Metodología para el análisis de estabilidad de taludes

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(1)Republica de Cuba Universidad Central ¨Marta Abreu¨ de Las Villas Facultad de Construcciones Departamento de Ingeniería Civil. Trabajo de Diploma Metodología para el ana lisis de estabilidad de taludes Autora: Anaibys Hernandez Julia n Tutores: Dr. Lamberto A lvarez Gil Michael Alvarez Santa Clara 2014.

(2) Exergo: Después de escalar una montaña muy alta, descubrimos que hay muchas otras montañas por escalar. Nelson Mándela.

(3) Dedicatoria: A mi familia porque si no fuera por ellos hoy no sería lo que soy. A mi hermana porque la adoro y ha estado conmigo desde siempre A Reinier por llegar a mi vida.

(4) Agradecimientos: A mi hermana, abuela, padres, tíos, primas, en fin a mi maravillosa familia porque siempre han creído en mí A Reinier que me apoyó en todos los momentos que dudé. A Kety, Claudia, Carlos Mario, Linet, Dalia, Mayvelín, porque mejores no los quiero A mis compañeros de cinco años en la universidad gracias por estar A mis tutores A todos los que permitieron que pudiera llegar hasta aquí.

(5) Índice Introducción: ....................................................................................................... 1 Antecedentes ............................................................................................... 2 El problema.................................................................................................. 4 Hipótesis ...................................................................................................... 5 Objetivos ...................................................................................................... 5 Objetivo General .......................................................................................... 5 Objetivos Específicos................................................................................... 5 Tareas científicas ......................................................................................... 5 Novedad científica ....................................................................................... 6 Valor metodológico ...................................................................................... 6 Esquema metodológico de la investigación: ................................................ 7 Estructura de la tesis ................................................................................... 8 Capítulo 1. Estado del conocimiento de Estabilidad de Laderas y Taludes. ...... 9 1.. Generalidades. ...................................................................................... 9. 1.1. Términos y definiciones de referencias aplicados para la estabilidad de laderas y taludes. ......................................................................................... 9 1.2.. Factores que influyen en la estabilidad. ........................................... 10. 1.3.. Diseño de taludes. ........................................................................... 11. 1.4.. Métodos de análisis para estabilidad de taludes. ............................. 17. 1.5.. Conclusiones parciales .................................................................... 29. Capítulo 2 Metodología para el análisis de estabilidad de taludes. .................. 31 2.. Generalidades. .................................................................................... 31. 2.1. Metodología para el estudio de taludes y laderas. ............................ 31 2.1.1 Reconocimiento e identificación de la zona de estudio. .................... 33 2.1.2 Recolección y revisión de información existente:.............................. 34 2.1.3 Estudio topográfico. .......................................................................... 36 2.1.4 Informe Geotécnico Preliminar.......................................................... 37 2.1.5 Investigaciones de campo. ............................................................... 38 2.1.6 Ensayos de laboratorio: .................................................................... 42 2.1.7 Modelación para el diseño y revisión. ............................................... 43 2.2 Desarrollo de los métodos de análisis de estabilidad de taludes mediante dovelas. ...................................................................................... 45.

(6) 2.2.1 Aspectos a tener en cuenta en la caracterización y elección de los métodos de dovelas. .................................................................................. 54 2.3 Conclusiones parciales ........................................................................ 55 Capítulo 3 Análisis de resultados de los métodos de dovelas mediante ejemplos resueltos. .......................................................................................... 57 3. Generalidades ....................................................................................... 57 3.2.. Análisis del caso de estudio ¨Embalse Alacranes¨. .......................... 59. 3.2.1. Modelación del dique auxiliar del ¨Embalse Alacranes¨ mediante el programa computacional GeoStudio 2007................................................. 61 3.3. Análisis del caso de estudio talud de la Autopista tramo HabanaMelena: ...................................................................................................... 72 3.3.1. Modelación del talud de la autopista tramo ¨Habana- Melena¨ mediante el programa computacional GeoStudio 2007: ............................ 73 3.4.. Conclusiones parciales .................................................................... 79. Conclusiones generales: .................................................................................. 80 Recomendaciones:........................................................................................... 82 Referencias bibliográficas: ............................................................................... 83 Anexos: ............................................................................................................ 85 Anexo1: ......................................................................................................... 85 Anexo 2: ........................................................................................................ 91 Anexo 3: ...................................................................................................... 103.

(7) Resumen: El siguiente trabajo se presenta como un documento que facilita la solución de problemas de estabilidad de taludes, en el mismo se hace un estudio de las herramientas para atacar estos análisis (métodos), su evolución y alcance. El documento ofrece, además, una metodología de trabajo que persigue el guiado del ingeniero en la resolución de problemas de estabilidad de laderas y taludes; culmina con la solución de ejemplos prácticos que arrojen claridad sobre la información que se transmite posibilitando el cumplimiento de la finalidad del presente trabajo.. Abstract: This present work intends to be a document which facilitates the solution of problems related to the stability of slopes. A study of the tools to face these analyses is carried out (methods), as well as its evolution and reach. The document also offers a methodology of work which aims to be the guide of the engineer in order to solve problems related to the stability of hillsides and slopes and ends with the solution of practical examples that clarify the transmitted information so that the main objective for the fulfillment of this work be possible..

(8) Introducción: Los deslizamientos son uno de los procesos geológicos más destructivos que afectan a los humanos, causando miles de muertes y daño en las propiedades por valor de decenas de billones de dólares cada año (Brabb-1989); sin embargo, muy pocas personas son conscientes de su importancia. El 90% de las pérdidas por deslizamientos son evitables si el problema se identifica con anterioridad y se toman medidas de prevención o control. (Suarez, 2009) Las obras de infraestructura lineal (carreteras y ferrocarriles), canales conducciones, explotaciones mineras, y en general cualquier construcción que requiera una superficie plana en una horizontal de pendiente, o alcanzar una profundidad determinada por debajo de la superficie, precisan la excavación de taludes (desmontes si dan lugar a un solo talud y trincheras si la excavación presenta un talud a cada lado). El diseño de taludes es uno de los aspectos más importantes de la ingeniería geológica pues está presente en la mayoría de las habilidades constructivas o extractivas. Los análisis de estabilidad de taludes permiten diseñar los taludes. Mediante el cálculo de su factor de seguridad, y definir el tipo de medidas correctoras y estabilizadoras que deben ser aplicadas en caso de roturas reales o potenciales. Es necesario el conocimiento geológico y geomecánico de los materiales que forman el talud, de los posibles modelos o mecanismos de rotura que pueden tener lugar y de los factores que influyen, condicionan y desencadenan las inestabilidades (González 2002) En Cuba no hay desinformación con respecto al tema del análisis de la estabilidad de taludes, pero surge la necesidad de dotar a los especialistas de un documento de carácter general que establezca una metodología de trabajo en la que se puedan apoyar para mejorar el trabajo de esta rama.. 1.

(9) Antecedentes Cada aporte o contribución que se ha hecho sobre el tema representa un paso de avance hacia diseños más económicos y seguros; a continuación se ofrecen los planteamientos y experiencias de los autores que han contribuido al desarrollo de esta materia de una forma u otra: . Coulomb (1776) preconizó la hipótesis de superficie de deslizamiento plana, constituyó el primer paso para el análisis de estabilidad de taludes sin utilizar métodos empíricos y aunque su teoría no estaba del todo errónea no estaba ni de cerca a analizar los casos más comunes de falla que se presentan realmente. . Collin (1845) propuso una superficie de falla curva e imaginó mecanismos de falla acertados, esta hipótesis era más acertada que la de Coulomb, sin embargo, la impecable trayectoria del mismo en la mecánica de suelos opacó inicialmente los planteamientos de Collin. . Petterson (1916) retomó la idea de la superficie de deslizamiento no plano, propuso el método del arco circular.. . Fellenius (1922) formalizó el método de Peterson con un circulo de falla que se analiza como un solo bloque, solo para suelos cohesivos, presentó el factor de seguridad como la relación entre la resistencia al corte real y los esfuerzos de corte critico que tratan de producir la falla; asimiló la superficie de falla real a una cilíndrica que en el plano toma forma de un arco de circunferencia (método sueco) (1927), creó el método de las dovelas para el caso de los suelos c y Φ (1936). . Krey (1936) dio ideas a Gilboy y Casagrande para la creación de método del círculo de fricción o círculo Φ para los fallos por rotación. . Frohlich (1953) Propone el método de la espiral logarítmica con una superficie de falla en esta forma cuyo radio varía con el ángulo de rotación. . Janbu (1954) Confeccionó ábacos que se basaban en círculos críticos a pie de talud para el cálculo del factor de seguridad. Junto a Col consideró superficies que no fueran circulares desarrollando así un nuevo método que analizaba superficies no circulares a diferencia del Bishop simplificado(1956). 2.

(10) . Bishop (1955) profundizó en el método de las dovelas teniendo en cuenta el efecto entre las dovelas, asume que las fuerzas entre las dovelas son horizontales y no tiene en cuenta las fuerzas de cortante, en una versión simplificada de su propio método solo analiza superficies circulares. . Bishop Morgenstern (1960) Confección de ábacos que agrupan los parámetros que intervienen en la estabilidad, fueron los primeros en incluir el efecto del agua, utilizan el método analítico de Bishop. . Lowe y Karafiath(1960) plantean una superficie de falla que puede adoptar cualquier forma y que las fuerzas entre dovelas están inclinadas a un ángulo igual al promedio de la inclinación de la superficie del terreno y las bases de las dovelas. . U.S. Army Corps of Engineers (1970) plantean el método sueco modificado Parecido al de Lowe y Karafiath pero las fuerzas entre las dovelas tiene la misma dirección que la superficie del terreno. . Morgenstern y Price (1965) asume que existe una función que relaciona las fuerzas de cortante y las fuerzas normales entre dovelas.. . Taylor (1966) Confeccionó los ábacos para factor de seguridad de suelos homogéneos aplicando el círculo de fricción, simplificó los cálculos demostrando la eficacia de aplicar las aproximaciones con las circunferencias en los mismos. . Spencer (1967) se basa en la suposición de que las fuerzas entre dovelas son paralelas unas con las otras, la inclinación de la fuerzas entre partículas es desconocida y se calcula como una incógnita, es uno de los procedimientos más sencillos y más completos para el cálculo de factor de seguridad. . Clough y Woodward (1967).. Emplean el método de los elementos. finitos que divide la masa de suelo en unidades discretas para facilitar su análisis matemático, la condición de falla obtenida es progresiva por lo que no todos los elementos fallan simultáneamente. . Horta (1970) Elabora un programa de computación basado en las teorías de Bishop y Fellenius. 3.

(11) . Wu y Kraft (1970), Cornell (1971), Alonso (1976), Tang (1976), Vanmarcke (1977) coinciden en establecer procedimientos. para un. mayor grado de seguridad en el diseño para hallar el factor de seguridad . Sarma (1973) considera que el coeficiente sísmico y el factor de seguridad son desconocidos, tiene la ventaja de ser utilizado para taludes que requieran análisis sísmico. . Witman y Bailey (1976) Hicieron uso de la computación para desarrollar sus trabajos,. . Chen y Morgestern(1983) Hacen una refinación del método de Morgestern y Price intentando mejorar los estados de esfuerzos en las puntas de las superficies de falla, recomienda que las fuerzas entre partículas sean paralelas al talud en los extremos de la superficie de falla. . Madim y Lacasse (1999) aplican métodos probabilísticos para hallar el factor de seguridad en taludes no drenados utilizando el método de Bishop. . El-Ramly (2002) programó una hoja Excel basado en el método de Bishop para hallar un factor de seguridad óptimo. . Griffin y Fenton (2004) investigación de la probabilidad de falla de un talud utilizando el método de los elementos finitos aleatorio. . Bastante (2007) optimizó el diseño considerando la economía y utilizando el método de Monte Carlo. . Anddes Asociados (2013) desarrolla un proyecto utilizando un modelo 3D del cual obtiene resultados que sugieren la aplicación de esta técnica para futuros proyectos usando el software SVSlope3D, utilizan un análisis del método de Spencer riguroso.. El problema No se cuenta con información lo suficientemente actualizada para responder a la creciente necesidad de resolver los problemas de estabilidad de taludes y laderas en menor tiempo, con mayor calidad y con una metodología de trabajo que compitan con las tendencias mundiales. 4.

(12) Hipótesis La. elaboración de un. documento que incluye y resume las principales. características de la estabilidad de laderas y taludes, los métodos de análisis, procedimientos y metodologías para el estudio de estos fenómenos en el campo de la ingeniería civil, permitirá aumentar el conocimiento de estos temas y su aplicación en el sector de las construcciones en Cuba. Objetivos Objetivo General 1. Elaborar un documento en el cual se resuman los principales aspectos de la estabilidad de laderas y taludes, métodos para evaluar su estabilidad y procedimientos para el análisis de su comportamiento sobre la base de los resultados de las investigaciones más actuales. Objetivos Específicos 1. Analizar el estado actual del conocimiento de la temática de investigación que permita conocer los términos y definiciones, métodos de análisis y bases de diseño. 2. Establecer una metodología de trabajo que facilite el proceso de análisis de estabilidad de taludes. 3. Analizar la formulación matemática y características más distintivas de los métodos de análisis más usados. 4. Aplicar a ejemplos reales los métodos de análisis en los que se ha profundizado haciendo un análisis de los resultados obtenidos Tareas científicas 1. Recopilación bibliográfica preliminar, definición, aprobación del tema y elaboración del plan de trabajo. 2. Estudio bibliográfico y análisis del estado del arte de la temática donde se analizara la información. 3. Elaboración de una metodología de trabajo para el análisis de estabilidad de taludes. 5.

(13) 4. Estudio de los métodos computacionales implementados. para el. análisis de estabilidad de taludes 5. Estudio y caracterización de ejemplos de la aplicación. Novedad científica La elaboración de un documento donde se resuman las principales características de la estabilidad de laderas y taludes, el proceso de análisis, modelos, métodos y programas computacionales utilizados para el estudio del comportamiento de este tipo de fenómeno considerando las ventajas y desventajas de su utilización. Esto contribuirá a aumentar el conocimiento del tema en estudio en Cuba. Aportes científicos El principal aporte de este trabajo es contribuir al aumento del conocimiento de la estabilidad de laderas y taludes, mediante procedimientos y metodologías basadas en las investigaciones más actuales relacionadas con métodos de diseño, modelos y programas de cómputo utilizados para el estudio de estos fenómenos, que permitirá ampliar su uso en la ingeniería civil de nuestro país. Valor metodológico Este trabajo constituye un aporte al conocimiento de los fenómenos de estabilidad de laderas y taludes en Cuba, es un documento donde se recogen aspectos más importantes y relevantes a considerar para el análisis del comportamiento de este tipo de fenómeno, su uso en la docencia y practica ingenieril permitirá establecer las ventajas y desventajas de su aplicación en nuestro país.. 6.

(14) Esquema metodológico de la investigación: Definición del problema de estudio. Recopilación bibliográfica general. Formación de la base teórica general. Planteamiento de la hipótesis. Definición de los objetivos. Definición de las tareas científicas. Capítulo 1: Estado del arte Estabilidad de Laderas y Taludes.. Capítulo 2: Metodología de trabajo. Capítulo 3: Ejemplos. Conclusiones y recomendaciones. 7.

(15) Estructura de la tesis La estructura de la tesis guarda relación directa con la metodología de investigación establecida, y específicamente con el desarrollo particular de cada una de las fases de la investigación. Esta cuenta con: . Resumen. . Introducción. . Capítulo I. En este capítulo se realiza un análisis del estado del arte de la temática, lo que posibilita justificar el desarrollo de la investigación. En el mismo se expone el estado actual del tema de la estabilidad de laderas y taludes, haciéndose un análisis de la bibliografía al respecto y destacándose los fundamentos teóricos principales, lo que permitió establecer la línea de trabajo a seguir. . Capítulo II: Metodología de trabajo. Se proponen y explican los pasos a seguir en el análisis de estabilidad de taludes. Se profundiza también en el los métodos de análisis de estabilidad más utilizados. . Capítulo III: Ejemplos. Se aplican los métodos de análisis a ejemplos reales con ayuda de software y se procesan los resultados . Conclusiones. . Recomendaciones. . Bibliografía. . Anexos. 8.

(16) Capítulo 1. Estado del conocimiento de Estabilidad de Laderas y Taludes. 1. Generalidades. En este capítulo se realiza un análisis del estado del arte de la temática mediante una exhaustiva revisión bibliográfica, lo que posibilita justificar el desarrollo de la investigación, se expone el estado actual del tema de la estabilidad de laderas y taludes, mediante una clasificación general, los factores que influyen en la inestabilidad, herramientas para el diseño, así como los métodos que se pueden utilizar para analizar la estabilidad. Con todo esto se pretende analizar el estado actual del conocimiento de la temática de investigación que permita conocer los términos y definiciones, métodos de análisis y bases de diseño.. 1.1. Términos y definiciones de referencias aplicados para la estabilidad de laderas y taludes. Se conoce con el nombre genérico de taludes cualesquiera superficies inclinadas respecto a la horizontal que hayan de adoptar permanentemente las masas de tierras.(González et al., 2002, Juarez Badillo and Rico Rodríguez, 1967, Armas Novoa and Horta Mestas, 1987, Alvarez Gil, 1998) Se puede definir taludes como: Las obra, normalmente de tierra, que se construyen a ambos lados de la vía (tanto en excavaciones como en terraplén) con una inclinación tal que garanticen la estabilidad de la obra. Cuando el talud se produce en forma natural, sin intervención humana, se denomina ladera natural o simplemente ladera, si los taludes son hechos por el hombre (presas, carreteras, terraplenes…) se denominan cortes o taludes artificiales, según sea la génesis de su formación; en el corte, se realiza una excavación en una formación térrea natural, en tanto que los taludes artificiales son los inclinados de los terraplenes. También se producen taludes en los bordes de una excavación que se realice a partir del nivel del terreno natural, a los cuales se suele denominar taludes de la excavación.. 9.

(17) Los problemas relacionados con la estabilidad de laderas naturales difieren radicalmente de los que se presentan en taludes construidos por el ingeniero. Las diferencias importantes radican en la naturaleza de los materiales involucrados y en todo un conjunto de circunstancias que dependen de: cómo se formó el talud y de su historia geológica, de las condiciones climáticas que privaron a lo largo de tal historia y de la influencia que el hombre ejerce en la actualidad o haya ejercido en el pasado.. 1.2.. Factores que influyen en la estabilidad.. Existen muchos factores que afectan la estabilidad porque inciden de diferentes maneras sobre la estructura del talud o ladera aun siendo, en algunos casos, propiedades intrínsecas: 1.. La formación geológica.. 2.. La microestructura.. 3.. Estructura Geológica.. 4.. La tectónica y la fracturación.. 5.. La geomorfología.. 6.. El estado de meteorización.. 7.. El clima y la hidrología.. 8.. La pendiente y el relieve.. 9.. Sismicidad de la zona.. 10. Cobertura vegetal. 11. Factor tiempo. 12. Acción del hombre. Como ejemplo de este último caso podemos mencionar algunos de los procesos constructivos que influyen en la estabilidad: 1. Modificación de las condiciones naturales del flujo interno del agua al colocar rellenos o hacer excavaciones. 2. Sobrecarga de estratos débiles por relleno, a veces de desperdicios. 3. Sobrecarga de terrenos con planos de estratificación desfavorable por relleno.. 10.

(18) 4. Remoción por corte, de algún estrato delgado de material permeable que funciona como un manto natural drenante de estratos de arcillas suaves. 5. Aumento de presiones de filtración u orientación desfavorable de fuerzas de filtración al producir cambios en la dirección del flujo interno del agua por haber practicado corte o construido relleno. 6. Explosión al aire y al agua, por corte de arcillas duras fisuradas. 7. Remoción de capas superficiales de suelo por corte lo que puede causar el deslizamiento de capas del mismo estrato ladera arriba sobre mantos subyacentes del suelo más duro o roca. 8. Incremento de carga hidrostática o niveles piezométricos bajo la superficie de un corte al cubrir la capa del mismo con una capa impermeable. En general las causas de los deslizamientos pueden ser externas o internas, las externas producen aumentos en los esfuerzos cortantes actuantes sin modificar la resistencia al esfuerzo cortante del material. El aumento en la altura del talud o al hacerlo más escarpado son causas de este tipo, también lo son la colocación de cualquier tipo de sobrecarga en la corona del talud o la ocurrencia de sismos. Las internas son las que ocurren sin cambio en las condiciones exteriores del talud. Deben ligarse siempre a una disminución de la resistencia al esfuerzo cortante del suelo constitutivo. El aumento de presión de poro o la reducción de la cohesión son causa de esta clase. (Suarez, 2009, Anabela Veiga, 2006). 1.3.. Diseño de taludes.. Los principales criterios para del análisis de estabilidad son: 1. Las tres ecuaciones de equilibrio tensional (fuerzas horizontales, verticales y momentos) 2. Ecuaciones de compatibilidad entre deformaciones y desplazamientos 3. La relación tensión-deformación-resistencia de los materiales que constituyen el talud De los tres criterios anteriores se pueden extraer 15 incógnitas (6 de tensiones 6 de deformaciones y 3 de desplazamientos) y 15 ecuaciones que responden a. 11.

(19) las mismas (3 de equilibrio, 6 de compatibilidad y 6 de relación constitutiva del material). Este problema se torna complejo y requiere del empleo de técnicas de elementos finitos que asimilen los tres criterios. Aunque la potencia del método de elementos finitos es enorme, cuenta con algunas limitaciones como la dificultad para obtener en la práctica ecuaciones representativas constitutivas del terreno. Una alternativa a simplificar este problema es el empleo del modelo MohrCoulomb para caracterizar el terreno y una definición de coeficiente de seguridad. De esta manera el análisis se torna más específico en él se reduce la resistencia al corte del suelo hasta llegar a la rotura, aunque los resultados obtenidos son aproximados su facilidad de empleo y objetividad convierten a esta alternativa en una de las más utilizadas.. 12.

(20) Figura 1.1 Las variables que intervienen en la estabilidad.. Se define al coeficiente de seguridad como la relación entre la resistencia disponible y la que conduce a la rotura. Las variables que intervienen en la estabilidad pueden ser estabilizadoras (resistentes) o desestabilizadoras. (Figura 1.1) Entre las acciones estabilizadoras se pueden citar: la resistencia la corte del terreno, la resistencia de las estructuras de sujeción, las fuerzas estabilizadoras externas, los pesos estabilizadores. Entre las acciones desestabilizadoras se encuentran: las presiones positivas de agua intersticial, los pesos desestabilizadores, las desestabilizadoras externas. De todas las variables mencionadas anteriormente las más influyentes son: la presión intersticial y la resistencia al corte del suelo; por ello es de vital importancia conocer las condiciones críticas de presión intersticial durante la vida útil del talud; y la resistencia al corte del terreno en cualquier superficie potencial al desplazamiento. Ambas tareas se dificultan si se tiene en cuenta que: La presión intersticial no solo depende de las condiciones hidrológicas del terrenos, sino que también depende de los cambios de tensiones que se producen en el terreno trayendo como resultado procesos que dan origen a la consolidación o entumecimiento del suelo lo que influye directamente en los valores de presión intersticial. La resistencia al corte del suelo no puede considerarse como un parámetro único y constante a través del tiempo pues depende de factores convulsos como la naturaleza y además de la estructura, la historia tensional del suelo, la presión de fluidos que rellena los poros del material, el nivel de deformación. El criterio de Mohr- Coulomb se representa de manera general por la siguiente expresión:. (1 ) Resistencia al corte a lo largo de la superficie de falla Cohesión efectiva del terreno. 13.

(21) Ángulo de fricción interna efectiva del terreno Tensión efectiva correspondiente a la resta de la tensión total ya la tensión intersticial que actúan perpendiculares al terreno. (2 ) Presión intersticial Presión total Para el caso de suelos cohesivos saturados sin fisuración el criterio de MohrCoulomb se utilizará en términos de esfuerzos totales y no en términos efectivos, sustituyendo el valor de C por el de la resistencia no drenada del suelo (Su). (3 ) En este caso el problema debe analizarse de forma estática y deben ser de carácter temporal o de falla de fondo temporal. La definición general del coeficiente factor de seguridad es:. (4 ) Este coeficiente de seguridad puedes ser de carácter global o no (rebanadas), y las particularidades para encontrarlo varían según el sistema de análisis que se utilice. En el caso de suelos homogéneos y problemas sencillos se prefiere trabajar con el factor de seguridad global que establece que resistencia al corte así como los parámetros que en ella intervienen son los mismos a lo largo de toda la superficie de falla En el caso de los suelos no homogéneos se prefiere trabajar con varios factores de seguridad parciales que dan origen a un factor general final esto se aprecia en lo métodos de rebanadas o dovelas (porciones de suelo, o tajadas en las que se divide la masa de suelo para el análisis) ya que se hace un análisis similar al anterior pero propio para cada dovela. Volviendo a los métodos de elementos finitos cabe destacar que aunque generalmente se expresan en término de deformación Ugai (1989) desarrolló. 14.

(22) un método para hallar el factor de seguridad utilizando el criterio de MohrCoulomb por elementos finitos. El factor de seguridad es evaluado realizando una reducción gradual de los parámetros de resistencia al cortante c’ y υ' del suelo e induciendo a una falla del análisis. Inicialmente, la fuerza de gravedad se aplica en estado elástico para obtener la primera distribución de esfuerzos en todo el talud. Luego, la reducción gradual de la resistencia va a producir un esfuerzo residual en los elementos fallados y así se evalúa la fuerza residual. El valor inicial de F se asume lo suficientemente pequeño para obtener como resultado un problema elástico. Luego el valor de F se va aumentando etapa por etapa hasta que se desarrolle una falla global del talud (Popescu, et. all., 2000). A este método se le conoce como modelo de elementos finitos de reducción de resistencia al cortante (SSRFEM). En forma similar, se han desarrollado procedimientos para calcular el factor de seguridad para envolventes de falla no lineales (Tanaka y Sakai, 1993). Los resultados del círculo crítico de falla y el factor de seguridad, son diferentes si se asume que la envolvente de falla es o no lineal. Si se supone la envolvente de falla no lineal (Criterio de Maksimovic), las superficies críticas de falla son menos profundas y los factores de seguridad son significativamente menores. Aunque la selección del factor de seguridad se fija por el proyectista de manera intuitiva existen normativas con recomendaciones para ello según las condiciones de la obra, el carácter de la misma.. Como valor de referencia, el “Manual de Diseño para Mecánica del Suelo, Cimentaciones y Estructuras de Tierra” de la Marina de los Estados Unidos de América NAVFAC (DM-7.01), establece los siguientes criterios (tabla 1.1): Tabla 1.1 Factores de seguridad según NAVFAC (DM-7.01) Factor de seguridad FS≥1,5 FS≥1,2 o 1,3 FS≥1,15 o 1,20. Condición para situaciones permanentes para situaciones provisionales durante la construcción siempre y cuando se apliquen las medidas de control y seguimiento para situaciones de carga accidental, como en el caso. 15.

(23) del sismo La norma ROM 0,5 estable ce criterios similares a los anteriores (Ortuño Abad, 2004) Según la norma NSR-10 – Capítulo H.2 – Definiciones H-7(2010) La selección de los factores de seguridad debe justificarse plenamente teniendo en cuenta: 1. La magnitud de la obra. 2. Las consecuencias de una posible falla en la edificación o sus cimentaciones. 3. La calidad de la información disponible en materia de suelos. En cualquier caso los Factores de Seguridad Básicos FSB aplicados al material térreo (suelo, roca o material intermedio) no deben ser inferiores a los Factores de Seguridad Básicos Mínimos F SBM o F SBUM de la tabla, en la cual las cargas se refieren a valores nominales sin coeficientes de mayoración, tal como se indica en el aparte B.2.3 de este Reglamento, en el cual, para los cimientos y el material térreo de cimentación se empleará para las fuerzas sísmicas E un factor R = 1,0. En ningún caso el factor de seguridad básico mínimo F SBM podrá ser inferior a 1.00 Tabla 1.2 Factores de seguridad mínimos directos. En el caso de los taludes de presa están son las normativas propuestas en nuestro país por el ingeniero Rolando Armas (Tabla 1.3). 16.

(24) Tabla 1.3. Factores de seguridad para presas.. 1.4.. Métodos de análisis para estabilidad de taludes.. En este epígrafe se hará referencia a los métodos utilizados en el análisis de estabilidad de taludes analizando las particularidades de cada uno así como las potencialidades y deficiencias que puedan presentar. Estos métodos se presentan en gran diversidad ya que se ajustan a las múltiples situaciones que ofrece el suelo como material versátil de construcción, a continuación se presentan los métodos con sus características, limitaciones y ventajas. (Tabla 1.4). 17.

(25) Tabla 1.4. Métodos utilizados en el análisis de estabilidad de taludes(Suarez, 2009) Parámetros Método Equilibrio límite. Utilizados. Ventajas. Limitaciones. Topografía del talud,. Existe una gran. Genera un. estratigrafía, ángulo. cantidad de. número único de. de fricción,. paquetes de. factor de. cohesión, peso. software. Se obtiene. seguridad sin. unitario, niveles. un número de factor. tener en cuenta el. freáticos y cargas. de seguridad.. mecanismo de. externas.. Analiza superficies. inestabilidad. El. curvas, rectas,. resultado difiere. cuñas, inclinaciones,. de acuerdo con el. etc. Análisis en dos. método que se. y tres dimensiones. utilice. No incluye. con muchos. análisis de las. materiales,. deformaciones.. refuerzos y condiciones de nivel de agua. Esfuerzo-. Geometría del talud,. Permite simular. Es complejo y no. deformación. propiedades de los. procesos de. lineal.. continuos. materiales,. deformación.. Comúnmente no. propiedades. Permite determinar. se tiene. elásticas, elasto-. la deformación del. conocimiento de. plásticas y de. talud y el proceso de. los valores reales. “creep”. Niveles. falla. Existen. a utilizar en la. freáticos,. programas para. modelación. Se. resistencia.. trabajar en dos y. presentan varios. tres dimensiones.. grados de. Se puede incluir. libertad. No. análisis dinámico y. permite modelar. análisis de “creep”.. roca muy fracturada.. 18.

(26) Parámetros Método. Utilizados. Ventajas. Limitaciones. Discontinuos. Geometría del talud,. Permite analizar la. Existe poca. Esfuerzo-. propiedades del. deformación y el. información. deformación. material, rigidez,. movimiento relativo. disponible sobre. elementos. discontinuidades. de bloques.. las propiedades. discretos. resistencia y niveles. de las juntas.. freáticos.. Se presentan problemas de escala, especialmente en los taludes en roca.. Cinemáticos. Geometría y. Es relativamente. Útiles para el. estereográficos. características de. fácil de utilizar.. diseño preliminar.. para taludes en. las discontinuidades.. Permite la. Se requiere. roca. Resistencia a las. identificación y. criterio de. discontinuidades.. análisis de bloques. ingeniería para. críticos, utilizando. determinar cuáles. teoría de bloques.. son las. Pueden combinarse. discontinuidades. con técnicas. críticas. Evalúa. estadísticas.. las juntas.. Dinámica de caídos. Geometría del talud,. Permite analizar la. Existe muy poca. de roca. tamaño y forma de. dinámica de los. experiencia de su. los bloques y. bloques y existen. uso en los países. coeficiente de. programas en dos y. tropicales.. restitución.. tres dimensiones.. Relieve del terreno.. Se puede predecir el. Se requiere. Concentración de. comportamiento,. calibrar los. sedimentos,. velocidades,. modelos para los. viscosidad y. distancia de. materiales de. propiedades de la. recorrido y. cada región. Los. mezcla suelo-agua.. sedimentación de. resultados varían. los flujos.. de acuerdo con el. Dinámica de flujos. modelo utilizado.. 19.

(27) Análisis por método de equilibrio límite: La mayoría de este tipo de métodos comparan: las fuerzas o momentos resistentes y las fuerzas o momentos que actúan sobre la falla (a la razón entre las mismas se le denomina factor de seguridad), también los parámetros utilizados en el análisis son los mismos: geometría del talud , parámetros geológicos, presencia de grietas de tensión ,cargas dinámicas por acción de los sismos, flujo de agua, propiedades de resistencia y peso unitario de los suelos…, pero varían según el tipo de superficie de falla que se analice y las fuerzas que actúen sobre la misma. Este método tiene las limitaciones siguientes: Se basan solamente en la estática y no tienen en cuenta las deformaciones, las distribuciones de presiones y en ocasiones no son realistas (como esto solo ocurre en algunas tajadas del talud no puede decirse que el factor de seguridad es inaceptable), plantea que los esfuerzos se distribuyen uniformemente, no son recomendables para el caso de fallas complejas como vuelco, licuación rotura…, asumen el talud isotrópico en la mayoría de los casos lo que conlleva a superficies de falla circulares o aproximadamente circulares que no se ajustan a todos los casos. A pesar de las debilidades de un modelo específico, determinar el factor de seguridad asumiendo superficies probables de falla, permite al ingeniero tener una herramienta muy útil para la toma de decisiones. Los métodos de límite de equilibrio son una herramienta muy útil en la práctica y se recomienda tener cuidado de no abusar en la aplicación del método para casos complejos donde la distribución de esfuerzos y las deformaciones juegan un papel importante en el comportamiento del talud.(Krahn, 2004) El método de límite de equilibrio supone que las fuerzas actuantes y las resistentes son iguales a lo largo de la superficie de falla (factor de seguridad igual a 1) (González Vergara and Dussán Buitrago, 2011, González et al., 2002) Dentro de dicho método se encuentran los métodos exactos y los aproximados, en el siguiente esquema se explican con mayor claridad: (Figura 2.2). 20.

(28) Figura 1.2. Métodos de análisis de estabilidad de taludes (Suarez, 2009). Para los análisis rápidos en. taludes simples y homogéneos se han. desarrollado tablas y ábacos que permiten el cálculo rápido del factor de seguridad, estos métodos se basan siempre en un método analítico precedente dado que se busca la simplificación del mismo ,cabe destacar que aunque este procedimiento resulte rápido y sencillo la aplicación del mismo no debe sustituir por ningún motivo al análisis riguroso, sino que puede ser usado como objeto de comparación o para una evaluación rápida y general (ver tabla 1.5). Tabla 1.5. Listado de tablas para el cálculo de estabilidad de taludes disponibles en la literatura (Suarez, 2009). 21.

(29) Métodos de equilibrio: 1. Talud Infinito: Se utiliza cuando la falla ocurre paralela a la superficie del talud y a profundidades pequeñas en relación a la longitud del mismo. Este método supone un suelo isotrópico y homogéneo en un talud infinitamente largo con una superficie de falla paralela al talud, en este caso los efectos de borde son despreciables y el factor de seguridad se calcula según el criterio de MohrCoulomb, este método toma en cuenta la altura del nivel del agua para el cálculo de factor de seguridad, el cual disminuye a medida que aumenta el. 22.

(30) nivel del agua. El uso fundamental de este método radica en la confección de planos de amenaza al deslizamiento (Suarez, 2009, González Vergara and Dussán Buitrago, 2011) 2. Método del bloque deslizante: Se puede utilizar cuando a determinada profundidad existe una superficie de debilidad relativamente recta y delgada, la masa que se mueve puede dividirse en varios bloques cuyo equilibrio se considera independiente al utilizar las fuerzas entre los bloques y no se considera la deformación de los bloques, los valores de presiones pasivas o activas sobre las cuñas pueden calcularse según Rankine o Coulomb. 3. Método de la cuña simple: Supone una superficie recta de un solo tramo que se puede analizar como una cuña simple con una superficie de falla inclinada con respecto a la horizontal. 4. Método de la cuña doble: Se basa en el análisis de una cuña con dos tramos rectos de superficie de falla. En el campo estas fallas se reconocen por el graben. (hundimiento de la. cuña superior). Generalmente se utilizan para fallas sobre superficies planas y duras (rocas…) o planas y blandas (manto de arcilla…) 5. Método de la cuña triple: Es común en grandes deslizamientos, como el caso anterior está controlado por detalles geológicos como formación de roca o presencia de mantos blandos. Cuando se encuentra un caso para el análisis con cuña triple, es importante investigar los posibles ángulos de las cuñas de la cabeza y del pie. Existe muy poca información de casos históricos y no existen reglas simples para suponer estos ángulos. (Cornforth, 2005) 6. Método de la espiral logarítmica: La superficie de falla se supone que tiene forma de espiral, lo más recomendable es aplicar técnicas computacionales al aplicar este método ya que aunque se puede dar a solución a las ecuaciones del mismo de forma manual resulta un poco engorroso por la forma que presenta la superficie de falla, este método satisface tanto el equilibrio de fuerzas como el de momentos.. 23.

(31) Según algunos autores es el mejor método de análisis para taludes homogéneos 7. Método del arco circular: Se utiliza solo para suelos cohesivos, aunque su desarrollo fue anterior, es una particularización del método de la espiral logarítmica, donde la superficie de falla se convierte en un círculo y al igual que el en ese caso satisface tanto el equilibrio de fuerzas como el de momento. 8. Método de las dovelas: También conocido como Ordinario, de Fellenius, Método Sueco o U.S.B.R. Se asume superficies de falla circulares y se divide el área de falla en tajadas verticales, se obtienen las fuerzas actuantes y resultantes para cada tajada y con la sumatoria de los momentos que producen estas fuerzas con respecto al centro del círculo se halla el factor de seguridad. Algunos autores recomiendan usar este método solo como referencia ya que en comparación con otros métodos da generalmente factores de seguridad menores.(Armas Novoa and Horta Mestas, 1987, Suarez, 2009) 9. Método de Bishop: Utiliza el método de las dovelas pero teniendo en cuenta el efecto de las fuerzas entre dovelas asumiendo que las mismas son horizontales y sin tener en cuenta el efecto de la fuerza cortante. El método de Bishop cuenta con dos variantes una rigurosa y una simplificada, la segunda es la más utilizada ya que aunque solo satisface el equilibrio de momentos tiene soluciones mucho más exactas que el método ordinario y en comparación con métodos de mayor precisión los valores de factor de seguridad no son. significativamente. diferentes, su mayor restricción radica en que solo analiza superficies de falla circulares.(González Vergara and Dussán Buitrago, 2011, Armas Novoa and Horta Mestas, 1987) 10. Método de Janbú: Plantea que las fuerzas entre dovelas son horizontales y no toma en cuenta el efecto del cortante, pero las superficies de falla no son necesariamente circulares, por lo que en este método Janbú propone un factor de relación que depende de la curvatura de la superficie de falla, cabe mencionar que dichos. 24.

(32) factores son aproximados y fueron obtenidos mediante procedimientos empíricos. Este método solamente satisface el equilibrio de esfuerzos. 11. Sueco modificado: Este método también conocido como método del cuerpo de ingenieros (U.S. Army Corps of Engineers) plantea que la inclinación de las fuerzas entre dovelas es seleccionada por un analista y tiene el mismo valor para todas las dovelas, recomienda que la inclinación sea el promedio de la pendiente del talud. Solo satisface el equilibrio de fuerzas 12. Método de Lowe y Karatiath: Este método aunque surge primero que el del cuerpo de ingenieros presenta los mismos planteamientos exceptuando que las fuerzas entre partículas varían de borde a borde en cada dovela, es muy sensible a la inclinación supuesta de las fuerzas entre partículas parámetro que afecta notablemente el valor del factor de seguridad. Su resultado es menos preciso que los que satisfacen el equilibrio completo 13. Método de Spencer: Se basa en que las fuerzas entre dovelas son paralelas entre sí, por lo que tienen el mismo ángulo de inclinación, este parámetro se toma como una incógnita que se calcula al solucionar las ecuaciones de equilibrio. Este método satisface el equilibrio de fuerzas y el de momentos y su uso no está restringido solo a superficies circulares. El método de Spencer se considera muy preciso y aplicable para casi todo tipo de geometría de talud y perfiles de suelo y es tal vez, el procedimiento de equilibrio más completo y más sencillo para el cálculo del factor de seguridad. (J.M. and G., 2005). 14. Método de Morgentern-Price: Asume que existe una función entre las fuerzas de cortante y las fuerzas normales entre dovelas, esta característica lo convierte en un método más riguroso que el de Spencer, esta función puede ser constante como en el método de Spencer o pudiera considerarse como otro tipo de función, sin embargo, dicha función tiene poco efecto sobre el cálculo del factor de seguridad cuando se satisface el equilibrio estático y los resultados obtenidos son muy similares a los del método anterior. El método de Morgentern y Price. 25.

(33) es muy preciso y prácticamente aplicable a cualquier geometría o perfil de suelo. 15. Método de Chen y Morgentern: Es una refinación del método Morgentern y Price intentando mejorar los estados de esfuerzos en las puntas de la superficie de falla,. por lo que. recomiendan que las fuerzas en los extremos de la superficie de falla deben ser paralelas al talud. 16. Método de Sarma: Difiere de todos los métodos anteriores porque considera como incógnitas al coeficiente sísmico y al factor de seguridad, consiste en asumir un factor de seguridad (generalmente igual a 1) y hallar el coeficiente sísmico que le corresponde. Plantea los esfuerzos a cortante entre tajadas como una relación con la resistencia a cortante. Este método fue desarrollado para análisis sísmico de estabilidad. Análisis por métodos numéricos: Cuando los mecanismos de falla de deslizamiento que se presenta son muy complejos y con parámetros muy difíciles de investigar por el método de equilibrio límite se utilizan los métodos numéricos; la principal limitante de los métodos de equilibrio radica en que no se tienen en cuenta las deformaciones, las cuales pueden en los casos de falla progresiva y cuando influye el factor tiempo jugar un papel muy importante, estas limitaciones se resuelven con los métodos numéricos que en este aspecto son más precisos, son útiles para analizar las fallas en las cuales no existe una superficie continua de cortante (como en el caso de las fallas por vuelco) Los modelos numéricos se dividen en continuos y no continuos, los modelos numéricos son más útiles para el análisis de taludes de suelo, roca masiva intacta, roca blanda o materiales muy fracturados con comportamiento similar al de los suelos. Las características de cada uno se expresan a continuación: Modelos numéricos continuos: 1. Método de Elementos finitos: Este método divide la masa de suelo en unidades discretas que se llaman elementos finitos, estos elementos se interconectan en sus nodos y en bordes. 26.

(34) predefinidos, de hace entonces una formulación de los desplazamientos que presentan los resultados en forma de esfuerzos y desplazamientos a los puntos nodales. La condición de falla que se obtiene refleja un fenómeno progresivo donde los elementos fallan simultáneamente. Para calcular el valor inicial del factor de seguridad (F) se asume lo suficientemente pequeño para obtener como resultado un problema elástico. Luego el valor de F se va aumentando etapa por etapa hasta que se desarrolle una falla global del talud (M. et al., 2000) Este método tiene la limitante de que en la práctica es muy difícil definir la relación esfuerzo-deformación para los depósitos de suelos naturales, además se tiene poco conocimiento de los esfuerzos reales in situ que se requieren para incorporar al modelo. A pesar de todo este análisis es muy versátil y se puede aplicar tanto para el análisis en 2D como en 3D lo cual supone también una gran ventaja sobre otros métodos. El método de elementos finitos es hoy el más utilizado y probablemente, el modelo numérico más versátil para el análisis de estabilidad de taludes.(Carter et al., 2001) 2. Método de diferencias finitas: En este tipo de modelación los materiales son representados por zonas que forman una maya de acuerdo con la geometría y se puede determinar una variedad de relaciones esfuerzo-deformación, este método utiliza el sistema de cálculo de Lagrange, esto permite modelar deformaciones a gran escala y el colapso de los materiales. El método de diferencias finitas es poco utilizado en la estabilidad de taludes, con excepción de los análisis de flujo, consolidación y transporte de contaminantes, pero tiene la ventaja de que no requiere la solución de gran cantidad de ecuaciones y es más fácil introducir modelos especiales de suelo. (Suarez, 2009) 3. Método de los elementos de borde: Este método tiene gran utilidad para el análisis de taludes compuestos por materiales discontinuos o fracturados por lo que constituye una alternativa al método de los elementos finitos. A medida que aumenta la densidad de la fracturas se va conformando una superficie de falla semicurva o superficie de cortante. Sus características lo convierten en el método idóneo para analizar. 27.

(35) taludes de roca, aunque presenta como inconvenientes solo considerar comportamientos. en. materiales. elásticos. (excepto. las. interfaces. y. discontinuidades) 4. Modelo combinado de elementos finitos con elementos de borde: En estos modelos se discretiza el suelo o roca dentro de una zona de interés. La combinación de ambos métodos minimiza las deficiencias que presenta cada uno por separado, sin embargo, la modelación de discontinuidades importantes es complicada. Los métodos numéricos discontinuos, por su parte, permiten modelar en forma relativamente sencilla, taludes donde el mecanismo de falla está controlado por el comportamiento de las discontinuidades. Cuando un talud en roca tiene más de dos grupos de discontinuidades, es conveniente utilizar modelos discontinuos. No obstante, en ocasiones se requiere trabajar con modelos que permitan tanto elementos continuos como discontinuos. (Suarez, 2009) Modelos numéricos discontinuos: 1. Método de elementos distintos o discretos. Modela de forma discontinua las masas de roca como un ensamblaje de elementos distintos de bloques o cuerpos que interactúan sometidos a cargas externas a espera de movimientos significativos en el tiempo. Los factores externos como las presiones de poros y el sismo se pueden modelar .El comportamiento. del. talud. está. gobernado. principalmente. por. el. comportamiento de juntas y grietas. Este método ha permitido un avance importante en los taludes de roca ya que la ecuación dinámica de equilibrio se modifica hasta satisfacer las condiciones de borde. 2. Métodos de análisis de flujo de partículas. Constituye una variante del método de elementos distintos, ya que permite modelar el flujo de partículas granulares producto de la fricción entre las mismas, también simula materiales intactos o bloques dentro del flujo utilizando las uniones entre partículas. Este método es idóneo para los casos de inestabilidad por licuación de los suelos. 3. Métodos de deformaciones discontinuas.. 28.

(36) Simulan deslizamientos en roca, inclinaciones y caídas. Es análogo, de alguna manera, al que se usa en el trabajo estructural con vigas Las tendencias actuales del análisis de estabilidad apuntan hacia una análisis de estabilidad en 3D (esto se evidencia en algunas de las potencialidades de los métodos anteriores), ya que este se asemeja más a la realidad y permite observar con gran precisión el área crítica de la falla. Siempre que se tenga conocimiento de cómo utilizarlo el procedimiento de modelado en 3D puede resultar muy útil, aunque no se deben perder de vista las incertidumbres que este pudiera presentar por lo tanto si es posible para estos casos es mejor auxiliarse de un análisis en 2D para tener una idea general que se pueda comparar con los resultados. (Reyes Parra, 2013). Este tipo de análisis debe aún apoyarse en el análisis de estabilidad en 2D porque este cuenta con una amplia experiencia ingenieril en la solución de problemas de estabilidad con innumerables ejemplos prácticos que así lo demuestran (Monterrubio Pérez, 2001, Oliva González and Euroamericano., 2012, Oliva González et al., 2012), además existe un gran número de herramientas y métodos de solución siendo estos aspectos una desventaja presente para el análisis tridimensional de estabilidad. Después de haber visto el alcance que pueden tener todos los métodos analizados cabe destacar que no es objeto de esta tesis analizar taludes rocosos ni hacer análisis de estabilidad en 3D. Con una visión general de los métodos de estabilidad, basada en los criterios de los diferentes autores, se pueden destacar los aspectos más significativos de todo lo abordado con anterioridad:. 1.5. Conclusiones parciales Con el avance de la investigación que se realizó en este capítulo se concluye que: 1.. Los problemas de estabilidad de laderas y los de taludes difieren. sustancialmente por las características de los materiales, historia geológica, condiciones climáticas, influencia del hombre tanto actual como pasada.. 29.

(37) 2. Es importante identificar los factores que influyen en la estabilidad para hacer un diseño eficiente o una revisión respetable ya que estos deben ser tomados muy en cuenta 3. Los métodos que se utilizan dan, generalmente, resultados diferentes, y en ocasiones, contradictorios los cuales son una muestra de la incertidumbre que caracteriza los análisis de estabilidad. 4. Para el análisis de taludes de roca y materiales fragmentados los métodos numéricos son los más eficientes, por lo que este tipo de metodología se utiliza con más frecuencia en el análisis de estabilidad de laderas. 5. En casos que se relacionan con la licuación de los suelos el método más acertado es el de flujo de partículas. 6. El análisis de estabilidad en 3D cuenta con ventajas significativas sobre el análisis en 2D, pero se necesita acumular una mayor experiencia para explorar a fondo todas sus potencialidades.. 30.

(38) Capítulo 2 Metodología para el análisis de estabilidad de taludes. 2. Generalidades. La investigación de una ladera, talud o deslizamiento consiste en obtener toda la información posible sobre las características topográficas, geológicas, geotécnicas y ambientales que permitan realizar un diagnóstico de los problemas lo más preciso posible y un diseño efectivo de solución. El capítulo siguiente se pretende establecer una metodología de trabajo que facilite el proceso de análisis de estabilidad de taludes y profundizar en las características distintivas de algunos de los métodos de análisis más usados.. 2.1. Metodología para el estudio de taludes y laderas. Para encontrar las causas y mecanismos de falla y poder cuantificar los parámetros que determinan la estabilidad de un talud, diagnosticar y diseñar las obras de estabilización se recomienda realizar un estudio que incluye las siguientes etapas: 1. Reconocimiento e identificación del sitio. 2. Análisis de la información existente. 3. Estudio de las características superficiales del sitio que permitan la caracterización topográfica y geotécnica. 4. Investigación de campo que incluye sondeos, toma de muestras, y ensayos in situ para cuantificar los parámetros del suelo. 5. Investigación de Laboratorio. 6. Análisis de la información obtenida, modelación matemática y diseño. En 1996.Japan Landslide Society, presentó un diagrama generalizado de metodología de trabajo en forma de diagrama de bloque que expresa claramente las diferentes etapas por las que pasa el problema de la estabilidad (ver figura 2.1).. 31.

(39) Para realizar eficientemente estos trabajos se requiere el concurso de un grupo interdisciplinario integrado por Ingenieros, Geólogos, Hidrólogos, Forestales, Topógrafos, Laboratoristas o Geotecnólogos y otros especialistas; quienes deben conformar un equipo de trabajo, en el cual es muy importante efectuar los análisis con una mente muy amplia, sin caer en dogmatismos o en conclusiones simplistas.. Figura 2.1 Diagrama de flujo para la investigación y análisis de deslizamientos (Suarez, 1998). 32.

(40) El trabajo de campo es el más costoso y el que mejor información puede proveer para un análisis detallado conjuntamente con el del laboratorio. En contraste, el análisis de la información y modelación es más económico. El anterior problema ha conducido con mucha frecuencia a que se realizan evaluaciones numéricas muy precisas, utilizando información de muy baja calidad o inexistente (Janbu, 1996). En el caso de problemas de taludes, el planteamiento de una teoría sin comprobación puede conducir a errores de análisis que conducen necesariamente, a la escogencia de soluciones equivocadas y en ocasiones a provocar deslizamientos mayores que el que se pretende estabilizar. El análisis y la evaluación del deslizamiento generalmente, requieren de experiencia del profesional encargado, sin embargo, la experiencia puede ser mala consejera porque lo que ocurrió en un sitio no es necesariamente lo que está ocurriendo en un sitio distinto, así, los factores exteriores lo indiquen. En estabilidad de taludes son muchos los errores que se han cometido por falta de profundización en los estudios y por creer que la primera teoría planteada es la verdadera. (Ministerio de Obras Públicas, 1994) 2.1.1 Reconocimiento e identificación de la zona de estudio. Previamente a la visita de campo se debe realizar un análisis general de la información existente y definir claramente el área de interés. El área a visitar debe incluir los taludes afectados o que se requiere analizar y las regiones adyacentes que pueden contribuir en las causas de los movimientos. Los usos de la tierra, la irrigación para agricultura y otros factores en sitios aledaños pueden tener influencia determinante. Algunos deslizamientos pueden originarse en un sitio y trasladarse distancias importantes, ladera abajo y se requiere analizar no solamente las áreas donde se producen, sino también las áreas que pueden ser afectadas, abajo del deslizamiento propiamente dicho. La visita ofrece una visión tridimensional y se puede obtener una cantidad muy grande de información. Se obtiene el tipo o clasificación de los movimientos, sistemas de agrietamiento, tipo de suelo, afloramiento de agua y al final de la. 33.

(41) visita con mucho sentido común, se puede tener una visión global que puede equivaler a más del 50% de la solución del problema planteado. Se recomienda examinar los patrones regionales y locales de la topografía para localizar elementos anormales tales como valles truncados, cambios bruscos de pendiente, vegetación o estructura de la superficie del terreno. El Geólogo debe mapear y tomar información de las exposiciones de roca, sistemas de drenaje de aguas superficiales, depósitos superficiales y estructura geológica. El reconocimiento geológico debe dedicarle gran atención a detalles tales como agrietamientos de la superficie del terreno, depresiones, árboles inclinados y nacimientos de agua. Es importante investigar la propiedad de la tierra y la necesidad de permisos para los estudios detallados. Después de la visita se requiere re-estudiar la información geológica, topográfica, etc. Y se puede organizar un programa de ensayos y estudios en detalle. 2.1.2 Recolección y revisión de información existente: Las posibles fuentes de información existentes pueden agruparse del modo siguiente: a) Información publicada o Normativa aplicable. o Documentación geológica y geotécnica de carácter general. o Fotografías aéreas (donde pueda ser aplicable). o Mapas antiguos (en el caso que puedan localizarse). o Estudios y/o artículos publicados relativos a proyectos y obras en la zona próxima a la que es objeto la Investigación Geotécnica. b) Información no publicada o Investigación sobre la experiencia local en relación con aspectos geotécnicos. o Reconocimientos y estudios geotécnicos correspondientes a proyectos y obras próximas.. 34.

(42) o Información sobre la utilización pasada y presente del suelo (al objeto de localizar posibles cimentaciones u obras enterradas, zonas de dragado o relleno, etc.). o Fuentes de suministro de materiales de construcción. o Información diversa que pueda condicionar desde un punto de vista geotécnico: estructuras existentes, industrias y propiedades próximas que pueden verse afectadas, excavaciones anteriormente realizadas, construcciones antiguas, etc. c) Inspección del emplazamiento y reconocimiento previo Toda esta información debe complementarse con: o Visitas de inspección al emplazamiento. o Confirmación de la cartografía geológico-geotécnica y su adaptación a una escala que proporcione el detalle suficiente para los sucesivos trabajos. o Realización de algunos reconocimientos sencillos (calicatas, penetrómetros, geofísica, ensayos de identificación, etc.) y de los sondeos necesarios para conocer la estructura básica del subsuelo, si esta no fuese conocida. o Contraste general de la restante documentación obtenida. Fotografías aéreas e información de sensores remotos. Se pueden emplear fotografías en varias escalas para obtener información regional y local. En los distintos países existen entidades dedicadas a obtener estas fotografías y se pueden tener tomas en varias fechas, antes y después de la ocurrencia de los deslizamientos estudiados. Se pueden obtener fotografías en blanco y negro, en colores, infrarrojas y una gama de tomas con sensores remotos, incluyendo imágenes de satélite y radar. Además de la información topográfica y geomorfológica, se pueden inferir la geología (tipo de roca, discontinuidades estructurales, localización de coluviones) y detalles de la historia del sitio tales como rellenos, cortes o deslizamientos antiguos. Otra utilización de las fotografías aéreas es la clasificación del terreno en áreas homogéneas; basados en la pendiente, material geológico, erosión e inestabilidad.. 35.

(43) Interpretación de Fotografías aéreas La interpretación de fotografías aéreas está probado que es uno de los sistemas. más. efectivos. para. el. reconocimiento. y. demarcación. de. deslizamientos. Ninguna otra técnica ofrece una vista tridimensional del terreno. Se estiman precisiones de más del 95% en la identificación de deslizamientos en los mapas a escala 1: 5.000 o mejor. La escala es muy importante y la mayoría de las fotografías antiguas se encuentran en escalas que no permiten la identificación precisa de deslizamientos; Sin embargo, el análisis de fotografías tomadas 5, 10 o 50 años antes, puede ofrecer información muy importante para el diagnóstico de los problemas actuales al compararlas con fotografías más recientes. Tabla 2.1 Escala de fotografías aéreas para diferentes niveles de estudio. Escala. Utilización. 1:40.000 a 1:25.000. Utilizadas para conocer la geología general regional del terreno y cambios topográficos globales.. 1:25.000 a 1:10.000. Permiten. entender. los. cambios. topográficos,. la. localización de deslizamientos y los efectos locales. Mejor a 1:10.000. Se puede determinar la topografía de los deslizamientos y las características de los movimientos.. 2.1.3 Estudio topográfico. La topografía de un sitio de deslizamiento produce información básica para el análisis de los movimientos. Los reconocimientos preliminares utilizan los planos topográficos existentes o las fotografías aéreas. Sin embargo, se requiere un detalle topográfico para localizar muchos elementos críticos, los cuales pueden estar enmascarados por la vegetación. Los levantamientos topográficos tienen los siguientes objetivos: a. Establecer controles en tierra para el mapeo fotogramétrico y la instrumentación.. 36.

(44) b. Obtener detalles topográficos, especialmente, de aquellos factores ocultos por la vegetación. c. Determinar los perfiles topográficos para los análisis de estabilidad. d. Establecer un marco de referencia sobre el cual puedan compararse los movimientos futuros del terreno. 2.1.4 Informe Geotécnico Preliminar. A partir de la información que se ha ido reuniendo se redactará el Informe Geotécnico preliminar donde se describirán las condiciones geológicas y geotécnicas del área estudiada, con la precisión suficiente para permitir el desarrollo de los trabajos y cálculos previos, en tanto se dispone de la información completa. Esta definición debería incluir, siempre que sea posible, los siguientes puntos: . Marco geológico y evolución de la geomorfología del emplazamiento.. . Perfiles geotécnicos y/o columnas-tipo del terreno.. . Identificación de los materiales. Al objeto de establecer un criterio uniforme en las denominaciones empleadas para designar los materiales. Esta identificación deberá ir completada por aquellas observaciones que puedan resultar de interés para una mejor comprensión de la estructura del terreno: edad geológica, origen de los materiales (aluvial, piedemonte, coluvión, formación eólica, etc.), coloración, etc.. . Asignación de las características básicas (densidad, resistencia al corte, módulos de deformación y permeabilidad) que pueden emplearse en las estimaciones previas. . Posición del nivel piezométrico.. . Cualquier otro aspecto singular que pueda condicionar el proyecto desde el punto de vista geotécnico.. El Informe Geotécnico Preliminar, basado en la información previa, debe concluir con la identificación de los aspectos importantes que son desconocidos y que han de ser objeto de nuevos reconocimientos. A tal fin se debe disponer de una descripción lo más exacta posible de las obras a realizar, la experiencia indica que cuanto más detallado esté el proyecto a la hora de programar los. 37.

(45) reconocimientos, más efectivos serán estos y menor será la necesidad de reconocimientos geotécnicos complementarios posteriores. Vistos los aspectos geotécnicos que requieren investigación, confirmación o mayor detalle, se procederá a programar los trabajos del reconocimiento geotécnico. A esa programación debe dedicársele especial atención pues, de otra forma, puede resultar una información exhaustiva en algunos aspectos mientras que en otros deje lagunas importantes. Dependiendo de la importancia de la obra y cantidad de información que se disponga podrá tomarse el Informe Preliminar como Informe Definitivo, si el Técnico responsable así lo dispone. 2.1.5 Investigaciones de campo. La exploración subsuperficial incluye ensayos geofísicos, sondeos y ensayos de campo. La investigación debe planearse en la siguiente forma: 1. Definir con anticipación la geología del terreno para poder determinar el tipo y característica de la investigación. 2. Determinar los sistemas de investigación subsuperficial. 3. Determinar localización, espaciamiento y profundidades de sondeos. 4. Determinar frecuencia y tipo de muestras. Los métodos geofísicos tienen su campo de aplicación más idóneo cuando es necesario investigar, de un modo rápido y económico, áreas extensas o alineaciones de gran longitud. Los trabajos de campo e interpretación de las medidas deben ser efectuados por personal muy cualificado, previo estudio detallado de la información del terreno que se haya podido obtener por otros procedimientos. En todo caso, los reconocimientos geofísicos deberán ser complementados con la realización de sondeos mecánicos que permitan confirmar, en puntos estratégicamente dispuestos, la estratigrafía y características del terreno deducidas de la interpretación de la geofísica.. 38.