Una superficie de terreno expuesta situada a un ángulo con la horizontal se llama talud o pendiente n o restringida, y puede ser natural o construido. Si la superficie del terreno no es horizontal, una componente de la gravedad ocasionará que el suelo se mueva hacia abajo, como muestra la figura 10.1. Si la componente de la gravedad es suficientemente grande ocurrirá la falla del talud; es decir, la masa de suelo en la zona abcdea se deslizará hacia abajo. La fuerza actuante vence a la fuerza resistente de la resistencia al corte del suelo a lo largo de la superficie de ruptura. En muchos casos los ingenieros civiles tienen que efectuar cálculos para verificar la seguridad de taludes naturales, taludes de excavaciones y de terraplenes compactados. Este proceso, llamado análisis de la estabilidad de taludes, implica determinar y comparar el esfuerzo cortante desarrollado a lo largo de la superficie más probable de falla con la resistencia cortante del suelo. El análisis de la estabilidad de un talud no es tarea fácil. La evaluación de variables tales como la estratificación del suelo y sus parámetros de resistencia cortante resulta una tarea formidable. La infiltración a través del talud y la selección de una superficie de deslizamiento potencial se agregan a la complejidad del problema. Este capítulo explica los principios básicos implicados en el análisis de estabilidad.
Factor de seguridad La tarea del ingeniero encargado de analizar la estabilidad de un talud es determinar el factor de seguridad. En general, el factor de seguridad se define como
donde FS,
= factor de seguridad con respecto a la resistencia
= resistencia cortante promedio del suelo ~d =
esherzo cortante promedio desarrollado a lo largo de la superficie potencial de falla
10
Estabilidad de taludes
FIGURA 10.1 Falla de un talud.
La resistencia cortante de un suelo consta de dos componentes,la cohesión y la fricción, y se expresa como =c
donde c
+ cr'
tan q3
(10.2)
= cohesión
q3 = ángulo de fricción drenada cr' = esfuerzo normal efectivo sobre la superficie potencial de falla
De manera similar, también escribimos 7 d = cd
+ cr'
tan
4 d
(10.3)
donde cd y 4d son, respectivamente, la cohesión efectiva y el ángulo de fricción que se desarrolla a lo largo de la superficie potencial de falla. Sustituyendo las ecuaciones (10.2) y (10.3) en la ecuación (10.1), obtenemos
Podemos ahora introducir algunos otros aspectos del factor de seguridad, es decir, el factor de seguridad con respecto a la cohesión FS, y el factor de seguridad con respecto a la fricción FS, y se definen como sigue:
10.2
Estabilidad de taludes infinitos sin infiltración
Cuando se comparan las ecuaciones (10.4), (10.5) y (10.6), vemos que cuando FS, se vuelve igual a FS6, ése es el factor de seguridad con respecto a la resistencia. O si c cd
-
tan q5 tan q5d
podemos escribir FS, = FS, = FSQ
Cuando F, es igual a 1, el talud está en un estado de falla incipiente. Generalmente, un valor de 1.5 para el factor de seguridad con respecto a la resistencia es aceptable para el diseño de un talud estable.
Estabilidad de taludes infinitos sin infiltración Al considerar el problema de la estabilidad de un talud, comenzamos con el caso de un talud infinito, como muestra la figura 10.2. Un talud infinito es aquel en el que H es mucho mayor que la altura del talud. La resistencia cortante del suelo se da por la [ecuación (10.2)l rf = c
+ u' tan 4
Evaluaremos el factor de seguridad contra una posible falla del talud a lo largo de un plano AB a una profundidad H por debajo de la superficie del terreno. La falla del talud ocurre por el movimiento del suelo arriba del plano AB de derecha a izquierda. Consideremos un elemento de talud abcd, que tiene una longitud unitaria perpendicular al plano de la sección mostrada. Las fuerzas, F, que actúan sobre las caras ab y cd son iguales y opuestas y pueden despreciarse. El peso efectivo del elemento de suelo es (con presión del agua de poro igual a O).
W = (volumen del elemento de suelo) X (peso específico del suelo) = yLH El peso
(10.8)
se resuelve en dos componentes:
1. Fuerza perpendicular al plano AB = N, = W cos 6 = yLH cos 6. 2. Fuerza paralela al plano AB = Ta = W sen 6 = yLH sen 0. Note que ésta es la fuerza que tiende a causar el deslizamiento a lo largo del plano.
342
10
Estabilidad de taludes
A
R FIGURA 70.2 Análisis de un talud infinito (sin infiltración).
El esfuerzo normal efectivo a' y el esfuerzo cortante en la base del elemento del talud son
N, - yLH cos /3 área de la base r, \ = yH cos2P
T=
Ta
área de la base
yLH sen P -
,L ,
= yH
cos B senB
La reacción al peso W es una fuerza igual y opuesta R. Las componentes normal y tangencia1 de R con respecto al plano A B son N, y T,:
N, = RcosB = Wcosp T,= R s e n P = Wsenp Por equilibrio,el esfuerzo cortante resistente que se desarrolla en la base del elemento es igual a (T,)/(área de la base) = yH sen 0 cos P. Esto también se escribe en la forma [ecuación (10.3)] td = cd + u' tan 4,
10.2
Estabilidad de taludes infinitos sin infiltración
343
El valor del esfuerzo normal efectivo se da por la ecuación (10.9). Al sustituir la ecuación (10.9) en la ecuación (10.3) se obtiene 7-d
= cd + y
~0 tan ~4d
~
~
2
(10.13)
Así entonces, yH senP cos P = cd + yH cos2P tan
Cd -- sen 0 cos 0 - cos20 tan
4d
~5d
rH = cos2P(tan
0 - tan 4d)
(10.14)
El factor de seguridad con repecto a la resistencia se definió en la ecuación (10.7), de la cual tan
tan 4 FSS
(5d = - y
c FSS
cd=-
Sustituyendo las relaciones anteriores en la ecuación (10.14), obtenemos
Para suelos granulares,c = O, y el factor de seguridad, FS,, resulta igual a (tan 4)/(tan 0). Esto indica que, en un talud infinito de arena, el valor de FS, es independiente de la altura H y que el talud es estable siempre que 0 < 4. El ángulo 4 para suelos sin cohesión se llama ángulo de reposo. Si un suelo posee cohesión y fricción, la profundidad del plano a lo largo del cual ocurre el equilibrio crítico se determina sustituyendo FS, = 1 y H = H,, en la ecuación (10.16). Así entonces,
EJEMPLO 10.1
Considere el talud infinito mostrado en la figura 10.3. a. Determine el factor de seguridad contra deslizamiento a lo largo de la interfaz suelo-roca, si H = 2.4 m. b. ¿Qué altura H dará un factor de seguridad, FS,, de 2 contra deslizamiento a lo largo de la interfaz suelo-roca?
344
10
Estabilidad de taludes
FIGURA 10.3
a. La ecuación (10.16) es FS,
=
c y H cos20 tan
0
q5 +-tan tan 0
Dado c = 9.6 kN/m2,y = 15.7 kN/m3,+ = 15",0 =25"y H = 2.4m, tenemos
b.
FS,
=
FS,
=
2=
9.6 (15.7)(2.4)(cos 25)(tan 25) c
y H cos2/3 tan
0
tan 15 +--tan 1.24 25
q5 +-tan tan 0
9.6 ( 1 5 . 7 ) ( ~ ) ( c o25)(tan s~ 25)
15 +-tan tan 25
Estabilidad de taludes infinitos con infiltración La figura 10.4a muestra un talud infinito. Suponemos que hay infiltración a través del suelo y que el nivel del agua freática coincide con la superficie del terreno. La resistencia
10.3
Estabilidad de taludes infinitos con infiltración
(b)
FIGURA 10.4 Análisis de un talud infinito (sin infiltración).
345
10
Estabilidad de taludes
cortante del suelo se da por
Para determinar el factor de seguridad contra falla a lo largo del plano AB, consideremos el elemento abcd del talud. Las fuerzas que actúan sobre las caras verticales ab y cd son iguales y opuestas. El peso total del elemento de talud de longitud unitaria es
Las componentes de W en las direcciones normal y paralela al plano AB son N,
=
W cos /3 = n a & H cos /3
(10.19)
P
(10.20)
Y
T , = W sen
= na&H sen
La reacción al peso W es igual a R. Entonces, N , = R cos
=
W cos /3 = ysatLHcos
Y Tr = R sen p = W senb
= ys,LH
seno
Damos el esfuerzo normal total y el esfuerzo cortante en la base del elemento. El esfuerzo normal total es
7=--
1r
-
ySatHCOSP sen 0
(10.24)
El esfuerzo cortante resistente desarrollado en la base del elemento también se da por 7d = c d
+ a' tan q5d = cd + ( a
-
u ) tan q5d
(10.25)
donde u = presión del agua de poro = y, H cos2 /3 (véase la figura 10.4b). Sustituyendo los valores de o [ecuación (10.23)] y u en la ecuación (10.25), obtenemos 7d = c d
=cd
+ (ysat~
c o0s-~y, Hcos2/3) tan dd
+ y l H cos20 tan
q5d
(10.26)
Ahora, haciendo los lados derechos de las ecuaciones (10.24) y (10.26) iguales entre sí, resulta ~ S ~ ~ HPCseno O S = c d + y l H cos2/3 tan q5d
10.4
donde y'
=
Taludes finitos
347
peso específico efectivo del suelo, o
El factor de seguridad con respecto a la resistencia se encuentra sustituyendo tan +d (tan +)IFS, y cd = cIFS, en la ecuación (10.27), o
10.2
=
Refiérase a la figura 10.3. Si hay infiltración a través del suelo y el nivel del agua freática coincide con la superficie del terreno, ¿cuál es el factor de seguridad FS,, cuando H = 1.2 m y y,, = 18.5 kN/m3? Solución La ecuación (10.28) es FS,
=
c ysatH cos2P tan P
+--y,,ty'
tan Q5 tan P
por lo que tenemos FS,
=
9.6 (18.5)(l.2)(cos225)(tan 25)
- 9.81) tan 15 + (18.518.5 ( a= )
Taludes finitos Cuando el valor de H,, tiende a la altura del talud, éste es considerado generalmente como finito. Por simplicidad, al analizar la estabilidad de un talud finito en un suelo homogéneo, tenemos que hacer una suposición acerca de la forma general de la superficie potencial de falla. Aunque existe una evidencia considerable de que las fallas de taludes ocurren sobre superficies de falla curvas, Culmann (1875) aproximó la superficie potencial de falla por un plano. El factor de seguridad, FS,, calculado usando la aproximación de Culmann, da resultados bastante buenos solamente para taludes casi verticales. Después de extensas investigacionesde fallas en taludes alrededor de 1920,una comisión geotécnica sueca recomendó que la superficie real de deslizamiento sea aproximada por una superficie circularmente cilíndrica. Desde entonces,la mayoría de los análisis convencionales por estabilidad de taludes se han hecho suponiendo que la curva de deslizamiento potencial es el arco de un círculo. Sin embargo, en muchas circunstancias (por ejemplo, presas y cimentaciones sobre estratos débiles), el análisis de estabilidad usando fallas planas de deslizamiento es más apropiado y conduce a resultados excelentes.
348
10
Estabilidad de taludes
Análisis de un talud finito con superficie de falla plana (método de Culmann) Este análisis se basa en la hipótesis de que la falla de un talud ocurre a lo largo de un plano cuando el esfuerzo cortante promedio que tiende a causar el deslizamiento es mayor que la resistencia cortante del suelo. Además, el plano más crítico es aquel que tiene una razón mínima entre el esfuerzo cortante promedio que tiende a causar la falla y la resistencia cortante del suelo. La figura 10.5 muestra un talud de altura H. El talud se eleva según un ángulo con la horizontal. AC es un plano de falla de prueba. Si consideramos una longitud unitaria perpendicular a la sección del talud, el peso de la cuña ABC = W:
1 2
= -H ( H
cot 6 - H cot P)y
seno sen 6 Las componentes normal y tangencia1 de W con respecto al plano AC son las siguientes:
FIGURA 10.5 Análisis de un talud finito; método de Culmann.
10.4
N,
= componente normal =
-
Taludes finitos
Wcos 0
(o- @ ] sen 0 sen B
iyH2 2
T , = componente tangencia1 = Wsen 0 sen 0sen B El esfuerzo normal efectivo promedio y el esfuerzo cortante sobre el plano AC se expresa a'
T
=
esfuerzo normal efectivo promedio
= esfuerzo
cortante promedio
El esfuerzo cortante promedio resistente desarrollado a lo largo del plano AC también se expresa como T~ = cd
= cd
+ a'
tan
+ i2 y~
q5d
1'
('sen osen 6
COS
B sen B tan
md
Ahora, de las ecuaciones (10.33) y (10.34), tenemos
1yH
1'
1
(Osen28= cd + - yH sen osen B
[z
~ o S ~ , " ~ ] cos
B sen B tan q5d
(10.35)
10
Estabilidad de taludes
1 2
cd= - y H
[ sen@
- B)(sen 6 - cos
0 tan h )
sen /3
1
La expresión en la ecuación (10.36) es derivada para el plano de falla de prueba AC. Para determinar el plano crítico de falla, usamos el principio de los máximos y mínimos (para un valor dado de +d) para encontrar el ángulo 8 en el que la cohesión desarrollada será máxima. La primera derivada de cd con respecto a 8 se hace igual a O, o bien
Como y, H y P son constantes en la ecuación (10.36), tenemos
a ae
- [sen(p - B)(sen 0 - cos
0 tan (bd)] = O
Resolviendo la ecuación (10.38) obtenemos el valor crítico de 8, o
P + 4d e,, = 2 Al sustituir el valor de 8 = O,, en la ecuación (10.36), obtenemos
La altura máxima del talud para la cual ocurre el equilibrio crítico se obtiene sustituyendo cd = c y +d = 4 en la ecuación (10.4). Entonces,
EJEMPLO 10.3
+
Se va a hacer un corte en un suelo que tiene y = 16.5 kNlm3, c = 29 kNIm2, y = 15". El lado del talud del corte formará un ángulo de 45" con la horizontal. ¿Qué profundidad del talud del corte tendrá un factor de seguridad, FS,, de 3?
10.5 Análisis de taludes finitos con superficie de falla circularmente cilíndricas. Generalídades
351
Solución Nos dan 4 = 15" y c = 29 kN/m2.Si FS, = 3, entonces FS, y FS9 deben ambos ser igual a 3. Tenemos
Similarmente, FS
tan 4 =W a n dd
tan 4 -tan 4 - tan 15 tan 4d=----FSd FSs 3
& =tanp1
tan 15
= 5.1"
la ecuación (10.40) se obtiene
Sustituyendo los valores precedentes de cdy
H = -4cd Y
=S--#=--*
--==*--7z*
S=
* & 2
[
sena COS 4d 1 - cos(0 - 4d)
]
-
[
sen45 cos 5.1 4X9.67 = 7.1 m 16.5 1 - C O S (-~5.1) ~
1
Análisis de taludes finitos con superficie de falla circularmente cilíndrica. Generalidades En general, la falla de los taludes ocurre en uno de los siguientes modos (figura 10.6):
1. Cuando la falla ocurre de tal manera que la superficie de deslizamiento interseca al talud en, o arriba de, su pie, es llamada una falla de talud (figura 10.6a). Al círculo de falla se le llama círculo de pie si éste pasa por el pie del talud y círculo de talud si pasa arriba de la punta del talud. Bajo ciertas circunstancias es posible tener una falla de talud superficial como se muestra en la figura 10.6b. 2. Cuando la falla ocurre de tal manera que la superficie de deslizamiento pasa a alguna distancia debajo del pie del talud, se llama falla de base (figura 10.6~).El círculo de falla en el caso de una falla de base se llama círculo de medio punto. Los diversos procedimientos de análisis de estabilidad, en general, se dividen en dos clases principales:
352
70
Estabilidad de taludes
(a) Falla de talud
FIGURA 10.6 Modos de fallas de un talud finito.
1. Procedimiento de masa. Aqu;, la masa del suelo arriba de la superficie de deslizamiento se toma como unitwia. Esto es útil cuando el suelo que forma el talud se supone homogéneo, aunque no es común en el caso de la mayoría de los taludes naturales. 2. Método de las dovelas. En este procedimiento, el suelo arriba de la superficie de deslizamiento se divide en varias dovelas verticales paralelas. La estabilidad de cada dovela se calcula separadamente. Ésta es una técnica versátil en la que la no homogeneidad de los suelos y la presión del agua de poro se toma en consideración; también toma en cuenta el esfuerzo normal a lo largo de la superficie potencial de falla.
10.6
Procedimiento de masa del análisis de estabilidad
353
(b) Falla superficial de un talud
i - 4 - L - i
(c) Falla de base
FIGURA 10.6 (Continuación.)
Los fundamentos del análisis de la estabilidad de taludes por el procedimiento de masa y por el método de las dovelas se presentan en las secciones siguientes.
Procedimiento de masa del análisis de estabilidad (Superficie de falla circularmente cilíndrica) Taludes en suelo arcilloso homogéneo con (Condición no drenada)
4=O
La figura 10.7 muestra un talud en un suelo homogéneo. La resistencia cortante no drenada del suelo se supone constante con la profundidad y se da por T~ = e,. Para hacer
10
Estabilidad de taludes
FIGURA 10.7 Análisis de la estabilidad de un talud en suelo homogéneo de arcilla (4 = 0).
el análisis de estabilidad, se selecciona una curva de deslizamiento potencial de prueba AED, que es un arco de un círculo que tiene un radio r. El centro del círculo está localizado en O. Considerando la longitud unitaria perpendicular a la sección del talud, damos el peso total del suelo arriba de la curva AED como W = W , + W2,donde Wl = (área de FCDEF)(y)
W z= (área de ABFEA)(y)
Note que y = peso específico saturado del suelo. La falla del talud ocurre por el deslizamiento de la masa del suelo. El momento de la fuerza actuante respecto a O para causar la inestabilidad del talud es
donde 1, y 1, son los brazos de momento. La resistencia al deslizamiento se deriva de la cohesión que actúa a lo largo de la superficie potencial de deslizamiento. Si cd es la cohesión que tiene que desarrollarse, el momento de las fuerzas resistentes respecto a O es entonces
Por equilibrio,MR = Md;se tiene entonces,
10.6
Procedimiento de masa del an6lisis de estabilidad
355
El factor de seguridad contra deslizamiento se halla ahora como:
Note que la curva potencial de deslizamiento AED fue escogida arbitrariamente.La superficie crítica es aquella para la cual la razón de c, a cd es un mínimo; en otras palabras, para la cual cd es un máximo. Para encontrar la superficie crítica por deslizamiento, se hacen varias pruebas con diferentes círculos de prueba. El valor mínimo del factor de seguridad así obtenido es el factor de seguridad contra deslizamiento del talud y el círculo correspondiente es el círculo crítico. Problemas de estabilidad de este tipo fueron resueltos analíticamente por Fellenius (1927) y Taylor (1937). Para el caso de círculos críticos, la cohesión desarrollada se expresa por la relación
Note que el término m en el lado derecho de la ecuación anterior es adimensional y se llama número de estabilidad. La altura crítica (es decir, FS, = 1) del talud se evalúa sustituyendo H = H,, y cd = c, (movilización total de la resistencia cortante no drenada) en la ecuación (10.46). Así entonces,
Los valores del número de estabilidad m para varios ángulos de talud 6 están dados en la figura 10.8.Terzagh y Peck (1967) usaron el término yHlcd, el recíproco de m y lo llamaron el factor de estabilidad. La figura 10.8 debe usarse con cuidado. Note que ella es válida para taludes de arcilla saturada y es aplicable sólo a condiciones no drenadas (4 = 0). Con referencia a la figura 10.8, considere lo siguiente:
1. Para ángulos de talud mayores que 53", el círculo crítico es siempre un círculo de pie. La localización del centro del círculo de pie se encuentra con ayuda de la figura 10.9.
10
Estabilidad de taludes Para p > 53": Todos los círculos son círculos de vie. Para
< 53":
Círculo de pie Círculo de medio punto Círculo del talud
-- -- - -- m
Ángulo del talud, /3 (grados)
FIGURA 10.8 (a) Definición de los parámetros para la falla tipo circular en el punto medio; (b) gráfica del número de estabilidad versus ángulo del talud (según Terzaghi y Peck, 1967; redibujada).
2. Para /3 < 53", el círculo crítico es un círculo de pie, de talud, o de medio punto, dependiendo de la localización de la base firme bajo el talud, denominada la función de profundidad, que se define como D=
distancia vertical de la cima del talud a la base firme altura del talud
(10.48)
10.6
Procedimiento de masa del análisis de estabilidad
357
P (grados) FIGURA 10.9 Localización del centro de los círculos críticos para P > 53".
3. Cuando el círculo crítico es un círculo de medio punto (es decir, la superficie de falla es tangente a la base firme), su posición se determina con ayuda de la figura 10.10. 4. El máximo valor posible del número de estabilidad por falla en el círculo de medio punto es 0.181. Fellenius (1927) también investigó el caso de los círculos críticos de pie para taludes con fi < 53". La localización de éstos se determina usando la figura 10.11 y la tabla 10.1.
358
10
Estabilidad de taludes
n
FIGURA 10.10 Localización del circulo de medio punto.
Note que esos círculos de punta críticos no son necesariamente los círculos más críticos que existen. EJEMPLO
10.4
Un talud cortado en arcilla saturada (figura 10.12) forma un ángulo de 56" con la horizontal.
a. Determine la profundidad máxima hasta que el corte puede hacerse. Suponga que la superficie crítica por deslizamiento es circularmente cilíndrica. ¿Cuál será la naturaleza del círculo crítico (es decir, de pie, de talud, o de medio punto)?
10.6
Procedimiento de masa del análisis de estabilidad
FIGURA 10.11 Localización del centro de los círculos críticos de punta para p < 53".
b. Con referencia a la parte a, determine la distancia del punto de intersección del
círculo crítico de falla desde el borde superior del talud. c. ¿Qué tan profundo debe hacerse el corte si se requiere un factor de seguridad de 2 contra deslizamiento? Solución
a. Como el ángulo del talud 0= 56" > 53", el círculo crítico es un círculo de pie. De la figura 10.8, para 0= 56", m = 0.185. Usando la ecuación (10.47), tenemos
Tabla 10.1 Localización del centro de círculos críticos de pie (p < 53"). n'
p (grados)
ar
(grados)
cu2 (grados)
Nota: Para las notaciones de n', 6, al y a2,véase la figura 1O. 1 1.
360
70
Estabilidad de taludes
FIGURA 10.12
b. Refiérase a la figura 10.13. Para el círculo crítico, tenemos
E
=
- m = AF - AE = H,,(cot
a - cot 56')
De la figura 10.9,para 0 = 56", la magnitud de a es de 33", por lo que
E
= 8.25(cot
33 - cot 56)
c. La cohesión desarrollada es
FIGURA 10.13
= 7.14
m = 7.15 m
10.6
Procedimiento de masa del análisis de estabilidad
De la figura 10.8,para 6
= 56", m = 0.185. Tenemos entonces
EJEMPLO 10.5
Un talud fue excavado en una arcilla saturada. El talud formó un ángulo de 40" con la horizontal. La falla del talud ocurrió cuando el corte alcanzó una profundidad de 6.1 m. Exploraciones previas del suelo mostraron que un estrato de roca estaba localizado a una profundidad de 9.15 m debajo de la superficie del terreno. Suponga una condición no drenada y y,,, = 17.29 kNlm3. a. Determine la cohesión no drenada de la arcilla (use la figura 10.8). b. ¿Cuál es la naturaleza del círculo crítico? c. Con referencia a la punta del talud, ¿a qué distancia intersecó la superficie de deslizamiento el fondo de la excavación? Solución
a. Con referencia a la figura 10.8, encontramos
De la figura 10.8, para B = 40" y D = 1.5, m = 0.175, por lo que
b. Círculo del medio punto c. De la figura 10.10,para D = 1.5 y 6 = 40°, n = 0.9, por lo que
distancia = (n)(H,,) = (0.9)(6.1) = 5.49 m
Taludes en suelo homogéneo con
C#I
>O
En la figura 10.14a se muestra un talud en un suelo homogéneo. La resistencia cortante del suelo se da por
La presión de poro se supone igual a O. AC es un arco circular de prueba que pasa por la Punta del talud, y O es el centro del círculo. Considerando una longitud unitaria
(b)
FIGURA 10.14 Análisis de taludes en suelos homogéneos con 4 > 0.
10.6
Procedimiento de masa del análisis de estabilidad
perpendicular a la sección del talud, encontramos peso de la cuña de suelo ABC = W = (área de ABC)(y) Por equilibrio, las siguientes fuerzas también están actuando sobre la cuña:
1. Cd, que es la resultante de la fuerza cohesiva y es igual a la cohesión unitaria desarrollada multiplicada por la longitud de la cuerda AC. La magnitud de Cd se da por (figura 10.14b).
Cd actúa en una dirección paralela a la cuerda AC (figura 10.14b) y a una distancia a desde el centro del círculo O tal que
2.
E que es la resultante de las fuerzas normal y de fricción a lo largo de la superficie de deslizamiento. Por equilibrio, la línea de acción de F debe pasar por el punto de intersección de la línea de acción de W y Cd.
Ahora, si suponemos movilizada la fricción total (4d = 4 o FS4 = l), la línea de acción de F formará un ángulo 4 con una normal al arco y será entonces una tangente a un círculo con su centro en O y radio igual a r sen 4. Este círculo se llama círculo de fricción.El radio del círculo de fricción es en realidad un poco mayor que r sen 4. Como las direcciones de U: Cd y F y la magnitud de W se conocen, dibujamos un polígono de fuerzas, como muestra la figura 10.14~.La magnitud de Cd se determina con el polígono de fuerzas. La cohesión unitaria desarrollada entonces se encuentra así:
La determinación de la magnitud de cd descrita previamente se basa en una superficie de deslizamiento de prueba. Varias pruebas deben hacerse para obtener la superficie de deslizamiento más crítica a lo largo de la cual la cohesión desarrollada es un máximo. Es posible entonces expresar la cohesión máxima desarrollada a lo largo de la superficie crítica como
Para el equilibrio crítico, es decir, FS, = FS, = FS, = 1, sustituimos H = Hcr y cd = c en la ecuación (10.51):
10
Estabilidad de taludes
Ángulo del talud, P (grados)
FIGURA 70.75 Número de estabilidad de Taylor para 4 > 0.
donde m = número de estabilidad. Los valores de m para varios valores de 4 y P (Taylor, 1937) se dan en la figura 10.15. El ejemplo 10.6 ilustra el uso de esta carta. Los cálculos han mostrado que para 4 mayor que aproximadamente 3", los círculos críticos son todos círculos de pie. Usando el método de Taylor de la estabilidad del talud (Ejemplo 10.6), Singh (1970) proporcionó gráficas de iguales factores de seguridad, FS,, para varios taludes y se dan en la figura 10.16. En esas cartas se supuso que la presión del agua de poro es igual a O.
EJEMPLO 10.6
Un talud con B = 45" va a construirse con un suelo que tiene 4 = 20" y c = 24 kNIm2. El peso específico del suelo compactado será de 18.9 kNIm3.
a. Encuentre la altura crítica del talud. b. Si la altura del talud es de 10 m, determine el factor de seguridad con respecto a la resistencia.
10.6
Procedimiento de masa del análisis de estabilidad
4J (grados) (a) Talud: vertical 1, horizontal 0.5
4J (grados) (b) Talud: vertical 1, horizontal 0.75
4J (grados) (c) Talud: vertical 1, horizontal 1
4J (grados) (d) Talud: vertical 1, horizontal 1.5
FIGURA 10.16 Curvas de igual factor de seguridad (según Singh, 1970).
Solución a. Tenemos m=yHcr
De la figura 10.15,para 0= 45" y 4 = 20°, m = 0.06. Por tanto
365
10
Estabilidad de taludes
4 (grados) (e) Talud: vertical 1, horizontal 2
4 (grados) ( f ) Talud: vertical 1, horizontal 2.5
4 (grados) (g) Talud: vertical 1, horizontal 3
FIGURA 10.16 (Continuación.)
b. Si suponemos que toda la fricción se moviliza, entonces, con referencia a la figura 10.15 (para /3 = 45" y cPd = 4 = 20°), tenemos
70.6
Procedimiento de masa del análisis de estabilidad
367
Entonces,
F S 4 = -t =a n- =4 tan20 tan 4d tan 20
1
Como FS, # FSb,éste no es el factor de seguridad con respecto a resistencia. Realicemos ahora otra prueba. Sea el ángulo de fricción desarrollado, f # ~igual ~, a 15". Para 0 = 45" y el ángulo de fricción igual a 15", encontramos de la figura 10.15
Para esta prueba, tan 4 FS,= -tan 4 d
tan 20 tan 15
Cálculos similares de FSby FS, para varios valores supuestos de (bd, se dan en la siguiente tabla:
Los valores de FSb están graficados contra sus valores correspondientes de FS, en la figura 10.17, de donde encontramos
10
Estabilidad de taludes
mc FIGURA 10.17
Mktodo de las dovelas El análisis por estabilidad usando el método de las dovelas se explica con referencia a la figura 10.18a, en donde AC es un arco de un círculo que representa la superficie de falla de prueba. El suelo arriba de la superficie de falla de prueba se divide en vanas dovelas verticales.El ancho de cada dovela no tiene que ser el mismo. Considerando una longitud unitaria perpendicular a la sección transversal mostrada, las fuerzas que actúan sobre una dovela típica (n-ésima dovela) se muestran en la figura 10.18b. W , es el peso efectivo de la dovela. Las fuerzas N, y T, son las componentes normal y tangencia1 de la reacción R, respectivamente. P, y P,,, son las fuerzas normales que actúan sobre los lados de la dovela. Similarmente, las fuerzas cortantes que actúan sobre los lados de la dovela son T, y T,,,. Por simplicidad, la presión de poro del agua se supone igual a O. Las fuerzas P,, P,,,, T, y T,,, son difíciles de determinar. Sin embargo, hacemos una suposición aproximada de que las resultantes de Pn y T, son iguales en magnitud a las resultantes de P,,, y T,,, y también que sus líneas de acción coinciden.
10.7
Método de las dovelas
(b) FIGURA 10.18 Análisis de estabilidad por el método ordinario de las dovelas: (a) superficie de falla de prueba; (b) fuerzas que actúan sobre la n-ésima dovela.
369
10
Estabilidad de taludes
Por consideraciones de equilibrio, tenemos N , = Wn cos a,
La fuerza cortante resistente se expresa como '(un) T , = ~ ~ (= u -~ ) - -[ e + c' tan mlALn FS, FS, El esfuerzo normal efectivo u' en la ecuación (10.53) es igual a N, - Wn cos a,
-u
n
u
n
Por equilibrio de la cuña de prueba ABC, el momento de la fuerza actuante respecto a O es igual al momento de la fuerza resistente respecto a O, o bien n =p
n =p
Krsen,= E L ( , + n=l
n=i
FSs
Wn cos an u
n
Nota: AL, en la ecuación (10.54) es aproximadamente igual a (b,)l(cos a,), donde b, = ancho de la n-ésima dovela. Note que el valor de a, puede ser positivo o negativo. El valor de a, es positivo cuando la pendiente del arco está en el mismo cuadrante que el talud del terreno. Para encontrar el factor mínimo de seguridad, es decir, el factor de seguridad para el círculo crítico, se hacen varias pruebas cambiando el centro del círculo de prueba. A este método se le llama generalmente el método ordinario de las dovelas. Por conveniencia,en la figura 10.18 se muestra un talud en un suelo homogéneo. Sin embargo, el método de las dovelas se extiende a taludes con suelo estratificado,como muestra la figura 10.19. El procedimiento general del análisis de estabilidad es el mismo. Existen algunos puntos menores que deben tomarse en cuenta. Cuando la ecuación (10.54) se usa para el cálculo del factor de seguridad, los valores de 4 y c no serán los mismos para todas las dovelas. Por ejemplo, para la dovela no. 3 (figura 10.19), tenemos que usar un ángulo de fricción 4 = 43y una cohesión c = c3;similarmente,para la dovela no. 2,4 = 42y c = cp
Método simplificado de las dovelas de Bishop En 1955, Bishop propuso una solución más refinada para el método ordinario de las dovelas. En este método, el efecto de las fuerzas sobre los lados de cada dovela se toma en
10.7
Método de las dovelas
FIGURA 10.19 Análisis de estabilidad por el método ordinario de las dovelas para taludes en suelos estratificados.
cuenta en alguna medida. Podemos estudiar este método con referencia al análisis de taludes presentado en la figura 10.18. Las fuerzas que actúan sobre la n-ésima dovela mostrada en la figura 10.18b han sido redibujadas en la figura 10.20a. Sean Pn- Pn+l- A P y Tn - Tn+, = AT. Escribimos también tan 4 CAL, T,=Nr(tan 4 d ) + Q a t z = ~ ~ ( ~ ) +
s,
La figura 10.20 b muestra el polígono de fuerzas para el equilibrio de la n-ésima dovela. Sumando las fuerzas en la dirección vertical resulta
c a n sena, FS, N, = tan a5 sena, cos a, + ' FSs Wn+AT--
Por equilibrio de la cuña ABC (figura 10.18a), al tomar momentos respecto a O, resulta
372
10
Estabilidad de taludes
(a)
('J)
FIGURA 10.20 Método simplificado de las dovelas de Bishop: (a) fuerzas que actúan sobre la n-ésima dovela; (b) polígono de fuerzas de equilibrio. 1
donde T , = - ( c + a' tan 4) ALn FSS ( c AL. + N, tan m) FSS Al sustituir las ecuaciones (10.56) y (10.58) en la ecuación (10.57), tenemos - -l -
n=p
FSs =
( c b , + Wntan 4
1 + AT tan 4) . m
n=p
Wnsena, n=l
donde
(10.58)
(4
(10.59)
70.7
Método de las dovelas
Por simplicidad,si hacemos AT = O, la ecuación (10.59) toma la forma
Note que el término FSs está presente en ambos lados de la ecuación (10.61). Por consiguiente, se requiere adoptar un procedimiento de pruebas y error para encontrar el valor de FS, . Igual que en el método ordinario de las dovelas, deben investigarse varias superficies de falla para encontrar la superficie crítica que proporcione el mínimo factor de seguridad. El método simplificado de Bíshop es probablemente el método más ampliamente usado. Con ayuda de una computadora, este método da resultados satisfactorios en la mayoría de los casos. El método ordinario de las dovelas se presenta en este capítulo meramente como una herramienta de aprendizaje que rara vez se usa ahora debido a que es demasiado conservador. EJEMPLO 10.7
Para el talud mostrado en la figura 10.21, encuentre el factor de seguridad contra deslizamiento en la superficie de deslizamiento de prueba AC. Use el método ordinario de dovelas. Solución La cuña de deslizamiento es dividida en siete dovelas. El resto de los cálculos se muestran en la tabla.
FIGURA 10.21
10
Estabilidad de taludes
Dovela W no. (kNlm) (1) (2)
@n
(grados) (3)
sena, (4)
cosa, (5)
A Ln (m)
W, sen a, (kNlm)
W, cos a, (kNIm)
(6)
(7)
(8)
21.1 238.5 268.1 177.1 81.2
6.7 173.1 342.94 397.8 381.8 268.8 65.9
o
- 9.25
Ccol. 7 = 776.75 kN1m
FS,, =
Ccol. 8 = 1638.04 W m
(Ccol. 6)(c) + (Ccol. 8) tan q5 Ccol. 7
Análisis de estabilidad por el método de las dovelas para infiltración con flujo establecido Los fundamentos del método ordinario de las dovelas y del método simplificado de Bishop se presentaron en la sección 10.7 y supusimos que la presión, del agua de poro era igual a O. Sin embargo, para una infiltración de estado permanente a través de taludes, como es la situación en muchos casos prácticos, la presión del agua de poro tiene que tomarse en cuenta cuando se usan parámetros de resistencia cortante efectiva. Necesitamos entonces modificar ligeramente las ecuaciones (10.54) y (10.61). La figura 10.22 muestra un talud a través del cual existe una infiltración con flujo establecido. Para la n-ésima dovela, la presión de poro promedio en el fondo de la dovela es igual a u, = h,y,. La fuerza total causada por la presión de poro en el fondo de la n-ésima dovela es igual a u, AL,. Así entonces, la ecuación (10.54) modificada para el método ordinario tomará la forma
10.9
375
Solución de Bishop y Morgenstern para la estabilidad de taludes simples con infiltración
FIGURA 10.22 Estabilidad de taludes con infiltración en régimen permanente.
Similarmente,la ecuación (10.61) para el método simplificado modificado de Bishop tomará la forma
Note que W,, en las ecuaciones (10.62) y (10.63) es el peso total de la dovela. Usando el método de las dovelas, Bishop y Morgenstern (1960) proporcionaron cartas para determinar el factor de seguridad de taludes simples que toman en cuenta los efectos de la presión del agua de poro. Esas soluciones están dadas en la siguiente sección.
Solución de Bishop y Morgenstern para la estabilidad de taludes simples con infiltración Usando la ecuación (10.63), Bishop y Morgenstern desarrollaron tablas para el cálculo de
FS,para taludes simples. Los principios de esos desarrollos se explican como sigue: En la ecuación (10.63), tenemos W n = peso total de la n-ésima dovela = yb,zn
(10.64)
376
10
Estabilidad de taludes
donde z, = altura promedio de n-ésima dovela un = hn~w Podemos hacer
Note que r,(,) es una cantidad adimensional. Sustituyendo las ecuaciones (10.64) y (10.65) en la ecuación (10.63) y simplificando, obtenemos 1
bn Zn sena, HH
E--
n=l
] :[-XC
c 6, yHH
+ -bnzn [l - ru(n)]tan 4 HH
"44
Para una condición de infiltración con flujo establecido se toma un valor promedio pesado de r,(,), que es una constante. Sea r, el valor promedio pesado de r,(,). Para la mayoría de los casos prácticos, el valor de r, se llega a 0.5. Entonces
El factor de seguridad basado en la ecuación precedente se resuelve y expresa en la forma
donde m' y n' son coeficientes de estabilidad. La tabla 10.2 da los valores de m' y n' para varias combinaciones de clyH, D, 4 y P. Para determinar FS, de la tabla 10.2, use el siguiente procedimiento paso a paso:
1. Obtenga 4, P, y clyH. 2. Obtenga r, (valor promedio pesado). 3. De la tabla 10.2, obtenga los valores de m' y n' para D = 1,1.25 y 1.50 (para los parámetros requeridos 4, P, r, y clyH. 4. Determine FS, usando los valores de m' y n' para cada valor de D. 5. El valor requerido de FS, es el menor de los obtenidos antes en el paso 4.
10.9
Solución de Bishop y Morgenstern para la estabilidad de taludes simples con infiltración Tabla 10.2 Valores de m' y n' de Bishop y Morgenstern. a.
Coeficiente de estabilidad m' y n' para clyH = O Coeficientes de estabilidad para taludes de tierra p
p
Talud 2 :1
p
p
-
p
Talud 3 :1
-
Talud 4: 1
Talud 5: 1
b. Coejkiente de estabilidad m' y n' para clyH = 0.025 y D = 1.O0 Coeficientes de estabilidad para taludes de tierra Talud 2: 1
Talud 3 :1
Talud 4: 1
Talud 5 :1
377
10
Estabilidad de taludes Tabla 10.2 (Continuación.) c. CoeJiciente de estabilidad m' y n' para clyH = 0.025 y D = 1.25 Coeficientes de estabilidad para taludes de tierra Talud 2 : 1
Q
Talud 3 : 1
Talud 4: 1
Talud 5 :1
m'
n'
m'
n'
m'
n'
m'
n'
10.0 12.5 15.0 17.5
0.737 0.878 1.019 1.162
0.614 0.759 0.907 1.059
0.901 1.076 1.253 1.433
0.726 0.908 1.093 1.282
1.085 1.299 1.515 1.736
0.867 1.098 1.311 1.541
1.285 1.543 1.803 2.065
1.014 1.278 1.545 1.814
20.0 22.5 25.0 27.5
1.309 1.461 1.619 1.783
1.216 1.379 1.547 1.728
1.618 1.808 2.007 2.213
1.478 1.680 1.891 2.111
1.961 2.194 2.437 2.689
1.775 2.017 2.269 2.531
2.334 2.610 2.879 3.196
2.090 2.373 2.669 2.976
30.0 32.5 35.0 37.5
1.956 2.139 2.331 2.536
1.915 2.112 2.321 2.541
2.431 2.659 2.901 3.158
2.342 2.686 2.841 3.112
2.953 3.231 3.524 3.835
2.806 3.095 3.400 3.723
3.511 3.841 4.191 4.563
3.299 3.638 3.998 4.379
40.0
2.753
2.775
3.431
3.399
4.164
4.064
4.958
4.784
d. Coeficiente de estabilidad m' y n' para clyH = 0.05 y D = 1 .O0 Coeficientes de estabilidad para taludes de tierra Talud 2 :1
Q
m'
n'
Talud 3 :1
Talud 4 : 1
m'
n'
m'
n'
Talud 5 :1 m'
n'
10.0 12.5 15.0 17.5
0.913 1.030 1.145 1.262
0.563 0.690 0.816 0.942
1.181 1.343 1.506 1.671
0.717 0.878 1.043 1.212
1.469 1.688 1.904 2.117
0.910 1.136 1.353 1.565
1.733 1.995 2.256 2.517
1.069 1.316 1.567 1.825
20.0 22.5 25.0 27.5
1.380 1.500 1.624 1.753
1.071 1.202 1.338 1.480
1.840 2.014 2.193 1.380
1.387 1.568 1.757 1.952
2.333 2.551 2.778 3.013
1.776 1.989 2.211 2.444
2.783 3.055 3.336 3.628
2.091 2.365 2.651 2.948
30.0 32.5 35.0 37.5
1.888 2.029 2.178 2.336
1.630 1.789 1.958 2.138
2.574 2.777 2.990 3.215
2.157 2.370 2.592 2.826
3.261 3.523 3.803 4.103
2.693 2.961 3.253 3.574
3.934 4.256 4.597 4.959
3.259 3.585 3.927 4.288
40.0
2.505
2.332
3.451
3.071
4.425
3.926
5.344
4.668
10.9
379
Solución de Bishop y Morgenstern para la estabilidad de taludes simples con infiltración Tabla 10.2 (Continuación.)
e. Coeficiente de estabilidad m' y n' para clyH = 0.05 y D = 1.25 Coeficientes de estabilidad para taludes de tierra Talud 2 :1
4
m'
n'
Talud 4 : 1
Talud 3 :1
m'
m'
n'
n'
Talud 5 :1
m'
n'
10.0 12.5 15.0 17.5
0.919 1.065 1.211 1.359
0.633 0.792 0.950 1.108
1.119 1.294 1.471 1.650
0.766 0.941 1.119 1.303
1.344 1.563 1.782 2.004
0.886 1.112 1.338 1.567
1.594 1.850 2.109 2.373
1.042 1.300 1.562 1.831
20.0 22.5 25.0 27.5
1.509 1.663 1.822 1.988
1.266 1.428 1.595 1.769
1.834 2.024 2.222 2.428
1.493 1.690 1.897 2.113
2.230 2.463 2.705 2.957
1.799 2.038 2.287 2.546
2.643 2.921 3.211 3.513
2.107 2.392 2.690 2.999
30.0 32.5 35.0 37.5
2.161 2.343 2.535 2.738
1.950 2.141 2.344 2.560
2.645 2.873 3.114 3.370
2.342 2.583 2.839 3.111
3.221 3.500 3.795 4.109
2.819 3.107 3.413 3.740
3.829 4.161 4.511 4.881
3.324 3.665 4.025 4.405
40.0
2.953
2.791
3.642
3.400
4.442
4.090
5.273
4.806
f. Coeficiente de estabilidad m' y n' para clyH= 0.05 y D = 1.50 Coeficientes de estabilidad para taludes de tierra Talud 2 : 1
4
Talud 3 :1
Talud 4: 1
Talud 5: 1
m'
n'
m'
n'
m'
n'
m'
n'
10.0 12.5 15.0 17.5
1.022 1.202 1.383 1.565
0.751 0.936 1.122 1.309
1.170 1.376 1.583 1.795
0.828 1.043 1.260 1.480
1.343 1.589 1.835 2.084
0.974 1.227 1.480 1.734
1.547 1.829 2.112 2.398
1.108 1.399 1.690 1.983
20.0 22.5 25.0 27.5
1.752 1.943 2.143 2.350
1.501 1.698 1.903 2.117
2.011 2.234 2.467 2.709
1.705 1.937 2.179 2.431
2.337 2.597 2.867 3.148
1.993 2.258 2.534 2.820
2.690 2.990 3.302 3.626
2.280 2.585 2.902 3.231
30.0 32.5 35.0 37.5
2.568 2.798 3.041 3.299
2.342 2.580 2.832 3.102
2.964 3.232 3.515 3.817
2.696 2.975 3.269 3.583
3.443 3.753 4.082 4.431
3.120 3.436 3.771 4.128
3.967 4.326 4.707 5.112
3.577 3.940 4.325 4.735
40.0
3.574
3.389
4.136
3.915
4.803
4.507
5.543
5.171
10
EJEMPLO 10.8
Estabilidad de taludes
Use los siguientes valores: talud: horizontal 3: vertical 1 H = 12.6 m q5 =
25"
c = 12 kN/m2
y = 19 kN/m3 r, = 0.25
Determine el factor mínimo de seguridad usando el método de Bishop y Morgenstern. Solución Talud dado = 3H:lV, 4 = 25" y r, = 025, encontramos
cyH
-
l2 (19)(12.6)
= 0.05
De las tablas 10.2a, b y c, preparamos la siguiente tabla: D 1 1.25 1.5
m'
2.193 2.222 2.467
n'
1.757 1.S97 2.179
FS,= m'
-
n'r,
1.754 1.748 1.922
Por lo que el factor de seguridad mínimo es 1.748 = 1.75.
10.1 10.2
10.3 10.4
Para el talud mostrado en la figura 10.23 encuentre la altura H por equilibrio crítico cuando 0 = 25". Refiérase a la figura 10.23. a. Si 0 = 25" y H = 3 m, ¿cuál es el factor de seguridad del talud contra deslizamiento a lo largo de la interfaz suelo-roca? b. Para = 30°, encuentre la altura H que dará un factor de seguridad de 1.5 contra deslizamiento a lo largo de la interfaz suelo-roca. Refiérase a la figura 10.23. Haga una gráfica de H,, versus el ángulo del talud /3 (para 0 variando de 20" a 40"). En la figura 10.24 se muestra un talud infinito. Los parámetros de resistencia cortante en la interfaz suelo-roca son c = 18 kN/m2 y 4 = 25". a. Si H = 8 m y 0 = 20°, encuentre el factor de seguridad contra deslizamiento a lo largo de la superficie de la roca. b. Si 0 = 30°, encuentre la altura, H, para la cual FS, = 1.(Suponga que la presión del agua de poro es O.)
Problemas
FIGURA 10.23
FIGURA 10.24
381
10
Estabilidad de taludes
10.5
10.6
10.7
Refiérase a la figura 10.24. Si se tuviese infiltración a través del suelo y el nivel del agua freática coincidiese con la superficie del terreno, ¿cuál sería el valor de FS,? Use H = 8 m, p,,, = 1900 kg/m3,y /3 = 20". Para el talud infinito mostrado en la figura 10.25, encuentre el factor de seguridad contra deslizamiento a lo largo del plano AB si H = 3 m. Note que hay infiltración a través del suelo y que el nivel del agua freática coincide con la superficie del terreno.
En la figura 10.26 se muestra un talud. AC representa un plano de falla de prueba. Para la cuña ABC encuentre el factor de seguridad contra deslizamiento.
FIGURA 10.26
Problemas
10.8
383
En la figura 10.27 se muestra un talud finito. Suponiendo que la falla del talud ocurre a lo largo de un plano (hipótesis de Culmann), encuentre la altura del talud para tener un equilibrio crítico dados 4 = lo", c = 12 kN/m2,y = 17.3 kN/mZ, y /3 = 50".
FIGURA 10.27
10.9 10.10
10.11 10.12 10.13
Resuelva el problema 10.8 con 4 = 20°, c = 25 kN/m2,y = 18 kN/m3, y /3 = 45". Refiérase a la figura 10.27. Usando los parámetros del suelo dados en el problema 10.8, encuentre la altura del talud, H, que dará un factor de seguridad de 2.5 contra deslizamiento. Suponga que la superficie crítica de falla por deslizamiento es un plano. Refiérase a la figura 10.27. Dados 4 = 15",c = 9.6 kN/m2,y = 18.0 kN/m3,/3 = 60", y H = 2.7 m, determine el factor de seguridad con respecto a deslizamiento. Suponga que la superficie crítica por deslizamiento es un plano. Refiérase al problema 10.11. Encuentre la altura del talud, H, para un FS, = 1.5. Suponga que la superficie crítica por deslizamiento es un plano. Un talud va a ser cortado en arcilla blanda con sus lados elevándose un ángulo de 75" respecto a la horizontal (figura 10.28). Suponga c, = 31.1 kN/m2 y y = 17.3 kN/m3. a. Determine la profundidad máxima posible para la excavación. b. Encuentre el radio r del círculo crítico cuando el factor de seguridad es igual a uno (parte a). c. Encuentre la distancia Si el corte descrito en el problema 10.13 es hecho a una profundidad de sólo 3.0 m, ¿cuál será el factor de seguridad del talud contra deslizamiento? Usando la gráfica dada en la figura 10.8, determine la altura de un talud, vertical 1, horizontal S, en arcilla saturada que tiene una resistencia cortante no drenada
z.
10.14 10.15
10
Estabilidad de taludes
FIGURA 10.28
de 32.6 kN/m2.El factor de seguridad deseado contra deslizamiento es 2. Suponga y = 18.9 kN/m3. 10.16 Refiérase al problema 10.15. ¿Cuál es la altura crítica del talud? ¿Cuál será la naturaleza del círculo crítico? Encuentre también el radio del círculo crítico. 10.17 Para el talud mostrado en la figura 10.29, enEentre el factor de seguridad contra deslizamiento para la superficie de prueba AC .
FIGURA 10.29
Problemas
385
10.18 Un talud fue excavado en una arcilla saturada. El ángulo de talud /3 es igual a 35" con respecto a la horizontal. La falla del talud ocurrió cuando el corte alcanzó una profundidad de 8.2 m. Exploraciones previas del suelo mostraron que un estrato de roca se encontraba a una profundidad de 11 m debajo de la superficie del terreno. Suponga una condición no drenada y y,,, = 19.2 kN/m3. a. Determine la cohesión no drenada de la arcilla (use la figura 10.8). b. ¿Cuál fue la naturaleza del círculo crítico? c Con referencia al pie del talud, ¿a qué distancia intersecó la superficie del deslizamiento el fondo de la excavación? 10.19 Si el talud cortado descrito en el problema 10.18 va a ser excavado en forma tal que H,, = 9 m, ¿qué ángulo debe formar el talud con la horizontal? (Use la figura 10.8 y los resultados del problema 10.18a.) 10.20 Refiérase a la figura 10.30. Use la carta de Taylor para r#j > O (figura 10.15) para encontrar la altura critica del talud en cada caso: a n' = 2 , 4 = 15", c = 31.1 kN/m2y y = 18.0 kN/m3 b. n' = 1 , 4 = 25", c = 24 kN/m2 y y = 18.0 kN/m3 c n'=2.5,r#j=12",c=25kN/m2yy=17kN/m3 d. n' = 1.5,r#j= 18", c = 18 kN/m2 y y = 16.5 kN/m3
FIGURA 10.30
10.21 Con referencia a la figura 10.30 y usando la figura 10.15, encuentre el factor de seguridad con respecto a deslizamiento para los siguientes casos: 10.22 Refiérase a la figura 10.30 y a la figura 10.16. a. Si n' = 2,4 = loo,c = 33.5 kN/m2 y y = 17.3 kN/m3, dibuje una gráfica de la altura del talud, H, versus FS, (variando de 1a 3). b. Sin' = 1,r#j = 15",c = 18 kN/m2y y = 17.1 kN/m3,dibuje una gráfica de la altura del talud, H, versus FS, (variando de 1a 3).
386
10
Estabilidad de taludes
10.23 Con referencia a la figura 10.31 y usando el método ordinario de las dovelas, encuentre el factor de seguridad contra deslizamiento para el caso de prueba /3 = 45", = 15",c= 18 kN/m2,y = 17.1kN/m3,H= 5 m,a =30°,y8 = 80".
FIGURA 10.31
10.24 Determine el factor mínimo de seguridad de un talud con los siguientes parámetros: H = 6.1 m, /3 26.57", 4 = 25", c = 5.5 kN/m2,y = 18 kN/m3 y r, = 0.5. Use el método de Bishop y Morgenstern.
Referencias Bishop, A. W. (1955). "The Use of Slip Circle in the Stability Analysis of Earth Slopes," Geotechnique, Vol. 5, No. 1,7-17. Bishop, A. W., and Morgenstern, N. R. (1960). "Stability Coefficients for Earth Slopes," Geotechnique,Vol. 10, No. 4,129-147. Culmann, C. (1875). Die Graphische Statik, Meyer and Zeller, Zurich. Fellenius,W. (1927). Erdstatische Berechnungen, revised edition, W. Ernst u. Sons, Berlin. Singh, A. (1970). "Shear Strength and Stability of Man-Made Slopes," Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE, Vol. 96, No. SM6,1879-1892. Taylor, D. W. (1937). "Stability of Earth Slopes," Journal of the Boston Society of Civil Engineers, Vol. 24,197-246. Terzaghi, K., and Peck, R. B. (1967). Soil Mechanics in Engineering Practice, 2nd ed., Wiley, New York.
Referencias
Referencias suplementarias para estudio adicional Ladd, C. C. (1972). "Test Embankment on Sensitive Clay," Proceedings, Conference on Perfomance of Earth and Earth-Supported Structures, ASCE, Vol. 1, Part 1,101128. Morgenstern, N. R. (1963). "Stability Charts for Earth Slopes During Rapid Drawdown," Geotechnique, Vol. 13, No. 2,121-133. Morgenstern, N. R., and Price, V. E. (1965). "The Analysis of the Stability of General Slip Surfaces," Geotechnique,Vol. 15, No. 1,79-93. O'Connor, M. J., and Mitchell, R. J. (1977)."An Extension of the Bishop and Morgenstern Slope Stability Charts," Canadian Geotechnical Journal, Vol. 14, No. 144-151. Spencer, E. (1967). "A Method of Analysis of the Stability of Embankments Assuming Parallel Inter-Slice Forces," Geotechnique, Vol. 17, No. 1,ll-26.
