estabilidad de Talud
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Universidad Técnica Federico Santa María Departamento de Obras Civiles - Construcción Civil
Valparaíso - Chile
CERTAMEN Nº2
Mecánica de Suelos II-CON-261 – Casa Central
Profesor:
Sr. Miguel Petersen.
Ayudante:
Tomás Tapia.
Fecha:
18 de Noviembre de 2010.
MARCO TEÓRICO
La estabilización de taludes es muy importante para toda obra que se desea emplazar en
un sector aledaño a un cerro, o en cualquier tipo de excavación en la cual, por la profundidad de la
misma, sea necesaria dejar algún tipo de talud.
Así como el cálculo del talud también es muy importante la ejecución de éste y los
distintos métodos existente para llevar a cabo la realización del mismo .
Es de vital importancia que los taludes cumplan con los factores de seguridad exigidos
para solicitaciones dinámicas, dado que nuestro país se encuentra constantemente expuesto a
este tipo de solicitaciones.
En esta ocasión, se estudia la estabilidad sísmica de un talud ubicado en un cerro de la
ciudad de Valparaíso, en el cual se emplaza en su parte alta un edificio.
El estudio se realizará mediante programas de análisis de estabilidad de taludes por falla
semi-circular a resistencia al corte. Los programas utilizados son STED y GSLOPE.
Para verificar la estabilidad del talud se solicita un factor de seguridad FS a la estabilidad
sísmica mayor a 1,2. En caso de obtener un valor menor, se propondrán soluciones para la
estabilidad sísmica del talud de corte propuesto considerando que no es posible rebajar en altura
el talud ni correr el emplazamiento del edificio.
PROCEDIMIENTO
A continuación se detalla el procedimiento para el cálculo del factor de seguridad FS
mediante ambos programas:
a) GSLOPE:
1.- Se ingresan los datos de entrada del problema, tanto la geometría como las características del
suelo.
Todas las coordenadas se obtuvieron mediante escalado y alineado de foto del talud
utilizando software de apoyo AutoCAD.
2.- Luego es necesario modelar la carga del edificio, para lo cual se tomo un ancho unitario de
edificio y luego la carga distribuida se multiplicó por el frente del edificio (8[m]) y fue dividida en 4
tramos, donde cada carga actúa en el centro de cada tramo. Mediante AutoCAD se obtuvieron
coordenadas y se ingresaron en el programa con la carga respectiva.
3.- A continuación y mediante Fellenius se obtiene el centro y radio del círculo de falla de
referencia:
FELLENIUS
α [grados] β [grados] radio [m]
38,24 28,41 37,54
Luego se ingresa las coordenadas y radio al programa.
4.- Luego se procede a calcular el factor de seguridad:
Se obtiene un FS de 1,758. Este valor es superior al que se pide, pero se puede observar
que el circulo de falla en la parte superior es poco probable que ocurra, por lo tanto, se buscarán
nuevos círculos de falla del suelo con los cuales se tengan factores de seguridad FS existentes
menores a lo propuesto.
5.- Modificando los valores de radio y centro de los círculos de falla se obtienen nuevos valores
para los factores de seguridad:
x [m] y [m] r [m] FS
34,27 209,69 33 1,273
37 209,7 33 1,287
39,82 211,7 34 1,072
Como se puede apreciar, se obtienen valores del factor de seguridad FS menor al límite
propuesto, FS = 1,2. Además, observando la forma de los círculos de falla, es muy probable que
debido a las cargas del edificio y la aceleración sísmica considerada, el talud ceda y se venga abajo.
Una de las soluciones para aumentar el factor de seguridad es la siguiente:
- Existen varios tipos de anclaje y de variadas cargas admisibles. Para dar solución a la estabilidad
sísmica se considera un anclaje de tipo alambre de 180 [ton] de carga admisible. Este tipo de
anclaje es distribuido y puesto en obra por la empresa Terratest1. Se coloca a la mitad de la altura
del talud superior con una inclinación de 45º, obteniendo un factor de seguridad FS = 1,309, el
cual es mayor a lo solicitado por las cargas dinámicas.
1 http://www.terratest.cl/interior/productos/f_anclajes.html
b) STED:
1.- En una primera instancia, es necesario ingresar el número de segmentos del talud, las
coordenadas de origen y las coordenadas del talud en estudio mediante unidades inglesas.
2.- Se ingresan los datos de entrada del suelo.
3.- Luego, se realiza el análisis mediante círculos de Bishop, ingresando los datos de la malla inicial
y final en la cual se iniciarán y terminarán los distintos círculos de falla.
4.- Se ingresa las coordenadas e intensidad de la carga distribuida generada por el emplazamiento
del edificio sobre el terreno natural.
5.- De acuerdo al enunciado, se debe considerar un coeficiente de aceleración horizontal, por lo
tanto, se ingresa éste.
7.- Luego, se calculan los posibles círculos de falla y se obtiene el más desfavorable con un factor
de seguridad menor.
Como se aprecia, el factor de seguridad obtenido es FS = 0,92 y es menor al límite
propuesto para cargas productos de solicitación dinámica equivalente a un factor de seguridad
FS = 1,2.
Al igual que anteriormente, como un tipo de solución, se considera un anclaje de tipo
alambre con carga admisible de 180 [ton] para evitar que el talud ceda ante la carga del edificio y
la solicitud dinámica.
Por lo tanto, se ingresan los datos del anclaje considerando una inclinación de 45º y un
largo de aproximadamente 15 [m]:
Finalmente, se obtienen los siguientes círculos de falla:
Se puede apreciar que el factor de seguridad subió rotundamente a FS = 1,33, el cual por
cierto, está por sobre el valor límite mínimo para solicitaciones dinámicas.
CUADRO RESUMEN DE RESULTADOS
Mediante el siguiente cuadro, se resume los resultados de los factores de seguridad
encontrados anteriormente para ambos programas con anclaje y sin anclaje como solución.
PROGRAMA FS ANCLAJE
GSLOPE 1,072 No
1,309 Si
STED 0,92 No
1,33 Si
SENSIBILIDAD
Si bien es posible mejorar la estabilidad del talud con la colocación de anclajes, también es
posible sensibilizar los factores de seguridad haciendo variar las características del suelo, tales
como:
Peso específico “γ”
Angulo de fricción “Ø”
Cohesión “C”
A continuación se presenta un cuadro resumen con la sensibilidad del factor de seguridad
cuando se varía un parámetro y se dejan fijos los restantes:
γ [t/m3] Ø [°s] C [t/m2] F.S Δ
2,19 41,4 1,45 1,309 INICIAL
2,6 41,4 1,45 1,2752
2,3 41,4 1,45 1,2994
2 41,4 1,45 1,3291 Δγ
1,9 41,4 1,45 1,3412
2,19 41,4 2 1,3642
2,19 41,4 1,6 1,3241
2,19 41,4 1,4 1,3038 Δc
2,19 41,4 1,2 1,2845
2,19 44 1,45 1,42
2,19 43,4 1,45 1,3934
2,19 42 1,45 1,33 ΔØ
2,19 40 1,45 1,253
CONCLUSIONES
Queda en claro que es necesario tomar alguna medida para elevar el factor de seguridad
frente a la estabilidad dinámica a la cual se ve sometido el talud. Se entiende que elevando el
factor de seguridad, se estará evitando que el talud pueda llegar a fallar y por ende colapsar el
completamente. Anteriormente se planteó como una solución el colocar anclajes contra el terreno
mediante una inclinación de 45°. Existen varios tipos de anclaje que tienen capacidad de carga
desde las 10 [ton] hasta 188 [ton]. De acuerdo al anclaje que se elija, será la cantidad a utilizar y el
costo asociado acorde a la decisión tomada.
Otras formas de poder mejorar la estabilidad del talud son:
Rebajar la inclinación del talud.
Rellenar o colocar un muro en el pie del talud de manera de evitar el vuelco.
Colocar pilotes de manera vertical desde la parte alta del talud, de manera de interceptar
el plano de falla y desplazarlo hacia atrás, así se evita un circulo de falla mucho más
probable de ocurrir.
Mejorando el suelo mediante inyección de agua+cemento o gel con barra de acero
perforada.
Colocar banquetas en talud disminuyendo la erosión por efecto del agua.
Si existe agua, sería necesario considerar algún tipo de drenaje.
Colocación de mallas de acero (tipo acma) afirmadas mediante anclajes y proyectar
hormigón (shotcrete).
De acuerdo al cuadro de sensibilidad mostrado anteriormente, se puede concluir que al
variar las características principales del suelo se encuentra la siguiente relación:
A mayor peso específico “γ”, menor es el factor de seguridad FS (relación inversa)
A mayor cohesión “C”, mayor es el factor de seguridad FS (relación directa)
A mayor ángulo de fricción “Ø”, mayor es el factor de seguridad FS (relación directa)
Por lo tanto, existen varias formas de poder aumentar el factor de seguridad, las que
deben ser analizadas de acuerdo a los costos de cada una de estas y a cómo aumentan el factor de
seguridad a la estabilidad sísmica.
Comparando ambos programas, se puede decir que se obtienen valores similares de
factores de seguridad. El programa GSLOPE necesita de menos datos para poder funcionar,
mientras que STEP necesita acotar más las condiciones del problema. A la hora de colocar las
cargas el programa STEP facilita más las cargas distribuidas, mientras que GSLOPE las puntuales.
De la misma manera, STEP permite colocar anclajes con mucho más detalle indicando el largo de
éste y la capacidad de carga, mientras que en GSLOPE sólo es posible modelarla mediante una
carga puntual y no es posible indicar el largo donde actuaría el bulbo del anclaje.
En general ambos programas funcionan bien. Aunque en GSLOPE si no se conoce bien el
manejo de las unidades, se puede generar algunos problemas de incoherencia.