4 Estabilidad de taludes. Introducción 2

Transcripción

1 4 Establdad de taludes Introduccón 2 Deslzamento de Thstle en 1983 En Chle un caso smlar ocurró en Rñhue durante el terremoto de 1960 en las cercanías de Valdva. Deslzamentos de terra están asocados a una reduccón de la resstenca al corte del materal y/o a un aumento de los esfuerzos de corte. 1

2 Causas que producen nestabldad 3 La segurdad de una masa de terra contra la falla o movmento es lo que se defne como establdad. La nestabldad ocurre cuando la resstenca al corte del suelo es excedda por los esfuerzos de corte que se producen en una superfce relatvamente contnua. La falla puede ser el resultado de cualquera de estos factores, aslados o combnados. Clasfcacón de taludes 4 Los taludes son el resultado de la accón de agentes naturales o de la accón del hombre. De acuerdo a su naturaleza, se pueden clasfcar en: (Whtlow, 1994) 2

3 Taludes en la ngenería cvl 5 La establdad de taludes tene una gran mportanca en la ngenería cvl y geotécnca. La fgura muestra una sere de casos en los que hay que analzar la establdad de taludes. Cortes Excavacones Laderas Terraplenes Presas de terra Modos de fallas 6 El térmno deslzamento de terras se asocan a una sere de procesos que resultan en el movmento de un talud. Los tpos de deslzamentos se pueden clasfcar según el modo de falla. (Coduto P, 1999) (Varnes, 1978) 3

4 Modos de fallas: Derrumbes 7 Los derrumbes conssten en la caída abrupta de suelo y/o rocas que se desprenden del talud. Se producen por lo general en taludes muy nclnados, debdo a la exstenca de dscontnudades tales como gretas o planos de estratfcacón. Este tpo de fallas se genera prncpalmente por efectos de la erosón, presón de agua en gretas, y movmentos sísmcos. (Coduto P, 1999) (USGS) Modos de fallas: Derrumbes 8 (Coduto P, (Coduto 1999) D., 1999) 4

5 Modos de fallas: Deslzamentos de rotacón 9 Los deslzamentos nvolucran masas de suelo que se mueven a lo largo de una superfce de falla ben defnda. Deslzamentos de rotacón se mueven a lo largo de una superfce de falla cóncava. Son característcos de suelos cohesvos. superfce de deslzamento (Coduto P, 1999) (USGS) Modos de fallas: Deslzamentos de rotacón 10 5

6 Modos de fallas: Deslzamentos de traslacón 11 En los deslzamentos de traslacón, la superfce de falla tende a ser plana y paralela al talud. Por lo general la razón entre altura y largo de la masa deslzante tende a ser pequeña. Son característcos de suelos sn cohesón o cuando exsten planos de debldad. (USGS) Modos de fallas: Deslzamentos de traslacón 12 Laguna Beach, Calforna,

7 Modos de fallas: Deslzamentos de traslacón 13 Laguna Beach, Calforna, 2005 Modos de fallas: Deslzamentos de flujos 14 Los flujos son movmentos de masas de suelo que nvolucran grandes deformacones nternas. Su movmento es como el de un fludo vscoso y no exste una superfce de falla únca. Son muy destructvos debdo a las grandes velocdades que alcanzan y a la habldad de recorrer grandes dstancas. Por lo general ocurren en materales fnos y bajo condcones saturadas, sn embargo flujos de materal granular tambén son posbles. (USGS) 7

8 Modos de fallas: Deslzamentos de flujo 15 Deslzamento nducdo por el terremoto del Salvador (2001). Se cree que lcuacón puede haber sdo un factor en la falla. Hubo efectos de amplfcacón debdo a la topografía, llegándose a medr aceleracones de hasta 0.6 g. Cerca de 1000 vctmas debdo a los deslzamentos de terra. El Salvador, 2001 Modos de fallas: Deslzamentos de flujo 16 En Marzo de 1995 un talud falló en la Conchta, Calforna, desplazándose decenas de metros en unos pocos mnutos. La falla tpo flujo destruyó varas casas, sn embargo no hubo vctmas fatales. El deslzamento se produjo debdo a ntensas lluvas durante el año. Robert L. Schuster, USGS. 8

9 Modos de fallas: Deslzamentos de flujo 17 Modos de fallas: Lateral spreads 18 Lateral spreads se dstnguen porque por lo general ocurren en terrenos con muy poca pendente. La falla es causada por el fenómeno de lcuacón, nducdo por lo general por accón sísmca. Lateral spreads se puede dvdr en dos categorías: Falla de flujo Movldad cíclca (USGS) 9

10 Lateral spreads falla de flujo 19 Falla de flujo es un fenómeno en el cual el equlbro estátco es destrudo por cargas dnámcas en un depósto de suelo de baja resstenca resdual. Una vez gatllado, la resstenca resdual no es sufcente para resstr los esfuerzos estátcos. Alaska, 1964 Lateral spreads movldad cíclca 20 Guatemala,

11 Métodos de cálculo 21 Métodos de cálculo 22 Los métodos de cálculo para el análss de establdad de taludes pueden clasfcarse en dos grupos: métodos de análss límte y métodos de equlbro límte. Métodos de análss límte: presenta certo grado de complejdad ya que necesta de la aplcacón del método de elementos fntos, pero permte el cálculo de deformacones así como el de esfuerzos, tomando en cuenta la ley de comportamento del materal. 11

12 Métodos de cálculo 23 Métodos de equlbro límte: se evalúa el talud en su estado de falla, basándose en las consderacones de equlbro límte. El talud se deslza a lo largo de una superfce de falla, en donde se movlza toda la resstenca al corte del materal. Métodos de cálculo 24 Métodos exactos: son aquellos en los que el equlbro estátco proporcona una solucón exacta del problema, con la salvedad de las smplfacones propas de los métodos de equlbro límte, que es la ausenca de evaluacón de deformacones, factor de segurdad constante en toda la superfce potencal de deslzamento. Esta stuacón sólo es posble para taludes con geometrías sencllas, tales como taludes nfntos o cuñas. 12

13 Métodos de cálculo 25 Métodos no exactos: en la mayor parte de los casos, la geometría de la potencal superfce de deslzamento no permte obtener una solucón exacta del problema medante la únca aplcacón de las ecuacones de la estátca. El problema es hperestátco y se deben ntroducr consderacones adconales o hpótess prevas para obtener su solucón. Los métodos aproxmados efectúan algunas hpótess que permten elmnar las ncógntas que faltan (métodos de Fellenus, Bshop smplfcado, Janbu, etc.) Los métodos precsos plantean hpótess con respecto a los esfuerzos tangencales y normales en las caras de las dovelas sguendo una ley general (métodos de Morgenstern-Prce, Spencer, Bshop rguroso, etc.) Métodos de cálculo 26 Métodos de equlbro global: se aplcan en suelos homogéneos en los cuales las potencales superfces de deslzamento presentan seccones transversales crculares. El análss se efectúa en tensones totales, por lo que se adaptan partcularmente ben para condcones no drenadas. El análss es teratvo y consste en selecconar entre varos círculos potencales de deslzamento aquél que presente el mínmo valor de factor de segurdad. 13

14 Análss de establdad de taludes nfntos 27 La falla de taludes nfntos corresponde a un deslzamento por traslacón de una masa de suelo sobre un plano paralelo a la superfce del talud y de poca profunddad relatva. Este tpo de fallas se presenta generalmente en suelos de baja o nula cohesón. Sn embargo pueden orgnarse en suelos cohesvos cuando se presentan dscontnudades paralelas al talud. Este tpo de análss supone que los parámetros de resstenca al corte son constantes a lo largo de la superfce de deslzamentos. Análss de establdad de taludes nfntos 28 A contnuacón se analza la establdad de un talud, por undad de ancho, para un caso general (materal con cohesón y frccón y flujo de agua). Líneas de flujo 14

15 Análss de establdad de taludes nfntos 29 El análss de un talud nfnto se hace ndependente de la altura, por lo que se puede analzar el equlbro de un elemento cualquera de altura z y ancho b. Análss de establdad de taludes nfntos 30 15

16 Análss de establdad de taludes nfntos 31 Análss de establdad de taludes nfntos 32 16

17 Análss de establdad de taludes nfntos 33 Análss de establdad de taludes nfntos 34 Casos especales 17

18 Análss de establdad de taludes nfntos 35 Análss de establdad de taludes nfntos 36 18

19 Análss de fallas planas 37 Establdad de un suelo no-cohesvo Tambén se pueden presentar otras formas de fallas, s hay zonas de debldad, o s hay algún estrato mucho más frme que guíe el deslzamento. En el plano de falla: F F F.S. = F resstente solctant e F solctante resstente tan( φ) = tan( α) = W sen( α ) = N' tan( φ) = W cos( α ) tan( φ) F.S. mínmo F = F resstente solctant e tan( φ ) = tan() Análss de fallas planas 38 Establdad sísmca (pseudo-estátco) En el plano de falla: F = W sen( α) + k F solctant e resstente = N' tan( φ) = h W cos( α) [ W cos( α) - k W sen( α) ] tan( φ) 1- k h tan( α) F.S. = tan( φ) k + tan( α) F.S. mínmo h h 1- kh tan() = tan( φ) k + tan( ) h 19

20 Método de la cuña o bloque 39 Este método se aplca cuando los estratos de suelos que componen un talud se apoyan sobre un estrato que posee una marcada mayor resstenca, que determna en forma completa o parcal la confguracón de las masas de suelos potencalmente deslzante. De gual modo, puede emplearse en aquellos casos que un estrato de reducdo espesor y de baja resstenca se ntercala entre dos estratos de buenas característcas resstentes. Esta últma stuacón puede asmlarse, en el caso de suelos resduales (macllo), a la presenca de daclasas con orentacón desfavorable para la establdad del talud. Para efectuar el análss, la masa de materal en deslzamento se dvde en cuñas sobre la superfce postulada de deslzamento compuesta por tramos rectos. La precsón del factor de segurdad depende de la hpótess relatva a la dreccón de las fuerzas en las nterfaces de las cuñas (Whtlow, 1994) Método de la cuña o bloque 40 En este método tambén es necesaro determnar la superfce de deslzamento más crítca. T F.S. = Pa Pp 20

21 Ábacos para el cálculo de establdad 41 Cuando γ, φ, y c son constantes en el talud, el análss se smplfca y se puede reducr a smples gráfcos. Exsten una sere de gráfcos para dstntas condcones. La fgura muestra el dagrama del método desarrollado por Taylor para suelos con cohesón y frccón. (después de Taylor, 1937) Ábaco de Taylor 42 β c, φ, γ H c = N s γ c H c : altura crítca (FS = 1) F.S. = H c /H (después de Taylor, 1937) 21

22 Altura crítca 43 Es normal ver en la naturaleza cortes vertcales de terreno que se mantenen estables. La establdad se debe a la cohesón del materal y la altura crítca se puede calcular con dos crteros. h(z) Presón horzontal nula: 0 = γ H c K a - 2 c K a H c = γ 2 c K a Altura crítca 44 La altura crítca máxma posble permte la aparcón de gretas de traccón y usualmente no se consdera estable a largo plazo. Esta altura crítca se calcula con el crtero de empuje nulo: Empuje horzontal nulo: E a 1 = γ H 2 2 K a - 2 c H K a H c = γ 4 c K a 22

23 Taludes de altura reducda 45 En este tpo de taludes, las fallas usuales por corte se dan en superfces que se aproxman a un semcírculo. La falla ocurre generalmente como falla de base, falla de pe de talud, o falla de talud. falla de base o profunda falla de pe falla de talud Taludes de altura reducda 46 Debdo a la geometría rregular y al complejo sstema de fuerzas que hay en cualquer problema real, los métodos de análss drectos rara vez son aplcables. Para cada superfce de deslzamento potencal se calcula la fuerza deslzante y la fuerza resstente al deslzamento a lo largo de esa superfce. La superfce de deslzamento crítca es aquella que presenta el menor factor de segurdad. 23

24 Análss típco de establdad de taludes 47 (Whtle A.) Método sueco 48 Método basado en superfces de falla crculares en condcones no drenadas. En estos casos la resstenca al corte depende solamente del parámetro s u. F.S = M M resstentes volcantes 24

25 Ejercco 49 Calcular el factor de segurdad del talud en condcones no drenadas utlzando el método sueco. Consdere la greta de 1.5 m de profunddad llena de agua. Método de las dovelas 50 Pueden resolverse problemas que nvolucren varos estratos de suelos dferentes, presenca de napa, geometrías complcadas de la superfce del talud, efecto de cargas externas, etc. El esfuerzo normal que actúa en un punto de la potencal superfce de falla depende prncpalmente del peso de suelo stuado por encma de ese punto. Este método consste en dvdr la masa de suelo en una sere de dovelas vertcales. 25

26 Método de las dovelas 51 La fgura muestra las fuerzas que actúan sobre una dovela. E y X corresponden a la fuerza normal efectva y fuerza de corte sobre las caras vertcales de la dovela. N y T corresponden a la fuerza normal efectva y fuerza de corte en la base de la dovela. La presones de poros en la base y en los costados de cada dovela se suponen conocdas. Método de las dovelas 52 Este método supone que: El F.S. de cada dovela es el msmo que el del talud (F.S. global) El F.S. es el msmo para la componente cohesva y para la componente frcconante. xh r 26

27 Método de las dovelas La fuerza de corte movlzada en la base de cada dovela T es: T mov c' l = FS = n N' + tan( φ ') Hacendo equlbro de momentos con respecto al centro del semcírculo de deslzamento: = n = 1 FS = n ( W xh ) = ( T mov r ) = 1 = 1 c' l FS ( W r sen( θ ) = + r = n = 1 Fnalmente, el factor de segurdad al volcamento es: F.S. = n N' ( c' l + N' tan( φ' )) = 1 = = n ( W sen( θ )) = 1 tan( φ' ) FS 53 Método de las dovelas 54 La tabla muestra las ncógntas y ecuacones para una masa deslzante dvdda en n dovelas. Incógntas Número Factor de segurdad 1 Fuerzas normales en la base de las dovelas N n Fuerzas normales en las caras vertcales E n-1 Fuerzas de corte en las caras vertcales X n-1 Ubcacón de las fuerzas normales N n Ubcacón de las fuerzas normales E n-1 Número total de ncogntas 5n-2 Ecuacones Equlbro de fuerzas horzontales n Equlbro de fuerzas vertcales n Equlbro de momentos n Número total de ecuacones 3n 27

28 Método de las dovelas 55 El problema es estátcamente ndetermnado ya que exsten mas ncógntas que ecuacones y no es posble determnar drectamente la fuerza normal efectva N en la base de cada dovela. Para obtener el factor de segurdad es necesaro hacer 2n-2 hpótess para elmnar las ncógntas extras. Exsten varos métodos (Ordnaro, Bshop, Janbu, Morgenster-Prce, etc.), dependendo de las hpótess que se hagan. Método ordnaro de las dovelas 56 En este método se asume que las fuerzas que actúan en las caras de cualquer dovela son guales y opuestas, por lo que se cancelan. Se asume que s el número de dovelas es consderable (ancho de las dovelas pequeño), la fuerza normal N actúa en la mtad de la base de la dovela. Las ncógntas son el FS (1) y la fuerza normal efectva en la base de cada dovela (n). Las ecuacones son el equlbro global de momentos (1) y el equlbro de fuerzas en la dreccón normal a la base de cada dovela (n). 28

29 Método ordnaro de las dovelas El factor de segurdad FS se puede obtener drectamente. 57 N' + U = W cos( θ ) F.S. = n ( c' l + ( W cos( θ ) - u l ) tan( φ ') ) = 1 = = n ( W sen( θ ) ) = 1 Método smplfcado de Bshop 58 Este método supone que las fuerzas de corte X que actúan sobre las caras laterales de cada dovela son guales y opuestas. c' l T = FS + N' tan( φ') FS 29

30 Método smplfcado de Bshop 59 Se hace equlbro de fuerzas solamente en el sentdo vertcal en cada dovela: N cos( θ ) = N' cos( θ ) + u l cos( θ ) = W - T sen( θ ) F.S. = n Hacendo equlbro de momentos (global) se obtene: ( c' x + (W - u x ) tan( φ' )) = 1 = = n ( W sen( θ )) = 1 M ( θ ) = cos( θ sen θ tan( φ ') ) + FS 1 M ( θ ) El factor de segurdad se obtene terando. Método de Morgenstern-Prce 60 Este método cumple con las condcones de equlbro de fuerza como de momentos. La dreccón de la resultante de las fuerza normal y de corte en las caras laterales de las dovelas es determnada por medo de una funcón arbtrara. El porcentaje de esta funcón requerda para satsfacer el equlbro de fuerzas y momentos es calculado medante teracón. 30

31 Método de Morgenstern-Prce 61 Método de Morgenstern-Prce 62 Spencer Bshop Morgenstern Janbu 31

32 Método ordnaro de las dovelas 63 Dagramas de equlbro de fuerzas Método smplfcado de Bshop 64 Dagramas de equlbro de fuerzas 32

33 Método de Morgenstern-Prce 65 Dagramas de equlbro de fuerzas Establdad a largo y corto plazo 66 (después de Bshop y Bjerrum, 1960) 33

34 Establdad a largo y corto plazo 67 (después de Bshop y Bjerrum, 1960) Establdad a largo y corto plazo 68 (después de Bshop y Bjerrum, 1960) 34

35 Efecto del agua 69 Efecto del agua 70 Esta falla tpo flujo se produjo en Calforna el año 2005 después de fuertes lluvas. 35

36 Efecto sísmco 71 Un gran número de deslzamentos ha ocurrdo durante terremotos. Un ssmo por una parte aumenta las fuerzas deslzantes debdo a la nerca y por otra parte tende a dsmnur la resstenca al corte debdo a la carga cíclca. Un problema aun mayor ocurre en suelos saturados cuando se generan excesos de presón de poros, lo que conlleva a una dsmnucón de los esfuerzos efectvos y por lo tanto de la resstenca al corte. En algunos casos en necesaro estmar las deformacones nducdas durante el ssmo. Efecto sísmco (método pseudo-estátco) 72 Este método evalúa la establdad sísmca de un talud ncluyendo un coefcente horzontal sísmco k h. Por lo general el mínmo factor de segurdad sísmco aceptable es menor que el F.S. estátco admsble. La clave de este método esta en determnar el valor del coefcente sísmco. Lo deal es usar valores basados en observacones del comportamento real de taludes durante terremotos. dovela 36

37 Efecto sísmco (método de Newmark) 73 Newmark en 1965 desarrolló un método para estmar los desplazamentos durante un ssmo. Se debe determnar la acele-racón de fluenca a y, que corresponde a un FS=1 en un análss pseudoestátco. El desplazamento se obtene medante una doble ntegracón de la aceleracón donde a > a y. Desplazamento [cm] velocdad [cm/s] aceleracón [g] Tempo [s] Efecto sísmco 74 Deslzamento nducdo por un terremoto en El Salvador en el Ed Harp, USGS 37

38 Técncas de establzacón 75 Se utlzan cuando taludes propuestos o exstentes no poseen la establdad necesara. El método establzador debe dsmnur los esfuerzos y/o aumentar la resstenca a lo largo de la potencal superfce de falla. La seleccón del método de establzacón depende de una sere de factores (Coduto P. 1999): Modo potencal de falla. Topografía. Presenca de construccones cercanas. Consecuenca de la falla. Dsponbldad de materales y maqunara. Tempo y costo de la construccón. Descarga del talud 76 Una manera de reducr los esfuerzos de corte en el talud es descargándolo, ya sea reducendo la altura y/o ángulo del talud. 38

39 Mejoramento del drenaje 77 Métodos de establzacón ncluyen el mejoramento del drenaje ya sea en la superfce y dentro del talud. Al dsmnur la presón de poros aumenta la resstenca al corte a lo largo de la potencal superfce de deslzamento. (Coduto D. 1999) Drenaje superfcal Drenaje subterráneo Bermas de establzacón 78 Las bermas de establzacón se construyen al pe del talud para establzar taludes que puedan presentar fallas de rotacón profundas. El peso de la berma contrarresta el momento volcante y reduce los esfuerzos de corte movlzados al aumentar la longtud de la superfce de deslzamento. 39

40 Geosntétcos 79 Los geosntétcos son materales flexbles compuestos por polímeros. Refuerzan el suelo agregándole una resstenca a la tensón. El refuerzo se tene que extender mas allá de la superfce de deslzamento. Geosntétcos 80 Construccón de un talud reforzado con geosntétcos (Jm Fsher) 40

41 Anclajes 81 Los anclajes son membros estructurales que aplcan fuerzas de establzacón al talud. Conssten usualmente en barras de acero que se nsertan mas allá de la superfce de deslzamento crítca. Coduto D Sol nalng 82 Técnca de refuerzo n-stu para taludes nestables. Se refuerza la masa de suelo transfréndole resstenca a la tensón y al corte. 41

42 Sol nalng 83 Ejemplo de un proceso de nstalacón de sol nals solnallauncher.com Plotes 84 El refuerzo de taludes con plotes puede ser una técnca efectva de remedacón cuando métodos convenconales no son sufcentes. Los plotes ofrecen una resstenca pasva al deslzamento del talud, transfrendo la carga por corte al materal subyacente. 42