i TEMAS DE INVESTIGACIÓN
n
1. DEFINIR TALUD, GRÁFICO Y SUS PARTES QUE SE DISTINGUEN. 2. EXPLIQUE EN QUE CONSISTE LA INVESTIGACIÓN DE DETALLE EN UN ESTUDIO DE DESLIZAMIENTO. FINALIDAD Y ALCANCE DE LAS INVESTIGACIONES. 3. DESCRIBA E INDIQUE LA INFLUENCIA DEL TIPO DE MATERIAL (MACIZO ROCOSO, SUELO, MATERIAL DE RELLENO) CON EL TIPO DE INESTABILIDAD QUE PUEDA PRODUCIRSE Y QUE TIPO DE MOVIMIENTO DE MASAS PUEDA DESARROLLARSE (GRAFICO/FOTOS). 4. INDIQUE LOS EFECTOS DEL AGUA EN LOS MATERIALES Y EN LA ESTABILIDAD Y EN LA ESTABILIDAD DE UN TALUD. LA PRESIÓN DE AGUA. CONTENIDOS ALTOS DE HUMEDAD. EL AGUA CONGELADA. LA ESCORRENTÍA SUPERFICIAL Y DE LLUVIA. EL FLUJO DE AGUA BAJO LA SUPERFICIE. LA PRESIÓN INTERSTICIAL. INFLUENCIA DE AGUA EN EL PESO DEL SUELO. INFLUENCIA DEL SUELO EN LA RESISTENCIA AL CORTE DE LOS MATERIALES. 5. EXPLIQUE LA RESISTENCIA RESIDUAL, RESISTENCIA DE PICO Y QUE ES CURVA POST-PICO Y COMO ACTÚA LA PRESIÓN INTERSTICIAL EN CASO DE ROCAS PERMEABLES. 6. EXPLIQUE EN QUÉ CONSISTE EL MÉTODO DEL EQUILIBRIO LÍMITE PARA ANÁLISIS DE LA ESTABILIDAD DE UN TALUD Y EN QUE LEYES SE BASA. 7. EQUILIBRIO LIMITE. DEFINA LOS MÉTODOS EXACTOS Y LOS NO EXACTOS. 8. QUE ENTIENDE POR CORRECCIÓN DE TALUDES Y POR CORRECCIÓN POR MODIFICACIÓN DE LA GEOMETRÍA DE UN TALUD Y QUE FACTOR LA CONTROLA. SOLUCIÓN POR BERMAS. DESCABEZAMIENTO. ESCOLERA O TACONES DE TIERRA. POR DRENAJE SUPERFICIAL Y PROFUNDO. DRENAJE HORIZONTAL. POZOS VERTICALES DE DRENAJE. GAVIONES (DIBUJO, TABLAS, ETC). 9. COMO SE CLASIFICAN LOS MÉTODOS DE CÁLCULO PARA ANALIZAR LA ESTABILIDAD DE UN TALUD Y DESCRIBA EN QUÉ CONSISTE LOS MÉTODOS DE CÁLCULO DE DEFORMACIONES. 10. CONSIDERACIÓN DE MUROS EN EL SOSTENIMIENTO DE TALUDES, EN QUÉ CONSISTEN Y EN QUÉ OCASIONES SE EMPLEA TIPOS Y FORMAS DE MUROS (DIBUJOS). PARTES DE UN MURO, MATERIALES EN QUE SE FABRICA. MURO DE SOSTENIMIENTO, MUROS DE CONTENCIÓN. MUROS DE REVESTIMIENTO. MUROS DE GRAVEDAD. MUROS ALIGERADOS. MUROS EN L, MUROS CON CONTRAFUERTE. MURO JAULA. MUROS DE GAVIONES. MUROS DE TIERRA ARMADA. (FIGURA). 11. QUE ES UN DESLIZAMIENTO, DESLIZAMIENTO ROTACIONAL. QUE ES UN DERRUMBE. DESCRIBA EL MÉTODO DE SPENCER, A QUE CATEGORÍA DE CÁLCULO PERTENECE. EN QUE CONSISTE EL ANÁLISIS DE EQUILIBRIO LIMITE. INDIQUE 5 FACTORES QUE AFECTAN LA ESTABILIDAD DEL TALUD. A QUE SE LLAMA SUPERFICIE PIEZOMÉTRICA.
2 12. DESCRIBA EL MÉTODO DE FELLENIUS, A QUE CATEGORÍA PERTENECE. INDIQUE CUALES SON LAS FUERZAS QUE ACTÚAN SOBRE UNA DOVELA. PARA QUE SE UTILIZA Y QUE INDICA LA PRESIÓN DE PORO. DE QUE DEPENDE LA POROSIDAD TOTAL DE UN MATERIAL DETRÍTICO. 13. ENSAYO DE COMPRESIÓN TRIAXIAL, PROCEDIMIENTO. ENSAYO NO DRENADO, ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN NO DRENADO, ENSAYOS DRENADOS. DIRECCIÓN DEL PLANO DE FALLA Y RELACIÓN DE ESFUERZOS PRINCIPALES Y PARÁMETROS DE RESISTENCIA AL CORTE. USO DE LOS PARÁMETROS DE RESISTENCIA AL CORTE EN ESFUERZOS TOTALES Y EFECTIVOS. 14. TEORÍA DE LA CONSOLIDACIÓN Y EL ANÁLISIS DEL ASENTAMIENTO. TEORÍA DE THERZAGUI PARA LA CONSOLIDACIÓN VERTICAL (ECUACIÓN DE COMPORTAMIENTO). SOLUCIÓN DE LA ECUACIÓN DE COMPORTAMIENTO. ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN VERTICAL, PROCEDIMIENTO. ANÁLISIS DE LOS ENSAYOS. COEFICIENTE DE COMPRESIBILIDAD VOLUMÉTRICO. COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD VERTICAL (K). COEFICIENTE DE CONSOLIDACIÓN SECUNDARIO (C). 15. DESCRIBA LOS SIGUIENTES ENSAYOS DE SUELO IN-SITU; ENSAYO DE PENETRACIÓN ESTÁNDAR, ENSAYO DE CONO DE PENETRACIÓN, ENSAYO DE LA VELETA DE CORTE, ENSAYO DEL PRESURÓMETRO, ENSAYO DEL DILATÓMETRO, ENSAYO DE PENETRACIÓN DE BECKER (DIBUJOS, TABLAS) 16. MÉTODOS DE CÁLCULOS DE ESTABILIDAD, DEFINICIONES PREVIAS, CARACTERÍSTICAS RESISTENTES DEL MATERIAL CONSTITUTIVO DEL TALUD. ROTURA PLANAR, GENERALIDADES, GEOMETRÍA DE LA ROTURA VUELCO. ROTURAS CIRCULARES Y CURVAS, GENERALIDADES, ABACOS DE TAYLOR, ÁBACOS DE BISHOP Y MORGENSTERN, ÁBACOS DE HOECK Y BRAY. 17. DESCRIBA MÉTODOS DE PERFORACIÓN POR BARRENOS MECÁNICOS Y POR EL MÉTODO DE LAVADO, INDICANDO EN QUE TIPO DE SUELOS SE EMPLEA, PROFUNDIDAD, DIÁMETRO DE LA PERFORACIÓN, TIPO DE MUESTRA QUE SE OBTIENE.
DESARROLLO DE CUESTIONARIO 1.- Defina: Talud. (Gráfico y partes que se distinguen). Talud: Un ‘talud” o ladera es una masa de tierra que no es plana sino que presenta una pendiente o cambios significativos de altura. En la literatura técnica se define como “ladera” cuando su conformación actual tuvo como origen un proceso natural y “talud” cuando se conformó artificialmente (Figura 1.1). Los taludes se pueden agruparen tres categorías generales: los terraplenes, los cortes de laderas naturales y los muros de contención. Se pueden presentar combinaciones de los diversos tipos de taludes y laderas.
Zanja de corona
Figura 1.1 Nomenclatura de taludes y laderas.
Figura 1.2 Partes generales de un talud o ladera.
Las laderas o taludes que han permanecido estables por muchos años, pueden fallar debido a cambios topográficos, sísmicos, a los flujos de agua subterránea, a los cambios en la resistencia del suelo, la meteorización o a factores de tipo antrópico o natural que modifiquen su estado natural de estabilidad. Un talud estable puede convertirse en un “deslizamiento”.
Partes de un Talud Existen algunos términos para definir las partes de un talud. El talud comprende una parte alta o superior convexa con una cabeza, cima, cresta o escarpe, donde se presentan procesos de denudación o erosión; una parte intermedia semi-recta y una parte baja o inferior cóncava con un pie, pata o base, en la cual ocurren principalmente procesos de depositación (Figura 1.2).En un talud o ladera se definen los siguientes elementos constitutivos:
Pie, pata o base El pie corresponde al sitio de cambio brusco de la pendiente en la parte inferior del talud o ladera. La forma del pie de una ladera es generalmente cóncava. Cabeza, cresta, cima o escarpe Cabeza se refiere al sitio de cambio brusco de la pendiente en la parte superior del talud o ladera. Cuando la pendiente de este punto hacia abajo es semi-vertical o de alta pendiente, se le denomina “escarpe”. Los escarpes pueden coincidir con coronas de deslizamientos. La forma de la cabeza generalmente es convexa.
Altura
Es la distancia vertical entre el pie y la cabeza, la cual se presenta claramente definida en taludes artificiales, pero es complicada de cuantificar en las laderas debido a que el pie y la cabeza generalmente no son accidentes topográficos bien marcados. Altura de nivel freático Es la distancia vertical desde el pie del talud o ladera hasta el nivel de agua (la presión en el agua es igual a la presión atmosférica). La altura del nivel freático se acostumbra medirla debajo de la cabeza del talud. Pendiente Es la medida de la inclinación de la superficie del talud o ladera. Puede medirse en grados, en porcentaje o en relación m:1, en la cual m es la distancia horizontal que corresponde a una unidad de distancia vertical. Ejemplo: 45° = 100% = 11-1:1 V. Los suelos o rocas más resistentes generalmente forman laderas de mayor pendiente y los materiales de baja resistencia o blandos, tienden a formar laderas de baja pendiente. También existen otros factores topográficos en los taludes, los cuales se requiere definir, tales como: longitud, convexidad (vertical), curvatura (horizontal) y área de la cuenca de drenaje, los cuales pueden tener influencia sobre el comportamiento geotécnico del talud.
2.- Explique en qué consiste la investigación de detalle en un estudio de Deslizamientos. Finalidad, alcance de las investigaciones. La investigación de una ladera, talud o deslizamiento consiste en obtener toda la información posible sobre las características topográficas, geológicas, geotécnicas y ambientales que permitan realizar un diagnóstico de los problemas lo más preciso posible y un diseño efectivo de su solución o remediación. Para el propósito de la investigación es necesario conocer cuáles son los parámetros básicos que afectan la estabilidad del talud o ladera y caracterizarlos plenamente (Figura 11.1). Se requiere examinaren particular tres aspectos para evaluarla estabilidad de los taludes en términos de ingeniería: el primer elemento consiste en definir en tres dimensiones las
características de la masa inestable con referencia particular a las superficies de cortante y los planos falla. Como segundo elemento deben analizarse las propiedades y características de los materiales y de los elementos activadores tales como el régimen hidrogeológico y los eventos sísmicos. Finalmente, es de gran importancia detectar los movimientos de, o dentro de la masa inestable y monitorearlos (Figura 11.2). La magnitud y profundidad de las investigaciones depende del tamaño y complejidad del talud o del deslizamiento a estudiar.
Para un deslizamiento pequeño donde las causas del movimiento son muy evidentes o para un talud sencillo de poca altura sin problemas importantes, se puede realizar una inspección de campo con un informe relativamente corto. De otro modo, para los deslizamientos de gran magnitud o geológicamente muy complejos, la investigación puede incluir gran cantidad de perforaciones, instrumentación y análisis por un grupo interdisciplinario de profesionales. La misión del Ingeniero, Geólogo o Geotecnista es proveer la solución más apropiada a los problemas detectados, con base en los beneficios técnicos, costos, constructividad, limitaciones ambientales, derechos de propiedad y seguridad pública (Cornforth 2005).
Figura 11.1 Diagrama de flujo de la adquisición de datos en la investigación y mapeo de deslizamientos.
3.- Describa e indique la influencia del tipo de materiales (macizo rocoso, suelo, material de relleno) con el tipo de inestabilidad que pueda producirse y que tipo de movimiento en masa pueda desarrollar (gráficos/fotos).
Para la clasificación de los deslizamientos se presenta el sistema propuesto por Varnes (1978), el cual tipifica los principales tipos de movimiento. Para el propósito del presente texto, se presentan algunas adiciones a los procesos de movimiento identificados originalmente por Vames. Algunos de estos movimientos están incluidos en la clasificación de los procesos de deterioro (previos a un deslizamiento) y es difícil identificar cuándo son procesos de deterioro y cuándo son componentes principales del movimiento del talud. Por ejemplo, la erosión se clasifica como un proceso y no como un tipo de movimiento. Caído: Caído es el desprendimiento y caída de materiales del talud. En los caídos se desprende una masa de cualquier tamaño desde un talud de pendiente fuerte a lo largo de una superficie en la cual el desplazamiento de corte es mínimo o no se da. Este desplazamiento se produce principalmente por caída libre, a saltos o rodando (Figura 1.11). Los caídos de suelo, en escarpes semi-verticales, representan un riesgo importante para los elementos que están debajo del talud.
Los caídos pueden incluir desde suelo y partículas relativamente pequeñas, hasta bloques de varios metros cúbicos. Los fragmentos son de diferentes tamaños y generalmente se rompen en el proceso de caído. Los “caídos de roca” corresponden a bloques de roca relativamente sana; los caídos de residuos o “detritos”, están compuestos por fragmentos de materiales pétreos y los caídos de tierra, corresponden a materiales compuestos de partículas pequeñas de suelo o masas blandas. Los caídos o desprendimientos de suelo ocurren en taludes de muy alta pendiente, especialmente en las terrazas producto de depósitos aluviales.
Figura 1.11 Esq-isms i» caídos íf soca y tenduos.
La activación de caídos, o “derrumbes" de suelo, es muy común en los suelos residuales con estructuras heredadas. Generalmente, van precedidos de agrietamientos en la
cabeza del talud. Procesos del movimiento de los caídos
Aunque se utiliza el término general “caído”, éste incluye un rango completo de movimientos rápidos tales como: saltos, brincos, rebotes, giros, caídas, etc. Todos estos movimientos pueden ocurrir en secuencias diferentes. El movimiento de caído es muy rápido a extremadamente rápido y puede o no, estar precedido de movimientos menores que conduzcan a la separación progresiva o a la inclinación del bloque o masa de material. Comúnmente, los caídos ocurren sin evidencias previas de movimiento. Los factores que controlan el tipo preciso de movimiento, son la pendiente del talud, la morfología y la rugosidad de la superficie (incluyendo la cobertura vegetal).
La observación muestra que los movimientos tienden a comportarse en caída libre cuando la pendiente superficial es mayor de 75° (Figura 1.12). En los taludes de ángulo menor, generalmente rebotan los materiales y en los taludes de menos de 45°, los materiales tienden a rodar (Figura 1.13). Velocidad de los Caídos
V=j2Íh La velocidad de los materiales aumenta con la altura de caída: Donde: g = aceleración debida a la gravedad. h = altura de caída. V = velocidad. La velocidad disminuye si no se presenta caída libre. A menor ángulo con la horizontal, menores la velocidad. Suelo
Figura 1.12 Caídos de bloques en caída libre de roca fracturada
Mecanismos de formación de caídos Wyllie y Norrish (1996), indican como causas de los caídos de roca en California, la lluvia, la roca fracturada, el viento, la escorrentía, la infiltración, las fracturas planares adversas, el movimiento de los animales, la erosión diferencial, las raíces de los árboles, los nacimientos de agua, la descomposición del suelo, los sismos, los cortes de las vías, la explotación de materiales, el uso de explosivos, las vibraciones de la maquinaria y los vehículos y las diversas actividades antrópicas. Los eventos sísmicos activan, con mucha frecuencia, caídos tanto de roca como de suelo y residuos (Figura 1.14).
Previamente a la ocurrencia de un caído, se presenta un proceso de deterioro que puede durar varios años. Durante este período, los bloques o masas de talud sufren modificaciones que los hacen más susceptibles a los caídos. Finalmente, eventos como la lluvia o un sismo, activan los movimientos. Acumulación de los caídos (“talus”)
La acumulación del material caído sobre el pie del talud se le denomina “escombros" o “talus” y generalmente, se depositan formando “conos”. La pendiente del talus depende del ángulo de fricción del material. Los talus de bloques de roca casi siempre son de pendientes altas. Es común en los talus observar la clasificación de tos materiales con los bloques de mayor tamaño hacia la parte inferior del depósito. Greta de tensión
Figura 1.13 Caídos de bloques rodando ¿Pendiente de menos de 45*1.
Figura 1.14
caídos Juma llena de agua
Roca res siente s la erosón a-enisca o caliza)
3! Erosión díe-encial
Algunos mecanismos de formación de
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b) resones de berra en juntas
e) Presión harostática
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e: Cuerpc de agu3 er
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Figura 1.15 Preces:-! sue cosiueen al Volcamieaio o mckr.¿cíes ea matinales residuales Eoo.ete e
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Figura 3.3 Inclinación y caídos en un proceso de erosión. Inclinación o Volcamiento
Este tipo de movimiento consiste en una rotación hacia adelante de una unidad o unidades de material térreo con centro de giro por debajo del centro de gravedad de la unidad. Generalmente, los volcamientos ocurren en las formaciones rocosas, pero también, se presentan en suelos cohesivos secos y en suelos residuales (Figura 1.15). La inclinación puede abarcar zonas muy pequeñas o incluir volúmenes grandes hasta de varios millones de metros cúbicos. Las características de la estructura de la formación geológica determinan la forma de ocurrencia de la inclinación. Las características de buzamiento y estratificación de los grupos de discontinuidades definen el proceso, la naturaleza del proceso, la altura y el tamaño del bloque inclinado. Dependiendo de las características geométricas y de la estructura geológica, la inclinación puede o no terminar en caídos o en derrumbes (Figura 1.16 y 1.17). Las fuerzas que producen el volcamiento son generadas por las unidades adyacentes, el agua en las grietas o juntas, las expansiones y los movimientos sísmicos. Las inclinaciones pueden variar de extremadamente lentas a extremadamente rápidas. Por lo general, son lentas a extremadamente lentas al inicio y aumentan de velocidad con el tiempo. A menudo, terminan en caídos de roca o residuos, derrumbes (caídos de suelo) o flujos (Figura 1.18). En los volcamientos de roca, las fracturas definen las características del movimiento. En las inclinaciones del suelo las grietas de tensión, la cohesión de los
9 materiales, la altura y la pendiente de los taludes, determinan el volumen de la masa, la magnitud del movimiento y la posibilidad de desmoronamiento, caído o flujo.
Figura 1.17 £1 volcamientc puede geserar un dee cuD: c a«míeme del:alud c falla en escale: a ícimand: raides o derrumbes .
1
2
3
4
Figura 1.1S Proceso de falla al volcamiento
Modos de Volcamiento
Se pueden diferenciar tres tipos de volcamiento:
Volcamiento a flexión. Columnas continuas se rompen y separan unas de otras en flexión a medida que se inclinan hacia adelante (Figura 1.19). Volcamiento en V invertida. Consiste en la inclinación múltiple de una serie de bloques con centro de giro en la superficie inferior del sistema de volcamiento, el cual puede convertirse en una superficie de falla. Flexión en bloque. Flexión continua de columnas largas a través de desplazamientos acumulados a lo largo de las numerosas juntas. Reptación (“Creep”)
La reptación o “creep” consiste en movimientos del suelo subsuperficial desde muy lentos a extremadamente lentos sin una superficie definida de falla. La profundidad del movimiento puede ser desde pocos centímetros hasta varios metros. Generalmente, el desplazamiento horizontal es de unos pocos centímetros al año y afecta a grandes áreas de terreno (Figura 1.20).
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La reptación puede precederá movimientos más rápidos como los flujos o deslizamientos traslacionales. La reptación comúnmente ocurre en las laderas con pendiente baja a media. Se le atribuye a las alteraciones climáticas relacionadas con los procesos de humedecimiento y secado en los suelos, usualmente arcillosos, muy blandos o alterados, con características expansivas.
Figura 1.19 Modos complejos de volcamiento.
Deslizamientos en Masa (Traslacionales y Rotacionales)
El deslizamiento en masa consiste en un desplazamiento de corte a lo largo de una o varias superficies, que pueden detectarse fácilmente o dentro de una zona relativamente delgada (Figura 1.22). Los deslizamientos en masa pueden ser de una sola masa coherente que se mueve, o pueden comprender varias unidades o masas semi-independientes. El movimiento puede ser progresivo, o sea, que no se inicia simultáneamente a lo largo de toda la que sería la superficie de falla, sino que se va generando en un proceso gradual. La superficie de falla es una zona de determinado espesor, en la cual se producen cambios volumétricos y desplazamientos relacionados con la falla o rotura, al cortante de los materiales. Los desplazamientos en masa se pueden subdividir en subtipos denominados deslizamientos rotacionales, deslizamientos traslacionales o planares y deslizamientos compuestos de rotación y traslación. Esta diferenciación es importante porque puede definir el sistema de análisis y el tipo de estabilización que se va a emplear.
Deslizamiento Rotacional En un desplazamiento rotacional, la superficie de falla es cóncava hacia arriba y el movimiento es rotacional con respecto al eje paralelo a la superficie y transversal al deslizamiento. El centro de giro se encuentra por encima del centro de gravedad del cuerpo del movimiento. Visto en p lanta, el deslizamiento de rotación posee una serie de agrietamientos concéntricos y cóncavos en la dirección del movimiento. El movimiento produce un área superior de hundimiento y otra inferior de deslizamiento, lo cual genera, comúnmente, flujos de materiales por debajo del pie del deslizamiento (Figura 1.23). La cabeza del movimiento bascula hacia atrás y los árboles se inclinan, de forma diferente, en la cabeza y en el pie del deslizamiento.
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Escape
Figura 1.23 Deslizamiento rotacional típico.
Curvatura de la superficie de falla
Los deslizamientos estrictamente rotacionales (círculos de falla) ocurren usualmente en suelos homogéneos, sean naturales o artificiales y debido a su facilidad de análisis son el tipo de deslizamiento más estudiado en la literatura. En las zonas tropicales cuando existe rotación, la superficie de falla generalmente es curva, pero no necesariamente circular, y está relacionada con la presencia de materiales residuales donde la resistencia al corte de los materiales aumenta con la profundidad. Sin embargo, en las zonas de meteorización muy profunda y en los rellenos de altura significativa, algunas superficies de falla se asemejan a círculos.
b) Inclinación
a) Caído
c)
Rotación
d) Traslación
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e) Kept ación
Fotografía 1.1 Ejemplos de tipos de Movimientos
f) Flujo
Figura 1.24 Desplazamiento de rotación en una ladera.
En la mayoría de los desplazamientos rotacionales se forma una superficie cóncava en forma de “cuchara” (Figura 1.24). Los desplazamientos rotacionales generalmente tienen una relación Dr/Lr entre 0.15 y 0.33 (Skempton y Hutchinson, 1969). En la cabeza del movimiento, el desplazamiento aparentemente es semi-vertical y tiene muy poca rotación. No obstante, se puede observar que la superficie original del terreno gira en la dirección de la corona del talud, aunque otros bloques giren en la dirección opuesta. La formación de los escarpes semi-verticales en los deslizamientos de rotación facilita la ocurrencia de movimientos retrogresivos o progresivos hacia arriba. Dentro del deslizamiento ocurren otros desplazamientos curvos que forman escarpes secundarios y ocasionalmente, ocurren varios desplazamientos sucesivos en su origen pero que conforman una zona de desplazamientos rotacionales independientes (Figura 1.25). Los casos más conocidos de deslizamientos de rotación, perfil profundo y en suelos residuales con perfiles meteorizados de gran espesor (Figura 1.26). También se presentan con frecuencia en los terraplenes. Generalmente, la forma y localización de la superficie de falla está influenciada por las discontinuidades y juntas o planos de estratificación. El efecto de estas discontinuidades debe tenerse muy en cuenta en el momento que se haga el análisis de estabilidad. Las superficies de falla pueden ser tangentes o secantes a esas zonas de debilidad (Figura 1.27).
Deslizamientos sucesivos dentic de un movimiento general de rotaaan] Figura 1.28
Deslizamiento de Traslación
En el desplazamiento de traslación la masa se desliza hacia afuera o hacia abajo, a lo largo de una superficie más o menos plana o ligeramente ondulada y tiene muy poco o nada de movimiento de rotación o volteo (Figura 1.28). Los movimientos traslacionales generalmente, tienen una relación Dr/Lr de menos de 0.1. En muchos desplazamientos de traslación, la masa se deforma y/o se rompe y puede convertirse en flujo, especialmente en las zonas de pendiente fuerte. Influencia de la estructura sobre los deslizamientos de traslación
Los movimientos de traslación son comúnmente controlados por superficies débiles tales como fallas, juntas, fracturas, planos de estratificación, foliación, “slickensides” o por el contacto entre la roca y los suelos blandos o coluviones (Figura 1.29). A los movimientos sobre discontinuidades sencillas en roca, se les denominan deslizamientos de bloque, los cuales conforman unidades coherentes o grupos de unidades coherentes. Cuando ocurren a lo largo de dos discontinuidades, se les conocen como deslizamientos de cuña y cuando se presentan sobre varios niveles de una familia de discontinuidades, se les puede denominar falla en escalera. Deslizamientos de traslación en suelos residuales. En los suelos residuales las diferencias en la meteorización profundas propician la presencia de los deslizamientos de traslación.
Figura 1.28 Desplazamiento rotacional en suelos
residuales
Las superficies de falla generalmente coinciden con las zonas de cambio a la resistencia al cortante por efecto de la meteorización. Por ejemplo, en los suelos residuales de rocas ígneas y metamórficas con perfiles de meteorización profundos, son comunes los deslizamientos profundos sobre superficies de falla semi-planas. Los deslizamientos de traslación en suelos residuales, generalmente son rápidos y pueden terminaren flujos. Diferencia entre los movimientos de rotación y de traslación. En bs movimientos de rotación la relación D/L es mayor de 0.15, mientras en los de traslación D/L es menor de 0.10. (Figura 1.30). En un movimiento de rotación, la masa trata de auto-estabilizarse, mientras en uno de traslación, puede progresar indefinidamente a lo largo de la ladera hacia abajo. La diferencia más importante entre los movimientos de rotación y traslación se relaciona con la aplicabilidad o no, de los diversos sistemas de estabilización. Algunos sistemas de
15 estabilización no son efectivos en los deslizamientos de rotación o de traslación, como se explica en el volumen 2 del presente texto. Deslizamientos Compuestos de Traslación y Rotación Con frecuencia se presentan movimientos que incluyen dentro del patrón de desplazamiento general, movimientos de traslación y de rotación. A estos movimientos se les conoce como “compuestos”. Igualmente se pueden presentar hundimientos o extensiones laterales en forma conjunta. La mayoría de los movimientos incluyen varios tipos de desplazamiento, aunque sólo predomina uno. Extensión Lateral Se denomina extensión o esparcimiento lateral a los movimientos con componentes, principalmente laterales, en taludes de baja pendiente. En los esparcimientos laterales el modo del movimiento dominante, es la extensión lateral acomodada por fracturas de corte y tensión (sobre roca o sobre suelos plásticos). Las extensiones laterales ocurren comúnmente en las masas de roca, sobre suelos plásticos o finos, tales como arcillas y limos sensitivos que pierden gran parte de su resistencia al remoldearse. Los esparcimientos laterales son muy comunes en los sedimentos glaciales y marinos, pero no lo son en las zonas de suelos tropicales residuales. El mecanismo de falla de una extensión lateral puede incluir además, elementos de rotación, traslación, o de flujo sobre materiales plásticos. Blando
O) Rellene en terraplén sobre sueb muy blando
hi Rellene en talud sobre material duro
Fisura 1.27 Efectos de ia estructura en la formación de los desplazamientos a rotación.
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Generalmente, los movimientos son complejos y difíciles de caracterizar. La rata de movimiento es extremadamente lenta. La falla es progresiva, o sea, que se inicia en un área local relativamente pequeña y progresa rápidamente a áreas mayores.
Tipos de Extensión Lateral Se debe distinguir entre dos tipos de esparcimiento lateral así:
• Movimientos distribuidos en una extensión, pero sin una superficie basal bien definida de corte o de flujo plástico. Esto ocurre predominantemente en las rocas, especialmente en las crestas de serranías. La mecánica de este movimiento no es muy bien conocida.
• Movimientos que envuelven fracturas y extensión de roca o suelo, debido a licuación o flujo plástico del material subyacente.
Figura 1.28 Deslizamiento de traslación en la vía Ti¬ juana - Ensenada (México)
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F-.fura 1.20
E;eaapl5t d« cUsplara-rEientoi d« tr»il*c:on
• Las capas superiores pueden hundirse, trasladarse, rotarse, desintegrarse o pueden licuarse y fluir (Figura 1.32).
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Hundimientos Los hundimientos son movimientos generalmente verticales de masas de suelo, en las cuales ocurre una disminución del volumen general del terreno. Los procesos de hundimiento de gran magnitud se clasifican como parte de los movimientos en masa o deslizamientos, aunque para su ocurrencia, la presencia de un talud no es necesariamente un pre-requisito. Pueden ser de gran magnitud o relativamente pequeños. Los hundimientos obedecen a diferentes causas naturales.
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20
Desimánente Rotations 0.15 < Dr/Lr < 0.33 Cesizanento Tras'aoonal Drlr < < 0.10
Figura 1.30 Relaciones D'L para deslizamientos de traslación y rotación (Abramson y otros, 2002 1.
Flujos En un “flujo” ocurren movimientos relativos de las partículas, o bloques pequeños, dentro de una masa que se mueve o desliza sobre una superficie. Las deformaciones relativas internas son muy grandes y fluyen en forma similar a un líquido viscoso. El flujo puede ser laminar a turbulento. Al aumentar la densidad y la viscosidad, el flujo puede transportar grandes bloques hacia la parte superior.
Tipos de Flujo Los flujos se clasifican de acuerdo con las características del material deslizado. Flujos de bloques de roca Los flujos de bloques de roca están compuestos por bloques y cantos de roca, con o sin presencia de materiales finos. Las pendientes de estos taludes comúnmente son muy empinadas (más de 45°). a) Caído de rocas
b) Deslizamientos de traslaeón
c) Deforma:iones
Figura 1.37 Formación de grandes fluios de roca íGeertsema y otros, 2006)
Flujos de residuos (Detritos) Los flujos de residuos o de detritos son movimientos relativamente rápidos que llegan a ser extremadamente rápidos y están compuestos de materiales gruesos con menos del 50% de finos. Por lo general, un flujo de rocas termina en uno de residuos (Figura 1.38).
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Flujo it bloque» it roca y residuo» eu la excavador, de ua talus para la ccnstruccice de uaa via
Figura
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Los materiales se van triturando por el mismo proceso del flujo y se observa una diferencia importante de tamaños entre la cabeza y el pie del movimiento. Generalmente, los flujos de escombros o de detritos, contienen partículas de diferentes tamaños, árboles y material vegetal, así como diversos objetos arrastrados por el flujo. El movimiento de los flujos de detritos se activa con las lluvias, debido a la pérdida de resistencia por la disminución de la succión al saturarse el material o por el desarrollo de fuerzas debidas al movimiento del agua subterránea (Collins y Znidarcic, 1997). Los daños causados por los flujos de detritos abarcan áreas relativamente grandes (Figura 1.40).
El flujo típico de detritos es una honda larga de materiales sólidos y líquidos entremezclados, que corre, en forma constante, a través de un canal con algunas ondas menores superpuestas que se mueven a velocidades superiores a aquellas del flujo mismo. Los movimientos se inician a velocidades moderadas y aumentan a medida que descienden por la ladera o cauce. Al aumentar la velocidad, va arrastrando materiales y objetos de diferentes tamaños. Cuando el canal es más pequeño que el flujo, se forman ondas horizontales o depósitos laterales a los lados del canal.
Flujos de Lodo En los flujos de lodo se habla de viscosidad propiamente dicha, llegando al punto de hablar de suelos suspendidos en agua. Los flujos de lodo alcanzan velocidades muy altas y poseen grandes fuerzas destructoras, las cuales dependen de su caudal y velocidad. Un flujo de lodo posee tres unidades morfológicas: un origen que generalmente es un deslizamiento,un camino o canal de flujo y finalmente, una zona de acumulación
Fifura
1 41
Foxmaacm áe r xnáe? flujo# «U loác
Gttrct«:na. 2006).
Avalanchas Cuando los flujos alcanzan grandes velocidades se clasifican como avalanchas. En las avalanchas el flujo desciende formando una especie de “ríos de roca, suelo y residuos diversos”(F¡gura 1.42). Estos flujos comúnmente se relacionan con las lluvias ocasionales de índices pluviométricos excepcionalmente altos, el deshielo de los nevados o los movimientos sísmicos en zonas de alta montaña y la ausencia de vegetación. Esto último, aunque es un factor influyente, no es un pre-requisito para que ocurran. Las avalanchas son generadas a partir de un gran aporte de materiales de uno o varios deslizamientos o flujos, combinados con un volumen importante de agua. Estas forman una masa de comportamiento líquido viscoso que logra velocidades muy altas (con gran poder destructivo) y que corresponden generalmente, a fenómenos regionales dentro de una cuenca de drenaje. Las avalanchas pueden alcanzar velocidades de más de 50 m/s en algunos casos. El movimiento de las avalanchas se define como un “flujo turbulento de granos”. Este
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21 mecanismo no requiere de la presencia de una fase líquida o gaseosa y el movimiento se produce por transferencia de momentum al colisionar las partículas o bloques que se mueven. Los conos volcánicos son muy susceptibles a las avalanchas. Lahares
Los lahares constituyen un tipo especial de avalancha o flujo de detritos, generados por el deshielo rápido de áreas de nevados, con erupciones volcánicas. El flujo de agua arrastra lodo, ceniza volcánica y detritos formando avalanchas de gran magnitud y alta velocidad. Un ejemplo de lahar fue la avalancha de Armero en Colombia, la cual sepultó un pueblo completo y murieron 23.000 personas. El lahar fue aumentando de tamaño y velocidad a medida que se desplazaba por el cauce de un río de alta pendiente. Al pasar un intervalo de tiempo y secarse, el depósito del lahar se endureció.
CARACTERIZACIÓN DE LOS MOVIMIENTOS Junto al tipo de movimiento, es importante definir las características que posee en cuanto a secuencia, estado de actividad, estilo, velocidad, humedad y material. Tipo de Material Los siguientes términos han sido adoptados como descripción de los materiales que componen un determinado movimiento del talud. Roca. Se denomina “Roca” al material duro y firme que estaba intacto en su lugar, antes de la iniciación del movimiento. Residuos. Se denomina Residuos o “Detritos”, al suelo que contiene una significativa proporción de material grueso.Se considera que si más del 20% del material en peso es mayor de 2 milímetros de diámetro equivalente, debe llamarse “Residuos”. Por lo general, existen partículas mucho mayores de 2 milímetros, para que sean consideradas de este modo. Tierra. Se denomina tierra, a los materiales con más del 50% de finos (Pasantes tamiz ASTM 200) (USGS, 2004), su humedad es relativamente baja y no tiene consistencia líquida; se incluyen los materiales desde arenas a arcillas muy plásticas. Lodo. Se denomina lodo a un material con más del 50% de finos (Pasantes tamiz ASTM 200) (USGS, 2004), con humedades cercanas o superiores al límite líquido, esto le permite fluir rápidamente.
Humedad Se proponen cuatro términos para definir las condiciones de humedad así: Seco. No contiene humedad “visible”.
Húmedo. Contiene algo de agua, pero no posee agua (corriente) libre y puede comportarse como un sólido plástico pero no como un líquido. Mojado. Contiene suficiente agua para comportarse
2L en parte, como un líquido y posee cantidades visibles de agua que pueden salir del material. Muy mojado. Contiene agua suficiente para fluir como líquido, aún en pendientes bajas. Tabla 1.1 Glosario para ls caracterización ie ncv.mientos es masa. Ampliado ie Crudes y Varses . I9r"f • Tipo
Secuencia
Estado de actividad
Tamaño
Velocidad
Humedad
Material
Caído
Pi ogres ívo
Activado
Extremadamente Pequeño
Eztremadam ente rápido
Seco
Roca
Inclinación
Ret regresivo
Reactivado
Muy Pequeño
Muy rápido
Húmedo
Tierra
Rotación
Ampliándose
Suspendido
Pequeño
Rápido Moderado Moja de
Residuos
Traslación
Alargándose
Inactivo
Lento
Lodo
Extensión Lateral
Ccnfnado
Dormido
Mediano Me dianamente
Hundimiento
Disminuyendo
Abandonado
Flujo
Estabilizado
Avalancha Lahai
Relicto
grande Muy grande
Extr em a dament e
mojado
Muy lento
Eztremadam ente lento
grande
4.- Indique los efectos del agua en los materiales (en la estabilidad de u talud)- La presión de agua- Contenidos altos de humedad- El agua congelada- La escorrentía superficial y de lluvia- El flujo de agua bajo la superficie- La presión intersticialInfluencia del agua en el peso del suelo- Influencia del agua en la resistencia de corte de materiales.
El agua es el factor que más comúnmente es asociada con las fallas de los taludes, debido a que la mayoría de los deslizamientos ocurren después de lluvias fuertes o durante períodos lluviosos; de igual forma el control del agua subterránea es uno de los sistemas más efectivos para la estabilización de los deslizamientos. La interpretación más frecuente del efecto del agua es que las lluvias por infiltración, saturan el talud y la presión de poros, induce a una disminución de la resistencia al cortante, la cual a su vez, puede activar un deslizamiento (Figura 6.1).
Sin embargo, el proceso no es siempre tan simple y la activación de un deslizamiento por acción del agua, es un fenómeno complejo con una gran cantidad de variables. El análisis hidrológico es uno de los trabajos previos más importantes en el análisis de estabilidad de taludes. La hidrología no es una ciencia exacta y es posible que se obtengan resultados muy diferentes de acuerdo con el método que se utilice para el cálculo y la metodología de manejo de la información; por lo tanto, se debe tener un criterio muy claro de los fenómenos para interpretar la información hidrológica.
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Figura 6.1 Fuentes y aclo del agua subterránea en un talud.
EFECTOS DEL AGUA SOBRE EL SUELO
La relación del efecto del agua sobre la presencia de deslizamientos ha sido estudiada por una gran cantidad de investigadores. Existen evidencias muy claras de la relación directa entre las lluvias y la ocurrencia de deslizamientos de tierra. Adicional a las infiltraciones de agua lluvia pueden existir otras fuentes de agua como son los cuerpos de agua (canales, cañadas o lagunas) arriba del talud, en los cuales puede ocurrir infiltración
localizada. Los cambios en el sistema hidrológico del talud pueden afectar el comportamiento del mismo. Si el régimen de agua del suelo es alterado drásticamente por irrigación, remoción de la vegetación o inundación parcial, se puede producir la inestabilidad de los taludes (Richards, 1985). Entre los factores que afectan el comportamiento de los taludes (relacionados con la presencia del agua) se encuentran los siguientes:
Lubricación El efecto de lubricación ocurre principalmente a lo largo de fracturas o planos de estratificación en rocas o suelos estratificados (Wu, 2003). La lubricación reduce la resistencia y especialmente la fricción a lo largo de las discontinuidades. En los suelos arcillosos la lubricación se debe a que la presencia del agua produce una repulsión o separación entre las partículas (Figura 6.2). La atracción depende de las fuerzas de Vander-Walls y la repulsión varía de baja (B) a alta (A) dependiendo de los iones que han sido absorbidos y de la concentración de electrolitos en el agua. El efecto de lubricación puede ser magnificado por la presencia de las presiones de poros. La lubricación es muy importante en los suelos sub-superficiales y tiene menor importancia en la parte interna de la masa de suelo, donde la presión de poros es el efecto fundamental. Ablandamiento
El ablandamiento o debilitamiento se manifiesta principalmente en las propiedades físicas de los materiales de relleno en fracturas y planos de falla en rocas. El material de relleno puede tener un efecto de debilitamiento debido al aumento de contenido de agua.
Figura 6.2 Diagrama de fuerza contra distancia. La presencia del agua produce una repulsión o separación entre las partículas, enlos suelos arcillosos Al separarse las partículas, se disminuye la resistencia al cortante.
Por ejemplo, el suelo de relleno de las discontinuidades puede cambiar del estado sólido al plástico y aún, al estado líquido. El ablandamiento reduce la resistencia al cortante y especialmente la cohesión. Presiones de Poros La presión de poros es la presión interna del agua de saturación. El agua subterránea (o agua freática) ejerce presiones de poros sobre las partículas de suelo, disminuye la presión efectiva y la resistencia al cortante. La presión de poros dentro del suelo, depende de la localización de los niveles freáticos, de las presiones internas de los acuíferos y de las características geológicas del sitio. La presión de poros es mayor hacia adentro del talud y menor cerca de la superficie (Figura 6.3). Si existen mantos permeables, éstos facilitan el drenaje y se puede disminuir la presión de poros.
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Grieta de tensión
„ Presión
de poros
Figura 6.3 Presión de poros sobre una superficie de falla potencial.
La presión de poros cambia de acuerdo con las variaciones del régimen de aguas subterráneas. Los incrementos de presión pueden ocurrir rápidamente en el momento de una lluvia, (dependiendo de la intensidad de la lluvia) de la rata de infiltración del área tributaria, etc. El valor de las presiones de poros se mide utilizando piezómetros. Si no hay flujo de agua, la presión es hidrostática y la medida del piezómetro coincide con el nivel freático pero si existe flujo, las presiones no son hidrostáticas. En este último caso, la presión de poros en cualquier punto dentro de la masa de suelo, puede analizarse por medio de las redes de flujo, las cuales comprenden las líneas de flujo y las líneas de igual presión de poros. Para el análisis de presiones de poros sobre una superficie de falla, se deben tener en cuenta sus condiciones de drenaje. Cuando existe drenaje, la presión de poros disminuye hacia la superficie del talud pero cuando el drenaje es deficiente, se puede presentar un aumento importante de la presión de poros en el pie del talud (Figura 6.4). Debe tenerse en cuenta el efecto que las discontinuidades tienen en los niveles piezométricos determinados por las líneas equipotenciales. Las discontinuidades generan diferencias de conductividad hidráulica (permeabilidad), las cuales controlan el sistema de presiones dentro del talud.
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Figura 14 Prvsjouw de poro? scbr* una Kperflci* ir Foaoj Pubacclu 1WC».
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Cuando los suelos residuales o rocas meteorizadas conservan estructuras heredadas con orientación adversa, con frecuencia se desarrollan presiones importantes en las zonas de roca parcialmente meteorizada, elevando el nivel piezométrico. La presencia de fracturas permite además, la ocurrencia de presiones muy altas con muy poca infiltración de agua. Tensiones Capilares Las tensiones negativas o de capilaridad en la zona no saturada del perfil del suelo, se manifiestan en un aumento de la resistencia por adherencia de las partículas del suelo. El agua en el suelo no-saturado es agua adherida más que agua gravitacional. Esta adherencia aumenta los esfuerzos efectivos. Las tensiones capilares se asimilan a un fenómeno de succión del agua interna (Figura 6.5). Al saturarse un suelo, se disminuyen las tensiones capilares o presiones negativas, y en consecuencia, se disminuye la
resistencia del suelo. La resistencia de un suelo puede variar de un máximo al final de la época seca, cuando las tensiones capilares son mayores, a un mínimo durante la época de lluvia, cuando las tensiones capilares disminuyen al saturarse el suelo; y es después de los eventos de lluvia que ocurren comúnmente los deslizamientos, cuando las tensiones capilares disminuyen o desaparecen.
Figura 6.5 Cuando el suelo se encuentra parcialmente saturado se produce una succión en el agua, la cual aumenta los esfuerzos efectivos entre las partículas
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Subpresiones El agua subterránea confinada actúa como subpresión sobre las capas impermeables, disminuyendo la resistencia al corte y ejerciendo presiones hidrostáticas sobre los contactos de cambio de permeabilidad. Estos esfuerzos de levantamiento, pueden inducir a deformaciones o rotura de los materiales y las presiones de poros disminuyen la resistencia de los suelos. Fatiga por Fluctuaciones del Nivel Freático
Es común que las fallas de los taludes ocurran durante los períodos de lluvias fuertes. El mecanismo puede ser el ascenso de la línea piezométrica o la inestabilización de la capa superior del suelo por el flujo de agua paralelo al talud; sin embargo, algunos deslizamientos ocurren en episodios de lluvias de menor intensidad que episodios previos. Este fenómeno es explicado por Lacerda y Santos (2000), como un caso de fatiga del suelo, debido a las presiones de poros cíclicas. La hipótesis de la fatiga de los suelos por cambios cíclicos de presión a lo largo de los años, fue explicada por Lacerda (1989), como un descenso de la envolvente de falla o disminución en el intercepto cohesión. El modo de falla (en este caso) no es el de un aumento del esfuerzo desviador, sino de una disminución del esfuerzo efectivo, debido a un aumento de la presión de poros. Este fenómeno de fatiga fue comprobado por Santos y otros (1997), en ensayos triaxiales drenados. Este fenómeno puede clasificarse como un fenómeno de deterioro de las propiedades del suelo por el ascenso y descenso de los niveles freáticos y es muy común en los taludes de las orillas de los ríos. Lavado de Cementantes El flujo de agua puede disolver los cementantes naturales que pudieran existir, especialmente si hay carbonatos de calcio solubles. El agua subterránea puede sacar del talud, los cementantes solubles y así debilitar los vínculos granulares y en consecuencia decrece, la cohesión y el coeficiente de fricción intema. Este proceso generalmente es progresivo. Los suelos residuales poseen una gran susceptibilidad a lavado de finos, lo cual hace que las propiedades mecánicas de las zonas afectadas por las corrientes estacionales de agua, cambien rápidamente, por lavado de los cementantes o los compuestos químicos que unen las partículas. Aumento de Densidad La presencia de humedad aumenta la densidad o peso de los materiales del suelo. Al aumentar el peso, se aumentan los esfuerzos de cortante y se disminuye el factor de seguridad de los deslizamientos.
LA PRECIPITACIÓN El Ciclo Hidrológico El agua se encuentra en la naturaleza de diferentes formas, generalmente en continuo movimiento, de acuerdo con un ciclo que incluye las nubes o vapor de agua, la precipitación en forma de lluvia granizo o nieve, la infiltración, la evapotranspiración, la escorrentía, las corrientes subterráneas, los acuíferos, los ríos y quebradas, los mares y los lagos. El agua continuamente está cambiando de forma de acuerdo con un ciclo natural denominado ciclo hidrológico.
Parte de la lluvia se infiltra y parcialmente corre por la superficie como escorrentía. Precipitación = Evapotranspiración + Escorrentía + Flujo subterráneo + cambio de humedad en el suelo + Acumulación de agua subterránea en los acuíferos.
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32 La precipitación es el volumen o altura de agua lluvia que cae sobre un área en un período de tiempo, la cual tiene una influencia directa en la infiltración y en el régimen del agua subterránea, y a su vez afecta la estabilidad de taludes o laderas.
La precipitación promedio es muy superior en las zonas tropicales que en el resto del mundo. Estas lluvias son asociadas principalmente con agrupaciones o “clusters” de nubes que se localizan en la zona de convergencia de vientos. Generalmente, estas agrupaciones de nubes arrastradas por los vientos, cubren áreas de varios miles de kilómetros cuadrados. ACTIVACIÓN DE DESLIZAMIENTOS POR LLUVIAS El proceso de saturación y ascenso del nivel freático pueden determinar el mecanismo de falla de un talud por efecto de la lluvia. El agua infiltrada puede inestabilizar el talud de dos formas diferentes:
Eliminación de tensiones negativas. Al avanzar el frente húmedo por efecto de la infiltración, se eliminan las tensiones negativas y la cohesión aparente. Ascenso del nivel freático. El aporte de agua puede producir un ascenso del nivel freático y de la presión de poros y de esta forma, disminuir la resistencia del suelo. La eliminación de tensiones negativas ocurre de arriba hacia abajo y alcanza una determinada profundidad dependiendo de la intensidad y duración de las lluvias, de la conductividad hidráulica (permeabilidad) y de la profundidad del perfil permeable. El ascenso del nivel freático a su vez, ocurre de abajo hacia arriba. La activación de un deslizamiento puede depender no solo de la cantidad total de lluvia, sino también, de la duración y de la intensidad de la lluvia y del régimen de los periodos lluviosos. En la figura 6.55 se muestra un ejemplo del proceso de inestabilización por saturación. Activación de deslizamientos en macizos de roca En los macizos de roca fracturada se pueden activar deslizamientos por el flujo de agua a lo largo de las fracturas como se muestra en la figura 6.56. La saturación de la fractura genera una pérdida de resistencia por la eliminación de la succión en el material de relleno o en la junta propiamente dicha. Al saturarse las fracturas, se produce un aumento fuerte de la presión de poros trayendo como resultado una disminución en el factor de seguridad. Conjuntamente puede ocurrir lavado de los cementantes y erosión, debida al flujo de agua y a los procesos de expansión del relleno arcilloso de la junta, al aumentar la
humedad.
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Figura 6.55 Diagrama conceptual del proceso de saturación en el deslizamiento de La Conchita en 2005 (Jibson, 2006).
Secuencia Hidrológica del Proceso de Inestabilización
Generalmente las investigaciones muestran una secuencia hidrológica para la activación de los deslizamientos, así (Dhakal y Siddle, 2004): • Una lluvia acumulada anterior. Esta lluvia genera las condiciones propias de humedad
para propiciar la formación de niveles de agua colgados en sitios inestables. • Un período prolongado de lluvia. La lluvia en las últimas 24 horas, o menos, aumenta
las presiones de poros y asciende los niveles freáticos (Figura 6.57). • Un evento de alta intensidad. Se aumenta, de forma rápida, la saturación del perfil y un
incremento brusco de la presión de poros, lo cual activa los deslizamientos. Sin embargo, en los perfiles de suelos permeables poco profundos, se pueden obviar las dos primeras etapas y los deslizamientos pueden activarse por un evento de gran intensidad, sin que exista lluvia antecedente o acumulada.
Fiujs
ce agua por a discontinuidad
Figura 6.56 Al pasar el flujo de agua a lo largo de las fracturas, se produce imcialmente una pérdida de resistencia por la eliminación de la succión y posteriormente, la generación de presión de poros (Jaboyedoffy otros. 2004)
Existe un valor crítico de lluvia que activa un deslizamiento pero su cuantificación previa es muy difícil. Generalmente, los valores por encima del promedio de lluvias, son los que generan la mayoría de los problemas. Entre más lenta sea la lluvia, habrá más volumen de infiltración y menos escorrentía. La proporción escorrentía-infiltración depende de la intensidad de la lluvia, la pendiente, la cobertura vegetal y la conductividad hidráulica (permeabilidad) del suelo subsuperficial. En las zonas de pluvbsidad moderada, en suelos arcillosos, las lluvias lentas pueden producir el mayor número de deslizamientos. Por el contrario, en los materiales de alta permeabilidad, las lluvias intensas son las que activan mayor cantidad de deslizamientos. Se han realizado una gran cantidad de trabajos de investigación sobre la activación de deslizamientos por acción de las lluvias; sin embargo, las conclusiones muestran resultados muy diversos y ocasionalmente contradictorios, debido a la complejidad de los fenómenos y a la diversidad de los factores involucrados. Los análisis incluyen desde análisis empíricos hasta metodologías complejas, incluyendo los programas de software.
La medida de las presiones intersticiales en el interior del talud se lleva a cabo mediante la instalación de piezómetro en sondeos o pozos de reconocimiento. Todo lo anterior, solicita el empleo de programas de ordenador, los cuales permiten la modelización detallada y el análisis de la rotura y del comportamiento de las laderas en suelos y rocas. Programas como FLAC, UDEC, ZSOIL, PLAXIS, PHASE2, ROCKFALL, ROTOMAP, etc., permiten el análisis de casos complejos y de una gran variedad de condiciones hidrogeológicas, tensionales, etc., modelizándose también las medidas de estabilización. La instrumentación o auscultación de deslizamientos tienen por finalidad la vigilancia y la predicción del comportamiento de la ladera, además, de la obtención de datos sobre el proceso. La instrumentación debe orientarse fundamentalmente a la investigación de:
- Situación de la superficie o superficies de rotura
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- Velocidad del
movimiento, su variación y distribución de los desplazamientos en la
ladera - Posición del nivel freático. 5.- Explique la Resistencia Residual- Resistencia de Pico y a que Cuna de PostPico, y como actúa la Presión Intersticial en caso de rocas permeables
Resistencias Pico y Residual Desde el punto de vista de la relación esfuerzo - deformación, en la estabilidad de taludes se debe tener en cuenta dos tipos de resistencia: resistencia pico y resistencia residual.
Figura 3.2 El ángulo de reposo coincide con el ángulo de fricción en una arena seca
Figura 3.3 Cun as esfuerzo de corte-desplazamiento en un ensayo de Corte directo (Duncan y Wright. 2005).
Resistencia máxima o resistencia pico. Es la máxima resistencia al corte que posee el material, el cual no ha sido fallado previamente y corresponde al punto más alto en la curva esfuerzo - deformación (Figura 3.3). La modelación de la resistencia pico en el análisis de la estabilidad, asume que la resistencia pico se obtiene simultáneamente a lo largo de toda la superficie de falla; sin embargo, algunos puntos en la superficie de falla han alcanzado deformaciones mayores
"2 C Jl que otros (en un fenómeno de falla progresiva) y asumir que la resistencia pico actúa simultáneamente en toda la superficie de falla puede producir errores en el análisis.
Resistencia residual. Es la resistencia al corte que posee el material después de haber ocurrido la falla. Skempton (1964) observó que en arcillas sobreconsolidadas, la resistencia calculada en el análisis de deslizamientos después de ocurridos, correspondía al valor de la resistencia residual y recomendó utilizar para el cálculo de factores de seguridad, los valores de los parámetros obtenidos para la resistencia residual (pr y Cr. La resistencia residual en los suelos cohesivos se debe tener en cuenta cuando existe una superficie previa de corte donde han ocurrido desplazamientos en el pasado y en suelos licuables, expuestos a sismos de gran magnitud.
Figura 3.4 Envolventes de falla de las Resistencias Pico y Residual
En los suelos dúctiles, la resistencia pico tiende a ser muy similar a la resistencia residual. En los suelos frágiles al producirse la falla, la disminución de la resistencia pico a la residual, es significativa. La diferencia entre la resistencia pico y la residual es un indicativo de la fragilidad de los materiales (Figura 3.3). Otro factor que determina las diferencias entre la resistencia pico y la residual, es la “sensitividad”, la cual está relacionada con la pérdida de resistencia por el remoldeo o la reorientación de las partículas de arcilla. La pérdida de resistencia en el momento de la falla al cortante, está relacionada principalmente con una disminución de la cohesión. El ángulo de fricción, aunque disminuye, no es afectado en forma substancial. Como se observa en la figura 3.4 el ángulo de fricción pico (cpp) es muy similar al ángulo de fricción residual (
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Presión de Poros En general, la presión de poros consiste en la presión en el agua dentro de los poros del suelo y se identifica con la letra “p”. La presión de poros disminuye los esfuerzos normales efectivos entre las partículas, trata de separarlas y disminuye la resistencia a la fricción (Figura 3.5). Al colocar una carga se puede producir un cambio en la presión de poros que se denomina como Ap (exceso de presión de poros) o deficiencia de presión de poros inducidos por las condiciones de carga.Si el agua en el suelo no está en movimiento, la altura del agua genera un fenómeno de presión hidrostática: Donde:
33 yw = peso unitario del agua ziv = profundidad vertical del punto por debajo del nivel de agua freática.
La tensión de ayja en tos pores intenta unr las panicu'as
La presión de agua produce que las participas se traten ce separar
a) Na saturado
b) Saturado
Figura 3.5 La presión de poros trata de separar las partículas y de esta forma, se disminuye la resistencia a la fricción.
Si el agua está en movimiento, la presión de poros puede ser superior a yw . zw, y debe determinarse la cabeza hidrostática hu por medio de un piezómetro o una red de flujo. En este caso, la presión de poros se calcula por medio de la expresión: u = yw\
Si se supone la superficie freática inclinada a un ángulo 0 con la horizontal, la cabeza piezométrica es igual a: = hw eos2 9
Donde: hu es la distancia vertical a la línea del nivel freático.
Figura 3.6 Medición de la presión de peros
La presión de poros aumenta en los taludes en temporadas de lluvias y disminuye en temporadas de sequía. Es muy importante entender y cuantificar la variación temporal y espacial de la presión de poros en los taludes. La variabilidad es mayor en la cuesta que en el pie del talud.
Parámetros de Presión de Poros El análisis de esfuerzos efectivos requiere del conocimiento de las presiones de poros en el campo. Estas presiones de poros pueden ser estimadas si se determinan los cambios
de esfuerzo dentro del suelo. Cuando un suelo se carga o se descarga por la construcción de un terraplén o una excavación, el cambio de volumen de suelo trae como resultado un cambio en la presión de poros Ai/. Este cambio en la presión de poros puede aumentar o disminuir con el tiempo, dependiendo del tipo de suelo y del tipo de esfuerzos involucrados. Bajo las condiciones completamente drenadas (Condición a largo plazo) At/ se disipa y se convierte en At/ = 0.
Para las condiciones parcialmente drenadas o no-drenadas, la evaluación de u depende de la rata relativa de carga, comparada con la rata de drenaje del agua dentro del suelo. La magnitud del cambio de presión de poros que se desarrolla como resultado del cambio de esfuerzos en los suelos no drenantes, fue propuesta por Skempton (1954), utilizando los parámetros A y B. Estos parámetros de presión de poros A y B, permiten calcular las presiones de poro en exceso. Ay
=B\ A(T¡ +/1(A(TJ -AíTJ )]
Donde: Au = Exceso de presión de poros. A = Parámetro de presión de poros A. B = Parámetro de presión de poros B. Aa1 = Cambio en el esfuerzo principal mayor. Aa3 = Cambio en el esfuerzo principal menor. Los parámetros A y B deben ser determinados a partir de ensayos de laboratorio o seleccionados de la experiencia. Para los suelos saturados, B se acerca a 1.0 pero su valor desciende drásticamente con la disminución en el grado de saturación. Los valores del parámetro A varían con la magnitud de las deformaciones de cortante, densidad inicial y relación de consolidación del suelo y generalmente, alcanzan valores máximos en el momento de la falla. A es positivo para aquellos suelos que tienden a comprimirse al cortarse, por ejemplo arena suelta o arcilla, normalmente consolidada. A es negativo para aquellos suelos que tienden a dilatarse al cortarse, por ejemplo, arena densa y arcillas sobreconsolidadas. Los valores de A permiten tener en cuenta el fenómeno según el cual los suelos normalmente consolidados tienden a generar excesos de presión de poros positiva durante el corte y en contraste, los suelos sobreconsolidados pueden generar presiones en exceso negativas. La tabla 3.1 muestra valores típicos de parámetro A en el momento de la falla. El valor de A está muy influenciado por el nivel del suelo donde ha sido previamente deformado el esfuerzo inicial, la historia y la trayectoria de estos esfuerzos, tales como carga y descarga (Lambe y Whitman, 1969).
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Tabla 3.1 Valorea ripíeos áei parámetro A.
Tipo de Arcilla
Valor del Parámetro A de Skempton
Altamente sensitiva
0.75 a 1.5
Normalmente
0 5 a 1.0
consolidada
Arcilla arenosa
0.25 a 0.75
compactada
Arcilla ligeramente sobreconsolidada
Arcillas gravosas compactadas
Arcillas muy sobreconsolidadas
0 0 a 0.5 •
0.25 a +0.25 -0.5 a 0.0
6.- Explique en que consiste el método del equilibrio Límite de Análisis de Estabilidad de un talud y en que leyes se basa.
Un análisis de límite de equilibrio permite obtener un factor de seguridad o a través de un análisis regresivo, obtener los valores de la resistencia al cortante en el momento de la falla. Una vez se han determinado las propiedades de resistencia al cortante de los suelos, las presiones de poros y otras propiedades del suelo y del talud, se puede proceder a calcular el factor de seguridad del talud. Este análisis de estabilidad consiste en determinar si existe suficiente resistencia en los suelos del talud para soportar los esfuerzos de cortante que tienden a causar la falla o deslizamiento. La mayoría de los métodos de límite de equilibrio tienen en común, la comparación de las fuerzas o momentos resistentes y actuantes sobre una determinada superficie de falla. Las variaciones principales de los diversos métodos son, el tipo de superficie de falla y la forma cómo actúan internamente las fuerzas sobre la superficie de falla. Parámetros Utilizados en los Análisis de Límite de Equilibrio Los modelos tienen en cuenta los factores primarios que afectan la estabilidad. Estos factores incluyen geometría del talud, parámetros geológicos, presencia de grietas de tensión, cargas dinámicas por acción de los sismos, flujo de agua, propiedades de resistencia y peso unitario de los suelos, etc. Sin embargo, no todos los factores que afectan la estabilidad de un talud se pueden cuantificar para incluirlos en un modelo matemático de límite de equilibrio. Por lo tanto, hay situaciones en las cuales un enfoque de límite de equilibrio no produce resultados satisfactorios.
Pesos unitarios
El peso unitario es tal vez el parámetro más sencillo de medir para el análisis de estabilidad de los taludes, es el que influye menos en el factor de seguridad. Los pesos unitarios totales son pesos húmedos por encima del nivel freático y saturados por debajo de éste nivel. En el caso de que se utilicen pesos sumergidos, se debe ignorar la presencia de nivel freático. La densidad saturada se puede determinar asumiendo un valor de gravedad específica G, el cual se puede suponer igual a 2.68 para la mayoría de los suelos (Comforth, 2005).
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de tensión pata análisis de límite de equilibrio
Fisura 4.4 Esqueja eU una
grieta
2003).
Resistencia al cortante La resistencia al cortante que se va a utilizar en los análisis, puede ser medida por alguno de los métodos de laboratorio o de campo que se indicaron en el capítulo 3. Se debe tener en cuenta si se trata de condiciones drenadas o no drenadas o si el análisis es realizado en estado no-saturado. Los parámetros deben corresponder a los niveles de esfuerzos sobre las superficies de falla potenciales. En los casos en los cuales ya ha ocurrido la falla del talud, se recomienda emplear las resistencias residuales (Skempton, 1970, 1977,1985). Igualmente, debe tenerse en cuenta la disminución de resistencia, con el tiempo. Para suelos que son completamente saturados, el ángulo de fricción para condiciones no drenadas, es igual a cero. La resistencia no drenada para suelos saturados puede ser determinada a partir de los ensayos no-consolidados no-drenados.
Para los suelos parcialmente saturados, tales como arcillas compactadas o suelos arcillosos por encima del nivel freático, las resistencias no drenadas deben obtenerse a partir de ensayos no-consolidados, no-drenados en muestras con el mismo grado de saturación que el suelo en el campo. La envolvente de falla para esos suelos generalmente, es curva y por lo tanto, es importante utilizar el mismo rango de presiones de confinamiento tanto en los ensayos de laboratorio como en los de campo. Condiciones drenadas o no drenadas Las fallas de los taludes pueden ocurrir en condiciones drenadas o no drenadas. Si la inestabilidad es causada por los cambios en la carga, tal como la remoción de materiales de la parte baja del talud o aumento de las cargas en la parte superior (en suelos de baja permeabilidad) éstos pueden no tener tiempo suficiente para drenar durante el tiempo en el cual ocurre el cambio de carga. En ese caso, se dice que las condiciones son no drenadas. Generalmente, los suelos tienen permeabilidades suficientes para disipar las presiones de poros en exceso y se comportan en condiciones drenadas. Para las ratas normales de carga que equivalen a meses o semanas, se pueden considerar drenados suelos con permeabilidades mayores de 10-4 cm/seg. En cambio, los suelos con permeabilidades menores de 10-7 cm/seg, se consideran no drenados. Mientras, las permeabilidades intermedias se consideran parcialmente drenadas. Duncan (1996), recomienda que para los taludes en los cuales la causa de la falla es el aumento de la presión de poros (debida a las lluvias), el problema debe analizarse como condición drenada.
Para determinar las condiciones de drenaje Duncan (1996) sugiere utilizar la siguiente expresión:
_ 1
Cj
D-
Donde: T = Factor adimensional Cv = Coeficiente de consolidación t = Tiempo de drenaje D = Longitud del camino de drenaje o distancia de salida del agua al cambio de presiones. Si T es mayor de 3, la condición es drenada. Si T es menor de 0.01, la condición es no drenada. Si T está entre 0.01 y 3.0, ocurre drenaje parcial durante el tiempo de cambio de cargas. En este caso, deben analizarse ambas condiciones, el caso drenado y el caso no drenado.
Esfuerzos totales y efectivos Como se estudió en el capitulo anterior, los problemas de estabilidad de taludes pueden analizarse suponiendo sistemas de esfuerzos totales o efectivos. En principio, siempre es posible analizar la estabilidad de un talud utilizando el método de presión efectiva, porque la resistencia del suelo es gobernada por las presiones efectivas tanto en la condición drenada, como en la condición no drenada; sin embargo, en la práctica es virtualmente imposible determinar con precisión cuáles son los excesos de presión de poros que se van a generar por los cambras en las cargas (excavaciones, colocación de rellenos o cambios en el nivel de agua). Debido a esto, no es posible desarrollar análisis precisos de estabilidad en estas condiciones, utilizando procedimientos de esfuerzos efectivos. No obstante, se puede trabajar todo el análisis usando presiones efectivas, sin que se requiera especificar los valores de los excesos de poros en las condiciones no drenadas. La mayoría de los modelos de análisis trabajan con base en las presiones efectivas.
Estabilidad a corto y a largo plazo En la estabilidad a corto plazo debe tenerse en cuenta que los suelos que no tienen un drenaje rápido, están sujetos a presiones de poros por acción de las cargas aplicadas. En la estabilidad a largo plazo, se supone que los suelos están drenados. Para la estabilidad (a corto plazo) de las arcillas normalmente consolidadas y de limos, se recomienda modelar con análisis de esfuerzos totales. Aunque se puede realizar el análisis empleando esfuerzos efectivos, es muy difícil estimar o medir las presiones de poros para su utilización en el análisis. Para las arcillas sobreconsolidadas, el análisis de estabilidad a corto plazo, prácticamente es imposible de realizar, debido a que la resistencia del suelo cambia muy rápidamente con el tiempo. En este caso, se recomienda utilizar la experiencia local en la formación arcillosa específica analizada y usar criterios empíricos (Comforth, 2005). La estabilidad a largo plazo, es más fácil de analizar que la estabilidad a corto plazo. Para todos los casos, se recomienda emplear análisis de esfuerzos efectivos. Métodos de Límite de Equilibrio Durante muchos años se ha realizado el análisis de los movimientos de los taludes o laderas, haciendo uso de las técnicas de límite de equilibrio. Este sistema supone que en el caso de una falla, las fuerzas actuantes y resistentes, son iguales a lo largo de la superficie de falla y equivalentes a un factor de seguridad de 1.0. El análisis se puede realizar estudiando directamente la totalidad de la longitud de la superficie de falla o dividiendo la masa deslizada en tajadas o dovelas. Cada día se han ido mejorando los
sistemas de dovelas desarrollados por Petterson y Fellenlus (1936). Algunos métodos son precisos y otros, solamente aproximados (Figura 4.6). Los métodos de Bishop (1955) y Janbú (1954) han sido muy utilizados en los últimos 50 años y se han desarrollado métodos de análisis más precisos y complejos como los de Morgenstern y Price (1965) y Spencer (1967), ayudados por programas de software que permiten realizar análisis muy rigurosos. Generalmente, los métodos son de iteración y cada uno de éstos posee un cierto grado de precisión. En la tabla 4.2 se enumeran algunos de los métodos más utilizados. Método
Superficies de Falla
Equilibrio
Talud infinito
Rectas
Fuerzas
Bloque delgado la superficie
Fuerzas
Cuñas simples, dobles o triple; analizando lasfuerzas que actuar sobre cada erra
Cuñas am Bloques c cuñas
tramos rectos
Espiral logarítmica Frohlich. 1953)
Arco circular. Fellemus. 1922)
Características
con nivel freático, falla paralela a
Espiral logarítmica
mementos
Superficie de falla en espiral logarítmica. El radio de la espiral varia con el ángulo de rotación.
Circulares
Momentos
■Círculo de falla, el cual es analizado como un solo bloque. Se requiere que el suelo sea cohesivo
Fuerzas y
=
(1 0).
Ordinario o de Fellemus
No tiene en cuenta las fuerzas entre dovelas.
Circulares
Fuerzas
Circulares
Momentos
Cualquier forma
Fuerzas
Asume que dovelas
Cualquier forma
Fuerzas
Las fuerza; entre develas tienen la misma direccicm. que la superficie del terreno.
Cualquier forma
Fuerzas
Las fuerzas entre dovelas están inclinadas en un ángulo igual ai promedie de la superficie del terreno y las bases de las dovelas
forma
Momentos y fuerzas
La mdmaa on de las fuerzas laterales son las mismas para cada tajada, pero son desconocidas
Cualquier forma
Momentos y fuerzas
Las fuerzaE entre dovelas, sea asume, que varían de acuerdo con una funden arbitraria.
Cualquier
Momento? y fuerzas
Utiliza el método de las dovelas en el cálculo de la magnitud de un coeficiente sísmico requerido para producir la falla.
iFelienius 1927) Bishop simplificado i Bishop 1955)
Janbú Simplificado (Janbú 196S)
Sueco Modificado. U.S Army Corps of Engineers (1970) Lowe y Karafiath (I960)
Spencer (1967)
Morgens:em y Pnce (1965)
Sarma (1973)
Cualquier
forma
Asume que todas las fuerzas de cortante,, entre dovelas, son cero
no hay fuerza de cortante entre
veíc-dcs de E-2U ItlC TH€
Vfio:os nuT éreos
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Eteneitos
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E-fclCp 8lnplfT'23CO
Elementos de Eotle
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Figura 4.6 Métodos de análisis de eetab±áad de raludfcs.
7.- Equilibrio limite. Defina los métodos exactos y los no exactos.
Métodos de equilibrio límite Se basan exclusivamente en las leyes de la estática para determinar el estado de equilibrio de una masa de terreno potencialmente inestable. No tienen en cuenta las deformaciones del terreno. Suponen que la resistencia al corte se moviliza total y simultáneamente a lo largo de la superficie de corte. Se pueden clasificar a su vez en dos grupos: Métodos exactos. Métodos no exactos. 1. Métodos exactos
La aplicación de las leyes de la estática proporcionan una solución exacta del problema con la única salvedad de las simplificaciones propias de todos los métodos de equilibrio límite (ausencia de deformaciones, factor de seguridad constante en toda la superficie de rotura, etc.). Esto sólo es posible en taludes de geometría sencilla, como por ejemplo la rotura planar y la rotura por cuñas.
2. Métodos no exactos
En la mayor parte de los casos la geometría de la superficie de rotura no permite obtener una solución exacta del problema mediante la única aplicación de las leyes de la estática. El problema es hiperestático y ha de hacerse alguna simplificación o hipótesis previa que permita su resolución. Se pueden considerar así los métodos que consideran el equilibrio global de la masa deslizante, hoy en desuso, y los métodos de las dovelas o rebanadas, que consideran a la masa deslizante dividida en una serie de fajas verticales. Los métodos de las dovelas o rebanas pueden clasificarse en dos grupos: Métodos aproximados: no cumplen todas las ecuaciones de la estática. Se pueden citar por ejemplo los métodos de Fellenius, Janbu y Bishop simplificado. Métodos precisos o completos: cumplen todas las ecuaciones de la estática. Los más conocidos son los de Morgenstern-Price, Spercery Bishop riguroso. En la figura 1, se muestra un gráfico en el que se recogen los diferentes métodos de cálculo.
8.- Que entiende por corrección de taludes y que por Corrección por Modificación de la Geometría de un Talud y en que consiste (factor que la controla)- Solución de Bermas- Descabezamiento- Escollera o tocones de tierra- Por Drenaje Superficial y Profundo- Drenaje Horizontal- Pozos Verticales de Drenaje- Gaviones- Zanjas Horizontales, (dibujos, croquis, fotos, tablas etc)
La estabilización de los deslizamientos en actividad o potencialmente inestables, es un trabajo relativamente complejo que requiere de metodologías especializadas de diseño y construcción. Cada sistema tiene su base teórica y sus procedimientos constructivos. En el presente capítulo se indican algunos de los sistemas de remediación que se han utilizado en el mundo, pero en otros capítulos del libro, se explican con mayor detalle.
La solución de cada problema requiere un análisis conceptual y determinístico de las causas y mecanismos del problema y un diseño detallado de la remediación (Figura 1 .2). Uno de los factores más importantes que define la alternativa de manejo, es la disponibilidad de recursos. Algunos proyectos disponen de grandes presupuestos, lo cual permite la construcción de obras de gran magnitud; sin embargo, es muy común que los recursos económicos sean limitados y se requiera utilizar tecnologías de bajo costo.
Figura 1.1 Algunas técnicas de remediación de la amenaza y el riesgo a los deslizamientos.
Bermas Bajas o Contrabermas El sistema de contrapesos es muy útil para la estabilización de taludes de terraplenes sobre zonas de suelos blandos, donde las fallas ocurren generalmente por falta de resistencia en el manto de cimentación del terraplén. En este caso, se construye una berma, la cual consiste en un terraplén de menor altura ubicado junto al terraplén principal, que sirve de contrapeso al aumentar la longitud de la superficie de falla (Figura 1.14). Las bermas o contrabermas son usadas para colocar una carga al pie de un terraplén sobre el suelo blando y de esta forma, aumentar la resistencia abajo del pie. La berma se coloca en el área que de acuerdo con el análisis de estabilidad, se puede levantar al producirse un deslizamiento. La contraberma se debe diseñar de forma que sea efectiva para garantizar la estabilidad del terraplén principal y al mismo tiempo, que sea estable por sí misma. El efecto de la contraberma es el de crear un contrapeso que aumente la longitud y la profundidad del círculo crítico de falla. Se recomienda prestar atención especial al cálculo de la capacidad de soporte o estabilidad del talud profundo del suelo sobre el cual se plantea la colocación de la contraberma. Si no se hace un estudio de estabilidad, hay peligro de que la carga adicional impuesta por la contraberma, pueda generar una falla profunda.
Figura 1.14 Esquema die una
term a lateral a un terraplén para evitar la falla del pie.
DRENAJE SUPERFICIAL El objetivo principal del drenaje superficial es mejorar la estabilidad del talud reduciendo la infiltración y evitando la erosión. El sistema de recolección de aguas superficiales debe captar la escorrentía, tanto del talud como de la cuenca de drenaje arriba del talud y llevar el agua a un sitio seguro, lejos del talud que se va a proteger. El agua de escorrentía debe, en lo posible, desviarse antes de que penetre el área del deslizamiento o se infiltre en dirección al talud. Por otro lado, el agua de las lluvias que cae directamente sobre la superficie del talud, debe ser evacuada lo más rápidamente posible, evitando al mismo tiempo que su paso cause daños por acción de la erosión, almacenamiento e infiltración. Obras Provisionales de Drenaje Algunas veces, es importante la construcción de medidas temporales de drenaje superficial después de ocurrido un deslizamiento, para evitar su ampliación o aceleración. Estas obras pueden consistir en diques o canales de tierra, mampostería, concreto o bolsas de polipropileno o fibras vegetales rellenas de suelo, sellado de grietas con arcilla, mortero o asfalto para reducir la infiltración y cubrir el terreno (temporalmente) con plásticos.
Tipos de Obra de Drenaje Superficial Las obras de drenaje generalmente consisten en: Canales para redireccionar el agua de escorrentía. Se debe impedir que el agua de escorrentía se dirija hacia la zona inestable.
Zanjas de corona. Son zanjas interceptaras de la escorrentía en la parte alta del talud. Diques en la corona del talud. Son diques en relleno, colocados arriba de la corona, con el objeto de desviar hacia los lados las aguas de escorrentía.
Drenes Franceses. Son zanjas rellenas de material granular grueso que tienen por objetivo captar y conducir las aguas de escorrentía.
Trinchos o Cortacorrientes. Consisten en diques a través del talud para desviar lateralmente, las aguas de escorrentía. Torrenteras. Son estructuras que recogen las aguas de los canales, diques o cortacorrientes y las conducen hacia abajo del talud. Generalmente, Incluyen elementos para disipar la energía del flujo del agua. Sellado de grietas con arcilla o mortero. El objeto es impedir la infiltración de agua hacia el deslizamiento.
Imprimación del talud con asfalto o impermeabilización con mortero. La impermeabilización tiene por objeto evitar los cambios de humedad en el suelo.
Recubrimiento con plásticos. Aunque el recubrimiento no Impide la infiltración, sí protege contra el impacto de las gotas de lluvia, disminuye los volúmenes de agua
Infiltrada y mantiene la humedad natural. Conformación y nivelación del terreno. El objetivo es evitar o eliminar las depresiones y empozamientos de agua superficiales para disminuir los volúmenes de infiltración. No se recomienda en problemas de taludes, la utilización de conducciones en tubería por la alta susceptibilidad a agrietarse o a taponarse, con lo cual se generan problemas de infiltración masiva concentrada.
Conformación del Terreno Consiste en la eliminación de pantanos o áreas de infiltración arriba de la corona o dentro del área del talud. Las acumulaciones de agua, pantanos, o zonas planas de infiltración de agua arriba de la corona o cresta del talud, deben drenarse para disminuir los volúmenes de agua infiltrados que pueden aumentar las presiones de poros en el talud. El objetivo es facilitar el drenaje sin realizar cortes ni rellenos de gran magnitud. Previamente a la conformación del terreno, debe recolectarse la información de los agrietamientos, levantamientos, hundimientos etc., y la toma de fotografías para el análisis del proceso de falla. Sellado de Grietas La infiltración del agua de escorrentía por grietas o fisuras en el suelo, representa una causa frecuente de aceleración de los movimientos. Las grietas pueden sellarse o impermeabilizarse empleando suelo compactado, concreto, mortero, lechada de cemento o asfalto (Figura 2.3).
Figura 2,3 Se requiere sellar las gneras para impertir la infiltración que puede activar un deslizamiento FHWA, 1988).
Fotografía 2.2 Sistema de canales prefabricados para el drenaje de los taludes.
Generalmente, el sellado de las grietas es efectivo sólo a corto plazo, porque existe la tendencia a que se abran nuevamente y entonces, debe analizarse la posibilidad de drenar las grietas por medio de zanjas.
Impermeabilización Temporal Utilizando Plásticos. Consiste en cubrir el área del deslizamiento. La impermeabilización del terreno con telas plásticas o materiales similares, puede reducir la infiltración y de esta forma, ayudar a disminuir la velocidad de los movimientos. El uso de esta técnica es común en la construcción de obras civiles como medida temporal para disminuir el potencial de erosión y la infiltración del agua. Su bajo costo hace que sea una técnica usada con mucha frecuencia a pesar de que su efectividad es limitada. Existe una tendencia a sobreestimar la efectividad de la impermeabilización provisional.
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Figura 2.4 Detalle áe zaajae de la corona para el control de las aguas superficiales en un talud.
Canales o Zanjas de Desvío de la Escorrentía Consisten en canales revestidos que recolectan y conducen las aguas de escorrentía. Cuando la escorrentía es la causa de la inestabilidad, es importante redireccionarla para disminuir la amenaza. La redirección de la escorrentía puede realizarse con canales desviadores, trinchos o cortacorrientes. Zanjas de corona
Las zanjas en la corona o en la parte alta de un talud, son utilizadas para Interceptar y conducir adecuadamente las aguas lluvias y evitar su paso por el talud. La zanja de la corona no debe construirse muy cerca del borde superior del talud para evitar que se convierta en actlvadora de un deslizamiento en cortes recientes; o en una nueva superficie de falla (movimiento regresivo) en deslizamientos activos; o se produzca la falla de la corona del talud o escarpe (Figura 2.4). Se recomienda que las zanjas de la corona sean totalmente impermeabilizadas; Igual, se debe proveer una pendiente suficiente para garantizar un rápido drenaje del agua captada (Fotografía 2.2). Sin embargo, a pesar de lograrse originalmente una impermeabllización, con el tiempo se producen movimientos en el terreno, los cuales causan grietas en el impermeabilizante y por lo tanto, producen Infiltraciones.
La recomendación de la ¡mpermeabillzaclón se debe complementar con un correcto mantenimiento. Se sugiere que al menos cada dos años, se deben reparar las zanjas de la corona para impermeabilizar las fisuras y las grietas que se presenten. Las dimensiones y la ubicación de la zanja pueden variar de acuerdo con la topografía de la zona y el cálculo previo de los caudales colectados. Generalmente, para las áreas pequeñas de drenaje, se recomienda una zanja rectangular mínimo de 40 centímetros de ancho y 50 centímetros de profundidad. Se hace lo posible para que queden localizadas a lo largo de una curva de nivel, a fin de garantizar un correcto drenaje y que estén lo suficientemente atrás de las grietas de tensión en la corona.
La separación mínima recomendada, es de tres metros desde el borde de la corona. Para las áreas de drenaje de gran magnitud, se requieren canales con gran capacidad de conducción de agua. SUBDRENAJE Las técnicas de drenaje subterráneo o subdrenaje son uno de los métodos más efectivos para la estabilización de los deslizamientos. El drenaje subterráneo tiene por objeto disminuir las presiones de poros o impedir que éstas aumenten. A menor presión de poros la resistencia del suelo es mayor. El diseño de los sistemas de subdrenaje es complejo debido a que la mayoría de los taludes no son homogéneos desde el punto de vista del drenaje subterráneo y es muy difícil aplicar principios sencillos en el diseño de obras de subdrenaje. El movimiento de las aguas en los taludes por lo general, es irregular y complejo. Superficie de: terreno
Salida
de descarga
Entrega (0.1S m diámetro tubo sin pe-foracionesi
9.- Como se clasifican los métodos de cálculo para analizar la estabilidad del talud y describa en qué consisten los métodos de cálculo en deformaciones.
Los métodos de cálculo para analizar la estabilidad de un talud se pueden clasificar en dos grandes grupos: Métodos de cálculo en deformaciones. Métodos de equilibrio límite. 1. Métodos de cálculo en deformaciones Consideran en el cálculo las deformaciones del terreno además de las leyes de la estática. Su aplicación práctica es de gran complejidad y el problema debe estudiarse aplicando el método de los elementos finitos u otros métodos numéricos. Existen dos métodos de análisis por medio de elementos finitos: Método directo Método indirecto
Método directo: “La simulación del colapso”
Utilizado por investigadores como Zienkiewics et al. (1975), Naylor (1982), entre otros. Este método se basa en la localización de la superficie potencial de falla para posteriormente calcular el factor de seguridad global. La simulación de la falla se determinará a través de la reducción progresiva de los parámetros de suelo resistentes, o alternativamente por el aumento de la sobrecarga del suelo. . En el último caso el factor de seguridad está en función de la carga y deberá interpretarse como el coeficiente que va a aumentar la carga para que se genere la falla en el suelo. La reducción de los parámetros de resistencia del suelo (suelo seco o saturado) está dado
por.
Donde M es el parámetro utilizado para reducir los valores de tgO y c en sucesivos análisis no lineales por MEF hasta la falla del talud cuando M = FS (Factor de seguridad global). Esta técnica de simulación de colapso depende de un esquema numérico empleado en el análisis por EMF, mediante la solución con un sistema de ecuaciones no lineales (Método de la rigidez tangente, método de Newton-Raphson, método de Newton-Raphson modificado, método de la longitud de arco, etc). De acuerdo con el sistema de ecuaciones utilizados, la no convergencia de la solución numérica determinaría el colapso del talud o puede estar asociado a la dificultad numérica del propio algoritmo utilizado en la solución del sistema de ecuaciones, lo que requeriría un incremento de carga más pequeño y un número mayor de iteraciones para conseguir la convergencia numérica. Método Indirecto: Equilibrio límite mejorado
Este método fue propuesto por Brown & King (1966). En este método la zona de tensión es calculada inicialmente mediante un análisis de elementos finitos y seguidamente se calcula el factor de seguridad global utilizando el método de equilibrio límite.
La diferencia con el método directo es que aquí no se requiere de un gran esfuerzo computacional, variándose repetidamente los parámetros de resistencia del material hasta que se produzca la falla o incluso una relación constitutiva elasto-plástica y pueden considerarse relaciones de tensión deformación tan simples como los modelos lineales o hiperbólicos. El factor de seguridad global es calculado de la misma manera que el método tradicional de equilibrio límite.
Las figuras 1 y 2 muestran el método de manera práctica. La superficie potencial de deslizamiento AB se observa en la figura 1, la variación de la resistencia del esfuerzo cortante (s) está representada por la línea anaranjada, mientras que la distribución de esfuerzos cortante actuantes está representada por la línea roja en la figura 2. Ambas distribuciones a lo argo de la superficie AB han sido calculada utilizando elementos finitos. En la figura 2 se observa que en la zona cercana al pie del talud el esfuerzo cortante actuante a alcanzado el valor de la resistencia cortante del suelo por lo que se genera como de observa en la figura 1 una región de plastificación. 2. Métodos de equilibrio límite Se basan exclusivamente en las leyes de la estática para determinar el estado de equilibrio de una masa de terreno potencialmente inestable. No tienen en cuenta las deformaciones del terreno. Suponen que la resistencia al corte se moviliza total y simultáneamente a lo largo de la superficie de corte. Se pueden clasificar a su vez en dos grupos:
.Métodos exactos. .Métodos no exactos.
2.1. Métodos exactos La aplicación de las leyes de la estática proporciona una solución exacta del problema con la única salvedad de las simplificaciones propias de todos los métodos de equilibrio límite (ausencia de deformaciones, factor de seguridad constante en toda la superficie de rotura, etc.). Esto sólo es posible en taludes de geometría sencilla, como por ejemplo la rotura planar y la rotura por cuñas. 2.2. Métodos no exactos En la mayor parte de los casos la geometría de la superficie de rotura no permite obtener una solución exacta del problema mediante la única aplicación de las leyes de la estática. El problema es hiperestático y ha de hacerse alguna simplificación o hipótesis previa que permita su resolución. Se pueden considerar así los métodos que consideran el equilibrio global de la masa deslizante, hoy en desuso, y los métodos de las dovelas o rebanadas, que consideran a la masa deslizante dividida en una serie de fajas verticales. Los métodos de las dovelas o rebanas pueden clasificarse en dos grupos: Métodos aproximados: no cumplen todas las ecuaciones de la estática. Se pueden citar por ejemplo los métodos de Fellenius, Janbu y Bishop simplificado. Métodos precisos o completos: cumplen todas las ecuaciones de la estática. Los más conocidos son los de Morgenstern-Price, Spercer y Bishop riguroso.
10.- Consideraciones de Muros de Sostenimiento de Taludes.- En qué consiste y en qué ocasiones se emplea- Ventajas, inconvenientes y limitaciones.- Tipos y formas de muros.- Dibujos, figuras.- Parte de un muro materiales de que se fabrican.(Muros de sostenimiento.- Muros de contención- Muros de revestimiento).- Muros de gravedad- Muros aligerados.- Muros en L.- Muros con Contra Fuertes.- Figuras croquis. Muros Jaulas. Muros de Gaviones- Muros de tierra armada.
Figura 3.1 Diseso de muros de gravedad para taludes estables.
Los muros de gravedad son estructuras de contención convencionales que obtienen su soporte por la acción de su peso solamente (Figura 3.1). Son elementos principalmente pasivos, los cuales soportan cargas laterales por la tendencia del suelo a moverse. La altura que puede usarse en los muros de gravedad es muy limitada, especialmente cuando se encuentra cimentada sobre suelos arcillosos; sin embargo, a pesar de sus limitaciones, los muros de gravedad y en voladizo se utilizan con mucha frecuencia para la prevención y remediación de amenazas a deslizamientos de tierra.
En los deslizamientos las fuerzas que actúan sobre los muros son relativamente grandes, debido a que el suelo en el deslizamiento solamente posee su resistencia residual (Morgenstem, 1982) y no es fácil estabilizar un deslizamiento con estructuras convencionales de contención. Los muros de gravedad son, con frecuencia, eficientes para estabilizar deslizamientos pequeños, pero es difícil y en ocasiones no es viable, estabilizar movimientos de gran magnitud, especialmente los deslizamientos rotacionales.
Piedra pegada
Fiífura 3.2
Concreto adcpeo con columnas es refuerzo
Esquemas ¡U direrer.tes cipos de muro rígida.
Muros de Gravedad Se deben diferenciar dos tipos generales de muros de gravedad: Muros rígidos. En esta categoría se encuentran los muros de concreto reforzado, concreto simple y concreto ciclópeo.
Muros flexibles. Se incluyen los muros en gaviones, los muros criba, los pedraplenes y los muros de tierra con llantas usadas, entre otros. El proyecto de muros de gravedad En el planteamiento, proyecto y diseño de estructuras de contención para estabilizar deslizamientos, se deben tener en cuenta los siguientes criterios: • Siempre debe cimentarse sobre suelos estables. • Es conveniente en la mayoría de los casos, la colocación de tacones o llaves de cortante por debajo del muro. • En todos los casos debe existir un sistema de drenaje y subdrenaje muy completo. • La altura máxima prudente para las estructuras de gravedad es de 8 metros y en algunos tipos de muro hasta 4 metros. • No es eficiente la construcción de estructuras de gravedad para estabilizar deslizamientos de gran magnitud. En general, los muros de gravedad, sólo son efectivos
para estabilizar deslizamientos de tamaño pequeño. • El diseño debe realizarse utilizando análisis de estabilidad de taludes y comprobando
además la estabilidad intrínseca del muro.
MUROS RÍGIDOS Son estructuras de contención generalmente de concreto que no permiten deformaciones importantes sin romperse (Figura 3.2 y tabla 3.1). Se apoyan sobre suelos competentes para transmitir fuerzas de su cimentación al cuerpo del muro y de esta forma generar fuerzas de contención. La utilización de muros rígidos es una de las formas más sencillas de manejar cortes y terraplenes. Los muros rígidos actúan como una masa relativamente concentrada que sirve de elemento contenedor de la masa inestable.
El empleo de muros de contención rígidos para estabilizar deslizamientos es una práctica común en todo el mundo, pero su éxito ha sido limitado por la dificultad que hay en el análisis de cada caso en particular y por las diferencias que existen entre las fuerzas reales que actúan sobre el muro en un caso de deslizamiento y los procedimientos de análisis basados en criterios de presiones activas, utilizando las teorías de presión de tierras de Rankine o Coulomb. Tabla 3.1. Ventajas y desventajas de los diversos tipos de muro rigiio.
Ventajas
Muro
Reforzado
Concreto simp le
Los muros de concreto reforzado pueden Requieren de buen piso de cimentación. emplearse en alturas grandes (superiores Son poco económicos en alturas muy a ocho metros), previo su diseño grandes y requieren de formaletas Su poco peso los hace estructural y estabilidad. Se utilizan especiales. métodos convencionales de construcción, poco efectivos en muchos casos de en los cuales la mayoría de los maestros estabilización de deslizamientos de masas grandes de suelo. de construcción tienen experiencia. Relativamente simples de construir y mantener, pueden construirse en curvas y en diferentes fcrmas para propósitos arquitectónicos y pueden colocarse enchapes para mejorar su apariencia
exterior.
Concreto ciclópeo
Concreto
ciclópeo con columnas de refuerzo
Manipostería o bloques de roca pegados con
concreto
Desventajas
Similares a los de concreto simple. Utilizan bloques o cantos de roca como material embebido, disminuyendo los volúmenes de concreto. Generalmente, son más económicos que los de concreto simple o reforzado.
Se requiere una muy buena fundación y no permiten deformaciones importantes, se necesitan cantidades grandes de concreto y un tiempo de curado antes de que puedan trabajar efectivamente. Generalmente, son poco económicos para alturas mayores de tres metros. Se requiere muy buena fundación. El concreto ciclópeo (cantos de roca y concreto) no puede soportar esfuerzos Se requiere la de flexión pandes. disponibilidad de bloques de roca.
Se requiere muy buena fundación. Combinan las ventajas de econcmia del Es muy poca la investigación sobre capacidad ciclópeo con la de concreto su comportamiento y no existe una flexión del concreto reforzado. metodología aceptada de diseño.
Son muy económicos cuando hay Se requiere muy buena fundación. disponibilidad de bloques de roca. Son Resistencia muy baja a la flexión. Son muy vulnerables a los movimientos. YÍsuaimente atractivos.
En el caso de deslizamientos de traslación poco profundos, el muro puede representar un buen sistema de estabilización siempre que esté cimentado por debajo de posibles o reales superficies de falla. Se diseñe para que sea capaz de resistir las cargas de desequilibrio debidas al deslizamiento, adicionadas por un factor de seguridad que se recomienda no sea inferior a 2.0.
Con frecuencia, ocurre que un deslizamiento de rotación, donde la fuerza actuante en el pie tiene una componente vertical importante hacia arriba, levanta el muro, son muchos los casos conocidos de fracasos en el empleo de muros para controlar deslizamientos rotacionales. Muros de Concreto Reforzado Los muros de concreto reforzado son relativamente esbeltos y comúnmente en forma de L, con relleno en tierra por encima de la cimentación. Una estructura de concreto reforzado resiste las fuerzas de un movimiento, debido principalmente a la presión de la tierra sobre el muro. El muro, a su vez, debe apoyarse en una cimentación por fuera de la masa inestable.
Tipos de muro de concreto reforzado Existen los siguientes tipos de muro de concreto reforzado (Figura 3.3): • Muros empotrados o en voladizo, en forma de L o T invertida, los cuales tienen una placa semivertical o inclinada monolítica con otra placa en la base (Figura 3.4).
• Muros con contrafuertes, en los cuales, la placa vertical o inclinada está soportada por contrafuertes monolíticos que le dan rigidez y ayudan a transmitir la carga a la placa de cimentación. • Muros con estribos, en los cuales, adicionalmente a la placa vertical, la placa de cimentación y los contrafuertes, se construye una placa superior subhorizontal que aumenta la rigidez y capacidad para soportar momentos. El tipo de muro a emplear depende especialmente de las características morfológicas del terreno, altura, tipo de talud (corte o relleno) y calidad del suelo de cimentación. Diseño de muros de concreto reforzado En el diseño de los muros en voladizo se deben tener en cuenta los siguientes factores: • Garantizar la estabilidad intrínseca del muro para evitar volcamíento o deslizamiento sobre el suelo de cimentación. • Evaluar la estabilidad general del talud o cálculo del factor de seguridad, incluyendo la posibilidad de fallas por debajo de la cimentación del muro. • Diseñar las secciones y refuerzos internos para resistir momentos y cortantes utilizando procedimientos de ingeniería estructural. El diseño estructural intemo requiere del cálculo de esfuerzos de flexión y de cortante tanto en la cimentación como en el cuerpo del muro.
Figura. 3.3 Tipos de muro de contención en concreto reforzado.
• Para el diseño estructural se recomienda suponer que la placa vertical del muro se encuentra totalmente empotrada en la placa de cimentación. La Oficina de Control Geotécnico de Hong Kong recomienda que en todos los casos de muro de concreto reforzado, se utilicen presiones de reposo para el cálculo de las fuerzas sobre las paredes
del muro. • El peso del suelo sobre el cimiento se debe considerar como parte integral de la masa del muro en el cálculo de fuerzas. • Calcular la capacidad de soporte de la cimentación teniendo en cuenta todos los pesos y fuerzas externas. • La fricción suelo - muro en su parte posterior no debe tenerse en cuenta en deslizamientos por no existir desplazamiento a lo largo de este plano. Se considera que el suelo se desplaza solidariamente con el muro. • Se recomienda suponer que el plano de aplicación de las presiones activas es el plano vertical, tomado en el extremo posterior del cimiento del muro. • En la mayoría de los casos es necesario colocar un dentellón o “tacón de cortante” para mejorar la resistencia al deslizamiento. Este dentellón debe tener refuerzo suficiente para resistir los esfuerzos de cortante. • Un muro en concreto reforzado es generalmente económico y viable para alturas hasta de 8 metros.
Figura 3.4 reforzado -
Esquema de un
muro
de
concreto
Figura 3.5 Muro en concreto sin refuerzo.
• Para alturas mayores, el espesor de la placa semivertical aumenta en forma considerable y el muro resulta muy costoso. • Se debe tener en cuenta que la utilización de contrafuertes o estribos generalmente disminuye el costo comparativamente con un muro empotrado en L o T invertida. • La pendiente de la pared de fachada se le debe asignar una inclinación ligera para evitar la sensación visual de que el muro se encuentra inclinado. Generalmente, se recomienda una pendiente de 1 en 50. • En todos los casos los muros de concreto reforzado deben contener un sistema de drenaje detrás de su pared vertical y/o un sistema de lloraderas o salidas para el agua represada detrás del muro. Debe tenerse en cuenta que, aún en el caso de suelos completamente secos, la presencia del muro puede inducir el represamiento de pequeñas cantidades de agua de infiltración. • Es importante la construcción de juntas estructurales para evitar fisuras o grietas relacionadas con cambios de temperatura. La distancia recomendada entre juntas no debe ser mayor de 10 metros a lo largo del muro, en la estabilización de deslizamientos. En suelos estables puede ser hasta de 20 metros. Muros de Concreto Simple Los muros de concreto sin refuerzo son masas relativamente grandes de concreto, las cuales trabajan como estructuras rígidas (Figura 3.5). Los muros de concreto simple o ciclópeo actúan como estructuras de peso o gravedad y se recomienda no emplear alturas superiores a cuatro metros, debido no sólo al aumento de costos, sino a la presencia de esfuerzos de flexión que no pueden ser resistidos por el concreto y se pueden presentar roturas a flexión en la parte inferior del muro o dentro del cimiento (Figura 3.6).
Figura 3.6 Esquema de os mure de
concrete
simple
Muros de Concreto Ciclópeo El concreto ciclópeo es una mezcla de concreto con cantos o bloques de roca dura. Generalmente, se utilizan mezclas de 60% de concreto y 40% de volumen de bloques de roca. En algunos países se utilizan porcentajes mayores de bloques de roca (Figura 3.7).
Figura 3.7 Esquema de un muro en concreto ciclópeo.
Muros de concreto ciclópeo con refuerzo estructural En los últimos años se han utilizando con éxito muros de concreto ciclópeo de semigravedad con columnas o columnetas y/o vigas de refuerzo de acero, para ayudar a resistir las fuerzas internas de flexión (Figura 3.8). Las columnas de refuerzo deben tener estribos suficientemente cercanos y deben utilizarse bloques de roca relativamente grandes para garantizar que no haya bloques de roca dentro de las columnas de refuerzo. El diseño de los muros de concreto ciclópeo con columnas de refuerzo estructural permite la construcción de muros más esbeltos e incluso muros con contrafuertes. Es muy poca la investigación técnica sobre su comportamiento y no existen metodologías aceptadas de diseño. Sin embargo, su comportamiento ha sido eficiente.
Muros de bloques de roca pegada o mampostería Los muros de roca pegada (con menos del 60% de su volumen en concreto o en mortero) son utilizados con frecuencia en algunos países. Su diseño es muy similar al de los muros de concreto ciclópeo o simple. Debe tenerse en cuenta que estos muros son muy frágiles y requieren de secciones mayores que los de concreto convencional. Es muy importante garantizar la adherencia entre los bloques de roca y el concreto o mortero.
025 ro
0.30 m
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Sección csiurma
o
1
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Sección viga
Figura 3,8 Esquena de un muro de concreto ciclópeo con cclunnetas de refuerzo.
MUROS DE GRAVEDAD FLEXIBLES Son estructuras masivas y flexibles. Se adaptan a los movimientos. Su efectividad depende de su peso y de la capacidad de soportar deformaciones importantes sin que se rompa su estructura. Los muros flexibles son estructuras que se deforman fácilmente por las presiones de la tierra sobre ellas o que se acomodan a los movimientos del suelo y generalmente, se diseñan para resistir presiones activas en lo que se refiere a su estabilidad intrínseca y actúan como masas de gravedad para la estabilización de deslizamientos de tierra. Existen muchos tipos de muros flexibles, entre ellos los más populares son (Figura 3.9 y tabla 3.2): • Muros en gaviones • Muros de elementos prefabricados (Muros Criba) • Muros de llantas usadas • Muros de enrocado • Muros de bolsacreto
Cada uno de estos tipos de muros posee unas características especiales de construcción, diseño y comportamiento.
Figura 3.9 Esquemas de algunos
tipos
de muros flexibles.
Muros en Gaviones Los gaviones son cajones de malla de alambre galvanizado que se rellenan de cantos de roca.Los muros en gaviones son estructuras de gravedad y su diseño sigue la práctica estándar de la ingeniería civil. Debe tenerse en cuenta, de manera muy especial, el amarre entre unidades de gaviones para evitar el movimiento de unidades aisladas y poder garantizar un muro monolítico. Por su flexibilidad el muro de gaviones puede deformarse fácilmente al ser sometido a presiones, diferenciándose un poco su comportamiento de los muros convencionales (Fotografía 3.1). El muro puede flectarse sin necesidad de que ocurra su volcamiento o deslizamiento, y es común encontrar deflexiones hasta el 20% de la altura. Algunas de las ventajas de un muro en gaviones son las siguientes: • Simple de construir, mantener y utiliza los cantos y rocas disponibles en el sitio. • Se puede construir sobre fundaciones débiles. • Su estructura es flexible, puede tolerar asentamientos diferenciales mayores que otro tipo de muros y es fácil de demoler o reparar.
Figruxa 3.10 Enqurina'-de un muro en
gaviones.
Muros Criba El muro criba es básicamente una estructura parecida a una caja formada por prefabricados de concreto entrelazados (Figuras 3.13 y 3.14). El espacio interior de las
cajas se rellena con suelo granular permeable o roca para darle resistencia y peso conformando un muro de gravedad. Generalmente existen dos tipos de prefabricados que se colocan en forma paralela a la superficie del talud o normal a éste. Los travesaños son prefabricados normales al eje del muro en forma de I horizontal. En ocasiones, los travesanos son de una longitud tal que obliga a la construcción de un elemento intermedio similar a sus puntas. Los largueros son prefabricados largos que se apoyan sobre los travesanos y que tienen como objeto contener el material colocado dentro de las cajas o cribas. Las fuerzas son transferidas entre los prefabricados en los puntos de unión.
Figura 3.14 FsquemaE ele muroe cuba para diferectes
Adicionalmente, se pueden colocar pequeños bloques, que se llaman “almohadas”, en localizaciones críticas entre los prefabricados para soportar algunos esfuerzos, tales como torsiones y reducir la flexión. Algunos diseños de muros criba incluyen uniones metálicas o de madera entre los prefabricados para ayudar a transmitir las fuerzas. El muro criba tiene la ventaja de permitir asentamientos diferenciales importantes (Brandl, 1985).
Para el diseño de un muro de estabilización de un deslizamiento se recomienda utilizar el procedimiento indicado en la tabla 3.13.
Tabla 3.13 Pasas a
Paso 1
seguir sn
el diseña de muros de contention para estabilizar deslizamientos
Determinar la Viabilidad del uso de Estructuras de Contención Analizar las restricciones de derecho de vía. materiales equipos, estructuras aspectos ambientales, estética, sensitividad,
Paso 2
Paso 3
existentes.
movimientos de tierra, costes, etc.
Información Geotérmica del Deslizamiento o el Talud Topografía, extensión lateral, perfil de suelo, niveles freáticos, parámetros para el análisis, superficie de falla, sismicidad, etc. Asegurarse de que la topografía del deslizamiento y la profundidad de la superficie de falla real o esperada, y las condiciones de nivel freático se conocen en forma clara y precisa. Evaluar el Factor de Seguridad del Talud Existente Calcular el factor de seguridad utilizando un software de equilibrio límite. Realizar un cálculo de estabilidad de taludes convencional y ajustar las condiciones en tal forma que el modelo sea lo más cercano posible a la realidad. Se diseña para el factor de seguridad
mínimo.
,
paso 4
Seleccionar el Tipo de Muro y su Localización El tipo áe muro depende del espacio, los materiales disponibles, la magnitud requerida, la p0Sibi]iaad o no de realizar excavaciones, el tiempo disponible. La localización del muro depende del objetivo específico y las características del deslizamiento.
Paso 0ó
Predimensionar el muro y calcular el factor de seguridad del talud a falla global e* muro A prueba y error con un software de estabilidad de taludes por equilibrio límite modificar las dimensiones y localización del muro para lograr el factor de segundad deseado.
Paso 6
Evaluar factores de seguridad a deslizamiento, volcamiento y capacidad de soporte. Calcular las factores de seguridad y modificar las dimensiones del muro hasta obtener los factores especificados. Si se modifica el muro se requiere comprobar nuevamente el factor de seguridad a falla global del talud
Paso
. i
COn
Diseñar la estructura interna del muro y detalles especiales calcular refuerzos, subdrenajes, drenajes, elementos de fachada, etc.
11.- Que es un deslizamiento.- derrumbe.- deslizamiento rotacional.- Describa el Método Spencer.- A que categoría de cálculo pertenece.- En qué consiste el Análisis de Equilibrio Limite.- Indique 5 factores principales que afecten la estabilidad del talud.- A que se llama superficie piezométrica.
Deslizamiento Los deslizamientos (“Landslides”) consisten en “movimientos de masas de roca, residuos o tierra, hacia abajo de un talud” (Cruden 1991). En el término “deslizamiento” se incluyen tanto los procesos de erosión como los procesos denudacionales. La naturaleza precisa del proceso no está incluida en la definición e incluye procesos que son producto de la acción de las fuerzas gravitacionales, hidráulicas, etc. En el presente texto no se utiliza la denominación “Fenómeno de remoción en masa” (Mass Wasting), por considerarlo poco universal. Sin embargo, en Colombia, este término es utilizado regularmente. Algunos países utilizan otros nombres autóctonos como “deslaves”.
Los movimientos ocurren generalmente a lo largo de las superficies de falla, por caída libre, movimientos en masa, erosión o flujos. Algunos segmentos del talud o ladera,
p
pueden moverse hacia abajo mientras otros se mueven hacia arriba. Los fenómenos de inestabilidad incluyen, generalmente, una combinación de procesos erosiónales y denudacionales interrelacionados entre sí y a menudo mezclados. Por ejemplo, la erosión en ríos es un fenómeno activador de movimientos en masa y los dos fenómenos actúan conjuntamente en el proceso de inestabilidad. Los procesos denudacionales pueden activar procesos erosiónales y viceversa. Los procesos de erosión actúan generalmente sobre las capas más subsuperficiales del perfil y los denudacionales o de “remoción en masa” afectan el perfil a una profundidad considerable.
Deslizamiento Rotacional En un desplazamiento rotacional, la superficie de falla es cóncava hacia arriba y el movimiento es rotacional con respecto al eje paralelo a la superficie y transversal al deslizamiento. El centro de giro se encuentra por encima del centro de gravedad del cuerpo del movimiento. Visto en planta, el deslizamiento de rotación posee una serie de agrietamientos concéntricos y cóncavos en la dirección del movimiento. El movimiento produce un área superior de hundimiento y otra inferior de deslizamiento, lo cual genera, comúnmente, flujos de materiales por debajo del pie del deslizamiento (Figura 1.23). La cabeza del movimiento bascula hacia atrás y los árboles se inclinan, de forma diferente, en la cabeza y en el pie del deslizamiento.
Figura 1.25 BesLiamieuto rotac:ccsú típico.
Método de Spencer:
Asume que la inclinación de las fuerzas laterales son las mismas para cada tajada. Rigurosamente satisface el equilibrio estático asumiendo que la fuerza resultante entre las tajadas tiene una inclinación constante pero desconocida.
Análisis de Equilibrio Límite: Un análisis de límite de equilibrio permite obtener un factor de seguridad o a través de un análisis regresivo, obtener los valores de la resistencia al cortante en el momento de la falla. Una vez se han determinado las propiedades de resistencia al cortante de los suelos, las presiones de poros y otras propiedades del suelo y del talud, se puede proceder a calcular el factor de seguridad del talud. Este análisis de estabilidad consiste
en determinar si existe suficiente resistencia en los suelos del talud para soportar los esfuerzos de cortante que tienden a causar la falla o deslizamiento. Parámetros Utilizados en los Análisis de Límite de Equilibrio Los modelos tienen en cuenta los factores primarios que afectan la estabilidad. Estos factores incluyen geometría del talud, parámetros geológicos, presencia de grietas de tensión, cargas dinámicas por acción de los sismos, flujo de agua, propiedades de resistencia y peso unitario de los suelos, etc. Sin embargo, no todos los factores que afectan la estabilidad de un talud se pueden cuantificar para incluirlos en un modelo matemático de límite de equilibrio. Por lo tanto, hay situaciones en las cuales un enfoque de límite de equilibrio no produce resultados satisfactorios.
Pesos unitarios El peso unitario es tal vez el parámetro más sencillo de medir para el análisis de estabilidad de los taludes, es el que influye menos en el factor de seguridad. Los pesos unitarios totales son pesos húmedos por encima del nivel freático y saturados por debajo de éste nivel. En el caso de que se utilicen pesos sumergidos, se debe ignorar la presencia de nivel freático. La densidad saturada se puede determinar asumiendo un valor de gravedad específica G, el cual se puede suponer igual a 2.68 para la mayoría de los suelos (Cornforth, 2005). La resistencia al cortante que se va a utilizar en los análisis, puede ser medida por alguno de los métodos de laboratorio o de campo que se indicaron en el capítulo 3. Se debe tener en cuenta si se trata de condiciones drenadas o no drenadas o si el análisis es realizado en estado no-saturado. Los parámetros deben corresponder a los niveles de esfuerzos sobre las superficies de falla potenciales. En los casos en los cuales ya ha ocurrido la falla del talud, se recomienda emplear las resistencias residuales (Skempton, 1970, 1977,1985). Igualmente, debe tenerse en cuenta la disminución de resistencia, con el tiempo. Para suelos que son completamente saturados, el ángulo de fricción para condiciones no drenadas, es igual a cero. La resistencia no drenada para suelos saturados puede ser determinada a partir de los ensayos no-consolidados no-drenados. Para los suelos parcialmente saturados, tales como arcillas compactadas o suelos arcillosos por encima del nivel freático, las resistencias no drenadas deben obtenerse a partir de ensayos no-consolidados, no-drenados en muestras con el mismo grado de saturación que el suelo en el campo. La envolvente de falla para esos suelos generalmente, es curva y por lo tanto, es importante utilizar el mismo rango de presiones de confinamiento tanto en los ensayos de laboratorio como en los de campo.
Condiciones drenadas o no drenadas Las fallas de los taludes pueden ocurrir en condiciones drenadas o no drenadas. Si la inestabilidad es causada por los cambios en la carga, tal como la remoción de materiales de la parte baja del talud o aumento de las cargas en la parte superior (en suelos de baja permeabilidad) éstos pueden no tener tiempo suficiente para drenar durante el tiempo en el cual ocurre el cambio de carga. En ese caso, se dice que las condiciones son no drenadas. Generalmente, los suelos tienen permeabilidades suficientes para disipar las presiones de poros en exceso y se comportan en condiciones drenadas. Para las ratas normales de carga que equivalen a meses o semanas, se pueden considerar drenados suelos con permeabilidades mayores de 10"4 cm/seg. En cambio, los suelos con permeabilidades menores de 10"7 cm/seg, se consideran no drenados. Mientras, las permeabilidades intermedias se consideran parcialmente drenadas.
los cuales la causa de la falla es el aumento de la presión de poros (debida a las lluvias), el problema debe analizarse como condición drenada. Para determinar las condiciones de drenaje Duncan (1996) sugiere utilizar la siguiente expresión: <7,f
Donde: T = Factor adimensional Cv - Coeficiente de consolidación t = Tiempo de drenaje D = Longitud del camino de drenaje o distancia de salida del agua al cambio de presiones. Si T es mayor de 3, la condición es drenada. Si T es menor de 0.01, la condición es no drenada. Si T está entre 0.01 y 3.0, ocurre drenaje parcial durante el tiempo de cambio de cargas. En este caso, deben analizarse ambas condiciones, el caso drenado y el caso no drenado.
Esfuerzos totales y efectivos Como se estudió en el capitulo anterior, los problemas de estabilidad de taludes pueden analizarse suponiendo sistemas de esfuerzos totales o efectivos. En principio, siempre es posible analizar la estabilidad de un talud utilizando el método de presión efectiva, porque la resistencia del suelo es gobernada por las presiones efectivas tanto en la condición drenada, como en la condición no drenada; sin embargo, en la práctica es virtualmente imposible determinar con precisión cuáles son los excesos de presión de poros que se van a generar por los cambios en las cargas (excavaciones, colocación de rellenos o cambios en el nivel de agua). Debido a esto, no es posible desarrollar análisis precisos de estabilidad en estas condiciones, utilizando procedimientos de esfuerzos efectivos. No obstante, se puede trabajar todo el análisis usando presiones efectivas, sin que se requiera especificar los valores de los excesos de poros en las condiciones no drenadas. La mayoría de los modelos de análisis trabajan con base en las presiones efectivas.
Estabilidad a corto y a largo plazo En la estabilidad a corto plazo debe tenerse en cuenta que los suelos que no tienen un drenaje rápido, están sujetos a presiones de poros por acción de las cargas aplicadas. En la estabilidad a largo plazo, se supone que los suelos están drenados. Para la estabilidad (a corto plazo) de las arcillas normalmente consolidadas y de limos, se recomienda modelar con análisis de esfuerzos totales. Aunque se puede realizar el análisis empleando esfuerzos efectivos, es muy difícil estimar o medir las presiones de poros para su utilización en el análisis. Para las arcillas sobreconsolidadas, el análisis de estabilidad a corto plazo, prácticamente es imposible de realizar, debido a que la resistencia del suelo cambia muy rápidamente con el tiempo. En este caso, se recomienda utilizar la experiencia local en la formación arcillosa específica analizada y usar criterios empíricos (Comforth, 2005). La estabilidad a largo plazo, es más fácil de analizar que la estabilidad a corto plazo. Para todos los casos, se recomienda emplear análisis de esfuerzos efectivos.
Superficie piezométrica Se define para el análisis de una determinada superficie de falla. Debe tenerse claridad en que la superficie piezométrica no es la superficie freática y que el método para calcular la presión de poros, es diferente en los dos casos. En la superficie piezométrica, la presión de poros es la distancia vertical entre la superficie piezométrica indicada y el punto a analizar. 12.- Describa que establece el Método Fellenius.- A que categoría de calculo pertenece.- Indique cuales son las fuerzas que actúan sobre la dovela.- Para que se utiliza o indica la presión de poro.- De que depende la porosidad total de un material detrítico
Método Ordinario o de Fellenius El método de Fellenius es conocido también como método Ordinario, método sueco, método de las Dovelas o método U.S.B.R. Este método asume superficies de falla circulares, divide el área de falla en tajadas verticales, obtiene las fuerzas actuantes y resultantes para cada tajada y con la sumatoria de los momentos con respecto al centro del círculo (producidos por estas fuerzas) se obtiene el Factor de Seguridad.
Figura 4.33 Esqtiema de uu sictena típico de f.zaliEiE eon tajadsLE o dOTelaa Duncan y Wright 2005).
Figura 4.34 Fuerzan que actúan robre una dovela en un análisis de estabilidad del arco circular con dovelas. CorrforA 2005).
Las fuerzas que actúan sobre una dovela son (Figura 4.36): • • •
El peso o fuerza de gravedad, la cual se puede descomponer en una tangente y una normal a la superficie de falla. „ Las fuerzas resistentes de cohesión y fricción que actúan en forma tangente a la superficie de falla. Las fuerzas de presión de tierra y cortante en las paredes entre dovelas, no son consideradas por Fellenius.
Al realizar la sumatoria de momentos con respecto al centro del círculo, se obtiene la siguiente expresión:
F.S. =
V II sena
Donde: a = Ángulo del radio del círculo de falla con la vertical bajo el centroide en cada tajada. W = Peso total de cada tajada. u = Presión de poros = ywhw Al = longitud del arco de círculo en la base de la tajada C\ cp’ = Parámetros de resistencia del suelo. La ecuación anterior se conoce como ecuación de Fellenius.
El método ordinario o de Fellenius solamente satisface los equilibrios de momentos y no satisface el equilibrio de fuerzas. Para el caso de
Figura 4.3fl Fuerzas que actúan sobre una dovela en los métodos de develas.
Figura 4.30. Fuerzas que actúan sobre una dovela en el método ordinario o de Fellenius (Duncan y Wrigkt, 2005).
PRESIONES DE POROS Las condiciones de presión de poros son generalmente obtenidas de las características de las aguas subterráneas y pueden especificarse para los análisis utilizando los siguientes métodos: Superficie freática Esta superficie o línea en dos direcciones, se define como el nivel libre del agua subterránea. En una superficie freática, la presión de poros es calculada de acuerdo con las condiciones de estado de régimen permanente (“Steady-state”). Este concepto se basa en la suposición de que todas las líneas equipotenciales sean ortogonales.En el caso de líneas freáticas de gran pendiente, el cálculo anterior puede resultar
sobreestimado y se requiere tener en cuenta que las líneas equipotenciales tienden a ser curvas. Datos piezométricos Es la especificación de presiones de poros en puntos discretos dentro del talud y la utilización de un esquema de interpolación para estimar las presiones de poros requeridas en cualquier punto. Las presiones piezométricas pueden determinarse mediante piezómetros, redes de flujo o soluciones numéricas, haciendo uso de diferencias finitas o elementos finitos. Aunque este sistema está disponible solamente en muy pocos de los programas de computador existentes, se recomienda por su confiabilidad, para representar las condiciones reales en el campo (Chugh, 1981).
Relación de presión de poros Este es un método muy simple y popular para normalizar el valor de la presión de poros en un talud de acuerdo con la definición: u
Donde: u = Presión de poros ov = Esfuerzo total vertical del suelo a una profundidad z. Este factor se implementa fácilmente, pero la mayor dificultad está asociada con la asignación de este parámetro en diferentes partes del talud. En ocasiones, el talud requiere de una extensiva subdivisión en regiones con diferentes valores de ru. Presión de poros constante Es un procedimiento que puede utilizarse si el ingeniero desea especificar una presión de poros constante, a una determinada capa del suelo. Este sistema puede emplearse para analizar la estabilidad de rellenos colocados sobre suelos blandos, durante la construcción, donde se generan presiones de poros de acuerdo con la teoría de la consolidación.
Presiones de Poros Negativas En algunos casos, el ingeniero desea utilizar en los análisis las presiones de poros negativas para aprovechar la resistencia adicional o la cohesión aparente, debida a la succión en suelos no saturados. Aunque teóricamente la cohesión aparente es una realidad física, algunos autores no recomiendan su incorporación en los modelos de límite de equilibrio, debido a que puede generar valores de resistencia no confiables (Abramson y otros, 2002). Sin embargo, con los modelos de computador (actualmente disponibles) es relativamente sencillo incorporar las presiones de poros negativas para tener en cuenta el escenario de la situación no saturada.
13.- Ensayo de Compresión Triaxial.- Procedimiento.- Ensayo de no Drenado (uso o empleo), Ensayo de Consolidación no drenado (uso).- Ensayos Drenados (uso).Dirección del plano de falla y relación entre esfuerzos principales y parámetros de resistencia al corte.- Parámetros de presión intersticial.- Usos de los Parámetros de Resistencia al Corte de esfuerzos totales y efectivos.
Los conceptos de condiciones drenadas y no-drenadas son fundamentales para entender el comportamiento de los taludes, especialmente, en las formaciones arcillosas. La condición drenada o no-drenada depende de la velocidad con que el agua puede moverse hacia adentro o hacia fuera del suelo, comparado con el tiempo que el suelo soporta un cambio de carga. El objetivo de analizar las condiciones de drenaje es determinar si una carga es capaz o no, de producir presiones de poros. Condición Drenada Se dice que una condición es drenada cuando el agua es capaz de fluir hacia afuera o hacia adentro de la masa del suelo, si es sometida a una carga y no se producen presiones de poros. Esto se debe a que el agua puede moverse libremente, al aumentar o disminuir el volumen de vacíos como respuesta a un cambio en las condiciones de carga. Condición No-drenada Se dice que una condición es “no-drenada” cuando el agua no es capaz de fluir en el momento en el cual el suelo está sometido a una carga y se produce entonces la presión de poros Esto se debe a que el agua no se puede mover libremente como respuesta a la tendencia al cambio del volumen de vacíos por acción de la carga. Si la carga se aplica muy rápidamente y la permeabilidad del suelo es baja, se puede producir una condición no-drenada. Si la carga se aplica lentamente o la permeabilidad del suelo es alta, generalmente se produce una condición drenada. Comúnmente, los taludes se comportan en condiciones drenadas; sin embargo, en algunos casos cuando se colocan terraplenes sobre depósitos arcillosos saturados o en el momento de un sismo, se puede producir una condición no-drenada. Parámetros de Presión de Poros El análisis de esfuerzos efectivos requiere del conocimiento de las presiones de poros en el campo. Estas presiones de poros pueden ser estimadas si se determinan los cambios de esfuerzo dentro del suelo. Cuando un suelo se carga o se descarga por la construcción de un terraplén o una excavación, el cambio de volumen de suelo trae como resultado un cambio en la presión de poros A u. Este cambio en la presión de poros puede aumentar o disminuir con el tiempo, dependiendo del tipo de suelo y del tipo de esfuerzos involucrados. Bajo las condiciones completamente drenadas (Condición a largo plazo) Au se disipa y se convierte en A u = 0. Para las condiciones parcialmente drenadas o no-drenadas, la evaluación de u depende de la rata relativa de carga, comparada con la rata de drenaje del agua dentro del suelo. La magnitud del cambio de presión de poros que se desarrolla como resultado del cambio de esfuerzos en los suelos no drenantes, fue propuesta por Skempton (1954), utilizando los parámetros A y B. Estos parámetros de presión de poros A y B, permiten calcular las presiones de poro en exceso.
Au = B Donde:
A(T3 + A ( Aÿ - A(Ti
)
Au = Exceso de presión de poros. A = Parámetro de presión de poros A. B = Parámetro de presión de poros B. Ao1 = Cambio en el esfuerzo principal mayor. Ao3 = Cambio en el esfuerzo principal menor. Los parámetros A y B deben ser determinados a partir de ensayos de laboratorio o seleccionados de la experiencia. Para los suelos saturados, B se acerca a 1.0 pero su valor desciende drásticamente con la disminución en el grado de saturación.
Los valores del parámetro A varían con la magnitud de las deformaciones de cortante, densidad inicial y relación de consolidación del suelo y generalmente, alcanzan valores máximos en el momento de la falla. A es positivo para aquellos suelos que tienden a comprimirse al cortarse, por ejemplo arena suelta o arcilla, normalmente consolidada. A es negativo para aquellos suelos que tienden a dilatarse al cortarse, por ejemplo, arena densa y arcillas sobreconsolidadas. 14.- Teoría de la Consolidación y el Análisis de Asentamientos.- (Introducción).Teoría de Terzaghi para la consolidación Vertical (Ecuación de comportamiento).Solución de la Ecuación de Comportamiento.- Ensayo de Consolidación Vertical.Procedimiento. Análisis de resultados de los ensayos.- Coeficiente de compresibilidad volumétrico.- Coeficiente de permeabilidad vertical (k).- Coeficiente de consolidación secundario (c).
Teoría de la consolidación: Principio de las tensiones efectivas El principio de las tensiones efectivas fue propuesto por Terzaghi en la década de los años veinte y probablemente marca el inicio de la Mecánica de Suelos como una ciencia de Ingeniería. Este principio establece el valor de la tensión que “efectivamente” se transmite a través del esqueleto granular; también denominada, tensión intergranular, la cual se define como: a'= a-u donde a' = tensión efectiva o intergranular a = tensión normal total u = presión de poros, o presión en el fluido intersticial
Asentamiento por consolidación, a tiempo infinito: DH = H0 * De / (1+e0) Donde:
H0= espesor inicial del estrato, eO = Indice de huecos inicial del estrato de suelo, De = Variación del índice de huecos producto de la “sobrecarga’
•
DH= Variación del espesor del estrato.
TEORIA DE TERZAGHI
Puede considerarse que Terzaghi al ampliar el planteamiento de Prandtl, y proponer un mecanismo de falla para un cimiento poco profundo, se convierte en un iniciador de la adaptación y aplicación de teorías de la Mecánica del Medio Continuo a problemas que puede decirse que corresponden actualmente al campo de la Mecánica de Suelos. En su planteamiento, Terzaghi, llega a la propuesta de una ecuación para obtener la Capacidad de Carga Ultima (a la que llama: qc), para una zapata alargada:
qt=cNt+yDfNq+irBNr Y para el caso de emplearse una zapata cuadrada, propone:
q,. =L 3cNc +/Df Nq +0.4 pENÿ Como es sabido los valores Nc Ng y Ny Terzaghi los establece en función de
De las anteriores ecuaciones, pueden desprenderse claramente algunas observaciones interesantes, las cuales podemos sintetizar como que el resultado de las mencionadas ecuaciones (la Capacidad del Carga Ultima del suelo), está formado por la suma de tres elementos básicos: En el primero de ellos podemos apreciar que se consideran las características cohesivas o friccionantes del suelo al involucrar el valor "c"; en el segundo elemento puede claramente apreciarse como influye en el resultado final la profundidad de desplante de la zapata así como el Peso Volumétrico del suelo y en el último elemento que compone la ecuación se involucra la forma de la cimentación al incluir la dimensión del ancho de la zapata (B). Por lo tanto, podemos establecer la confirmación de que un suelo no tiene una capacidad de carga fija y única, como en algunos casos reales se pretende considerar, sino que ésta (la capacidad de carga) dependerá tanto de las características particulares del suelo (cohesión, fricción y peso volumétrico, básicamente), así como también dependerá de las características del proyecto mismo de la cimentación especifica que pretenda ser construida (profundidad de desplante y ancho B, en zapatas rectangulares y el radio en circulares. En este breve escrito no se hace mención a la ecuación propuesta por Terzaghi para zapatas circulares). Es por ello que varios investigadores han propuesto modificaciones a la teoría de Terzaghi, considerando que debe darse una mayor importancia a los aspectos de profundidad y forma de una cimentación (investigadores
como Hansen, Chen y otros más). Aquellos en los que las probabilidades son de acusar un tipo de falla general. En materiales arenosos sueltos o arcillosos blandos la deformación puede crecer mucho al ser sometidos a cargas que se aproximen a la de falla, esto pudiese provocar que no se desarrolle un estado plástico completo, pero el asentamiento sería tal que obliga a considerar condición de falla. Este último caso sería el que Terzaghi define como de falla local. Existe además, un importante factor que también deberá ser tomando en cuenta, como es la posición que ocupa el N.A.F. (nivel de agua freática), en relación con la profundidad de desplante de la zapata propuesta. Ensayo de Consolidación
Edómetro o consolidómetro Es un aparato de laboratorio útil para conocer la compresibilidad de un suelo que va a ser objeto de una consolidación. La muestra es un cilindro aplanado y el ensayo es en condiciones de compresión confinada. Al aplicar la carga, el agua se evacúa por dos piedras porosas, superior e inferior. La carga es incremental, para registrar las deformaciones (en el extensómetro) contra el tiempo. También carga Vs relación de vacíos. Las cargas se van doblando cada vez y los incrementos se hacen cada 24 horas. Finalmente, la descarga se hace gradual. Pistón de carga
Comparador
Extensómetro Recipiente anular
Anillo rígido
Piedra porosa
25.- Defina los siguientes parámetros del suelo tales como:
Densidad relativa (Dr) La densidad relativa es una propiedad que indica el grado de empaquetamiento de la estructura en suelos no cohesivos principalmente gravas y arenas limpias. Esta definida por la siguiente expresión:
Dr =_emay - e
©max — ©min
= Ydmax(Yd -Ydmin) Yd (Ydmax — Ydm¡n)
(%)
Donde:
emax y Ydmin = Relación de vacíos y peso unitario seco, respectivamente, del material en el estado mas suelto estable que se alcanza en laboratorio. em¡n y Ydmax = Relación de vacíos y peso unitario seco del material en el estado mas denso estable que se alcanza en laboratorio.
Angulo de Fricción (q>) El ángulo de fricción es la representación matemática del coeficiente de rozamiento, el cual es un concepto básico de la física: Coeficiente de rozamiento = Tan q>
El Angulo de fricción depende de varios factores (Bilz, 1995) entre ellos algunos más importantes son: a. Tamaño de los granos
b. Forma de los granos. c. Distribución de los tamaños de granos.
d. Densidad.
Presión de Poros (u)
La presión de poros es la presión interna del agua de saturación. La presión de poros dentro del suelo depende de la localización de los niveles freáticos, presiones intemas de los acuíferos y las características geológicas del sitio. La presión de poros varía deacuerdo a las variaciones del régimen de aguas subterráneas. Los incrementos de presión pueden ocurrir rápidamente en el momento de una lluvia, dependiendo de la intensidad de la lluvia. Un incremento en la presión de poros positiva o una disminución de la presión negativa, equivale a una reducción de resistencia cortante y de la estabilidad. El valor de presiones de poros se mide utilizando piezómetros abiertos o neumáticos. Si no hay flujo de agua la presión es hidrostática y la medida del piezómetro coincide con el nivel freático, pero si existe flujo de presiones no son hidrostáticas. En este ultimo caso la presión de poros en cualquier punto dentro de la masa de suelo puede medirse por medio de las redes de flujo, las cuales comprenden las líneas de flujo y las líneas de igual presión de poros. Para el análisis de presiones de poros en una superficie de falla se deben tener en cuenta sus condiciones de drenaje. Cuando existe drenaje, la presión de poros disminuye hacia la superficie del talud, pero cuando el drenaje es deficiente se puede presentar un aumento importante en la presión de pros en el pie del talud.
Relación de Sobre Consolidación (OCR) Definida como el cociente entre la presión de preconsolidación y la presión efectiva ala profundidad a que se encuentra la muestra. Bajo el punto de vista geotécnico, distinguimos suelos no consolidados de los suelos sobreconsolidados. Los suelos normalmente consolidados son aquellos que han soportado tensiones máximas históricas
similares alas tensiones que soportan actualmente; corresponden a suelos que han sido cargados. En cambio los suelos sobreconsolidados son aquellos que han sido cargados y descargados, es decir, las tensiones máximas históricas que han soportado han sido mayores que las actuales. Este concepto se expresa a través del grado de sobreconsolidación u OCR (over Consolidation Ratio) OCR= Pmax / Pact Donde p’max y p’act son las tensiones máxima y actual a las que ha sometido al suelo. El valor de la razón de sobreconsolidación es igual a 1 para suelos normalmente consolidados y para suelos sobreconsolidados es mayor a 1.
Modulo de Elasticidad del suelo o modulo de Young (E) El modulo de elasticidad o modulo de Young es un parámetro que caracteriza el comportamiento de un material elástico, según la dirección en la que se le aplica una fuerza. Para un material elástico lineal e isótropo, el modulo de Young tiene el mismo valor para una tracción que para una compresión, siendo una constante independiente del esfuerzo siempre que no exceda de un valor máximo denominado limite elástico, y es siempre mayor que cero; si se tracciona una barra, aumenta de longitud, no disminuye. Este comportamiento fue observado y estudiado por el científico Thomas Young. Permeabilidad (k) Es la capacidad de un material de permitir que un fluido lo atraviese sin alterar su estructura intema. Se dice que un material es permeable si deja pasar a través de él una cantidad apreciable de fluido en un tiempo dado, e impermeable si la cantidad de fluido es despreciable. La velocidad con la que el fluido atraviesa el material depende de tres factores básicos:
. La porosidad del material.
. La densidad del fluido considerado, afectada por su temperatura. . La presión a que está sometido el fluido. Para ser permeable un material debe ser poroso, es decir, debe contener espacios vacíos o poros que le permitan absorber el fluido. A su vez tales deben estar interconectados para que el fluido disponga de caminos a través del material. La permeabilidad del suelo suele aumentar por la existencia de fallas, grietas u otros defectos estructurales.
Potencial de Licuefacción
Licuefacción es un fenómeno de colapso y desplazamientos mayores que pueden ser provocados por diversos efectos. La licuefacción es causada por una combinación de materiales de naturaleza colapsable, tales como roca suelta, agua y un evento activador de colapso. El evento activador de licuefacción clásica es un terremoto. Las fallas dinámicas generalmente se limitan a las profundidades relativamente menores (es decir, menores de 20 metros), ya que la resistencia mayor por confinamiento reduce la susceptibilidad a este modo de falla. Por lo tanto, ellas son relativamente limitadas en su potencial destructivo.
Para activar las fallas por licuefacción estática no se necesita ningún terremoto. La función de activador toma el agua introducida por lluvias, derretimiento de nieve o, potencialmente irrigación. 15.- Describa los siguientes ensayos de suelo in-situ; ensayo de penetración Estándar, ensayo de cono de penetración, ensayo de veleta de corte, ensayo del presurometro, ensayo del dilatómetro, ensayo de penetración de Becker, (dibujos, tabla) Ensayo de Penetración Estándar
En el ensayo de penetración estándar, se entierra un tubo partido, aplicando golpes con un martillo de 63 Kg que cae de una altura de 750 mm (Figura 3.41). El número de golpes requerido para enterrar el tubo de 300 mm, se denomina N de penetración estándar. Con el número de golpes se puede estimar el valor del ángulo de fricción interna rp' para arenas (Peck y otros, 1974). También, se puede obtener la densidad relativa y con esa densidad extraer el valor de (p'(Schmertmann, 1975).
El ensayo de penetración estándar se desarrolló inicialmente para determinar la resistencia de suelos no cohesivos y la mayoría de las correlaciones que existen en la literatura son útiles solamente para gravas y arenas. Stroud (1974) desarrolló una correlación muy útil del valor de N para arcillas duras y rocas blandas en el Reino Unido. La relación de Stroud es la siguiente: cu = 5N kPa. Esta fórmula puede aplicarse en suelos residuales de Lutitas y en depósitos de arcillas no saturadas. sección a-a’
Figura
3,41
Ensayo de penetración estándar.
Esta correlación es utilizada para obtener la resistencia de suelos residuales arcillosos, cuando las profundidades del perfil de suelo no son mayores de 5 metros. El ensayo de
penetración estándar no es confiable para el análisis de la resistencia en arcillas saturadas. Ensayo de Penetración de Cono En el ensayo de cono se introduce un cono con un ángulo 0, utilizando una fuerza Q (Figuras 3.42 y 3.43). La resistencia al cortante es obtenida por la relación:
Donde: h = Altura del cono K = Constante que depende de 0 y de Q Con el valor de la resistencia a la penetración del cono, se puede obtener el ángulo de fricción
*
9,
—-;— K
Donde: Su = resistencia no-drenada al cortante cjv = presión geoestática a la profundidad de ensayo. Nk= factor de cono (típicamente igual a 14 + 5 para la mayoría de las arcillas)
La utilización del ensayo de cono en los suelos residuales es muy limitada, debido a la dificultad de penetración. El equipo es muy vulnerable a romperse en suelos muy duros o en bloques de roca o aluvión. Igualmente, los resultados son en ocasiones erráticos con cambios bruscos relacionados con la presencia de bloques de roca.
Figura
Tabla 3.3 Fuentes de deterioro de la
Condición
muestra
3,43
Disiensicis.ee tilicas de un cono.
en suelos cohesivos (Jamiclkowski y otros. 1985)
Cambio de esfuerzos debido a la excavación o sondeo.
La reducción de presión por el sondeo puede causar deformaciones excesivas en extensión. La sobrepresión puede causar deformaciones de compresión.
Remoción del esfuerzo cortante m situ.
El resultado es el de unas deformaciones generalmente pequeñas.
Reducción del esfuerzo de coronamiento
Expansión de gas (burbujas).
Geometría de la muestra: diámetro, longitud, relación de áreas, efecto de los accesorios, pistones, tubos, etc
Estas variables afectan el radio de recuperación, la adhesión a lo largo de las paredes de la muestra y el espesor de la zona remoldeada a lo largo del perímetro de las muestras.
Alivio de esfuerzos
Técnicas de muestre»
Observaciones
Detalle
_
Met o de de avance.
Es mejor una presión continua que el hincado a golpe.
Método de extracción.
Para disminuir el efecto de succión en la parte baja de la muestra, es conveniente utilizar un rompedor de vacíos.
J
Transporte.
LTtilice un sistema adecuado de empaque y transporte. Evite golpes, cambios en la temperatura, etc.
Procedimientos de
manejo
Almacenamiento
Evite reacciones químicas, migración de agua debida al tiempo de almacenamiento, crecimiento de bacterias, cambios de volumen, etc
Extracción y tallado
Presurómetro
Minimice esfuerzos adicionales (hágalo con mucho cuidado).
El ensayo del presurómetro también se utiliza con algunas modificaciones para obtener la resistencia al cortante y las relaciones Esfuerzo - Deformación (Wroth, 1984). El dilatómetro de cuchilla plana de Marchetti utiliza un elemento delgado de acero con un ángulo de 18° que se entierra en el suelo. Luego se infla una membrana de acero flexible utilizando gas nitrógeno para determinar la deformabilidad del terreno. Pavlakis (1983), presentó resultados de muy buena correlación entre el presurómetro y los ensayos triaxiales no consolidados no-drenados. Ensayo de corte con veleta (o ensayo del molinete).
La veleta es un aparato que se usa comúnmente para obtener la resistencia al corte de arcillas blandas a muy blandas. Debido a su tamaño es posible hacer varios ensayos para determinar estadísticamente la resistencia al corte sin drenar (tu), de muestras SPT hechas a grandes profundidades, donde la toma de muestras produce mayores alteraciones (figura 3.6.). El ensayo se aplica en depósitos cohesivos blandos donde la perturbación es crítica. Consiste en insertar una veleta dentro del suelo y aplicar una torsión. La resistencia al corte sin drenar (tu) se puede calcular mediante la siguiente expresión:
tu = 4 * T / p * ( 2 * d2 * h + a * d3 ) ( kgs/cm2 ) Donde: T = torsión aplicada (kgs*cm)
d = diámetro de la veleta (5 a 15 cms.)
h = longitud de la veleta (10 a 22,5 cms.) a = 2/3 para distribución final uniforme de los esfuerzos cortantes a = 3/5 para distribución final parabólica de los esfuerzos cortantes a = 1/2 para distribución final triangular de los esfuerzos
cortantes
El coeficiente a que aparece en la fórmula, tiene por objeto eliminar el supuesto de que la rotura se produce según un cilindro perfecto circunscrito a las aspas de la veleta. Este coeficiente depende de la relación d/h y de la naturaleza del terreno, el cual fallará de forma distinta según sea su tipo.
Figura 3.6. Veleta.Fuentes: J. Salas J. y De Justo A., Vol. 2 1 981.
La veleta se introduce hasta la profundidad deseada y se aplica la torsión hasta que se corte el cilindro de suelo contenido entre el perímetro de la veleta (Carlson recomienda velocidad angular de 0,1°/seg). El valor obtenido debe corregirse ya que las investigaciones señalan que entrega valores demasiado altos. Para corregir Bjerrum (1972) propuso una curva donde el valor de tu se multiplica por un factor I obtenido del gráfico de la figura 3.7. y así tenemos el tu de diseño. Diversas investigaciones señalan que a cierta profundidad, dependiendo de la calidad del muestreo, existe una coincidencia aceptable entre los valores de resistencia sin drenaje dados por la fórmula y la mitad de la resistencia a la compresión simple de muestras inalteradas ensayadas en laboratorio. Para profundidades mayores la resistencia con veleta es mayor, debido a la dificultad de la toma de muestras.
Figura 3.7. Gráfico para corregir el valor de tu.(Bowles J.,1982.)
16.- Métodos de cálculo de estabilidad definiciones previas, características resistentes del material constitutivo del talud. Rotura planar, generalidades, geometría de la rotura, vuelco. Roturas circulares y curvas, generalidades, Abacos de Taylor, Abacos de Bishop, Morgenstern, Abacos de Hoeck y Bray. Método de la Dovela
Método de Fellenius
Considera el peso (w), y de las presiones intersticiales (u). El mas simple de todos los métodos de dovelas y ala ves el mas conservador, proporciona el factor de seguridad (FS) más bajo. Ecuación gobernante:
Momentos estabilizadores son generados por la resistencia al cizallamiento en la superficie de rotura. Momentos desestabilizadores son generados por el peso del terreno incluyendo el peso del agua.
X
-
Rse*l«
FS“
ZÉ'L, + (W¡ cosa¡ -UjL¡)tanf} J=LT¡
-
¿WiSenaj+lrÿfel
Método simplificado de Bishop Se aplica solo a superficies de rotuna circulares, método similar al de Fellenius excepto que considera equilibrio de fuerzas en la dirección vertical. Los resultados del FS tienden a ser mas elevados que en el método de Fellenius. X
-
Método simplificado de Jambu
Se aplica a cualquier superficie de rotura, no cumple el equilibrio de momentos pero si el de fuerzas.
r
£W, Sa'ia< + -Y«22 k = Q,31 Para f = 0; Para c’ > 0, $' > 0 3 k = 0,50
C’
: cohesión en términos de tensiones efectivas: [kN/m2] : ángulo de fricción interna; [°]
7
: peso específico del terreno; [kN'rn3]
7w h
: peso específico del agua; [9,8 kN/m3] : altura de la dovela en la parte media, [m]
k-
: altura del nivel de agua; [m] : ángulo positivo o negativo de la base de la dovela con respecto a la horizontal; [°], : ancho de la dovela; [m]. : longitud de la base de la dovela: [m],
a
b L W
: peso; [kN/m]. : altura del nivel de agua en la grieta de tracción; [m],
Vuelcos (topples) Es la rotación hacia delante y hacia el exterior de la ladera, de una masa de suelo o roca alrededor de un eje situado por debajo de su centro de gravedad. La fuerza desestabilizadora es la gravedad así como el empuje ejercido por el terreno adyacente o los fluidos (agua o hielo) en las grietas. Dentro del mecanismo de vuelco pueden distinguirse dos procesos; • Vuelco por flexión (flexural toppling) Tiene lugar en rocas con un sistema preferente de discontinuidades, formando vigas semicontinuas en voladizo (Goodman y Bra'y, 1976). Las columnas continuas cuando se doblan hacia delante, rompen por flexión. Este tipo de movimiento es característico en esquistos, filitas, pizarras y en secuencias rítmicas finamente estratificadas (facies flysch).
Desplome
La parte movida cae con un movimiento brusco de giro, al menos inicial, apoyado en su base externa. Estos movimientos se producen en bordes acantilados rocosos o de materiales areno-arcillosos compactados. Si la ladera es empinada, las roturas por vuelco pueden transformarse en caídas.
Vuelco por flexión
Desplome
En formaciones detríticas (terrazas aluviales) y en rocas blandas (arcillitas y limolitas) los desplomes suelen darse en taludes empinados que han sufrido excavaciones rápidas (por ejemplo, en las márgenes cóncavas de los meandros) a favor de grietas de tracción que se desarrollan paralelamente al acantilado. La generación de un mecanismo de vuelco en macizos rocosos es poco frecuente en la naturaleza. Su desarrollo esta asociado sobretodo a excavaciones artificiales y en este caso, su ocurrencia suele indicar la presencia sistemática de discontinuidades adversamente orientadas que requieren su estabilización mediante bulonado o anclaje. La progresión del vuelco hacia la parte alta de la ladera podría conducir a la rotura generalizada de la misma. El desarrollo de un vuelco a gran escala en la ladera puede comportar cambios significativos en la permeabilidad del macizo rocoso tanto en el espacio como en el tiempo. La abertura de grietas puede facilitar el drenaje del macizo y ayudar a la autoestabilización (Giraud et al. 1990).
Abacos de Taylor
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 abacos de Taylor. En esta solución, además, se tiene en cuenta la posible presencia de una capa rígida profunda que, a bien tiene poca trascendencia en aquellos casos en que el ángulo de rozamiento es apreciable (> 10°), resulta decisiva en aquellos casos extremos del cálculo en situaciones sin drenaje, en ios que se supone
= 0.
Para el caso particular de - 0, se puede aplicar el abaco de la Fig. 3.5, del que puede obtenerse la cohesión necesaria para eí equilibrio estricto en función de los datos geométricos del talud, que se indican en esa figura, y del peso específico del suelo.
En el abaco se indica, además, el tipo de línea circular cuya estabilidad requiere una cohesión más alta (línea de rotura crítica). Esa línea puede ser un círculo de pie, de talud o profundo. La forma genérica de estas tres tipologías puede verse en ia Fig. 3.2 y, también, en la propia Fig. 3.5. Figura 3.5.
Abaos de Taylor. Suelo* pu-anente cohesivos. # = 0
mcuNAaóNtxvuua p SITUACIÓN DC LA ÜNEA DC ROTURA tíñanos moFUMDos tíñanos ae ne
VALORES DE
0
Non.- En b zara rayada y en «i pratenpddn raen, pan inclinaciones del talud mayores de 52a, b ranura *e produce tefún circuios de pie. Por encima de M* xana la rotura obndaca a circulo* d* talud y per dobajo da «lia a circuios profundo* La linas ds puntos indica la astibaildad ó* dreulos da pía an aqualio* lic-r auar puwdr «r ftüfnna uartt» firwt la rutur; proürxU « mb crton imxto U rotura wgún órojlw que «orwi al pro¬ caaoi «n cetuloí capgeKei *1 fondo resfonentí pia alud (Urcuew de takid). aiíiftda ocurre, te hace
Una vez conocida la tipología Ce la rotura, la parte Inferior de esta figura permite precisar la situación de la linea ce rotura critica.
En el mismo abaco se indica, con una línea de puntos, la cohesión necesaria pora que un talud sea estable según círculos de pie. en acuellas situaciones en las que realmente ia línea mas crítica resulta ser un círcuio profundo. Esta información puede ser útil en algunas situaciones.
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En excavaciones en zanja, con taludes en cada uno de sus costados, no se pueden producir deslizamientos profundos, particularmente si la zanja tiene un fondo estrecho. La propia geometría de la zanja condiciona la cinemática de la rotura. En esas ocasiones, o en otras semejantes, es conveniente conocer la cohesión necesaria para mantener el equilibrio según líneas que no sean tan profundas. Para el caso general, cuando existe cohesión y rozamiento, la estabilidad puede analizarse mediante el abaco de la Fig. 3.6.
Con este ábaco se pueden obtener parejas de valores de los parámetros resistentes (c y tg ) que conducen al equilibrio estricto. Con esas parejas de valores, se puede construir un diagrama similar al indicado en la Fig. 3.4, que facilita la comparación con los parámetros resistentes del terreno y permite, por lo tanto, calcular el coeficiente de seguridad. Este ábaco permite, también, conocer el tipo de circulo que condujo, en los cálculos de Taylor, a la linea de rotura más desfavorable.
17.- Describa el método de perforación por Barrenos Mecánicos y por el Método de Lavado indicando (tipos de suelos en los que se emplea, profundidad, diámetro de perforación, tipo de muestra que se obtiene etc.)
Barrenos: La forma más corriente de empleo de explosivos en cámara cerrada es el barreno. En la roca a remover se practican una serie de agujeros de diámetro y profundidad variable, bien a mano o bien con medios mecánicos (martillos perforadores); la carga de explosivos se coloca en el fondo del orificio, con una altura tal que en la parte superior quede espacio suficiente para cerrar la salida de la manera más perfecta posible, rellenando con material escogido, bien comprimido, para evitar que los gases encuentren en el orificio del barreno la línea de menor resistencia, en cuyo caso se perdería una parte importante de la eficacia de la explosión; cerrar herméticamente es fundamental para el rendimiento de la explosión. La longitud del cierre no debe ser menor de 200 mm. para 100 grs. de carga, y 50 mm. Más para cada 100 grs. más de explosivos, con un máximo práctico de 50 mm.; el cierre puede hacerse con arena fina o arcilla ligeramente húmeda, terminando con yeso o cemento rápido. Cuando el cierre no está bien hecho, sale por él, en pura pérdida, parte de la fuerza de la explosión; entonces se dice que el barreno ha dado "bocazo". Los barrenos que por cualquier causa no hubieren hecho explosión después de haberles dado fuego, no deberán de ninguna manera vaciarse, se volarán con nuevos barrenos colocados, como mínimo, a 25 cm. de distancia. Las dimensiones convenientes de los barrenos, diámetro y longitud, dependen de la naturaleza de la roca y de la forma de llevar el trabajo; en el rendimiento interviene, además, un factor importante: la disposición relativa y separación de los orificios. El diámetro de los agujeros varía, normalmente, de 30 a 90 mm., habiéndose llegado en canteras hasta 100 mm.; la longitud depende del tipo de trabajo a realizar y de la separación. En trabajos especiales de cantera se llega a barrenos de mayor diámetro, hasta 200 mm., empleándose para ello sondas rotativas a gran velocidad de corona de diamante; en trabajos de excavación estos diámetros excepcionales no son recomendables, pues precisan fuertes cargas y se producen escombros de gran volumen, que es imprescindible cuartear para poderlas cargar al medio de transporte; la reducción de piedras de gran tamaño a uno conveniente para su carga, el "taqueo", es trabajo
enojoso y caro, que retrasa el transporte de escombros y complica la explotación normal del tajo. La determinación del diámetro, longitud del terreno, separación entre éstos, su disposición relativa y carga de explosivo son factores todos ellos que influyen decisivamente en la economía de la explotación; al tratar de los diferentes trabajos que interesan, se dan datos de orientación; pero hay que tener presente, que solo una cuidadosa experimentación, al comenzar la explotación, asegurará la solución correcta.
Perforación de barrenos: La perforación de barrenos puede hacerse a mano o mecánicamente. Perforación a mano: Para la perforación a mano se utilizan de acero fundido o de hierro con la punta de acero, su sección es generalmente, octogonal, de punta afilada con diferentes formas, según la naturaleza de la roca; cuando es muy dura, se emplea la forma c), mientras que, para rocas de mediana dureza, se emplea la b); el ángulo varía de 60° a 90°; el rendimiento óptimo para cada clase de roca, se obtiene con un ángulo determinado, que es conveniente fijar experimentalmente antes de empezar los trabajos. Para ejecutar el agujero de un barreno, se empieza por prepararen la roca una superficie plana, normal a la dirección en que se ha de practicar; el agujero se inicia con golpes de barra, teniendo cuidado de hacer girar esta a cada golpe; cuanto más pequeño sea el ángulo que se haga girar la barra, más perfecto será el agujero practicado. Cuando la roca en la cual se ejecuta el barreno está seca, la operación se ayuda echando agua en el agujero, con lo cual se hace más fácil la maniobra y se evita el excesivo calentamiento de la barra. Es muy importante que el agujero sea circular, bien derecho, el acero de las barrenas debe ser duro y presentar una gran resistencia al choque; se emplean para las puntas de las barras aceros especiales al cromo, manganeso o wolfram.
Perforación mecánica: Cuando la obra a realizar es importante, la perforación a mano resulta lenta y costosa; por ello resulta, salvo raras excepciones, económicamente recomendable recurrir a la perforación mecánica; su rapidez es, por lo menos, tres veces la de perforación a mano; el agujero resulta más regular y su coste es menor; se pueden alcanzar 5 o 6 mt. de profundidad con un diámetro hasta de 90 mm.
Método de lavado Este método constituye un procedimiento económico y rápido para conocer aproximadamente la estratigrafía del subsuelo (aun cuando la experiencia ha comprobado que pueden llegar a tenerse errores hasta de 1 m al marcar la frontera entre los diferentes estratos). El método se usa también en ocasiones como auxiliar de avance rápido en otros métodos de exploración. Las muestras obtenidas en lavado son tan alteradas que prácticamente no deben ser consideradas como suficientemente representativas para ninguna prueba de laboratorio. realizar El equipo necesario para realizar la perforación incluye un trípode con polea y martinete suspendido, de 80 a 150 kg de peso, cuya función es hincar en el suelo a golpes el ademe necesario para la operación. Este ademe debe ser de mayor diámetro que la tubería que vaya a usarse para la inyección del agua. En el extremo inferior de la tubería de inyección debe ir un trépano de acero, perforado, para permitir el paso del agua a presión. El agua se impulsa dentro de la tubería por medio de una bomba. La operación consiste en inyectar agua en la perforación, una vez hincado el ademe, la cual forma una suspensión con el suelo en el fondo del pozo y sale al exterior a través del espacio comprendido entre el ademe y la tubería de inyección; una vez fuera es recogida en un recipiente en el cual se puede analizar el sedimento. El procedimiento debe ir complementado en todos los casos por un muestreo con una cuchara sacamuestras apropiada, colocada al extremo de la tubería en lugar del trépano; mientras las características del suelo no cambien será suficiente obtener una muestra cada 1.50 m aproximadamente, pero al notar un cambio en el agua eyectada debe precederse de inmediato a un nuevo muestreo. Al detener las operaciones para un muestreo debe permitirse que el agua alcance en el pozo un nivel de equilibrio, que corresponde al nivel freático (que debe registrarse). Cualquier alteración de dicho nivel que sea observada en especialmente. reportarse diferentes los debe muéstreos En la Fig. A-3 aparece un esquema del equipo de perforación y algunos modelos de trépanos perforados.