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• Luis Manuel Baltodano

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II UNIDAD: ESTABILIDAD DE TALUDES

II UNIDAD ESTABILIDAD DE TALUDES Introducción. Se comprende bajo el nombre genérico de taludes cualesquiera superficies inclinadas respecto a la horizontal que hayan de adoptar permanentemente las masas de tierra. Se puede definir talud como: Son las obra, normalmente de tierra que se construyen a ambos lados de la vía (tanto en excavaciones con un terraplén) con una inclinación tal que garanticen la estabilidad de la obra. Cuando el talud se produce en forma natural, sin intervención humana, se denomina ladera natural o simplemente talud natural. Los taludes naturales se dividen: Desgate o corte como las lomas y taludes en valles, acantilados costeros y vías. Cuando los taludes son hechos por el hombre se denomina cortes o taludes artificiales. Los taludes artificiales son: Construidos como los terraplenes y presas y las pilas de escombros. Cortados cortes y excavaciones sin soporte. •

Taludes: Cualquier superficie inclinada respecto a la horizontal que hayan de adoptar permanente las estructuras de tierra.

•

Taludes: Suelo, Roca

Taludes

NATURALES

Desgaste ocorte Lomas ytaludes envalles Acantilados costeros yde ríos

ARTIFICIALES

Acumulación odeposición

Construidos

Cortados

laderas ytaludes detríticos

Terraplenes ypresas

cortes y excavaciones sinsoporte

Taludesde deslizamientoyde flujo

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Los problemas relacionados con la estabilidad de laderas naturales difieren radicalmente de los que se presentan en taludes construidos por el ingeniero. Dentro de éstos deben verse como esencialmente distintos los problemas de los cortes y los de los terraplenes. Las diferencias importantes radican, en primer lugar, en la naturaleza de los materiales involucrados y, en segundo, en todo un conjunto de circunstancias que dependen de cómo se formó el talud y de su historia geológica, de las condiciones climáticas que privaron a lo largo de tal historia y de la influencia que el hombre ejerce en la actualidad o haya ejercido en el pasado. Dentro de los taludes artificiales también existen en las vías terrestres diferencias esenciales entre los cortes y los terraplenes. Estos últimos constituyen una estructura que se construye con un material relativamente controlado o que, por lo menos en principio, se puede controlar; en los cortes. Cabeza o cresta del talud

Talud Pie del talud

Bloque de suelo o roca deslizante Superficie deslizante o de rotura Angulo de inclinación

Partes de un talud.

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Estabilidad de Taludes. Uno de los problemas que muy a menudo necesita resolver el ing. de caminos, es el correspondiente a los fenómenos de inestabilidad de taludes en cortes y terraplenes. Un talud de tierra no puede considerarse estable indefinidamente, porque tarde o temprano la estabilidad que pueda presentar se pierde debido a los agentes naturales tales como las presiones hidrostáticas, el intemperismo y la erosión. Un aumento temporal de cargas, la reducción de la resistencia del suelo o una redistribución desfavorable de esfuerzos son causas que contribuyen de una u otra manera a que el talud busque su posición más estable. Causas de la inestabilidad. En el estudio del comportamiento de un talud y en especial al analizar el tratamiento correctivo en el caso de un deslizamiento ya ocurrido, es esencial saber reconocer los factores que contribuyeron y los que causaron al final la falla. Estos factores pueden clasificarse en dos grandes categorías: 1.

Los que tienden a incrementar los esfuerzos cortantes. a) Cargas externas, como edificios, agua etc. b) Aumento del peso de la tierra por aumento de la humedad. c) Remoción por excavación de parte de la masa de tierra. d) Socavaciones producidas por perforaciones de túneles, derrumbes de cavernas o erosión por filtraciones. e) Choques producidos por terremotos o voladuras. f) Grietas de tracción. g) Presión de agua en las grietas.

2.

Los que producen disminución en la resistencia al corte. a) Expansión de las arcillas por adsorción de agua. b) Presión de agua intersticial (esfuerzo neutro). c) Destrucción de la estructura, suelta o de panal del suelo por choque, vibración o actividad sísmica. d) Fisuras capilares producidas por las alternativas de expansión y retracción o por tracción. e) Deformación y falla progresiva en suelos sensibles. f) Deterioro del material cementante. g) Perdida de la tensión capilar por secamiento.

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Algunas causas comunes de deslizamiento. I.-

II.-

Condiciones del terreno. 1.

Material d comportamiento plástico débil.

2.

Material sensible.

3.

Material colapsado.

4.

Material meteorizado.

5.

Material fallado por corte.

6.

Material fisurado o con discontinuidades.

7.

Contraste en la permeabilidad y sus efectos sobre el agua del terreno.

Procesos geomorfológicos. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

III.-

Procesos físicos. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

IV.-

Movimiento tectónico. Actividad volcánica. Socavación del pie del talud por corriente de agua. Socavación del pie del talud por oleaje. Socavación de las márgenes de ríos. Erosión subterránea (disolución, tubificación). Carga por sedimentación por la cresta del talud. Remoción de la vegetación (por erosión, quemas, sequía).

Lluvias intensas de corta duración. Precipitaciones prolongadas. Desembalse rápido seguido de flujos o rompimiento de presas naturales. Terremotos. Erupción volcánica. Rompimiento de lagos en cráteres. Meteorización por contracción y expansión de suelos.

Procesos humanos. 1. Excavación en el pie del talud. 2. Carga de la cresta del talud. 3. Desembalse rápido de presas. 4. Irrigación.

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5. 6. 7. 8. 9.

Mantenimiento defectuoso del sistema de drenaje. Escapes de agua de la tubería (negras, lluvias). Remoción de la vegetación por deforestación. Explotación minera (a cielo abierto o mediante túneles). Vibración artificial (por tráfico, hincado de pilotes, maquinara pesada).

Tipos de fallas. Las fallas de las masas de tierra tiene una característica común; hay un movimiento de una gran masa de suelo a lo largo de una superficie más o menos definida, se conoce como falla por deslizamiento. Existen una amplia variedad de tipos de movimientos (fallas) observados en taludes. Para clasificar estos modos de falla se han desarrollado varios métodos. El sistema de Varnes divide las fallas de talud en cinco tipos: fallas, desprendimientos, deslizamientos, esparcimientos y flujos. A continuación se desarrolla separadamente cada uno de estos tipos de falla. En estos, el término “roca” se refiere a la falla de la roca madre, el término “escombros” se refiere principalmente a suelos grueso, y el término “suelo” para este apartado se refiere predominantemente a suelo fino. Fallas.- Son fallas de taludes consistentes de fragmentos de suelo o roca que caen rápidamente, pudiendo ser transportadas por el aire a lo largo de su caída. Este tipo de falla ocurre a menudo en taludes de roca empinados y usualmente se produce cuando fragmentos de roca son afectados por la erosión, por raíces de árboles, por la presión del agua presente en los poros o finalmente pueden también producirse como resultado de los movimientos de un terremoto, etc. (ver figura a). Desprendimiento.- Un desprendimiento es similar a una falla, excepto que el movimiento empieza con una masa de roca o arcilla rígida cayendo alrededor de una fisura o unión vertical o casi vertical. Este modo de falla ocurre solo en taludes empinados, (fig.b). Este tipo de falla es esencialmente importante en esquistos y pizarras, pero según Goodman (1993) puede también ocurrir en otro tipo de rocas. Deslizamientos.- En esta forma de movimiento la masa de suelo permanece esencialmente intacta, es decir, se trata de uno o más bloques de suelo que se deslizan a lo largo de una superficie bien definida y definitiva de falla. Los deslizamientos pueden ser descritos por su geometría, y se subdividen en dos tipos principales: 

Deslizamientos traslacionales que involucran movimientos lineales de bloques de rocas a lo largo de superficies planas de corte o movimientos de estratos de suelo que se encuentran cercanos a la superficie. Estos movimientos, son por lo general superficiales y paralelos a la superficie, .3 (fig.c).

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

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Deslizamientos rotacionales que ocurren característicamente en rocas débiles homogéneas o en suelos cohesivos. El movimiento se produce a lo largo de una superficie curva de corte de tal manera que la masa deslizante origina un hundimiento cerca de la cresta, mientras que se produce un abultamiento cerca del pie del talud, (fig.d).

Esparcimientos.- Son similares a deslizamientos traslacionales excepto porque en este tipo de falla, los bloques se van separando y se mueven simultáneamente hacia fuera, (fig.e). Este modo de falla refleja el movimiento producido en un estrato de suelo muy débil, y algunas veces puede presentarse durante terremotos cuando una zona de suelo entra en estado de licuefacción. Los esparcimientos ocurren en taludes de pendiente moderada, y a menudo terminan en la orilla de los ríos. Estos pueden ser muy destructivos, debido a que a menudo afectan a grandes áreas y producen el movimiento de largas distancias. Flujo.- En este caso de movimiento la masa deslizante es alterada internamente, moviéndose parcial o totalmente como un fluido. Los flujos ocurren a menudo en suelos saturados débiles en los que la presión de poros se ha incrementado lo suficiente como para producir una pérdida general de la resistencia al cortante del suelo. No existe una superficie de corte definida, (fig.f).

(a)

(b)

(c)

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(d)

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h

w

b a

D C

B

E A

D C B

Antes

A

B

Después

(e)

(f)

Tipos de movimientos de masa: (a) Falla (b) Desprendimiento (c) Deslizamiento traslacional (d) Deslizamiento rotacional (e) Esparcimiento (f) Flujo.

Las fallas de las masas de tierra tiene una característica común; hay un movimiento de una gran masa de suelo a lo largo de una superficie más o menos definida, se conoce como falla por deslizamiento Movimiento del cuerpo del talud En contraste con los movimientos superficiales lentos, pueden ocurrir en los taludes movimientos bruscos que afectan a masas considerables del suelo, con superficie de falla que penetran profundamente en su cuerpo. Estos fenómenos reciben comúnmente el nombre de deslizamiento de tierras. Dentro de estos existen dos tipos claramente diferenciados. 

Rotación. En este caso se define una superficie de falla curva, a lo largo de la cual ocurre el movimiento del talud, esta superficie forma una traza con el plano del papel que puede asimilarse, por facilidad y sin error mayor, a una circunferencia. Estas son las fallas llamadas de rotación.

Tipos de Deslizamientos Rotacionales A partir de observaciones: En general se toma superficie de falla circular Falla de base. Afectando el terreno en que el talud se apoya. Falla de pie. Sin interesar el terreno de cimentación o pasando delante del pie.

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Además pueden presentarse las fallas locales que ocurren en el cuerpo del terraplén, pero interesando en zonas relativamente superficiales.

FALLA DE BASE O PROFUNDA

FALLA DE PIE DE TALUD

FALLA DE TALUD O DE FRENTE

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Falla por traslación.

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Las fallas por traslación de una masa de tierra que forma parte de un talud, ocurren cuando dentro del terreno de cimentación y a relativa poca profundidad existe un estrato paralelo a la superficie del terreno o casi paralelo, cuya resistencia es muy baja. El fenómeno es particularmente frecuente cuando el terreno natural constituye una ladera inclinada, con el plano débil guardando una inclinación similar. En la naturaleza, los planos débiles típicos son estratos delgados de arcilla muy blanda o de arena, más o menos finos, sujetos a una subpresión que disminuya los esfuerzos efectivos y rebaje mucho la resistencia del manto al esfuerzo cortante. Fallas por erosión. Estas son también fallas de tipo superficial provocadas por arrastres de vientos, aguas etc., en los taludes. El fenómeno es más notorio cuando más empinadas son las laderas de los taludes. Una manifestación típica del fenómeno suele ser la aparición de irregularidades en el talud, originalmente uniforme. Fallas por licuación. Estas fallas ocurren cuando en la zona del deslizamiento el suelo pasa rápidamente de una condición más o menos firme a la correspondiente a una suspensión, con pérdidas casi total de resistencia al esfuerzo cortante. El fenómeno puede ocurrir tanto en arcillas extrasensitivas, como en arena poco compactas. Falla por capacidad portante en la cimentación. Estabilidad de una masa de tierra. Para determinar la estabilidad de una masa de suelo debemos determinar su coeficiente de seguridad al deslizamiento. Al existir un coeficiente de seguridad igual a 1, se produce el deslizamiento del talud. Debemos comparar la colaboración de esfuerzos que tienden a producir el deslizamiento (esfuerzos motores) con aquellos que tienden a evitarlo (esfuerzos resistentes) se debe definir la superficie de falla METODOS DE ANALISIS DE ESTABILIDAD DE TALUDES. I.-

Métodos Racionales de análisis. Suelos friccionantes puros.

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La estabilidad de un talud homogéneo con su suelo de cimentación construido con un suelo puramente friccionante, como una arena limpia, es una consecuencia de la fricción que se desarrolla entre las partículas constituyentes, por lo cual, para garantizar estabilidad bastara que el ángulo del talud sea menor que el ángulo de fricción interna de la arena, que en un material suelto seco y limpio, se acercará mucho al ángulo de reposo. Por lo tanto, la condición límite de estabilidad es simplemente: ß = ϕ. Sin embargo, si el ángulo ß es muy próximo a ϕ, los granos de arena próximos a las fronteras del talud, no sujetas a ningún confinamiento importante, quedaran en una condición próxima a la de deslizamiento incipiente, que no es deseable por ser el talud muy fácilmente erosionable por el viento o el agua. Por lo que es recomendable que el ángulo del talud sea menor que el ángulo de fricción interna de la arena. La experiencia a demostrado si se define un factor de seguridad, como la relación entre los valores ß y ϕ, basta que el factor tenga un valor del orden de 1.1 o 1.23, para que la erosión superficial no sea excesiva.

FS = ϕ/ß Suelos Cohesivos puros. Estos suelos tienen las siguientes características: C ≠ 0 y ϕ = 0. Se trata ahora el caso de un talud homogéneo con su suelo de cimentación y en el cual la resistencia al esfuerzo cortante puede expresarse por la ley: Τ=C Donde C es el parámetro de resistencia comúnmente llamado cohesión. El caso se presenta en la práctica cuando se analizan las condiciones iniciales de un talud en un suelo fino saturado, para el cual la prueba triaxial rápida representa las condiciones críticas. En este caso el método puede aplicarse según un procedimiento sencillo debido al Doctor A. Casa Grande, que puede utilizarse tanto para estudiar la falla de base como la de pie del talud. Se supone que la superficie de falla tendrá una forma en sección transversal, de un arco circular, al que generalmente se le llama círculo de deslizamiento. El centro del círculo crítico de deslizamiento quedará en algún lugar arriba de la superficie de la pendiente.

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El círculo critico (o de falla) es uno de un número infinito de círculos posibles que se pueden trazar y que tienen diferentes radios y centros. Algunos círculos pasan por el pie de la pendiente y algunos cruzaran la superficie del terreno frente al pie. El círculo crítico es aquel a lo largo del cual es más probable la falla y, en consecuencia, cuyo factor de seguridad es el más bajo. Se seleccionan varios círculos de prueba y el análisis se repite hasta obtener el factor de seguridad mínimo.

Para el procedimiento de A. Casagrande para aplicar el Método sueco a un talud puramente “Cohesivo”

Considérese un arco de circunferencia de centro en 0 y radio R como la traza de una superficie hipotética de falla con el plano del papel. La masa del talud que se movilizaría, si esa fuera la superficie de falla, aparece rayada en la figura V, puede considerarse que las fuerzas actuantes, es decir, las que tienden a producir el deslizamiento de las masas de tierra, son el peso del área ABCDA, (nótese que se considera un espesor de talud normal al papel de Recopilado por Ing. Iván Matus Lazo

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magnitud unitaria y que bajo esa base se hacen todos los análisis que siguen) más cualesquiera sobrecargas que pudieran actuar sobre la corona del talud. El momento de estas fuerzas en torno a un eje normal a través de 0 según la fig. V, en la que no se consideran sobrecargas, será simplemente: Mm = Wd Que es el llamado momento motor. Las fuerzas que se oponen al deslizamiento de la masa de tierra son los efectos de la “cohesión” a lo largo de toda la superficie de deslizamiento supuesta. Así: MR = cLR. Es el momento de esas fuerzas respecto a un eje de rotación normal, al plano de papel, por O (momento resistente) En el momento de falla incipiente: Mm = M R Por lo tanto, en general ∑Wd

= cLR

Donde el símbolo ∑ debe ser interpretado como algebraica de los momentos respecto a O de todas las fuerzas actuantes (pesos y sobrecargas). Se define un factor de seguridad:

FS = MR/Mm, podrá escribirse: FS = cLR/∑Wd

La experiencia permite considerar a 1.5 como un valor de FS compatible con una estabilidad practica razonable. Debe pues cumplirse para la superficie hipotética seleccionada, que:

FS ≥ 1.5.

Por supuesto, no está de ningún modo garantizado que la superficie de falla escogida sea la que represente las condiciones más críticas del talud bajo estudio (circulo critico). Siempre existirá la posibilidad de que el factor de seguridad resulte menor al adoptar otra superficie de falla. Este hecho hace que el procedimiento descrito se torne un método de tanteo, según el cual deberán de escogerse otras superficies de falla de diferentes radios y centros, calcular su factor de seguridad asociado y ver que el mínimo encontrado no sea menor que 1.5 antes de dar el talud por seguro. Recopilado por Ing. Iván Matus Lazo

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Grietas de tensión. En los suelos cohesivos, las grietas de tensión tienden a formarse ceca de la parte superior del talud a medida que se desarrolla la condición de equilibrio limite(y falla). La profundidad de una grieta de tensión es: Zo = 2C/ɣ

El desarrollo del circulo de deslizamiento termina en la parte inferior de la grieta de tensión, por lo que su longitud de arco es en realidad la longitud desde el pie del talud hasta la parte inferior de la grieta de tensión. En la grieta de tensión no puede desarrollarse una resistencia al corte, pero si se llena de agua habrá que tomar en cuenta la fuerza de presión hidrostática Pw que actúa en dirección horizontal adicionándose al momento pertubador. FS = cLR/Wd+Pwyc Suelos cohesivos friccionantes Estos son suelos con las siguientes características: C≠0yϕ≠0 Bajo el anterior encabezado han de situarse aquellos suelos que, después de ser sometidos a la prueba triaxial apropiada, trabajando con esfuerzos totales, y después de definir la envolvente de falla de acuerdo con el intervalo de presiones que se tenga en la obra real, tienen una ley de resistencia al esfuerzo cortante del tipo: τ = C + σ tan ϕ con parámetro de "cohesión" y de "fricción".

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De todos los procedimientos de aplicación del Método Sueco a este tipo de suelos, posiblemente el más popular y expedito sea el de las “dovelas”, debido a Fellenius (1927), que se expone a continuación. En primer lugar, se propone un círculo de falla a elección y la masa de tierra deslizante se divide en dovelas, del modo mostrado en la fig. VI. El número de dovelas es, hasta cierto punto cuestión de elección, si bien, a mayor número, los resultados del análisis se hacen más confiables. El equilibrio de cada dovela puede analizarse como se muestra en la fig. VII, Wi

es el peso de la dovela de espesor unitario. Las fuerzas Ni Y Ti son las

reacciones normal y tangencial del suelo a lo largo de la superficie de deslizamiento ∆Li. Las dovelas adyacentes a la

i-ésima, bajo estudio,

ejercen ciertas acciones sobre ésta, que pueden representarse por las fuerzas normales P1 y P2 y por las tangenciales T1 y T2.

W

Figura VI

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H G R

Fuerzas Motoras     





Figura VII

En el procedimiento de Fellenius se hace la hipótesis de que el efecto de las fuerzas P1y P2 se contrarresta; es decir se considera que esas dos fuerzas son iguales, colineales y contrarias. También se acepta que el momento producido por las fuerzas T1 y T2 que se consideran de igual magnitud, es despreciable. Estas hipótesis equivalen a considerar que cada dovela actúa en forma independiente de las demás y que Ni y Ti equilibran a W i. El cociente Ni/∆Li se considera una buena aproximación al valor de σ, presión normal actuante en el arco ∆Li que se considera constante en esa longitud. Con este valor de σ, puede aplicarse a la ley de resistencia al esfuerzo cortante que se haya obtenido y determinar ahí el valor de τ, resistencia al esfuerzo cortante que se supone constante en todo el arco ∆Li. Puede calcularse el momento motor debido al peso de las dovelas como:

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Mm = Wi(RsenƟ) El momento resistente es debido a la resistencia al esfuerzo cortante, τ que se desarrolla en la superficie de deslizamiento de cada dovela y vale: MR = R τ∆Li Una

vez

más

esfuerzo cortante

se se

está

aceptando

desarrolla

al

que

la

unísono

resistencia en

todo

máxima

punto

de

al la

superficie de falla hipotética lo cual, como ya se discutió, no sucede realmente debido a las concentraciones de esfuerzos que se producen. en ciertas zonas, las que tienden a generar más bien fallas progresivas, antes que las del tipo que aquí se aceptan. Calculados el momento resistente y el motor puede definirse un factor de seguridad:

FS = MR / Mm = Rτ∆Li/WiRsenƟ

La experiencia ha demostrado que una superficie de falla en que resulte FS ≥ 1.5 es prácticamente estable. El método de análisis consistirá también en un procedimiento de tanteos, en el cual deberán fijarse distintos círculos de falla, calculando el FS ligado a cada uno: .es preciso que el FSmin no sea menor de 1.5, en general, para garantizar en la práctica la estabilidad de un talud. El criterio del proyectista juega un

importante

papel

en

el número de

círculos ensayados, hasta alcanzar una seguridad razonable respecto al FSmin: en general es recomendable que el ingeniero no respaldado por muy

sólida experiencia no regatee esfuerzo ni tiempo en los cálculos a

efectuar. El procedimiento arriba descrito habrá de aplicarse en general a círculos de falla de base y por el pie del talud.

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2.-

Métodos simplificados de análisis.

Como en los métodos racionales se requiere hacer tanteos, en taludes de menos de diez metros de altura, constituidos por suelos homogéneos, y sin agua en movimiento, puede calcularse la estabilidad de un talud mediante curvas similares que simplifican el trabajo.

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