Unidad 6 Estabilidad de Taludes

Unidad 6. Estabilidad de taludes

 Definición de Talud: Se entiende por talud a cualquier superficie inclinada respecto de la horizontal que hayan de adoptar permanentemente las estructuras de tierra. No hay duda que el talud constituye una estructura compleja de analizar debido a que en su estudio coinciden los problemas de mecánica de suelos y de mecánica de rocas, sin olvidar el papel básico que la geología aplicada desempeña en la formulacin de cualquier criterio aceptable. !uando !uando el talud talud se produc produce e en forma forma natura natural, l, sin interv intervenc encin in human humana, a, se denomina ladera natural o simplemente ladera. !uando los taludes son hechos por el hombre se denominan cortes o taludes artificiales, seg"n sea la g#nesis de su formacin$ en el corte, se realiza una e%cavacin en una formacin t#rrea natural &desmontes', en tanto que los taludes artificiales son los lados inclinados de los terraplenes. Definición de estabilidad: Se entiende por estabilidad a la seguridad de una masa de tierra contra la falla o movimiento. !omo primera medida es necesario definir criterios de estabilidad de taludes, entendi#ndose por tales algo tan simple como el poder decir en un instante dado cuál será la inclinacin apropiada en un corte o en un terrapl#n$ casi siempre la más apropiada será la más escarpada que se sostenga el tiempo necesario sin caerse. (ste es el centro del problema y la razn de estudio.

6.1. Tipos y causas de fallas en taludes. Falla Rotacional: (n el primer lugar se define una superficie de falla curva, a lo largo de la cual ocurre el movimiento del talud. (sta superficie forma una traza con el plano del papel que puede asimilarse, por facilidad y sin mayor error a una circunferencia, aunque pueden e%istir formas algo diferentes, en la que por lo general influye la secuencia geolgica local, el perfil estratigráfico y la naturaleza de los materiales. (stas fallas son llamadas de rotacin. (ste tipo de fallas ocurren ocurren por lo com"n com"n en materiales materiales arcillosos arcillosos homog#neo homog#neos so en suelo suelos s cuyo cuyo compor comportam tamien iento to mecáni mecánico co est# est# regido regido básica básicamen mente te por su fraccin arcillosa. (n general afectan a zonas relativamente profundas del talud, siendo esta profundidad mayor cuanto mayor sea la pendiente. )as fallas por rotacin se denominan seg"n donde pasa el e%tremo de la masa que rota. *uede presentarse pasando la superficie de falla por el cuerpo del talud &falla local', por el pie, o adelante del mismo afectando al terreno en que el talud se apoya &falla en la base'. !abe señalar que la superficie de este "ltimo tipo de falla puede profundizarse hasta llegar a un estrato más resistente o más firme de donde se encuentra el talud, provocando en este punto un límite en la superficie de falla.

(a)

(b)

Figura 2: (a) Nomenclatura Nomenclatura de una zona de falla. (b) Distintos tipos de falla.

Falla Traslacional: (stas fallas por lo general consisten en movimientos traslacionales importantes del cuerpo del talud sobre superficies de falla básicamente planas, asociadas a la presencia de estratos poco resistentes localizados a poca profundidad del talud. )a superficie de falla se desarrolla en forma paralela al estrato d#bil y se remata en sus sus e%tr e%trem emos os con con supe superf rfic icie ies s curv curvas as que que llega llegan n al e%te e%terio riorr form forman ando do agrietamientos. )os estratos d#biles que favorecen estas fallas son por lo com"n de arcillas blandas o de arenas finas o limos no plásticos sueltos. !on mucha frecuencia, la debi debili lida dad d del del estr estrat ato o está está liga ligada da a elev elevad adas as pres presio ione nes s de poro poro en el agua agua contenida en las arcillas o a fenmenos de elevacin de presin de agua en estratos de arena &acuíferos'. (n este sentido, las fallas pueden estar ligadas tambi#n al calendario de las temporadas de lluvias de la regin. )as fall fallas as del mate materi rial al en

bloq loque, muc muchas has veces eces está stán

asoc sociada iadas s a

discontinuidades y fracturas de los materiales que forman un corte o una ladera natural, siempre en añadidura al efecto del estrato d#bil subyacente. )as fallas de una franja superficial son típicas de laderas naturales formadas por  materiales arcillosos, producto producto de la meteorizacin de las formaciones originales. Se suelen provocar por el efecto de la sobrecarga impuesta por un terrapl#n cons constr trui uido do sobr sobre e la lade ladera ra.. (n esta estas s fall fallas as el movi movimie mient nto o ocur ocurre re casi casi sin sin distorsin.

O

Suelo de cimentación blando

Figura 3: +alla de base

O

Suelo blando Estrato rme

Figura 4: +alla limitada por un estrato firme.

6.2. Métodos de anlisis de fallas en taludes. )os m#todos de análisis para las fallas de talud de deslizamiento de tierras, básicamente consisten en determinar una superficie de falla en la cual puede ocurrir un desplazamiento de la masa del suelo &como un cuerpo rígido', y se comparan la acciones actuantes sobre esta superficie contra la resistencia cortante del suelo en la misma, al coeficiente de las acciones actuantes y la resistencia al cortante se le conoce como factor de seguridad, el cual debe ser  mayor de la unidad, en la l a práctica se considera un talud estable con factores de seguridad mayores o iguales a .-, sin embargo esto dependerá de cada caso específico en funcin de la importancia de la obra y el grado de incertidumbre del diseño. Seguridad contra rotacin  Fs=

momento momento .resistent .resistentee momento.actuante

Seguridad contra traslacin  Fs=

fuerza. resistente resistente fuerza fuerza . actuante actuante

(n los taludes de arenas &puramente friccionaste', la estabilidad se logra con que que el ángul ángulo o de talud talud &' sea menor menor que el ángu ángulo lo de fricci friccin n inter interna na &ϕ', considerando un /factor de seguridad0.  Fs=

ϕ α 

1.2

!on la finalidad que la superficie del talud no tenga erosin e%cesiva.

 Método sueco – Casagrande: (ste m#todo recibe su nombre por los primeros estudios que hizo el 3ngeniero Suec Sueco o *ete *eters rso on sobr sobre e los los aná análisi lisis s de esta stabili bilida dad d de tal talude udes en los deslizamientos del puerto de 4otemburgo al suroeste de Suecia, en el cual se considera que la superficie de falla es de tipo cilíndrica, aplicado a suelos de tipo puramente cohesivo, 5. !asgrande propone el siguiente procedimiento6 Suelos puramente cohesivos c78 y ϕ98 : *or lo que la frmula de resistencia al esfuerzo cortante queda6 S9 c ; tan ϕ

s9c

Se considera un arco de circunferencia con centro en < y de radio =, como la superficie hipot#tica de falla, la masa de suelo del talud delimitada por esta circunferencias moviliza rotando con respecto al punto <.

(l momento actuante con respecto al origen de la circunferencia, es el producto del del peso peso de la masa masa de suel suelo o del del talu talud d deli delimi mita tada da por por el segm segmen ento to de circunferencia, multiplicado por la distancia entre su centro de gravedad y la vertical del origen del círculo. >59? @d

Aambi#n contribuyen en el momento actuante, todas las estructuras que se encu encuen entr tre e sobr sobre e el talu talud d en el área área de infl influe uenc ncia ia de la masa masa de suel suelo o delimitada, por lo que la formula queda6 n

∑ ( wi∗di )

>59

i−l

(l moment momento o resist resistent ente e con respec respecto to al orige origen n de la circun circunfer ferenc encia, ia, es el producto de las fuerzas que se oponen al deslizamiento de la masa de suelo y que en este caso son los efectos de la cohesin a lo largo de la superficie de falla supuesta. >=9c@=@) *or lo que el factor de seguridad de la circunferencia propuesta se define como6 fs =

c∗ R∗ L n

∑ ( wi∗di ) i− l

(n este m#todo es necesario realizar tanteos para determinar el círculo crítico &el de menor factor de seguridad'.

Método de las dovelas – Fellenius: (ste m#todo es una variante del m#todo sueco, en el cual se consideran con cohesin y friccin, así como suelos estratificados o estructuras como presas de tierra de seccin compuesta. (n este m#todo tambi#n se considera una superficie de falla de tipo cilíndrica, lacual lacual +elle +elleniu nius s dividi dividi en dovela dovelas s &reban &rebanada adas', s', el n"mero n"mero de dovela dovelas s se determina a criterio del problema, procurando que nunca coincida la base de una dovela en dos tipos de suelo. Suelos con cohesin y friccin

c78 y ϕ98 : *or lo que la frmula de resistencia al esfuerzo cortante queda6 S9 c ; B tan ϕ 5nálisis con esfuerzos totales. S9 c ; BC tan ϕ 5nálisis con esfuerzos efectivos ante la presencia de flujo de agua en el talud. Se considera tambi#n un arco de circunferencia con centro en < y de radio =, como la superficie hipot#tica de falla, la masa de suelo del talud delimitada por  esta circunferencia se divide en dovelas y se analiza el deslizamiento con el desplazamiento de las dovelas en su base rotando con respecto al punto <.

 5nalizando las acciones acciones en una dovela, se considera considera que se pueden despreciar  despreciar  las fuerzas normales y tangenciales, de confinamiento de las dovelas pr%imas, debido a que el mecanismo de falla de rotacin de todas las dovelas se da al mismo tiempo.

(l peso de la dovela &Di' se puede descomponer en sus componentes normal y tangencial, que en el caso del análisis se consideran igual a sus reacciones sobre la superficie hipot#tica de falla. Ni9?i cos ϕi

Ai9 ?i sen ϕi (l momento actuante con respecto al origen de la circunferencia es el producto dela suma de todas las componentes tangenciales de las dovelas multiplicadas por el radio. n

∑ ( Ti )

>59&='

i −l

(l mome moment nto o resi resist sten ente te con con resp respec ecto to al orig origen en de la circ circun unfe fere renc ncia ia es el producto de la suma de las resistencias al corte de las dovelas multiplicado por  el radio. n

∑ ( si ⍙ li )

>59&='

i−l

*or lo anterior el factor de seguridad queda6 n

∑ ( si ⍙ li ) fs =

i− l n

∑ ( Ti) i−l

Método del Círculo de fricción: )os doctores 4ilboy y 5. !asagrande, desarrollaron un m#todo para el análisis dela estabilidad de taludes en fallas de rotacin de suelos homog#neos con cohesin y friccin, friccin, conocido conocido como m#todo del del !írculo de friccin o !írculo ϕ, este m#todo consiste consiste en determinar el estado de equilibrio de un polígono de fuerzas en donde los vectores representan6 el peso propio de la masa de suelo contenida en el círculo de falla, la reaccin del suelo considerando la friccin y la cohesin del suelo.

(l vect vector or D, corres correspo pond nde e al peso peso de la masa masa de suel suelo o deli delimit mitad ada a por por la supe superf rfic icie ie,, el talu talud d y el plan plano o de fall falla a circ circul ular ar.. (ste (ste pes peso se calc calcul ula a determinando el área de influencia multiplicándola por el peso específico del suel suelo. o. )a línea línea de acci accin n del del vect vector or D es verti vertica call por por los los efec efecto tos s de la gravedad. gravedad. (l vector vector !, !orrespon !orresponde de a la fuerza cohesiva cohesiva y es la cohesi cohesin n necesaria !n para lograr el equilibrio estático, multiplicada por la cuerda )C de la circunferencia. !9 !n &)C' )a línea de accin del vector !, es paralela a la cuerda )C y su distancia al origen del círculo &brazo de momento', es6  x =

 L  L ´ 

R

(l vector +, corresponde a la fuerza de friccin &suelo E suelo' necesaria para lograr el equilibrio estático. )a línea de accin del vector + pasa por el punto de inters intersecc eccin in de las las línea líneas s de acci accin n de de D y de !, forma forma un un ángu ángulo lo ϕ con respecto a la normal del arco y es tangente al círculo de friccin. =esolviendo el polígono de fuerzas, se puede determinar la magnitud de !, con lo que se puede determinar el valor de la cohesin necesaria ! n para lograr el equilibrio estático y compararla con la cohesin real del suelo c, para poder conocer el fact factor or de segu segurid ridad ad de la supe superfi rfici cie e de fall falla a prop propue uest sta, a, en func funci in n de la cohesin6

 Fsc =

c Cn

Fe la misma forma puede aplicarse a la friccin si el valor propuesto del ángulo de friccin interna es menor que el real6  Fs ϕ =

tan ϕ

tanϕc

Método Taylor: !onsiderando que el en m#todo del circulo de friccin los tres vectores que forman el polígono de fuerzas D, ! y + , deben ser concurrentes &interceptarse en un punt punto', o', y la la direcc direccin in de de la fuerz fuerza a + debe debe ser tange tangente nte al al círculo círculo ϕ . Aaylor observa que e%iste un pequeño error &Aerzaghi lo considera del lado de la seguridad' seguridad' en cuanto al al cálculo del radio del círculo ϕ, y propone un factor de ajuste G6 =adi =adio o m# m#todo todo círcu írculo lo de fri fric cci cin. F9 = Sen ϕ

=adio dio co con el el aju ajust ste e de de Aa Aaylor lor. F9 H= Sen ϕ

(l valor de G está en funcin del ángulo central 5
 5sí tambi#n Aaylor aylor propone un m#todo para determinar el factor de seguridad de este análisis respecto a la resistencia al esfuerzo cortante del suelo en donde, el factor de seguridad del talud, sea igual al factor de seguridad en funcin de la cohesin y el factor de seguridad en funcin de la friccin, o sea6

+s9 fsc 9 fsϕ (l m#tod m#todo o consi consiste ste en determ determina inarr varias varias veces veces el factor factor de seguri seguridad dad de unam unamis isma ma supe superfi rfici cie e de falla falla por por el m#to m#todo do del del circ circul ulo o ϕ, prop propon onie iend ndo o diferentes diferentes valores valores del del ángulo ángulo de friccin friccin ϕ, graficándos graficándose e los valores valores de fsc y fsϕ.

6.3 !nlisis de c"rculos cr"ticos Jno Jno de los los prob proble lema mas s que que se pres presen enta tan n en los los m#to m#todo dos s ante anterio riorm rmen ente te descritos, es el conocer en un talud, cual es la superficie de falla con el menor  factor de seguridad, con lo que se conocería el grado de estabilidad. (n taludes de material cohesivo homog#neo en el cuerpo y en su cimentacin, se han realizado estudios para determinar sus círculos críticos, un estudio establece que el ángulo de inclinacin del talud con la horizontal, marca una frontera en los -KL, que establece.  5ngulo del talud con la horizontal horizontal M. M1-K:

Aipo de falla de talud *ie de talud

M -K:

Fe base o profunda

*ara encontrar un círculo crítico es preciso buscar la superficie de falla que d# el factor de seguridad mínimo. !onsid#rense los siguientes análisis6 *rimero, si el centro de la circunferencia se mueve sobre una trayectoria horizontal6 (l arco de las superficies de falla desplazándose horizontal el centro de la circunferencia no cambia, por lo tanto el momento resistente >= no cambia, por lo que el factor de seguridad +S será mínimo, cuando el momento actuante >5 sea má%imo.

>59> ;> 2 ;> K;> O

6.4 #re$enci%n y correcci%n de fallas en taludes. !on la finalidad de mejorar la estabilidad de los taludes desde el punto de vista de prevencin y correccin de fallas de taludes, se pueden establecer las siguientes recomendaciones. Fisminuir la pendiente del talud. (sta solucin como como preve prevenci ncin n o correc correcci cin n de fallas fallas de talude taludes, s, es efecti efectiva va en suelos suelos friccionantes y cohesivo friccionantes, si las las condiciones físicas y econmicas econmicas lo perm permit iten en,, sin sin emba embarg rgo o en suel suelos os cohe cohesi sivo vos s la vent ventaj aja a de dism dismin inui uirr la pendiente, no garantiza un incremento significativo en la seguridad en cuanto a la estabilidad del talud.   !onstruccin de bermas o banquetas. (sta solucin se emplea tambi#n lo mismo para prevenir como para corregir, y consiste en colocar una berma o banqueta de suelo en la parte baja del talud, con la intencin de reducir el

momento actuante con el peso dela berma, y de ser posible incrementar el momento resistente.

(stabi (stabiliz lizaci acin n de suelo suelos. s. (sta (sta soluci solucin n se emplea emplea para para preve prevenir nir fallas fallas de taludes, consiste en adicionar substancias cementantes al suelo, para mejorar  las características físicas del talud &aumentar su resistencia al cortante', este procedimiento tiene las desventajas de ser caro y su proceso constructivo es complejo. >uros de retenimiento. (sta solucin se emplea cuando el desarrollo del talud es limitado por las necesidades de los proyectos, y se debe de tener cuidado para que el nivel de desplante del muro quede por debajo de la superficie de falla. Frenaj Frenaje. e. )a princi principal pal causa causa de fallas fallas de talude taludes, s, está está relac relacion ionada ada con la presencia del agua fluyendo dentro del suelo, es com"n escuchar y ver en las noticias que en la temporada de lluvias e%isten fallas en taludes &en especial en lade ladera ras' s',, a e%ce e%cepc pci in n de las las pres presas as de tierra tierra,, en los los talu talude des s debe deben n de proyectarse obras de drenaje como cunetas, contracunetas, drenajes, etc., que elimine filtraciones y flujo de aguas.

6.&. 'oft(are de aplicaci%n. (l programa básico para el análisis de estabilidad es (stabilidad de taludes. (l cual permite el análisis para la estabilidad de taludes con superficie circular o poligonal y optimizacin automática de la superficie de deslizamiento. 5demás coopera con todos los programas para el análisis de diseño de e%cavaciones y

diseño de muros de contencin. *ermite la creacin de anclajes, geo refuerzos, sobrecargas y modelado de efectos sísmicos. (l programa para el análisis de muros de suelos reforzados por geo refuerzos es >uro de suelo reforzado el cual contiene una e%tensa base de datos de geo refuerzos para diferentes empresas constructoras. (l programa de análisis de muros claveteados &clavos pasivos con cara de hormign proyectado es el llamado >uros claveteados. (l progra programa ma (stabi (stabilid lidad ad de =oca =oca se design designa a al anális análisis is de estabi estabilid lidad ad de taludes rocosos para un tipo de fallo específico incluyendo una superficie de deslizamiento plana o poligonal o cuña de roca. (l programa *ilote antiPdeslizante se utiliza para el diseño de muros de pilotes estabi estabiliz lizand ando o el movimi movimient ento o de pendie pendiente ntes s o el aumen aumentan tando do el factor factor de seguridad de la pendiente. Aodos los problemas de estabilidad pueden incluso resolverse con el m#todo de elementos finitos &m#todo de reduccin fi,c' en el programa >(+. (l nivel freático del agua puede ser calculado en el programa >(+ +lujo de agua y luego e%portado al programa (stabilidad de taludes o a >(+ para el análisis de estabilidad.