UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
TESIS
“INFLUENCIA DE LA SATURACIÓN DE SUELOS FINOS EN LA ESTABILIDAD DE TALUDES, CANTERA
INAY, SAÑOS CHAUPI 2021.”
PARA OPTAR EL TITULO DE:
INGENIERO CIVIL
PRESENTADO POR:
BACH. ORIHUELA NUÑEZ JHONEL DARIO
ASESORA:
DRA. BETTY CONDORI QUISPE HUANCAYO - PERU
2023
22 %
INDICE DE SIMILITUD
22 %
FUENTES DE INTERNET
3 %
PUBLICACIONES
8 %
TRABAJOS DEL ESTUDIANTE
1 4 %
2 2 %
3 1 %
4 1 %
5 1 %
6 1 %
7 1 %
8 1 %
“INFLUENCIA DE LA SATURACIÓN DE SUELOS FINOS EN LA ESTABILIDAD DE TALUDES, CANTERA INAY, SAÑOS CHAUPI 2021
INFORME DE ORIGINALIDAD
FUENTES PRIMARIAS
hdl.handle.net
Fuente de Internet
repositorio.upeu.edu.pe
Fuente de Internet
Submitted to Universidad Nacional del Centro del Peru
Trabajo del estudiante
repositorio.uncp.edu.pe
Fuente de Internet
idoc.pub
Fuente de Internet
repositorio.ucv.edu.pe
Fuente de Internet
repositorio.uancv.edu.pe
Fuente de Internet
repositorioacademico.upc.edu.pe
Fuente de Internet
Excluir citas Apagado Excluir bibliografía Apagado
Excluir coincidencias Apagado
Humanos, Volume 1 (1985)", Brill, 1987
Publicación
i
DEDICATORIA
A Dios por darme la vida, por darme salud y guiarme en cada paso que doy.
A mi madre, por su apoyo incondicional en todo momento y por la educación que me supo brindar.
A mi padre, que está en cielo acompañándome en todo momento, a mis hermanas, maestros y amigos que contribuyeron con sus consejos y ayudándome para seguir adelante.
ii
AGRADECIMIENTOS
A mis padres, Pedro, que desde el cielo guía mis pasos en la vida, Eufrasina por su apoyo incondicional en todas las etapas de mi educación.
A mis hermanas y familiares por su apoyo y estar siempre presentes en mis logros.
Agradezco también en forma especial a mi asesora de tesis la Dra. Betty María Condori Quispe por brindarme su tiempo y conocimientos en la elaboración de la tesis.
Asimismo, agradezco a los ingenieros docentes de la FIC-UNCP por brindarme sus conocimientos de manera responsable e incondicional en mi formación académica.
iii INDICE
DEDICATORIA ... i
AGRADECIMIENTOS ... ii
INDICE DE FIGURAS... vii
INDICE DE TABLAS ... x
RESUMEN ... xii
ABSTRACT ... xiii
INTRODUCCION ... xiv
I. Planteamiento de la Investigación ... 16
1.1. Planteamiento del problema ... 16
1.2. Formulación del Problema ... 18
1.2.1. Problema General... 18
1.2.2. Problemas Específicos ... 18
1.3. Objetivos ... 18
1.3.1. Objetivo General ... 18
1.3.2. Objetivos Específicos... 18
1.4. Justificación de la Investigación ... 19
1.4.1. Justificación práctica ... 19
1.4.2. Justificación teórica ... 19
1.4.3. Justificación metodológica... 19
1.4.4. Justificación socioeconómica ... 19
1.5. Delimitación del problema ... 20
1.5.1. Espacial ... 20
1.5.2. Temporal ... 20
1.5.3. Teórica ... 20
1.6. Limitaciones ... 20
1.7. Formulación de la Hipótesis ... 21
1.7.1. Hipótesis General ... 21
1.7.2. Hipótesis Específicos ... 21
1.8. Sistema de Variables ... 21
1.9. Operacionalización de las variables ... 22
iv
II. Marco Teórico ... 23
2.1. Antecedentes Nacionales... 23
2.2. Antecedentes Internacionales ... 25
2.3. Bases Teóricas ... 27
2.3.1. Saturación de suelos ... 27
2.3.1.1. Contenido de humedad ... 28
2.3.1.2. Índice de plasticidad ... 28
2.3.2. Estabilidad de taludes ... 30
2.3.2.1. Tipos de Falla. ... 31
2.3.2.2. Parámetros de resistencia cortante ... 32
2.3.2.3. Propiedades físicas del suelo. ... 35
2.3.2.4. Factor de seguridad de un talud. ... 37
2.3.2.5. Método de Equilibrio Limite. ... 39
2.3.2.6. Análisis Pseudoestático de taludes ... 42
2.4. Definición de términos ... 44
III. Metodología de la Investigación ... 46
3.1. Método de investigación ... 46
3.2. Tipo de Investigación ... 46
3.3. Enfoque de la Investigación ... 46
3.4. Nivel de la Investigación ... 46
3.5. Diseño de la Investigación ... 46
3.6. Población y Muestra ... 47
3.6.1. Población... 47
3.6.2. Muestra ... 48
3.6.3. Muestreo ... 49
3.7. Técnicas e Instrumentos de recolección de datos... 49
3.7.1. Técnica ... 49
3.7.2. Instrumento ... 49
3.8. Procedimientos de recolección de datos... 51
3.8.1. Descripción de la zona en estudio ... 51
3.8.2. Ubicación geográfica, extensión y limites ... 51
3.8.3. Características de la zona en estudio ... 52
3.8.3.1. Topografía y clima ... 52
3.8.3.2. Población ... 52
v
3.8.4. Exploración de campo... 53
3.8.5. Recolección de datos en campo ... 53
3.8.5.1. Levantamiento topográfico ... 53
3.8.5.2. Puntos de muestreo ... 54
3.8.6. Recolección de datos en laboratorio ... 56
3.8.6.1. Determinación del contenido de humedad ... 57
3.8.6.2. Determinación del límite liquido ... 58
3.8.6.3. Determinación del límite plástico ... 59
3.8.6.4. Análisis granulométrico por tamizado ... 61
3.8.6.5. Determinación peso volumétrico de suelo cohesivo ... 62
3.8.6.6. Gravedad especifica de solidos... 63
3.8.6.7. Ensayo Proctor modificado ... 64
3.8.6.8. Prueba de saturación ... 65
3.8.6.9. Ensayo corte directo ... 67
3.8.6.10. Ensayo triaxial ... 70
IV. Análisis, Resultados y Discusiones ... 74
4.1. Influencia del grado de saturación en las propiedades físicas de los suelos finos ... 74
4.1.1. El contenido de humedad dentro del análisis de la saturación de suelos finos. ... 74
4.1.2. Clasificación SUCS y AASHTO del suelo fino. ... 75
4.1.3. Influencia del grado de saturación en la densidad del suelos finos. ... 78
4.2. Influencia del grado de saturación en los parámetros de resistencia cortante de los suelos finos. 82 4.2.1. Cálculo de la Gravedad específica de los sólidos para la obtención de la curva de saturación ... 82
4.2.2. Desarrollo de la prueba de saturación ... 82
4.2.3. Determinación de los parámetros de resistencia al corte ... 83
4.2.4. Influencia del grado de saturación en la cohesión y ángulo de fricción interna de los suelos finos. ... 85
4.3. Cálculo del Factor de Seguridad durante el proceso de saturación de los suelos finos . 88 4.3.1. Análisis de estabilidad de taludes ... 88
4.3.1.1. Condiciones actuales ... 88
4.3.1.2. Análisis por equilibrio límite ... 88
4.3.1.3. Sección evaluada para la estabilidad de talud ... 89
4.3.2. Análisis de estabilidad de taludes en condiciones estáticas ... 91
4.3.3. Análisis de estabilidad de taludes en condiciones Pseudoestáticas ... 102
vi
4.4. Influencia del grado de saturación en la estabilidad de suelos finos de la Cantera Inay 115
4.5. Contraste de hipótesis... 117
4.5.1. Contraste de la primera hipótesis específica ... 117
4.5.2. Contraste de la segunda hipótesis específica ... 119
4.5.3. Contraste de la tercera hipótesis especifica ... 122
4.5.4. Contraste de la hipótesis general ... 125
4.6. Discusión de resultados ... 126
4.6.1. Discusión 01... 126
4.6.2. Discusión 02... 126
4.6.3. Discusión 03... 127
4.6.4. Discusión 04... 127
V. Conclusiones y Recomendaciones... 129
5.1. Conclusiones ... 129
5.2. Recomendaciones ... 131
VI. Referencias Bibliográficas ... 132
Anexos ... 135
vii INDICE DE FIGURAS
Figura 1: Limites de Atterberg ... 30
Figura 2: Falla por deslizamiento ... 31
Figura 3: Falla por movimiento del cuerpo de un talud ... 32
Figura 4: Falla por flujos en el suelo ... 32
Figura 5: Circulo de Mohr y envolvente de falla ... 34
Figura 6: Fuerzas intervinientes en el analisis pseudoestático ... 42
Figura 7: Ubicación geográfica de Saños Chaupi ... 51
Figura 8: Ubicación de la cantera Inay en Saños Chaupi ... 52
Figura 9: Superficie de Levantamiento Topográfico de la cantera Inay ... 53
Figura 10: Perfil Longitudinal del talud de la cantera Inay ... 54
Figura 11: Ejecución del punto de exploración P-01 ... 55
Figura 12: Ejecución del punto de exploración P-02 ... 55
Figura 13: Ejecución del punto de exploración P-03 ... 56
Figura 14: Procedimiento del ensayo de contenido de humedad en suelos ... 58
Figura 15: Procedimiento del ensayo de limite liquido ... 59
Figura 16: Procedimiento del ensayo de límite plástico e índice de plasticidad ... 60
Figura 17: Procedimiento del ensayo de granulometría por tamizado ... 61
Figura 18: Procedimiento del ensayo de peso volumetrico de suelo cohesivo ... 62
Figura 19: Procedimiento del ensayo de Gravedad específica de solidos ... 63
Figura 20: Procedimiento del ensayo de Proctor modificado ... 65
Figura 21: Procedimiento de la prueba de saturacion ... 67
Figura 22: Procedimiento del ensayo de Corte Directo ... 70
viii
Figura 23: Procedimiento del ensayo Triaxial No Consolidado No Drenado ... 73
Figura 24: Variación del contenido de humedad bajo diferentes grados de saturación ... 74
Figura 25: Curva granulométrica de los tres puntos de exploración por tamizado ... 77
Figura 26: Curva de compactación del punto de muestreo C-01 ... 79
Figura 27: Curva de compactación del punto de muestreo TCH-01 ... 79
Figura 28: Curva de compactación del punto de muestreo TCH-02 ... 80
Figura 29: Variación de la densidad de la arcilla bajo diferentes grados de saturación ... 81
Figura 30: Curva de saturación de la arcilla para la muestra representativa ... 83
Figura 31: Variación de la Cohesión de la arcilla con diferentes grados de saturación ... 85
Figura 32: Variación del ángulo de fricción bajo diferentes grados de saturación ... 86
Figura 33: Sección del talud de la Cantera Inay para el análisis de estabilidad de taludes ... 89
Figura 34: Disposición del estrato para el modelamiento del talud en el software Slide v6.0 ... 90
Figura 35: Disposición del nivel freático para el modelamiento del talud en el software Slide v6.0 ... 90
Figura 36: FS para la sección MBS para TCH-01(Gw=0.00%) condición estática ... 91
Figura 37: FS para la sección MBS para Gw=10.05%, condicion estática ... 92
Figura 38: FS para la sección MBS para Gw=27.02%,condicion estática ... 93
Figura 39: FS para la sección MBS para Gw=39.09%, condicion estática ... 94
Figura 40: FS para la sección MBS para Gw=55.11%, condicion estática ... 95
Figura 41: FS para la sección MBS para Gw=79.07%, condicion estática ... 96
Figura 42: FS para la sección MBS para Gw=86.90%, condicion estática ... 97
Figura 43: FS para la sección MBS para Gw=91.88%, condicion estática ... 98
Figura 44: FS para la sección MBS para Gw=94.91%, condicion estática ... 99
ix
Figura 45: FS para la sección MBS para Gw=97.30%, condicion estática ... 100
Figura 46: FS para la sección MBS para Gw=99.87%, condicion estática ... 101
Figura 47: FS para la sección MBS para TCH-01(Gw=0.00%) condición pseudoestática ... 102
Figura 48: FS para la sección MBS para Gw=10.05%, condicion pseudoestática ... 103
Figura 49: FS para la sección MBS para Gw=27.02%, condicion pseudoestática ... 104
Figura 50: FS para la sección MBS para Gw=39.09%, condicion pseudoestática ... 105
Figura 51: FS para la sección MBS para Gw=55.11%, condicion pseudoestática ... 106
Figura 52: FS para la sección MBS para Gw=79.07%, condicion pseudoestática ... 107
Figura 53: FS para la sección MBS para Gw=86.90%, condicion pseudoestática ... 108
Figura 54: FS para la sección MBS para Gw=91.88%, condicion pseudoestática ... 109
Figura 55: FS para la sección MBS para Gw=94.91%, condicion pseudoestática ... 110
Figura 56: FS para la sección MBS para Gw=97.30%, condicion pseudoestática ... 111
Figura 57: FS para la sección MBS para Gw=99.87%, condicion pseudoestática ... 112
Figura 58: Variación del Factor de Seguridad en función del grado de saturación en condiciones estáticas ... 113
Figura 59: Variación del Factor de Seguridad en función del grado de saturación en condiciones pseudoestáticas ... 114
Figura 60: Análisis comparativo de la variacion del FS con el %Gw para condiciones estáticas y pesudoestaticas ... 115
x INDICE DE TABLAS
Tabla 1: Operacionalización de variables ... 22
Tabla 2: Valores del factor de seguridad ... 38
Tabla 3: Índice de estabilidad y clase de estabilidad ... 38
Tabla 4: Factores de Seguridad a emplear en el Análisis de estabilidad de taludes ... 38
Tabla 5: Coeficiente sismico en el análisis de estabilidad de taludes ... 43
Tabla 6: Total de ensayos realizados ... 48
Tabla 7: Total de material requerido para los ensayos ... 49
Tabla 8: Normativa de los ensayos de laboratorio a utilizar en la investigación ... 56
Tabla 9: Resultados del ensayo de contenido de humedad en laboratorio ... 74
Tabla 10: Resultados del ensayo de límites e índice de plasticidad ... 75
Tabla 11: Fracción granulométrica de las partículas que pasan de los tres puntos de muestreo .. 76
Tabla 12: Resultados de la clasificación de los suelos ... 77
Tabla 13: Resultados del ensayo de peso volumétrico de suelos cohesivos ... 78
Tabla 14: Resumen de Densidad seca máxima y Contenido de humedad óptimo para los tres puntos de muestreo ... 80
Tabla 15: Resultados del ensayo de Gravedad especifica de los solidos ... 82
Tabla 16: Resultado del ensayo de saturación de la arcilla para la muestra representativa ... 83
Tabla 17: Resultados del ensayo de corte directo de los tres puntos de muestreo... 84
Tabla 18: Resultados del ensayo Triaxial de los tres puntos de muestreo ... 84
Tabla 19: Parámetros de resistencia al corte con diferentes grados de saturación ... 85
Tabla 20: Resumen del FS para diferentes grados de saturación, condición estática ... 101
Tabla 21: Resumen del FS para diferentes grados de saturación, condición pseudoestática ... 112
xi
Tabla 22: Resultados SPSS prueba de normalidad he1 ... 117
Tabla 23: Resultados SPSS Correlación de variables he1 ... 117
Tabla 24: Prueba ANOVA de un factor he1 ... 118
Tabla 25: Prueba Post Hoc de Tukey he1 ... 118
Tabla 26: Resultados de la prueba T en el SPSS he1 ... 119
Tabla 27: Resultados SPSS prueba de normalidad de variables he2(I). ... 119
Tabla 28: Resultados SPSS prueba de normalidad de variables he2(II). ... 119
Tabla 29: Resultados SPSS prueba de correlación de variables he2(I) ... 120
Tabla 30: Resultados SPSS prueba de correlación de variables he2(II) ... 120
Tabla 31: Prueba ANOVA de un factor he2 ... 121
Tabla 32: Prueba Post Hoc de Tukey he2 ... 121
Tabla 33: Resultados prueba T en SPSS he2(I) ... 122
Tabla 34: Resultados prueba T en SPSS he2(II) ... 122
Tabla 35: Resultados en SPSS de la prueba de normalidad he3 ... 122
Tabla 36: Resultados en SPSS de la prueba de correlación he3 ... 123
Tabla 37: Prueba ANOVA de un factor he3 ... 123
Tabla 38: Prueba Post Hoc de Tukey he3 ... 124
Tabla 39: Resultados en SPSS de la prueba T he3 ... 124
xii RESUMEN
El objetivo principal de la presente investigación es determinar la influencia del grado de saturación de suelos finos en la estabilidad de taludes dentro de una cantera de arcilla Inay en el anexo de Saños Chaupi.
Para lo cual se diseñó una programación de exploración de campo para la selección de la muestra más conveniente para el estudio, ensayos de laboratorio como una herramienta de obtención de datos, las muestras que se recolectaron fueron de tres puntos de muestreo dentro de la zona más vulnerable a deslizamientos, debido a las excavaciones que se realizan para trabajos en la elaboración de ladrillos artesanales. Definida las muestras de suelo más adecuadas para la investigación, se diseñó un programa de ensayos por cada punto de muestreo, pero con la variación del contenido de humedad por ende garantizando diferentes grados de saturación de la arcilla, para determinar así el cambio que ocasiona en las propiedades físicas, parámetros al corte y la estabilidad del talud.
Los datos obtenidos del programa de ensayos realizados en laboratorio fueron estructurados que tal forma que mide la variación de la humedad, la densidad, los vacíos, la cohesión, el ángulo de fricción interna del suelo frente al grado de saturación. La cohesión varia de 14kpa a un máximo de 46.28kpa en su saturación máxima, por otro lado, el ángulo de fricción varia un mínimo de 5.10° cuando está saturado al 100% a un máximo de 28.50° cuando la arcilla toma su humedad óptima. Estos resultados a su vez conllevan al cálculo del factor de seguridad del talud que varía por efecto del grado de saturación de 1.67 a 0.36 y de 1.18 a 0.25 en condiciones estáticas y pseudoestaticas respectivamente, consiguiendo así medir y analizar la estabilidad del talud de la cantera.
De la investigación se deduce, el factor de seguridad se eleva ligeramente a medida que aumenta del grado de saturación hasta el punto donde el suelo adquiere su contenido de humedad optimo, así como su máxima densidad, a partir de ahí el factor de seguridad disminuye notoriamente conforme el grado de saturación llegue al 100% teniendo un suelo con sus vacíos llenos de agua.
Palabras clave: saturación de suelos, estabilidad de taludes, grados de saturación en arcillas, factor de seguridad de suelos limo arcillosos.
xiii ABSTRACT
The main objective of this research is to determine the influence of the degree of saturation of fine soils on the stability of slopes within an Inay clay quarry in the Saños Chaupi annex.
For which a field exploration schedule was designed for the selection of the most convenient sample for the study, laboratory tests as a data collection tool, the samples that were collected were from three sampling points within the closest area. vulnerable to landslides, due to the excavations that are carried out for works in the elaboration of artisan bricks. Once the most suitable soil samples for the investigation have been defined, a test program was designed for each sampling point, but with the variation of the moisture content, thus guaranteeing different degrees of saturation of the clay, in order to determine the change that it causes in physical properties, cutting parameters and slope stability.
The data obtained from the test program carried out in the laboratory were structured in such a way that it measures the variation of humidity, density, voids, cohesion, the angle of internal friction of the soil compared to the degree of saturation. The cohesion varies from 14kpa to a maximum of 46.28kpa at its maximum saturation, on the other hand, the friction angle varies from a minimum of 5.10° when it is 100% saturated to a maximum of 28.50° when the clay reaches its optimum moisture. These results in turn lead to the calculation of the safety factor of the slope that varies due to the effect of the degree of saturation from 1.67 to 0.36 and from 1.18 to 0.25 in static and pseudostatic conditions respectively, thus being able to measure and analyze the stability of the slope of the quarry.
From the investigation it can be deduced that the safety factor rises slightly as the degree of saturation increases up to the point where the soil acquires its optimum moisture content, as well as its maximum density, from there the safety factor decreases significantly. as the degree of saturation reaches 100% having a soil with its voids filled with water.
Keywords: Soil saturation, slope stability, degrees of saturation in clays, safety factor of clayey soils.
xiv
INTRODUCCION
La presente tesis se ha desarrollado con el fin de conocer la influencia que genera la saturación de suelos finos en la estabilidad de un determinado talud compuesto por estos. Es cierto que en algunos casos un talud conformado por suelos finos como los limos y las arcillas puede lograr una compactación y consolidación muy efectiva a través del tiempo, principalmente ante la ausencia de periodos prolongados de infiltración de agua, manteniéndose estable a circunstancias adversas como a cortes transversales que pueden tener su origen en los trabajos de explotación de arcillas para la elaboración de ladrillos. Sin embargo, esta seguridad ante deslizamientos se ve comprometida con la llegada de la época de lluvias, las precipitaciones con periodos largos con moderada intensidad pueden reactivar fallas profundas o poco profundas dentro del cuerpo del talud modificando su consistencia, generando presiones de poro en su interior, llegando a producir con el paso del tiempo su inestabilidad y posibles deslizamientos de tierra.
Con la presente investigación se pretende conocer la variación del factor de seguridad a medida que el suelo aumenta su saturación de tal manera que conozcamos a que grado de saturación, contenido de humedad el suelo deja de ser estable y pasa a la inestabilidad que significaría un peligro para los pobladores que realizan trabajos con la arcilla de la cantera.
El desarrollo de la presente tesis cuenta con los siguientes capítulos.
El capítulo I está conformada por el planteamiento del problema, la formulación de los problemas generales y específicos, los objetivos generales y específicos, la formulación de la hipótesis y las variables de investigación.
El capítulo II corresponde al marco teórico de la investigación dentro del cual se presenta los antecedentes tanto nacionales como internacionales que amplían y sirven como base para el estudio. También se presenta las bases teóricas que describen las propiedades, parámetros de corte, comportamiento de suelos finos frente al agua, como también las teorías de análisis de estabilidad de taludes como el Bishop Simplificado, el método de Spencer, Morgenstern-Price, entre otros, cuya finalidad es conocer el factor de seguridad ante deslizamientos.
El capítulo III corresponde al marco metodológico empleado en la presente tesis, donde se detalla el nivel, tipo, diseño de la investigación, así como también la población y muestra requeridos para el estudio.
xv
El capítulo IV se desarrolla el análisis de cada problema, la utilización de la información para la obtención de datos en el laboratorio los tratamientos que se da a la variable independiente dependiendo de la metodología, para así llegar a los resultados que se espera alcanzar y finalizar con la discusión de cada uno de los problemas que se planteó en la investigación.
El capítulo V corresponde a las conclusiones que se llega después de los resultados obtenidos, así como también de las recomendaciones que se hace referentes a cada punto que se investigó.
En el capítulo VI se presenta la bibliografía que se consultó durante el desarrollo de la tesis.
16 I. Planteamiento de la Investigación
1.1. Planteamiento del problema
Con el inminente avance de la construcción en todo el valle del Mantaro y las demandas que esta conlleva para con los materiales de construcción específicamente las unidades de albañilería (ladrillos), se busca bancos de tierra arcillosa para su explotación, que por lo general pueden provocar una inestabilidad en los taludes naturales compuestos por suelos finos producto de las excavaciones sin supervisión técnica.
En ciertos casos un talud conformado por suelos finos como los limos y las arcillas puede lograr una compactación y consolidación muy efectiva, principalmente ante la ausencia de periodos prolongados de infiltración de agua, manteniéndose estable incluso a cortes verticales en su estructura que son ocasionados por los trabajos de explotación de arcillas. Pero la seguridad ante deslizamientos puede verse comprometida con la llegada de la época de lluvias, las precipitaciones con periodos largos con moderada intensidad pueden reactivar fallas profundas o poco profundas dentro del cuerpo del talud modificando su consistencia, generando presiones de poro en su interior, llegando a producir con el paso del tiempo su inestabilidad y un inminente colapso.
La inestabilidad de los taludes naturales como consecuencia se puede ver reflejado en deslizamientos de tierras que podrían cobrar vidas humanas y otros múltiples daños en la actividad de elaboración de ladrillos artesanales. En gran parte las pérdidas causadas por derrumbes de tierra se pueden eludir con antelación sin ocasionar contratiempos.
Es por ello que en la presente tesis se estudió el efecto que tuvo en la estabilidad del talud natural las alteraciones en el grado de saturación de suelos finos, que conforman en conjunto a la cantera Inay, bajo ciertas condiciones del grado de consolidación y drenaje. Se calculó las propiedades físicas de dicho suelo mediante ensayos normalizados para conocer sus características más importantes, del mismo modo se observó qué alteración provoca el humedecimiento paulatino de la superficie del talud en los parámetros de resistencia al corte del suelo y haciendo uso de los métodos de equilibrio límite como son el Bishop riguroso, Morgenstern-Price, Spencer se calculó el factor de seguridad y evaluó la estabilidad del talud en estudio.
17
Con este análisis de la cantera Inay, se pudo cuantificar el factor de seguridad del talud y posteriormente conocer los grados de amenaza y riesgo que esto implica para las familias que viven cercanas a la cantera en el anexo de Saños Chaupi.
18 1.2. Formulación del Problema
1.2.1. Problema General
¿Cuál es la influencia de la saturación de suelos finos en la estabilidad de taludes, cantera Inay, Saños Chaupi 2021?
1.2.2. Problemas Específicos
¿Cómo influye la saturación en las propiedades físicas de suelos finos, cantera Inay, Saños Chaupi 2021?
¿De qué manera influye la saturación en los parámetros de resistencia cortante de suelos finos, cantera Inay, Saños Chaupi 2021?
¿Cuál es el factor de seguridad de estabilidad del talud durante la saturación de suelos finos, cantera Inay, Saños Chaupi 2021?
1.3. Objetivos
1.3.1. Objetivo General
Determinar la influencia de la saturación de suelos finos en la estabilidad de taludes, cantera Inay, Saños Chaupi 2021.
1.3.2. Objetivos Específicos
Determinar la influencia de la saturación en las propiedades físicas de suelos finos, cantera Inay, Saños Chaupi 2021.
Determinar la influencia de la saturación en los parámetros de resistencia cortante de suelos finos, cantera Inay, Saños Chaupi 2021.
19
Calcular el factor de seguridad del talud durante la saturación de suelos finos, cantera Inay, Saños Chaupi 2021.
1.4. Justificación de la Investigación
1.4.1. Justificación práctica
La presente investigación da a conocer como se origina la inestabilidad de taludes dentro de la cantera Inay, para un posterior deslizamiento de tierra en época de lluvias durante los meses de diciembre a abril principalmente.
1.4.2. Justificación teórica
Esta investigación busca conocer mediante un programa de ensayos normalizados la incidencia de la saturación en bancos de suelos arcillosos que forman taludes, haciendo uso del equipo de corte directo y/o triaxial. Asimismo, advertir un rango del grado de saturación para las arcillas, que aseguren una estabilidad del talud de la cantera, de tal forma notar con que cantidad de agua en el suelo éste presenta una inestabilidad y posible colapso que significaría un riesgo para las familias que viven en los alrededores.
1.4.3. Justificación metodológica
Con el presente trabajo se desarrolló un análisis comparativo entre el grado de saturación de la arcilla en condiciones iniciales secas insaturadas (patrón) y de arcillas a diferentes porcentajes de humedad, y así analizar su factor de seguridad mediante un análisis de estabilidad de taludes en cada estado que se propone.
1.4.4. Justificación socioeconómica
La explotación de la cantera de suelos finos Inay se realiza con la única intención de fabricar unidades de albañilería de forma artesanal para su comercialización, producto de esta actividad y sumando la llegada de la época de lluvias se podría generar una inestabilidad de taludes.
Por ende, es muy importante conocer la influencia que tendrá el contenido de agua proveniente de
20
las precipitaciones en el suelo que conforma el talud de la cantera en el comportamiento del talud frente a fallas en su interior, con la cooperación de conocimientos de mecánica de suelos y ensayos normalizados en laboratorio se determinó los parámetros de resistencia al corte necesarios para el análisis, que a su vez sirvió para conocer si el talud en estudio es estable o inestable.
1.5. Delimitación del problema
1.5.1. Espacial
El presente trabajo será desarrolló en la cantera Inay en el Anexo de Saños Chaupi, Distrito de El Tambo, Provincia de Huancayo, que se encuentra a una altitud de 3450 m.s.n.m.
1.5.2. Temporal
La investigación se desarrolló entre el mes de diciembre de 2021 hasta el mes de abril del año 2022.
1.5.3. Teórica
El dominio teórico donde se circunscribe el problema sería: saturación de suelos, criterio de Mohr Coulomb, análisis geotécnico de deslizamientos, análisis de estabilidad de taludes.
1.6. Limitaciones
Con el presente estudio se determinó la estabilidad del talud en la cantera de arcilla Inay, por medio de la cuantificación del factor de seguridad, para ello se necesitó conocer las propiedades del suelo y su comportamiento resistente a derrumbes de tierra frente al aumento del contenido de agua. El suelo en estudio estuvo bajo ciertas condiciones en relación al grado de consolidación y la posibilidad de drenaje, que son muy complejas al momento de llevarlas a su análisis en laboratorio, principalmente asemejarlas a la realidad en el campo.
21 1.7. Formulación de la Hipótesis
1.7.1. Hipótesis General
La saturación de suelos finos influye perjudicialmente en la estabilidad de taludes, cantera Inay, Saños Chaupi 2021.
1.7.2. Hipótesis Específicos
h1: las propiedades físicas de los suelos finos se modifican ligeramente debido a la saturación, cantera Inay, Saños Chaupi 2021.
h2: los parámetros de resistencia cortante se alteran de manera desfavorable debido a la saturación de suelos finos, cantera Inay, Saños Chaupi 2021.
h3: el factor de seguridad del talud se reduce significativamente debido a la saturación de suelos finos, cantera Inay, Saños Chaupi 2021.
1.8. Sistema de Variables
VARIABLE INDEPENDIENTE (VI): Saturación de suelos.
VARIABLE DEPENDIENTE (VD): Estabilidad de taludes.
22 1.9. Operacionalización de las variables
Tabla 1: Operacionalización de variables
VARIABLES DEFINICION
CONCEPTUAL DEFINICION
OPERACIONAL DIMENSIONES INDICADORES INSTRUMENTO ESCALA
VARIABLE INDEPENDIENTE (VI): Saturación de
suelos.
La saturación de un suelo se refiere al proceso por el cual los espacios vacíos dentro de la estructura del suelo
se repletan de agua.
La saturación del suelo en el cuerpo del talud será debido a las precipitaciones pluviales moderadas con periodos largos en la época de lluvias, que pueden ocasionar a la vez alteraciones en la estabilidad del talud, viéndose reflejado en deslizamientos y fallas por infiltración.
D1: Contenido de
humedad en el suelo. I1: Ensayo de contenido
de humedad. Ficha de observación -De razón (Porcentaje)
-De razón (Porcentaje).
D2: Volumen de vacíos
en el suelo. I2: Ensayo Gravedad
específica de los sólidos. Ficha de observación
VARIABLE DEPENDIENTE (VD):
Estabilidad de taludes
Estudio para comprobar la seguridad de laderas ya sean estas naturales, artificiales, así como los terraplenes, ante el riesgo de deslizamiento del suelo que lo conforma.
La estabilidad de taludes es un proceso que implica caracterizar el suelo que compone el talud teniendo en cuenta factores intervinientes como la topografía y la infiltración de agua, así como hallar y equiparar al esfuerzo cortante que tiende a ocasionar fallas, con su resistencia desarrollado por el suelo gracias a su fuerza de cohesión que dará lugar a la obtención del factor de seguridad del talud.
D1: Propiedades físicas
del suelo. I1: Ensayo de límites de consistencia del suelo I2: Ensayo de proctor modificado.
I3: Granulometría del suelo.
Ficha de observación -De razón
-De razón (Grados, kpa)
-De razón
D2: Parámetros de resistencia cortante.
I2: Ensayo de corte directo.
I3: Ensayo triaxial.
Ficha de observación Equipo de corte directo.
Equipo de compresión Triaxial.
D3: Factor de seguridad I1: Métodos de equilibrio limite.
I2: Método de estabilidad global
Ficha de observación
Fuente: Elaboración propia
23 II. Marco Teórico
2.1. Antecedentes Nacionales
Bermudez Lopez & Castañeda Mora (2020), en su tesis “Análisis de la influencia de la succión del suelo en la resistencia al corte dentro de la estabilidad de taludes” tuvo como objetivo verificar los efectos de la succión del suelo en estudio, con un efectivo análisis de estabilidad, propiamente en tres tramos de carretera, además de confirmar si la resistencia del suelo se ve afectada por la infiltración a través de un determinado tiempo. La metodología de esta investigación es de tipo aplicada y de nivel explicativa. En los resultados se observa que predomina una relación directamente proporcional muy notoria entre la succión y la resistencia al corte del suelo que se está analizando. Dicho de otro modo, a mayor fuerza cohesiva o resistencia cortante, el suelo muestra una mayor capacidad de succión. Finalmente, fija como conclusiones que cuanto más un suelo sea fino como las arcillas y limos, se puede decir que una gran succión significa una gran resistencia al corte, pero dentro de un análisis de talud podemos ver un comportamiento diferente ya que en este estudio entran a tallar su estratigrafía, textura, así como sus parámetros geométricos.
Linares Ramos & Mejia Melo (2020), en su tesis titulada “Análisis de la envolvente de falla de un suelo fino mediante la succión matricial utilizando el método de talud infinito aplicado a una cobertura de talud” que tiene como objetivo gestar la envolvente de falla de un suelo fino con la presencia de infiltración para así disponer la estimación del factor de seguridad con el uso de métodos eficaces. La metodología que se emplea en el estudio es de diseño experimental con grupo de control y de un nivel descriptivo. La investigación tiene como resultados obtuvo la envolvente de falla del suelo arcilloso utilizando el ensayo de corte directo y realizando sus respectivos gráficos mediante, como la curva de retención del suelo donde también se aprecia la existencia de dos tipos de arcillas. Finalmente concluye que para posibles diseños de infraestructura geotécnica y también infraestructura vial, dentro de su estudio de manera gráfica se extraerá valores de esfuerzo al corte a diferentes condiciones del suelo gracias a la envolvente de falla del talud desarrollada en la investigación.
24
Mamani (2019), en su tesis que lleva como título “Análisis de estabilidad de taludes para explotación de cantera de arcilla en el Distrito de Paccha, Provincia de la Oroya, Junín”, tiene principal objetivo cuantificar el factor de seguridad de los bancos de arcilla modificadas en su geometría con la intención de minimizar el volumen de suelo que se excava diariamente y mejorar su explotación. El investigador aplica una metodología de diseño no experimental del tipo transversal, además de analizar el talud en un tiempo y con el uso del software para este tipo de estudio. Los resultados del trabajo de investigación muestran factores de seguridad óptimos recomendados en los análisis estáticos como pseudoestáticos, para ello hizo uso del método de Janbu que considera un tipo de superficie de falla no circular y una constante de corrección que lo modifica ligeramente. Finalmente tiene como conclusiones, que debido a las lluvias el pie del talud cada vez más se va erosionando y socavando, es por ello que se encarga la construcción de una canal de coronación enlucido de cemento para asegurar la no infiltración.
Torres Rodriguez (2019), en su tesis que lleva como título “Incidencia del grado de saturación de los suelos colapsables en la estabilidad de taludes del puerto de Paita-Piura, en el año 2019.” tiene como objetivo general demostrar fehacientemente la influencia de la variación de la saturación en suelos que pueden colapsar para la estabilidad del talud presente en el puerto donde va direccionado su estudio. El investigador aplica la metodología de diseño experimental, con grupos de control y experimental, haciendo uso de la observación directa y como instrumento de la guía de observación basado fichas observación. El estudio obtuvo como resultados que los suelos que constituyen los taludes del puerto de Paita manifiestan bajas densidades, conjuntamente con bajos contenidos de humedad y cuanto más se saturan disminuyen sus propiedades mecánicas de resistencia. Finalmente tiene como conclusiones, que los suelos que tienden a colapsar a un grado de saturación del 55% permanecen estables con factores de seguridad que van entre los 1.2 a 1.5.
25 2.2. Antecedentes Internacionales
Bejarano, Corrales, & Realpe (2015), en su tesis que lleva como título “Determinación de curvas de retención de agua para suelos no saturados y su relación con la estabilidad de taludes”, el objetivo principal es ilustrar la curva de retención de agua en suelos y el predominio que tiene para la estabilidad del talud. La metodología que se emplea en la investigación es de un nivel descriptivo y también de tipo aplicada. Como resultados se estableció que el suelo a mayor profundidad posee más cantidades de arcilla lo que hace que enormes volúmenes de agua se queden retenidos por mucho tiempo ya que la succión en este tipo de suelos en muy baja y favorece a crear una inestabilidad del suelo. La investigación tiene como conclusiones, que es idóneo someter las muestras de suelo a períodos de tiempo más prolongados de succión, así se logra reflejar mejor el trazo de la curva de retención de agua.
Valverde Ruiz (2010), en su tesis que lleva como título “Análisis de la influencia de la precipitación en el esfuerzo de succión y la estabilidad de un talud” su objetivo general es de analizar de como la precipitación interviene en la fuerza de succión y la estabilidad del talud en estudio. La metodología utilizada en la investigación es de diseño no experimental longitudinal, sin grupos de control o experimentales y de nivel descriptivo. Se obtuvo como resultados que se alcanzan y se manifiesta una relación inversamente proporcional prevaleciente entre el contenido de humedad y la succión del suelo en estudio, se evidencia que a medida que la humedad se acrecienta la succión se aminora. Finalmente da como conclusiones de la investigación que el esfuerzo de succión es parte de las fuerzas que estabilizan al talud dentro del análisis, además que la relación con el factor de seguridad es directamente proporcional.
Gallegos Fonseca & Leal Vaca (2012), en su artículo titulado “Efecto de la succión en la estabilidad de un talud de arena limosa” tiene como objetivo general la evaluación y análisis de las fuerzas de resistencia cortante de arcillas frente a cambios en la saturación originados por medio de las lluvias muy prolongadas dentro de un área determinada. La investigación tiene como resultados lograr esquematizar la curva característica del suelo en trayectoria de secado y humedecimiento, por intermedio de los ensayos triaxiales consolidados drenados. Finalmente, la
26
investigación da como conclusión que una vez que el suelo adquiera un nivel de saturación cerca al 90%, el talud tiene un inminente fallo y se desliza circularmente pasando por la base.
Rojas Gonzalez (2012), en su artículo titulado “Efecto de la saturación en el deslizamiento de talud en la comunidad San Juan de Grijalva, Chiapas” tiene de objetivo general probar el efecto que ocasionara la saturación en los parámetros de resistencia al corte del suelo que conforma al talud, así como un estudio de flujos de agua presentes en profundidades superficiales dentro de laderas naturales. Como resultados de la investigación se logró obtener una simulación de los flujos de agua dentro del talud, comenzando con el estado inicial que compete al contenido de humedad inicial presente en el suelo, luego de un periodo de lluvia de 34 días la infiltración de agua logra coincidir con la superficie de falla del talud. Finalmente el estudio tiene como conclusiones, que la humedad pasada el 33% ocasiona un deslizamiento de tierra de tipo superficial poniendo en peligro la seguridad de la comunidad, además a medida que la saturación se acreciente, el factor de seguridad hará lo contrario.
27 2.3. Bases Teóricas
2.3.1. Saturación de suelos
El grado de saturación de un suelo es la división de su volumen de agua que se encuentra en su interior y su volumen de vacíos. Este valor por lo regular se expresa como porcentaje de la siguiente forma:
𝐺(%) =𝑉𝑤 𝑉𝑣𝑥100
Varia de cero (0) que sería un suelo seco, a cien (100) que sería un suelo totalmente saturado.
El grado de saturación en este caso se evalúa dependiendo de las lluvias que azotan la zona de trabajo, también se puede hacer de forma forzada manipulando el contenido de humedad, pero para un mejor entendimiento y ver los fenómenos en su estado natural es mejor depender de las precipitaciones pluviales. (Abramson L., 2002).
La saturación en muchos casos pasa desapercibida cuando un suelo tiene velocidad de drenaje mayor a la de succión infiltración, en el caso de tener un suelo de partículas finas como las arcillas o los limos el drenaje de vaciado de poros es un tanto más tardía por lo cual esta agua que se almacena en sus vacíos puede provocar que la resistencia de cohesión del suelo decrezca y afectar a su estabilidad.
Cuando se suele hablar del grado de saturación en este caso se evalúa dependiendo de las lluvias que azotan la zona de estudio, también se puede hacer de forma forzada manipulando el contenido de humedad dentro del suelo, pero para un mejor entendimiento y ver los fenómenos en su estado natural es mejor depender de las precipitaciones. (Bermudez Lopez & Castañeda Mora, 2020).
Muchas veces un talud conformado por suelos finos arcillosos puede lograr una compactación y consolidación muy sólida, principalmente ante la ausencia de la infiltración de agua en su estructura, manteniéndose estable incluso a cortes verticales que son ocasionados por los trabajos de explotación de arcillas. Pero la seguridad ante deslizamientos puede verse muy comprometida con la llegada de las lluvias, las precipitaciones con periodos largos con moderada intensidad pueden reactivar fallas profundas o poco profundas dentro del cuerpo del talud
28
modificando su consistencia, generando presiones de poro en su interior, llegando a producir con el paso del tiempo su inestabilidad y un inminente colapso. (Gallegos Fonseca & Leal Vaca, 2012).
La inestabilidad de los taludes en estos casos puede cobrar vidas humanas y otros cuantiosos daños en las actividades artesanales especialmente con la arcilla, no obstante, estas pérdidas causadas por derrumbes de laderas se pueden eludir con antelación estudiando la seguridad de un talud que este próximo a un centro poblado o casas aledañas a éste. (Morales Chura, 2019).
2.3.1.1. Contenido de humedad
Es el agua que se localiza dentro de una muestra de suelo, se puede cuantificar este valor como la división del peso de agua entre el peso de los sólidos contenidos en el mismo y al igual que la saturación se mide en porcentaje (Braja Das, Fundamento de Ingeniería Geotécnica, 1999).:
𝑤(%) = 𝑊𝑤 𝑊𝑠 𝑥100
La cantidad de agua localizada en una masa de suelo en estudio, se expresa como 𝑊𝑤 y se puede medir en peso como en volumen. (Rico Rodriguez, 1994).
La cantidad de solidos localizados en una masa de suelo, se expresa como 𝑊𝑠 y se puede medir tanto en peso como en volumen, este último relacionado como la porosidad del material.
(Rico Rodriguez, 1994).
2.3.1.2. Índice de plasticidad
Es un valor que presenta cuanto el suelo es plástico, depende mucho de la cantidad de agua que tenga en su interior y de la cantidad de arcilla que permitirá que el suelo cambie de diferentes formas, pero sin cambiar de volumen. Este índice es la resta del límite líquido y el limite plástico, una forma de diferenciar los limos y las arcillas es que los primeros tienen un IP más bajo que la arcilla, que usualmente tiene un IP mayores al valor de 7. (Juarez Badillo, 1992).
Según los estudios e investigaciones del científico sueco Atterberg, la consistencia de un suelo de grano fino se puede desarrollar mediante un método utilizando contenidos de agua variables. (Cornforth, 2005). Para poder observar estos estados únicamente depende del grado de
29
humedad a la cual fue sometida ya sea en estado natural o con la intervención del hombre, estos estados que menciona son: líquido, plástico, semisólido y sólido.
Etimológicamente la consistencia viene siendo la cualidad de algo que tiene la capacidad de mantener sus partes en conjunto, otras definiciones podrían hablar de que la consistencia se refiere a la estabilidad o coherencia que puede tener aquello o alguna cosa en particular. La consistencia aplicará o será solamente utilizada para los suelos fino granulares, en donde el diámetro de partícula no tiene relevancia, pero si se toma como una cualidad relativa, asociándolo a los cambios que se pueden presentar en el material y específicamente a los cambios que experimente en torno a la humedad, en otras palabras, se indica que la consistencia es dependiente de la humedad.
El limite plástico es la humedad a la cual un pequeño cilindro de suelo de 3 milímetros de diámetro comienza a desmigajarse o resquebrajarse. La porción pequeña se modela en una placa metálica o también puede ser de vidrio esmerilado, esto es un material que no le quita humedad al suelo como tal, al final se toma la medida de esa humedad plástica, tomado varias veces para poder sacar un promedio que sería el LP. El LP es el rango más bajo de humedades en la cual el suelo exhibe comportamiento plástico, esto lo entendemos que en cuanto el suelo se empiece a rajar está pasando a un estado semisólido. (Juarez Badillo, 1992).
Como ya se comentó anteriormente la consistencia viene siendo la cualidad de algo que tiene la capacidad de mantener sus partes en conjunto, otras definiciones podrían hablar de que la consistencia se refiere a la estabilidad o coherencia que puede tener aquello o alguna cosa en particular. La consistencia aplicará o será solamente utilizada para los suelos fino granulares, en donde el diámetro de partícula no tiene relevancia, pero si se toma como una cualidad relativa, asociándolo a los cambios que se pueden presentar en el material y específicamente a los cambios que experimente en torno a la humedad, en otras palabras, se indica que la consistencia es dependiente de la humedad. (Juarez Badillo, 1992).
30
Figura 1: Limites de Atterberg
Fuente: (Juarez Badillo, 1992)
2.3.2. Estabilidad de taludes
Un talud es una superficie de suelo desnivelado y que configura un ángulo con la horizontal, estas superficies se presentan en la naturaleza como laderas cubiertas de vegetación en muchos casos, y también se presentan de forma artificial con la intervención del trabajo del hombre como los terraplenes o cortes para determinados proyectos de construcción. (Suarez, 1998).
Un talud puede ser de corte en donde la superficie es artificial es decir esta fue generada a través de una excavación, un aspecto importante es que en éste la estructura del suelo no ha sido modificada el suelo conserva las mismas características previas al corte. En un talud de lleno la superficie también es artificial, aunque para el caso de estos se dice que la superficie es conformada puesto que a ésta se le da una forma específica de acuerdo a requerimientos de diseño y construcción, vale aclarar que la estructura del suelo de un talud de lleno es artificial en tanto el suelo tenga características distintas así se encontrará en estado natural.
Un talud falla cuando en éste se generan esfuerzos de corte superiores a un valor que se puede llamar tao admisible, este puede ser hallado por algo llamado envolvente de resistencia que para el caso de los suelos suele hallarse a partir del criterio de falla de Mohr-Coulomb, mientras que para el caso de las rocas por el criterio de Hoek. Las causas de falla de un talud pueden deberse a factores externos e internos, dentro de los primeros se puede hablar de la socavación o pérdida de pata de un talud, sobrecargas en la cresta o eventos sísmicos, en cuanto a los segundos podemos hablar de un aumento del nivel freático, las presiones de poro, un cambio del esfuerzo efectivo o fenómenos más complejos como la purificación o la licuación. (Suarez, Deslizamientos: Análisis Geotécnico, 2009).
31 2.3.2.1. Tipos de Falla.
Es importante conocer como falla un talud, es decir que su estructura se desestabilice y produzca deslizamientos de tierra en grandes o pequeñas cantidades que pondrían en riesgo la seguridad. (Alva, 2016). De una manera general una ladera falla por la combinación conjunta de estos tipos de deficiencia en suelo y no por la consecuencia de una sola, dentro de las muchas formas de desplome se identifican unas tres más principales que se detallarán a continuación.
Falla por Deslizamiento Superficial. Por el desnivel del talud las fuerzas de gravitación tienden a empujar hacia abajo las partículas de suelo y es en la superficie del talud donde más se ve este efecto debido a la falta de confinamiento del suelo. (Ludger O., 2016).
Figura 2: Falla por deslizamiento
Fuente: (Suarez, 2009)
Falla por Movimiento del Talud. Se caracteriza sobre todo que en el momento del deslizamiento se advierta una falla curva muy visible que genere una rotación de la masa del talud por el movimiento del suelo, puede darse lentamente dependiendo del tipo de suelo. (Braja Das, 1999).
Esto se distingue en el momento del deslizamiento se advierta una falla curva visible que genere una rotación de la masa del talud por el movimiento del suelo, puede darse lentamente dependiendo del tipo de suelo.
32
Figura 3: Falla por movimiento del cuerpo de un talud
Fuente: (Suarez, 2009)
Falla por Flujos. Este tipo de falla en taludes se distingue por ser movimientos más rápidos que los anteriores en determinadas zonas de las laderas ubicadas en forma natural, se puede equiparar al fluir de un líquido muy espeso y denso. Esta falla en las pendientes se distingue por ser movimientos más rápidos que los antecesores en determinadas zonas de los taludes localizadas en forma natural, como se dijo anteriormente se puede ver similar al fluir de un líquido demasiado denso. (Suarez, Deslizamientos: Análisis Geotécnico, 2009).
Figura 4: Falla por flujos en el suelo
Fuente: (Suarez, 2009) 2.3.2.2. Parámetros de resistencia cortante
Estos vienen a ser las propiedades mecánicas del suelo resistentes al corte que tienen influencia en su estabilidad. (Llorente, 2015).
33
Las arcillas son materiales en los cuales donde el mecanismo friccionante común entre cuerpos no estaba tan claro ya que las partículas de arcilla además de la fricción convencional tenían una especie de pegamento entre ellas que se oponía a una fuerza que intentaba ocasionar un corte, a esto Coulomb lo llamo cohesión, es así como nace la fórmula del esfuerzo que fue utilizada en su tiempo para la construcción de obras de geotecnia, pero conforme pasaba el tiempo aparecían cuestionamientos de ese estudio hacia sus tres componentes. Se desmintió que la cohesión era un valor estable, constante y no sufría modificaciones, al realizar ensayos con diferentes humedades se sustentaba estos cuestionamientos, entre más húmedo este el material la cohesión se aminora.
El esfuerzo vertical se entendía como si fuese el total, no obstante, con demasiados imprevistos en la ejecución de obras con problemas referidos a la hidráulica y fluidos, se comienza a reconocer una idea de esfuerzos efectivos, que lo que hace es considerar solamente la resistencia de las partículas sólidas. (Llorente, 2015).
El ángulo de fricción también tiene variaciones dependiendo el tipo de material, de las condiciones que este la ladera y de la disposición de sus partículas.
La resistencia al corte del suelo es aquella fuerza resistente al deslizamiento que ofrece una masa de suelo en el plano de falla. (Duncan & Wright, 2005).
Criterio de Mohr Coulomb. Menciona que, habiendo los tipos de falla más resaltantes y evidentes para el deslizamiento de un suelo, este suele fallar por lo habitual por una combinación de un esfuerzo normal y un esfuerzo cortante (Braja Das, Fundamento de Ingeniería Geotécnica, 1999). Así entonces.
τ = f(𝜎𝑛)
donde se tiene que 𝜏 es el esfuerzo cortante y 𝜎𝑛es el esfuerzo normal.
La resistencia que un suelo ofrece ante un deslizamiento viene a ser la suma de su cohesión y una fuerza de rozamiento, que es a su vez producto del esfuerzo normal y el ángulo de fricción interna. Esta ecuación más general es la siguiente:
𝜏 = 𝑐 + 𝜎𝑛 . 𝑡𝑎𝑛∅
34
Figura 5: Circulo de Mohr y envolvente de falla
Fuente: (Braja Das, 1999)
El ensayo triaxial es el recomendado para este caso ya que proporciona una visión más amplia acerca de la presión de confinamiento 𝜎3, el esfuerzo desviador ∆𝜎 que se aplica y la presión de poros ∆𝑢 dentro del suelo en estudio. (Read & Stacey, 2009).
Como menciona (Juarez Badillo, 1992) en el ensayo con la arcilla que configura el talud se medirá el drenaje que se moviliza hacia dentro o hacia afuera del espécimen de prueba o para medir la presión de poros del agua según las condiciones que se propone en la investigación como son la consolidada drenada y la consolidada no drenada.
Drenaje y la aplicación de carga. Cuando aplicamos un esfuerzo desviador a un suelo saturado, para un tiempo inicial, la presión de poros será igual a este. (U. S. Corps of Engineers, 2003).
Según (Juarez Badillo, 1992) la existencia de presión de poros hace que el esfuerzo efectivo disminuya de ahí que la resistencia cortante también lo haga.
La existencia de presión de poros permite reconocer también dos condiciones dentro del suelo asociadas al drenaje del agua durante la etapa que se aplica el esfuerzo desviador.
Condiciones de drenaje. Para (Juarez Badillo, 1992) es importante para el estudio de la resistencia de un determinado suelo conocer estas condiciones:
Condición drenada. El cambio en el esfuerzo desviador se da lenta, respecto a la capacidad de drenaje del suelo lo suficiente para no generar exceso de presión de poros.
35 Conocida también como condición efectiva.
Condición no drenada. El cambio en el esfuerzo desviador es rápido, respecto a la capacidad de drenaje del suelo, esto hace que se genere una presión de poros y no se disipen rápido.
Conocida también como condición total del suelo.
Parámetros de presión de poros. El exceso de presión de poros estaría dado por la siguiente expresión:
∆𝑢 = ∆𝑢𝑐 + ∆𝑢𝑑
El primero se refiere a la contribución de presión de poros que se hace en la etapa de consolidación, y el segundo termino de refiere a la contribución de presión de poros que se hace en la etapa de aplicación del esfuerzo desviador en la muestra de suelo.
Otra expresión de la presión de poros lo dio a conocer Skempton que mediante investigaciones logro concluir que:
∆𝑢 = 𝐵. ∆𝜎3+ 𝐴′. (∆𝜎1− ∆𝜎3) Conocida como la ecuación general de la presión de poros.
Por otro lado, teniendo:
∆𝑢 = ∆𝜎3+ 𝐴. (∆𝜎1− ∆𝜎3)
Que vendría a ser la ecuación de exceso de presión de poros para un triaxial saturado.
A y B representan los parámetros de la presión de poros y ∆𝜎1, ∆𝜎3 representan esfuerzos totales.
2.3.2.3. Propiedades físicas del suelo.
Estos vienen a ser las principales propiedades físicas del suelo que tienen influencia en su estabilidad.
Según (Suarez, Deslizamientos: Análisis Geotécnico, 2009) estas propiedades serán muy importantes al momento de iniciar un análisis de estabilidad, es por ello que se necesita calcularlos de la forma más exacta posible con el empleo de determinados ensayos fundamentados teóricamente ya que al momento de usar los métodos de equilibrio limite, en especial con el método de las rebanadas se requerirán estos valores.
Peso específico. (Juarez Badillo, 1992) señala que es un valor que se obtiene cuando peso de una masa de suelo es dividido por su correspondiente volumen. El peso específico varía dependiendo el tipo de suelo que se utilice.
36
Granulometría. (Juarez Badillo, 1992) señala que mediante este análisis se determina las proporciones de los distintos tamaños de grano existentes en una muestra representativa de suelo, sirve también para la clasificación del suelo.
Hablar de la textura del suelo comprende un proceso relacionada con la infiltración, procesos de drenaje en su interior mediante la disposición del agua y también del aire.
En lo que se refiere a la arena se da una succión rápida, un drenaje también alto demostrado en la baja capacidad de tener agua en su interior, todo lo contrario, a lo que sucede con las arcillas sumando a estas una compactación sencilla en tiempos después de las lluvias.
Como se observa cada tipo de suelo tiene ciertas características que sacan ventaja o desventaja en determinadas situaciones, en este caso los suelos finos con la retención de agua más destacada entre sus cualidades tendrán un comportamiento muy importante y destacado en los derrumbes de tierra que serán puestos bajo un análisis de estabilidad y seguridad.
Porosidad. Según (Juarez Badillo, 1992) es el valor que se obtiene de la división de su volumen de vacíos y el volumen de su masa, este valor puede variar de 0 que vendría a ser un suelo compuesto por solo un estado sólido a 100 que sería un suelo completamente vacío, que es improbable en el cálculo.
Estados de consistencia. Según (Juarez Badillo, 1992) estos estados ya mencionados se diferencian mediante la modificación del contenido de humedad de una determinada muestra de suelo principalmente con la llegada de lluvias si se encuentra en su estado natural.
Si se empieza a tratar el estado líquido que es la parte superior, cuando este tiene mayor humedad, entonces allí el suelo se comportara como un fluido viscoso y con estas características el suelo va poder fluir con cierta capacidad bajo la acción de su propio peso asemejándola como si se vertiera miel sobre una superficie, en ese punto se nota una característica muy importante dado que el suelo puede fluir, implicará de alguna manera que la resistencia al corte es prácticamente nula.
Si se continua hacia la parte inferior se encuentra el estado plástico, cuando vamos decreciendo en términos de la humedad, en donde el suelo pierde su capacidad de fluir conforme vamos disminuyendo el agua en su interior, se puede tener una deformación del material que es capaz de deformarse más allá de un límite de recuperación de dimensiones y de forma. No necesariamente de evidencia cambios apreciables sobre el volumen.
37
Según (Rico Rodriguez A. , 1992) a medida que el material se vaya secando o sigue perdiendo humedad cuando se le va manipulando, se alcanzará el estado semisólido en donde se pierde las propiedades plásticas y de alguna manera se desmorona al tratar de moldearlo. Si se continua así se llega al estado sólido en donde ya el material deja de estar saturado porque en términos de la humedad decreciente se trata de llegar al estado seco, es decir, no hay un peso del agua dentro del material, donde además se pone en evidencia la disminución de volumen y un cambio de color a un tono más claro. Conforme el material se vaya secando o sigue perdiendo humedad se alcanzará el estado semisólido en donde se pierde las propiedades plásticas y producto de esto se desmorona al tratar de moldearlo. Si se continua así se llega al estado sólido en donde ya el material deja de estar saturado porque en términos de la humedad se trata de llegar al estado seco, es decir no hay un peso del agua dentro del material, donde además se pone en evidencia la disminución de volumen y un cambio de color a un tono más crema.
2.3.2.4. Factor de seguridad de un talud.
Es la relación entre fuerzas resistentes que se oponen al deslizamiento y de esfuerzos cortantes que tratan de crear una falla en el talud. (Braja Das, 1999).
Cuando tenemos una superficie de falla circular detectada en el talud, el factor de seguridad estará determinado por:
𝐹𝑆 = ∑ 𝑀𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜𝑠 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠
∑ 𝑀𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜𝑠 𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠
Son pocas las investigaciones que hablan de ciertos valores que tiende a tomar el factor para ser evaluado dentro de un rango de seguridad propiamente dicho, estos son:
38
Tabla 2: Valores del factor de seguridad
Fuente: (Alva Hurtado, 2000) Tabla 3: Índice de estabilidad y clase de estabilidad
Fuente: (Lan H. X., 2004)
En la siguiente tabla se puede consultar una recopilación de los factores de seguridad según normativas nacionales (Norma CE.020, 2012) e internacionales.
Tabla 4: Factores de Seguridad a emplear en el Análisis de estabilidad de taludes
Fuente: (Valiente Sanz, Sobrecases Martí, & Díaz Orrego, 2015)
39 2.3.2.5. Método de Equilibrio Limite.
Este método se basa en la estática, ya que se asegura un factor de seguridad igual a 1, debido a que los esfuerzos que resisten y se oponen al movimiento del talud son iguales a los esfuerzos actuantes. (Suarez, 1998).
Este mecanismo valora la estabilidad de una ladera natural, la intención es obtener un factor, que es un punto donde entre lo que resiste y lo que actúa son equivalentes. Lo que resiste se sostiene en la teoría de Coulomb y lo que actúa tiene su amparo en las ecuaciones de Mohr como en el círculo de esfuerzos de corte también conocido dentro del estado último.
Según (Suarez, Deslizamiento y Estabilidad de Taludes en zonas tropicales, 1998) el equilibrio límite está asociada al tipo de fallamiento, podría darse en un proceso rotacional y expresarse en términos de momentos o exhibirse en un proceso traslacional y estar expresado en términos de fuerza cortante. Puede alcanzarse mediante diferentes procedimientos; estos pueden estar basados en un análisis de cuerpo libre o evaluarse a través de franjas individuales verticales dentro de la masa del suelo.
Los análisis de cuerpo libre son relativamente fáciles de utilizar y considerar.
Los análisis de franjas verticales estiman un procedimiento más riguroso de análisis y son los más demandados.
Este método tiene dos formas de estudio, el primero considera la totalidad de la longitud de la masa deslizante y el segundo divide la masa en tajadas o dovelas. (Suarez, Deslizamiento y Estabilidad de Taludes en zonas tropicales, 1998)
Método de la Estabilidad Global. Este método como se mencionó anteriormente considera la masa completa de suelo que se desliza, como un todo, donde se identificará tres fuerzas básicas en el movimiento del talud el peso de la masa de suelo, el esfuerzo cortante, y el esfuerzo resistente proveniente de la cohesión del terreno. El método de estabilidad global fue la antecesora al método de las dovelas, no obstante, le sirvió como principio fundamental la interacción de fuerzas en el talud, es por ello que ya no lo utilizan debido a la inexactitud en ciertos casos más complejos de deslizamientos. (Braja Das, 2001).
40
Método de las Dovelas. Según (Braja Das, Fundamentos de Ingenieria de Cimentaciones 7ma Edicion, 2016) este método secciona en una serie de franjas verticales la masa del talud por encima de la superficie de falla, el número de las franjas depende de la precisión solicitada para el cálculo. El equilibrio de momentos se tomará con respecto al centro del círculo, esto es para todas las dovelas. Dentro de este método podemos encontrar muchos otros que utilizan la teoría de las dovelas, pero con marcadas diferencias en cuanto a las fuerzas actuantes entre ellas.
Método de Fellenius. Conocido también como método ordinario o sueco, el factor de seguridad se obtiene con momentos de las fuerzas en cada dovela respecto a un circulo imaginario, ya que el tipo de falla es circular. (Suarez, 1998).
En el método no se consideran las fuerzas horizontales y verticales entre las dovelas. (Chen, 1999).
Donde:
Método de Bishop Simplificado. Este método es muy similar al método ordinario al satisfacer el equilibrio de momentos, además que adiciona fuerzas horizontales producto de la interacción de dovelas, las fuerzas cortantes entre dovelas no las tiene en cuenta. (Barnes, 1997).
Bishop itera sucesivamente la siguiente expresión:
