Unidad 6 Estabilidad de Taludes
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Unidad 6. Estabilidad de taludes
Definición de Talud:
Se entiende por talud a cualquier superficie inclinada respecto de la horizontal
que hayan de adoptar permanentemente las estructuras de tierra. No hay duda
que el talud constituye una estructura compleja de analizar debido a que en su
estudio coinciden los problemas de mecánica de suelos y de mecánica de rocas,
sin olvidar el papel básico que la geología aplicada desempeña en la formulacin
de cualquier criterio aceptable.
!uando el talud se produce en forma natural, sin intervencin humana, se
denomina ladera natural o simplemente ladera. !uando los taludes son hechospor el hombre se denominan cortes o taludes artificiales, seg"n sea la g#nesis de
su formacin$ en el corte, se realiza una e%cavacin en una formacin t#rrea
natural &desmontes', en tanto que los taludes artificiales son los lados inclinados
de los terraplenes.
Definición de estabilidad:
Se entiende por estabilidad a la seguridad de una masa de tierra contra la falla o
movimiento. !omo primera medida es necesario definir criterios de estabilidad de
taludes, entendi#ndose por tales algo tan simple como el poder decir en un
instante dado cuál será la inclinacin apropiada en un corte o en un terrapl#n$
casi siempre la más apropiada será la más escarpada que se sostenga el tiempo
necesario sin caerse. (ste es el centro del problema y la razn de estudio.
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(a)
(b)
6.1. Tipos y causas de fallas en taludes.
Falla Rotacional:
(n el primer lugar se define una superficie de falla curva, a lo largo de la cual
ocurre el movimiento del talud. (sta superficie forma una traza con el plano del
papel que puede asimilarse, por facilidad y sin mayor error a una circunferencia,
aunque pueden e%istir formas algo diferentes, en la que por lo general influye la
secuencia geolgica local, el perfil estratigráfico y la naturaleza de los materiales.
(stas fallas son llamadas de rotacin.
(ste tipo de fallas ocurren por lo com"n en materiales arcillosos homog#neos o
en suelos cuyo comportamiento mecánico est# regido básicamente por su
fraccin arcillosa. (n general afectan a zonas relativamente profundas del talud,
siendo esta profundidad mayor cuanto mayor sea la pendiente.
)as fallas por rotacin se denominan seg"n donde pasa el e%tremo de la masa
que rota. *uede presentarse pasando la superficie de falla por el cuerpo del talud
&falla local', por el pie, o adelante del mismo afectando al terreno en que el talud
se apoya &falla en la base'. !abe señalar que la superficie de este "ltimo tipo de
falla puede profundizarse hasta llegar a un estrato más resistente o más firme de
donde se encuentra el talud, provocando en este punto un límite en la superficie
de falla.
Figura 2: (a)
Nomenclatura de unazona de falla. (b)Distintos tipos de falla.
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O
Suelo de cimentación blando
Falla Traslacional:
(stas fallas por lo general consisten en movimientos traslacionales importantes
del cuerpo del talud sobre superficies de falla básicamente planas, asociadas a la
presencia de estratos poco resistentes localizados a poca profundidad del talud.
)a superficie de falla se desarrolla en forma paralela al estrato d#bil y se remata
en sus e%tremos con superficies curvas que llegan al e%terior formando
agrietamientos.
)os estratos d#biles que favorecen estas fallas son por lo com"n de arcillas
blandas o de arenas finas o limos no plásticos sueltos. !on mucha frecuencia, la
debilidad del estrato está ligada a elevadas presiones de poro en el agua
contenida en las arcillas o a fenmenos de elevacin de presin de agua en
estratos de arena &acuíferos'. (n este sentido, las fallas pueden estar ligadas
tambi#n al calendario de las temporadas de lluvias de la regin.
)as fallas del material en bloque, muchas veces están asociadas a
discontinuidades y fracturas de los materiales que forman un corte o una ladera
natural, siempre en añadidura al efecto del estrato d#bil subyacente.
)as fallas de una franja superficial son típicas de laderas naturales formadas por
materiales arcillosos, producto de la meteorizacin de las formaciones originales.
Se suelen provocar por el efecto de la sobrecarga impuesta por un terrapl#n
construido sobre la ladera. (n estas fallas el movimiento ocurre casi sin
distorsin.
Figura 3: +alla de base
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O
Suelo blando
Estrato rme
Figura 4: +alla limitada por un estrato firme.
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6.2. Métodos de anlisis de fallas en taludes.
)os m#todos de análisis para las fallas de talud de deslizamiento de tierras,
básicamente consisten en determinar una superficie de falla en la cual puede
ocurrir un desplazamiento de la masa del suelo &como un cuerpo rígido', y se
comparan la acciones actuantes sobre esta superficie contra la resistencia
cortante del suelo en la misma, al coeficiente de las acciones actuantes y la
resistencia al cortante se le conoce como factor de seguridad, el cual debe ser
mayor de la unidad, en la práctica se considera un talud estable con factores de
seguridad mayores o iguales a .-, sin embargo esto dependerá de cada caso
específico en funcin de la importancia de la obra y el grado de incertidumbre
del diseño.
Seguridad contra rotacin
Fs=momento .resistente
momento.actuante
Seguridad contra traslacin
Fs=fuerza. resistente
fuerza . actuante
(n los taludes de arenas &puramente friccionaste', la estabilidad se logra con
que el ángulo de talud &' sea menor que el ángulo de friccin interna & ',ϕ
considerando un /factor de seguridad0.
Fs=ϕ
α 1.2
!on la finalidad que la superficie del talud no tenga erosin e%cesiva.
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Método sueco – Casagrande:
(ste m#todo recibe su nombre por los primeros estudios que hizo el 3ngeniero
Sueco *eterson sobre los análisis de estabilidad de taludes en los
deslizamientos del puerto de 4otemburgo al suroeste de Suecia, en el cual se
considera que la superficie de falla es de tipo cilíndrica, aplicado a suelos de
tipo puramente cohesivo, 5. !asgrande propone el siguiente procedimiento6
Suelos puramente cohesivos
c78 y 98 :ϕ
*or lo que la frmula de resistencia al esfuerzo cortante queda6
S9 c ; tan s9cϕ
Se considera un arco de circunferencia con centro en < y de radio =, como la
superficie hipot#tica de falla, la masa de suelo del talud delimitada por esta
circunferencias moviliza rotando con respecto al punto <.
(l momento actuante con respecto al origen de la circunferencia, es el producto
del peso de la masa de suelo del talud delimitada por el segmento de
circunferencia, multiplicado por la distancia entre su centro de gravedad y la
vertical del origen del círculo.
>59? @d
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Aambi#n contribuyen en el momento actuante, todas las estructuras que se
encuentre sobre el talud en el área de influencia de la masa de suelo
delimitada, por lo que la formula queda6
>59 ∑i−l
n
(wi∗di )
(l momento resistente con respecto al origen de la circunferencia, es el
producto de las fuerzas que se oponen al deslizamiento de la masa de suelo y
que en este caso son los efectos de la cohesin a lo largo de la superficie de
falla supuesta.
>=9c@=@)
*or lo que el factor de seguridad de la circunferencia propuesta se define
como6
fs= c∗ R∗ L
∑i−l
n
(wi∗di )
(n este m#todo es necesario realizar tanteos para determinar el círculo crítico
&el de menor factor de seguridad'.
Método de las dovelas – Fellenius:
(ste m#todo es una variante del m#todo sueco, en el cual se consideran con
cohesin y friccin, así como suelos estratificados o estructuras como presas
de tierra de seccin compuesta.
(n este m#todo tambi#n se considera una superficie de falla de tipo cilíndrica,
lacual +ellenius dividi en dovelas &rebanadas', el n"mero de dovelas se
determina a criterio del problema, procurando que nunca coincida la base de
una dovela en dos tipos de suelo.
Suelos con cohesin y friccin
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c78 y 98 :ϕ
*or lo que la frmula de resistencia al esfuerzo cortante queda6
S9 c ; B tan 5nálisis con esfuerzos totales.ϕ
S9 c ; BC tan 5nálisis con esfuerzos efectivos ante la presencia de flujo deϕ
agua en el talud.
Se considera tambi#n un arco de circunferencia con centro en < y de radio =,
como la superficie hipot#tica de falla, la masa de suelo del talud delimitada por
esta circunferencia se divide en dovelas y se analiza el deslizamiento con el
desplazamiento de las dovelas en su base rotando con respecto al punto <.
5nalizando las acciones en una dovela, se considera que se pueden despreciar
las fuerzas normales y tangenciales, de confinamiento de las dovelas pr%imas,
debido a que el mecanismo de falla de rotacin de todas las dovelas se da al
mismo tiempo.
(l peso de la dovela &Di' se puede descomponer en sus componentes normal
y tangencial, que en el caso del análisis se consideran igual a sus reacciones
sobre la superficie hipot#tica de falla.
Ni9?i cos iϕ
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Ai9 ?i sen iϕ
(l momento actuante con respecto al origen de la circunferencia es el producto
dela suma de todas las componentes tangenciales de las dovelas multiplicadas
por el radio.
>59&=' ∑i−l
n
(Ti)
(l momento resistente con respecto al origen de la circunferencia es el
producto de la suma de las resistencias al corte de las dovelas multiplicado por
el radio.
>59&=' ∑i−l
n
( si⍙ li )
*or lo anterior el factor de seguridad queda6
fs=
∑i−l
n
(si⍙li )
∑i−
l
n
(Ti)
Método del Círculo de fricción:
)os doctores 4ilboy y 5. !asagrande, desarrollaron un m#todo para el análisis
dela estabilidad de taludes en fallas de rotacin de suelos homog#neos con
cohesin y friccin, conocido como m#todo del !írculo de friccin o !írculo ,ϕ
este m#todo consiste en determinar el estado de equilibrio de un polígono de
fuerzas en donde los vectores representan6 el peso propio de la masa de suelo
contenida en el círculo de falla, la reaccin del suelo considerando la friccin y
la cohesin del suelo.
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(l vector D, corresponde al peso de la masa de suelo delimitada por la
superficie, el talud y el plano de falla circular. (ste peso se calcula
determinando el área de influencia multiplicándola por el peso específico del
suelo. )a línea de accin del vector D es vertical por los efectos de la
gravedad. (l vector !, !orresponde a la fuerza cohesiva y es la cohesin
necesaria !n para lograr el equilibrio estático, multiplicada por la cuerda )C de la
circunferencia.
!9 !n &)C'
)a línea de accin del vector !, es paralela a la cuerda )C y su distancia al
origen del círculo &brazo de momento', es6
x= L
L ´ R
(l vector +, corresponde a la fuerza de friccin &suelo E suelo' necesaria para
lograr el equilibrio estático. )a línea de accin del vector + pasa por el punto de
interseccin de las líneas de accin de D y de !, forma un ángulo conϕ
respecto a la normal del arco y es tangente al círculo de friccin. =esolviendo el
polígono de fuerzas, se puede determinar la magnitud de !, con lo que se
puede determinar el valor de la cohesin necesaria ! n para lograr el equilibrio
estático y compararla con la cohesin real del suelo c, para poder conocer el
factor de seguridad de la superficie de falla propuesta, en funcin de la
cohesin6
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Fsc= c
C n
Fe la misma forma puede aplicarse a la friccin si el valor propuesto del ángulo
de friccin interna es menor que el real6
Fsϕ= tanϕ
tan cϕ
Método Taylor:
!onsiderando que el en m#todo del circulo de friccin los tres vectores que
forman el polígono de fuerzas D, ! y + , deben ser concurrentes &interceptarse
en un punto', y la direccin de la fuerza + debe ser tangente al círculo .ϕ
Aaylor observa que e%iste un pequeño error &Aerzaghi lo considera del lado de
la seguridad' en cuanto al cálculo del radio del círculo , y propone un factor deϕ
ajuste G6
=adio m#todo círculo de friccin. =adio con el ajuste de Aaylor.
F9 = Senϕ F9 H= Senϕ
(l valor de G está en funcin del ángulo central 5<I de la superficie de falla
circular.
5sí tambi#n Aaylor propone un m#todo para determinar el factor de seguridad
de este análisis respecto a la resistencia al esfuerzo cortante del suelo en
donde, el factor de seguridad del talud, sea igual al factor de seguridad en
funcin de la cohesin y el factor de seguridad en funcin de la friccin, o sea6
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+s9 fsc 9 fsϕ
(l m#todo consiste en determinar varias veces el factor de seguridad de
unamisma superficie de falla por el m#todo del circulo , proponiendoϕ
diferentes valores del ángulo de friccin , graficándose los valores de fsc yϕ
fs .ϕ
6.3 !nlisis de c"rculos cr"ticos
Jno de los problemas que se presentan en los m#todos anteriormentedescritos, es el conocer en un talud, cual es la superficie de falla con el menor
factor de seguridad, con lo que se conocería el grado de estabilidad. (n taludes
de material cohesivo homog#neo en el cuerpo y en su cimentacin, se han
realizado estudios para determinar sus círculos críticos, un estudio establece
que el ángulo de inclinacin del talud con la horizontal, marca una frontera en
los -KL, que establece.
5ngulo del talud con la horizontal M. Aipo de falla de taludM1-K: *ie de talud
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M -K: Fe base o profunda
*ara encontrar un círculo crítico es preciso buscar la superficie de falla que d#
el factor de seguridad mínimo. !onsid#rense los siguientes análisis6 *rimero, siel centro de la circunferencia se mueve sobre una trayectoria horizontal6
(l arco de las superficies de falla desplazándose horizontal el centro de la
circunferencia no cambia, por lo tanto el momento resistente >= no cambia,
por lo que el factor de seguridad +S será mínimo, cuando el momento actuante
>5 sea má%imo.
>59> ;> 2 ;> K;> O
6.4 #re$enci%n y correcci%n de fallas en taludes.
!on la finalidad de mejorar la estabilidad de los taludes desde el punto de vista
de prevencin y correccin de fallas de taludes, se pueden establecer las
siguientes recomendaciones. Fisminuir la pendiente del talud. (sta solucin
como prevencin o correccin de fallas de taludes, es efectiva en suelos
friccionantes y cohesivo friccionantes, si las condiciones físicas y econmicas
lo permiten, sin embargo en suelos cohesivos la ventaja de disminuir la
pendiente, no garantiza un incremento significativo en la seguridad en cuanto a
la estabilidad del talud.
!onstruccin de bermas o banquetas. (sta solucin se emplea tambi#n lo
mismo para prevenir como para corregir, y consiste en colocar una berma o
banqueta de suelo en la parte baja del talud, con la intencin de reducir el
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momento actuante con el peso dela berma, y de ser posible incrementar el
momento resistente.
(stabilizacin de suelos. (sta solucin se emplea para prevenir fallas de
taludes, consiste en adicionar substancias cementantes al suelo, para mejorar
las características físicas del talud &aumentar su resistencia al cortante', este
procedimiento tiene las desventajas de ser caro y su proceso constructivo es
complejo.
>uros de retenimiento. (sta solucin se emplea cuando el desarrollo del talud
es limitado por las necesidades de los proyectos, y se debe de tener cuidado
para que el nivel de desplante del muro quede por debajo de la superficie de
falla.
Frenaje. )a principal causa de fallas de taludes, está relacionada con la
presencia del agua fluyendo dentro del suelo, es com"n escuchar y ver en las
noticias que en la temporada de lluvias e%isten fallas en taludes &en especial en
laderas', a e%cepcin de las presas de tierra, en los taludes deben de
proyectarse obras de drenaje como cunetas, contracunetas, drenajes, etc., que
elimine filtraciones y flujo de aguas.
6.&. 'oft(are de aplicaci%n.
(l programa básico para el análisis de estabilidad es (stabilidad de taludes. (l
cual permite el análisis para la estabilidad de taludes con superficie circular o
poligonal y optimizacin automática de la superficie de deslizamiento. 5demás
coopera con todos los programas para el análisis de diseño de e%cavaciones y
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diseño de muros de contencin. *ermite la creacin de anclajes, geo refuerzos,
sobrecargas y modelado de efectos sísmicos.
(l programa para el análisis de muros de suelos reforzados por geo refuerzos
es >uro de suelo reforzado el cual contiene una e%tensa base de datos de geo
refuerzos para diferentes empresas constructoras. (l programa de análisis de
muros claveteados &clavos pasivos con cara de hormign proyectado es el
llamado >uros claveteados.
(l programa (stabilidad de =oca se designa al análisis de estabilidad de
taludes rocosos para un tipo de fallo específico incluyendo una superficie de
deslizamiento plana o poligonal o cuña de roca.
(l programa *ilote antiPdeslizante se utiliza para el diseño de muros de pilotes
estabilizando el movimiento de pendientes o el aumentando el factor de
seguridad de la pendiente.
Aodos los problemas de estabilidad pueden incluso resolverse con el m#todo
de elementos finitos &m#todo de reduccin fi,c' en el programa >(+. (l nivel
freático del agua puede ser calculado en el programa >(+ +lujo de agua y
luego e%portado al programa (stabilidad de taludes o a >(+ para el análisis deestabilidad.