ANÁLISIS DE ESTABILIDAD DE TALUDES

Transcripción

1 UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL SECCIÓN DE POST GRADO ANÁLISIS DE ESTABILIDAD DE TALUDES Dr. Jorge E. Alva Hurtado

2 ANÁLISIS DE ESTABILIDAD DE TALUDES * CARACTERÍSTICAS Y ASPECTOS CRÍTICOS DE VARIOS TIPOS DE PROBLEMAS DE ESTABILIDAD DE TALUDES * PROCEDIMIENTOS DE INVESTIGACIÓN Y DISEÑO DE TALUDES * ANÁLISIS DETALLADO DE ESTABILIDAD * MÉTODOS DE ESTABILIZACIÓN DE TALUDES

3 EJEMPLOS DE ANÁLISIS TIPO UU (NO CONSOLIDADO - NO DRENADO) a ) TERRAPLÉN CONSTRUIDO RÁPIDAMENTE SOBRE UN DEPÓSITO DE ARCILLA BLANDA τ f f = S nstu u τ f f b ) PRESA DE TIERRA GRANDE CONSTRUIDA RÁPIDAMENTE SIN CAMBIO EN EL CONTENIDO DE HUMEDAD DEL NÚCLEO DE ARCILLA τ f f τ f f = S u del núcleo de arclla compactada c ) ZAPATA CONTINUA COLOCADA RÁPIDAMENTE EN DEPÓSITO DE ARCILLA q u D B q = 5.7 Su + γt D u de la fórmula de capacdad de carga de Terzagh con φ =

4 EJEMPLOS DE ANÁLISIS TIPO CD (CONSOLIDADO - DRENADO) a ) TERRAPLÉN CONSTRUIDO MUY LENTAMENTE POR CAPAS SOBRE UN DEPÓSITO DE ARCILLA BLANDA τ f f = S resstenca cortante drenada nstu d τ f f b ) PRESA DE TIERRA CON ESTADO DE INFILTRACIÓN CONSTANTE τ f f = S del núcleo de arclla d τ f f c ) ZAPATA CONTINUA EN DEPÓSITO DE ARCILLA A LARGO PLAZO DESPUÉS DE LA CONSTRUCCIÓN q u D B qu = c N c + 1 γ B N γ+ γ D N q 2 donde Nc, N γ y Nq son funcón de φ

5 EJEMPLOS DE ANÁLISIS TIPO CU (CONSOLIDADO - NO DRENADO) a ) TERRAPLÉN ELEVADO DESPUÉS DE CONSOLIDARSE BAJO ALTURA INICIAL 2 1 τ f f = S u nstu después de consoldacón bajo capa 1 τ f f b ) DESEMBALSE RÁPIDO AGUAS ARRIBA. SIN DRENAJE DEL NÚCLEO τ f f τ f f = S u del núcleo correspondente a consoldacón bajo nfltracón constante antes del desembalse c ) CONSTRUCCIÓN RÁPIDA DE TERRAPLÉN EN TALUD NATURAL τ f f = S u nstu de arclla en el talud natural antes de construccón τ f f

6 ARCILLA NORMALMENTE CONSOLIDADA (OCR = 1) S DL Línea K f ESP - Carga Drenada S U S DU T S P Us ESP No Drenada ESP-Descarga Drenada P, P ARCILLA SOBRECONSOLIDADA SU (OCR > 4) S DL Línea K f S DU T S P Us P, P RESISTENCIA CORTANTE DRENADA Y NO DRENADA q q

7 CARACTERÍSTICAS Y ASPECTOS CRÍTICOS DE VARIOS TIPOS DE PROBLEMAS DE ESTABILIDAD DE TALUDES 1) Terraplenes Granulares Construdos en Suelo Frme o Roca 2) Terraplenes Cohesvos Construdos en Suelo Frme o Roca - Al Fnal de la Construccón (Corto Plazo) - A Largo Plazo - Desembalse Rápdo o mlar 3) Terraplenes en Terreno Blando - Al Fnal de la Construccón (Corto Plazo) - A Largo Plazo - Desembalse Rápdo o mlar

8 CARACTERÍSTICAS Y ASPECTOS CRÍTICOS DE VARIOS TIPOS DE PROBLEMAS DE ESTABILIDAD DE TALUDES 4) Taludes en Excavacones - Al Fnal de la Construccón (Corto Plazo) - A Largo Plazo - Desembalse Rápdo o mlar 5) Laderas Naturales 6) Taludes Con Problemas Especales - Arcllas Duras Fsuradas y Luttas - Loess - Suelos Resduales - Arcllas Altamente Sensbles

9 PROCEDIMIENTOS DE INVESTIGACIÓN Y DISEÑO DE TALUDES - Observacón de Campo - Uso de Ábacos - Análss Detallado

10 125 MAS EMPINADO QUE 2 MAS TENDIDO QUE 2 1 DESLIZAMIENTO EN SUELO DESLIZAMIENTO EN ROCA METEORIZADA DESLIZAMIENTO EN RELLENO ALTURA DEL TALUD - H (Pes) 75 5 x COTANGENTE DEL TALUD - X EVALUACIÓN DE LA ESTABILIDAD DEL TALUD POR MEDIO DE DATOS DE CAMPO

11 Superfce de Infltracón H β β T X β γ = Peso untaro total del suelo Infltracón paralela al talud γ w = Peso untaro de agua c' = Cohesón Esfuerzo Efectvo φ' = Angulo de frccón u r u = Relacón de presón de poro = γ H u = Presón de poro en la profunddad H Pasos γ 2 X r u = w cos T γ θ β 1. Determne r u de valores de presón de poros meddos ó fórmulas β 2. Determne A y B de los ábacos 3. Calcule tgφ c F = A + B tg β γ H Infltracón emergendo del talud γ w 1 r u = γ 1+ tg β tgθ Parámetro A r u = Parámetro B Relacón de talud b = cotg β Relacón de talud b = cotg β ÁBACOS DE ESTABILIDAD PARA TALUDES INFINITOS

12 11 γ H + q - γw Hw P d = uq uw ut 1 9 Factor de Segurdad F = N Círculos pe Círculos base Círculos talud D d = H c Pd CIRCULO TALUD Número de establdad, No CIRCULO PIE Base Frme β H D = dh / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / γ = Peso untaro total del suelo.1 d = d= CIRCULO BASE cotg β Angulo del talud b (grados) NUMERO DE ESTABILIDAD 4 5 Abscsa del centro - xo Yo Xo β CIRCULOS PIE Y BASE cot β d = d = Angulo del talud b (grados) H X = x H Centro Crítco / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / COORDENADAS DEL CENTRO PARA EL CÍRCULO CRÍTICO ÁBACOS DE ESTABILIDAD PARA SUELOS CON φ = Ref. (Janbu, 1968) Ordenada del centro - yo CIRCULO PIE Y = y H Círculos punto medo d = cot β Angulo del talud b (grados)

13 Número crítco de Establdad, Ncf Para c = : P F = e b tan φ P d F = N cf c P d λ cφ= P e tan φ c Valores de λc φ Coordenadas Untaras X e Y y λ Cφ = x λ Cφ= Coordenadas X = x H 1 Relacón de Talud b = cot β Y = y H q H H w β 1 b H' w H t P = d P = e γ H + q γ H μ μ μ w q w t w γ H + q γ w H w ' μ μ' q w Relacón de talud b COORDENADAS DEL CENTRO DEL CIRCULO CRITICO ( En la fórmula de P e tomar q =, μ q = 1 para condcón no consoldada ) GRÁFICOS DE ESTABILIDAD DE TALUDES PARA SUELOS CON φ> Ref. (Janbu, 1968)

14 FACTORES DE REDUCCIÓN POR CARGA ADICIONADA FACTORES DE REDUCCIÓN POR SUMERGENCIA (μ w ) E INFILTRACIÓN (μ w ) Factor μb Círculo por el pe β = LEYENDA Factor mw y m'w Círculo por el pe β = LEYENDA β Hw H Factor μb (a) Relacón q γ/h d = Círculo por la base q H β Base Frme D=dH / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / Factor μ w y μ' w (c).5 1. Relacón Hw/H y H'w/H Círculo por la base d = Base Frme D=dH / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / H' w H H w Base Frme D=dH / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / (b) Relacón q γ/h (d) Relacón Hw/H y H'w/H FACTORES DE REDUCCIÓN PARA LOS GRÁFICOS DE ESTABILIDAD DE TALUDES, SUELOS CON φ = Y φ > Ref. (Janbu, 1968)

15 FACTOR DE REDUCCIÓN POR GRIETA DE TRACCIÓN SIN PRESIÓN HIDROSTÁTICA EN LA GRIETA FACTOR DE REDUCCIÓN POR GRIETA DE TRACCIÓN CON PRESIÓN HIDROSTÁTICA EN LA GRIETA β = β = Factor μt Factor μt (a) Círculo por el pe Relacón Ht / H Círculo por por la base la base d = 1..5 LEYENDA Greta de Traccón Ht H β D=dH Base Frme / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / Factor μt Factor μt (c) Círculo por el pe Círculo por la base Relacón Ht / H d = 1..5 LEYENDA Greta de Traccón Ht H β D=dH Base Frme / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / Relacón Ht / H (b) (d) Relacón Ht / H FACTORES DE REDUCCIÓN PARA LOS GRÁFICOS DE ESTABILIDAD DE TALUDES, SUELOS CON f = Y f > Ref. (Janbu, 1968)

16 H O H β C b C u = RESISTENCIA NO-DRENADA φ U = PASOS EXTRAPOLE EL PERFIL DE RESISTENCIA HACIA ARRIBA, PARA DETERMINAR H O CALCULE M = H O /H DETERMINE EL NUMERO DE ESTABILIDAD N DEL GRAFICO INFERIOR DETERMINE C b = RESISTENCIA EN LA BASE DEL TALUD CALCULE C b F = N γ (H + HO ) Use γ = γ b Use γ = γ m PARA TALUD SUMERGIDO PARA NO EXISTENCIA DE AGUA FUERA DEL TALUD Use γ PROMEDIO, PARA TALUD PARCIALMENTE SUMERGIDO NUMERO DE ESTABILIDAD, N Falla superfcal M = Falla profunda β (GRADOS) GRÁFICOS DE ESTABILIDAD DE TALUDES PARA φ = Y RESISTENCIA AUMENTANDO CON PROFUNDIDAD. (Hunter y Schuster, 1968)

17 ANÁLISIS DETALLADO DE ESTABILIDAD - Método de Dovelas - Método de la Cuña Deslzante - Conclusones

18 Rado - 1 pes Capa γ (lb/pe 3 ) c (lb/pe 2 ) φ (grados) A B C Elevacón - pes A B C -2 EJEMPLO DEL MÉTODO ORDINARIO DE DOVELAS

19 FUERZAS QUE ACTUAN EN DOVELA Δ x W E X X +1 E +1 b U U r θ a T N U = u Δ l Δ l

20 FACTOR DE SEGURIDAD M F = R M A M R = r n (c + σ tgφ) Δl = r (cl + tg = 1 φ n N ) = 1 M A = r n W = 1 sen θ F = n cl + tg φ N = 1 n W sen θ = 1 EQUILIBRIO DE FUERZAS Y MOMENTOS ECUACIONES N N N Σ F v Σ F H Σ F M 3N TOTAL INCÓGNITAS N-1 FUERZAS HORIZONTALES N-1 FUERZAS VERTICALES N-1 LOC. F. HORIZONTALES N FUERZAS NORM. BASE N LOC. F. NORM. N FUERZAS NORM. BASE I F.S. 5N-2 TOTAL SISTEMA INDETERMINADO

21 MÉTODO ORDINARIO DE DOVELAS (FELLENIUS) ASUME QUE LA RESULTANTE DE FUERZAS LATERALES ACTUA PARALELA A LA BASE DE CADA DOVELA RESUELVE LAS FUERZAS NORMALES PERPENDICULARES A LA BASE ELIMINANDO LAS FUERZAS LATERALES F n cl + tg φ ( W cosθ u Δ l ) = = 1 n W sen θ = 1 SATISFACE : EQ. TOTAL DE MOMENTOS NO SATISFACE : EQ. FH : EQ. FV : EQ. INDIVIDUAL DE MOMENTOS 1 ECUACIÓN 1 INCÓGNITA

22 MÉTODO SIMPLIFICADO DE BISHOP ASUME QUE LAS FUERZAS VERTICALES EN LAS DOVELAS SON CERO RESUELVE LAS FUERZAS EN LA DIRECCIÓN VERTICAL ELIMINANDO LAS FUERZAS LATERALES F = n [ c Δ x + ( W u Δx ) tg φ][ 1/ M ( θ )] n = 1 W senθ M ( θ ) = cosθ (1 + tgθ tg φ ) F SATISFACE : EQ. TOTAL DE MOMENTOS EQ. FV NO SATISFACE : EQ. INDIVIDUAL DE MOMENTOS EQ. FH N + 1 ECUACIONES N + 1 INCÓGNITAS

23 METODO DE LOWE Y KARAFIATH ASUME QUE LA INCLINACIÓN DE LAS FUERZAS LATERALES ES EL PROMEDIO DEL TALUD Y LA SUPERFICIE DE FALLA SATISFACE : Σ F v Σ F H NO SATISFACE : ΣM 2 N ECUACIONES 2 N INCÓGNITAS

24 MÉTODO MORGENSTERN - PRICE ASUME QUE LA INCLINACIÓN DE LAS FUERZAS LATERALES SIGUE UNA FORMA DETERMINADA θ = λ f (x) θ θ SATISFACE TODAS LAS CONDICIONES DE EQUILIBRIO 3 N ECUACIONES 3 N INCÓGNITAS

25 MÉTODO DE JANBU (GPS) ASUME LA POSICIÓN DE LA FUERZA HORIZONTAL Asumdo Asumdo SATISFACE TODAS LAS CONDICIONES DE EQUILIBRIO 3 N ECUACIONES 3 N INCÓGNITAS

26 MÉTODO DE SPENCER ASUME QUE LA INCLINACIÓN DE LA FUERZA LATERAL RESULTANTE (q) ES LA MISMA PARA CADA DOVELA θ θ SATISFACE TODAS LAS CONDICIONES DE EQUILIBRIO 3 N ECUACIONES 3 N INCÓGNITAS

27 MÉTODO DE LA CUÑA DESLIZANTE Suelo B θ 3 θ 1 θ 2 Suelo A θ 1 θ 2 θ 3 φ m 45 A φ m A 2 φ m B 2 φm A = Ángulo de frccón movlzado en suelo A φm B = Ángulo de frccón movlzado en suelo B SATISFACE EQUILIBRIO DE FUERZAS ASUME INCLINACIÓN FUERZA HORIZONTAL

28 MÉTODO DE ESPIRAL LOGARÍTMICA ASUME QUE LA SUPERFICIE DE FALLA ES UNA ESPIRAL LOGARÍTMICA r = r e θ tg φ r θ φ m SATISFACE TODAS LAS CONDICIONES DE EQUILIBRIO 3 ECUACIONES 3 INCÓGNITAS

29 PROCEDIMIENTO CONDICIÓN DE EQUILIBRIO SATISFECHA MOMENTO TOTAL MOMENTO DOVELA IND. VERT. HOR. ECUACIONES E INCÓGNITAS FORMA DE LA SUPER- FICIE DE FALLA APLICABLE A Cálculos Manuales Cálculos Computadora MÉTODO ORDINARIO DE DOVELAS No No No 1 Crcular MÉTODO DE BISHOP MODIFICADO No No N + 1 Crcular MÉTODO DE JANBU PROCEDIMIENTO GENERA- LIZADO DE DOVELAS 3 N Cualquera MÉTODOS DE SPENCER Y MORGENSTERN Y PRICE 3 N Cualquera No MÉTODO DE LOWE Y KARAFIATH No No 2 N Cualquera MÉTODO DE ESPIRAL LOGARITMICA - 3 Espral Logarítmca

30 ECUADOR COLOMBIA 2 II I 4 6 BRASIL II 8 OCÉANO PACIFICO I II I 1 12 COEFICIENTE SÍSMICO PROPUESTO PARA PRESAS PEQUEÑAS Y MEDIANAS (Ruesta, P., Daz, J. Y Alva, J., 1988) ZONA I PRESAS DE TIERRA PRESAS DE ENROCADO.1.2 B O L I V I A II III CHILE 18 ZONIFICACIÓN DEL COEFICIENTE SÍSMICO EN EL PERÚ (Ruesta et al, 1988)

31 CONCLUSIONES SOBRE LOS MÉTODOS DE EQUILIBRIO LÍMITE 1.- Cualquer método que satsface el Equlbro de Momentos, da el msmo factor de segurdad en el análss de φ = con superfces de falla crcular. 2.- El Método Ordnaro de Dovelas (Fellenus), da error en el lado conservador para el caso de φ >. Con presones de poro pequeñas, para los análss en funcón de esfuerzos totales y de esfuerzos efectvos, el error es menor de 1%. Para pendentes cas planas con presones de poros altas, el error puede ser mayor del 5%. 3.- Para análss de φ = ó φ > con presones de poros bajas o altas, el Método mplfcado de Bshop es adecuado para el análss de falla crcular. El método es muy estable numércamente, sólo hay problemas de convergenca cuando los extremos de la superfce de falla es muy parada, cas vertcal.

32 4.- En los métodos que satsfacen solamente el equlbro de fuerzas, el Factor de Segurdad es muy sensble a la nclnacón asumda de las fuerzas laterales. El método de Lowe y Karafath es razonable para análss de φ >, pero no conservador (1-15%) para φ =. 5.- todas las condcones de equlbro son satsfechas, la magntud del error en el Factor de Segurdad es muy pequeña, usualmente ± 5% de la respuesta correcta. 6.- Los métodos que satsfacen todas las condcones de equlbro presentan ventajas y desventajas. a) GPS o JANBU : El mejor para el cálculo manual. Pueden exstr nestabldades numércas en el computador. b) SPENCER : El más estable numércamente, bueno para el computador, malo para el análss manual.

33 c) MORGENTERN- : El más flexble. Las fuerzas laterales asumdas PRICE se pueden cambar, cambando f(x). Teórcamente es atractvo porque f(x) se puede cambar hasta encontrar una dstrbucón nterna de esfuerzos razonabe. En la práctca consume mucho tempo y es nnecesaro para el cálculo del Factor de Segurdad, ya que este valor varía muy poco con f(x).

34 MÉTODOS DE ESTABILIZACIÓN DE TALUDES Y DESLIZAMIENTOS - Excavacón - Drenaje - Contrafuerte de Terra o Roca (Bermas de Relleno) - Estructuras de Retencón - Técncas Especales

35 MÉTODOS DE ESTABILIZACIÓN DE TALUDES Y DESLIZAMIENTOS ( Turnbull y Hvorslev, 1968) ESQUEMA MÉTODO APLICABLE COMENTARIOS I EXCAVACIÓN 1. Reducr la altura del talud con excavacnes en la parte superor. El área debe ser accesble al equpo de construccón. Se requere de un lugar apropado para colocar el suelo excavado. Algunas veces se ncorpora drenaje a este método. 2. Tenddo el ángulo del talud. 3. Excavar banqueta en la parte superor del talud. 4. Excavar completamente la masa de deslzamento.

36 MÉTODOS DE ESTABILIZACIÓN DE TALUDES Y DESLIZAMIENTOS ( Turnbull y Hvorslev, 1968) ESQUEMA MÉTODO APLICABLE COMENTARIOS II DRENAJE 1. Drenes horzontales de pequeño dámetro. 1. Más efectvo s llega al acuífero natural. Los drenes son usualmente de flujo lbre. 2. Zanjas de subdrenaje profundas y contínuas. Generalmente a una profunddad de 5 a 15 pes. 3. Pozos vertcales perforados, generalmente de pulgadas de dámetro. 2. El fondo de las zanjas deben tener pendente para drenar y ser conectado con tubería de salda. Debe colocarse tubería perforada en el fondo de las zanjas. La parte superor deberá Impermeablzarse. 3. Puede ser bombeado o conectado con una salda de gravedad. Varos pozos en fla undas al fondo pueden formar una galería de drenaje. 4. Mejora en el drenaje superfcal a lo largo de la parte superor con cunetas abertas o canales pavmentados. Sembrar plantas en el talud con raíces profundas y resstentes a la erosón. 4. Buena práctca para la mayoría de los taludes. Drgr la descarga fuera de la masa deslzante.

37 MÉTODOS DE ESTABILIZACIÓN DE TALUDES Y DESLIZAMIENTOS ( Turnbull y Hvorslev, 1968) ESQUEMA MÉTODO APLICABLE COMENTARIOS III CONTRAFUERTE DE TIERRA O ROCA (O BERMAS DE RELLENO) 1. Excavacón de la masa deslzada y reemplazo con relleno compactado o contrafuerte de roca trturada. El pe del contrafuerte debe reposar en suelo frme o roca por debajo del plano de deslzamento. Se utlza manto de drenaje con salda de flujo por gravedad detrás del talud del contrafuerte. 2. Utlzacón de bermas de relleno compactado o roca en el pe y más allá del pe. Debe proporconarse drenaje detrás de la berma. 1. Se requere acceso para el equpo de construccón y área de almacenaje. El suelo excavado puede utlzarse como relleno. Se puede requerr calzaduras de estructuras exstentes. la establdad es crítca durante la construccón, se puede realzar en seccones cortas. 2. Se requere sufcente ancho y espesor de las bermas de modo que la falla no ocurra por debajo o a través de las bermas.

38 MÉTODOS DE ESTABILIZACIÓN DE TALUDES Y DESLIZAMIENTOS ( Turnbull y Hvorslev, 1968) ESQUEMA IV ESTRUCTURAS DE RETENCIÓN MÉTODO APLICABLE COMENTARIOS 1. Muro de contencón del tpo entramado o cantlver. 1. Usualmente costoso. Los muros cantlver pueden ser anclados. 2. Plotes vertcales vacados en sto, con labasecmentadapordebajodelplanodefalla. Generalmente de dámetro de pulgadas y espacamento de 4-8 pes. 3. Plotes vertcales vacados en sto anclados o batería de plotes o bloques de cmentacón. La base de los plotes por debajo del plano de falla. Generalmente de dámetro de 12-3 pulgadas y espacamento de 4-8 pes. 2. El espacamento deberá ser tal que el suelo arquee entre plotes. Puede utlzarse una vga superfcal para amarrar los plotes. Plotes de gran dámetro (6 pes) han sdo utlzados en deslzamentos profundos. 3. El espacamento lo sufcentemente cerca para que el suelo arquee entre plares. Los plotes pueden ser amarrados con vga superfcal. 4. Pernos de anclaje en roca y suelo. 4. Pueden ser usados en taludes altos y en áreas muy lmtadas. Debe ser usado un dseño conservador, especalmente en soportes permanentes.

39 MÉTODOS DE ESTABILIZACIÓN DE TALUDES Y DESLIZAMIENTOS ( Turnbull y Hvorslev, 1968) ESQUEMA MÉTODO APLICABLE COMENTARIOS V TÉCNICAS ESPECIALES 1. Groutng 2. Inyeccón Químca 3. Electromoss (en suelos fnos) 4. Congelamento 5. Calentamento 1 y 2. Usados satsfactoramente en varos casos. En otros casos no fue satsfactoro.la teoría no está completamente desarrollada. 3. Generalmente costoso. 4 y 5. Métodos especales que deben ser específcamente evaluados en cada caso. Puede ser costoso.