ESTABILIDAD DE TALUDES.pdf

UNII VE RSIDAD NACIONAL UN NACIONAL DEL ALTIPLANO F acu cult lta ad de I nge ngenie nierí rí a Ag Agrí rí co cola la

Anal An alis isis is de Est Estab abil ilid idad ad de Tal Talud udes es Ing. Roberto Alfaro Alejo

Anal An alis isis is de Es Esta tabi bili lida dad d de Ta Talu lude dess  Alcance General General & Algunos Algunos Conceptos Conceptos Usados en Análisis de Estabilidad



 – Clasificación de Deslizamientos/Modos de Falla  – Método del Equilibrio Limite  – Factor de Seguridad  – Análisis  – Análisis de Esfuerzo Total vs. Efectivo  – Métodos de Analisis de Estabilidad  – Métodos de Estabilizacion de Taludes

Anal An alis isis is de Es Esta tabi bili lida dad d de Ta Talu lude dess  Alcance General General & Algunos Algunos Conceptos Conceptos Usados en Análisis de Estabilidad



 – Clasificación de Deslizamientos/Modos de Falla  – Método del Equilibrio Limite  – Factor de Seguridad  – Análisis  – Análisis de Esfuerzo Total vs. Efectivo  – Métodos de Analisis de Estabilidad  – Métodos de Estabilizacion de Taludes

Modos de Falla •Deslizamientos •Deslizamiento Rotacional (superficie de falla curvado/circular; moderadamente rapido a movimiento extremadamente lento; cuando la superficie de falla consiste de varias superficies de falla paralelas, falla es llamada un slump)

•Deslizamiento Traslacional (superficie de falla planar; a menudo controlado por medidas estructurales)

•Compuesto (combinacion curvado/planar)

Modos de Falla •Caidas •Movimiento vertical > movimiento horizontal; extremadamente rapido

•Flujos •Movimiento de masa broken up; tiene perdida de su estructura interna; mass resembles a viscous fluid; movimiento extremadamente rapido

•Creep •Movimiento Extremadamente lento

Tipos de Deslizamie Deslizamientos ntos Grava arcillosa  Arena

B. VUELCOS

 A. CAIDAS

Rotación delantera respecto de algún punto giratorio bajo la acción de gravedad y las fuerzas ejercidas por fluidos o unidades unidades ad acentes acentes en rietas. rietas.

Desprendido de un talud empinado; Desciende en su mayor parte a través de aire por caída libre, saltando, rodando. Movimientos muy rápidos a sumamente rápidos

 Arcilla

C. DESLIZAMIENTO Falla por corte causando caída severa a configuración mas estable.

Roca base

D. DESLIZAMIENTO

Escombros pueden deslizarse en corte o pueden convertirse en flujo de deslizamiento.

Tipos de Deslizamientos Bluff line

 Arcilla Firme  Arcilla Suave con agua Estratos de limo y arena

Toe

Pressure ridge

 Arcilla Sensitiva Su erficie deslizamiento

Grava arcillosa firme

 Arcilla Rigida

D. DESLIZAMIENTO Movimiento traslacional de parte principal de la superficie de deslizamiento; Común en deslizamientos grandes.

F. EXPANSION LATERAL Falla por corte o licuefacción a lo largo de estrato de suelo casi horizontal.

Shore

 Arena lim ia

 Arcilla y limo

Glacial

G. FLUJO Flujo de deslizamiento en arena H. FLUJO Flujo de deslizamiento en arcilla rapida

Metodo del Equilibrio Limite W2 (carga ext.)

o

 x   2 Talud idealizado

CG resistencia cortante

W1

radio, r

 x 1

= c u Superficie de falla asumida

longitud = L Mactuante = W1 x 1 + W2 x 2  M

= () (L) (r)

Metodo del Equilibrio Limite • • •

Postular mecanismo de falla; asumir una superficie de falla La Masa de falla se mueve como un cuerpo rigido Determinar la resistencia de corte necesaria para mantener la masa de falla en  “equilibrio limite” 

•

Si el esfuerzo de corte actuante es menor que la resistencia al corte del suelo, entonces el talud es seguro,; i.e. tiene un F.S. mayor que 1.0.

Factor de Seguridad FS •

Es práctica común en ingeniería definir la estabilidad de un talud en términos de un factor de seguridad (FS), obtenido de un análisis matemático de estabilidad. FS



Resistenci a al Corte Esfuerzo Cortante Necesario para Equilibrio Limite

F.S.

(Esfuerzo Total)

F.S.

(Esfuerzo Efectivo)

Definicion de F.S. •

En superficies circulares donde existe un centro de giro y momentos resistentes y actuantes:

Definicion de F.S.

Analisis de Esfuerzo Total •

•

•

Cuando existe exceso de presion de poros, asi hacemos una estimacion o prediccion dificil presion de poros Usualmente utilizado en “analisis de corto plazo” Immediatamente despues de la construccion/excavacion Situaciones de Cargado Rapido e.g. vaciado rapido

Analisis de Esfuerzo Efectivo Cuando el exceso de presion de poros no existe O cuando la presion de poros puede predecirse con precision razonable. • Cuando el exceso de presion de poros es cero, la presion de poros puede ser determinada basada en condiciones de equilibrio •  Agua Estatica •  Analisis de Infiltracion • •

Resistencias al cortante •

•

•

En el laboratorio o en ensayos de campo, en tal forma que las cargas aplicadas, sean lo suficientemente lentas para que se produzca drenaje. En el laboratorio utilizando ensayos consolidados no drenados. Los envolventes de falla determinadas usando estos dos métodos se han encontrado que son las mismas para todos los fines prácticos (Bishop y Bjerrum, 1960). Estudios realizados por Skempton revelan que las resistencias drenadas pico de arcillas sobreconsolidadas duras, son mayores en el laboratorio que las resistencias drenadas que pueden ser movilizadas en el campo en un periodo de

Superficie Freatica

Superficie Piezometrica

Métodos de Análisis de Estabilidad de Taludes

Métodos de Análisis de Estabilidad de Taludes

Método del Talud Infinito •

En las condiciones en las cuales se presenta una falla paralela a la superficie del talud, a una profundidad somera y la longitud de la falla es larga comparada con su espesor, se puede utilizar en forma precisa aproximada, el análisis de talud infinito. Es un sistema muy rápido y sencillo para determinar el Factor de seguridad de un talud, suponiendo un talud largo con una capa delgada de suelo, en el cual cualquier tamaño de columna de suelo es representativo de todo el talud (Figura 4.6).

Método del Talud Infinito

Método del talud infinito  F .S .  •

C     h   w  hw  cos    tg      h  sen 

Simplificando para un talud seco de suelos no cohesivos (C=0)

 F .S . •

tg   

tg  

El angulo para factor de seguridad igual a 1.0 se le denomina angulo de reposo

Falla Planar  •

.

Falla Planar  •

.

Falla Planar  •

.

Falla Planar  •

.

Falla Planar  •

.

Falla Planar  •

.

Falla Planar: ejemplo •

.

Falla Planar: ejemplo •

.

Cartas de Estabilidad •

•

Desde que Taylor (1937) publicó por primera vez sus cartas de estabilidad, varias cartas han sido presentadas por Bishop y Morgenstern (1960), Morgenstern (1963) y Spencer (1967). Estas cartas son aplicables solamente para superficies de fallas cilíndricas y serán discutidas en esta sección Con cálculos sencillos, estos gráficos pueden proporcionar una respuesta rápida al factor de seguridad de un talud propuesto y, por lo tanto, son particularmente útiles para el diseño preliminar y fines de estimación.

Taludes Homogeneos con ϕ = 0

Fig . 7-1. Cartas de estabilidad para suelos con Angulo de friccion cero

Taludes Homogeneos con ϕ = 0 Ejemplo 7.1 Fig. 7-2 muestra un talud simple con una altura, H , de 40 ft (12.2 m), un Angulo de talud, β , de 22.5°, y un ledge 60 ft (18.3 m) debajo de la punta. Si el suelo tiene una cohesion, c , de 1,200 psf (57.5 kPa), y un peso unitario total,  , de 120 pcf (18.9 kN/m3), determine el factor de seguridad y la distancia desde la punta al punto donde aparece el circulo mas critico en la superficie del terreno. Cual es el factor de seguridad si hay cargas pesadas fuera de la punta?

Solucion: para D = 60/40 = 1.5 and β = 22.5°, de la curva solida en Fig. 7-1 , c d  /  H = 0.1715, or c d  = 0.1715 × 120 × 40 = 823.2 psf. El factor de seguridad es F = c/c d  = 1,200/823.2 = 1.46. A partir de la curva corta y discontinua, n = 1.85, o la distancia entre la punta y el circulo de falla nH = 1.85 × 40 = 74 ft. Cuando hay cargas fuera de la punta, el punto cae en la parte horizontal de la curva larga discontinua con c d  / γ H = 0.1495, or c d  = 0.1495 × 120 × 40 = 717.6 psf. El factor de seguridad es F = 1,200/717.6 = 1.67.

Taludes Homogeneos con c y ϕ

Fig . 7-3. Carta de estabilidad para suelos c on  Angulo de friccion (Taylor 1937, 1948)

Taludes Homogeneos con c y ϕ Ejemplo 7.2 Dados H = 40 ft (12.2 m) y β = 30° Y el ledge está lejos de la superficie. Si el suelo tiene una cohesión, c , de 800 psf (38.3 kPa), un Angulo de friccion, ϕ , de 10°, y un peso unitario total,  , de 100 pcf (15.7 kN/m3), determine F c  , F ϕ , and F . Solucion Asumir que el angulo de friccion interna es completamente desarrollado, o ϕd  = 10°. De Fig. 7-3 , para β = 30°, c d  /  H = 0.075, or c d  = 0.075 × 100 × 40 = 300 psf, asi F c  = c / c d  = 800/300 = 2.67. Luego, supongamos que la cohesión se es completamente desarrollado, o c d  /  H = 800/(100 × 40) = 0.2. Puede verse en la Fig. 7-3 que cuando c d  /  H = 0.2 y β = 30°, El ángulo de fricción desarrollado es menor que cero, o el factor de seguridad con respecto a la fricción interna es infinito. Esta situación se produce cuando el momento resistente debido a la cohesión es mayor que el momento desestabilizante.

Para determiner el factor de seguridad con respecto a la resistencia cortante, el mismo factor de seguridad debera aplicarse tanto a la cohesion y la friccion interna. Un valor de Fc es asumida, y un valor de Fϕ, el cual es igual a tan ϕ /tan ϕ d  , es determinado desde la carta. Por ensayo y error, el factor de seguridad con respecto a la resistencia cortante es obtenido cuando Fc = F ϕ . En lugar de ensayo y error, se puede usar un método gráfico ploteando Fc versus F ϕ y encontrando su interseccion con una linea de 45°, como se muestra en la figura Fig. 7-4 .

Taludes Homogeneos con c y ϕ

Fig . 7-4. Factor de seguridad con respecto a la Resistencia cortante

In the figure, one point on the Fc versus F ϕ curve was determined previously as Fc = 2.67 and F ϕ = 1. It is necessary to have two more points in order to plot the curve. First, assume Fc = c/c d  = 2, or c d = 800/2 = 400 psf. For c d /  H = 400/(100 × 40) = 0.1, from Fig. 7-3 , ϕd  = 7°, or F ϕ = tan 10°/tan 7° = 1.44. Next, assume F c = 1.8, or c d  = 800/1.8 = 444 psf. For c d  /  H = 444/(100 × 40) = 0.111 from Fig. 7-3 , ϕd  = 5 or F ϕ = tan 10°/tan 5° = 2.02. Fig. 7-4 shows the plot of the three points. The factor of safety with respect to shear strength is 1.82.

Método Ordinario o de Fellenius •

Conocido también como método Sueco, método de las Dovelas o método U.S.B.R. Este método asume superficies de falla circulares, divide el área de falla en tajadas verticales, obtiene las fuerzas actuantes y resultantes para cada tajada y con la sumatoria de estas fuerzas obtiene el Factor de Seguridad. Las fuerzas que actúan sobre una dovela son (Figura 4.8):

Método Ordinario o de Fellenius

Método Ordinario o de Fellenius •

El metodo de Fellenius calcula el Factor de Seguridad con la siguiente expresion:  F .S . 

• • • • •

 C 'b  sec   W   cos    u  b  sec tg   W   sen 

 = Angulo del radio del circulo de falla con la vertical

bajo el centroide en cada tajada W = Peso total de cada tajada u = Presión de poros = ww b = Ancho de la tajada C’,  = Parametros de resistencia del suelo

Método Ordinario o de Fellenius HOJA PARA EL CALCULO DE ESTABILIDAD DE TALUDES METODO ORDINARIO DE LAS DOVELAS

gi =

DATOS

ci = f  i = zi, bi

m gi

#

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

17.286 17.286 17.286 17.286 17.286 17.286 17.286 17.286 17.286 17.286 17.286 17.286 17.286

kg/m3 kg/m2 ° m ci 16.758 16.758 16.758 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000

kN/m3 kN/m2 °

f  i 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30

zi 2.94 6.456 9.354 10.836 11.436 11.364 10.761 9.696 8.196 6.261 4.614 3.186 1.299

bi 1.284 1.500 3.303 2.697 3.000 3.000 3.000 3.000 3.000 3.000 3.000 3.000 2.697

Wi 65.25 167.40 534.07 505.18 593.05 589.31 558.04 502.82 425.03 324.68 239.27 165.22 60.56

ai 75.000 63.605 55.392 39.633 30.113 20.989 12.407 4.107 -4.107 -12.407 -20.989 -30.113 -39.633

cosa i 0.259 0.445 0.568 0.770 0.865 0.934 0.977 0.997 0.997 0.977 0.934 0.865 0.770

sina i 0.966 0.896 0.823 0.638 0.502 0.358 0.215 0.072 -0.072 -0.215 -0.358 -0.502 -0.638

Wi.cosa i Wi.cosa i.tgf  i 16.889 9.751 74.418 42.965 303.331 175.128 389.061 224.624 513.009 296.186 550.213 317.666 545.011 314.662 501.524 289.555 423.937 244.760 317.100 183.078 223.397 128.978 142.921 82.516 46.640 26.928

  F .S . 

cibi / cos i  W i cos i  tg j i  W i sen i

2336.797 2573.935 1331.892

bi/cosa i 83.136 56.544 97.457 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000

Wi.sin a i 63.030 149.947 439.572 322.237 297.536 211.086 119.898 36.011 -30.440 -69.760 -85.705 -82.892 -38.629

237.138

1331.892

1.933 OK!

Método de Bishop •

Bishop (1955) presentó un método utilizando Dovelas y teniendo en cuenta el efecto de las fuerzas entre las Dovelas. Se utiliza una versión simplificada de su método, de acuerdo a la expresión:

Método de Bishop C 'b  W   u  b tg      m    F .S .  W   sen 

Método de Bishop HOJA PARA EL CALCULO DE ESTABILIDAD DE TALUDES METODO DE BISHOP CON INFILTRACION

DATOS g i = ci = f  i = zi, bi m

kN/m3, TN/m3, kg/m3 kN/m2, TN/m2, kg/m2 g agua = ° 1 m

gi

#

1 1A 2 2A 3 3A 4 4A 5 5A 6 6A 7 7A

f  i

ci

2.30 2.40 2.30 2.40 2.30 2.40 2.30 2.40 2.30 2.10 2.30 2.10 2.30 2.10

0 0 0 0 0 0 0 0 0 4 0 4 0 4

45 45 45 45 25 25 25

zi 2.55 0.63 5.54 1.77 7.94 1.91 10.99 1.13 7.19 5.86 1.9 9.38 1.9 4.19

1 m

m ,

bi 7.420 7.420 4.500 4.500 5.100 5.100 6.000 6.000 4.500 4.500 4.500 4.500 5.480 5.480

, gm

Wi 43.52 11.22 57.34 19.12 93.14 23.38 151.66 16.27 74.42 55.38 19.67 88.64 23.95 48.22

 Agua

ai Wi -6.780 43.518 -6.780 11.219 3.800 57.339 3.800 19.116 12.000 93.136 12.000 23.378 21.860 151.662 21.860 16.272 31.780 74.417 31.780 55.377 41.290 19.665 41.290 88.641 54.290 23.948 54.290 48.219

hi 0.630 0.630 1.770 1.770 1.910 1.910 1.130 1.130 1.200 1.200 3.100 3.100 3.800 3.800

g i.hi.bi 4.675 4.675 7.965 7.965 9.741 9.741 6.780 6.780 5.400 5.400 13.950 13.950 20.824 20.824

ci*bi (Wi. - ui.bi)tgf  i Wi.sina i 0.000 0.000 -5.138 0.000 6.544 -1.324 0.000 0.000 3.800 0.000 11.151 1.267 0.000 0.000 19.364 0.000 13.637 4.861 0.000 0.000 56.470 0.000 9.492 6.059 0.000 0.000 39.192 18.000 23.305 29.165 0.000 0.000 12.976 18.000 34.829 58.492 0.000 0.000 19.445 21.920 12.774 39.153

 Ecuación:



c i bi 

 W i

 u i  bi

 

i

(1

0.9 1.007 1.160 1.002 0.933 1.022 0.827 1.077 0.745 1.176 0.891 1.331 0.915 1.713 0.996



tg   

 W i  sen   i

  i

(1 

tg   i tg j  i  F 

i

tg  j 

i

cibi  W i  ui  bi  

0.5 1.007 1.321 1.002 0.885 1.022 0.717 1.077 0.598 1.176 0.746 1.331 0.732 1.713 0.746

283.781

0.43 1.007 1.392 1.002 0.868 1.022 0.684 1.077 0.557 1.176 0.704 1.331 0.682 1.713 0.683

0.9 0 7.59363823 0 10.4074974 0 11.2784026 0 7.07404023 0 36.7823099 0 48.3219406 0 34.5427502

156.001

F = 0.9 --->

156.001 283.781

=

0.550

F = 0.5 --->

129.290 283.781

=

0.456

F = 0.43 --->

122.181 283.781

=

0.431



1 tg  itg j i

cos i (1 

 F 

1

  cos

 F  

cos

0.5

 F 

0.43

0 8.64646387 0 9.86509241 0 9.78313048 0 5.6743989 0 30.7957149 0 38.6520173 0 25.872917

0 9.10904903 0 9.68030245 0 9.33005659 0 5.29096029 0 29.0631269 0 36.0123895 0 23.6946264

129.290

122.181

Método simplificado de Janbu 

Janbu extendió el método de Bishop a superficies de deslizamiento de cualquier forma. Cuando se tratan superficies de deslizamiento de cualquier forma el brazo de las fuerzas cambia (en el caso de las superficies circulares queda constante e igual al radio), por este motivo es mejor valorar la ecuación del momento respecto al ángulo de cada bloque.

Método simplificado de Janbu •

.

• Se aplica a cualquier superficie de rotura. • No cumple el equilibrio de momentos pero si el de

fuerzas. •  Al igual que el método de Bishop, la solución requiere un proceso iterativo.

Método simplificado de Janbu •

.

•

.

•

.

Metodos de Estabilizacion de Taludes y Deslizamientos Esquema

Método Aplicable

Comentario

1. Reducir altura de talud por excavación encima del talud.

El área tiene que ser accesible para equipo de construcción. Es necesario un lugar apropiado para colocar suelo excavado. Algunas veces el drenaje es incorporado en este método.

I. EXCAVACION

2. Tendido del ángulo de talud. 3. Excavar una banqueta en la parte alta del talud 4. Excavar deslizamiento

II. DRENAJE

completamente

la

masa

de

1. Drenes horizontales de diámetro pequeño, (hydraugers).

1. Más efectivo si llega al acuífero natural. Drenes son usualmente de flujo libre.

2. Zanjas de subdren profundas y continúas. Generalmente a una profundidad de 5 a 15 ft.

2. El fondo de las zanjas deben tener pendiente para drenar y ser conectado con una tubería de salida. Debe colocarse tubería perforada en el fondo de las zanjas. La  parte superior deberá cubrirse con material impermeable.

3. Pozos verticales perforados. Generalmente de 18 a 36 pulgadas de diámetro.

4. Mejora del drenaje superficial a lo largo de la  parte superior con zanjas abiertas o canales  pavimentados. Sembrar plantas en el talud con raíces profundas y resistentes a la erosión.

3. Puede ser bombeado o conectado con una salida por gravedad. Varios pozos en una fila unidas al fondo  pueden formar una galería de drenaje. 4. Buena práctica para la mayoría de los taludes. Dirigir la descarga fuera de la masa deslizante.

Metodos de Estabilizacion de Taludes y Deslizamientos III. CONTRAFUERTE DE 1. Excavación de masa deslizada y reemplazo con TIERRA O ROCA (O tierra compactada o relleno de contrafuerte de roca triturada. El pie del contrafuerte debe reposar BERMAS DE RELLENO)

1. Acceso para equipo de construcción y área de acopio temporal requerido. Suelo excavado puede usualmente ser usado en relleno. Calzaduras de estructuras existentes puede ser requerido. Se puede realizar en secciones cortas si la estabilidad durante la construcción es crítica.

2. Utilización de bermas de tierra compactada o roca colocados en el pie y más allá del pie. Debe  proporcionarse drenaje detrás de la berma.

2. Se requiere suficiente ancho y espesor de las bermas de modo que la falla no ocurra por debajo o a través de las bermas.

en suelo firme o roca por debajo del plano de deslizamiento. Se utiliza manto de drenaje con salida de flujo por gravedad detrás del relleno de contrafuerte.

IV. ESTRUCTURAS RETENCION.

DE 1. Muro de Retención  –  gravedad o cantiléver

1. Usualmente costosos. Los muros de cantiléver pueden ser anclados.

2. Pilotes verticales vaciados en sitio, con la base cimentada por debajo del plano de falla. Generalmente de diámetro de 18-36 pulgadas y espaciamiento de 4  –  8 pies.

2. El espaciamiento deberá ser tal que el suelo arquee entre pilotes. Puede utilizarse una viga superficial para amarrar los pilotes. Pilotes de gran diámetro (6 ft)  pueden utilizarse para deslizamientos profundos.

3. Pilotes verticales vaciados en sitio anclados o  batería de pilotes o bloques de cimentación. La  base de los pilotes por debajo del plano de falla. Generalmente de diámetro de 12 -30 pulgadas y espaciamiento de 4  –  8 pies.

3. Espaciamiento lo suficientemente cercano para que el suelo arquee entre pilotes. Pilotes pueden ser amarrados con viga superficial.

4. Pernos de anclaje en roca y suelo.

4. Pueden ser usados para taludes altos, y en áreas muy limitadas. Un diseño conservador deberá ser usado, especialmente para soportes permanentes.

5. Uso del Suelo reforzado con geosintéticos (geotextiles, geomallas, geoceldas, etc.)

5. Especialmente útil en casos de refuerzo interno y externo de las masas del talud. Se pueden alternar con

Metodos de Estabilizacion de Taludes y Deslizamientos . TECNICAS ESPECIALES

1. Grouting 2. Inyección Química

1. y 2. Usado satisfactoriamente en varios casos. En otros casos no fue satisfactorio. En el presente, la teoría no está completamente desarrollada.

3. Electroosmosis (en suelos de grano fino)

3. Generalmente costoso.

4. Congelamiento (Freezing)

4. y 5. Métodos especiales que pueden ser evaluados específicamente en cada sitio. Pueden ser costosos. Todas estas técnicas deberán ser cuidadosamente evaluadas por adelantado para determinar los costos  probables y efectividad.

5. Calentamiento (Heating)

Adaptado de “Soil Strength and Slope Stability”, (Duncan, 2005).

Evaluacion deTaludes

Software de Análisis de Estabilidad de Taludes (SLOPE/W, GEO5, LimitStateGEO, SLIDE)

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Taludes de Presas

Taludes de Defensas Ribereñas (Diques)