ESTABILIDAD DE TALUDES TEORÍA Y APLICACIÓN. Mg. GARY DURAN RAMIREZ
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- Magdalena Figueroa Herrero
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1 ESTABILIDAD DE TALUDES TEORÍA Y APLICACIÓN Mg. GARY DURAN RAMIREZ
2 CONTENIDO Conceptos Básicos o o o o o Factor de Seguridad (FS). Esfuerzo Efectivo. Resistencia al Corte. Parámetros de Resistencia. Trayectoria de Esfuerzos.
3 CONCEPTOS BÁSICOS Factor de Seguridad (FS) Caso 1: Carga = 5 ton FS = 10 ton 5 ton = 2 Caso 2: Carga = 10 ton FS = 10 ton 10 ton = 1 Carga máxima 10 ton Caso 3: Carga = 20 ton FS = ton 20 ton =
4 CONCEPTOS BÁSICOS Esfuerzo Efectivo σ = σ - u σ = Esfuerzo Efectivo σ = Esfuerzo Total u = Poro presión del agua
5 CONCEPTOS BÁSICOS Resistencia al Corte
6 CONCEPTOS BÁSICOS Resistencia al Corte
7 CONCEPTOS BÁSICOS Resistencia al Corte
8 CONCEPTOS BÁSICOS Resistencia al Corte
9 CONCEPTOS BÁSICOS Resistencia al Corte
10 CONCEPTOS BÁSICOS Resistencia al Corte Envoltoria de Falla o Resistencia
11 CONCEPTOS BÁSICOS Resistencia al Corte - EJERCICIO: Dibujar círculos de falla y envoltoria de resistencia (falla). Probeta 1 Probeta 2 Probeta 3 σ 1 = 150 kpa σ'3 = 50 kpa σ 1 = 300 kpa σ'3 = 100 kpa σ 1 = 600 kpa σ'3 = 200 kpa
12 CONCEPTOS BÁSICOS Resistencia al Corte - EJERCICIO: Dibujar círculos de falla y envoltoria de resistencia (falla).
13 CONCEPTOS BÁSICOS Resistencia al Corte - EJERCICIO: Solución: φ = 30 ; c = 0
14 CONCEPTOS BÁSICOS Parámetros de Resistencia c = Cohesión efectiva φ = Ángulo de fricción efectivo ( )
15 CONCEPTOS BÁSICOS Parámetros de Resistencia c = kpa φ = 24.5
16 CONCEPTOS BÁSICOS Trayectoria de Esfuerzos
17 CONCEPTOS BÁSICOS Trayectoria de Esfuerzos
18 CONCEPTOS BÁSICOS Trayectoria de Esfuerzos
19 CONTENIDO Aspectos Básicos o o o o o Interés de la Ingeniería Geotecnia Deslizamientos en Taludes. Mecanismo de Falla en Taludes Conceptualización del Modelo de Análisis Casos de Fallas Registradas.
20 CONTENIDO Métodos de Estabilidad de Taludes o o o Concepto de Factor de Seguridad. Aplicación de la técnica Equilibrio Límite en estabilidad de taludes. Uso de herramientas computacionales.
21 CONTENIDO Discusión de Casos Analizados o o o Estabilidad de taludes con banquetas Estabilidad de taludes con anclajes. Muros de suelo reforzado.
22 ASPECTOS BÁSICOS
23 ASPECTOS BÁSICOS Aspectos de Interés de la Ingeniería Geotecnia Deformación del terreno Compresibilidad Capacidad de Resistencia del terreno. Resistencia al corte
24 ASPECTOS BÁSICOS Aspectos de Interés de la Ingeniería Geotecnia Compresibilidad Resistencia al corte
25 ASPECTOS BÁSICOS Compresibilidad en Suelos La compresibilidad es el grado en que una masa de suelo disminuye su volumen bajo el efecto de una carga. En suelo granulares: reducción del volumen de vacíos casi instantáneamente (consolidación instantánea). En suelos arcillosos, reducción del volumen varia con el tiempo (consolidación primaria y secundaria). Torre de Pisa
26 ASPECTOS BÁSICOS Compresibilidad en Suelos A tomar en cuenta: Disminución (varia en el tiempo) del volumen por perdida de vacíos. Depende del tipo de suelo (grado de saturación, coeficiente de permeabilidad, la longitud de la trayectoria que tenga que recorrer el fluido expulsado, las condiciones de drenaje, etc.) y la magnitud de la sobrecarga. Figura 1. Proceso de consolidación
27 ASPECTOS BÁSICOS Compresibilidad en Suelos Ensayos de Laboratorio: Figura 1. Esquema básico del ensayo de consolidación.
28 ASPECTOS BÁSICOS Compresibilidad en Suelos Ensayos de Laboratorio: Figura 1. Concepto de consolidación en laboratorio.
29 ASPECTOS BÁSICOS Compresibilidad en Suelos Ensayos de Laboratorio: Células edométricas Figura 1. Equipo del ensayo de consolidación.
30 ASPECTOS BÁSICOS Resistencia al Corte Se define como resistencia al deslizamiento que ofrece una masa de suelo en el plano de falla. Figura 1. Superficie de falla y zona de corte.
31 ASPECTOS BÁSICOS Resistencia al Corte Comportamiento del suelo en el plano de falla. Efecto combinado de cohesión y fricción Tensiones actuantes en el plano de falla.
32 ASPECTOS BÁSICOS Resistencia al Corte Casos de fallas por resistencia al corte. Figura 1. Mecanismo de falla por resistencia al corte.
33 ASPECTOS BÁSICOS Resistencia al Corte La estimación del valor de la resistencia al corte depende de parámetros de resistencia y del conocimiento de la tensión normal actuante. Los parámetros de Parámetros de Resistencia (en la falla), de acuerdo al Modelo de Mohr-Coulomb son: Angulo de fricción interna. Intercepto cohesivo (Cohesión).
34 ASPECTOS BÁSICOS Resistencia al Corte Criterio de Falla Mohr- Coulomb : Propuesto por Mohr en Considera que un material falla debido a una combinación crítica de esfuerzo normal y esfuerzo cortante. Se define una curva de envolvente de falla con las combinaciones de esfuerzo normal y esfuerzo cortante que originan la falla.
35 ASPECTOS BÁSICOS Resistencia al Corte Criterio de Falla Mohr- Coulomb : La ecuación de la envolvente de falla representa la ecuación de resistencia del suelo : Donde:
36 ASPECTOS BÁSICOS Resistencia al Corte Determinación de Parámetros de Resistencia - Ensayos de Laboratorio : Corte Directo Triaxial Compresión Confinada Compresión Simple Compresión no confinada
37 ASPECTOS BÁSICOS Resistencia al Corte Ensayos de Laboratorio: A tomar en cuenta: La colecta de muestras son de tipo alterada o inalterada. El ensayo se realiza con tres muestras como mínimo. Las muestras a ensayar pueden ser remoldeadas o talladas Las muestras alteradas son remoldeadas a su densidad natural Las muestras inalteradas son talladas.
38 ASPECTOS BÁSICOS Resistencia al Corte Ensayo de Corte Directo: El esfuerzo es aplicado en el plano de falla, esfuerzo tangencial. Las deformaciones generadas se denominan deformaciones de corte. Antes del ensayo Después del ensayo
39 ASPECTOS BÁSICOS Resistencia al Corte Ensayo de Corte Directo - Ejemplo: Angulo de fricción interna. Intercepto cohesivo (Cohesión). Curva Esfuerzo Tangencial vs Esfuerzo Normal
40 ASPECTOS BÁSICOS Resistencia al Corte Ensayo Triaxial: Control del esfuerzo de confinamiento Control de la presión de poros.
41 ASPECTOS BÁSICOS Resistencia al Corte Ensayo Triaxial: Preparación de la muestra
42 ASPECTOS BÁSICOS Resistencia al Corte Ensayo Triaxial: Instalación en la cámara de triaxial
43 ASPECTOS BÁSICOS Resistencia al Corte Ensayo Triaxial: Ejecución del ensayo
44 ASPECTOS BÁSICOS Resistencia al Corte Ensayo Triaxial: El plano de falla es generado durante el ensayo.
45 ASPECTOS BÁSICOS Resistencia al Corte Ensayo Triaxial: Obtención de los parámetros de resistencia. Esfuerzos de confinamiento Curva Esfuerzo Normal vs Deformación normal
46 ASPECTOS BÁSICOS Resistencia al Corte Ensayo Triaxial: Obtención de los parámetros de resistencia. Curva Esfuerzo Tangencial vs Esfuerzo Normal (circulo de Mohr)
47 ASPECTOS BÁSICOS Resistencia al Corte Ensayo Compresión Simple: Sin confinamiento lateral Requiere muestras inalteradas.
48 ASPECTOS BÁSICOS Resistencia al Corte Ensayo Compresión Simple: Ejecución del ensayo
49 ASPECTOS BÁSICOS Resistencia al Corte Valores típicos:
50 ASPECTOS BÁSICOS Resistencia al Corte Valores típicos:
51 ASPECTOS BÁSICOS Deslizamientos de taludes Definiciones:
52 ASPECTOS BÁSICOS Deslizamientos de taludes Definiciones: Ladera - conformación natural. Talud - conformación artificial.
53 ASPECTOS BÁSICOS Deslizamientos de Taludes Clasificación: Flujo Volcamiento Rotación
54 ASPECTOS BÁSICOS Deslizamientos de Taludes Clasificación: Traslación Reptación Caída
55 ASPECTOS BÁSICOS Deslizamientos de Taludes Clasificación: Caídas
56 ASPECTOS BÁSICOS Deslizamientos de Taludes Clasificación: Rotación
57 ASPECTOS BÁSICOS Deslizamientos de Taludes Clasificación: Flujo Flujos de bloque de roca
58 ASPECTOS BÁSICOS Deslizamientos de Taludes Clasificación: Flujo Flujos de detritos
59 ASPECTOS BÁSICOS Deslizamientos de Taludes Clasificación: Flujo Flujos de lodo (Huaycos)
60 ASPECTOS BÁSICOS Deslizamientos de Taludes Clasificación: Traslación
61 ASPECTOS BÁSICOS Deslizamientos de Taludes Clasificación: Reptación
62 ASPECTOS BÁSICOS Mecanismo de Falla en Taludes El mecanismo de falla en taludes esta ligado fundamentalmente a la disminución de la resistencia al corte del terreno, los que dependen de los siguientes efectos que pueden ocurrir en la masa de un talud: Disminución de las propiedades del resistencia al corte. Aumento de la carga actuante. Incremento de la poropresión. Modificación geométrica del talud Efectos dinámicos y/o tectónicos
63 ASPECTOS BÁSICOS Mecanismo de Falla en Taludes Aumento de la carga actuante. Aumento de peso de la masa por efectos de las lluvias Aumento de peso por casa
64 ASPECTOS BÁSICOS Mecanismo de Falla en Taludes Incremento de la poropresión Lluvia intensa saturación del suelo
65 ASPECTOS BÁSICOS Mecanismo de Falla en Taludes Disminución de las propiedades del resistencia al corte. Alteración de la composición del suelo por Infiltración
66 ASPECTOS BÁSICOS Mecanismo de Falla en Taludes Modificación geométrica del talud Alteración del apoyo en pie de talud por socavación
67 ASPECTOS BÁSICOS Mecanismo de Falla en Taludes Modificación geométrica del talud Taludes casi verticales
68 ASPECTOS BÁSICOS Mecanismo de Falla en Taludes Efectos dinámicos: Taludes casi verticales
69 ASPECTOS BÁSICOS Conceptualización del Modelo de Análisis Etapas: Estudios multidisciplinarios (parámetros de análisis) Definición del modelo matemático (sección de análisis) Alternativas de soluciones (económicas, practicas y posibles).
70 ASPECTOS BÁSICOS Conceptualización del Modelo de Análisis Estudios multidisciplinarios: o o o o o o Consideraciones geotécnicas Consideraciones geológicas Consideraciones hidráulicas Consideraciones sísmicas Consideraciones ambientales Consideraciones sociales
71 ASPECTOS BÁSICOS Conceptualización del Modelo de Análisis Definición del modelo matemático Factores a ser considerados: Geometría de análisis Superficie potencial de falla Características del material Elementos de refuerzo Solicitaciones externas Modelo Matemático Factor de seguridad. Solución
72 ASPECTOS BÁSICOS Conceptualización del Modelo de Análisis Definición del modelo matemático A tomar en consideración: No todos los factores se pueden cuantificar en un modelo matemático. Modelo real Modelo matemático
73 ASPECTOS BÁSICOS Casos de Fallas Registradas
74 ASPECTOS BÁSICOS Casos de Fallas Registradas
75 ASPECTOS BÁSICOS Casos de Fallas Registradas
76 ASPECTOS BÁSICOS Casos de Fallas Registradas
77 ASPECTOS BÁSICOS Casos de Fallas Registradas
78 ASPECTOS BÁSICOS Casos de Fallas Registradas
79 ASPECTOS BÁSICOS Casos de Fallas Registradas
80 MÉTODOS DE ESTABILIDAD DE TALUDES
81 MÉTODOS DE ESTABILIDAD DE TALUDES Concepto de Factor de Seguridad Definición Es definido como la razón entre a resistencia al corte disponible del suelo y las tensiones actuantes a lo largo de la superficie potencial de falla. Tensiones actuantes Resistencia al corte
82 MÉTODOS DE ESTABILIDAD DE TALUDES Concepto de Factor de Seguridad Condición de Estabilidad: La condición de estabilidad de un talud puede ser establecido a través del calculo del factor de seguridad.
83 MÉTODOS DE ESTABILIDAD DE TALUDES Concepto de Factor de Seguridad Condición de Estabilidad: Del punto de vista físico: - FS > 1 : Condición Estable - FS =0 : Equilibrio Limite - FS < 1 : Condición inestable
84 MÉTODOS DE ESTABILIDAD DE TALUDES Concepto de Factor de Seguridad Condición de Estabilidad: Del punto de vista de diseño: - FS > (1+fraccion) : Condición Estable Nota: La fracción del Factor de Seguridad que sobrepasa la unidad es un artificio para sustituir las incertidumbre y fenómenos que no puedan ser llevados en cuenta en el análisis.
85 MÉTODOS DE ESTABILIDAD DE TALUDES Concepto de Factor de Seguridad Condición de Estabilidad Para el diseño de taludes de muros de suelo reforzado, taludes en carreteras, comúnmente se considera: - FS > 1.3 Estabilidad estática - FS > 1.0 Estabilidad pseudo-estática
86 MÉTODOS DE ESTABILIDAD DE TALUDES Concepto de Factor de Seguridad Técnicas de Calculo Métodos de cálculo (Estabilidad del Talud) Equilibrio Limite Tensión - Deformación
87 MÉTODOS DE ESTABILIDAD DE TALUDES Método de Equilibrio Limite Técnica de la Dovelas: Los métodos de las dovelas son los más aplicados a problemas prácticos, principalmente por su flexibilidad en analizar problemas considerando: diversas capas de suelos con propiedades diferentes, variación de la resistencia en una misma capa, diferentes configuraciones de presión de poros, diversas formas de superficie de ruptura, etc.
88 MÉTODOS DE ESTABILIDAD DE TALUDES Método de Equilibrio Limite Técnica de la Dovelas: Este método es denominado así por que divide la masa del suelo encima de la superficie de ruptura en dovelas. En cada dovela están presentados los esfuerzos actuantes, donde se debe cumplir el equilibrio de fuerzas o de momentos, así como en forma conjunta
89 MÉTODOS DE ESTABILIDAD DE TALUDES Método de Equilibrio Limite Técnica de la Dovelas: Cualquier fuerza externa puede ser incluida en el análisis de equilibrio de la dovela (por ejemplo la fuerza sísmica) y la superficie de ruptura puede tener una forma cualquiera: Circular Mixto.
90 MÉTODOS DE ESTABILIDAD DE TALUDES Método de Equilibrio Limite Técnica de la Dovelas: El Factor de Seguridad es definido como la razón entre el esfuerzo cortante de falla y el esfuerzo cortante actuante en la base de cada dovela.
91 MÉTODOS DE ESTABILIDAD DE TALUDES Método de Equilibrio Limite Técnica de la Dovelas: Es importante mencionar, que la definición del Factor de Seguridad relaciona apenas los esfuerzos en la base de la dovela.
92 MÉTODOS DE ESTABILIDAD DE TALUDES Método de Equilibrio Limite Técnica de la Dovelas: La mayoría de los métodos de las dovelas admite el Factor de Seguridad como constante a lo largo de la superficie potencial de ruptura. Esto implica en considerar un valor de Factor de Seguridad representativo de la seguridad de toda la superficie, es decir, el valor del Factor de Seguridad debe funcionar como un valor medio.
93 MÉTODOS DE ESTABILIDAD DE TALUDES Método de Equilibrio Limite Técnica de la Dovelas: A tener en cuenta: El factor de seguridad no proporciona información acerca de la deformación del talud que precede al deslizamiento final.
94 MÉTODOS DE ESTABILIDAD DE TALUDES Método de Equilibrio Limite Técnica del Talud Infinito : Una superficie de falla es considerado infinito cuando la relación entre la longitud y el espesor del plano de falla muy grande. En estos taludes la superficie de ruptura es considerada como paralela a al superficie del terreno.
95 MÉTODOS DE ESTABILIDAD DE TALUDES Método de Equilibrio Limite Técnica del Talud Infinito : Para analizar la estabilidad de un talud considerado infinito, inclinado de un ángulo i con la horizontal y profundidad h, consideremos un elemento aislado de ese talud y las tensiones que actúan sobre las tres caras de este elemento.
96 MÉTODOS DE ESTABILIDAD DE TALUDES Método de Equilibrio Limite Técnica del Talud Infinito : Factor de seguridad:
97 MÉTODOS DE ESTABILIDAD DE TALUDES Método de Equilibrio Limite Técnica de Fellenius: Este método considera una superficie de falla circular, el cual admite que las fuerzas entre dovelas son iguales y opuestas, o sea los esfuerzos entre las dovelas son despreciadas. El Factor de Seguridad es determinado directamente por el equilibrio de momentos en torno del centro geométrico del círculo estudiado. El equilibrio de fuerzas no es considerado.
98 MÉTODOS DE ESTABILIDAD DE TALUDES Método de Equilibrio Limite Técnica de Fellenius: Factor de seguridad:
99 MÉTODOS DE ESTABILIDAD DE TALUDES Método de Equilibrio Limite Técnica de Bishop El Factor de Seguridad es determinado primeramente tomándose la sumatoria de momentos, en torno del centro geométrico del círculo estudiado, y garantizar que esta sumatoria sea igual a cero. Después, el método garantiza el equilibrio de fuerzas en sentido vertical.
100 MÉTODOS DE ESTABILIDAD DE TALUDES Método de Equilibrio Limite Técnica de Método de Bishop Factor de seguridad:
101 MÉTODOS DE ESTABILIDAD DE TALUDES Método de Equilibrio Limite Técnica de Morgenstern y Price Es un método riguroso de cálculo, propuesto por Morgenstern y Price (1965) llamado también Método General de Equilibrio Limite (GLE, General Limit Equilibrium Método of Slices ). Los métodos revisados anteriormente, pueden ser considerados como casos particulares de este ultimo método.
102 MÉTODOS DE ESTABILIDAD DE TALUDES Método de Equilibrio Limite Técnica de Morgenstern y Price El método GLE considera a todas las ecuaciones de equilibrio y la superficie de ruptura puede tener una forma cualquiera (circular, no circular o compuesta).
103 MÉTODOS DE ESTABILIDAD DE TALUDES Uso de herramientas computacionales Sigma/W - Geostudio FLAC Itasca Plaxis 2D Plaxis B.V. ELEMENTOS FINITOS & DIFERENCIAS FINITAS Slide Rocscience Slope/W - Geostudio EQUILIBRIO LIMITE
104 MÉTODOS DE ESTABILIDAD DE TALUDES Uso de herramientas computacionales Slide Rocscience (Equilibrio Limite) Factor de Seguridad y Plano potencial de Falla (
105 MÉTODOS DE ESTABILIDAD DE TALUDES Uso de herramientas computacionales Plaxis - (Elementos Finitos) Malla de elementos finitos Superficie potencial de Falla (
106 MÉTODOS DE ESTABILIDAD DE TALUDES Uso de herramientas computacionales Flac - (Diferencias Finitas) Discretización del macizo y superficie de ruptura
107 MÉTODOS DE ESTABILIDAD DE TALUDES EJERCICIO ESTABILIDAD DE TALUDES Trazar la superficie circular que tenga menor factor de seguridad Utilizar un punto de la malla
108 MÉTODOS DE ESTABILIDAD DE TALUDES EJERCICIO ESTABILIDAD DE TALUDES - Solución Superficie de falla circular con menor factor de seguridad FS = 1.145
109 MÉTODOS DE ESTABILIDAD DE TALUDES EJERCICIO ESTABILIDAD DE TALUDES - Solución Todas las superficies circulares de falla Factores de Seguridad mayores a 1.145
110 MÉTODOS DE ESTABILIDAD DE TALUDES EJEMPLO ESTABILIDAD DE TALUDES Análisis de estabilidad considerando carga en parte superior del talud FS = 0.963
111 MÉTODOS DE ESTABILIDAD DE TALUDES EJEMPLO ESTABILIDAD DE TALUDES Análisis de estabilidad considerando parámetros de resistencia menores Cohesión = 2.5 kpa; ángulo de fricción = 15 - FS = 0.539
112 DISCUSIÓN DE CASOS ANALIZADOS
113 DISCUSIÓN DE CASOS ANALIZADOS Estabilidad de Taludes - Banquetas
114 DISCUSIÓN DE CASOS ANALIZADOS Estabilidad de Taludes - Banquetas
115 DISCUSIÓN DE CASOS ANALIZADOS Resultados Triaxial muestra C-1
116 DISCUSIÓN DE CASOS ANALIZADOS Resultados Triaxial muestra C-2
117 DISCUSIÓN DE CASOS ANALIZADOS Resultados Triaxial muestra C-3
118 DISCUSIÓN DE CASOS ANALIZADOS Resultados Triaxial muestra C-4
119 DISCUSIÓN DE CASOS ANALIZADOS Envoltoria de Resistencia Global
120 DISCUSIÓN DE CASOS ANALIZADOS Estabilidad de Taludes Banquetas: Análisis Estático (FS = 1.51)
121 DISCUSIÓN DE CASOS ANALIZADOS Estabilidad de Taludes Banquetas: Análisis Pseudo estático (FS = 1.20)
122 DISCUSIÓN DE CASOS ANALIZADOS Estabilidad de Taludes Banquetas: Excavadora en banqueta (FS = 1.45)
123 DISCUSIÓN DE CASOS ANALIZADOS Estabilidad de Taludes - Sistema de drenaje interno
124 DISCUSIÓN DE CASOS ANALIZADOS Estabilidad de Taludes Uso de concreto lanzado
125 DISCUSIÓN DE CASOS ANALIZADOS Estabilidad de Taludes Uso de suelo reforzado
126 DISCUSIÓN DE CASOS ANALIZADOS Estabilidad de Taludes Uso de suelo reforzado
127 DISCUSIÓN DE CASOS ANALIZADOS Estabilidad de Taludes Uso de suelo reforzado
128 DISCUSIÓN DE CASOS ANALIZADOS Estabilidad de Taludes Uso de suelo reforzado
129 DISCUSIÓN DE CASOS ANALIZADOS Estabilidad de Taludes Uso de suelo reforzado
130 DISCUSIÓN DE CASOS ANALIZADOS Estabilidad de Taludes Uso de anclajes
131 GRACIAS Mg. Gary Durán Ramírez
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