DIPLOMADO EN GEOTÉCNIA MENCIÓN MECÁNICA DE SUELOS CONTENIDO: 1.- Aspectos generales. generales. 2.- Fallas comunes comunes en en taludes. 3.- Procesos constructivos constructivos que causan problemas a taludes. 4.- Métodos para para corregir fallas en taludes. taludes. 5.- Caracterización del talud mediante ensayos. 6.- Instrumentación en taludes. taludes. 7.- Métodos de cálculo cálculo del FS en taludes. taludes. 8.- Aplicación Aplicación de progr programas amas Slide, Slide, Geo Slope y Geo5 al cálculo del FS en taludes. 9.- Introducción a taludes en en roca. http://www.em http://www.eminsg.cl/index.php insg.cl/index.php/sistemas/re /sistemas/refuerzo-taludes-terr fuerzo-taludes-terraplenes aplenes
ESTABILIDAD DE TALUDES Ing. Samuel Samuel Huaquisto Huaquisto Cáceres Cáceres
1.- ASPECTO ASPECTOSS GENERALES GENERALES INTRODUCCIÓN comunicación, tales como canales, caminos y El moderno desarrollo de las actuales vías de comunicación, ferrocarriles, ferrocarriles, así como el impulso de la construcción de presas de tierra, y el desenvolvimiento de obras de protección contra la acción de ríos han puesto al diseño y construcción de taludes en un plano de importancia ingenieril de primer orden. Tanto por el aspecto de inversión, como por las consecuencias derivadas de su falla, los taludes constituyen hoy, hoy, una de las estructuras ingenieriles que exige mayor cuidado por parte del proyectista. Con la expansión de los canales, del ferrocarril y de las carreteras, provocaron los primeros intentos para realizar un estudio racional en este campo, pero no fue sino hasta el advenimiento de la Mecánica de los Suelos cuando fue posible aplicar al diseño de taludes normas y criterios, los cuales apuntan a la durabilidad del talud, esto es a su estabilidad a lo largo del tiempo.
CONCEPTO GENERAL DE TALUD Se entiende por talud a cualquier superficie inclinada respecto a la horizontal que hayan de adoptar permanentemente permanentemente las masas de tierra. El talud constituye una estructura compleja de analizar, analizar, debido a que en su estudio coinciden los estudios de mecánica de suelos y de mecánica de rocas, sin olvidar el papel básico que la geología aplicada desempeña en la formulación de cualquier criterio aceptable. Cuando el talud se produce en forma natural, sin intervención humana, se denomina ladera natural o simplemente ladera. Cuando los taludes son hechos por el hombre se denomina cortes o taludes artificiales, según sea la génesis de su formación; en el corte, se realiza una excavación en una formación térrea natural (desmontes), en tanto que los taludes artificiales son los lados inclinados de los terraplenes. También se producen taludes en los bordes de una excavación que se realice a partir del nivel del terreno natural, a los cuales se suele
ESTABILIDAD Se entiende por estabilidad a la seguridad de una masa de tierra contra la falla o movimiento. Como primera medida es necesario definir criterios de estabilidad de taludes, entendiéndose por tales algo tan simple como el poder decir en un instante dado cuál será la inclinación apropiada en un corte o en un terraplén; casi siempre la más apropiada será la más escarpada que se sostenga el tiempo necesario sin caerse. Este es el centro del problema y la razón del estudio. A diferentes inclinaciones del talud corresponden diferentes masas de material térreo por mover y por lo tanto diferentes costos. Podría imaginarse un caso en que por alguna razón el talud más conveniente fuese muy tendido y en tal caso no habría motivos para pensar en “problemas de estabilidad de taludes”, pero lo normal
es que cualquier talud funcione satisfactoriamente desde todos los puntos de vista excepto el económico, de tal manera que las consideraciones de costos presiden la selección del idóneo, que resultará ser aquél al que corresponda la mínima masa de tierra movida, o lo que es lo mismo el talud más empinado.
http://ingenieriareal.com/tipos-y-diseno http://ingenieriareal.com/tipos-y-disenos-de-taludes/ s-de-taludes/
2.- FALLAS COMUNES COMUNES EN TALUDES TALUDES Se mencionan sobre todo las fallas comunes que se presentan en las vías terrestres. A.- FALLAS LIGADAS A LA ESTABILIDAD ESTABILIDAD DE LAS LADERAS NATURALES. NATURALES. a.1.- Deslizamiento superficial asociado a la falta de resistencia por por baja presión de de confinamiento (Creep). Proceso más o menos continuo y por lo general lento de deslizamiento ladera abajo que se presenta en la zona superficial de algunas laderas naturales. Se presentan dos casos: El estacional, que afecta solo a la corteza superficial de la ladera que sufre la influencia de los cambios climáticos en forma de expansiones y contracciones térmicas o por humedecimiento humedecimiento o secado. El masivo, que afecta a capas de tierra más profundas, que solo se puede atribuir al efecto gravitacional.
La velocidad del movimiento de la ladera es máxima en la superficie que al interior lo que se refleja en una inclinación de los árboles.
a.2.- Fallas asociadas a procesos de deformación acumulativa, generalmente relacionadas con perfiles geológicos desfavorables. Se da como consecuencia de procesos de deformación acumulativa, por la tenencia de grandes masas a moverse ladera abajo. La superficie de falla típica de un proceso de deformación acumulativa acumulativa es de forma casi plana, a ello puede contribuir factores como los de la geología de la zona. La masa de tierra permanecerá en su posición, aunque bajo ella exista, ya formada una superficie de deslizamiento. Así puede pasar mucho tiempo, hasta que un día el ingeniero haga un corte o construya un terraplén en esa ladera, con lo que fácilmente romperá un equilibrio precario y se echará encima un problema que suele ser de graves consecuencias, al comenzar a moverse grandes masas de tierra sin motivación aparente.
a.3.- Flujo de materiales materiales relativamen relativamente te secos. Se tienen los flujos de fragmentos de roca, desde los muy rápidos (avalanchas) hasta los que ocurren lentamente; también los flujos en suelos relativamente secos han ocurrido en loes, asociados muchas veces a temblores. Caso típico arenas secas, loess.
a.4.- Flujos Flujos en materiales húmedos húmedos o flujo de lodos. lodos. Cuando es muy elevado el contenido de agua de los materiales, por lo menos en la zona de fluencia.
Fallas comunes en taludes naturales
B.- FALLAS FALLAS RELACIONADAS A LA ESTABILIDAD ESTABILIDAD DE TALUDES ARTIFICIALES. b.1.- Falla rotacional. rotacional. En el interior del talud existe un estado de esfuerzos cortantes que vence en forma mas o menos rápida la resistencia al esfuerzo cortante del suelo, se produce la rotura con la formación de una superficie de deslizamiento. Estos movimientos son típicos de los cortes y los terraplenes de una vía terrestre. Es típica la formación de grietas en la corona del talud. Las fallas rotacionales circulares por lo común ocurren en materiales arcillosos homogéneos, pueden ser de cuerpo de talud o de base; las primeras se desarrollan sin interesar al terreno de cimentación, en tanto que las segundas se desarrollan parcialmente en él.
b.2.- Falla traslacional. traslacional. Se dan sobre superficies de fallas planas, asociadas a la presencia de estratos poco resistentes localizadas a poca profundidad bajo el talud. Los estratos débiles que fomentan estas fallas son por lo común de arcillas blandas o de arenas finas o de limos no plásticos sueltos.
b.3.- Fallas con superficie superficie compuesta compuesta o fallas múltiples. En las primeras se combinan movimientos de rotación y traslación, en las segundas las fallas se producen con varias superficies de deslizamiento, sean simultáneas o en rápida sucesión. En laderas naturales en las que se practica un corte son comunes fallas sucesivas y regresivas. C.- DERRUMBES DERRUMBES Y CAÍDOS. CAÍDOS. Típicas de las laderas naturales como de los cortes practicados en aquellas. No puede hablarse de una superficie de deslizamiento, el desprendimiento suele estar predeterminado predeterminado por las discontinuidades y fisuras existentes.
D.- OTROS TIPOS DE FALLAS, FALLAS, NO DIRECTAMENTE DIRECTAMENTE ASOCIADOS A LA RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE CORTANTE DE LOS SUELOS. d.1.- Fallas por erosió erosión n, debido a los agentes erosivos sobre los materiales que componen el talud (viento (viento y agua). agua). La falla se manifiesta en irregularidades, irregularidades, socavones y canalizaciones en el plano del talud, originalmente regular. d.2.- Fallas por por tubificació tubificación n, 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. Un factor que contribuye contribuye a la tubificación es la insuficiencia de compactación compactación en la vecindad de muros o superficies rígidas, tales como ductos o alcantarillas. d.3.- Fallas por por agrietamien agrietamiento to,, en sentido transversal transversal,, por asentamiento diferencial en zonas de transición y longitudinal por movimientos diferenciales de los hombros del terraplén y su parte central, debido a zonas de agrietamiento por evaporación de agua.
Fallas por erosión y/o tubificación, por agrietamiento, en sentido transversal y longitudinal
http://www.nestorhuaman.pe/
3.- PROCESOS CONSTRUCTIVOS CONSTRUCTIVOS QUE CAUSAN PROBLEMAS PROBLEMAS A TALUDES TALUDES Entre los procesos constructivos que mas comúnmente causan problemas a la estabilidad de taludes tenemos: Modificación de las condiciones naturales de flujo interno de agua al colocar rellenos o hacer zanjas o excavaciones. Sobrecarga de estratos débiles por relleno, a veces de desperdicios. Sobrecarga de terrenos con planos de estratificación desfavorable por relleno. Remoción, por corte, corte, de algún estrato delgado de material permeable que funciona como un manto natural natural drenante drenante de estratos de arcilla suave.
Aumento de de presiones de filtración u orientación desfavorable desfavorable de fuerzas de filtración al producir cambios en la dirección del flujo interno del agua, por haber practicado cortes o construido rellenos. Exposición al aire y al agua, por corte, de arcillas duras fisuradas. Remoción de capas superficiales de suelo por corte, lo que puede causar el deslizamiento de capas del mismo estrato ladera arriba, sobre mantos subyacentes de suelo mas duro o roca. Incremento de cargas hidrostáticas o niveles piezométricos bajo la superficie superficie de un corte al cubrir la cama del mismo con una capa impermeable.
4.- MÉTODOS PARA PARA CORREGIR FALLAS FALLAS EN TALUDES Los métodos correctivos siguen una de las siguientes líneas de acción. falla, ligado a cambios en el alineamiento (horizontal • Evitar la zona de falla, o vertical), remoción de materiales inestables, construcción de estructuras apoyadas en suelo firme. motoras , remoción de material en la parte • Reducir las fuerzas motoras, apropiada de la falla y subdrenaje. s ubdrenaje. resistentes, con subdrenaje, que aumenta la • Aumentar las fuerzas resistentes, resistencia al esfuerzo cortante del suelo, eliminación de estratos débiles, construcción de estructuras de retención.
a.- Métodos Métodos de de elusión. elusión. Evitar la zona inestable, con un ligero cambio de alineamiento que haga posible eludir su peor parte, aplicable a formaciones inclinadas inclinadas de suelo o roca con echado desfavorable a la vía. En zonas de deslizamiento potencial o en las que ya ocurrió el deslizamiento, construir un viaducto que se cimente en zonas firmes a ambos lados de la vía.
b.- Método de excavación excavación.. Son mejores para prevenir que para corregir, el problema es el costo. Las remociones en la cabeza buscan reducir las fuerzas motoras y balancear la falla, haciéndolo de manera adecuada, mejorando mejorando las condiciones de drenaje en la zona.
( Turnbull y Hvorslev, 1967)
c.- Abatimiento Abatimiento de de taludes. taludes. Abatir un talud talud tiende a hacer hacer que la superficie de falla haya de desarrollarse desarrollarse en zonas mas profundas de corte, de manera que se alargue la superficie de falla. En terraplenes el abatimiento es por relleno en cambio en cortes es por excavación.
d.- Empleo Empleo de bermas y escalonamient escalonamientos. os. El uso de berma tiende a incrementar la estabilidad del talud, similar al caso del abatimiento de taludes. En el caso de escalones tienen la función de proteger el corte contra la erosión del agua superficial, pues reducen la velocidad ladera abajo y el gasto de escurrimiento.
e.- Empleo Empleo de estructuras estructuras de retención retención.. Se usan para corregir deslizamientos después de que han ocurrido o para prevenirlos, también se usan con éxito para confinar el pie de fallas en arcillas y lutitas, impidiendo la abertura de grietas y fisuras. Tenemos Tenemos también, los métodos de recubrimiento que incrementan la estabilidad del talud protegiendo protegiendo los los materiales contra la erosión y el intemperismo los cuales son: recubrimientos con mampostería seca, mampostería, concretos lanzados, losas delgadas de concreto, riegos asfalticos, etc. Todos ellos sujetos a un buen drenaje. También se usan mallas de acero o plástico, para detener derrumbes o caídos.
f.- Empleo Empleo de de pilotes. pilotes. Se utilizan para estabilizar mecánicamente deslizamientos deslizamientos en laderas y taludes. Es apropiado en deslizamientos superficiales.
g.- Empleo Empleo de contrapeso contrapeso al pie de la falla. falla. Se buscan dos efectos: primero balancear el efecto de las fuerzas motoras en la cabeza de la falla; en segundo lugar, incrementar la resistencia al esfuerzo cortante del material subyacente, cuando éste es de naturaleza friccionante.
h.- Empleo Empleo de vegetación. vegetación. Es un método preventivo y correctivo de fallas por erosión, debido a la destrucción de la cobertura vegetal por los movimientos de tierra que dejan expuestos a los suelos al ataque de agua superficial y vientos. La vegetación cumple dos funciones: Primero disminuye el contenido de agua en la parte superficial y segundo da consistencia a esa parte por el entramado mecánico mecánico de sus raíces.
i.- Empleo Empleo del drenaje. drenaje.
j.- Otras técnicas. gaviones. Diseñados para mantener una diferencia en los niveles de suelo en s us dos lados • Muro de gaviones. • • • • •
constituyendo un grupo importante de elementos de soporte y protección cuando se localiza en lechos de ríos. Muros de Soil Soil Nail Nailing ing.. Reforzada la masa de suelo con los “nails” o Clavos, se procede a la instalación del muro de concreto, con la ayuda de bombas especiales para concreto proyectado o “shotcrete”. Soilil Na So Nailil Wal alls ls.. Se trata de un muro compuesto por una capa de 10 a 12 cm de hormigón pr oyectado y malla electrosoldada que conecta conecta varios anclajes al terreno. Grouti Gro uting ng - Iny Inyecci ección ón químic química a. Usados satisfactoriamente en varios casos en otros no fue satisfactorio. La teoría no está completamente desarrollada. Electrósmosis.. Para suelos finos, es generalmente costoso. Electrósmosis Congelamiento – calentamiento calentamiento.. Métodos que deben ser específicamente evaluados cuidadosamente en cada caso para determinar el costo y efectividad. Puede ser costoso.
5.- CARACTERIZACIÓN DEL TALUD TALUD MEDIANTE ENSAYO ENSAYOSS La obtención de información consta de tres fases. En la primera fase se debe recopilar la información disponible (oral y escrita) acerca del sitio de estudio, desde relatos de eventos pasados por parte de los lugareños, hasta estudios geológicos y geotécnicos previos, incluidos los planos topográficos, pluviosidad y sismicidad de la zona. La segunda fase es el trabajo de campo en el cual se ejecutan ensayos en el sitio sitio y se obtien obtienen en muestr muestras as de suel suelo. o. La tercera fase consiste en el trabajo de laboratorio para determinar las propiedades y características del material mediante ensayos de caracterización y resistencia.
PERFORACIONES Los objetivos principales de las perforaciones son definir la litología del área de estudio y tomar muestras para su posterior análisis en el laboratorio. El número y ubicación de las perforaciones a realizar en un estudio dependen del del tamaño y forma del área considerada. En el caso de taludes es recomendable hacer un mínimo de tres perforacione perforacioness; este número se puede incrementar dependiendo dependiendo del tamaño del talud. Se puede hacer una perforación en la cresta con una profundidad aproximada aproximada de 1,5 veces la altura del talud, otra hacia la mitad del talud con una profundidad comparable comparable con la altura de ese talud y una última al pie del mismo con una profundidad aproximada de 1/3 de la altura mencionada.
CALICATAS Mediante las calicatas, método de exploración más superficial que el anterior, es posible tomar muestras más voluminosas de material para tener una vista “interna” “ interna” del
suelo y detectar posibles planos de falla (sobre todo en materiales arcillosos). Estas calicatas generalmente se excavan a mano y miden 1,5 x 1,5 x 2,0 metros de profundidad (como sugerencia), aunque los procedimie procedimientos ntos mecánicos mecánicos son los mas usuales usuales en taludes. taludes. Para Para la toma toma de muest muestras ras tambié también n podem podemos os usar usar el Tub Tubo o Shel Shelby by
ENSAYOS DE CAMPO En el campo se busca obtener la mayor cantidad de información posible. Para lograr este objetivo es necesario realizar los ensayos que mejor se relacionen con el suelo en cuestión, ya que a partir de ellos y mediante correlaciones correlaciones desarrolladas a lo largo del tiempo se pueden inferir ciertas propiedades de los materiales en estudio. Algunos de los ensayos para la caracteri caracterizació zación n de suelos son: - P rueba ru eba de penetraci penetraci ón está es tándar ndar – SPT (ASTM-1586) : La información que provee este
ensayo permite determinar determinar la densidad relativa de los suelos granulares y la consistencia de los suelos cohesivos. (ASTM D-3441): D-3441): Este ensayo permite medir la ru eba de penetración penetración de cono - CPT (ASTM - P rueba resistencia a la penetración en el subsuelo, tanto de la parte inferior del cono como en las paredes de una extensión cilíndrica al mismo. La aplicación general de los ensayos de penetrómetro penetrómetro de cono (CPT) en problemas de estabilidad estabilidad de taludes, es el determinar la resistencia al cortante no drenada de suelos cohesivos.
Presurómetro El presurometro de Menard, que que es el más utilizado, permite obtener las características de resistencia y deformación de suelos y rocas Ensayo Ensayo de Velet Veletaa En este ensayo se mide directamente la resistencia al corte del suelo al rotar una veleta que se introdujo en el suelo. Resistividad Los ensayos de resistividad pueden utilizarse para determinar perfiles verticales y perfiles horizontales, dependiendo dependiendo de la forma como se realice. realice. La resistividad permite el reconocimiento reconocimiento de las tablas de agua y las profundidades profundidades de saturación. Ensayo Ensayoss sísmico sísmicoss Los ensayos de refracción sísmica se han utilizado con frecuencia para determinar la profundidad y geometría de las superficies de falla, para determinar la profundidad de meteorización de un área de gran tamaño y para determinar los perfiles de material suelto debajo
ENSAYOS DE CLASIFICACIÓN Lo primero que se debe realizar en el laboratorio es identificar visualmente las muestras de suelo de las perforaciones y calicatas para prever el tipo y número de ensayos posteriores. A continuación se identifican los ensayos más frecuentes para clasificar suelos: - Granulometría Granulometría por tamizado: para determinar la proporción del tamaño de las partículas que componen dicha muestra. - Hidrómetro: tiene el objetivo determinar la distribución del agua dentro de la muestra. - Límites de Atterberg: se definen arbitrariamente y determinan el contenido de humedad del suelo en diferentes estados. - Peso unitario: para medir el peso del suelo en un determinado volumen. volumen. - Gravedad específica: para medir la densidad de las partículas que componen el suelo. ENSAYO DE RESISTENCIA Los ensayos de resistencia tienen por finalidad estimar la resistencia del suelo. Para estimar la resistencia no drenada drenada del suelo se utilizan ensayos como el penetrómetro y la veleta de bolsillo (también pueden ser realizados en campo) y los ensayos no drenados con y sin confinamiento en la cámara triaxial (más costosos). En el caso de de la resistencia drenada del suelo también se puede puede utilizar la cámara triaxial triaxial con velocidades más bajas bajas de aplicación de las cargas y
EJEMPLOS DE ANALISIS TIPO UU (NO CONSOLIDA CONSOLIDADO DO - NO DRENADO) DRENADO)
EJEMPLOS DE ANALISIS TIPO CU (CONSOLIDA (CONSOLIDADO DO - NO DRENADO) DRENADO)
EJEMPLOS DE ANALISIS TIPO CD (CONSOLIDA (CONSOLIDADO DO - DRENADO) DRENADO)
6.- INSTRUMENTACIÓN INSTRUMENTACIÓN EN TALUDES TALUDES En el estudio de taludes, la inestabilidad puede detectarse mediante mediante instrumentos que se colocan en el subsuelo. Estos instrumentos, con el tiempo, revelarán ciertas características del talud que complementarán la información de los ensayos de campo y de laboratorio. Estos instrumentos instrumentos son:
http://www.scanrock.de/paginas/instrumentacion_geotecnica/gmt_anw_app_taludes_1.html
Inclinómetros: establecen la posición de la superficie de falla de un deslizamiento.
Piezómetros: miden la presión de agua intersticial que hay en un determinado nivel del subsuelo. El piezómetro de boca abierta es el más sencillo de todos y es el que se usa de preferencia en suelos granulares de alta permeabilidad. Existen piezómetros más complicados como los de hilo vibratorio y los neumáticos, neumáticos, recomendables recomendables para suelos cohesivos cohesivos de baja permeabilidad. permeabilidad.
Equipos Equipos convencion convencionales ales de topografía. topografía. Se pueden utilizar equipos ópticos o electrónicos para determinar los movimientos movimientos laterales y verticales de los deslizamientos, para ello se colocan BMs en sitios estables y una serie de de puntos de medición en la zona deslizada
Extensómetro Extensómetross horizontals. horizontals. El extensómetro es utilizado para medir el movimiento relativo comparando la distancia entre entre dos puntos de una forma automática. automática. Los Los extensómetros extensómetros generalme generalmente, nte, se instalan instalan a travé travéss del escarpe escarpe principal principal o a través través de las grietas grietas para determin determinar ar su movimi movimien ento. to.
Medidor Medidor de agrietam agrietamientos ientos Sirven para medir la ampliación de grietas con el transcurso del tiempo. En rocas el cambio de espaciamiento de las juntas se puede medir con este sistema.
Medidor Medidor de verticalidad verticalidad La medición de la verticalidad es útil para determinar la deformación de de la cabeza y en ocasiones del pie del movimiento y en esta forma evaluar la posibilidad de deformaciones futuras.
Reconocimiento del tipo y características del movimiento. Primero debe reconocerse el tipo de deslizamiento, el cual puede determinarse con base en el estudio de los sistemas de agrietamiento.
Presiones de poro. En el análisis de estabilidad es muy importante definir el nivel de agua y las consiguientes condiciones de saturación y presiones de poros. Un talud seco puede ser estable, mientras el mismo talud puede no ser estable con un determinado nivel freático o un talud estable puede fallar al ascender el nivel freático. En el caso de taludes importantes es necesaria la colocación de piezómetros para poder cuantificar el valor de presión de poros que puede definir, en un determinado momento la estabilidad o inestabilidad del talud.
Saturación y niveles freáticos.
Equipo para detectar ascensos del nivel freático (Geotechnical Control Office, 1987). “Halcrow Halcrow buckets buckets”
Embalse y desembalse de una presa. El primer llenado de la presa es un tiempo crítico para la seguridad de los taludes. Pueden aparecer problemas, debido a varios factores: Resistencia al cortante, presión de poros en estabilidad de taludes, Fractura hidráulica, erosión interna y tubificación. El abatimiento rápido o disminución repentina del nivel de agua puede producir la falla de un talud. Este abatimiento abatimiento ocurre, por ejemplo en las riberas de los ríos después de una avenida o al bajar el nivel de embalse de una presa. Las fallas por desembalse rápido ocurren generalmente, generalmente, en taludes de materiales arcillosos en los cuales la presión de poros no ha tenido suficiente tiempo para disiparse y por lo tanto, se reduce la resistencia al cortante en forma rápida.
7.- MÉTODOS DE CÁLCULO DEL FS EN TALUDES TALUDES Entre los distintos métodos para el Cálculo del Factor de Seguridad (FS) en la estabilidad de taludes tenemos:
Acciones estabilizadoras y desestabilizadoras en un talud con supuesta superficie de rotura circular
TALUDES INFINITOS a) Talud indefinido sin infiltración.
b) Talud indefinido con filtración paralelo al talud.
Si el talud se encuentra totalmente saturado, m=1 y ϒ=ϒsat
TALUDES FINITOS Cuando la altura crítica de un talud infinito tiende a la altura del talud. Existe evidencias de que las fallas de taludes ocurren sobre superficies de fallas curvas, Culmann (1875) aproximó la superficie superficie potencial de falla por un plano, el cual da resultados buenos del factor de seguridad para taludes casi verticales. En muchas circunstancias (por ejemplo presas y cimentaciones sobre estratos débiles), el análisis e estabilidad usando fallas planas de deslizamiento es mas apropiado y conduce a resultados excelentes. (Das, 2010)
TALUD FINITO CON SUPERFICIE PLANA Se considera el análisis para un talud finito por el método de Culmann.
=
´ + =
=
´ + ´∅´
( − ) 1 ∅´ 2
=0
TALUD FINITO CON SUPERFICIE DE FALLA FALLA CIRCULAR La falla ocurre en uno de los siguientes modos: 1.- Cuando Cuando la superficie superficie de de deslizamiento interseca al talud en o arriba de su pie, es llamada una falla de talud. Al círculo de falla se denomina círculo de pie si pasa por el pie del talud y círculo de talud si pasa por arriba de la punta del talud. 2.- Cuando Cuando la superficie superficie de de deslizamiento pasa a alguna distancia debajo del pie del talud se llama falla de base. Al círculo de falla se llama círculo de medio punto.
METODO DE TAYLOR, 1948 Cuando sobre el talud homogéneo actúan exclusivamente las acciones gravitatorias, la comprobación de la seguridad por el método del círculo de rozamiento, tanteando un número de líneas de rotura suficientemente amplio, ha sido resuelto y tabulado en los ábacos de Taylor. En esta solución, además, se tiene en cuenta la posible presencia de una capa rígida profunda que, si bien tiene poca trascendencia en aquellos casos en que el ángulo de rozamiento es apreciable (> 10º), resulta decisiva en aquellos casos extremos del cálculo en situaciones sin drenaje, en los que se supone φ = 0. D=distancia vertical de la cima del talud a la base firme/altura del talud
Localización del círculo de medio punto
Localización del centro de los círculos críticos para β>53°
Localización del centro de los círculos críticos de punta para β<53°
ÁBACOS DE HOEK Y BRAY El estudio de roturas circulares planteado por estos autores se encuentra contenido en un texto sobre estabilidad de taludes taludes en roca (Hoek & Bray, Bray, 1981). Como es sabido en este tipo de materiales las inestabilidades se encuentran gobernadas gobernadas en general por la existencia de discontinuidades (planos de estratificación, juntas, etc.). Sin embargo, cuando el macizo rocoso se encuentra fuertemente alterado y fracturado puede llegar a comportarse como si fuera un suelo homogéneo se tratara. En estas circunstancias la tipología de rotura más probable sería circular. Para estudiar estudiar este tipo tipo de roturas roturas Hoek & Bray elaboraron los ábacos que a continuación se presentan. Los cálculos realizados para su obtención se encuentran basados en el método del círculo de rozamiento, e incorporan dos
•La existencia de presiones intersticiales en el seno del talud.
Este efecto se incorpora a los cálculos a partir de la resolución de varias redes de flujo estacionario que representan con bastante acierto situaciones típicas en taludes reales. Los casos estudiados, desde talud seco a talud completamente saturado saturado y con recarga, se muestran en la figura 2. • El desarrollo de una grieta de tracción en la coronación del talud.
Para incluir este efecto, también muy habitual, los autores realizaron diversos cálculos hasta obtener la combinación (círculo de deslizamiento – localización de grieta) más desfavorable para cada geometría de talud y para cada régimen de presión intersticial supuestos.
Como posible limitación, los cálculos realizados y los ábacos ábacos resultantes resultantes consideran sólo círculos de pie. pie. Para su justificación, Hoek & Bray señalan, citando citando a Terzaghi, que que este tipo de rotura es la mas desfavorable en terrenos de los que el ángulo de fricción es mayor a 5 grados. Finalmente, los ábacos evidentemente excluyen las roturas producidas en condiciones sin drenaje (Cu, phi=0), para las que ya se ha visto que los círculos más desfavorables pueden no ser de pie. En definitiva, los ábacos pueden emplearse para estudiar la estabilidad de taludes en terrenos homogéneos, homogéneos, tipo suelo o roca muy fracturada, en los que no sea necesario considerar situaciones sin drenaje o a corto plazo.
El proceso a seguir para el empleo de los ábacos, es el siguiente:
1.- Conocido el régimen régimen de presión intersticial intersticial en el talud, se selecciona en en la figura 02 la situación que más se aproxima a la realidad, lo que proporciona el ábaco a emplear. 2.- En el ábaco seleccionado se determina el parámetro parámetro adimensional adimensional
3.- A continuación continuación se localiza el valor numérico del parámetro parámetro anterior en el borde circular circular exterior del ábaco. A partir partir de este punto se recorre recorre el radio radio del ábaco hacia el origen origen de coordenadas, coordenadas, hasta interceptar la línea que representa el ángulo de inclinación del talud. 4.- Desde el punto de intersección se traza una diagonal diagonal o una vertical, que proporcionan respectivamente los parámetros adimensionales: adimensionales:
A partir partir de los cuales cuales se puede obtener indistintamente indistintamente el el coeficiente de seguridad seguridad F. F.
Fig. 2 Condiciones de flujo de agua y presión intersticial para la selección del ábaco de cálculo.
TALUD FINITO EN SUELO ARCILLOSO HOMOGÉNEO CON FALLA FALLA CIRCULAR
=
=
TALUD FINITO CON FALLA CIRCULAR, MÉTODO DE LA DOVELAS 1) Método de Felleniu Felleniuss o convencional convencional..
2) Método simplificado de Bishop.
3) Método simplificado de Janbu
Ejemplo 1. 1. La figura muestra la sección transversal del corte propuesto en un suelo cohesivo. Calcule el factor de seguridad contra deslizamiento a lo largo de la superficie del arco circular AD. Cu(1)=25kN/m2, Cu(2)=42kN/m2, Área(1)=30.32m2, Área(2)=72.46m2, ϒ(1)=ϒ(2)=19kN/m3, q=100kN/m2.
Solución
..=
13.20 42 ∗ 1.66 + 25 ∗ 0.37
= 1.20
Ejemplo 2. Para el talud mostrado encuentre el FS contra deslizamiento a lo largo de la superficie curva AC. ɣ=16kN/m3, c=20kN/m2 y ɸ=20˚
Solución. Áreas en m2 A1=10.46 A2=27.77 A3=31.45 A4=30.18 A5=25.37 A6=15.56 A7=6.87
1) Método Método de Fellenius o convencional. convencional. Dovela Dovela b(m) b(m) α(°) L=b/cosα (m) Area (m2) (m2) A W=gA(kN/m) cL+Wcosαtanf Wsenα 1 3.43 60 6.86 10.46 167.36 167.66 144.94 2 4.00 44 5.56 27.77 444.32 227.54 308.65 3 4.00 32 4.72 31.45 503.2 249.65 266.66 4 4.00 20 4.26 30.18 482.88 250.29 165.15 5 4.00 10 4.06 25.37 405.92 226.73 70.49 6 4.00 0 4.00 15.56 248.96 170.61 0.00 7 4.25 -10 4.32 6.87 109.92 125.71 -19.09 Sumatori a 33.77 1418.20 936.80 F.S. 1.51
2) Método simplificado de Bishop. Dove l a
cb
Wtanf Iterac Iteración1 ión1
1
68.6
60.91 .91
2
80
3
Iterac Iteración2 ión2
Iterac Iteración3 ión3
Iterac Iteración4 ión4
Iterac Iteración5 ión5
182.73 .73674
185.86 .86246
186.19 .19228
186.22 .22669
186.23 .23028
161.72 .72
272.58 .5808
275.55 .55163
275.86 .86299
275.89 .89545
275.89 .89884
80
183.15 .15
269.68 .68157
271.71 .71246
271.92 .92452
271.94 .94663
271.94 .94893
4
80
175.75 .75
250.21 .21589
251.37 .37355
251.49 .49405
251.50 .50661
251.50 .50792
5
80
147.74 .74
221.82 .828
222.34 .34559
222.39 .39933
22 222 2.40 .40493
222.40 .40551
6
80
90.61 .61
170.61 .61403
170.61 .61403
170.61 .61403
170.61 .61403
170.61 .61403
7
85
40.01 .01
132.57 .57054
132.23 .23539
132.20 .20078
13 132 2.19 .19717
132.19 .1968
1500.22 .2276
1509.69 .6951
1510.68 .688
1510.79 .7915
1510.80 .8023
1. 51 51
1. 60 601441
1. 61 6115473
1. 61 6126071
1. 61 6127176
Suma Sumato tor ria F S arbi tr trari o
3) Método simplificado de Janbu.
Zonificación del coeficiente sísmico en el Perú
8.- APLICACIÓN APLICACIÓN DE PROGRAMAS PROGRAMAS SLIDE, SLIDE, GEO SLOPE SLOPE Y GEO5
1. Ajustes del proyecto: Analysis, Project Seting. 2. Límites de la plantilla: View, Limits. 3. Perfil del terreno: Boundaris, Add External Boundary. Estratos: Add Material Boundary 4. Mate ateria riales les y asign signa ació ción: Prop Prope ertie ties,D s,Defin fine Mater Material ialss y Assign Assign Proper Propertie ties. s. 5. Sobrecarga: Loading, Add Distributed Load. 6. Grieta en ten tensión: Boundaris, Add Tensión Crack. 7. Nive Nivell fre freátic ático: o: Bound ounda aris, ris, Add Add Wate ater Table able.. 8. Malla Grid: Surfaces, Auto Grid. 9. Grabar: File Save As. 10. 10. Corr Correr er el prog progra rama ma.. Anál Anális isis is,, Comp Comput ute. e. 11. Interp Interpret retaci ación: ón: Analys Analysis, is, Interp Interpret ret.. 12. 12. Defi Defini nirr ancla anclaje je:: Prop Proper ertities es,, Defi Define ne Supp Suppor ortt 13. Colocar anclaje: Support, Add Support Pattern
• • • • • •
• • • • • • •
Ver coordenadas: View, Show Coordinates. Informes: Analysis, An alysis, Infoviewer. Infoviewer. Mostrar Mostrar valores: Query, Query, Show Values Along Surface. Surface. Datos: Datos: Data, Data, Support Force Force Options. Options. Análisis seudoestático: seudoestático: Loading, Seismic Load. Superficie no circular: Surface, Surface, Surface Surface Options. Surface, Block Block Search, AddPline (Dibujar plano de falla sin Malla Grid). Para Superficie Compuesta: Composite surface, ajustar ajustar superficie y Malla Grid. Elementos finitos: Analysis, Proyect seting, Groundwater, FEA. Insertar vértices adicionales: Boundaries, Edit, Add Vertices. Cambiar Cambiar a Steady State State Grounwater Grounwater y generar generar la malla de elementos finitos. Colocar el agua, carga total, asignar y apply. Propiedades hidráulicas. En talud Hydraulic Properties. En Slope Estability Estability,, AutoGrid y Correr Programa Programa.. Lineas de flujo: Groundwa Groundwater ter,, Lines, Add Multiple Flow Flow Lines. Lines. Para dren. Insertar punto a la salida y
• Nuevo proyecto. Crear: Añadir, Añadir, Análisis Slope, Equilibrio límite. • Configurar página: Entornos geométricos, página. unidades y escala. • Unidades y escala: Entornos geométricos, unidades • Colocar ejes. Con botones de ejes. • Dibujar la región con apoyo de botones o importar archivo *.dxf • Estratos: Dibujar, regiones divididas. • Introducir materiales: Introducir, Materiales, añadir materiales: Dibujar, Dibujar, materiales. • Asignar materiales: • Sobre carga: Dibujar, cargas de superficie, añadir. • Presión de poros: Introducir análisis, configuración, condiciones PWP línea • • • • • • • •
piezométrica, aplicar corrección freática y cerrar Línea piezométrica: Dibujar, presión agua intersticial. Dibujar entrada y salida de las superficies de deslizamiento. Correr programa: Inicio, solucionar análisis comprobado. comprobado. Ver leyenda del FS y presión de poro con botones de ayuda. Análisis pseudo estático: Introducir, Introducir, cargas sísmicas y analizamos analizamos nuevamente. nuevamente. Para clonar: Definición, introducir análisis, en añadir clonar. clonar. Para informes: Vista, informe. Para anclaje: Dibujar, cargas de reforzamiento.
9.- INTRODUCCIÓN A TALUDES TALUDES EN ROCA
Tipos de rotura mas comunes en roca Rotura planar
Rotura en cuña
Rotura por vuelco
Rotura por pandeo
PROGRAMA ROCSCIENCE PARA ROCAS: RocPlane, Swedge, RocTopple, RocFall