ESTABILIDAD DE TALUDES

01.04.2013 08:34

 

ESTABILIDAD DE TALUDES

 

 

La modelación matemática de los taludes es parte de la práctica de la ingeniería geotécnica, con el objeto de analizar las condiciones de estabilidad de los taludes naturales y la seguridad y funcionalidad del diseño en los taludes artificiales (Figura 3.1). Existe una gran cantidad de metodologías para la modelación matemática, la cual depende del objetivo del análisis y de los resultados que se deseen obtener. Los objetivos principales del análisis matemático de los taludes son los siguientes:

 

• Determinar las condiciones de estabilidad del talud (si es estable o inestable y el margen de estabilidad).
• Investigar los mecanismos potenciales de falla (analizar cómo ocurre la falla).
• Determinar la sensitividad o susceptibilidad de los taludes a diferentes mecanismos o factores detonantes (Efecto de las lluvias, sismos, etc.)
• Comparar la efectividad de las diferentes opciones de remediación o estabilización y su efecto sobre la estabilidad del talud.
• Diseñar los taludes óptimos en término de seguridad, confiabilidad y economía. 

    Figura 7.1. Ejemplo de un análisis de estabilidad de taludes (U. S. Corps of Engineers, 2003).

 

 

HERRAMIENTAS DISPONIBLES

 

Para el análisis de la estabilidad de taludes se dispone de varias herramientas útiles en el momento de modelar y diseñar:

•  Tablas o ábacos.

•  Análisis gráficos.

• Cálculos manuales.

•   Hojas de cálculo.

•  Uso de Software.

 

METODOLOGÍAS PARA EL ANÁLISIS DE LA ESTABILIDAD

 

Dentro de las metodologías disponibles, se encuentran los métodos de límite de equilibrio, los métodos numéricos y los métodos dinámicos para el análisis de caídos de roca y flujos, entre otros. Tabla 7.1

 

CARACTERÍSTICAS DEL ANÁLISIS DE LÍMITE DE EQUILIBRIO

 

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.

 

 

Concepto de Factor de Seguridad F. S. El factor de seguridad es empleado por los ingenieros para conocer cuál es el factor de amenaza para que el talud falle en las peores condiciones de comportamiento para el cual se diseña.

 

Fellenius (1922) presentó el factor de seguridad como la relación entre la resistencia al corte real, calculada del material en el talud y los esfuerzos de corte críticos que tratan de producir la falla, a lo largo de una superficie supuesta de posible falla:

               

                                     

En las superficies circulares donde existe un centro de giro y momentos resistentes y actuantes:

 

                                       

 

            

 

               Tabla 7.1. Metodologías utilizadas en los análisis convencionales de estabilidad de taludes.

 

Existen además, otros sistemas para plantear el factor de seguridad, tales como la relación de altura crítica y altura real del talud, métodos probabilísticos, así como tablas empíricas locales basadas en el comportamiento típico de los taludes. La mayoría de los sistemas de análisis asumen un criterio de límite de equilibrio donde el criterio de falla de Coulomb es satisfecho a lo largo de una determinada superficie. Se estudia un cuerpo libre en equilibrio, partiendo de las fuerzas actuantes y de las fuerzas resistentes que se requieren para producir el equilibrio. Calculada esta fuerza resistente, se compara con la disponible del suelo o roca y se obtiene una indicación del factor de seguridad.

 

Otro criterio es dividir la masa que se va a estudiar en una serie de tajadas, dóvelas o bloques y considerar el equilibrio de cada tajada por separado.

 

Una vez realizado el análisis de cada tajada se analizan las condiciones de equilibrio de la sumatoria de fuerzas o de momentos.

 

                                              

 

Concepto de Superficie de Falla. El término superficie de falla se utiliza para referirse a una superficie asumida a lo largo de la cual puede ocurrir el deslizamiento o la rotura del talud (Figura 3.3); sin embargo, este deslizamiento o rotura no ocurre a lo largo de esas superficies si el talud es diseñado adecuadamente.

 

En los métodos de límite de equilibrio el factor de seguridad se asume que es igual para todos los puntos a lo largo de la superficie de falla; por lo tanto, este valor representa un promedio del valor total en toda la superficie. Si la falla ocurre, los esfuerzos de cortante serán iguales en todos los puntos a todo lo largo de la superficie de falla.  

                          

         Figura 7.2. Superficie de falla y dirección de la resistencia al cortante (U.S. Corp of Engineers, 2003).

 

 Generalmente, se asume un gran número de superficies de falla para encontrar la superficie de falla con el valor mínimo de factor de seguridad, la cual se denomina superficie crítica de falla. Esta superficie crítica de falla es la superficie más probable para que se produzca el deslizamiento; no obstante, pueden existir otras superficies de falla con factores de seguridad ligeramente mayores, los cuales también se requiere tener en cuenta para el análisis.

 

Formas de la superficie de falla. Las técnicas de límite de equilibrio se utilizan cuando las fallas corresponden a los deslizamientos de traslación o de rotación sobre superficies de falla determinadas. Se pueden estudiar superficies planas, circulares, logarítmicas, parabólicas y combinaciones de éstas. En los últimos años, se han desarrollado algunos modelos de superficies de falla con forma no geométrica.

 

Análisis de superficies planas. Cuando existen discontinuidades planas en la roca o en el suelo del talud, se acostumbra realizar el análisis de falla a traslación. Esta técnica asume el deslizamiento traslacional de un cuerpo rígido a lo largo de un plano o a lo largo de la intersección de dos planos, como el caso de la falla en cuña.

 

Análisis de superficies curvas. En los suelos o rocas blandas, las superficies de falla a deslizamiento, tienden a tener una superficie curva. A estas superficies se les conoce como círculos de falla o superficies de falla rotacionales. En los análisis de estabilidad, se debe determinar la localización de la superficie crítica de falla y el factor de seguridad a lo largo de esta superficie.

 

Las grietas de tensión. La existencia de grietas de tensión aumenta la tendencia de un suelo a fallar; la longitud de la superficie de falla a lo largo de la cual se genera resistencia, es reducida y adicionalmente, la grieta puede llenarse con agua. En el caso de las lluvias, se pueden generar presiones de poros transitorias que afectan la estabilidad del talud.

 

La profundidad de las grietas de tensión puede determinarse de acuerdo con la siguiente expresión:

 

                                                   

 

Donde:

Zc = Profundidad de la grieta de tensión.

c = Cohesión.

 γ = Peso unitario del suelo

φ = Ángulo de fricción

Parámetros Utilizados en los Análisis de Límite de Equilibrio

•   Pesos Unitarios.
•   Resistencia al cortante.
•   Condiciones drenadas o no drenadas.
•    Esfuerzos totales y efectivos.
•    Estabilidad a corto y largo plazo.

          

                  MÉTODOS DE LÍMITE DE EQUILIBRIO

 

                    

                  Tabla 7.2. Métodos de análisis de estabilidad de taludes.

  Método de Talud Infinito

 Este método se define, ya que se uso para realizar el análisis de sensibilidad del factor de seguridad,  variando los parámetros de cohesión C y ángulo de fricción interna φ, para la posición del NAF hallado durante la visita de campo, en el cual  el afloramiento del agua se tiene sobre la superficie del talud y adicionalmente se analizó para un flujo del agua paralelo a la superficie del talud, variando en este último la posición del NAF desde el contacto entre el suelo de relleno y el suelo residual, hasta llegar a la cara del talud.

 

El método de talud infinito es uno de los métodos que usan ábacos que simplifican de forma radical el cálculo de estabilidad de taludes. Con los ábacos presentados pueden analizarse dos tipos de condiciones basadas en análisis de taludes infinitos:

1. Taludes en material granular, donde el mecanismo de falla crítico es deslizamiento superficial o rodadura.

2. Taludes en suelo residual, donde una capa relativamente delgada de suelo subyace suelo firme o roca, y el mecanismo de falla crítico es de deslizamiento a lo largo de un plano paralelo al talud, en la parte superior del suelo firme.

 

Para el análisis del talud se debe tener presente la forma del afloramiento del agua freática. Figura 7.3

                                                 

                

 

        Esquemas de afloramiento de agua sobre la superficie del talud y flujo de agua paralelo a la superficie del talud.

 

Dentro del desarrollo del trabajo se busca por este método modelar el talud desde el punto de vista que tiene el espesor de un suelo residual, que se encuentra apoyado sobre un estrato firme.

 

El análisis de la estabilidad de un talud es un proceso de tanteos, con suposiciones de las condiciones más críticas que en un momento dado se pueden presentar. Para este caso en particular (talud Barrio La Sultana), se evalúa el factor de seguridad por diferentes métodos con el propósito de conocer la probabilidad de falla del talud y así poder brindar una solución óptima.

 

Tabla 7.3. CARACTERÍSTICAS DE CADA MÉTODO APLICADO

    

MÉTODO DE ANÁLISIS	SUPERFICIE DE FALLA	CARACTERÍSTICAS
Talud infinito	Recta	Se analiza un bloque superficial con un determinado espesor y una altura de nivel freático, y se supone una falla paralela a la superficie del terreno.
Equilibrio límite
Janbu simplificada	Cualquier forma de superficie de falla	Al igual que Bishop asume que no hay fuerza de cortante entre dovelas. La solución es sobredeterminada que no satisface completamente las condiciones de equilibrio de momentos. Sin embargo, Janbu utiliza un factor de corrección fo para tener en cuenta este posible error. Los factores de seguridad son bajos.
Bishop simplifiacada	Circular	Asume que todas las fuerzas de cortante entre dovelas son cero. Reduciendo el número de incógnitas. La solución es sobredeterminada debido a que no se establecen condiciones de equilibrio para una dovela.

Para el análisis del talud por los diferentes métodos desarrollados anteriormente, siempre se tuvo en cuenta la aplicación del MÉTODO OBSERVACIONAL, puesto que partimos de la base que en la Geotecnia lo más importante es la inspección de la zona y la determinación de las características del talud.

 

Con el fin de realizar el análisis retrospectivo de la ladera de La Sultana, se tomaron en campo dos perfiles del estado actual de la ladera, de tal manera que para poder realizar el modelado correspondiente, se tomo el perfil más representativo del sector, entre el barrio La Sultana y el conjunto Rincón de Palma. Para el desarrollo del trabajo se tomó la prospección geotécnica de las formaciones superficiales, los suelos residuales, del trabajo realizado para Corpocaldas, denominado, “Estudio Geológico, Geotécnico e Hidráulico en el Barrio La Sultana”, realizado por el Ingeniero Consultor Carlos Enrique Escobar Potes.

 

Desde la perspectiva sobre la cual se analiza el talud en estudio se tendrán en cuenta los principales factores detonantes de los movimientos en masa como el sismo, el nivel freático, la presión de poro y la sobrecarga en la corona y en el cuerpo del talud (tabla 7.6). En el recorrido de campo se pudo verificar que la ladera superior está drenada, debido a la presencia de áreas impermeables como edificaciones, pavimentos y andenes; los alcantarillados están construidos en tubería de PVC. Los valores asumidos para los factores detonantes son presentados en la tabla 7.5.

 

Con el fin de identificar los parámetros de resistencia que se tuvieron antes del deslizamiento, se comenzó el estudio del talud de la Sultana con un análisis de sensibilidad del factor de seguridad por el Método del Talud Infinito, variando los parámetros de cohesión C y ángulo de fricción interna φ, para la posición del NAF hallado durante la visita de campo, en la cual el afloramiento del agua es tiene sobre la superficie del talud y adicionalmente se analizó para un flujo del agua paralelo a la superficie del talud, variando en este último la posición del NAF desde el contacto entre el relleno y el suelo residual, hasta llegar a la cara del talud.

 

Las condiciones analizadas del nivel de aguas freáticas NAF, buscan obtener un conjunto de parejas de valores de los parámetros de Cohesión C y ángulo de fricción interna φ, que conducen a un factor de seguridad FS = 1.0.

 

Los valores de los parámetros de resistencia al corte considerados se observan en la tabla 7.4.

                                   Tabla 7.4. Valores considerados para el análisis.

Cohesión (ton/m2)	1	2	3	4	5	6
Ángulo de Fricción φ (°)	15	20	25	30	35

Para dar inicio al análisis se fijaron las características del talud, tales como geometría original del talud, estratificación, superficie de falla, sobrecargas y acción sísmica, variando los parámetros de cohesión C y ángulo de fricción φ, para cada una de las posiciones del nivel de aguas freáticas NAF, asumidas.

 Tabla 7.5. Valores asumidos para los factores detonantes de los deslizamientos

DATOS
MATERIAL	PESO UNITARIO	Cohesión	Ángulo de fricción	Presión de poro
	γt - (ton/m3)	C (ton/m2)	φ (°)	ru
Suelo residual	1.900	3.750	31.000	0.300
Relleno	1.970	2.450	33.000	0.500
Formación Quebradagrande	1.740	2.980	32.000	0.150

 

  Tabla 7.6. Correlaciones realizadas de los factores detonantes del movimiento en masa

Modelado sobre el perfil obtenido, en una franja representativa de la zona a analizar. La evaluación del perfil permite determinar la seguridad de la ladera frente a factores detonantes como el nivel freático y la presión de poros que se puede presentar ante una hipotética fuga en un conducto, sismo y la combinación de los tres factores. Adicionalmente ante sobrecarga en la corona y la cara del talud.
NAF	ru	SISMO	SOBRECARGA EN LA CORONA *1	SOBRECARGA EN LA CARA DEL TALUD *2
NO	NO	NO	NO	NO
NO	NO	NO	NO	SI
NO	NO	NO	SI	SI
NO	NO	SI	SI	SI
NO	SI	SI	SI	SI
SI	SI	SI	SI	SI
NO	NO	NO	SI	NO
NO	NO	SI	SI	NO
NO	SI	SI	SI	NO
SI	SI	SI	SI	NO
SI	SI	NO	SI	SI
SI	NO	SI	SI	SI
SI	NO	NO	SI	SI
SI	NO	NO	SI	NO
NO	SI	NO	SI	NO
NO	SI	NO	SI	SI
*1: Sobrecarga en la corona - Cancha de concreto rígido de 20.15mx14.45mx0.10m de espesor y área construida de viviendas 11mx37mx 2 pisos y una vía concreto rígido (20.25mx10.20mx0.20m de espesor)/2, área aferente.
*2: Sobrecarga en el cuerpo del talud por árboles y grieta de tensión

Los resúmenes de los análisis de estabilidad de las formaciones superficiales y de los rellenos de la corona de la ladera son presentados en la siguiente tabla.  tablas 8.1,8.15, de los resultados de los analisis.