SECCION 18. DISEÑO DE OBRAS DE TIERRA, TALUDES EN CORTE Y TERRAPLEN

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1 SECCION 18. DISEÑO DE OBRAS DE TIERRA, TALUDES EN CORTE Y TERRAPLEN INDICE GENERAL Pág. ART OBJETIVO Y DEFINICIONES... 2 ART TIPOS DE FALLA FALLA ROTACIONAL FALLA TRASLACIONAL FALLA CON SUPERFICIE COMPUESTA FALLA POR EROSIÓN FALLA POR LICUACIÓN... 3 ART CRITERIOS Y METODOLOGÍAS PARA EL DISEÑO DE TALUDES EN CORTE Y TERRAPLÉN EN CASO ESTÁTICO FACTORES DE SEGURIDAD MÉTODO DE ANÁLISIS POR FALLA ROTACIONAL MÉTODO DE ANÁLISIS POR FALLA TRASLACIONAL... 5

2 SECCION 18. CRITERIOS PARA EL DISEÑO DE TALUDES EN CORTE Y TERRAPLÉN ART DEFINICIONES Y OBJETIVO Se define como el talud de un corte o de un terraplén a la inclinación con respecto a un plano horizontal, o más exactamente a la tangente del ángulo que el plano exterior del corte o terraplén forma con el plano horizontal que pasa por la base del mismo. La realización de taludes en corte y terraplén se requiere en algunos casos para poder establecer los perfiles de proyecto, anchos de calzadas y emplazar la estructura del pavimento donde fije el proyecto. En el diseño de estas obras se debe considerar tanto las particularidades del suelo existente como las condiciones del proyecto de pavimentación que será posteriormente realizado, y que permitan al pavimento cumplir con los objetivos de su diseño y construcción. El objetivo fundamental del diseño es el de proyectar un talud lo más vertical que sea posible dentro de un razonable margen de seguridad para los suelos existentes, atendiendo a la necesidad de minimizar los costos del correspondiente movimiento de tierras y del terreno ocupado. Para el estudio del problema se requiere contar con información de las características del terreno; entre ellas, su composición mineralógica, su resistencia, la ubicación de la napa freática, condiciones de drenaje, etc., para que en base a este conocimiento sea factible analizar las posibles fallas que se podrían desarrollar en el cuerpo del corte o terraplén y que pudieran afectar a la estabilidad del talud. La naturaleza, homogeneidad y compacidad del material constitutivo son factores básicos para una adecuada solución, dado que contribuyen a reducir el riesgo de fallas. Los métodos de cálculo conocidos se basan en la determinación de los parámetros de resistencia del suelo, los cuales son muchas veces difíciles de conocer por una simple apreciación visual o en base al estudio de casos anteriores; esto obliga a su determinación mediante pruebas de laboratorio. Para mayor información respecto a pruebas y características de los suelos, se puede revisar la Sección 12 de Mecánica de Suelos. Para la determinación de factores mínimos y criterios generales aplicables con más detalle a los alcances de esta sección, en lo relativo a requerimientos para factores sísmicos y clasificación de los suelos, deberán considerase los requisitos del D.S. 61 de MINVU del año A continuación, en el artículo 18.2 se presenta una descripción de los tipos de fallas que pueden ocurrir en los taludes en cortes y terraplenes, y en el artículo 18.3 se indican los criterios y la metodología para el diseño considerando los tipos de falla que ocurren en el caso estático, los que corresponden a falla rotacional y traslacional, y para los cuales se establece el diseño de estas obras. ART TIPOS DE FALLA Entre las posibles fallas de taludes, se pueden mencionar las siguientes: 2

3 FALLA ROTACIONAL Consiste en la acción de un esfuerzo de corte que excede la resistencia del material. Esta situación da lugar a la formación de una superficie de falla, a lo largo de la cual se produce la rotación o deslizamiento del material. La superficie en cuestión tiene una forma aproximadamente cilíndrica o concoidal, cuya vertical también aproximada es un arco de circunferencia. Las fallas rotacionales pueden ser del cuerpo del talud o de la base. Este tipo de fallas son características en suelos cohesivos FALLA TRASLACIONAL Consiste en movimientos traslacionales del cuerpo del talud sobre una superficie de falla básicamente plana y paralela al talud. Esta falla está asociada a suelos sin cohesión o a estratos de suelo poco resistentes ubicados a poca profundidad, paralelamente a los cuales se desarrolla la superficie de falla FALLA CON SUPERFICIE COMPUESTA Es una combinación de una falla rotacional y otra traslacional, a consecuencia de heterogeneidades existentes en el cuerpo de talud FALLA POR EROSIÓN Se origina por el ataque de agentes erosivos, como son el viento y el agua superficial. En general, los suelos más erosionables son las arenas limosas (SM), limos arenosos (ML) y arenas finas; aumentando el riesgo con el aumento de la pendiente del talud, debiéndose tener mayores precauciones en taludes con inclinaciones superiores a los 45º respecto de la horizontal FALLA POR LICUACIÓN La falla por licuación consiste en la reducción de la resistencia al corte del material dejando los suelos sin poder de soporte, situación que puede ocurrir por dos causas: a) incremento en los esfuerzos de corte actuantes y b) desarrollo rápido de altas presiones en el agua intersticial a consecuencia de un sismo, explosión o determinadas vibraciones. Los suelos más susceptibles a licuación son los finos de estructura suelta y saturada (arenas finas uniformes y suelos finos no plásticos). Los riesgos de falla por licuación son considerables principalmente en arenas limosas (SM), limos arenosos (ML) y algunos depósitos granulares. En estos tipos de suelos dichos riesgos se pueden presentar cuando se presentan las siguientes condiciones: - contenido de finos bajo 0.08 mm menor al 15%, - límite líquido menor que 35, - contenido de agua menor a 0.9 veces el límite líquido, - suelo sumergido o bajo nivel freático, y - características definidas por ensayos de número de golpes según, SPT (N 60 ) < 30 y de q c < 160 (CPT corregido). La profundidad del estrato potencialmente licuable deberá ser determinada por mecánica de suelos. 3

4 En los casos en que por la buena calidad del material del talud, se pueda desechar la posibilidad de cualquier tipo de falla, la única condición que se sugiere cumplir en relación al talud, es la de no sobrepasar el valor del ángulo de fricción interna del material, lo cual puede expresarse mediante el correspondiente factor de seguridad. tg tg FS En donde es el ángulo de fricción interna y β es el ángulo de talud. Se recomienda que el valor de FS sea siempre mayor que 1, por tratarse de un caso de análisis dinámico, pero no conviene que llegue más allá de máximo un 20% por sobre dicho valor. ART CRITERIOS Y METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DE TALUDES EN CORTE Y TERRAPLENES EN CASO ESTÁTICO FACTORES DE SEGURIDAD El Factor de seguridad (FS) mínimo a utilizar en el diseño de un talud será de 1.5 en el caso estático. Sin embargo, podrá ser modificado según estudio de suelos, justificando los parámetros de cambio para lo cual se determinará su valor para superficies de falla circulares, en caso de suelos homogéneos e isotrópicos con presencia de finos bajo 0.08 mm (mayor al 20%) y para superficies de fallas planas en el caso de suelos granulares. Cabe destacar, como criterio general que para el caso dinámico, se considerará una aceleración sísmica de 0.25 g para la cual el diseño del talud deberá presentar un factor de seguridad mínimo de 1.0 (aceleración de fluencia). Este valor, para el coeficiente sísmico horizontal, garantiza que las deformaciones permanentes en los cortes (en caso sísmico) sean mínimas. Para el análisis sísmico, el factor de seguridad se determina para distintas aceleraciones sísmicas horizontales, hasta alcanzar la fluencia del suelo. En los puntos siguientes se analizan los métodos de análisis considerando fallas probables de taludes en cortes y terraplén, para el caso estático MÉTODO DE ANÁLISIS POR FALLA ROTACIONAL El método más comúnmente empleado en el análisis de fallas rotacionales, es el que usa el concepto de las dovelas, siendo el más aproximado el de Fellenius, el cual se basa en las siguientes hipótesis: a.) La superficie de falla es concoidal. b.) Se considera un estado de deformación plana. c.) Se considera válida la ley resistencias de Mohr-Coulomb. 4

5 d.) Se acepta que la resistencia al esfuerzo de corte trabaja en su totalidad a lo largo de toda la superficie potencial de falla que se está analizando. e.) Si hay flujo de agua en el terreno, se acepta que esté consolidado bajo la condición de régimen establecido. La aplicación de este método sugiere comprender a su vez los tres pasos siguientes: a.) Formulación de una hipótesis sobre el mecanismo de falla que comprende: forma de la superficie, descripción de los movimientos a producirse y análisis de las fuerzas motoras. b.) Se aplica la ley de resistencia supuesta, determinando el valor de las fuerzas resistentes. c.) Se comparan algebraicamente los valores obtenidos de las fuerzas motores y resistentes, para definir si el mecanismo de falla entra en acción. Se recomienda distinguir tres casos, según sean las características del suelo, expresadas de acuerdo a las fórmulas contenidas en la Sección 12 de Mecánica de suelos Caso 1: Suelos puramente cohesivos: = Cu Para este análisis se considera una superficie hipotética de falla de forma conoidal, para la cual se determina si el esfuerzo de corte actuante del terreno pueda ser superado y se determina el centro de aplicación de carga correspondiente. Se determinan las fuerzas motoras y resistentes y sus respectivos momentos estáticos Mm y Mr, con respecto a dicho centro (ver Lámina Tipo Nº 18.1 del Apéndice III). Se determina la relación entre ambos momentos Mr/Mm cuyo valor es el correspondiente factor de seguridad FS. Se recomienda que este último no sea inferior a 1.5, pero en todo caso se fija de acuerdo a las condiciones del problema. Posiblemente sea necesario efectuar dos o más tanteos, con distintas posiciones de la superficie de falla, hasta obtener el valor mínimo del FS Caso 2: Suelos con cohesión y fricción, condición no drenada Se determinan los esfuerzos totales en un ensaye triaxial rápido, denominado CIU ( = c + tg ø), con ø ángulo de fricción interna; c cohesión y presión efectiva. En este caso se usa el método de las dovelas de Fellenius (ver Lámina Tipo Nº 18.2 del apéndice III). Como en el caso anterior, se procede por tanteos, hasta encontrar el círculo de falla crítico que da el factor de seguridad FS mínimo. Se analiza tanto los círculos de falla del pie del talud, como los de media ladera y de fallas profundas Caso 3: Suelos con cohesión y fricción, condición drenada Se determinan los esfuerzos efectivos en un ensaye triaxial lento o en un ensaye triaxial rápido consolidado ( = c + tgø). 5

6 En este caso se aplica a los taludes situados total o parcialmente bajo el nivel freático o que están sometidos a una condición de flujo. El método a emplear en el análisis es también el de las dovelas, procediéndose en todo los demás como en el caso anterior. El método descrito tiene, sin embargo el inconveniente de los tanteos necesarios para llegar a la superficie potencial de falla que presente el menor FS. Puede usarse el método de Taylor, más simplificado, cuando no se requiere una gran precisión. Este método ha desarrollado gráficos que son expresión de las fórmulas de cálculo, los cuales se incluyen en el Apéndice III, Lámina Se consideran los tres casos siguientes: a.) Materiales cohesivos: homogéneos con el terreno de cimentación. b.) Materiales cohesivos: círculo de falla tangente a un estrato resistente. c.) Materiales con cohesión y fricción. En este caso se determina, conocido el ángulo de talud ", el valor del número de estabilidad Ne (ver gráficos en Apéndice III, Lámina 18.4); y, mediante este valor se puede determinar el valor de Cu, necesario para el equilibrio en condición crítica, el cual se puede comparar con el valor de la cohesión disponible. El factor de seguridad se define ahora como: FS Cu( disponible) Cu( necesario) MÉTODO DE ANÁLISIS POR FALLA TRASLACIONAL Para el método de análisis por falla traslacional, se considera que esta falla se origina por la existencia de un estrato profundo con una baja resistencia al corte o suelo débil, el que puede estar formado por arcillas blandas o bien por arenas relativamente finas sometidas a una alta presión de poros. Si el estrato débil es arcilla, los parámetros de resistencia pueden obtenerse en un ensaye triaxial sin consolidación y sin drenaje. El análisis puede efectuarse en base a los esfuerzos totales. Si el estrato débil es arena, dichos parámetros pueden obtenerse en una prueba triaxial con esfuerzos efectivos, haciendo intervenir la fuerza de supresión actuante. El esquema del cálculo se indica en el Apéndice III, lámina El valor del factor de seguridad no puede ser menor que