ESTABILIDAD EXTERNA DE TALUDES DEL TERRAPLÉN TRAPEZOIDAL

En esta sección se presenta la evaluación de la estabilidad externa del talud como una potencial falla en el terraplén trapezoidal con sistema de relleno con geobloque EPS. La falla ocurre si los esfuerzos de corte que produce la capa cobertura del terraplén igualan o exceden a resistencia al corte del suelo de fundación. Si la falla del talud ocurre, puede acarrear serios daños, como asentamientos significativos y daños en propiedades o estructuras adyacentes.

La expresión general para el límite del factor de seguridad es la siguiente, 4.16.0:

Los esfuerzos cortantes son los producidos por el suelo cobertor y las sobrecargas de tráfico y pavimento.

4.16.1 SECCIÓN TRANSVERSAL TÍPICA

La sección más usada en el talud del terraplén para geobloque EPS es con una pendiente 2H:1V como se muestra en la figura 4.16.1.1.

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Como se observa en la figura, el suelo cobertor es ubicado en toda la sección del terraplén incluida la parte superior, del mismo, esto se hace para facilitar los cálculos de la estabilidad del talud del terraplén, evitando discontinuidades en a capa de suelo del talud; mas aun en la práctica, esto no se realiza, el suelo del talud termina en la parte lateral y en la parte superior se ubica el sistema de pavimento. El espesor del suelo cobertor es de 0.46m, un espesor típico en terraplén, tiene un peso unitario de 18.9kN/m3 (1865,43kgf/m3). Debido a que el suelo cobertor no se ubica en el tope superior del terraplén, las sobrecargas por tráfico y de pavimento fueron simplificadas y reducidas por un peso correspondiente a 0,46m de espesor de suelo o 8.7kPa. Como se analizó en el punto de TEORÍA DE DISTRIBUCION DE ESFUERZOS, el sistema es modelado usando una sobrecarga de 21.5kPa, siendo el origen de esta sobrecarga un sistema de pavimento típico de 1000mm con un peso total de 20kN/m3, produciendo un esfuerzo de 20kPa, así que el esfuerzo de 21.5kPa es un valor más conservativo. La sobrecarga de tráfico representa 11.5kPa basado en las recomendaciones de la AASHTO, usando 0.67m de 18.9kN/m3 de suelo en la parte superior del terraplén. Entonces, el total de sobrecargas usadas de pavimento y tráfico es 21.5kPa (pavimento), mas 11.5kPa (tráfico) dando un total de 33.0kPa. Debido a que el suelo sobre la parte superior del terraplén es un artificio, se resta al total de sobrecargas el peso de 8.7kPa del suelo sobre el terraplén, donde queda un total absoluto de sobrecargas de 24.3kPa.

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Los parámetros de ingreso como son el peso unitario y la resistencia al corte, usados en el análisis de la estabilidad externa del talud son presentados en la siguiente tabla 4.16.2.1.

TABLA 4.16.2.1 PARÁMETROS PARA EL ANÁLISIS DE ESTABILIDAD EXTERNA DE TALUD.

Se usa los parámetros de resistencia al corte total debido a que el suelo de fundación blando es asumido que actúa en condición sin drenaje. Es por eso que el ángulo

interno de fricción , es asumido 0 y la cohesión es igual a la resistencia de corte sin

drenar, Su, porque el suelo de fundación se supone que consiste de suelo blando y suelo cohesivo saturado. En la mayoría de sitios donde se ubica el sistema de geobloque EPS, el nivel freático es localizado cerca de la superficie y debido a aquello el suelo se encuentra saturado. Los valores de resistencia al corte y el peso unitario para el suelo cobertor en el talud, puede observarse que el suelo cobertor es modelado usando un ángulo de fricción para la resistencia de corte efectivo de 28° debido a que el suelo no está saturado todo el tiempo y por eso no experimenta la falla sin drenaje.

Si el desplazamiento ocurre entre bloques, la resistencia al corte es dado por el ángulo de fricción de 30°; si la falla ocurre a través de los geobloques EPS, la resistencia al corte asumible es igual a la resistencia del bloque individual. Debido a que el análisis de estabilidad externa se enfoca en el suelo blando, cabe recalcar que la falla circular en la superficie a través del suelo de fundación es el modo de falla

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apropiado para el análisis de estabilidad externa. El escenario que comúnmente se usa en la práctica es el modelo conservativo que asume un ángulo de fricción de 1 grado y un factor de cohesión igual a 0, así el terraplén no contribuye de manera significativa al factor de seguridad debido a la incertidumbre en la estimación de cuanta resistencia al corte presenta el geobloque EPS. Este escenario resulta ser el que posee la superficie de falla crítica, siendo localizada en el terraplén y no en el suelo de fundación debido a la baja resistencia de corte asumida para el geobloque EPS. Debido a esto, no es considerado este escenario ya que el fallo no se produce en el suelo de fundación. Otro escenario que fue aplicar una sobrecarga en la superficie del suelo de fundación que aproxime el peso del terraplén, del pavimento y tráfico, siendo ignorado el esfuerzo producido por el geobloque EPS; pero por el aspecto de el análisis sísmico no puede ser tomado en cuenta este escenario debido a que para aplicar la fuerza sísmica se debe ubicar la resultante en el centro de gravedad de la masa deslizante.

Otro escenario implica la falla que ocurre entre los geobloques EPS, y por tanto el desplazamiento a lo largo de las interfaces EPS/GEOBLOQUE EPS, usando en la interface un ángulo de fricción de 30 grados. Este estudio también resultó en una falla crítica en la superficie a través del terraplén y no en el suelo de fundación debido a que la resistencia al corte proporcionado por el geobloque EPS aun con un ángulo de fricción de 30 °, sigue siendo pequeña. La resistencia al corte es pequeña

porque el esfuerzo normal aplicado, n, aplicado a cualquier superficie de falla

atraviesa el terraplén es baja por el bajo peso unitario del geobloque EPS y la superficie de falla es casi vertical a través del geobloque EPS, el cual resulta en el

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esfuerzo normal en la superficie de falla siendo similar al empuje horizontal del geobloque EPS. El empuje horizontal del geobloque EPS es bajo, y es una de las razones por las que se usa el geobloque EPS para estribos de puentes y terraplenes verticales, y resulta en un bajo esfuerzo normal aplicado a la superficie de falla. Si el

esfuerzo normal en la superficie de falla es bajo, la resistencia de corte, , es bajo

como muestra la siguiente expresión 4.16.2.2)

Como se puede observar la resistencia al corte es relacionada directamente con el esfuerzo normal y por esa razón un bajo esfuerzo normal da como resultado en una baja resistencia al corte. La resistencia al corte es afectada por el esfuerzo vertical multiplicado por la tangente del ángulo de fricción. Como resultado, el impacto de un alto valor del ángulo de fricción es reducido debido a que la tangente del ángulo de fricción es usada para estimar la resistencia al corte. En resumen, el modelo del geobloque EPS usando el ángulo de fricción no resultó en la superficie de falla crítica localizada en el suelo de fundación.

A partir de esto, el escenario en el cual el geobloque EPS fue modelado usando en coeficiente de cohesión fue estudiado, así, la resistencia sería independiente del esfuerzo normal y resulta en una falla a través del suelo de fundación. El ángulo de fricción de 30° puede ser usado para modelar el geobloque EPS en el análisis de estabilidad interna, ya que la falla ocurre entre los geobloques EPS y por lo tanto la fuerza de interfaz EPS/ EPS es aplicable.

El escenario usado para modelar la resistencia del geobloque EPS para un análisis externo de estabilidad de talud, asume la falla que ocurre a través de los geobloques

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EPS, para lo cual fue buscado un valor de cohesión que represente adecuadamente la resistencia al corte del geobloque EPS. El estudio de varios geobloques EPS dio como resultado una gráfica (Gráfica 4.16.2.3) en donde se muestra la resistencia de compresión, corte, tensión y flexión de cada bloque, de acuerdo a su densidad. Como ejemplo se tiene el bloque de densidad de 20kg/m3, el cual tiene una resistencia de corte interno de 145.1 kPa. Esta resistencia al corte puede ser representada usando un ángulo de fricción de 0 y la cohesión de 145.1 kPa en un diagrama de Mohr- Coulomb.

GRÁFICA 4.16.2.3 RESISTENCIA DEL GEOBLOQUE EPS, EN FUNCIÓN DE