Dada la definición de talud como la superficie expuesta de un terreno con una pendiente conocida. Actuando sobre esta superficie una fuerza competente de la gravedad, esta competente gravitacional entre más grande sea, mayor es el riesgo que ocurra una falla es decir que la masa de suelo se deslizará hacia abajo, debido a que la fuerza actuante vence a la fuerza resistente de la resistencia al corte del suelo a lo largo de la superficie de ruptura.
La estabilidad de un talud está determinado por factores geométricos (altura e inclinación), factores geológicos (presencia de planos y zonas de debilidad y anisotropía), factores hidrogeológicos (presencia de agua) y factores geotécnicos relacionados con el comportamiento mecánico del terreno.
Todos estos factores pueden determinar la condición de rotura a lo largo de una superficie de falla. Siendo los tipos de fallas en taludes muy variados, en laderas se encuentran: fallas por deslizamientos superficial, que se deben a fenómenos cerca de la superficie por la falta de presión normal confinante con desplazamientos muy lentos semejantes a un flujo viscoso; fallas por licuación cuando la presencia de agua y un movimiento vibratorio reducen las resistencias al esfuerzo cortante del suelo, prácticamente a cero. Sin embargo una de las fallas más preocupantes en los diferente tipos de taludes es la falla por movimiento del cuerpo del talud o deslizamiento de tierras, dividiéndose en: fallas por rotación y fallas por traslación, las primeras suceden a través de una superficie de falla curva y la segunda a través de un plano débil ligeramente inclinado en el cuerpo del talud o en la cimentación. Las fallas de un talud de deslizamiento de tierras por rotación se consideran prácticamente circuladamente cilíndrica y se pueden clasificar como: falla de pie de talud, falla superficial y falla de base profunda.
La probabilidad de rotura y los mecanismos de esta, están controlados por factores geológicos y geométricos, los cuales son intrínsecos a los materiales naturales. Si la resistencia se moviliza totalmente en cualquier punto de la superficie de falla, el suelo falla localmente. Al fallar el esfuerzo se transfiere a los puntos adyacentes los cuales a su vez tratan de fallar (Pathay, 2008; Cramer 2003).
Mediante el cálculo de un factor de seguridad se procede al análisis de la estabilidad de talud, de forma que se pueda definir el tipo de medidas correctoras que deben ser aplicadas en caso de fallas potenciales. (González de Vallejo, 2010).
2.1.1. Factor de seguridad
Para poder establecer si un talud es estable o no, se debe interpretar el resultado obtenido que brinda el análisis de estabilidad de taludes, el cual es conocido como el factor de seguridad. Este factor de seguridad se define como la relación entre la resistencia cortante promedio del suelo y el esfuerzo cortante promedio a lo largo de la superficie de falla supuesta. Ecuación 2.1.
Fórmula 2.1. Factor de seguridad.
�� =���� Donde:
Fs= Factor de seguridad.
��= Resistencia cortante promedio del suelo.
��=Esfuerzo cortante promedio desarrollado a lo largo de la superficie potencial de falla.
El margen de estabilidad que es interpretado por medio del factor de seguridad global obtenido, permite comparar la efectividad de una medida de implementación o estabilización y su efecto sobre la estabilidad del talud analizado (Suárez, 2009)
Es así, que en laderas y taludes suele adoptarse valores que oscilan entre 1.2 y 1.5 o incluso superiores dependiendo de la confianza que se tenga en los datos geotécnicos a utilizar en el análisis, así como en la información disponible sobre los factores condicionantes y desencadenantes que influyen en la estabilidad.
2.1.2. Resistencia cortante del suelo.
La modelación o representación matemática de fenómeno de falla a cortante, en un deslizamiento se realiza utilizando las teorías de la resistencia de materiales.
Definiendo la resistencia del esfuerzo cortante como resistencia interna por área unitaria que la masa de suelo que ofrece para resistir la falla y el deslizamiento a lo largo de cualquier plano dentro de él. (Braja M.Das, Junio 1999).
La resistencia al esfuerzo cortante depende de la composición del suelo. Constituyendo uno de los factores más importantes al momento de calcular del factor de seguridad.
En los suelos granulares, constituidos por partículas microscópicas, la resistencia parece derivar exclusivamente de efectos de fricción entre los granos, mientras que, en los suelos en los que domina la fricción coloidal, la resistencia depende de fuerzas atractivas y repulsivas ejercidas entre ellas. De aquí la distinción entre los suelos friccionantes o granulares, que incluyen los enrocamientos, cantos rodados, gravas, arenas, limos no plásticos y suelos cohesivos. Las rocas y los suelos al fallar al cortante, se comportan de acuerdo con las teorías tradicionales de fricción y cohesión según la ecuación de Coulomb.
Fórmula 2.2. Criterio de falla según Morh Coulomb, para suelos saturados
� = ′+ � − � �∅′
Donde:
� =Esfuerzo de resistencia al corte
C’ = Cohesión o cementación efectiva. � = Esfuerzo normal total.,
� = Presión del agua intersticial o de poros.
Cuando el grado de saturación es mayor del 85% se puede utilizar la ecuación de Coulomb para suelos saturados, sin embargo para suelos con saturación menor del 85% se debe aplicar los principios de la mecánica de suelos no saturados (Fredlund y Rahardjo, 1987).
Para caso de suelos no saturados, la ecuación de Coulomb se expresa de la siguiente forma (Frendlund y Morgnstern, 19977)
Fórmula 2.3. Criterio de falla de Morh Coulomb, para suelos no saturados.
� = ′+ �
Donde:
��= Esfuerzo normal total.
= Presión en el aire de los poros
= Presión en el agua de los poros, la cual comúnmente es negativa.
∅ = Angulo de fricción igual a la pendiente de la curva de succión matricial + contra resistencia al cortante � cuando ��− � se mantiene constante.
El ángulo de fricción efectiva ∅′ permanece igual para todos los valores de succión. ∅ es generalmente igual o menor que ∅′ y que se puede obtener en ensayos triaxiales o de corte directo no saturados. (Huat y otros, 2005).
El análisis de la ecuación de Coulomb requiere predefinir los parámetros, ángulo de fricción y cohesión, los cuales se consideran como propiedades intrínsecas del suelo.
2.1.2.1. Angulo de fricción.
El ángulo de fricción es la representación matemática del coeficiente de rozamiento, el cual es un concepto básico de la física:
Coeficiente de rozamiento = Tan φ Dónde:
φ = ángulo al que se da la resistencia al deslizamiento causado por la fricción que hay entre dos superficies de contacto.
El ángulo de fricción depende de varios factores (Bilz, 1995) entre ellos algunos de los más importantes son:
Tamaño de los granos Forma de los granos
Distribución de los tamaños de granos Densidad
2.1.2.2. Cohesión.
La cohesión es una medida de la cementación o adherencia entre las partículas de suelo. La cohesión en mecánica de suelos es utilizada para representar la resistencia al cortante producida por la cementación, mientras que en la física este término se utiliza para representar la tensión.
En suelos eminentemente granulares en los cuales no existe ningún tipo de cementante o material que pueda producir adherencia, la cohesión se supone igual a 0 y a estos suelos se les denomina suelos no cohesivos.
2.1.3. Resistencia a la compresión.
Esfuerzo máximo que puede soportar un material bajo una carga de aplastamiento. La resistencia a la compresión de un material que falla debido al fracturamiento se puede definir en límites bastante ajustados, como una propiedad independiente.
Sin embargo, la resistencia a la compresión de los materiales que no se rompen en la compresión se define como la cantidad de esfuerzo necesario para deformar el material una cantidad arbitraria. La resistencia a la compresión se calcula dividiendo la carga máxima por el área transversal original de una probeta en un ensayo de compresión simple.
2.1.4. Módulo de Young y relación de Poisson.
Módulo de Young, en el campo elástico de los materiales representa la relación entre el esfuerzo y la deformación axial (en la misma dirección que la fuerza aplicada).
Fórmula 2.4. Módulo de Young.
Donde:
E: Modulo de Young (Kgf/m2) σ: Esfuerzo (Kgf/m2)
Є : Deformación (adimensional)
Relación de Poisson, en el comportamiento elástico del material, es la relación entre la deformación transversal de la probeta y la deformación axial.
Fórmula 2.5. Coeficiente Poisson.
= Є� Є Donde:
v: Relación de Poisson (adimensional)
Є�: Deformación transversal de la probeta (adimensional)
Є : Deformación axial de la probeta (adimensional)