estabilidad de taludes
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UNIVERSIDAD DE ATACAMA FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE MINAS
Integrantes: Rafael Osorio Troncoso Víctor Pérez Zúñiga
Profesor: Sr. Hugo Olmos Materia: Mecánica de Rocas II Fecha: 01/09/2011
ESTABILIDAD DE TALUDES
Generalidades:
Se encuentra usualmente en apuntes o textos de
Geotecnia, que el cálculo analítico de la estabilidad de taludes
se resuma en la exposición de un par de métodos, generalmente
los de Fellenius y Bishop, y al desarrollo de algún ejemplo de
aplicación. Pero fue Coulomb el que inicio los estudios sobre la
estabilidad de los taludes, en el siglo XVIII, al desarrollar un
método de cuñas enfocado al estudio de la estabilidad de muros,
pero también utilizable en taludes desnudos.
En el siglo XIX, la construcción de líneas férreas trajo consigo grandes
movimientos de tierras, lo que provoco apariciones de importantes deslizamientos, lo que
obligo a crear métodos de cálculo para poder prevenirlos. Los métodos que fueron creados
durante la primera mitad del siglo XX son los que fueron usados como base para los
métodos que son usados hoy en día.
Fellenius desarrolla en 1910 un método de cuñas, y seis años más tarde se utiliza
por primera vez el de rebanadas, pero solo para suelos no cohesivos, y no es hasta las dos
décadas siguientes que se consigue unificar la metodología para suelos con cohesión y con
rozamiento interno, a la vez que se introduce en el cálculo el Principio de las Presiones
Efectivas, definido por Terzaghi en 1926.
Los métodos que pueden considerarse modernos se inician en 1954 con el de
Bishop, para roturas circulares, y en 1956 el de Janbu, para superficies no circulares. La
complejidad del cálculo ya era inquietante, y las sofisticaciones posteriores llegaron a hacer
casi utópica la aplicación práctica, hasta que la aparición del ordenador convirtió en rutina
metodologías consideradas casi imposibles, como la basada en Elementos Finitos.
Hoy existen en el mercado numerosos
programas informáticos que cubren
suficientemente las necesidades de un
profesional, aunque se hace necesario
indicar que los buenos suelen ser caros, y
los baratos, algunos hasta gratis en Internet,
obligan a una tediosa introducción de datos,
con el consiguiente riesgo de cometer un
error inadvertido.
Principales métodos de cálculo:
La mayor parte de los métodos utilizados actualmente se basan
en el método de la rebanadas, que consiste en dividir el macizo
potencialmente deslizable en rebanadas o dovelas verticales,
calcular el equilibrio de cada una de ellas, para poder así
finalmente analizar el equilibrio global del sector,
obteniéndose un factor de seguridad (FS) que se define como
la relación entre fuerzas o momentos resistentes y fuerzas o
momentos motores.
El peso de la rebanada (W) se descompone en un empuje tangencial (WT) y otro
vertical (WN), paralelo y normal, respectivamente, a la base de aquella. WT origina una
tensión cortante, a la que se opone la propia resistencia al corte (s) del terreno, definida por
la cohesión y la fuerza normal (WN) disminuida en la presión intersticial (u). Las fuerzas V
y H, con sus subíndices, definen la interacción entre rebanadas, y es la evaluación de estas
reacciones internas lo que establece la diferencia fundamental entre los métodos.
Una vez que se ha calculado el factor de seguridad (FS) para una determinada curva
de rotura potencial, se repite lo mismo para otra distinta, y así sucesivamente hasta obtener
un mínimo para FS, suponiéndose entonces que esta será la curva pésima.
El cálculo manual de todo el proceso es lento y tedioso lo que puede llevar a
cometer errores durante la manipulación de tan gran número de parámetros, y quedando
siempre la incertidumbre de si el valor del FS que estimamos final es realmente el mínimo,
o todavía podemos encontrar otra curva que lo minimice más.
Es por esto, que hoy en día los más utilizados para desarrollar estos cálculos son los
software, los cuales nos permiten analizar un gran número de alternativas, por lo que el
valor mínimo del FS puede acotarse dentro de un intervalo en un tiempo corto. Todos estos
software son basados en los parámetros de los diferentes autores sobre estabilidad de
taludes, como por ejemplo: Bishop, Janbu y otros.
Métodos de Análisis
Método del Circulo de Rotura
Método de Dovelas
o Métodos Aproximados
Método Ordinario ó de Fellenius
Método Simplificado de Bishop
Método Simplificado de Janbu
o Métodos Precisos
Método de Morgenstern – Price
Método de Spencer
Método de Sarma
Soluciones basadas en Abacos
o Taylor
o Bishop
o Hoek y Bray
Análisis de los distintos Métodos
Método de Dovelas
Método de Fellenius: Este método de cálculo se basa en la aplicación directa de los
fundamentos de la mecánica racional clásica. Para ello fellenius divide la supuesta
cuña de deslizamiento en rebanadas, estudiando el estado de fuerzas de cada una de
ellas. La condición de equilibrio de cada rebanada vendrá dada por la superioridad
de las fuerzas estabilizadoras sobre las desestabilizadoras en la superficie de
deslizamiento.
Fuerzas estabilizadoras ≥ Fuerzas desestabilizadoras
Primer método de Dovelas en ser ampliamente aceptado.
Ignora las fuerzas entre Dovelas a fin de convertir el problema en
estáticamente determinado.
Considera el peso (W), y de la presiones intersticiales (u).
El más simple de todos los métodos de Dovelas y a la ves el más
conservador, proporciona el Factor de Seguridad (FS) más bajo.
Se aplica solo a superficies circulares.
Momentos estabilizadores son generados por la resistencia al
cizallamiento en la superficie de rotura.
Momentos estabilizadores son generados por el peso del terreno
incluyendo el peso del agua.
Método de Bishop: Originalmente desarrollado para roturas circulares, considera
que las interacciones entre las dovelas son nulas. El cálculo se lleva a cabo
buscando el equilibrio de momentos respecto al centro del arco circular, aunque en
la versión posterior se puede aplicar a superficies no curvas definiendo centros
ficticios.
Se aplica solo a superficies de rotura circulares.
Método similar al de Fellenius, excepto que considera equilibrio de fuerzas
en la dirección vertical.
La solución es indeterminada, por lo que requiere un proceso iterativo.
Los resultados obtenidos de FS tienden a ser más elevados que en método de
Fellenius.
Proporciona resultados similares a los métodos precisos.
Método de Janbu: Diseñado para superficies no necesariamente circulares, también
supone que la interacción entre las dovelas es nula, pero a diferencia de Bishop
busca el equilibrio de fuerzas y no de momentos. Experiencias posteriores hicieron
ver que la interacción nula en el caso de equilibrio de fuerzas era demasiado
restrictiva, lo que obligó a introducir un factor de corrección empírico aplicable al
FS. En versión posterior, en el denominado método riguroso, se define una línea de
empuje entre las rebanadas y se buscan los equilibrios en fuerzas y momentos
respecto al centro de la base de cada una.
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 de Morgenstern - Price: Al igual que el anterior, también es de aplicación
general, y trata de alcanzar tanto el equilibrio de momentos como de fuerzas. La
diferencia fundamental es que la interacción entre rebanadas viene dada por una
función que evalúa esa interacción a lo largo de la superficie de deslizamiento.
Método de Spencer: Este, como los que se mencionaran a continuación, pertenece a
la categoría de los denominados rigurosos. Supone que de la interacción entre
rebanadas aparece una componente de empuje con ángulo de inclinación constante,
por lo que, mediante iteraciones, analiza tanto el equilibrio en momentos como en
fuerzas en función de ese ángulo, hasta hacerlo converger hacia un mismo valor,
calculando entonces el FS correspondiente. Es aplicable tanto a roturas circulares
como generales.
Método de Sarma: Significó un cambio radical respecto a la filosofía de los
anteriores, ya que se busca la aceleración horizontal necesaria para que la masa de
suelo alcance el equilibrio límite. El FS es calculado reduciendo progresivamente la
resistencia cortante del suelo hasta que la aceleración se anula. Por sus
características es aplicable a rebanadas no verticales, y suele ser muy utilizado en el
cálculo por Elementos Finitos.
Observaciones
Evitar valores de α ≈ 0° ó muy elevados.
El termino (Wcos α – uL) < 0 es inadmisible.
Si m α < 0,2, usar métodos con cautela.
El método de Bishop proporciona resultados muy
próximos a los obtenidos por los métodos precisos.
Solo es aplicable a superficies de rotura Circulares.
Modo de Rotura en Taludes Rocosos.
Planar
Condiciones:
Cuando existe una fracturación dominante en la roca.
Entre terrenos de buenas características de resistencia, intercalados por otro de
menor calidad.
Rumbo de la superficie de rotura +/- 20° con respecto a la frente de talud.
ψf > ψp > ϕ
Rotura en Cuña
Condiciones:
Cuando existen dos discontinuidades dispuestas oblicuamente a la superficie del
talud (línea de intersección con inclinación desfavorable).
Común en macizos rocosos con discontinuidades bien marcadas (Fallas,
Fracturas, etc).
ψt > ψi > ϕ
Rotura Rotacional
Condiciones:
Macizos rocosos altamente fracturados.
Suelos y Rocas Blandas.
Taludes formados por roca estéril
Macizos rocosos altamente Meteorizados y Alterados.
Rotura por Volcamiento
Conclusiones:
Rotación de columnas o bloques de roca sobre una base sobre la acción de la
gravedad y fuerzas adyacentes.
El concepto de FS no es aplicable.
Evidencias de Desestabilización.
La rotura ó deslizamiento de un talud no es un evento instantáneo, es PROGRESIVO.
Roturas de pendiente con acumulación de material al pie del talud.
Bloques de roca caídos al pie de taludes y escarpes.
Presencia de grietas de tracción.
Reptaciones de material blando.
Arboles, arbustos ó postes inclinados a favor de la pendiente.
Cicatrices que evidencien planos de rotura.
Causas de desestabilización.
Condiciones Hidrológicas:
Lluvia.
Presencia de aguas Subterráneas.
Aumento del peso del terreno.
Procesos de Meteorización.
Relleno de fisuras y grietas.
Cambios en la composición mineralógica.
Practicas inadecuadas de perforación y tronadura.
Presencia de planos de debilidad (fracturas, planos de estratificación, zonas de
cizalle, etc.)
Excavación de taludes escarpados.
Sobre - excavación de la base del talud.
Medidas Remediales.
Modificación de la Geometría
Objetivo: Aumentar la resistencia al cizallamiento del terreno:
Disminución del ángulo de talud.
Construcción de bermas.
Colocación de talones.
Drenaje
Objetivo: reducir las presiones de agua.
Drenaje superficial (construcción de zanjas de drenaje en la
cresta del talud).
Drenaje profundo (perforación de barrenos en el frente del
talud).
Refuerzo
Técnicas adecuadas de tronadura.
CONCLUSIÓNES
Después de leer varios apuntes sobre la estabilidad de taludes y la variada gama de
autores que se refieren a este tema, puedo llegar a concluir que el calculo de taludes es un
tema muy importante ya que no solo es aplicado a la minería, si no que también en muchos
otros ámbitos como en la construcción de líneas férreas, construcción de carreteras, etc. la
disciplina de este tipo de cálculos puede llegar a ser muy compleja en la que se pueden
combinar varias materias, pero la principal arma para enfrentar un problema de
inestabilidad es el sentido común del experto que está a cargo del estudio.
De lo anteriormente expuesto, se puede dar un análisis de que los problemas de
estabilidad de taludes no pueden resolverse con soluciones tabuladas, ya que no hay dos
deslizamientos iguales por la sencilla razón de que el disparo de una inestabilidad suele
tener su origen en la convergencia de múltiples condicionantes de carácter local. Para poder
obtener resultados mejores en una prevención de cualquier desplazamiento de material, es
esencial que se utilicen los avanzados software que hoy en día existen, hay buenos y malos,
varían en su precio, pero para un mejor resultado es conveniente además de un buen
software, un buen profesional encargado, un geotécnico de prestancia, para que
visualmente, en terreno, analice y de resultados, conjuntamente con los adelantos
tecnológicos.