ESTABILIDAD DE TALUDES (PARTE I)

INTRODUCCIÓN

La estabilidad de taludes es la teoría que estudia la estabilidad o posible inestabilidad de un talud a la hora de realizar un proyecto, o llevar a cabo una obra de construcción de ingeniería civil, siendo un aspecto directamente relacionado con la geotecnia. La inestabilidad de un talud, se puede producir por un desnivel, que tiene lugar por diversas razones:

§  Razones geológicas: laderas posiblemente inestables, orografía acusada, estratificación, meteorización, etc.

§  Variación del nivel freático: situaciones estacionales, u obras realizadas por el hombre.

§  Obras de ingeniería: rellenos o excavaciones tanto de obra civil, como de minería.

Los taludes además serán estables dependiendo de la resistencia del material del que estén compuestos, los empujes a los que son sometidos o las discontinuidades que presenten. Los taludes pueden ser de roca o de tierras. Ambos tienden a estudiarse de forma distinta.

7.1 TIPOS Y Causas de fallas

A una superficie de terreno inclinado se le llama talud, pueden ser producto de cortes o terraplenes para diferentes obras, como pueden ser, presas de tierra, vías terrestres, plataformas industriales, puertos, etc.; también pueden tener un origen natural, y en este caso se les conoce como laderas.

En los taludes por ser inclinados, la fuerza de gravedad juega un factor importante en su estabilidad, porque existe una componente sobre la masa del suelo que induce a que éste se deslice sobre una superficie de falla cuando se supera la resistencia al corte.

Los tipos de falla más frecuentes en taludes son:

•  Falla por deslizamiento superficial.

Cualquier talud está sujeto a fuerzas naturales que tienden a hacer que las partículas y porciones del suelo próximas a su frontera deslicen hacia abajo el fenómeno es más intenso cerca de la superficie inclinada del talud a causa de la falta de presión normal confinante que allí existe. Como una consecuencia, la zona mencionada puede quedar sujeta a un flujo viscoso hacia abajo que, generalmente, se desarrolla con extraordinaria lentitud. El desequilibrio puede producirse por un aumento en las cargas actuantes en la corona del talud, por una disminución en la resistencia del suelo al esfuerzo cortante o, en el caso de laderas naturales, por razones de conformación geológica que escapan a un análisis local detallado.

•  Deslizamiento en laderas naturales sobre superficies de falla preexistentes.

En muchas laderas naturales se encuentra en movimiento hacia abajo una costra importante del material; no se trata ya de un mecanismo más o menos superficial, como el que se describe en el inciso anterior, sino de otro producido por un proceso de deformación bajo esfuerzo cortante en partes más profundas, que llega muchas veces a producir una verdadera superficie de falla.

Estos movimientos, a veces son tan lentos que pasan inadvertidos, hasta que e ingeniero ha de actuar en la zona, en alguna obra. Si los movimientos se aceleran se puede llegar a producir un desliza miento de tierras. Parece ser que la mayor parte de este tipo de movimientos están asociados a ciertas estratigrafías favorables a ellos, al mismo tiempo que a flujos estacionales de agua en el interior de la ladera. Un caso frecuente y tal vez el más sencillo es el que aparece en laderas formadas por depósitos de talud sobre otros materiales firmes estratificados, que siguen más o menos la inclinación de la ladera. En estos casos se observan con frecuencia superficies de falla prácticamente planas, que siguen los contactos entre los depósitos de talud y los materiales más resistentes de apoyo.

Este tipo de fallas se presenta en materiales cohesivos, donde las fuerzas gravitacionales, actuando por largo tiempo, producen deformaciones grandes, que llegan a generar la superficie de falla. Una vez generada la superficie, la resistencia disponible a lo largo de ella será la resistencia residual correspondiente a los materiales de contacto.

•  Falla por movimiento del cuerpo del talud.

En contraste con los movimientos superficiales lentos, descritos en el inciso anterior, pueden ocurrir en los taludes movimientos bruscos que afectan a masas considerables de suelo, con superficies de falla que penetran profundamente en su cuerpo. Estos fenómenos reciben comúnmente el nombre de deslizamiento de tierras. Dentro de éstos existen dos tipos claramente diferenciados. En primer lugar, un caso en el cual 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 por rotación. En segundo lugar, se tienen las fallas que ocurren a lo largo de superficies débiles, asimilables a un plano en el cuerpo del talud o en su terreno de cimentación. Estos planos débiles suelen ser horizontales o muy poco inclinados respecto a la horizontal, Estas son las fallas por traslación.

Las fallas por rotación pueden presentarse pasando la superficie de falla por el pie del talud, sin interesar el terreno de cimentación o pasando adelante del pie, afectando al terreno en que el talud se apoya (falla de base). Además pueden presentarse las llamadas fallas locales, que ocurren en el cuerpo del talud, pero interesando zonas relativamente superficiales.

•      Flujos

 Este tipo de falla consiste en movimientos más o menos rápidos de zonas localizadas de una ladera natural, de manera que el movimiento en sí y la distribución aparente de las velocidades y los desplazamientos asemejan el fluir de un líquido viscoso. No existe, en sí, una superficie de falla, o ésta se desarrolla en un lapso muy breve al inicio del fenómeno.

Estas fallas pueden ocurrir en cualquier formación no cementada, desde fragmentos de roca, hasta arcillas francas; suceden tanto en materiales secos, como húmedos, Muchos flujos rápidos en mate riales secos ocurren asociados a fenómenos de presión de aire, en los que éste juega un papel análogo al del agua en los fenómenos de licuación de suelos. Otros flujos, en suelos muy húmedos, son verdaderos procesos de licuación.

•      Fallas por erosión

 Estas son también fallas de tipo superficial provocadas por arras tres de viento, agua, etc., en los taludes. El fenómeno es tanto más notorio cuanto más empinadas sean las laderas de los taludes. Una manifestación típica del fenómeno suele ser la aparición de irregularidades en el talud, originalmente uniforme. Desde el punto de vista teórico esta falla suele ser imposible de cuantificar detallada mente, pero la experiencia ha proporcionado normas que la atenúan grandemente si se las aplica con cuidado.

•      Falla por licuación.

 Estas fallas ocurren cuando en la zona del desliza miento el suelo pasa rápidamente de una condición más o menos firme a la correspondiente a una suspensión, con pérdida casi total de resistencia al esfuerzo cortante. El fenómeno puede ocurrir tanto en arcillas extra sensitivas como en arenas poco compactas.

La licuación ha producido las fallas más dramáticas y espectaculares, debido a la magnitud de la masa de suelo que se pone en juego al producirse este fenómeno. En suelos tales como arenas saturadas relativamente sueltas, es posible que una solicitación dinámica rápida, como la que puede presentarse durante un sismo, origine en al agua elevadas presiones que cresen a un ritmo mayor de lo que  alcanzan a disiparse por la salida del agua de los poros de la estructura del material. Al incrementarse las presiones del agua interior, se debilita el contacto entre los granos de la arena, disminuyendo su resistencia la esfuerzo cortante hasta valores nulos o muy aproximados a 0 (cero); en estas condiciones la masa de arena se comporta como un líquido, fluyendo bajo la acción de las cargas que provocan el fenómeno.

•      Falla por falta de capacidad de carga en el terreno de cimentación.

 La falta de resistencia en el suelo de cimentación es particularmente critica cuando la obra vial exige altos terraplenes, lo que sucede principalmente en los accesos de los puentes y pasos de desnivel, en llanuras de inundación en ríos o esteros o en zonas en que exista tirantes de agua.

La falta de resistencia del terreno de cimentación bajo un terraplén puede producir una falla por falta de capacidad de carga, asociada a un hundimiento brusco y destructivo del terraplén, con bufamiento del terreno a ambos lados de aquel (o a un solo lado), no lejos de la línea de ceros. La falla puede presentarse sin previo aviso, pero en ocasiones se producen con anterioridad deformaciones de la corona del camino, con hundimientos en la línea de centro y aparición de grietas en el material natural, paralelas al bordo y a una distancia  que es función de la altura y el ancho del terraplén; esas grietas suelen ir acompañadas de un perceptible bufamiento del terreno natural. 

Empuje de Tierras

Los elementos de soporte se dividen en dos tipos: rígidos y flexibles. Los rígidos son denominados como muros, los cuales pueden ser de mampostería ó de concreto, ya sea simple o reforzado. Los flexibles son las tablestacas, las cuales comúnmente son de acero.

ESTADOS DE EQUILIBRIO

Una masa de suelo está en estado plástico si cada punto de la misma se encuentra al borde de la rotura. Rankine investigo los estados de tensión correspondientes a aquellos que se producen simultáneamente en todos los puntos de una masa semiinfinita de suelo sujeta solo a su propio peso, denominándolos estados de equilibrio plástico de Rankine.

Los estados de equilibrio plástico de Rankine están representados por la siguiente figura, donde AB representa la superficie horizontal de una masa semiinfinita de arena sin cohesión de peso unitariog, y E representa un prisma de base unitaria y de altura z. Como el prisma es simétrico respecto a cualquier plano vertical, la presión normal en la base y la presión normal a las caras verticales son tensiones principales.

p_v = g z

La relación entre las dos tensiones principales de un material granular, N_φ, no debe exceder el valor de:

P_1/P_3 = N_(∅ )=tan^2 ( 45°+  ∅/2)

Donde φ es el valor del ángulo de fricción interna del suelo. La presión p_v de la masa de arena indicada en la figura puede ser tanto la tensión principal mayor con la menor.

En una arena en reposo, depositada por la naturaleza, o bien artificialmente por el hombre, K adquiere un valor K₀ intermedio entre K_A y K_P, de modo que:

P_h = K₀ p_v

Donde K₀ es una constante empírica que se denomina coeficiente de la presión lateral de las tierras en reposo y cuya magnitud depende de la densidad relativa de la arena y del proceso de formación del depósito.

El valor de K_A se le denomina coeficiente del empuje activo. Cuando la masa de tierra se expande en dos secciones y el valor de K disminuye hasta que alcanza el valor de K_A, en este preciso momento, la arena entra en estado activo de Rankine y, a una profundidad z, la presión horizontal es igual a:

P_1/P_3 = N_(∅ )=tan^2 ( 45°+  ∅/2)

Una compresión de toda la masa produce un aumento del valor K y, cuando este valor se hace igual a K_p se llega al estado pasivo de Rankine y a una profundidad cualquiera z, la presión horizontal es:

 P_1/P_3 = N_(∅ )=tan^2 ( 45°+  ∅/2)

En la que K_p es el coeficiente del empuje pasivo.

TEORIA DE RANKINE

ESTADO EN REPOSO:

• Estado de equilibrio elástico

• La deformación vertical por efecto de la carga, es sin expansión lateral debido al confinamiento del suelo.

• Empuje en reposo: sh = Ko * s v

• En muros impedidos de deformación y movimiento:

	P_1/P_3 = N_(∅ )=tan^2 ( 45°+  ∅/2)

 

P_1/P_3 = N_(∅ )=tan^2 ( 45°+  ∅/2)

ESTADO ACTIVO:

• El muro se mueve

• Los elementos de suelo se expanden

• El esfuerzo vertical permanece constante, pero esfuerzo lateral se reduce

• Se alcanza la falla por corte o equilibrio plástico.

•K no disminuye más => K = Ka

s ₁ = s _V = s ₃ N f + 2 c Ö N f = s_H N f + 2 c Ö N f

Si c = 0

P_1/P_3 = N_(∅ )=tan^2 ( 45°+  ∅/2)

El caso general con carga y cohesión es:

P_1/P_3 = N_(∅ )=tan^2 ( 45°+  ∅/2)

EMPUJE PASIVO

• Empuje es máximo contra el muro cuando se alcanza la falla por corte

• El depósito se comprime horizontalmente σh = σ1 ;   σv = σ3

• K aumenta hasta el valor crítico => K = Kp

P_1/P_3 = N_(∅ )=tan^2 ( 45°+  ∅/2)

Según lo analizado, se presentan tres estados en la masa de suelo:

Þ    Estado de Reposo

Þ    Estado Activo

Þ    Estado Pasivo

Los dos últimos son estados de tensión en situaciones extremas

	P_1/P_3 = N_(∅ )=tan^2 ( 45°+  ∅/2)

 

P_1/P_3 = N_(∅ )=tan^2 ( 45°+  ∅/2)

TEORIA DE COULOMB

Esta teoría de empuje de tierras, incluye el efecto de fricción del suelo con el muro; es aplicable a cualquier inclinación de muro y a rellenos inclinados.

Condiciones:

•La superficie de deslizamiento es plana

•Existen fuerzas que producen el equilibrio de la cuña

METODO DE CULMAN

Este método puede utilizarse en muchos tipos de muros y con muchos tipos de sobrecarga. El método de Culman sigue el siguiente proceso:

 a) define la línea del talud natural como la que partiendo del vértice B del trasdos del muro, forma un ángulo φ ( que es el de rozamiento interno del terreno) con la horizontal.

b) define la línea de dirección como aquella que pasando por B forma un ángulo φ + δ con el paramento del muro.

El método de Culman dice que si a partir del punto B, que hemos considerado como origen de coordenadas, llevamos sobre la línea de talud natural BD, la magnitud del peso del prisma ABC a una determinada escala, nos dará el punto J . Si ahora por JB se traza una paralela a la línea de dirección cortara a la línea BC en el punto N. Este valor JN representa a la escala indicada para la fuerza el valor del empuje activo producido por el prisma ABC.

BJ= valor del peso del prisma ABC.

JN= valor del empuje sobre el muro producido por el prisma ABC.

METODO SEMIEMPIRICO DE TERZAGHI

Terzaghi ha propuesto un método especifico que reúne una buena parte de la experiencia anterior con la suya propia y que constituye quizá, el método más seguro para la evaluación de empujes contra elementos de soporte, con tal de que estos caigan dentro del campo de aplicabilidad del método propuesto, restringidos a muros de una altura de 7.0 m, de altura como máximo. El primer paso para la aplicación de este método es clasificar el material de relleno con el que se va a trabajar, en uno de los siguientes cinco tipos.

1.        Suelo granular grueso, sin finos.

2.      Suelo granular grueso, con finos limosos.

3.      Suelo residual, con cantos, bloques de piedra, gravas, arenas finas y finos arcillosos en cantidad apreciable.

4.      Arcillas plásticas blandas, limos orgánicos o arcillas limosas.

5.       Fragmentos de arcilla dura o medianamente dura, protegidos de modo que el agua proveniente de cualquier fuente no penetre entre los fragmentos.

El método propuesto cubre cuatro casos muy frecuentes en la partica, en lo que se refiere a la geometría del relleno y la condición de cargas.

I.                   La superficie del relleno es plana, inclinada o no y sin sobrecarga alguna.

II.                 La superficie del relleno es inclinada, a partir de la corona del muro, hasta un cierto nivel, en el que se torna horizontal.

III.             La superficie del relleno es horizontal y sobre ella actúa una sobrecarga uniformemente repartida.

IV.              La superficie del relleno es horizontal y sobre ella actúa una sobrecarga lineal, paralela a la corona del muro y uniformemente distribuida.

Para el primer caso, el problema se puede resolver aplicando las formulas:

Que proporcionan las componentes horizontal y vertical del empuje actuante en el plano vertical que pasa por el punto extremo inferior del muro, en el lado del relleno.

 ADEMES

 En obras donde se realizan excavaciones temporales, es necesario mantener la estabilidad de las paredes verticales de suelo, por la que se recurre a colocar ademes, que son elementos de madera o acero detenidos por puntales colocados transversalmente a la excavación.

Para determinar el empuje del suelo sobre los ademes y puntales, las teorías clásicas de Rankine y Coulomb no son aplicables, por lo que se debe recurrir a otros métodos, debido a que se ha observado que la distribución de esfuerzos verticales sobre el ademe es aproximadamente parabólica y no lineal como lo consideran la teorías clásicas en los soportes de retención.

 Considerando las mediciones reales con celdas de presión en obras de ademado, Terzaghi establece un criterio práctico para la determinación de los esfuerzos sobre los ademes, a través de envolventes de esfuerzos horizontales.

Teorias de capacidad de carga

         INTRODUCCIÓN

Toda obra de ingeniería civil tendrá que ser desplantada ya sea en un suelo o sobre un manto rocoso. El tipo de cimentación que se requiera depende de factores tales, como el tipo de suelo, los asentamientos permisibles de la estructura, la magnitud y distribución de las cargas, la presencia de aguas freáticas, la sismicidad, la velocidad máxima del viento, el hundimiento regional, etc.

Sin embargo las cimentaciones son la base de soporte de  estructuras y constituyen la interfaz a través de la cual se transmiten las cargas al suelo subyacente.

La interaccion del suelo – estructura depende de:

v Naturaleza del suelo

v Forma y tamaño de la fundación

v Flexibilidad de la estructura.

Las teorías de capacidad de carga que parten del Método del equilibrio límite se refieren a la penetración de un sólido rígido de base plana en un medio semi-infinito, isótropo, bajo condiciones de deformación plana.

PRANDTL

Prandtl estudio en 1920 el problema de la identación de un medio semi-infinito, homogéneo, isótropo y rígido-plástico perfecto, por un elemento rígido de longitud infinita, de base plana. Considerando que el contacto entre el elemento y el medio era perfectamente liso, propuso el mecanismo de falla que se muestra esquemáticamente en la siguiente figura:

Se trata de calcular la máxima presión que se puede dar al elemento rígido sin que penetre en el medio semi-infinito; a este valor particular de la expresión se le denomina carga límite.

La superficie AB es un plano principal, por no existir en ella esfuerzos rasantes. Las superficies AC y BD son superficies libre, exentas de todo esfuerzo y también son planos principales.

Los esfuerzos normales horizontales a lo largo de AC y BD inducidos por la presión del elemento, son de compresión, se deduce que para tener un estado de falla incipiente en la vecindad de dichas superficies se requerirá que el esfuerzo de compresión deba tener un valor de 2c.                                        q_u = 2c

Al hacer uso de la teoría de los cuerpos perfectamente plásticos se encuentra que la región ACE es una región de esfuerzos constantes, iguales a la compresión horizontal; igualmente la región AGH es también de esfuerzos constantes. La transición entre ambas regiones es una zona de esfuerzos cortantes radial (AEH). Con estos estados de esfuerzos Prandtl calculó que la presión límite que puede ponerse en la superficie AB está dada por el valor:

q_c = (p + 2)c

Prandtl logró asociar un mecanismo cinemático de falla posible, con un campo de velocidades cinemáticamente admisible, considerando que la región ABH se incrusta como cuerpo rígido, moviéndose verticalmente como si formara parte del elemento rígido. En la región AEH las líneas de deslizamiento son círculos con centro en A y con velocidad tangente a tales líneas igual a , en la dirección  de EC.

La solución de Prandtl es la base de todas las Teorías de Capacidad de Carga que se han desarrollado para aplicación especifica de suelos.

HILL

Hill presentó una solución alternativa: en la siguiente figura se muestra el mecanismo de falla propuesto, el en que las regiones AGC y AFD son de esfuerzos constantes y la región AFG es de esfuerzos radiales.

Los esfuerzos en estas regiones son los mismos que se presentan en las correspondientes del mecanismo de Prandtl, pero las velocidades de desplazamiento son diferentes. Si se supone que el elemento rígido desciende con velocidad unitaria, puede demostrarse que la zona ACG debe desplazarse como cuerpo rígido con velocidad √2 en la dirección de CG; análogamente los puntos de la región AFD se mueven con la misma velocidad √2 en la dirección FD; la zona radial se mueve en todos sus puntos con la misma velocidad (√2), tangente a los círculos de deslizamiento.

Con base en su mecanismo de falla, Hill pudo también calcular la presión limite que el elemento rigido puede transmitir sin identarse en el medio, obteniéndose el mismo valor que proporciona la solución de Prandtl.

Es interesante notar que si la superficie del medio semi – infinito no fuese horizontal, sino que adoptase la forma que aparece en la anterior figura, la presión límite toma el valor:

q_c = 2c(1 + q)

Esta expresión tiene como limites q_c = 2c para q = 0, caso de una prueba de compresión simple y resultado en ella obtenido y q_c = (p + 2)c, para q = 90°, que corresponde a la superficie horizontal en el medio semi – infinito.