Entrevista a Steven Kramer

1. Last year, one of the most significant liquefaction events ever seen took place in Donggala and Palu on the island of Sulawesi, Indonesia. Is there anything we can do to mitigate the effects of such big natural disasters? Was that the biggest liquefaction event ever recorded?

Palu, like many populated cities of the world, lies adjacent to a river in a basin filled with Quaternary sediments.  The largest flow slide, Petobo, had an average initial ground slope of only about 2% in fine sands and silts, portions of which had been recharged by an unlined drainage channel.  Such situations frequently lead to high liquefaction potential, but the large size of the affected area and the large and rapid deformations that developed were unusual.  There have been larger liquefaction events but those on Sulawesi are certainly among the largest we have observed; perhaps they are the largest in natural soils that have been captured on video.

Mitigating liquefaction hazards can be done but it is difficult and very expensive to do it on the scale that would have prevented damage in Palu and Donggala.  What we can do is identify hazardous areas such as these and prevent hazards from turning into disasters by removing people and critical facilities from the areas expected to be affected by liquefaction failures.  This can also be difficult, but it is an achievable goal that we should strive for.

2. Lately in Chile, it has become more common to some engineers to assess the liquefaction potential using the Vs parameter only. Do you think that this type of analysis would be enough in some cases? (for example, to dismiss liquefaction when Vs1 is over 300 m/s, or over a specific value)

Shear wave velocity is a very useful parameter in geotechnical earthquake engineering.  It provides a measure of soil stiffness at very low strain levels and, when measured in the field, can eliminate the effects of sample disturbance that plague laboratory methods.  The triggering of liquefaction, however, occurs at larger strain levels and, while low-strain stiffness is correlated to higher-strain behavior, the correlation is not too strong.  Furthermore, shear wave velocity is not very sensitive to soil density, which pore pressure generation is much more closely correlated to.

Therefore, shear wave velocity is not as good a predictor of pore pressure generation potential as CPT or SPT resistance.  This is why penetration resistance, particularly cone penetration resistance, is preferred for evaluation of liquefaction potential; shear wave velocity-based procedures can be a useful supplement to penetration test-based procedures, and surface-wave based shear wave velocity measurements may be the only choice in some materials that are particularly difficult to penetrate because of large particles or other potential obstructions.

I believe shear wave velocity can be used as a screening parameter in some cases, particularly where the geology is well understood.  Care should be taken when applying a screen to ensure that the soil, and its behavior, are well understood; this may require drilling and sampling in addition to shear wave velocity measurement.

The establishment of a specific shear wave velocity for screening purposes should be accomplished by consensus of a group of experienced geotechnical engineers.

3. While it is true that every day the use of more sophisticated tests and techniques- as the CPT -are used to assess liquefaction, the SPT is still by far- in Chile -the most used test to this purpose. Performing an SPT and a shear wave velocity test complies with the Chilean seismic standard. Would you say those two tests are enough to assess liquefaction potential?

SPT resistance has certainly been the historically most common measure of soil density for liquefaction potential evaluation, and most of the liquefaction case histories upon which empirical procedures are based have been investigated with standard penetration testing.  The CPT, however, is much less operator-dependent and hence repeatable, provides much greater (nearly continuous) resolution of penetration resistance, and can be combined with measurements of pore pressure, pore pressure dissipation, shear wave velocity, and potentially other characteristics of interest.  Case histories with CPT measurements are becoming more common.  As a result of these factors, CPT resistance is clearly becoming the more preferred measure of liquefaction resistance for evaluation of liquefaction potential.  It should be noted that the SPT has the important advantage of retrieving soil samples for grain size and index testing, but CPT sampling procedures are also becoming available.

With all that said, the combination of SPT and shear wave velocity data will provide increased confidence in liquefaction potential evaluation compared to using either type of procedure by itself.

4. You have traveled all over the world and met with several professionals in congress, seminars, and courses. What would you say is the main mistake people make when dealing with liquefaction?

That’s a difficult question because geotechnical practice varies significantly around the world.  There are many steps, from susceptibility to triggering to consequences, in a liquefaction hazard evaluation.  I think, perhaps the most common mistake I see being made on a broad scale is the under-appreciation of the uncertainties involved in each step of a liquefaction hazard evaluation.  Uncertainties are often addressed in an informal manner by application of judgment-based factors of safety; sometimes these factors of safety are applied upon other factors of safety, yielding a very conservative result, and sometimes they are nearly neglected, yielding an unconservative result.

The case history databases upon which liquefaction hazard evaluation procedures are based do not cover the broad range of conditions that geotechnical engineers are often called upon to address in practice.  This results in the need to extrapolate beyond the data in order to address those conditions, and extrapolation involves additional uncertainty.

There is a major effort going on in the U.S. now to build a new, comprehensive, community database of liquefaction case histories that will be used for development of new predictive models for liquefaction susceptibility, triggering, lateral spreading, settlement, and residual strength.

This Next Generation Liquefaction (NGL) project is led by Prof. Jon Stewart of UCLA, and involves top liquefaction researchers and practitioners from the U.S., Japan, New Zealand, Chile, and other countries; it is partnering with both government agencies and private companies to ensure that the important needs of all are being addressed.

The addition of case histories of liquefaction from subduction zone earthquakes offers important benefits to geotechnical engineers in the area I live in (affected by the Cascadia Subduction Zone) as well as Chile and other South American countries, Mexico, and Japan.  I believe that the mining industry, for example, could benefit tremendously from the work that NGL is doing.

5. Do you think that the effects of earthquakes (e.g., liquefaction, site amplification, structural damages) that take place in different regions with different tectonism, such as Japan, Turkey, Chile, New Zealand, could be so different that they should be studied separately, or the most essential aspects are quite similar to each other?

The extent to which the effects of liquefaction differ in different areas of the world depends on our ability to characterize the factors that most strongly affect ground motions, site response, and liquefiable soil behavior in the different areas.  If we knew exactly the parameters that influenced all of those things and could measure them, we would simply make those measurements and complete our evaluations.

We know that new ground motion models are including regionalization terms to account for systematic regional differences in motions that are now recognized.  Site response is known to be influenced by shear wave velocities, stiffness degradation, and damping of soils, which we use when we perform site response analyses.

However, we often express site amplification as a function of Vs30, which doesn’t necessarily capture differences in deep soil stratigraphy and spatial variability that are difficult to measure and may vary regionally to some degree.

A portion of the uncertainty we have in our current procedures likely comes from unrecognized regional differences; as more data becomes available and those differences can be accounted for, that uncertainty should decrease.  As long as that uncertainty is recognized and properly accounted for, the procedures we have now should be applicable in different regions.  With more data, perhaps we will be able to identify, and account for, systematic and repeatable regional variations in liquefaction behavior at some point in the future.

6. How much would you say that the liquefaction of low-plasticity silty soils depends on the mineralogy of the soil?  In Chile there is almost no evidence of liquefaction in fine-grained natural soils; could it be because of the mineralogy?

The mineralogy of low-plasticity silty soils could well influence their liquefaction potential, most likely due to their influence on plasticity and compressibility.  The effects of plasticity on liquefaction potential are pretty well established, but the effects on permanent deformations are not as well understood.  Because compressible soils generally have lower penetration resistance (for a given density), conventional penetration tests may tend to overestimate the liquefaction potential of a compressible low-plasticity silt relative to a less compressible one.

Another thing we are learning, due in large part to the extraordinary CPT database in the Canterbury region of New Zealand and the efforts of researchers like Misko Cubrinovsky and his colleagues, is that the layering of fine-grained soils can have a strong influence on observations of liquefaction.  New Zealand researchers have shown that deposits of liquefiable soils produce surface manifestations of liquefaction when the liquefiable layers are continuous but do not when the same liquefiable soils exist in a series of thinner layers separated by seams of non-liquefiable soil, which is a common condition in many depositional environments.

Interview by Rafael Iglesias and Ramón Verdugo

1. El año pasado, uno de los eventos de licuefacción más importantes jamás vistos tuvo lugar en Donggala y Palu en la isla de Sulawesi, Indonesia. ¿Hay algo que podamos hacer para mitigar los efectos de desastres naturales de dicha magnitud? ¿Fue ese el mayor evento de licuefacción jamás registrado?

Palu, al igual que muchas ciudades con alta población, se emplaza junto a una cuenca que ha sido rellenada con depósitos cuaternarios. El mayor deslizamiento de flujo, Petobo, tenía una pendiente inicial cercana a solo un 2% en arenas finas y limos, con partes de la cuenca que habían sido rellenadas por un canal de drenaje sin revestimiento. Dicho tipo de situaciones con frecuencia inducen un alto potencial de licuación, no obstante, lo enorme del área afectada, las magnitudes, y la alta velocidad con la cual ocurrieron las deformaciones fueron inusuales. Ha habido eventos de licuación más grandes, pero los que ocurrieron en Sulawesi fueron sin duda uno de los más grandes que hemos observado, y muy seguramente fueron los más grandes que han ocurrido en suelos naturales que hayan sido captados en video.

Se pueden mitigar los riesgos de la licuación, pero es difícil y muy caro hacerlo a una escala que hubiera prevenido los daños ocurridos en Palu y Donggala. Lo que si podemos hacer es identificar las áreas riesgosas como esas y prevenir que los riesgos se transformen en desastres desplazando a las personas y a las instalaciones críticas de las zonas en las que se esperan fallas de licuefacción. Esto también puede ser difícil, pero es una meta alcanzable por la cual debiéramos luchar.

2. Últimamente, se ha vuelto común en Chile para algunos ingenieros definir el potencial de licuación utilizando exclusivamente el parámetro Vs. ¿Usted piensa que este tipo de análisis podría ser suficiente en algunos casos? (por ejemplo, desestimar la ocurrencia de licuación cuando Vs1 es mayor a los 300m/s, o superior a algún valor específico).

La velocidad de propagación de ondas de corte es un parámetro geotécnico muy útil en ingeniería geotécnica sísmica. Entrega una medida de la rigidez del suelo a niveles de deformación muy bajos, y cuando es medida en terreno, puede eliminar los efectos de la perturbación por muestreo que afectan a los métodos de laboratorio. Sin embargo, la ocurrencia de licuación ocurre a altos niveles de deformación, por lo cual relacionar la rigidez del suelo a bajos niveles de deformación con el comportamiento del mismo a altos niveles de deformación, no entregará una correlación fuerte. Más aún, la velocidad de propagación de ondas corte no es muy sensible a la densidad, la cual se encuentra mucho más correlacionada con la generación de presiones de poros.

dad de propagación de ondas de corte no es un buen predictor del potencial de generación de presiones de poros, como sí lo son el CPT o el SPT. Es por esto que la resistencia a la penetración, y en particular la resistencia a la penetración de cono, es preferida para evaluar el potencial de licuación. Los procedimientos asociados a la velocidad de propagación de ondas de corte pueden ser un complemento muy útil a los procedimientos basados en ensayos de penetración, pudiendo además ser la única alternativa en algunos materiales que son particularmente difícil de penetrar debido a la presencia de partículas de gran tamaño, o a potenciales obstrucciones.

Creo que los ensayos de velocidad de ondas de corte pueden ser utilizados como un parámetro de evaluación en algunos casos, particularmente en los que se cuenta con una apropiada comprensión de la geología. Se debiera tener cuidado, y garantizar que el suelo y su comportamiento sean bien comprendidos, lo cual podría requerir de forma adicional a los ensayos de velocidad de ondas de corte, la perforación y obtención de muestras.

El establecer un valor específico para la velocidad de propagación de ondas de corte con propósitos evaluativos debiera ser logrado por el consenso de un grupo de ingenieros geotécnicos de vasta experiencia.

3. Si bien es verdad que cada día el uso de ensayos y técnicas más sofisticadas – como el CPT – son utilizadas para evaluar la licuación, el SPT es por lejos – en Chile – el ensayo más usado para dicho propósito. Ejecutar ensayos SPT y ensayos de medición de velocidad de ondas de corte cumple con la normativa chilena. ¿Diría que ambos ensayos son suficientes para definir el potencial de licuefacción?

La resistencia a partir del ensayo SPT ciertamente ha sido la medición más común de la densidad del suelo para propósitos de evaluación del potencial de licuación, y la mayoría de los casos históricos en los que se basan los procedimientos empíricos han sido investigados con el ensayo de penetración estándar. El CPT, sin embargo, es mucho menos dependiente del operador (y por lo tanto repetible), entrega una resolución mucho más grande (casi continua) de la resistencia a la penetración, y puede ser combinado con mediciones de presión de poros, disipación de la presión de poros, velocidad de ondas de corte, y potencialmente otras características de interés. Casos históricos con mediciones de CPT se están volviendo más comunes. Como resultado de dichos factores, la resistencia por CPT claramente se está transformando en la medición preferida para evaluar el potencial de licuefacción. Es importante señalar que el SPT tiene la gran ventaja de recuperar muestras de suelo para realizar ensayos de granulometría y estudiar las propiedades de índice, pero procedimientos de muestreo mediante CPT también están empezando a estar disponibles.

Dicho todo esto, la combinación del SPT y la velocidad de ondas de corte proporcionará una mayor confianza en la evaluación del potencial de licuación en comparación con el uso de solo uno de dichos procedimientos.

4. Usted ha viajado por todo el mundo, y se ha reunido con una gran cantidad de profesionales en congresos, seminarios, y cursos. ¿Cuál diría usted que es el principal error que comente la gente cuando trata con licuación?

Esa es una pregunta difícil debido a que la práctica geotécnica varía de manera significativa alrededor del mundo. Hay muchos pasos desde la susceptibilidad a la ocurrencia en la evaluación del riesgo de licuación. Pienso que, quizás, el error más común que puedo observar a escala internacional es la subestimación de las incertidumbres involucradas en cada paso de la evaluación del riesgo de licuefacción.

Las incertidumbres muchas veces son tratadas de manera informal mediante la aplicación de factores de seguridad que se basan en el criterio, en ocasiones dichos factores de seguridad son aplicados sobre otros factores de seguridad, generando un resultado muy conservador, mientras que otras veces son casi descuidados, produciendo un resultado no conservador.

La base de datos de casos históricos en los que se basan los procedimientos de evaluación de riesgo de licuación no cubre la amplia gama de condiciones que los ingenieros geotécnicos a menudo deben abordar en la práctica. Esto resulta en la necesidad de extrapolar mas allá de los datos para poder considerar dichas condiciones, y la extrapolación involucra incertidumbre adicional.

Actualmente se está realizando un gran esfuerzo en los Estados Unidos para construir una nueva base de datos de casos históricos de licuación que será utilizada para el desarrollo de nuevos modelos predictivos para la susceptibilidad y desencadenamiento de licuación, lateral spreading, asentamientos, y resistencia residual.

Este proyecto de licuación de próxima generación (“Next Generation Liquefaction”,NGL) es liderado por el profesor Jon Stewart de UCLA, involucra a investigadores líderes y a profesionales de la licuación de los Estados Unidos, Japón, Nueva Zelanda, Chile, y otros países, y se está asociando tanto con agencias gubernamentales como con empresas privadas para asegurar que las necesidades de todos estén siendo consideradas.

La incorporación de casos históricos de licuefacción en zonas de subducción entrega importantes beneficios a los ingenieros geotécnicos de la zona en la cual vivo (afectada por la zona de subducción de Cascadia), tanto como a Chile, a otros países Sudamericanos, y a Japón, y México. Creo que la industria minera, por ejemplo, podría beneficiarse tremendamente del trabajo que el NGL está realizando.

5. ¿Piensa que los efectos de los sismos (tales como licuación, amplificación de sitio, daño estructural) que ocurren regiones con diferentes mecanismos tectónicos tales como Turquía, Chile, Nueva Zelanda, podrían ser tan diferentes que debieran ser estudiados por separado, o acaso los aspectos más esenciales son similares entre ellos?

La medida en la cual los efectos de la licuación difieren en distintas áreas del mundo depende de nuestra habilidad para caracterizar los factores que mayormente afectan los movimientos del suelo, y el comportamiento de suelos licuables en distintas áreas.

Si conociéramos exactamente los parámetros que los influencian, y pudiéramos medirlos, simplemente haríamos dichas mediciones y realizaríamos nuestras evaluaciones.

Sabemos que los nuevos modelos están incorporando términos asociados a la regionalización para tener en cuenta las diferencias regionales sistemáticas que ahora reconocemos en los sismos. La respuesta de sitio es conocida por ser influenciada por la velocidad de onda de corte, la degradación de la rigidez, y el amortiguamiento de los suelos, que utilizamos cuando realizamos análisis de respuesta de sitio.

Sin embargo, a menudo expresamos la amplificación de sitio como una función de Vs30, lo cual no necesariamente captura las diferencias en profundidad de la estratigrafía del suelo y variabilidad espacial, lo cual es difícil de medir y podría variar regionalmente en algún grado.

Una parte de la incertidumbre que tenemos en nuestros procedimientos actuales probablemente proviene de diferencias regionales no reconocidas. A medida que haya más datos disponibles y dichas diferencias puedan ser tomadas en consideración, la incertidumbre debiera disminuir. Mientras dicha incertidumbre sea reconocida y apropiadamente considerada, los procedimientos que ahora tenemos debieran ser aplicables en diferentes regiones. Con mas datos, quizás podremos identificar y tener en consideración las variaciones sistemáticas en el comportamiento de la licuación en algún punto en el futuro.

6. ¿Qué tanto diría usted que la licuación de suelos limosos de baja plasticidad depende de la mineralogía del suelo? En Chile casi no hay evidencia de licuación en suelos naturales, finos y saturados. ¿Podría esto deberse a la mineralogía?

La mineralogía de suelos limosos de baja plasticidad bien podría influenciar su potencial de licuación, muy probablemente debido a su influencia en la plasticidad y compresibilidad. Los efectos de la plasticidad en el potencial de licuación se encuentran bien establecidos, pero los efectos de las deformaciones permanentes no se comprenden tan bien. Debido a que los suelos compresibles generalmente tienen una menor resistencia a la penetración (para una determinada densidad), los ensayos convencionales de penetración podrían tender a sobreestimar el potencial de licuación de un limo compresible de baja plasticidad en relación con uno menos compresible.

Otra cosa que estamos aprendiendo, debido en gran parte a la extraordinaria base de datos en la región de Canterbury (Nueva Zelanda) y a los esfuerzos de investigadores como Misko Cubrinovsky y sus colegas, es que la estratificación de suelos de grano fino puede influenciar fuertemente en las observaciones de licuación. Investigadores de Nueva Zelanda han demostrado que los depósitos de suelos licuables producen manifestaciones superficiales cuando las capas licuables son continuas, pero no las producen cuando las mismas capas de suelo licuable existen como una serie de capas más finas separadas por capas de suelo no licuable, lo cual es una condición común en muchos ambientes deposicionales.

Entrevista por Rafael Iglesias, y Ramón Verdugo