán los suelos del distrito de Chorrillos, específicamente la Zona III (figura 5). Esta zona es la más propensa a sufrir una licuefacción debido al nivel freático a poca profundidad y la formación del suelo con estratos de arenas eólicas.

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Figura 5. Estudio de microzonificación sísmica y vulnerabilidad de Chorrillos. Fuente: Universidad Nacional de Ingeniería y CISMID (Indicar los datos generales del SECTOR/ESCENARIO para la realización del estudio como la razón social, visión, misión, objetivos, organigrama funcional y/estructural entre otros que permitan conocer las características y particularidades de la empresa /industria /jurisdicción /simulador /inmobiliaria /constructora/mina/sector entre otros donde se pretende ejecutar la propuesta de investigación)

SEMINARIO DE INVESTIGACIÓN APLICADA II 2018-0 3.2. DATOS ESPECÍFICOS

El escenario en estudio tiene las siguientes características, según el informe realizado en conjunto por la UNI y el CISMID en el 2010. El distrito de Chorrillos tiene una extensión territorial aproximada de 44 Km2, con una cota promedio de 43 metros sobre nivel del mar. La zona III localizada en el sector Suroeste del distrito de Chorrillos posee un perfil estratigráfico conformado, predominantemente, por arenas eólicas limosas y arenas eólicas mal gradadas. Dichos suelos se caracterizan por tener una compacidad suelta de 0 a 1 m de profundidad, y compacidad firme a mayores profundidades con regular contenido de sulfatos. De los estudios ejecutados y recopilados se confirmó que entre 0 a 2.5 m de profundidad, se hallan diversos tipos de suelos como limos de baja plasticidad (ML), arenas arcillosas (SC), arcillas orgánicas (OH) y arcillas de alta plasticidad (CH), de consistencia blanda y saturada. De acuerdo a los estudios geotécnicos, el nivel freático varía de 0.8 m a 3.5 m. En general, el terreno de cimentación de las viviendas está conformado por un estrato de arena fina de gran potencia, el cual se encuentra en estado húmedo a saturado, suelto a semi-denso, cuyas características de resistencia indican valores de capacidad de carga de 0.80 a 1.0 kg/cm2 para cimentaciones corridas de 0.60 m de ancho y a una profundidad de cimentación de 2.00 a 2.50 m. En la figura 6 se muestra algunos otros parámetros y propiedades de los suelos de Chorrillos de la Zona III obtenidos luego de realizar los estudios respectivos.

Figura 6. Análisis de los suelos de Chorrillos correspondientes a la zona III. Fuente: UNI y CISMID

El comportamiento dinámico del terreno en esta zona es desfavorable, lo cual lo hace un lugar con un peligro sísmico alto. Los periodos dominantes del suelo tienen valores de 0.20 a 0.40 s, y los valores de amplificación relativa del suelo obtenido por microtrepidaciones varían de 3.2 a 12.7 veces. En tal sentido, el diagnóstico nos permite afirmar que es necesario mejorar las propiedades de este suelo para enfrentar una posible licuefacción a causa de los

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movimientos telúricos. Según el informe presentado por Ochoa-Cornejo (2017), el uso de la laponita (figura 7) o la bentonita (figura 8) aumentan la cantidad de ciclos necesarios para que ocurra la licuefacción en comparación a las arenas limpias. Es por ello que dichos materiales son parte indispensable en el proceso de evaluación del método de la modificación del fluido intersticial aplicado a suelos granulares en presencia de cargas cíclicas.

Figura 7. Resistencia cíclica de arena limpia, y arena con Laponita (1%), densidad relativa Drsk~15-25% (Ochoa-Cornejo et al., 2014, 2016; Ochoa-Cornejo, 2015)

Figura 8. Resistencia cíclica de arena limpia, y de arena con Bentonita, densidad relativa Drsk~3040% (El Mohtar et al., 2014; Ochoa-Cornejo et al., 2014, 2016; Ochoa-Cornejo, 2015)

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Por otra parte, el análisis realizado de los costos unitarios de un método tradicional en comparación a las nuevas propuestas nos brinda una idea general de la viabilidad de la propuesta en términos económicos. Al momento de aplicar un método convencional como el Jet Grouting y compararlo con la implementación del nuevo método basado en la modificación del fluido intersticial se pudo apreciar las ventajas económicas en relación de uno al otro. Las figuras (9; 10 y 11) muestran el análisis del costo unitario por un metro cúbico de terreno mejorado luego de implementar el Jet Grouting en distintas fases.

Figura 9. Análisis de precio unitario del transporte y retirada del equipo utilizado para aplicar el Jet Grouting. Fuente: Empresa peruana de desarrollo y comercialización de software técnico CYPE.

Figura 10. Análisis de precio unitario del consumo en exceso de cemento al momento de aplicar el Jet Grouting. Fuente: Empresa peruana de desarrollo y comercialización de software técnico CYPE.

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Figura 11. Análisis de precio unitario de columna de terreno consolidado aplicando Jet Grouting. Fuente: Empresa peruana de desarrollo y comercialización de software técnico CYPE.

Entonces, la aplicación del método convencional Jet Grouting para un 1 m3 estaría costando aproximadamente 10160.28 nuevos soles en el mercado peruano. En cambio, al implementar uno de los nuevos métodos basados en la modificación del fluido intersticial de la arena como la biocementación se estima el costo para dos aplicaciones en 12352.98 soles aproximadamente (figura 12); entonces, para realizar una adecuada comparación con el anterior método se estimó que un 1 m3 correspondiente a 500 litros de solución tendría un costo de 6176.49 soles en promedio. Esta comparación nos permite tener presente las ventajas económicas de los nuevos métodos respecto a los tradicionales.

Figura 12. Costo de biocementación de 500 L de solución para un 1 m3 es aproximadamente 1918.165 dólares. Fuente: Kakelar, M. M., Ebrahimi, S., & Hosseini, M. 2016

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La figura 13 muestra un resultado comparativo obtenido por Ortega, Sobrecases y Ruiz (2016) de los diferentes métodos aplicados en el Perú. El campo de aplicación de estos métodos es muy limitado como se puede observar, ya que no se pueden ejecutar en lugares con poco espacio o donde ya existen construcciones civiles.

Figura 13. Cuadro de los diferentes tratamientos realizados en los suelos de Perú, efectividad de los métodos y sus costos de implementación.

(Justificar a través de un DIAGNOSTICO, el área y/o momento, etapa del proceso, número de personal, infraestructura, entre otros que justifique el por qué y a través de que procesos se procederá a ejecutar la propuesta de investigación en relación directa al problema, instalaciones, facilidades) *Se pueden presentar cuadros, tablas y/gráficos que faciliten el entender del porqué, como y medios para la viabilidad de la propuesta de investigación.

SEMINARIO DE INVESTIGACIÓN APLICADA II 2018-0 4. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA DE LA TÉCNICA: (máximo media página)

Según Yu Huang y Zhou Qiang Wen: “En los últimos años, se han presentado nuevos métodos de mitigación de la licuefacción. Un nuevo concepto llamado estabilización pasiva del sitio fue propuesta para la mitigación de la licuefacción sin interrupciones en los sitios desarrollados.”(Huang y Wen, 2015). Dentro de ese marco conceptual, el método basado en la modificación del fluido intersticial surge como una nueva propuesta para incrementar la resistencia del suelo frente al fenómeno de la licuefacción. Este método moderno consiste en unir las partículas de la arena con el uso de nanomateriales cementantes y/o microorganismos que pueden ser cultivadas en la arena (figura 14).

Figura 14. Arena en presencia del agua (izquierda) y arena con la incorporación de un nanomaterial en condiciones similares al caso inicial (derecha).

El fluido intersticial que se encuentra entre los poros de la arena se modifica mediante la inyección de suspensión de nanomateriales con propiedades reológicas. Esta acción mejora las propiedades del suelo frente a cargas cíclicas. “El incremento de la resistencia cíclica se atribuye al gel que se forma en el interior del espacio intersticial, como resultado de la hidratación del nanomaterial o bacteria. El fluido tixotrópico formado tiene un comportamiento de tipo sólido, reduciendo la movilidad de las partículas de arena, retardando la generación del exceso de presiones de poros y por ello aumentando la resistencia a la licuefacción.” (Ochoa-Cornejo y Muñoz, 2017) En tal contexto, El Mohtar y otros investigadores señalan que “el reciente método basado en la modificación del fluido intersticial de la arena, reemplazando el agua en los poros del material granular por una suspensión concentrada de Bentonita, ha demostrado promisorios resultados.” (El Mohtar et al., 2013, 2014). Al igual que este nanomaterial, existen otras nuevas propuestas que poseen un alto respaldo para mejorar la resistencia de las arenas frente a la licuefacción; gracias al efecto positivo de los finos plásticos (nanomateriales).5 Por ejemplo, la sílice coloidal y laponita se vienen implementando para prevenir la licuación de suelos por sus propiedades reológicas especiales.6

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Cfr. Ochoa-Cornejo y Muñoz 2017 Cfr. Huang y Wang 2016

SEMINARIO DE INVESTIGACIÓN APLICADA II 2018-0 5. DESCRIPCIÓN DE LA TÉCNICA INNOVADORA (máximo 1 página)

Para mitigar el problema de la licuefacción en suelos donde existen estructuras y, resulta difícil y costoso la aplicación de métodos tradicionales, se implementará un nuevo método que permita operar con facilidad en cualquier escenario, específicamente en ambientes con poca área de trabajo. La investigación apunta a ejecutar una nueva técnica que no sea costosa, y emita una mínima cantidad de carbono al medio ambiente. Anualmente, se realizan más de 40,000 proyectos de mejora de suelo en todo el mundo a un costo total de más de $ 6 mil millones por año.7 Por lo tanto, es necesario estudiar nuevos métodos de mejora del suelo que ahorren energía y sean respetuosos con el medio ambiente (DeJong et al., 2010). Es por ello que se planteará un método que permita mejorar la resistencia de los suelos sin generar deformaciones en la misma y en las cimentaciones de estructuras existentes. Debido a ello, la investigación se enfocará en modificar el fluido intersticial de la arena a través de la inyección de nanomateriales con propiedades cementantes. Esta técnica posee grandes ventajas aplicativas, en terrenos cercanos a estructuras civiles, en comparación a los métodos tradicionalmente utilizados, ya que los métodos clásicos al basarse en la modificación física del terreno no son muy viables para casos de suelos con estructuras ya existentes, pues su adaptación genera el aumento de costos.8 En la actualidad, existen varias investigaciones sobre la modificación intersticial del fluido de la arena, cada uno con un nanomaterial en particular como la bentonita, la laponita, el sílice, etc., o con la inyección de microorganismos como la Bacillus pasteurii. El uso de estos materiales es muy importante, porque, aparte de sus propiedades reológicas, su elaboración/extracción no generan una emisión excesiva de carbono al medioambiente. El proceso de investigación se detallará en varios puntos. En primer lugar, se realizará la investigación de los nanomateriales como la bentonita, laponita y la sílice en nuestro medio, Lima. Será una investigación de gabinete, en su mayoría, para identificar todos los materiales con propiedades reológicas necesarios para la implementación de nuestro método. Además, la particularidad de la investigación será el énfasis en los materiales que son desechados en las plantas industriales como las cementeras, las ladrilleras o las siderúrgicas. Pues, uno de los objetivos de esta investigación es la mínima emisión del carbono al medio ambiente. Actualmente, los investigadores se centran en la aplicación de materiales reciclables y el desarrollo de métodos de mitigación de la licuefacción que pueden reducir las emisiones de carbono (Baharuddin et al., 2013). Por lo tanto, los materiales que utilicemos deben ser ecoamigables durante su producción y al momento de su aplicación del método. En segundo lugar, el punto de estudio será el distrito de Chorrillos por la característica de sus suelos con un alto potencial de licuación. El suelo para la aplicación puede ser cualquiera que cumpla con las condiciones de un suelo licuable, nivel freático, depósito granular suelto, lugar con constantes movimientos sísmicos, etc., Sin embargo, se optó por Chorrillos, ya que a pesar de tener un suelo con potencial de licuefacción, se encuentra cerca de nuestro zona 7 8

Cfr. Huang y Wen 2015 Cfr. Gallagher y Mitchell 2002; citado por Ochoa-Cornejo y Muñoz 2017

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de investigación para realizar los ensayos, extraer muestras, tantas veces sea necesario, y no se han realizado estudios para mitigar una posible licuefacción. Esto economiza el proceso de investigación, ya que los costos de viaje y traslado de material serán menores. En tercer lugar, se hará uso del laboratorio de mecánica de suelos de la Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas para analizar las propiedades físicas de los suelos como la densidad, contenido de finos, granulometría, nivel de saturación, permeabilidad y otras propiedades mecánicas de interés para aplicar la técnica innovadora. En cuarto lugar, será necesario construir un modelo para simular la entrega de la suspensión de nanomateriales a los suelos. Se tomará en cuenta el modelo (figura 15) presentado por Gholam Moradi y Shiva Seyedi (2015) en su investigación titulado “Effect of Soils Hydraulic Conductivity on Colloidal Nano-Silica Permeation”. Esta caja nos permitirá realizar la inyección de la suspensión a una escala pequeña.

Figura 15. Modelo de caja para la entrega de sílice coloidal al suelo. (a) Antes de la inyección, y (b) Durante la inyección. Fuente: Moradi y Seyedi 2015.

Finalmente, se realizarán ensayos dinámicos triaxiales. Estos ensayos servirán para medir la respuesta del suelo mejorado frente a cargas cíclicas producidas. Uno de los objetivos de la investigación es que el nanomaterial inyectado en el fluido intersticial de la arena mejore la resistencia de la misma frente a cargas cíclicas. Estos ensayos se realizarán en los centros de laboratorio de la Universidad Nacional de Ingeniería u otra institución que cuente con los laboratorios necesarios, ya que nuestra casa de estudios no cuenta con laboratorios de esta índole. *Describir claramente la técnica(s) que se investigara. * Complementar con la nueva información

SEMINARIO DE INVESTIGACIÓN APLICADA II 2018-0 6. ANTECEDENTES DE LA PROPUESTA (máximo 3 páginas)

Lo métodos tradicionalmente empleados para mejorar la resistencia de los suelos arenosos ante la presencia de cargas cíclicas son el reemplazo de suelo, pilas de compactación de arena, la vibrocompactación, compactación dinámica, inyección de lechadas, el método pila de grava y entre otros.9 Los métodos mencionados han sido aplicados durante varios años para solucionar los diferentes problemas que se han presentado en la ingeniería geotécnica resultando ser eficaces y fiables. No obstante, la problemática presentada no es resuelta por las técnicas anteriormente señaladas debido a que se está buscando una propuesta no disruptiva que mejore la resistencia de los suelos. En tal sentido las nuevas propuestas investigadas se enfocan en mejorar la calidad de los suelos en presencia de estructuras vulnerables a la licuefacción, cubrir grandes áreas a un bajo costo y emitir una menor cantidad de carbono (ser amigable con el medioambiente). Dichas propuestas incluyen los recientes avances tecnológicos en el área de geotecnia, y vienen empleando nanomateriales como la suspensión Bentonita, Laponita y Sílice Coloidal para atenuar la licuefacción. Además, se presenta una gran gama de biomateriales como los polisacáridos microbianos y bioplásticos microbianos.10 Yu Huang y Zhuoqiang Wen clasificaron los nuevos métodos que hacen uso de los últimos avances de la ciencia y tecnología en: Estabilización Pasiva del sitio, Biocementación y Saturación Parcial Inducida. La estabilización pasiva del suelo, el cual causaría una mínima interrupción de las estructuras existentes se subdivide en dos métodos que hacen uso de los nanomateriales tal como es la lechada de Sílice Coloidal y suspensión de Bentonita. El método de la lechada de Sílice Coloidal consiste en inyectar una solución de baja viscosidad de este nanomaterial en el agua subterránea de flujo natural. Después de algún tiempo, el fluido restaura gradualmente su viscosidad adquiriendo un estado coloidal, reforzando de esta manera la unión de los granos en el suelo tratado.11 La presente técnica está directamente relacionada con la cementación de los granos individuales de la arena; además, la viscosidad del fluido (Sílice Coloidal) reduce el exceso de presión de poros generados por el agua mediante la reducción de la conductividad hidráulica. Los investigadores luego de realizar diversas pruebas triaxiales dinámicas observaron que las arenas mezcladas con Sílice Coloidal aumentaban su resistencia a los esfuerzos cortantes y amortiguación frente a cargas cíclicas en comparación a las arenas limpias. El costo del material de Sílice Coloidal a una concentración del 5% es muy similar si se emplea microcemento para estabilizar un mismo volumen de suelo.12 No obstante, la viscosidad del Sílice Coloidal a un 5% es cerca a la del agua, lo cual le permite a este nanomaterial permear la fundación con una mínima presión reduciendo, de esta manera, los costes de implementación en comparación al uso del microcemento. Además, la lechada de Sílice Coloidal puede aplicarse a estructuras existentes que son susceptibles a la licuefacción; y posee propiedades biológicas y químicas estables, lo cual lo hace amigable con el medio ambiente. Por otro lado, se presenta el método de la 9

Cfr. Huang y Wen 2015 Cfr. Huang y Wen 2015 11 Cfr. Gallagher y Mitchell 2002; citado por Huang y Wen 2015 12 Cfr. Gallagher et al. 2007; citado por Huang y Wen 2015 10

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suspensión de Bentonita, el cual posee una similitud con principios desarrollados por la Sílice Coloidal. La suspensión de Bentonita se halla impregnado en el suelo y posteriormente se satura en presencia de agua subterránea adquiriendo una consistencia de gel. La Bentonita ya gelificada reduce el exceso de presión de poros bajo condiciones de vibración sísmica, aumenta de dicha forma la resistencia de la fundación ante el fenómeno de la licuefacción. Mediante el uso de esta técnica, el suelo curado luego de algún tiempo se restaura a su estado original. Al momento de aplicar la Bentonita a un suelo se le agrega pirofosfato de sodio (SPP) para reducir la viscosidad inicial, del tal modo que la suspensión de Bentonita pueda penetrar el suelo más rápido.13 Los diferentes estudios realizados demostraron que el porcentaje de Bentonita presente en la arena y la duración del periodo de envejecimiento de la suspensión aplicada tienen un efecto considerable sobre la presión de poros generados por el agua en terrenos con arenas sueltas. Debido a estudios ampliamente desarrollados sobre las propiedades de la Bentonita, es posible señalar que la suspensión de Bentonita puede aplicarse como un agente de mejora del suelo en áreas grandes dada su amplia disponibilidad en el mercado, su bajo costo y amigable con el medio ambiente. Es por ello que este nanomaterial se ha convertido en una atractiva alternativa para atenuar la licuefacción en los suelos granulares. Según la clasificación planteada por Huang y Wen, la biocementación funciona de la siguiente forma: “Se inyectan los nutrientes y microorganismos en la base del suelo en el sitio a baja presión, y luego, se producen una serie de reacciones químicas y se generan productos que pueden gelificar los granos de la arena y aumentar la resistencia al corte del suelo.”(Huang y Wen, 2015). Es así que DeJong y otros investigadores proponen el método de biocementación llamado precipitación de carbonato inducida por microbios (MICP) para mitigar la licuefacción. En la MICP, las reacciones químicas que se producen entre los nutrientes inyectados que incluyen CaCl2 y urea generan una nueva sustancia capaz de gelificar los granos de la arena. Los investigadores ya han realizado una incursión en la aplicación de este método para mejorar la resistencia y estabilidad de la arena, y han llevado a cabo una serie de experimentos que validan la viabilidad de este método en la mejora de arenas licuables.14 Observaron que los factores que influyen en la tasa de generación del carbonato de calcio son los siguientes: concentración inicial de bacterias, la actividad de las enzimas microbianas in situ, la concentración de la solución nutritiva, el pH del agua subterránea, la temperatura y la distribución de las partículas de la arena. La lechada microbiana puede aumentar la resistencia de los suelos a la licuefacción; sin embargo, el rendimiento de calcio también influye en este proceso, ya que si llega a ser insuficiente disminuiría la unión entre las partículas de la arena y su resistencia a esfuerzos cortantes.15 Finalmente se plantea el método de la saturación parcial inducida, en el cual los investigadores hacen un énfasis en el uso de Biogás. En base a procesos realizados para el tratamiento de aguas residuales con el uso de microbios, las investigaciones se centraron en producir gas en el ambiente interno del suelo mediante las actividades microbianas. Se 13

Cfr. Rugg et al. 2011; citado por citado por Huang y Wen 2015 Cfr. Han, Cheng y Ma 2016 15 Cfr. Huang y Wen 2015 14

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realizaron diversas pruebas de laboratorio para verificar la estabilidad a largo plazo de las burbujas de gas inducidos al terreno mediante pruebas de simulación en condiciones hidrostáticas. Las bacterias utilizadas para esta técnica son desnitrificantes, lo cual involucra la reducción de nitrato y liberación del nitrógeno molecular que posteriormente ocupa el espacio de los poros de agua y desatura al suelo. En resumen el biogás se plantea como un nuevo método de bajo costo en comparación a los métodos tradicionales como la vibrocompactación. Las principales ventajas son la distribución uniforme de las burbujas de gas en la fundación, el pequeño tamaño de las burbujas de gas permite que el suelo contenga a dichas burbujas entre los poros sin ser expulsadas al exterior, energéticamente es eficiente el método porque no se requiere de dispositivos de alta potencia para su aplicación, y se puede lograr mitigar la licuefacción de la arena sin la necesidad de una recompactación.16 No obstante, es necesario controlar la tasa de producción del nitrógeno y controlarla mediante el uso de reactivos. En síntesis, los nuevos métodos desarrollados en este apartado son fiables y pueden ser aplicados para atenuar la licuefacción en las arenas. Sin embargo, la fiabilidad de los métodos se basa en cumplir ciertos criterios como el bajo costo, la implementación a gran escala, bajo consumo de energías en su proceso de producción y aplicación, la efectividad para mejorar el comportamiento de las arenas ante una licuefacción y la satisfacción del usuario. En tal sentido, el uso del biogás posee como limitante en el control de la producción de nitrógeno, ya que es necesario utilizar reactivos para mantener los niveles estables de producción. La biocementación se basa en una serie de características necesarias, como la concentración de las bacterias, para mejorar la resistencia del suelo, y si dichos microorganismos no logran desarrollarse adecuadamente el método resulta ser poco eficaz. Por otra parte, la estabilización pasiva del suelo con Sílice Coloidal en su fase de producción resulta ser contaminante, lo cual hace de este nanomaterial poco amigable con el medio ambiente. La Bentonita es una nanoarcilla con una gran disponibilidad en el mercado pero el tamaño de sus partículas, es aún una limitante para tratar los suelos arenosos con partículas muy finas. Entonces, la propuesta para responder a la pregunta planteaba en el desarrollo de la presente investigación está enfocada en incorporar un nuevo nanomaterial que preferentemente sea reciclado con propiedades similares al de la Laponita. Cabe señalar que la Laponita es un nuevo nanomaterial que se viene estudiando para mejorar la resistencia de los suelos frente a cargas cíclicas. Además, se ha demostrado la eficacia de la Laponita al igual que los métodos que se han descrito en este apartado; resultando ser una propuesta nueva y con mejores propiedades que la Bentonita. Es por ello, nuestra investigación busca centrarse en incorporar un nuevo nanomaterial con propiedades muy similares a la Laponita para resolver el problema de la licuación de suelos con estructuras ya existentes.

*Revisar que soluciones similares a la propuesta existe en el mercado actualmente y analizar porque no se ajustan a las características del problema que se ha delimitado. * Complementar con la nueva información 16

Cfr. Huang y Wen 2015

SEMINARIO DE INVESTIGACIÓN APLICADA II 2018-0 7. MOTIVACIÓN (máximo 1 página)

El motivo principal que nos lleva a realizar esta investigación es lograr un método para mejorar los suelos licuables con una propuesta económica viable, respetuosa con el medio ambiente y aplicado en lugares de difícil acceso para los métodos tradicionales o que su adaptación requiera de un incremento en el costo del proyecto. Además, la dirección de las investigaciones evoluciona continuamente y el objetivo es lograr una mitigación de bajo costo y sin interrupciones (Towhata 2008). En nuestro medio, el uso de nanomateriales con la finalidad de mitigar la licuefacción es poco usada, debido a la falta de investigación y de conocimientos de las ventajas que tienen dichos materiales. Por lo tanto, esperamos con el método propuesto, mejorar las propiedades de suelos licuables uniendo sus partículas mediante la inyección de suspensión de nanomateriales. Nuestra motivación por investigar este método se debe, además, a la ausencia de métodos sencillos y baratos para mejorar el suelo debajo de una estructura. Por ejemplo, las viviendas construidas de Chorrillos en suelos licuables están en riesgo frente a un sismo. Por ello, una vez logrado el método, nos permitirá dar soluciones al problema y estarán al alcance del cliente. No será necesario el uso de grandes maquinarias y movimiento de tierras, los cuales generan altos costos y altos índices de carbono como mencionamos en el diagnóstico. Al momento de aplicar el método propuesto buscamos cumplir con los requerimientos de calidad y gestión ambiental. Por otro lado, esperamos que la aplicación de este método en el campo de la geotecnia peruana comience a ser difundida, ya que esta nueva medida de mitigación del fenómeno de licuefacción busca resolver los problemas donde los métodos tradicionales no son la mejor propuesta para satisfacer las exigencias del cliente. Mediante ensayos de laboratorio y el muestro de los suelos del medio con alto potencial de licuefacción, demostraremos al mercado nacional las ventajas de incorporar una nueva técnica que hace uso de los últimos avances de la tecnología.

*Describir los resultados que se espera obtener con la solución propuesta: Reducción de costos, menor tiempo de procesamiento, satisfacción de usuarios, etc. * Complementar con la nueva información

SEMINARIO DE INVESTIGACIÓN APLICADA II 2018-0 8. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS (máximo 2 páginas)

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Baharuddin INZ, Omar RC, Devarajan Y (2013) Improvement of engineering properties of liquefied soil using Bio-Ve-Grout. In: IOP conference series: earth and environmental science, vol 16, no 1. IOP Publishing, p 012104

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DeJong JT, Soga K, Kavazanjian E et al (2013) Biogeochemical processes and geotechnical applications: progress, opportunities and challenges. Geotechnique 63(4):287–301

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Gallagher PM, Pamuk A, Abdoun T (2007) Stabilization of liquefiable soils using colloidal silica grout. ASCE J Mater Civil Eng 19(1):33–40

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Gallagher, P.M. and Mitchell, J.K. (2002). Influence of colloidal silica grout on liquefaction potential and cyclic undrained behavior of loose sand. Soil Dynamics and Earthquake Engineering 22(9), 1017–1026

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Huang, Y., & Wang, L. (2016). Experimental studies on nanomaterials for soil improvement: A review. Environmental Earth Sciences, 75(6), 1-10. http://dx.doi.org/10.1007/s12665-015-5118-8

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Huang, Y., & Wen, Z. (2015). Recent developments of soil improvement methods for seismic liquefaction mitigation. Natural Hazards, 76(3), 1927-1938. doi:10.1007/s11069-014-1558-9

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INSTITUTO GEOFÍSICO DEL PERÚ (IGP) (2018) Sismo de Lomas - Yauca del 14 de Enero del 2018 (Caravelí - Arequipa). Aspectos Sismológicos.

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Kakelar, M. M., Ebrahimi, S., & Hosseini, M. (2016). Improvement in soil grouting by biocementation through injection method. Asia-Pacific Journal Of Chemical Engineering, 11(6), 930-938. doi:10.1002/apj.2027

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Khodadadi H, Bilsel H (2012) Application of microorganisms for improvement of liquefiable sand. In: Proceedings of the 3rd international conference on new developments in soil mechanics and geotechnical engineering. Near East University, Nicosia, North Cyprus

SEMINARIO DE INVESTIGACIÓN APLICADA II 2018-0

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Ochoa-Cornejo, F., & Muñoz, S. (2017). Laponita: una nanotecnología que retarda la licuefacción. Obras Y Proyectos, (21), 6-12.

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Ortega Orcos, Santiago; Sobrecases Martí, Salvador y Ruiz Chaparro, Francisco Javier (2016), “Mejora de suelo mediante Jet Grouting para mitigar el riesgo de licuación en el Puente sobre el Río Quilca, Arequipa, Perú” .Recuperado de http://www.interempresas.net/Mineria/Articulos/165096-Mejora-suelo-medianteJet-Grouting-mitigar-riesgo-licuacion-Puente-Rio-Quilca-Arequipa.html.

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Rugg DA, Yoon J, Hwang H, El Mohtar CS (2011) Undrained shearing properties of sand permeated with a bentonite suspension for static liquefaction mitigation. In: ASCE proceedings of the geofrontiers. Dallas, TX, pp 677–686

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA, CENTRO PERUANO JAPONÉS DE INVESTIGACIONES SÍSMICAS Y MITIGACIÓN DE DESASTRES (2010). Informe de microzonificación sísmica del distrito de Chorrillos

*Emplear estilo APA. Utilice las herramientas que brinda Word. Incluir al menos un artículo científico que sustente por qué seleccionó esa técnica en su tema propuesto. Así como el resto de bibliografía. * Complementar con la nueva información