estabilidad de taludes (15° clase)W3G654GY7B5437BHW54GYW

ESTABILIDAD DE TALUDES SEGUNDA PARTE

Ing. Percy De La Cruz I.

MECNICA DE SUELOS APLICADA A CIMENTACIONES Y VAS DE TRANSPORTE

Semana quince

UNIVERSIDAD ALAS PERUANASEscuela Profesional de Ingeniera Civil

1. RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS

Definicin de falla de un suelo:

El suelo no es capaz de resistir esfuerzos de traccin

Si puede resistir esfuerzos de compresin

La resistencia del suelo al corte es funcin de: Cohesin Rozamiento entre partculas La fuerza normal entre superficies deslizantes y fija

Los procedimientos ms habituales para determinar la resistencia al corte de los suelosconsisten en efectuar ensayos en laboratorio con muestras, remoldeadas o inalteradas, queproduzcan el estado en que el material se encuentra en el terreno. Lo cual se puede realizarmediante los ensayos Triaxiales o Corte Directo. Lo otro es realizar ensayos de corte in situ,normalmente a gran escala, pero por limitaciones de ndole econmica muchas veces estosensayos suelen ser inviables, a pesar de obtenerse con ellos, en general, los mejoresresultados.

A. Cohesin

Se define como la atraccin relativa entre partculas similares que le da tenacidad y dureza aun suelo hacindolo resistente a su separacin. En suelos granulares C=0

B. ngulo de Friccin

El ngulo de friccin es la representacin matemtica del coeficiente de rozamiento, el cual es un concepto bsico de la fsica:

Coeficiente de rozamiento = Tan

El ngulo de friccin depende de varios factores entre ellos algunos de los ms importantes son:

Tamao de los granos

Forma de los granos

Distribucin de los tamaos de granos

Densidad.



El corte se producir en tanto el elemento involucrado lo permita. A veces la accinde cortar se presenta con mucha facilidad y depende de los materiales, tanto el quegenera el corte como el que se resiste a ser cortado.


En la mecnica de suelos, el elemento que genera el corte es la ESTRUCTURA quetransmite una carga determinada; y el elemento resistente a ser cortado,corresponde al SUELO de CIMENTACIN. La comparacin entre ambos, evalacaractersticas de resistencia al corte o resistencia cortante.

esponja

caja

Carga transmitida alterreno, por la Estructura.

Material solicitadopor las cargas. Suelode cimentacin.

ANALOGA:


Una estructura de mayor carga genera deformacin en el terreno de cimentacin. Esteltimo tolerar las cargas y sus incrementos hasta que sus caractersticas de resistencialo permita.


La carga transmitida al terreno dividida entre el rea de contacto, es igual al esfuerzotransmitido. Si este esfuerzo genera el corte en el terreno, entonces se est evaluandola resistencia al esfuerzo cortante.


S = Fuerza cortante necesaria para que se deslice.

Resistencia por friccin


S = Fuerza cortante necesaria para que se deslice. = Angulo de friccin internaC = Cohesin

Resistencia por friccin y cohesin


C. Teora de Mohr Coulomb

Es la teora ms usada en la actualidad. Se atribuye la falla a la tensin de cizallamiento ydepende del esfuerzo normal actuante en el plano de falla, se acepta que la relacin entre

ambos esfuerzos no es constante: t = c + * tan .

D. Esfuerzo Efectivo

Una masa de suelo saturada est compuesta por dos fases distintas: el esqueleto de partculasy los poros entre partculas llenos de agua. Tpicamente, el esqueleto puede transmitiresfuerzos normales y de corte por los puntos de contacto entre las partculas y el agua a suvez, puede ejercer una presin hidrosttica igual en todas las direcciones.

Los esfuerzos ejercidos por el esqueleto solamente se conocen como esfuerzos efectivos y alos esfuerzos hidrostticos del agua se les denomina presin de poros. Los esfuerzosefectivos son los que controlan el comportamiento del suelo al cortante y no los esfuerzostotales.

Esfuerzo efectivo = esfuerzo total - presin de poros

= - , t= c+ * tan .

E. Esfuerzo Total

El esfuerzo total es la suma de todas las fuerzas, incluyendo aquellas transmitidas atravs de contactos entre partculas, aquellas transmitidas a travs de la presin de porosen el agua (divididas por el rea total) e incluyendo el rea de slidos y el rea de vacos.

Esfuerzo total = esfuerzo efectivo + presin de poros

F. Anlisis con Esfuerzos totales y efectivos

Los problemas de estabilidad de taludes pueden analizarse suponiendo sistemas deesfuerzos totales o efectivos. En principio, siempre es posible analizar la estabilidad de untalud utilizando el mtodo de presin efectiva, porque la resistencia del suelo esgobernada por las presiones efectivas tanto en la condicin drenada, como en lacondicin no drenada; sin embargo, en la prctica es virtualmente imposible determinarcon precisin cules son los excesos de presin de poros que se van a generar por loscambios en las cargas (excavaciones, colocacin de rellenos o cambios en el nivel deagua). Debido a esto, no es posible desarrollar anlisis precisos de estabilidad en estascondiciones, utilizando procedimientos de esfuerzos efectivos. No obstante, se puedetrabajar todo el anlisis usando presiones efectivas, sin que se requiera especificar losvalores de los excesos de poros en las condiciones no drenadas.


Si se considera un elemento de suelo sometido a las presiones normales principales 1 y3 siendo 1 > 3, se tiene un sistema plano de tensiones, donde los pares de tensiones y t que se ejercen sobre planos intermedios a los principales quedan representados enel crculo de Mohr (Punto D).

Una combinacin de tensiones y t producir la rotura en un plano de inclinacin a.

t

Coulomb, 1773: t= c+ * tan Representacin grfica: Crculo de Mohr


Teora de Mohr Coulomb Es la teora ms usada en la actualidad.

Se atribuye la falla a la tensin de cizallamiento y depende del esfuerzo normal actuante en el plano de falla, se acepta que la relacin entre ambos esfuerzos no es constante.

t = c + * tan

2.8. MTODOS DE ANLISIS DE ESTABILIDAD DE TALUDES

2.8.1. CLASIFICACIN DE LOS MTODOS DE CLCULO

Segn IGME (1986) los mtodos de clculo para analizar la estabilidad de untalud se pueden clasificar en dos grandes grupos:

A. MTODOS DE CLCULO EN DEFORMACIONES

Consideran en el clculo las deformaciones del terreno adems de las leyes dela esttica. Su aplicacin prctica es de gran complejidad y el problema debeestudiarse aplicando el mtodo de los elementos finitos u otros mtodosnumricos.

B. MTODOS DE EQUILIBRIO LMITE

Se basan exclusivamente en las leyes de la esttica para determinar el estado deequilibrio de una masa de terreno potencialmente inestable. No tienen encuenta las deformaciones del terreno. Suponen que la resistencia al corte semoviliza total y simultneamente a lo largo de la superficie de corte. Se puedenclasificar a su vez en dos grupos:

MTODOS DE ANLISIS DE ESTABILIDAD DE TALUDES

Figura 2.15. Clasificacin de los mtodos de clculo de estabilidad de taludes (IGME, 1986)

MTODOS DE ANLISIS DE ESTABILIDAD DE TALUDES

2.9. FACTOR DE SEGURIDAD

El clculo de la estabilidad de un talud, tanto en estado natural como construido artificialmente,permite sintetizar en un solo concepto, el factor de seguridad, la seguridad global del talud. Elfactor de seguridad viene a representar de una manera sinttica, concretando en un solo valor, elmargen de confianza que se posee con el diseo efectuado.

Los factores de seguridad razonables y la magnitud de la estabilizacin deben determinarseteniendo en cuenta los siguientes factores:El tamao del deslizamiento: Es mucho ms difcil modelar en forma precisa un deslizamiento

pequeo que uno de gran magnitud.El tipo de movimiento: En los movimientos masivos de masas rgidas, las tcnicas de

estabilizacin son ms efectivas que en los movimientos blandos tipo flujo de lodos, etc. En elprimer caso se pueden considerar factores de seguridad menores que en movimientos de flujo.La magnitud de los estudios realizados: Si la informacin recolectada en los estudios es muy

completa y confiable, se pueden permitir factores de seguridad menores que en los casos en loscuales la informacin es escasa y la incertidumbre es mayor.El potencial de consecuencias: En los casos en los cuales las consecuencias del deslizamiento

involucran un riesgo grande de vidas humanas o propiedades, se requieren factores de seguridadmayores, por ejemplo, si est involucrado un hospital o una escuela, los factores de seguridaddeben ser mayores que en el caso de un campo deportivo.La experiencia del profesional con los suelos del sitio: Cuando se tiene experiencia previa

confiable del comportamiento real de los suelos, se pueden permitir factores de seguridadmenores que cuando se desconoce el comportamiento real de los materiales.Posibilidad de ocurrencia de eventos extremos: Si en el anlisis no se tuvieron en cuenta los

eventos extremos, se deben incluir factores de seguridad mayores ante la ocurrencia de estosfenmenos.

Tabla 2.08. Criterios generales para seleccionar un factor de seguridad para el diseo de

taludes.

Nota. Tomado de Surez (2009)

2.10. SISTEMAS DE ESTABILIZACIN DE TALUDES Existen diferentes mtodos de estabilizacin de taludes que se usa en la literatura tcnica dela actualidad, lo cual la clasificacin que en seguida se describe es segn el Manual deIngeniera de Taludes del Instituto Geolgico y Minero de Espaa [IGME] (1986), Gonzales etal. (2002) y Surez (1998, 2009b), en seguida mencionamos cada uno de ellos:

Modificacin de la geometra del talud

Medidas drenaje

Estructuras de contencin

Medidas de proteccin superficial

Mejoramiento de la resistencia del suelo

2.10. SISTEMAS DE ESTABILIZACIN DE TALUDES2.10.1. Modificacin de la geometra del talud Disminucin de la inclinacin de taludes Eliminacin de peso de la cabecera del talud (descabezamiento) Incremento de peso en el pie del talud (tacones de tierra o escolleras) Construccin de bancos y bermas intermedias (escalonamiento del talud)2.10.2. Correccin por drenaje Drenaje superficial Drenaje profundo2.10.3. Estructuras de contencin Muros masivos rgidos Muros masivos flexibles Tierra reforzada Estructuras ancladas Estructuras enterradas2.10.4. Medidas de proteccin superficial Mallas de guiado de piedras Siembra de taludes Hormign proyectado2.10.5. Mejoramiento de la resistencia del suelo Inyecciones o uso de qumicos Magmaficacin Congelacin Electro-smosis

2.10.1. MODIFICACIN DE LA GEOMETRA DEL TALUDMediante la modificacin de la geometra de los taludes se redistribuyen las fuerzas debidas al pesode los materiales, obtenindose una nueva configuracin ms estable.

La excavacin es el procedimiento que se lleva a cabo para incrementar la estabilidad de unapendiente, ya que se reducen las fuerzas que favorecen los movimientos (Lpez et al., 2002).

Segn Gonzales et al. (2002), Lpez et al. (2002) e IGME (1986) las formas de actuar ms frecuentessobre la geometra de un talud para mejorar la estabilidad son las siguientes: Disminuir la inclinacin del talud o tendido de los taludes. Eliminar peso de la cabecera del talud (Descabezamiento). Incrementar el peso en el pie del talud (Tacones de tierra o escolleras). Construir bancos y bermas intermedias (Escalonar el talud).

Cuando un talud es inestable o su estabilidad resulta precaria, una forma de actuar sobre l esmodificando su geometra para obtener una nueva configuracin que resulte estable. Estamodificacin busca obtener al menos uno de los dos efectos siguientes:

Figura 2.24. Eliminacin de peso en cabecera y adicin al pie (Gonzales et al., 2002)

Disminuir las fuerzas que tienden al movimientode la masa.

Aumentar la resistencia al corte del terrenomediante el incremento de las tensiones normalesen zonas convenientes de la superficie de rotura.

Lo primero se consigue reduciendo el volumen dela parte superior del deslizamiento y lo segundoincrementando el volumen en el pie del mismo.

2.10.1.1. Disminucin de la inclinacin de taludesSe le conoce tambin como tendido de taludes , es uno de los mtodos ms utilizados por serun procedimiento muy econmico. Frecuentemente, es la primera opcin consideradacuando se pretende estabilizar un talud (Lpez et al., 2002).

Al disminuir la pendiente del talud, el crculo crtico de falla se hace ms largo y ms profundopara el caso de un talud estable, aumentndose en esta forma el factor de seguridad.

La disminucin de la pendiente del talud es econmicamente posible en taludes de pocaaltura, pero no ocurre lo mismo en taludes de gran altura, debido al aumento exagerado devolumen de tierra de corte con el aumento de la altura (Surez, 2009).

Figura 2.23. Disminucin del ngulo del talud (Gonzales et al., 2002)

2.10.1.2. Eliminacin de peso de la cabecera del talud (descabezamiento)

La eliminacin de material de la cabecera consiste en la retirada de, relativamente, grandescantidades de materiales de la parte superior del talud. En la prctica, este mtodo se aplicacuando existen superficies potenciales de rotura. Este mtodo reduce las fuerzas quefavorecen el deslizamiento, establecindose un equilibrio de fuerzas en la zonapotencialmente ms inestable.

La excavacin de la cabecera del talud elimina peso de esta zona, reduciendo las fuerzasdesestabilizadoras. Se debe tener en cuenta que la retirada de peso en su cabecera nosiempre pueden llevarse a cabo por las dificultades de acceso a la parte superior del talud.

Figura 2.24. Eliminacin de peso en cabecera y adicin al pie (Gonzales et al., 2002)

2.10.1.3. Incremento de peso en el pie del talud (tacones de tierra o escolleras)

El peso del tacn colocado en el pie del talud se traduce en un aumento de las tensionesnormales en la parte baja de la superficie de deslizamiento (sobre la superficie de rotura), loque aumenta su resistencia por ende el aumento de momento estabilizador frente a rotura.Dicho aumento depende del ngulo de rozamiento interno en la parte inferior de la superficiede deslizamiento (IGME, 1986).

El aumentar el peso en el pie de talud implica ocupar mayor espacio en la base del talud.

Es recomendable que el relleno aplicado en el pie del talud sea de material drenante o, en sucaso, construir un sistema de drenaje adecuado; en caso contrario su efecto estabilizadorpuede verse anulado por una acumulacin de agua en la zona de pie de talud.

Figura 2.25. Efecto de un

tacn sobre la resistencia

del terreno (IGME, 1986)

2.10.1.4. Construccin de bancos y bermas intermedias (escalonamiento del talud)

Las bermas no slo producen un efecto beneficioso en la estabilidad general del talud, sinoque su uso es aconsejable tambin por otros motivos: facilitan el proceso constructivo y lasoperaciones de mantenimiento del talud, retienen las cadas de fragmentos de roca, y sedispone en ellas zanjas de drenaje para evacuar las aguas de escorrenta, disminuyen suefecto erosivo y reducen las presiones intersticiales (IGME, 1986).

La caracterstica principal de la construccin de banquetas es que se reducen los costos demantenimiento y los costos constructivos, adems reduce tambin los efectos de la erosin,ya que posteriormente se puede proceder a la vegetacin de las bermas (Lpez et al., 2002).

Cada grada o berma de cada banco debe tener una cuneta revestida para el control yevacuacin del agua superficial de una manera efectiva (Figura 2.26), adems el sistema decunetas a su vez debe conducir a una estructura de recoleccin y entrega con sus respectivoselementos de disipacin de energa.

Tabla 2.09. Mtodos de modificacin de la geometra del

talud (conformacin topogrfica del talud)


Figura 2.26. Estabilizacin de talud mediante banquetas (Surez, 2009)

ESTABILIZACION DE TALUDES MEDIANTE BANQUETAS

Figura 2.27 Talud conformado y vegetalizado (Suarez, 2001)

NOTA:

Algunos inconvenientes asociados con la excavacin de taludes son los costos si elvolumen es grande, unidos a la accesibilidad, ya que los taludes, en la mayora de loscasos, deben ser excavados desde la parte ms alta hacia la ms baja; la seguridad delos trabajadores y equipos; la necesidad de escombreras para verter el materialextrado, que podra ser reutilizado para construcciones locales; la expropiacin quepuede traer consigo problemas de tipo econmico y legal y, tambin la afectacin a lasvas de transporte en servicio. La principal ventaja de este mtodo de excavacin es, engeneral, el bajo costo relativo.

2.10.2. CORRECCIN POR DRENAJEUna de las tcnicas ms efectivas para la estabilizacin de laderas y taludes es el control de lasaguas superficiales y subterrneas, o en todo caso las obras de drenaje son un buen complementode otros sistemas de estabilizacin.

Las medidas de drenaje tienen por finalidad eliminar o disminuir el agua presente en el talud y, porlo tanto, las presiones intersticiales que actan como factor desestabilizador en las superficies derotura y grietas de traccin, por lo que se aumenta su resistencia y disminuye el peso total delsuelo, por ende disminuye las fuerzas desestabilizadoras (IGME, 1986 y Gonzales et al., 2002).

Las funciones de los drenajes se resumen en las cinco siguientes: Control del movimiento del agua superficial (disminuir o eliminar el agua presente en el talud). Control de la influencia del agua infiltrada en el comportamiento hidrulico subterrneo del talud. Reduccin de la presin intersticial sobre la superficie de rotura o existente superficie de

deslizamiento. Aumentar la resistencia del suelo Disminuir el peso total del suelo y por ende las fuerzas desestabilizadoras.

Las medidas de drenaje son, generalmente, las ms efectivas, ya que el agua es el principal agenteque desencadena los problemas de inestabilidad de taludes, aumentando el peso de la masainestable, elevando el nivel fretico y las presiones intersticiales, creando empujes hidrostticos,reblandeciendo el terreno, erosionando el pie del talud, etc. (Gonzales et al., 2002).

Existen dos tipos de medidas de drenaje: Drenaje superficial: Zanjas de drenaje y zanjas de coronacin. Drenaje profundo: Drenes horizontales, pozos verticales, galeras de drenaje,

MEDIDAS DE DRENAJE Y PROTECCIN DE TALUDES

Figura 2.27. Medidas de drenaje y proteccin en taludes (Uriel, 1991; citado por Gonzales et al., 2002)


Tabla 2.10. Mtodos de drenaje y subdrenaje

2.10.3. ESTRUCTURAS DE CONTENCIN2.10.3.1. Muros masivos rgidosSon estructuras rgidas, generalmente de concreto, las cuales no permiten deformacionesimportantes sin romperse. Se apoyan sobre suelos competentes para transmitir fuerzas de sucimentacin al cuerpo del muro y de esta forma generar fuerzas de contencin (figura 2.28).

2.10.3.2. Muros masivos flexibles

Son estructuras masivas, flexibles. Se adaptan a los movimientos. Su efectividad depende desu peso y de la capacidad de soportar deformaciones importantes sin que se rompa suestructura (figura 2.29). En la tabla 2.12 se detalla las ventajas y desventajas de los diversostipos de muros flexibles.

2.10.3.3. Tierra reforzada

Las estructuras de tierra reforzada son terraplenes donde el suelo es su principalcomponente; y dentro de este, en el proceso de compactacin, se colocan elementos derefuerzo para aumentar su resistencia a la tensin y al cortante. Internamente deben suresistencia principalmente, al refuerzo y externamente actan como estructuras masivas porgravedad. Son fciles de construir. Utilizan el suelo como su principal componente. Puedeadaptarse fcilmente a la topografa. Permite construirse sobre fundaciones dbiles, toleraasentamientos diferenciales y puede demolerse o repararse fcilmente, pero se requiereespacio disponible superior al de cualquier otra estructura de contencin. Segn Surez(1998) existen de tipo con refuerzo con tiras metlicas, refuerzo con geotextil y refuerzo congeomalla.

ESTRUCTURAS DE TIERRA REFORZADA

Figura 2.28. Estructuras de tierra reforzada (Suarez, 2009)

Tabla 2.11. Ventajas y desventajas de los diversos tipos de tierra reforzada


2.10.3.4. Estructuras ancladas

En las estructuras ancladas se colocan varillas o tendones generalmente, de acero enperforaciones realizadas con taladro, posteriormente se inyectan con un cemento. Losanclajes pueden ser pretensados para colocar una carga sobre un bulbo cementado o puedenser cementados simplemente sin colocarles carga activa. Surez (1998) menciona que estetipo de estructuras generalmente son de construccin muy costosa.

Los tipos de estructuras ancladas son: Anclajes y pernos individuales, muros anclados ynailling o pilotillos tipo raz (rootpiles).

2.10.3.5. Estructuras enterradas

Son estructuras esbeltas, las cuales generalmente trabajan empotradas en su punta inferior.Internamente estn sometidas a esfuerzos de flexin y cortante. Segn Surez (1998) lasestructuras enterradas son de tipo: Tablestaca, pilotes, pilas o caissons. Estas estructuras son

tambin costosas.

Tabla 2.12. Ventajas y desventajas de los diversos tipos de estructura anclada


2.10.4. MEDIDAS DE PROTECCIN SUPERFICIAL Las medidas de correccin superficial de un talud se aplican en la superficie delmismo, tienen una accin que afecta slo a las capas ms superficiales de terreno.Segn IGME (1986) y Gonzales et al. (2002) las medidas de proteccin superficialtienen fundamentalmente los siguientes fines: Evitar o reducir la erosin y meteorizacin de la superficie del talud. Eliminar los problemas derivados de las cadas de piedras en taludes rocosos. Aumentar la seguridad del talud frente a pequeas roturas superficiales. Evitar la entrada de agua de escorrenta.Como objetivo de la proteccin de la superficie del talud, es prevenir la infiltracindebida a la lluvia y mantener el suelo parcialmente seco previniendo la erosin, elrecubrimiento puede consistir en elementos impermeabilizantes como el concreto oelementos que refuercen la estructura superficial del suelo como la coberturavegetal (Surez, 2009b).El mejor recubrimiento de la superficie del talud contra la erosin es la vegetacin.Segn Gonzales et al. (2002) las actuaciones ms frecuentes consisten en: Instalacin de mallas metlicas. Hormign proyectado. Siembra de especies que contribuyen a reforzar el terreno superficial en taludes

excavados en suelos.

REVESTIMIENTO CON VEGETACIN PARA EL CONTROL DE LA EROSIN

El mejor revestimiento es la vegetacin

Fuente: A. Sayao

Recubrimiento con concreto lanzado

Enmallado

2.10.5. MEJORAMIENTO DE LA RESISTENCIA DEL SUELOSurez (1998) menciona que las tcnicas de mejoramiento de la resistencia del suelo incluyenprocesos fsicos y qumicos que aumentan la cohesin y/o la friccin del suelo modificado ode la mezcla suelo-producto estabilizante. Estos mtodos pueden ser inyecciones o uso dequmicos (endurecen el suelo), magmaficacin (convierte el suelo en roca utilizando rayosespeciales), congelacin (endurece el suelo) y electro-smosis (reducen el contenido delagua).


Tabla 2.13. Mtodos para mejorar la resistencia del suelo

Ing. Percy De La Cruz I.

ESTABILIDAD DE TALUDES

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