ANÁLISIS DE ESTABILIDAD DE TALUDES

 INTRODUCCIÓN

Al hablar de deslizamientos se prioriza la importancia que puede adquirir el estudio de la estabilidad de taludes. Dichas estructuras, en conjunto con los cortes o excavaciones que se practican en los proyectos de ingeniería, forman lo que se ha denominado los taludes artificiales; estos se diferencian de las laderas y taludes naturales, por la naturaleza de los materiales involucrados en cada caso o por las circunstancias de formación del talud, su historia geológica, el clima al cual ha estado sometido y la influencia del hombre.

Dentro de los taludes artificiales deben reconocerse las diferencias entre los cortes y los terraplenes, teniendo en cuenta que éstos, como en las presas, el grado de control que puede ejercer la ingeniería es mayor, dado que se seleccionan los materiales que los forman, los sistemas de colocación, compactación y drenaje.

En las excavaciones de laderas habrá que trabajar con los materiales en su estado natural, con todas las variaciones que puedan presentarse de un punto a otro en las condiciones hidrológicas y geológicas, las propiedades geotécnicas de suelos y rocas y el grado de meteorización.

En cualquier caso deberán considerarse a mediano y largo plazo factores tales como el cambio que introduce en el medio ambiente toda obra de ingeniería, la influencia del agua sobre la resistencia, la estabilidad y la respuesta de los materiales a las cargas aplicadas y las modificaciones que sufren los materiales con el tiempo.

El estudio científico de taludes de tierra y roca tiene aplicaciones que varían desde problemas de geomorfología pura, hasta la predicción de estabilidad de taludes para propósitos de ingeniería civil y el diseño de medidas correctivas donde un deslizamiento ha destruido o amenaza vidas humanas, propiedades o medios de comunicación.

Sea cual fuere el enfoque dado al tema, se requiere un conocimiento adecuado de numerosos puntos que pueden reunirse en cuatro grupos relacionados entre si:

• Reconocimiento y clasificación de los diversos tipos de movimientos en masa que pueden ocurrir, sus características morfológicas, ambiente geológico, velocidad y causas de la falla.
• Clasificación y descripción precisa de los materiales englobados en los movimientos en masa y medidas cuantitativas de sus propiedades relevantes.
• Método del cálculo de la estabilidad del talud en términos del tipo de falla, real o prevista y las propiedades de los materiales.
• Correlación entre las observaciones de campo y los resultados del cálculo de estabilidad.

FACTOR DE SEGURIDAD

Una definición del factor de seguridad contra la falla de un talud, es la del valor resultante de dividir la resistencia al corte disponible del suelo, a lo largo de una superficie crítica de deslizamiento, por la resistencia al corte requerida para mantener el equilibrio.

La tarea del ingeniero encargado de analizar la estabilidad de un talud es determinar el factor de seguridad. En general el factor de seguridad se define como

La resistencia cortante de un suelo consta de dos componentes, la cohesión y la fricción, y se expresa como

Donde c_d y  φ son, respectivamente, la cohesión efectiva y el ángulo de fricción que se desarrolla a lo largo de la superficie potencial de falla. Sustituyendo las ecuaciones (2) y (3) en la ecuación (1), se obtiene.

FS   = c + s ¢´ tanf

Se puede introducir algunos otros aspectos del factor de seguridad, es decir, el factor de seguridad con respecto a la cohesión FS_C y el factor de seguridad con respecto a la fricción FS y se define como sigue:

Fs ( c ) =  C / Cd     y   FS  φ =  Tan φ /  Tan φd

 Cuando se comparan las ecuaciones se aprecia que cuando FS_C se vuelve igual a FS_f, ese es el factor de seguridad con respecto a la resistencia.

C / Cd  =  Tan φ / Tan φd

FSS = FSC + FS φ

Cuando FS es igual a 1,00, el talud está en un estado de falla incipiente.

Generalmente un valor  de 1,40 como factor de seguridad con respecto a la resistencia es aceptable para el diseño de un talud estable.

El valor mínimo del factor de seguridad aceptable depende de varias circunstancias, que se pueden asociar con el tipo de talud.

A continuación se incluyen algunas recomendaciones relacionadas con los taludes nuevos, los existentes, los naturales y los construidos en obras temporales.

 TALUDES NUEVOS

Un factor de seguridad de diseño contra la falla de un talud depende de la magnitud de las  pérdidas económicas y de vidas que dicha falla pueda producir.

En el “Geotechnical Manual of Slopes (1984)” se indican los factores de seguridad recomendados para taludes nuevos que se presentan en la siguiente tabla

Dichos factores de seguridad son válidos para condiciones de aguas resultantes de una lluvia con período de retorno de 10 años.

Hay tres categorías de riesgo en cada caso, despreciable, bajo y alto. La categoría “riesgo para vida” refleja la probabilidad de pérdidas de vida en el evento de falla.

Tabla 1

Factores de seguridad recomendados para taludes nuevos, considerando una lluvia con período de retorno de diez años.

Nota

(1) Adicionalmente al factor de seguridad de 1,4 para lluvia con período de retorno de diez años, un talud en la categoría alta “riesgo para vida” debe tener un factor de seguridad de 1,1 con las condiciones más críticas posibles del agua subterránea.

(2) Los factores de seguridad dados en esta tabla son valores recomendados. Sin embargo, pueden adoptar valores mayores o menores, particularmente en relación con las pérdidas económicas probables.

(Geotechnical Manual for Slopes, 1984)

TALUDES EXISTENTES

Cuando se analiza un talud antiguo para determinar la extensión de cualquier obra correctiva o preventiva requerida, la historia del comportamiento de dicho talud puede ser de gran importancia para el diseñador.

Se presenta por ejemplo, la oportunidad de examinar la geología del talud mucho mejor que en el caso de un sitio por desarrollar y de obtener una información más confiable del agua subterránea.

Para el diseño de las obras preventivas, se puede asumir que el talud existente tiene un factor de seguridad mínimo de 1 para las condiciones más críticas de cargas y de aguas subterránea.

En el caso de un talud fallado o peligroso, se deben identificar las causas de la falla o del peligro para tenerlas en cuenta en el diseño de las obras.

En aquellos casos donde el talud se modificará sensiblemente, o donde su estabilidad será afectada por nuevas obras, se deben  adoptar los factores de seguridad recomendados en la tabla 1

Tabla 2: Factores de seguridad recomendados para el análisis de taludes existentes y para el diseño de las obras preventivas, considerando una lluvia con período de retorno de 10 años.

TALUDES NATURALES

Los taludes naturales generalmente se encuentran cerca del equilibrio límite en áreas extensas, de tal manera que las medidas preventivas pueden ser costosas y difíciles.

Obviamente no es recomendable en estos casos acometer el abatimiento del talud para lograr solo un mejoramiento marginal de estabilidad. En tales casos se pueden desarrollar rápidamente presiones de poros altas. En estos casos generalmente no se produce una señal previa al deslizamiento, y el material en movimiento, si hay licuación, puede viajar grandes distancias al velocidad alta, aún sobre superficies relativamente planas.

Materiales como un peso unitario seco menor que la densidad crítica se pueden formar debido a la compactación inadecuada de un relleno, por la disposición de material coluvial en un estado suelto o por la meteorización in situ.

Las rocas que tienen una meteorización alta o total se pueden comportar como suelo en términos de sus propiedades de ingeniería, de tal manera que los taludes con estos materiales se deben evaluar analizando una amplia variedad de superficies potenciales de falla. En roca menos meteorizada la falla del talud es controlada por le sistema de fisuras.

ANÁLISIS Y DISEÑOS.

Como requisito para un buen análisis, se debe determinar con suficiente precisión los mecanismos de falla que pueden actuar.

Además deben estar familiarizados con las técnicas de investigación del terreno, la exploración, los ensayos de campo y laboratorio y conocer los sistemas de obras correctivas y preventivas disponibles.

La experiencia de campo permite mejorar nuestra comprensión general sobre los tipos de falla de taludes y los mecanismos actuantes y suministra bases para su reconocimiento y clasificación.

PROCEDIMIENTO GENERAL DE DISEÑO.

Se presenta en la tabla siguiente un procedimiento general de diseño de taludes que también describe la secuencia diseño-construcción.

El diseño en ingeniería busca ofrecer  un margen de seguridad adecuado, dentro de las condiciones económicas y sin perder de vista las posibilidades reales (físicas, técnicas y financieras) de llevar a cabo las obras.

Un eslabón débil puede producirse por errores u omisiones tales como:

datos de entrada, irreales o errados;

1. análisis irreal en el diseño;
2. criterios de diseño insuficientes;
3. diseño poco práctico;

Por otra parte se debe tener en cuenta que el análisis debe servir para guiar el diseño y solo entonces será útil en la ingeniería práctica.

El análisis es un componente importante del diseño funcional de un talud, junto con las consideraciones de drenaje y el control de la construcción.

En el análisis se avalúan las propiedades mecánicas de los materiales, para llegar a diseñar una configuración acorde con los requisitos de comportamiento del talud.

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