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Alumno: Profesor: Auxiliar: Ayudante: Fecha:
Esteban Leiva Bianchi Sergio Sepúlveda Marisol Lara Alejandra Serey 24 de Noviembre de 2008
ÍNDICE Introducción Problemática Planteada Metodología de Trabajo Resultados Discusión Conclusiones Referencias Digitales
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Introducción La estabilidad de taludes es un punto importante y necesario de determinar para todas las consideraciones geotécnicas al momento de realizar obras de ingeniería. Una caracterización útil del lugar de emplazamiento de cualquier obra de ingeniería que requiera taludes en su construcción requiere considerar los siguientes aspectos: •
• • • • •
Geología y estratigrafía del lugar, determinando espesor y orientación de las capas de suelo Densidad o peso unitario de las capas de suelo Parámetros de resistencia del suelo (cohesión y ángulo de fricción) Stress ejercido por la obra de ingeniería Consideraciones sísmicas Presencia de cuerpos de agua, entre otros aspectos.
La cantidad de parámetros en consideración y el gran número de opciones que puede contemplar el trazado de la obra hace que el cálculo de estabilidad de taludes no sea una labor trivial. La utilización de software se ha convertido en una herramienta útil y eficiente en el análisis de estabilidad, facilitando de sobremanera la tarea al geotécnico. En este informe se presentan los resultados de análisis de estabilidad de taludes para un caso ficticio con ayuda del programa SLIDE 5.0. de Rocscience junto con las discusiones del caso. Primero se expondrá el problema a considerar y luego se presentará la herramienta con la cual abordaremos la problemática. El objetivo es mostrar como el uso del software geotécnico presenta en forma clara y sencilla el resultado de la estabilidad óptima de los taludes en cualquier obra de ingeniería.
Problemática Planteada El trazado de un camino requiere realizar cortes en un cerro, por lo tanto se necesitan trazar los taludes óptimos del mismo. Talud óptimo se entiende como aquel talud que sea más económico en términos de material extraído y que, a su vez, cumpla con todos los requerimientos de seguridad a fin que no se generen deslizamientos ni en los peores escenarios. En términos sencillos se desea encontrar los valores mínimos del ángulo de diseño de talud para que el cerro no deslice. El esquema 1 muestra en perfil como lucen los cortes en el cerro, donde se emplaza el camino y los ángulos de diseño de talud.
Esquema 1. Cortes en el cerro y diseño de ángulos de talud.
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La estratigrafía del problema es básicamente horizontal, comprendiendo 3 tipos: • • •
Suelo 1: Un talud superior de 10 [m] de potencia Suelo 2: Un talud inferior de 12 [m] de potencia Suelo 3: Base de la columna
Los parámetros de resistencia de los suelos se obtuvieron mediante ensayos de resistencia al corte directo a varias muestras en el laboratorio del IDIEM. Se presentan en la Tabla 1. Para el análisis probabilístico se tiene la desviación estándar de los ensayos realizados la cual también se presenta en la Tabla 1.
Suelo 1 2 3
Peso SD Peso SD Ángulo de Unitario Unitario Cohesión Cohesión Fricción [ton/m3] [ton/m3] [ton/m2] [ton/m2] 0.1 0.1 2 0.5 0.1 0.15 1.8 0.5 0.1 0.15 2.1 0.5
SD Ángulo de Fricción
[º] 38 25 35
[º] 4 3 4
Tabla 1: Parámetros de resistencia de suelos y desviación estándar (SD) de la población muestral
Metodología de trabajo Para el análisis de estabilidad de taludes se utilizará el programa SLIDE 5.0. de Rocscience. Se siguen los siguientes pasos: 1. Se caracteriza geométricamente el talud a resolver, de manera análoga al Esquema 1. Para ello se utiliza la herramienta Boundaries Add External Boundary. Se cuidan las dimensiones principales del talud (potencias de los estratos de suelos). 2. Se divide el talud en tres materiales distintos con la herramienta Boundaries Add Material Boundary. Las propiedades geotécnicas mencionadas en la Tabla 1 se ingresan en Properties Define Materials, y luego se asigna a cada límite material un material específico. Se supone que 1 ton/m2 = 9,8 kN/m2. 3. Con motivo de un análisis de estabilidad de taludes estadístico, se ingresan los valores de desviación estándar en Statistics Materials. En este caso se consideró que los valores de REL MIN y REL MAX son 3 veces la desviación estándar y que 1 ton/m2 = 9,8 kN/m2. 4. Se ingresa la carga de la carretera en el replano de 6 [m] con la herramienta Loading Add Distributed Load. Se ingresa el valor de la carga en kN/m2, suponiendo que 1 ton/m2 = 9,8 kN/m2. 5. En Surfaces Surface Options se setea un Tipo de Superficie circular con un Método de Búsqueda Slope Search. Se mantienen las opciones por defecto. 6. En Análisis Project Settings en General se especifica la Dirección de Fallamiento. Tambien en Statistics se elige entre un análisis de Sensibilidad o
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Probabilístico. Para este último se utilizará un método de sampling tipo MonteCarlo. 7. En Análisis Compute se carga el método. Los resultados aparecen en Análisis Interpret. Se puede elegir el potencial deslizamiento con el menor Factor de Seguridad encontrado o todos los potenciales deslizamientos que se pueden generar con sus Factores de Seguridad asociados. 8. Bajo “prueba y error” se cambian de posición los vértices de tal manera de cambiar los ángulos del talud superior e inferior, cuidando a su vez de mantener el replano de 6 [m]. Se elige entre todos los modelos generados el que tenga el deslizamiento potencial de mínimo Factor de Seguridad cercano a 1,5 pero no menor a 1,5. De esta manera se asegura la estabilidad de los taludes en estudio. 9. Se puede repetir el mismo procedimiento ingresando una carga sísmica en Loading Seismic Load. En este problema se utilizó una constante horizontal de 0.2 y una constante vertical de 0.1. 10. Los resultados se pueden exportar a un archivo de imagen en File Export Image.
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Resultados Análisis de estabilidad de talud asísmico Primero, se analiza el caso de diseño de taludes para el cual FS es cercano a 1. Los resultados obtenidos no son los recomendados para el diseño (FS entre 1,5 y 2) pero se pueden utilizar para corroborar, a primer grado de certeza, la exactitud del método (ver discusiones). En virtud de los procedimientos anteriormente descritos y tanto para el análisis de susceptibilidad como el probabilístico, se obtuvo que para el talud superior el ángulo óptimo de estabilidad es aproximadamente 54,47º y para el talud inferior es 35,20º para un FSmin=1,001. Los siguientes perfiles (Perfil 1, 2, 3 y 4) representan esquemáticamente el perfil generado en SLIDE 5.0. con la superficie de falla (circular) de menor Factor de Seguridad y todas las superficies de falla (circular) generadas para los análisis de susceptibilidad y probabilístico.
Perfil 1. Resultados del análisis de estabilidad de taludes asísmico por susceptibilidad. Se representa la superficie de falla con menor Factor de Seguridad y su valor.
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Perfil 2. Resultados del análisis de estabilidad de taludes asísmico por susceptibilidad. Se representa todas las potenciales superficies de falla en escala de color según su Factor de Seguridad.
Perfil 3. Resultados del análisis de estabilidad de taludes asísmico por método probabilísitico. Se representa la superficie de falla con menor Factor de Seguridad y su valor.
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Perfil 4. Resultados del análisis de estabilidad de taludes asísmico por método probabilístico. Se representa todas las potenciales superficies de falla en escala de color según su Factor de Seguridad.
Sin embargo, estos resultados no pueden ser utilizados en el diseño final del talud, debido a que la resolución del error admite factores de seguridad entre 1,5 y 2. En virtud de los procedimientos anteriormente descritos y tanto para el análisis de susceptibilidad como el probabilístico, se obtuvo que para el talud superior el ángulo óptimo de estabilidad es aproximadamente 36,76º y para el talud inferior es 22,04º para un FSmin=1,508 , el cuál es el mínimo de los valores recomendados en diseño de taludes. Los siguientes perfiles (Perfil 5, 6, 7 y 8) representan esquemáticamente el perfil generado en SLIDE 5.0. con la superficie de falla (circular) de menor Factor de Seguridad y todas las superficies de falla (circular) generadas para los an álisis de susceptibilidad y probabilístico.
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Perfil 5. Resultados del análisis de estabilidad de taludes asísmico por susceptibilidad. Se representa la superficie de falla con menor Factor de Seguridad y su valor.
Perfil 6. Resultados del análisis de estabilidad de taludes asísmico por susceptibilidad. Se representa todas las potenciales superficies de falla en escala de color según su Factor de Seguridad.
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Perfil 7. Resultados del análisis de estabilidad de taludes asísmico por método probabilísitico. Se representa la superficie de falla con menor Factor de Seguridad y su valor.
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Perfil 8. Resultados del análisis de estabilidad de taludes asísmico por método probabilístico. Se representa todas las potenciales superficies de falla en escala de color según su Factor de Seguridad.
Análisis de estabilidad de talud en caso sísmico En virtud de los procedimientos anteriormente descritos y tanto para el análisis de susceptibilidad como el probabilístico, se obtuvo que para el talud superior el ángulo óptimo de estabilidad es aproximadamente 32º y para el talud inferior es 22º para un factor de seguridad FS=1,002. Los siguientes perfiles (Perfil 9, 10, 11 y 12) representan esquemáticamente el perfil generado en SLIDE 5.0. con la superficie de falla (circular) de menor Factor de Seguridad y todas las superficies de falla (circular) generadas para los análisis de susceptibilidad y probabilístico. Este valor no está dentro de los recomendados en diseño de taludes
Perfil 9. Resultados del análisi s de estabilidad de taludes del caso sísmico por susceptibilidad. Se r epresenta la superficie de falla con menor Factor de Seguridad y su valor.
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Perfil 10. Resultados del análisis de estabil idad de taludes del caso sísmico por susceptibilidad. Se representa todas las potenciales superficies de falla en escala de color según su Factor de Seguridad.
Perfil 11. Resultados del análisis de estabilidad de taludes del caso sísmico por método probabilístico. Se representa la superficie de falla con menor Factor de Seguridad y su valor.
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Perfil 12. Resultados del análisis de estabilidad de taludes del caso sísmico por método probabilístico. Se representa todas las potenciales superficies de falla en escala de color según su Factor de Seguridad.
Cuando el análisis se concentra en buscar taludes óptimos para un FS=1,5 (FS recomendado en análisis de taludes), la base del talud es extendida sobre el valor de tolerancia del método. De todas formas, se busca los taludes óptimos aumentando la potencia del Suelo 3 sobre el valor de tolerancia. En virtud de los procedimientos anteriormente descritos y tanto para el análisis de susceptibilidad como el probabilístico, se obtuvo que para el talud superior el ángulo óptimo de estabilidad es aproximadamente 13º y para el talud inferior es 9,5º para un factor de seguridad FS=1,504. Los siguientes perfiles (Perfil 13, 14, 15 y 16) representan esquemáticamente el perfil generado en SLIDE 5.0. con la superficie de falla (circular) de menor Factor de Seguridad y todas las superficies de falla (circular) generadas para los análisis de susceptibilidad y probabilístico.
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Perfil 13. Resultados del análisis de estabil idad de taludes del caso sísmico por susceptibilidad. Se representa la superficie de falla con menor Factor de Seguridad y su valor.
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Perfil 14. Resultados del análisis de estabil idad de taludes del caso sísmico por susceptibilidad. Se representa todas las potenciales superficies de falla en escala de color según su Factor de Seguridad.
Perfil 15. Resultados del análisis de estabilidad de taludes del caso sísmico por método probabilístico. Se representa la superficie de falla con menor Factor de Seguridad y su valor.
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Perfil 16. Resultados del análisis de estabilidad de taludes del caso sísmico por método probabilístico. Se representa todas las potenciales superficies de falla en escala de color según su Factor de Seguridad.
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Discusiones Los resultados obtenidos se condicen de buena forma con las apreciaciones que se pueden realizar sobre otros taludes en otros casos aplicando los mismos criterios que en problema. Asimismo el resultado obtenido para el talud superior en el caso asísmico con FS aproximado a 1 (54º) conversa bien con el ángulo de cizalle de 38º obtenido en el IDIEM, el cual predice según la teoría un ángulo de trazado tentativo de 52º. Esta observación se puede aplicar sólo a este talud, debido a que se encuentra libre de fuerzas externas como carga de estructuras o cargas de otros estratos de suelo. Asimismo, se puede observar que los taludes superiores son mayores que los inferiores en cada uno de los casos analizados. Esto no es sólo porque el suelo superior tenga mayor ángulo de cizalle que el inferior. También influye el hecho que el suelo inferior tiene que soportar mayor carga que el suelo superior (el suelo 2 tiene que soportar el peso del suelo 1 más la carretera que lo sobreyace). Por ende, el ángulo de diseño de talud tiene que ser menor que la cantidad que predice la teoría sin considerar otras cargas que afecten el talud (Si el ángulo de cizalle del suelo 2 es 25º la teoría lo predice en 75º en el caso libre de fuerzas). Para el caso con sísmica se deduce que el diseño de talud tiene que caracterizarse por un trazado de ángulos más suaves que el caso asísmico. Un diseño de estas características permite impedir el desarrollo de deslizamientos desencadenados por algún sismo o terremoto en la zona de emplazamiento de la obra de ingeniería. Sin embargo, es posible que los valores obtenidos para un FS cercano a 1,5 no sean admitidos en el diseño final, debido a las grandes cantidades de material que se debe remover o a dificultades geográficas del trazado producto de la extensión del mismo. Dependiendo del valor de la implementación, se recomienda el uso de refuerzos como pernos de anclaje, redes, etc... Vale destacar que no se han incluido consideraciones que pueden ser importantes al momento de diseñar los taludes como discontinuidades de la roca, permeabilidad del suelo o la roca, presencia de cuerpos de agua en la zona, fallas preexistentes, entre otras. Se recomienda evaluar la completitud de la información geotécnica recopilada y, en caso de existir vacíos de información, concretar nuevos ensayos y salidas a terreno para mejorarla.
Conclusiones El análisis de estabilidad de taludes contempla que para el caso asísmico el diseño de taludes (según recomendaciones geotécnicas) contempla un talud superior de 36,76º y un talud inferior de 22,04º. Para el caso sísmico (según recomendaciones geotécnicas), el diseño de taludes contempla un talud superior de 13º y un talud inferior de 9,5º. Se recomienda una revisión de la información antes de concretar el diseño ya que puede existir información no recolectada que es vital en el análisis.
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Por último, se concluye sobre las bondades del software SLIDE 5.0. en el análisis de estabilidad de taludes.
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Referencias Digitales Diapositivas de Cátedra de Geología Aplicada, semestre Primavera 2008. www.u-cursos.cl Programa SLIDE 5.0. de RocScience www.rocscience.com
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