11 de Abril
2014 Un talud ya se natural o creado artificialmente, por el hombre, presenta varios factores que deben ser analizados de manera adecuada para evitar un mal funcionamiento o incluso una posible catástrofe debido a la mala estabilidad del talud por causa de un diseño inadecuado sin tomar en cuenta dichos factores, y este presentar diversos tipos de fallas.
Tipos de Falla en un Talud.
Introducción: Comunmente se le conoce como taludes a cualquier superficie inclinada respecto a la horizontal es decir que este presenta un hechado adoptado por las masas de diversos materiales. Cuando un talud es producido de manera natural, es decir que no presenta ningun tipo de intervencion humana es denominado ladera natual o mas comunemten ladera, de manera contraria cuando los taludes son hechos directamente por el hombre son denominados cortes o taludes artificiales, según sea su origen de formación; el corte refiere a una excavación en una formación terrea natural, y los taludes artificiales son los lados inclinados de los terraplenes. Tambien son producidos taludes en los bordes de una excavacion que se banquea a partir del terreno natural, lo cuales son denominados comunmente taludes de excavación. Los taludes constituyen la estructura mas compleja de las vias terrestres, ya que al hablar de su estabilidad aparecen los problemas más compeleos de la mecánica de sulos y de la mecánica de rocas aplicadas a la ejecución de este tipo de obras, sin dejar de lado el papel basico que la Geología aplicada desempeña en el desarrollo de cualquier criterio involucrado. Los problemas relacionados con con la estabilidad de laderas naturales recaen principalmente en los que se presentan en taludes construidos por el hombre. Las diferencias importantes son principalmente la naturaleza de los materiales por los cuales esta constituido, la historia geologica que presenta, las condiciones climaticas prensentes en el desarrollo de esa historia, la influencia actual de hombre sobre el talud, el historial de esfuerzos de los cuales ha sido sometido y en general las condiciones ambientales como la configuración de los suelos y las rocas y el flujo de aguas subterraneas presente en los suelos que forman la ladera o talud, lo cual, todo influye en la buena o mala estabilidad. Un aspecto que genera gran cunfucion dentro de la estabilidad de taludes, es la falla del talud, las cuales generalmente se definen en terminos de derrumbes o deslaves de todo tipo y son concevidas principalmente como fallas en las funciones estructurales o una mala ejecución por parte del constructor. El concepto de la falla surge principalmente de la gran variedad de fenomenos involucrados ; una falla rotacional, que perjudique el cuerpo entero del talud y su terreno en el cual fue cimentado, compromete su función estructural por ejemplo, con un deslizamiento lento y superficial de una ladera natural. En todo caso en el que se ve presente una falla o problema, normalmente el ingeniero a cargo remite a tratados, normas y metodos para poder resolver el
problema o corregir la falla y no es tomado en cuanta que quiza se presenten de forma indiscriminada ya que poniendo un ejemplo; no se considera que una falla rotacional es algo completamente distinto a un movimiento traslacional, esto implica que tienen distintas formas de ocurrir y que por ende tienen que ser concevidos y taratados con diferentes tecnicas y normas. Por dicha razon es necesario y de suma importancia analizar los multiples modos por lo cuales un talud puede llegar a no cunplir la funcion asignada, analizadolos por origen, planteamiento y solucion. Por todo lo anterior no es factible la aplicaciòn de metodos matematicos de analisis de estabilidad de taludes de forma general, ya que existe una multiple lista de fallas por las cuales las estructuras de un talud se ven afectadas. A continuacion se muestran las fallas mas comunes de los taludes. En primer lugar se distinguen la que afectan las laderas naturales de las que afectan en taludes artificiales. Los factores que dependen de la estabilidad de los taludes, pueden ser clasificados de la siguiente manera: Factores que dependen de la estabiliad de taludes en suelos: a) Factrores geomorfologicos. a.1) Topografia de los alrededores y geometrìa del talud. a.2) Distribucion de las descontinuidades y estratificaciones. b) Factores internos. b.1) Propiedades mecanicas de los suelos constituyentes. b.2) Estado de esfuerzos actuantes. c) Factores climaticos, aguas superficiales y subterraneas.
Fallas ligadas a la estabilidad de una ladera: Se agrupan en esta divison las fallas que ocurren tipicamente en laderas naturales, aunque tambien pudiesen ser presentadas de un modo u otro en un talud artificial. 1. Deslizamiento superficial asociado a la falta de resistencia por baja presion de confinamiento (creep).
Se refiere esta falla, al proceso más o menos continuo y por lo general presentado como un deslizamiento lento ladera abajo en la zona superficial en algunas laderas naturales. El creep suele adectar grandes áreas y se produce sin una transición brusca entre la parte superficial movil y las masas inmoviles mas profundas. El creep suele suele deberse a una convinación de las acciones de las fuerzas de gravedad y otros agentes, la velociada con la que es presentada este tipo de falla suele ser muy lenta y rara vez excede algunos centimetros por año. Existen dos clases de creep; el estacional, que afecta solo a la corteza superficial de la ladera que sugfre la influencia de los cambios climaticos en forma de expansión y contracciones termicas o po humedecimiento y secado; y el masivo que afecta las masas de suelo mas profundas y es atribuido al efecto gravitacional.
La figura anterior muestra la evolucion tipica de la resistencia de una arcilla cuando se le somete a una carga abajo del nivel de falla y se permite que dicha carga actue durante largo tiempo.
Como ya se mencionó con frecuencia el creep afecta grandes extensiones de terreno en declive. La velocidad del movimiento de la ladera es máxima en la superficie y va disminuyendo y va disminuyendo hacia el interior en donde aumenta las restricciones del movimiento. El creep se refleja por la inclinación de los árboles, postes, y otros elementos similares, lo cuales por esta falla adoptan una posición perpendicular a la ladera, en vez de vertical. El movimiento de todas las heterogeneidades que existen en la superficie genera diferencias en la velocidad del movimiento lo cual genera agrietamientos, escalonamientos, roturas de muros, de bardas y cualquier estructura longitudinal existente.
2. Fallas asociadas a procesos de deformación acumulativa, generalmente relacionadas con perfiles geológicos desfavorables. Se refiere al tipo de fallas que se producen en las laderas naturales como consecuencia de procesos de deformación acumulativa, es decir la tendencia de grandes masas a moverse ladera abajo. Este tipo de fallas es típico de laderas naturales en depósitos de talud o en formaciones análogas en cuanto a su origen geológico, formadas por materiales bastante heterogéneos, no consolidados y bajo la acción de las fuerzas gravitacionales.
Dado el tiempo que las fuerzas gravitacionales actúan en los materiales del interior de las laderas, la resistencia al esfuerzo cortante podrá degradarse por proceso de deformación acumulativa. En tales condiciones la ladera puede deformarse durante largo tiempo, hasta que eventualmente tal acumulación de esfuerzos produzca la ruptura del suelo y la formación de una superficie de falla generalizada en el interior de la propia ladera. Una vez producida la superficie de falla podrá ocurrir un deslizamiento rápido de las masas afectadas. Si la inclinación del plano es superior al ángulo de fricción que pueda atribuirse a la masa deslizante respecto a la masa fija, que será un valor en el orden del ángulo de resistencia residual del suelo, la masa deslizara, pero si la inclinación de la superficie de falla es del orden del ángulo de resistencia residual, la masa desprendida podrá permanecer en su posición o moverse muy lentamente ladera abajo a lo largo de la línea de ruptura.
La figura anterior muestra del tipo descrito, un gran deslizamiento de masas no consolidadas de depósitos de talud situados sobre formaciones de roca arenisca muy sana. El nivel freático y en general la presencia de agua en lo materiales en la proximidad de la superficie de falla desempeñan un papel fundamental en la estabilidad. 3. Flujos. Se refiere este tipo de falla a movimientos más o menos rápidos de una parte de la ladera natural, de tal manera que el movimiento en sí y la distribución aparente de velocidades y desplazamientos recuerda el comportamiento de un líquido viscoso. La superficie de desplazamientos o no es distinguible o se desarrolla durante un lapso relativamente pequeño, también es frecuente que la zona de contacto entre la parte móvil y las masas fijas de la ladera sea una zona de flujo plástico.
Dicho material susceptible para fluir puede ser cualquier formación no consolidada, y así el fenómeno puede presentarse en fragmentos de roca, depósitos de talud, suelos granulares finos o arcillas. 3.1.- Flujo en materiales relativamente secos. En tal grupo quedan comprendidos, en primer lugar, los flujos de fragmentos de roca, desde movimientos muy rápidos hasta los que ocurren lentamente. Dichos movimientos se pueden explicar en términos de la falla plástica de los contactos profundos entre los fragmentos de roca y como consecuencia su afectación a grandes masas de fragmentos, con catastróficas consecuencias. Es probable que en todos los casos de verdadero flujo de los fragmentos tenga origen a partir de un deslizamiento convencional en la roca o un gran desplome de rocas, provenientes de formaciones más sanas, ladera arriba del lugar donde existan grandes depósitos de fragmentos, y dado el caso para que llegue a un verdadero flujo de rojas, es necesario que estos existan en depósitos de gran espesor y volumen muy considerable. Los flujos en suelos relativamente secos son asociados muchas veces a temblores, el efecto del temblor causa una rápida destrucción de la estructura del material, produciendo una verdadera licuación. El aire en estos casos juega un papel que estos fenómenos corresponde al agua. A continuación se muestra una imagen que muestra la forma típica de un deslizamiento.
3.2.-Flujos en materiales húmedos. Flujos de lodos.
Se trata ahora de flujos que requieren una proporción apreciable de agua contenida en el suelo, la cual desempeña un papel en el origen y naturaleza de la falla. Los flujos en materiales húmedos se denominan flujos de lodo cuando es muy elevado el contenido de agua de los materiales, por lo menos en la zona de fluencia. A veces también se habla de flujos de detritus, cuando el material que fluye contiene un porcentaje apreciable del orden de 50 % al menos de gravas, boleos o fragmentos de roca, embebidos en la matriz del suelo más fino, tal como los depósitos de talud o laderas de suelo residual. Los flujos en materiales térreos no muy húmedos, se desarrollan típicamente en el pie de los deslizamientos de tipo rotacional, en el cuerpo del talud. Por lo general la falla sigue a aumentos significativos en el contenido del agua de los materiales y al desarrollo de presiones importantes en el agua. Los flujos de suelos granulares finos son típicos de formaciones costeras y se asocian generalmente a la erosión marina y a fluctuaciones repetidas de la presión de poro debidas a la ascensión y descenso del nivel de agua con las mareas. En los flujos de lodo, el deslizamiento ocurre en los materiales finos de muy alto contenido de agua y la falla produce una completa perturbación estructural, en la velocidad de su movimiento influyen mucho las variaciones estacionales del clima, en tanto que lo flujos rápidos suelen seguir a épocas de bastante precipitación pluvial. Los flujos de lodo muy rápidos se presentan en laderas de las que se ha removido la cobertura vegetal. Los flujos de detritus se producen por la disminución de resistencia al esfuerzo cortante a la matriz fina de tales formaciones, la masa se rompe en fragmentos cada vez menores a medida que avanza ladera abajo.
Fallas relacionadas a la estabilidad de taludes artificiales.
1. Falla Rotacional. Ahora se describen los movimientos rápidos o prácticamente instantáneos que ocurren en los taludes y que afectan sus masas profundas de los mismos, con deslizamiento a lo largo de una superficie de falla curva que se desarrolla en el interior del cuerpo del talud. Se considera que la superficie de falla cuando en la falla de su futuro desarrollo actúan esfuerzos cortantes que sobre pasan la resistencia del material, dicha resistencia que al ser superada produce la falla rotacional es generalmente la resistencia máxima. En el interior del talud existe un estado de esfuerzos cortantes que vence en forma más o menos rápida la resistencia al esfuerzo cortante del suelo, como consecuencia de esto surge la ruptura del mismo, con la formación de una superficie de deslizamiento, a lo largo de la cual se produce la falla. La falla tipo rotacional puede desarrollarse a lo largo de superficies de fallas identificables con superficies cilíndricas o concoidales cuya taza con el plano del papel sea un arco de circunferencia. Las siguientes imágenes muestran el perfil de algunas fallas típicas de tipo rotacional.
Desde luego que las fallas rotacionales de forma circular ocurren por lo común en materiales arcillosos homogéneos o en suelos cuyo comportamiento mecánico está regido básicamente por una fracción arcillosa. Por lo general afectan a zonas relativamente profundas del talud. Al ocurrir las masas circulares pueden afectar a masas muy anchas, en comparación con las dimensiones generales de las fallas, en dicho caso dan lugar a verdaderas superficies cilíndricas, o pueden ocurrir en forma concoidal, con ancho pequeño comparado con su longitud. Las fallas rotacionales de forma distinta a la circular típica parecen estar asociadas sobre todo a arcillas sobre consolidadas, que se presentan en taludes, por la diferencia de la meteorización, por la influencia de la estratificación o por otras causas que afecten le estructura del talud.
2.-Falla traslacional. Estas fallas generalmente consisten en movimientos traslacionales importantes del cuerpo del talud sobre superficies de falla básicamente planas, asociadas a la presencia de estratos poco resistentes localizados a poca profundidad del talud. La superficie de falla se forma en forma paralela al estrato débil y se remata en sus extremos por dos cantiles, por lo general formado por agrietamiento. Los estratos débiles que forman este tipo de falla son por lo general arcillas blandas o de arenas o limos sueltos. Las fallas del material en bloque, muchas veces esta asociadas a discontinuidades y fracturas que forman un corte o una ladera natural siempre añadido al efecto del estrato débil subyacente. En estas fallas en movimiento ocurre sin distorsión.
3.-Fallas con superficie compuesta. Este tipo de fallas abarcan movimientos en que se combinan la rotación y la traslación, dando lugar a superficies de fallas compuestas en que se desarrollan zonas planas a la vez que tramos curvos, semejantes a arcos circulares. De forma general estas superficies están predeterminadas por la presencia de heterogeneidades dentro del talud, es el predominio de las partes circulares o planas el que sirve para clasificar las fallas como rotacional o traslacional ,
dejando la categoría de falla compuesta para los casos en que ambas curvas se presentan más o menos por igual. Cuanto menor sea la profundidad a que la heterogeneidad aparezca, mayor será la componente traslacional presente en la falla. Las fallas compuestas suelen producir la distorsión de los materiales que es típica de las fallas circulares. Croquis de una falla típica compuesta.
4.-Fallas múltiples. Son aquellas fallas que se producen con varias superficies de deslizamiento, sean simultáneas o en rápida sucesión, es necesario distinguir las fallas sucesivas y regresivas ya que ambas son comunes en laderas naturales en las que se realiza un corte. Las fallas regresivas se forman a partir de una primera, la que está situada más ladera abajo, por la inestabilidad en las que van quedando las zonas de cabeza de cada falla que se forma, pueden ocurrir de tipo rotacional o traslacional. Falla regresiva rotacional:
Falla regresiva traslacional:
Las fallas rotacionales regresivas, ocurren con frecuencia en regiones de topografía movida o escalonada, en que existen importantes fenómenos de erosión especialmente si existen estratos gruesos de arcillas sobre consolidadas, fisuradas o de lutitas, sobreyacidos por espesores gruesos de roca o de suelos firmes. Las fallas traslacionales regresivas ocurren en capas superficiales y muchas veces también se asocian a arcillas fisuradas y lutitas, parece que cuando más cohesivo sea el material menos unidas tienden a formarse las masas deslizantes. Las fallas sucesivas suelen consistir en un conjunto de deslizamientos rotacionales superficiales, son características de las últimas etapas de degradación en laderas de arcilla sobreconsolidada o fisurada, a veces las fallas forman un escalonamiento sumamente regular.
Derrumbe o Caídos.
Estas fallas son típicas de las laderas naturales así como de los cortes practicados en ellas. A veces también suceden en otros lugares como por ejemplo el caso de derrumbes a la orilla de un rio, como consecuencia de la erosión de la corriente. Por lo general consisten en desprendimientos locales de no muy grande tamaño, aunque naturalmente existen desprendimientos de grandes masas fragmentadas que deben ser clasificadas como derrumbes. En estas fallas no se habla de una superficie de deslizamiento y el desprendimiento suele estar predeterminado por las discontinuidades y fisuras preexistentes, por lo general se abren al construir un corte y que su frente quede sin el anterior confinamiento lateral, lo que ocasiona que se aflojen los fragmentos, actúen presiones hidrostáticas del agua acumulada y otros efectos indeseables. Los derrumbes y caídos siempre están asociados a cantiles o cortes escarpados o con mucha frecuencia a las arcillas fuertemente sobre consolidadas, excluyendo rocas.
Otro tipo de fallas no directamente asociadas a la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos.
Dentro de esta sección se tratan tres tipos especiales de fallas, cuyo mecanismo no depende de la resistencia al esfuerzo cortante del suelo, lo cual no quiere decir que esta propiedad no en fluya en mayor o menor grado en la generación y desarrollo de estas fallas.
1.- Fallas por erosión. Las fallas por erosión son muy frecuentes y dañinas en los terraplenes y cortes. Se trata del resultado del ataque superficial de los agentes erosivos sobre los materiales que componen el talud. El viento y el agua (lluvia o escurrimientos superficiales) son agentes que se han tratado de contrarrestar, las fallas se presentan en irregularidades, socavones y canalizaciones en el plano del talud; si dichos efectos no se detiene con las normas especificadas, podrían progresar hasta la eventual destrucción del talud, en el caso de un terraplén, o hasta atacar profundamente un corte, con consecuencias graves.
2.- Fallas por tubificación. No son consideradas frecuentemente, pero han sido quizá la causa de mayor número de problemas de lo que usualmente se estima. La situación típica que expone un terraplén a la tubificación es que por algún motivo el embalse de agua durante un lapso de tiempo cosiderable suficiente para que se establezca un flujo a través de él. El hecho de que el terraplén embalse es también una condición que se presenta con relativa frecuencia. La turificación comienza cuando hay arrastre de partículas de suelo en el interior de la masa por efecto de las fuerzas erosivas generadas por el flujo de agua. Una vez que esas partículas comienzan a ser removidas van quedando en el suelo pequeños canales, por los que el agua circula a mayor velocidad, con mayor poder de arrastre, de manera que el fenómeno de tubificación tiende a crecer continuamente una vez que comienza, aumentando siempre el diámetro de los canales que se van formando en el interior del terraplén comenzando en el talud aguas abajo y progresando hacia atrás es decir hacia el interior del terraplén, el
limite el fenómeno es el colapso del bordo al quedar, al quedar este surcado por huecos de diámetro suficiente para afectar la estabilidad por disminución de sección resistente. Un factor que contribuye mucho a la tubificación es la insuficiencia de compactación del terraplén. Falla por tubificación.
3.-Fallas de agrietamiento. Se hace referencia a las fallas de agrietamiento que tienen importancia especial en el caso de los terraplenes. Se pueden presentar agrietamientos tanto en el sentido transversal como en el longitudinal; las fallas en sentido transversal ocurren por asentamientos diferencia a lo largo del eje del camino y solo serán de consideración en el caso de terraplenes construidos sobre suelos blandos, por ejemplo en zonas de transición, con terreno de cimentación de mejor calidad o en lugares en que los asentamientos diferenciales pueden ser particularmente grandes. El agrietamiento longitudinal respecto al eje de la obra es mucho más frecuente, ocurre sobre todo por asentamientos diferenciales en los hombros del terraplén y en su parte central. Se manifiesta por la aparición de dos grietas simétricas respecto al eje de la obra. Todavía se discute cual pueda ser el génesis de los más importantes fenómenos del agrietamiento longitudinal, y al parecer la causa principal son los movimientos diferenciales por distintos grados de secado entre los materiales cercanos a los hombros y taludes del terraplén.
Si el lugar que se considera es de acción climática intensa, es decir que tiene una estación lluviosa abundante y largos periodos de acción solar energética, es posible imaginar que en el fin de temporada de lluvia, tanto el terreno de cimentación como el material del terraplén tengan alto contenido de agua, de manera que cuando comience el periodo de sequía y la acción solar, debe producirse una fuerte evaporación en los suelos expuestos, y como consecuencia de tal evaporación estos suelos tendrán una fuerte contracción volumétrica. Aun actuando la evaporación solar, las partes centrales del terraplén se mantendrán protegidas y húmedas por capilaridad.
Fallas por licuación.
Los fenómenos de licuación consisten en la perdida rápida de resistencia al esfuerzo cortante, temporal o definitivo, tal perdida conduce al colapso de cualquier estructura vial edificada sobre o hecha de un material que entre en licuación. La licuación casi instantánea ha ocurrido en arcillas saturadas muy sensibles y en arenas finas sueltas, sobre todo en condición saturada. Las fallas por licuación en arcillas se han reportado siempre asociadas a arcillas marinas emergidas por la recuperación isostática de los continentes y lavadas con posterioridad con lenta sustitución del agua salada originalmente contenida en sus
poros por agua dulce, lo que provoca intercambios catiónicos, que propician la disminución de la resistencia al esfuerzo cortante y gran aumento en la sensibilidad. Esta menor resistencia conduce a un menor margen de seguridad en los taludes que se forman en estos suelos, que fallan sin causa aparente.
Falla por deformación en los hombros de los terraplenes.
Consiste esta falla en la deformación progresiva y acumulativa de los hombros del terraplén, que se desplazan verticalmente hacia abajo, produciendo una sección redondeada o escalonada en la corona, a veces entre la zona desplazada y el resto del terraplén aparece una grieta en la dirección paralela al eje de la vía lo cual puede ser el origen de un desplazamiento de material.
Para la explicación de esta falla se ha invocado el efecto de las cargas de tránsito, cuya rueda exterior haría ceder el terreno por falta de confinamiento en el lado opuesto. La aparición de este tipo de fallas en bordos no sujetos en ningún tiempo a la acción del tránsito, así como modernas investigaciones sobre deformaciones de terraplenes con el uso de la técnica del elemento finito, parece indicar que la génesis del problema estriba en el estado general de esfuerzos internos de la estructura y no en ningún efecto externo.
Conclusión: Como conclusión es necesario decir que cada una de las fallas presentes en un talud ya se artificial o natural tienen un origen distinto y es necesario que cada una de estas fallas sea analizada de manera diferente, y tomando las medidas correctivas también de manera independiente para cada uno de los casos suscitados. En la exploración de campo, hacer la descripción de una falla puede resultar complicada ya que una falla cada que se presenta es visible de diversas formas, y la aparición de fallas en laderas naturales, también pueden presentarse con el mismo aspecto en laderas construidas por el hombre. La protección de un talud o ladera natural es de suma importancia ya que la erosión afecta tanto a cortes como a terraplenes. La erosión superficial en taludes es provocada principalmente por escurrimientos y efecto del viento y dichos materiales arrastrados por dichos efectos ocasionan diversos problemas en las vías de comunicación. Las principales protecciones para los taludes contra la erosión son: el concreto lanzado, mallas de acero, uso de geotextiles, obras de drenaje superficial y el uso de la vegetación. Los suelos residuales en sí mismos son muy vulnerables a sufrir procesos de desplazamientos debido a que los procesos meteorológicos generan una velocidad superior de meteorización. La vegetación cumple con un buen trabajo de protección de taludes contra la erosión, ya que impide la acción directa de los agentes abióticos de un ecosistema sobre las masas de suelos. El agua que es uno de los principales agentes de la inestabilidad de un talud, ya sea con una erosión provocada por la escorrentía o provocando deslizamientos por saturación de las masas de suelo en la cara del talud, es afectada por la presencia de vegetación e un talud, debido a que la vegetacion puede modificar el
perfil de escorrentía por el cambio de rugosidad, o equilibrar la humedad de la masa de suelo a través de la absorción por medio de las raíces. La presencia de raíces en el suelo provoca un efecto de reforzamiento de la masa del suelo, puesto que el anclaje de la vegetación retiene las partículas, fijándolas y estabilizándolas en el talud, es decir que entre más densa sea la cantidad de raíces, mas será el volumen retenido y estabilizado. No todos los efectos de la vegetación sobre un talud son beneficiosos, pues la sobrecarga generada por el peso de la vegetación y la tracción ocasionada por la fuerza de viento que impacta en el follaje de la vegetación, aporta fuerzas desequilibrantes a la masa de suelos de un talud. En todo caso, los efectos positivos de la vegetación sobre un talud, son difíciles de cuantificar y no se puede asegurar que un talud quedará totalmente estabilizado con una vegetación bien establecida, puesto que se tienen registros de deslizamientos y colapso de un talud, en consecuencia de un sismo, aun cuando las raíces de la vegetación atravesaban la superficie de falla y la densidad de la vegetación era lo suficientemente alta. Por tal motivo es de suma importancia que se haga un buen análisis de las cargas propias del talud y las que aun se pretendan agregar con la vegetación.
