UNIVERSIDAD NACIONAL DE ROSARIO

FACULTAD DE CS. EXACTAS, INGENIERIA y AGRIMENSURA

GEOLOGiA Y GEOTECNIA

TEMA: ESTABILIDAD DE TALUDES

ADSCRIPTO: ALVARO F. DE MATTEIS

DIRECCION DE LA ADSCRIPCION: ING. SILVIA ANGELONE

CO-DIRECCION DE LA ADSCRIPCION: ING. MARiA TERESA GARIBAY

AGOSTO DE 2003

1. Introduccion

EI modemo desarrollo de las actuales vias de comunicaci6n, tales como canales, caminos y ferrocarriles, asl como el irnpulso de la construcci6n de presas de tierra, y el desenvolvimiento de obras de protecci6n contra la acci6n de rios han puesto al disefio y construcci6n de taludes en un plano de importancia ingenieril de primer orden.

Tanto por el aspecto de inversi6n, como por las consecuencias derivadas de su falla, los taludes constituyen boy una de las estructuras ingenieriles que exigen mayor cuidado por parte del proyectista. Con la expansi6n de los canales, del ferrocarril y de las carreteras, provo caron los primeros intentos para realizar un estudio racional en este campo, pero no fue sino basta el advenimiento de la Mecanica de los Suelos cuando fue posible aplicar al disefio de taludes normas y criterios.

Estas normas y criterios apuntan directamente a la durabilidad del talud, esto es a su estabilidad a 10 largo del tiempo.

FOIl)I: Dcslizamieeto superficial delltralilicacion del terrcno natural

Agriel.nuenlo

Figura 5: Tipos de filU3Straslacionales

4.3. Flujos

'- ..

Se refiere este tipo de falla a movimientos mas 0 menos rapidos de una parte de la ladera natural, de tal rnanera que el movimiento en si y la distribucion aparente de velocidades y desplazamientos se asemeja al comporrarniento de un liquido vlSCOSO.

La superficie de deslizamiento 0 no es distinguible 0 se desarrolla durante un lapso relativamente breve. Es tarnbien frecuente que la zona de contacto entre la parte movil y las masas fijas de la ladera sea una zona de tlujo plasrico,

EI material susceptible de tluir puede ser cualquier formacion no consolidada, Y asi el fenomeno puede presentarse en fragmentos de roca, depositos de talud, suelos granulares finos 0 arcillas francas; tarnbien son frecuentes los tlujos en lodo.

EI flujo en materiales relativamente secos comprende en primer lugar a los fragmentos de roca, desde los muy rapidos (avalancha) hasta los que ocurren lentamente. Afecta a grandes masas de fragmentos y suelen ser de catasrroficas consecuencias. En segundo lugar se puede enconrrar deslizarnientos producidos por la licuaci6n de la estrucrura de los loess, asociado muchas veces a temblores.

Los flujos de tierra (materiales no demasiados humedos) generalmente ocurren al pie de Los deslizamientos deL tipo rotacional en el cuerpo deL talud. Por Lo cornun estos deslizarnientos rerienen a La vegetaci6n original, asi como la estratigrafia y aspecro general de la formaci6n en La que ocurri6 el deslizarniento.

Los flujos de tierra de suelos granulares finos son tipicos de formaciones costeras y se asocian generalmenre a La erosi6n marina y a flucruaciones repetidas de la presi6n de poros debido a la ascenso y descenso del nivel de agua con Lasmareas. Se originan con procesos analogos a la licuaci6n.

En los flujos de lodo, el deslizarniento ocurre en materiales finos con muy alto contenido de agua. La forma tipica del deslizarniento es analogs al avance de un gLaciar y La velocidad de desplazamiento puede variar desde unos pocos centimetres por afio hasta la correspondiente a desLizarnientos catastr6ficos. En los flujos lentos es comun que en la velocidad del rnovimiento influyan las variaciones estacionales del clima, en tanto que los flujos rapidos suelen seguir epocas de violenta precipitaci6n pluvial.

Los flujos de lodo muy rapidos se present an muchas veces en laderas de las que se ha removido la cobertura vegetal por alguna raz6n comenzando en muy modestas proporciones y creciendo rapidamente transportando el suelo sobre el que pasa, formandose aurenticos rios de lodo.

5. Calculo de la estabilidad

La naruraleza y la homogeneidad de los materiales constirutivos son basicos para plantear y definir el problema de la estabilidad de un talud en cualquiera de sus multiples aspectos. EI ingeniero, como es en el usual, analiza estes problema tratando de exrraer los suficientes conocimientos de caracter general como para poder establecer un modelo rnatematico en el que cl analizar la estabilidad sea una simple cuesti6n de lapiz y papel y aplicacion de tal 0 cual procedimiento matematico 0 secuencia de calculo algebraico.

Los metodos de calculo, para definir la estabilidad, establecen un mecanismo cinematico de falla, exrraido naruralmente de la experiencia, con base en el cual se analizan las fuerzas tendientes a producir el movirniento como fuerzas de graved ad, filtraci6n, presion de agua, etc.(fuerzas mororas), las cuales se han de cornparar por algun procedimiento con las fuerzas que son capaces de desarrollarse y que tienden a que el mecanismo de Falla no se produzca como resistencia del terrene, rakes y otras (fuerzas resistentes). Es decir que la estabilidad se entiende como la seguridad de una masa de tierra contra la Falla 0 el rnovirniento, Asi todos los metodos de calculo en boga estan ligados a un mecanisme cinernatico de Falla especifico, por 10 que solo seran aplicables a aquellos problemas de estabilidad en que la falla sea del tipo que se considera.

EI proposito del calculo de la estabilidad se centra en dos ternas principales. EI primero es determinar la resistencia media al corte "5" de los suelos a partir de deslizamientos ya producidos. EI segundo punto a tratar es la determinacion del coeficiente de seguridad "F' que define la estabilidad del ralud.

5.1. Calculo de "s" a partir de deslizamientos ocurridos

Durante la construcci6n, suelen a veces producirse roturas locales de los taludes de desmontes 0 de terraplenes. Dichas roturas indican que el valor medio de la resistencia minima al corte ha sido sobrestimado y estos deslizamientos ofrecen una oportunidad excelente para valorar la resistencia minima real, y evitar nuevos accidentes en la obra cambiando el proyecto en funci6n de los nuevos datos. EI procedirniento a seguir consiste en determinar por medio de perforaciones 0 excavaciones, la posici6n de la superficie de deslizamiento, computar los pesos de las distintas partes de la masa que tendi6 a producir 0 a oponerse al deslizamiento, y calcular la resistencia media al corte s del suelo que resulta necesaria para satisfacer las condiciones de equilibrio,

EI metodo que se utiliza para determinar la resistencia media al corte de los suelos, en funci6n de los datos que se pueden obtener de deslizarnieruos ocurridos viene ilustrado por la siguiente figura:

Zc.

Grieta de traeci6n

Figura 6: I!qUltibno de fuerzas en un deslrzanaento producidc

Por medio de mediciones en el terrene, se obtiene la profundidad z, de las fisuras de tracci6n y de la forma de la superficie de deslizarniento, La linea de deslizamiento se sustituye luego por un arco de circulo de radio r y de centro en O. Planteando sumatoria de momentos alrededor del punto 0 se obtienc:

Wtlt = W2h + sr die,

Despejando s

s= ~/, -Wi2 rd.e,

WI: peso de la masa de suelo situado a la derecha de la linea punteada

W2: peso de la masa de suelo situado a la izquierda de la linea punteada

5.2. Taludes en arena seca sin cohesion

Un talud de arena lirnpia es estable cualquiera sea su altura, siempre que el angulo P entre el talud y la horizontal sea igual 0 menor que el angulo de

fricci6n interna Cl> de la arena en estado suelto. EI coeficiente de seguridad del talud con respecto a su deslizamiento puede expresarse por la relaci6n siguiente:

F = tg

tg/J

Cualquiera sea su altura, la existencia de taludes con angulos de inclinaci6n mayores de Cl> es una imposibilidad en caso de arenas limpias,

5.3. Taludes en suelos puramente cohesivos

La resistencia media al corte s de la superficie potencial de deslizamiento de una arcilla blanda homogenea saturada bajo condiciones no drenadas (Cl>=O) es aproximadamente a la mitad de la resistencia a la compresi6n simple qu de la arcilla. A este valor se 10 denomina cohesi6n c

Conocido c, la altura critica He de un talud con angulo con Angulo de inclinaci6n p puede expresarse por la ecuaci6n siguiente:

H =N- c

< r

En esta ecuaci6n, el coeficiente de estabilidad N, es un numero sin dimensiones cuyo valor depende solo del angulo P del talud y del factor de profundidad I1d

(Figura 5) que expresa la profundidad a que la arcilla descansa sobre una base firme.

Segun esta figura la rorura de todos los taludes con un Angulo mayor a 53 se produce por un circulo de pie. Si pes menor de 53, eltipo de rorura depende del valor del factor de profundidad 11d, y para valores bajos de nd, tambien del Angulo p del talud. Si I1d es igual a I la rorura del talud se produce por un circulo de talud, y si I1d es mayor que 4, el talud se desliza por un circulo del punto medio, tangente a la base firme, cualquiera sea el valor de p. Para valores inrerrnedios, la rotura se produce por un circulo de talud si el punic que represenra los valores

de I1d y P se halla por encima del area sombreada de la figura. Si el punto se halla

dentro del area sornbrcada el circulo critico es un circulo de pie. Por ultimo, si el

punto se encuentra debajo de dicha area, el talud rompe por un circulo del punio medio tangente a la base firme,

Figura 7: Rclac,6n para material sin fnw6n entre cl angulo del tolud IIy el cocficieme de cstabilidad N..

S.4. Taludes irregulares en suelos no uniformes. MHodo de las fajas

Si el talud tiene una superficie irregular de modo que no puede ser representado por una linea recta, 0 si exisre la posibilidad de que la superficie de deslizamiento pase a traves de varios materiales con diferentes valores de cohesion (c) y del angulo de friccion interna (+), la estabilidad se puede analizar convenientemente utilizando elmetodo de las fajas.

b

En-=y

T n+l

w Tn

! ~

Figura 8: Rclncionesgcomcb'icaspam una s~rlicic de desli;eamicntocircular y diagramll de cuerpo libre de una raja.

De acuerdo con este procedimiento se elige un circulo tentative y la masa deslizante se subdivide en un nurnero de fajas verticales. Cada raja esta solicitada por su propio peso \>V y por las fuerzas de corte T y normales E en sus caras laterales, y por un conjunto de fuerzas en su base que son la fuerza de corte S y la normal P. Las fuerzas que actuan en cada faja deben satisfacer las condiciones de equilibrio. Las fuerzas T y E dependen de la deformaci6n y de las caracteristicas tenso-deformaci6n del material que desliza. Como no pueden ser evaluadas rigurosamenre, por simplificaci6n se suponen iguales a cero. Ademas de esta hip6tesis se supone que existe un est ado plano de deformaciones

y Lapresi6n de poros es nula.

ELequilibrio del conjunto de la masa deslizante requiere que:

r2:Wsena =r2:s

Si s es la resistencia unitaria al corte a 10 largo de I, resulta:

s s b

I=---

F F cosa

y por 10 tanto:

de 10 eual se deduce:

r2:Wsena =- 2:-

F eosa

2: sb

F - cosa

Wsena

La resistencia unitaria al corte s esta determinada por la ecuaci6n

s = c+ plon

donde p es la tension normal que actua en la superficie de deslizamiento I. Para evaluar p se debe considerar el equilibrio vertical de la faja, de la cual se obtiene:

w = S sene + P cosc y

P Pcosa

p=-=

I b

-w--se S

b b

Por 10 tanto

y de donde

si se llama:

W

C+-tOIl

s = b

1+ tOIlt/tolla

F

mer = I + tOllatoll)

F

eosa

resulta:

_L (cb + WtOIl)

F = 11/"

_LWsena

La ultima ecuacion que produce el eoeficiente de seguridad F para el cireulo tentative que se esta analizando, contiene en el segundo miernbro la eantidad rna que es a su vez una funei6n de F. Por esto la ecuaci6n debe resolverse por

aproximaeiones sucesivas en las euales se adopta un valor F = FI, que se usa en

el calculo de m, para el calculo de F. Si el valor de F difiere en forma

significativa de FI, el calculo se repite. La convergencia es muy rapida, Los calculos se facilitan utilizando el siguiente grafico, del eual se pueden obtener los valores de ma .

1.6

1.4

1.2

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

et!

-40

-20

o 20

a [Grados]

0.0

40

~1l:ura 9: Ab:ocopar. evaluar el coeficienre nls

Teniendo en cuenta que los calculos se refieren solamente a un circulo tentarivo, estos deben repetirse para otros cireulos hasta obtener el minimo valor de F.

5.5. Metodo de las rajas en presencia de presion de poros

En general, el talud suele estar parcialmenle sumergido y ademas se desarrollan presiones de poros a 10 largo del circulo tentative (Figura 10). La magnitud de estas presiones depende de las condiciones del problema. En algunos casos estas pueden ser estimadas por medio de una red de filtracion, por medio de ensayos de suelo 0 en base a observaciones realizadas en el Ierre no. Si el nivel de la superficie del agua se de nota por A-A, el peso W de la faja se puede escribir como:

en el cual We, es el peso de la parte de la faja siruada encima de A-A, Wb es el peso de la parte situada por debajo de A-A y z.b.y .. es el peso de un volumen de agua igual al de la porcion sumergida de la raja.

o

a,

-----A

~lgura 10: Perm transversa! en presencia de I. napa frcallco.

Si toda la raja esta situada debajo del nivel freaiico como la faja 3 (Figura 8), el peso del agua situada encima de la raja debe ser incluido en la expresion z.b.yw. La presion de poros en el punto medio 0 de la base de la raja es igual a z.Yw+u, donde u es la sobrepresion de poros con respecto al nivel externo del agua. Si el nivel del agua externo A-A esta ubicado por debajo de 0' en la base de la faja, la presion de poros en 0' es h/yw, donde h es la altura hasta la eual el agua sube en un piezometro en 0'. Si la presion de poros se debe a capilaridad, h es negariva.

b

En~ z

T n+l

FigUnl II: Equihbrio de ru

DI~I"'IQ'llilel Pblro~l

[Jiflil ~1e.1~1~IIGIIt a

J

En el menu View, opci6n Preferences se puede seleccionar 10 que se desea que se visual ice en el dibujo, donde la ventana de dialogo es la siguiente:

f'rn'I'I'Alnr.nl 11EJ

IItmt loy ....

r foOl.. F:7 P'W P. ~

P Ln01 P Anct-ot Lo.. "

r "..~,..u.-.\ P L... L:10

r P .10< "'PbIP:l. F7 :lailC4icr' F7 a .. ,

F7 SIpS~f_DciWon F:7 Pod_

~I".

F7 LII"

F7 Sb