ESTABILIDAD DE TALUDES CON SUELOS ARCILLOSOS Entre las peculiaridades más “molestas” de la geotecnia destacan los suelos cohesivos, las arcillas, cuyas propiedades resistentes varían con el grado de humedad y la rapidez con la que se aplican los esfuerzos.
Son suelos conflictivos, si están muy húmedos no son capaces de soportar esfuerzos y fluyen (barro, lodo, fango…); por el contrario, secos aguantan mucho, pero se desmoronan sin avisar, resultando poco fiables. Eso por no hablar de lo distinta que puede ser su respuesta dependiendo de la rapidez de la carga, si los cargamos poco a poco se deforman pero, más o menos, aguantan; sin embargo, si los cargamos de forma rápida pueden romper cuando menos te lo esperas.
(No es un comportamiento tan extraño, después de todo, los humanos funcionamos igual, aguantamos menos cuando se nos acaba la paciencia y somos más o menos resistentes dependiendo de lo que hemos comido pero, analogías biológicas aparte, es indudable que, a nivel ingenieril es mucho más fácil, cómodo y fiable trabajar con materiales cuyas propiedades se pueden considerar estables, como el hormigón o el acero)Al grano.
En su forma más simple, el factor de seguridad frente a rotura de un talud vertical, un caso muy habitual en las excavaciones, se define como:
Esta fórmula es el resultado de imponer tres condiciones o hipótesis:
Criterio de rotura de Mohr-Coulomb. Rotura planar, es decir, que toda la cuña de material se “desgaja” y desliza a lo largo de un plano. Y que la rotura se supera en todos los puntos al mismo tiempo.
Ninguna de las tres condiciones se cumple en la realidad pero el modelo es lo bastante aproximado para comentar un par de cosas relativas a los materiales cohesivos, las arcillas: 1) A corto plazo, una arcilla saturada normalmente consolidada (NC) tiene un ángulo de rozamiento nulo, por lo que la expresión quedará como:
Si ahora buscamos un factor de seguridad estricto F=1, obtendríamos una altura crítica para el talud de:
Esta sería la máxima altura que podría mantener el talud sin deslizar, con un factor de seguridad estricto F=1. 2) A largo plazo, pasado el tiempo, esa misma arcilla saturada normalmente consolidada presentará una cohesión efectiva nula (c’=0), con lo que, aplicando la misma fórmula, se obtendría un factor de seguridad F=0, es decir, que el talud se caería. Se trata de dos casos extremos y teóricos. En realidad la superficie de rotura es curva (circular o en espiral logarítmica), con lo que la altura crítica a corto plazo Hc oscila entre:
Hc=Ns=C/ϒ En esta ecuación, el coeficiente de estabilidad Ns es un número sin dimensiones cuyo valor depende solo del ángulo β del talud y del factor de profundidad nd (Figura 5) que expresa la profundidad a que la arcilla descansa sobre una base firme. Según esta figura la rotura de todos los taludes con un ángulo mayor a 53º se produce por un círculo de pie. Si β es menor de 53º, el tipo de rotura depende del valor del factor de profundidad nd, y para valores bajos de nd, también del ángulo β del talud. Si nd es igual a 1 la rotura del talud se produce por un círculo de talud, y si nd es mayor que 4, el talud se desliza por un círculo del punto medio, tangente a la base firme, cualquiera sea el valor de β. Para valores intermedios, la rotura se produce por un círculo de talud si el punto que representa los valores de nd y β se halla por encima del área sombreada de la figura. Si el punto se halla dentro del área sombreada el círculo crítico es un círculo de pie. Por último, si el punto se encuentra debajo de dicha área, el talud rompe por un círculo del punto medio tangente a la base firme.
TALUDES EN SUELOS COHESIVOS En la figura anterior (b) se presenta el caso de una tablestaca empotrada en el suelo arcillosos con relleno granular, el procedimiento es el siguiente: 1.-Se determina la resistencia a largo plazo del suelo, tanto para la condición no drenada Ø=0, como para la condición drenada c=0. 2.- Se calculan las presiones activas y pasivas usando la Teoría de Rankine o Coulomb, verificando que se obtenga una presión neta positiva. El diagrama de presiones pasivo se considerara rectangular, con valor igual a: 3.- Se establece el equilibrio de fuerzas horizontales y momentos, de manera similar que para el caso de suelos granulares. Se determina el valor del empotramiento de diseño Dd, así como el valor de la fuerza de anclaje y del momento máximo para determinar la sección de la tablestaca. Falla por Licuación 4. Estas fallas cuando en la zona del deslizamiento el suelo pasa rápidamente de una condición más o menos firme a la correspondiente a una suspensión, con pérdida caso total de resistencia al esfuerzo cortante. El fenómeno puede ocurrir tanto en arcilla extrasensitivas como en arenas poco compactas.
Análisis de un talud de excavación practicado en arcillas blandas saturadas. En la figura mostrada, se aprecia el caso de una excavación realizada en una arcilla saturada y blanda. Al realizar la excavación en el suelo (a). Luego se observa que la presión de poro en un punto P de la superficie hipotética de deslizamiento tiende a disminuir durante la excavación (b); después esta presión aumenta, con expansión de la arcilla, hasta un valor constante, que dependerá de las condiciones de flujo de agua en el talud pero que en general es menor que la presión que había en el agua antes de realizar la excavación.
En la parte c de la figura se muestra la variación de las condiciones de estabilidad del talud de la excavación con el tiempo. Durante el periodo de construcción las condiciones empeoran por el aumento que ocurre en el esfuerzo cortante medio actuante, mientras la resistencia no ha tenido tiempo de cambiar ( el esfuerzo cortante medio aumenta como consecuencia de la excavación, que va formando un talud allí donde antes el terreno era horizontal y no había ningún esfuerzo cortante actuante) ; pero ahora, durante el tiempo que sigue al final de la
construcción, la resistencia del suelo sigue disminuyendo, por el efecto del aumento de la presión del poro y la correspondiente expansión del suelo , por lo que, a pesar de que una vez terminada la excavación el esfuerzo cortante medio actuante ya no cambia, las condiciones de estabilidad siguen empeorando. La condición a largo plazo que se alcance cuando se llegue a la presión de poro mayor a la que haya de llegar el suelo, es ahora evidentemente el momento crítico y la condición de diseño. Por tanto la condición crítica se presenta a largo plazo, cuando las presiones de poro se han adaptado o bien a una condición estática o a una de flujo establecido Debe hacerse un análisis basado en los parámetro de resistencia de pruebas con drenaje ( lenta) y en términos de esfuerzos efectivos.
Si se trata de excavaciones provisionales, de vida corta, tales como las que se realizan para cimentaciones, objeto de este trabajo, cabe hacer un análisis considerando el momento al fin de la excavación como el crítico, efectuando el cálculo de estabilidad con los parámetros provenientes de una prueba rápida y con base en esfuerzos totales ( , ) Si un depósito de arcilla tiene una estructura más permeable, debe tenerse especial cuidado en el diseño de excavaciones temporales y cortes. La presencia de la estructura permeable permite una disipación mas rápida del exceso de presión intersticial, por ende la condición a largo plazo puede establecerse en mese en vez de en años. Por consiguiente, en tales casos podría ser prudente diseñar la excavación temporal y cortes basándose en las condiciones a largo plazo En general, en un talud en corte en arcilla debe estudiarse la estabilidad a corto y a largo plazo. Se examinara en primer lugar la estabilidad a largo plazo. Este analisis se realiza en términos de esfuerzos efectivos, el cual permitirá deducir directamente el factor de seguridad a corto plazo.
Además, la estabilidad de un talud con un suelo puramente friccionante, tal como una arena limpia en el cual se desarrolla fricción, y para garantizar su estabilidad, bastara en que el ángulo del talud sea menor que el ángulo de fricción interna de la arena, que en un material suelto, seco y limpio se acercara mucho al ángulo de reposos. Por tanto su condición límite de estabilidad es, simplemente: Sin embargo, si el ángulo es muy próximo a , los granos de arena próximos a la frontera del talud, no sujetos a ningún confinamiento importante, quedara en una condición próxima a la de deslizamiento incipiente, que no es deseable por ser el talud muy fácilmente erosionable por el viento o el agua. Por ello es recomendable que en la práctica sea algo menor que . La experiencia ha demostrado que si se define un factor de seguridad entre los valores de y , basta que dicho factor tenga un valor del oren de 1.1 o 1.2 para que la erosionabilidad superficial no sea excesiva. En la figura siguiente se muestra los métodos usados en el análisis de la estabilidad de taludes. Son los Llamados métodos de equilibrio límite.
EJEMPLO DE FALLAS DE TALUDES EN SUELOS ARCILLOSOS DESCRIPCIÓN La siguiente figura muestra la rotura de un talud ocurrido en Catalunya después de la excavación de su pie para la construcción de una carretera. Después de la rotura se ejecutaron sondeos con recuperación de testigos y se instalaron inclinómetros y piezómetros de cuerda vibrante.
La ladera está formada por capas alternadas de rocas arcillosas, limolitas y arenas ligeramente cementadas de origen Terciario. Los inclinómetros instalados después de la rotura indicaron un movimiento lento de fluencia que permitió identificar una superficie de deslizamiento continua ubicada en el contacto entre la roca arcillosa y la limolita. La superficie de deslizamiento y los movimientos registrados definieron un deslizamiento traslacional de 7 metros de espesor y 80 m de longitud (un volumen de masa movilizada de 18.000 m 3). La roca arcilllosa, por donde transcurre la superficie de deslizamiento, fue ensayada en el laboratorio. Se trata de un arcilla de plasticidad media-alta ( w L = 48 to 56%; w P = 20 to 23%) con un contenido de agua “in situ” ( w = 26 to 28%) cercano al límite plástico. Ensayos de corte directo mostraron un comportamiento frágil del material con un ángulo de fricción residual mínimo (13º-17º) parecido a la inclinación natural de los estratos de la ladera. Los piezómetros de cuerda vibrante instalados cerca de la superficie de deslizamiento después de la rotura no marcaron presiones positivas. Simples análisis de estabilidad por equilibrio límite indican que el equilibrio se alcanza para la resistencia residual. Las envolventes de rotura medidas indican que la rotura fue probablemente precedida por un mecanismo de rotura progresiva inducido por la excavación. El deslizamiento fue estabilizado mediante la construcción de pilotes de gran diámetro. Se dispone de medidas “insitu” una vez construida la pantalla. El trabajo propuesto en esta Tesina consiste en abordar los siguientes aspectos:
Interpretación del deslizamiento ocurrido. Modelización de la excavación y del deslizamiento mediante un código de elementos finitos (Code_Bright, desarrollado en el Departamento de Ingeniería del Terreno, Cartográfica y Geofísica, UPC) incluyendo el comportamiento frágil del material. Modelización del deslizamiento incluyendo la pantalla de pilotes en 2D o 3D. Realización de un análisis de sensibilidad para estudiar el efecto de algunas variables de diseño de la pantalla de pilotes (diámetro de los pilotes, espaciamiento entre pilotes, rigidez…) y comparar los resultados con los obtenidos mediante soluciones analíticas o semianalíticas. Interpretar y modelizar la respuesta del deslizamiento una vez estabilizado definiendo la resistencia a lo largo de la superficie de rotura y el comportamiento constitutivo de la masa deslizada según una ley que permita reproducir la evolución en el tiempo de los desplazamientos.
