estabilidad de taludes - escuela de ingenieria en...

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ESTABILIDAD DE TALUDESESTABILIDAD DE TALUDES

ExistenExisten


•• INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN

•• ESTABILIDAD DE CORTESESTABILIDAD DE CORTES

•• TALUDES INFINITOSTALUDES INFINITOS

•• TALUDES FINITOSTALUDES FINITOS

•• ESTABILIDAD DE TERRAPLENESESTABILIDAD DE TERRAPLENES

•• CASOS DE ESTABILIDAD DE TALUDESCASOS DE ESTABILIDAD DE TALUDES

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AvisanAvisan


Se hacen sentirSe hacen sentir

3


A veces algunas situaciones A veces algunas situaciones son difíciles de manejarson difíciles de manejar


Simplificando…….Simplificando…….

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Clasificación InglesaClasificación Inglesa


FLUJO VOLCAMIENTO DEPRESIÓN

CAÍDAARRASTREDESLIZAMIENTO

SimplificandoSimplificando

5


Simplificando aun másSimplificando aun más

3D3D

2D2D


Para efectos de su estudio, los taludes pueden dividirse en n aturales(laderas) o artificiales (cortes y terraplenes)

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Cualquier cosa que produzca una disminución de la resistencia del sueloo un aumento de los esfuerzos en el suelo, contribuye a la inestabilidady deben tomarse en consideración, tanto en el proyecto de estructuras detierra como en la corrección de fallas.

Ej: Saturación de la masa de suelo; baja en los parámetros mecánicos;acción sísmica; incremento en carga aplicada; etc.

Un movimiento ocurre cuando la resistencia al esfuerzo cortante del sueloes excedida por los esfuerzos cortantes que se producen en unasuperficie relativamente continua. Por lo tanto, las fallas localizadas en unsolo punto de la masa de tierra no indican necesariamente que la masasea inestable. La inestabilidad se produce como resultado de la falla deesfuerzo de corte en una serie de puntos que definen una superficie, a lolargo de la cual se produce el movimiento.


TIPOS DE MOVIMIENTOS DE MASASTIPOS DE MOVIMIENTOS DE MASAS

•• DESLIZAMIENTOS COMPLEJOSDESLIZAMIENTOS COMPLEJOS

•• DESPRENDIMIENTOSDESPRENDIMIENTOS

•• FLUJOSFLUJOS

•• DESLIZAMIENTOSDESLIZAMIENTOS

ESTABILIDAD DE CORTESESTABILIDAD DE CORTES

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DESPRENDIMIENTOSDESPRENDIMIENTOS

Tanto en los desprendimientos de roca como de suelo, la masa se mueve rápidamente a través del aire en caída libre. No existe un movimiento lento que precede al deslizamiento.

Se presenta principalmente en rocas afectadas por desintegración y descomposición, actuando en planos o sectores mas débiles.

La experiencia ha indicado la conveniencia de ejecutar la construcción de taludes en roca según algunos de los siguientes tipos.


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1.1 TALUD DE INCLINACIÓN UNIFORME1.1 TALUD DE INCLINACIÓN UNIFORME

Hmax 10 mt

1.2 TALUD DE INCLINACIóN VARIABLE1.2 TALUD DE INCLINACIóN VARIABLE

Hmax 10 mt

Estrato debil

Estrato firme

Estrato medio

Estrato firme

Este sistema es recomendadocuando las propiedades mecánicas yla acción climática sobre la roca esrelativamente uniforme a través de lasección considerada

La inclinación variable se usa cuando existen estratos de diferentes características en la sección considerada.

Los estratos mas débiles tendrán una inclinación de talud mayor

RECOMENDACIONESRECOMENDACIONES

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La colocación de bermas en el talud esrecomendada cuando la roca presentafracturas y exfoliaciones , pero no se prevéacción importante por estar a la intemperie .Los escombros caen sobre las bermasevitando así que lleguen a la plataforma delcamino. Requieren un mayor costo deconstrucción, pero dan mayor seguridad yrequieren menor mantención.

1.3 TALUD CON BERMA PERMANENTE

a

a

H de 6 a 10 mt

H

H

a = 3 a 6 mt

1.4 TALUD CON BERMA TEMPORAL

relleno

Cuando se espera una acción importante porestar a la intemperie , se construyen taludescon bermas y se rellenan con suelo fino paraproteger la roca de los agentesatmosféricos. Para la colocación del materialde relleno se requiere dar una mayorinclinación a los taludes.

ESTABILIDAD DE TALUDESESTABILIDAD DE TALUDESNo será mucho?

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En los deslizamientos el movimiento de la masa es el resultadode una falla de corte a lo largo de una o o varias superficies.

Se presenta en materiales con comportamiento elástico o semielástico.

El tipo de superficie de deslizamiento por la cual se produce lafalla, depende básicamente del ángulo de inclinación del talud,de la cohesión y del ángulo de rozamiento interno del suelo φ.

DESLIZAMIENTOS

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SPFSPF

1.- Rotura por talud infinito : Se habla de talud infinito cuando el espesor del material inestable es pequeño respecto a la altura del talud.La superficie de deslizamiento es paralela a la del talud .

2.- Rotura por talud finito : En estecaso la SPF se aproxima al manto deun cilindro , por lo tanto es de tipocircular y esta definido por un radio(R) y un centro (O) (Generalmentepropio de suelos con c=0 )


Circulo de talud

Circulo profundoCirculo de pie

La mayor parte de las teorías cuantitativas supone

que la superficie de falla es un cilindro de sección

circular. En la realidad esta superficie es de

sección compuesta, cuya forma depende

principalmente del tipo de suelo. Sin embargo se

facilita el cálculo suponiendo falla en círculo y el

error no es de importancia.

Se puede indicar que para altos valores de β y/ode φ el círculo de falla es de pie. Para bajosvalores de φ y suelos predominantementecohesivos se puede producir una falla de círculoprofundo. A modo de indicación muy general sepueden indicar las siguientes tipos de falla:

INCLINACION DEL TALUD β FRICCION INTERNA φ TIPO DE FALLAMayor de 45º Circulo de pie o talud

30º - 45º menor de 5º Circulo profundomayor de 5º Circulo de pie

15º - 30º menor de 10º Circulo profundomayor de 10º Circulo de pie

RECOMENDACIONES

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TIPO DE ROCA Inclinación Talud (tgβ)I IGNEASGranito, basalto, lava 2 a 5

II SEDIMENTARIASArenisca masiva y caliza 2 a 4Ineterestratificada 1.3 a 2Arcillolita y limonita 1 a 1.3

III METAMORFICASGneis, esquistos y marmol 2 a 4Pizarra 1.3 a 2

INCLINACIÓN DEL TALUD SEGÚN TIPO DE ROCA

β

H

V

Tg(β) = V/H


FLUJOS

El flujo tiene la apariencia de un líquido viscoso y puede ser de dos tipos :seco y húmedo.

El flujo seco es muy común en arenas y limos de textura uniformespresentándose en roca fragmentada (característica en zona cordillerana). Segeneran normalmente por movimientos sísmicos u otro tipo de vibraciones, odebilitamiento de alguna sección del talud y viento.

El flujo húmedo es un movimiento lento, ocurre normalmente en suelos detextura preponderantemente fina y se genera por un exceso de agua. Secaracteriza por abarcar una gran longitud. Normalmente se inicia debido alluvias de gran intensidad y se hace presente en zonas donde ha sidoremovida la capa vegetal y en las zonas agrietadas.

La inclinación de su zona inferior puede variar entre 4º y 15º y su velocidadmedia entre 4 y 600 m/año (Jiménez Salas)

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La protección para el caso de los flujos de suelos finos se lograestabilizando el talud con vegetal, productos de petróleo o morteros decemento. Además deben sellarse posibles grietas y evitar laconcentración de aguas sobre el talud mediante la construcción decontrafosos. La colocación de muro bajo, en el pie de talud evita que elagua de las cunetas lo erosionen y active el flujo.

RECOMENDACIONES


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• Se habla de talud infinito cuando el espesor del material inestable es

pequeño respecto a la altura del talud.

• La superficie de deslizamiento es paralela a la del talud.

Suponemos que el talud tiene una gran extensión en la direcciónnormal a la sección indicada, por lo que se consideran únicamentelos esfuerzos sobre las tres caras de este elemento. Sin embargo,con un talud infinito es lógico suponer que los esfuerzos sobre lasdos caras verticales son iguales y se equilibran.


Arena seca• Superficie de falla plana y paralela al talud• Masa que desliza de pequeño espesor• Tensiones en caras verticales iguales y opuestas

T

iW

a

d

N

Equilibrio de fuerzas

Si se moviliza toda la resistencia al corte (FS = 1), el talud será estable si i = φ.Donde i es el ángulo de reposo

φ=⇒φ=

⋅φ⋅⋅=

⋅φ⋅=

⋅⋅γ=⋅=⋅=

máx

d

i i nat

tanFS

i senW

tani cosW

i senW

tanNFS

daW ; i cosWN ; i senWT

Si el suelo esta seco y no tiene cohesiónSi el suelo esta seco y no tiene cohesión( c = 0; µ = 0; γ = γd; φ ≠ 0 )

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Arena sumergida• Superficie de falla plana y paralela al talud• Masa que desliza es de pequeño espesor• No existe flujo de agua en el interior

T

iW

a

d

N´

a.d.γw

Talud sumergido

φ=⇒φ=

⋅φ⋅⋅=

⋅φ⋅=

⋅⋅γ=⋅=⋅=

máx

'

'

'

'

'''''

i i nat

tanFS

i senW

tani cosW

i senW

tanNFS

daW ; i cosWN ; i senWT

Si el suelo esta seco y no tiene Si el suelo esta seco y no tiene cohesioncohesion( c = 0; µ ≠ 0; φ ≠ 0 )


SI EL SUELO ESTA SATURADO Y CON COHESIÓNSI EL SUELO ESTA SATURADO Y CON COHESIÓN

a) N+U = W· cosβb) T = W·senβc) U = u · b (así U queda en kN)

cosβd) W = b·z·γsat

∴ N` = W cos(β)−U = b·z·γsat·cosβ - u·bcosβ

F.S = Fzas. resistet = ττττ =Fzas. solicit (T·cosββββ) / b

T =W sen(β) =b·z·γsat·sen(β)

T = T /(b /cos(β))= T cos(β)/b para que quede en kN/m2

∴∴∴∴ F.S = c + σσσσn· tg φφφφ = c + (N·cosββββ/b)·tgφφφφ(T·cosββββ ) / b (T·cosββββ ) / b

F.S = c + [ (b·z·γγγγsat cosββββ - u·b/cosββββ ) cosββββ /b ]·tg φφφφ = c + (z·γγγγsat·cos2ββββ-u)·tg φφφφb·z·γγγγsat·senββββ·(cosββββ / b) z·γγγγsat·senββββ·cosββββ

β

b

S.T

z

σII

σI

σIIIτIII

τII

σI=σIII

τI= τIII

τI

w

w

b

N

U

T

β

ββ

β

β

x

x= b/cosβ

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SI EXISTE FLUJO DE AGUA PARALELO AL TALUDSI EXISTE FLUJO DE AGUA PARALELO AL TALUD

β

NT

SPF

NFEquipotencial ( =E )

hB

hA

∆H

N

PERDIDA DE CARGA DH=L SEN (β)

Gradiente β = L sen (β) /L = cos (β)


La estabilidad de taludes es un problema deequilibrio plástico. Cuando la masa está a punto defallar, las fuerzas que producen el movimiento hanllegado a ser iguales a la resistencia que opone lamasa al ser movida. Debido a la geometría irregularde la masa y al complejo sistema de fuerzas que hayen un problema real, los métodos de análisis directo,como los que se usan para el empuje de tierras raravez son aplicables. En vez de esto es masprovechoso emplear un sistema de tanteo paradeterminar el factor de seguridad (F.S.) en unproyecto tentativo o la falla potencial de un taludexistente.

Primero se supone una superficie de falla potencialy se calcula la resistencia al esfuerzo cortante queactúa a lo largo de ella; después se determinan lasfuerzas que actúan en el suelo limitado por lasuperficie de falla y posteriormente se calcula el F.S.de ese segmento.

Si se prueban numerosos segmentos, aquel en queel F.S. hallado sea menor , será teoricamente elverdadero factor de seguridad de la masa de suelo.Sin embargo en la práctica, el menor factor se hallaanalizando unos cuantos segmentos bienseleccionados de posible falla y esto essuficientemente exacto.

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En este caso la SPF es el manto de un cilindro y por lo tanto es de tipo circular estando definida por un radio (R) y un centro (O).

o

Rγ1; c1;φ1

γ2; c2; φ2 Si existen fuerzas exterioresdistintas de la gravedad sobre lamasa deslizante, el momento deestas fuerzas se incluye en Ms ⇒ΣPj·Lj

2.- COMPORTAMIENTO EN SUELOS φφφφ, c.

bi

θi

RI RDWI

TINI

UI

Ms (+)

Mr (-)

FS = ΣFr = Σ(c ·∆li + N·tgφ) + QΣFs ΣT

Si existe fuerza adicional resistente (muro, pilote u otro) en el pie del talud se toma como Q.

CENTRO DE ROTACION

SUPERFICIE

CIRCULAR DE

DESLIZAMIENTO

ZONA DE PRESION ACTIVA

ZONA DE PRESION PASIVA


CIRCULO SUECO O DE FELLENIUS (1936)

Ni =N -UiNi = (Wi +Vi) ·cos θi - Ui

Ui =µi·∆li

∴F.S = ΣFr / ΣFs

Se supone que las fuerzas sobre las caras de las dovelas, tienen unaresultante nula en la dirección normal al arco de deslizamiento para esadovelaSi existe falla no drenada (suelos solamente cohesivos) φ=0, ; c = cu = qu/2

F.S = c·∆li + Σ (N -U) ·tg φΣ T

SI EXISTE NAPA SOBRE S.P.F

F.S = Σ c·∆·li / Σ Wi sen θ

F.S = Σ c·∆·li + Σ (Wi·cos θi - ui·∆li)·tg φΣ Wi·sen θi

(1)

∆li→~∆li

Wi

Ti

θi

θi Ti

θi

RIRD

∆xi

Wi

V

N

Ui =µi·∆li

RDNi + Ui=N

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F.S =ΣΣΣΣ M. RESISTET ΣΣΣΣ M. DESTRUC

1 2 3 4 5 6

w

V

S.P.Fwα

Tc=cb+N`tgφN-U

∆x

WW

αα bb

1

METODO DE BISHOP (versión simplificada) 1956

cos(α) = ∆x/b

b = ∆x/cosαΣ Fv : N·cosα - (W+V)+Tc senα = 0 2

RESISTENCIA POR FRICCIÓN: Tc = N tgφF.S

3

Reemplazando 3 en 2 y dividiendo por cos α:

Reemplazando en 1

( )( )( )α

φ

tan

senVWR

cbNRFS

⋅++⋅

=∑∑

( ) α

φαφα

tan tan tan

1

1 cos

senVW

xc

FS

VW

FS⋅+

∆⋅+

+⋅+

=FS

VWN αφα tan tan

1

1 cos +

⋅+=


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ESTABILIDAD DE TALUDESESTABILIDAD DE TALUDESINICIO

DEFINICION DE LA SUPERFICIE DE DESLIZAMIENTO

DIVISIÓN DE LA MASA DESLIZANTE EN DOVELAS(A MAYOR NÚMERO DE DOVELAS MAS PRECISO EL CÁLCULO)

OBTENCIÓN DE LOS VALORES DE ααααI, LI,WI, E, UI

DEFINICIÓN DE LOS VALORES DE C`, E, φφφφ`A BASE DE CADA DOVELA

DARSE UN VALOR DE FS EN GENERAL O VALOR DE FS PARA MÉTODO DE BISHOP

CÁLCULO DEL VALOR DEL NUMERADOR Y DENOMINADOR

OBTENCIÓN DE UN NUEVO FS

¿VALOR DE FS ES PRÓXIMO AL VALOR ARBITRARIO INICIAL?

CONVERGENCIA OBTENIDA

REPETIR EL PROCEDIMIENTO PARA OTRAS SUPERFICIES OBTENIDAS


C = 0,2 Kg/cm2

φ = 25ºγ= 1,8 T/m3

E = 20 T/m2

58

12

34

57

10m

O

FS = cΣ∆li +ΣN tgφΣWsenθ

A) FS = ( 2·17,6) + (47,98·0,47) = 1,635.95

B) FS = (2·(17,6-1,9-2,3))+ ((47,98-2,12-6,15)·0,47)+20)= 1,9635,45- (2.03 + 0.41)

40

Wcosθ

DOVELA αi Dli Wi Wcos(α) Wsen(α)

1 61.3 3.3 5.4

2 48.1 3.2 11.52

3 40.4 2.6 12.46

4 37 2.2 12.46

5 24 2.1 10.08

6 18.3 2.3 6.48 6.15 2.03

7 10.9 1.9 2.16 2.12 0.41

17.6 60.84 47.98 35.95

Se restan aquellos pesos que ya no

existen por el muro y se suma muro

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EFECTOS SISMICOS EN LA ESTABILIDAD DE TALUDES

C : Coeficiente sísmico

W : Peso de cada estrato

d : Distancia vertical entre 0 y punto medio de cada estrato

Momento motriz sísmico (Mms)=c∑∑∑∑Widi

Fi=CiWiDonde : 0.06≤≤≤≤ C ≤≤≤≤0.12 ; Situación anterior grandes sismos

∴∴∴∴Mms =F1d1+F2d2+F3d3+F4d4

∴∴∴∴F.S = _____Mres___

Mvolc+c∑∑∑∑Widi

METODOSIMPLIFICADO

F1 = cW1

F2 =cW2

F3 =cW3

F4 = cW4

o

w1

w3

w4

w5

R

·

·

·

·

·

d1d2

w2


ESTABILIDAD DE ESTABILIDAD DE TERRAPLENESTERRAPLENES

CLASIFICACION DE FALLAS OBSERVADASCLASIFICACION DE FALLAS OBSERVADAS

•• EROSIONESEROSIONES YY DESLIZAMIENTOSDESLIZAMIENTOS LOCALESLOCALES PORPOR FALLAFALLA ALAL CORTECORTE ENEN TALUDESTALUDES

•• CORRIMIENTOCORRIMIENTO DEDE MASAMASA ENEN LADERASLADERAS DEDE CERROCERRO

•• ASENTAMIENTOASENTAMIENTO PORPOR DISMINUCIONDISMINUCION DEDE HUECOSHUECOS DELDEL SUELOSUELO DEDE RELLENORELLENO

•• HUNDIMIENTOHUNDIMIENTO PORPOR CONSOLIDACIONCONSOLIDACION DELDEL SUELOSUELO DEDE FUNDACIONFUNDACION

•• FLUJOFLUJO PLASTICOPLASTICO DELDEL SUELOSUELO DEDE FUNDACIONFUNDACION

•• ASENTAMIENTOASENTAMIENTO BRUSCOBRUSCO PORPOR VIBRACIONVIBRACION YY LICUACIONLICUACION DELDEL SUELOSUELO DEDE FUNDACIONFUNDACION

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EROSIONES Y DESLIZAMIENTOS LOCALES POR FALLA AL CORTE EN TALUDESEROSIONES Y DESLIZAMIENTOS LOCALES POR FALLA AL CORTE EN TALUDES

Este tipo de fallas se manifiesta debido a fallas por corte con desplazamientos y grietas detracción en el coronamiento del terraplén. Se presentan fundamentalmente en suelos finoscon alto contenido de finos.

La causa principal de este fenómeno es la acción del agua superficial, que se infiltra yerosiona en el material de relleno, produciendo los siguientes efectos:

• Disminución De La Fricción Interna Del Suelo Por Saturación De Los Finos• Aumento De Peso De La Masa De Suelo• Generación De Presión Hidrostática• Debilitamiento De La Superficie De Corte Por Socavación.

PRECAUCIONES

Estabilizar e impermeabilizar bermas y taludes (materia vege tal, asfalto, etc.)

Canalización de las aguas superficiales a través de cunetas , soleras, bajadas revestidas,etc. (con impermeabilizacion)


CORRIMIENTOS DE MASAS EN LADERAS DE CERROS

La construcción de terraplenes sobre planos inclinados vie ne normalmenteacompañada de corrimientos de masas de suelo.

La experiencia indica que para pendientes mayores de 1:5 (V: H) ,ocurren anomalías deeste tipo. El fenómeno se produce por un debilitamiento en el plano de contacto entreel suelo natural y el terraplén agravado por la acción del agu a, (bloqueo del drenajenatural del cerro). Particularmente se observa en seccione s mixtas (corte- terraplén),donde la sección de corte permanece estable.

En general pueden hacerse las siguientes consideraciones p ara la construcción deterraplenes en laderas de cerros.

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ASENTAMIENTO POR DISMINUCIÓN DE HUECOS DEL SUELO DE RELLENO

Durante el proceso de compactación del relleno se produce una importante reducción de huecos en lamasa de suelo. Este acomodo continúa a lo largo del tiempo traduciéndose en una deformaciónsuperficial de la rasante del camino. Su magnitud dependerá de dos factores; grado de compactación yaltura de terraplén

HUNDIMIENTO POR CONSOLIDACION DEL SUELO DE FUNDACIO N

Fenómeno que se produce por la existencia de suelos de alta compresibilidad, bajo el plano de cargade los terraplenes, produciendo en ellos una presión por sobrepresión impuesta y una disminución devolumen con expulsión de agua de los poros.

FLUJO PLASTICO DEL SUELO DE FUNDACION

Este fenómeno es característico de suelos blandos o de baja consistencia y se presenta como unadeformación continua derivada de un esfuerzo de corte constante y se manifiesta como hundimiento delterraplén acompañado de solevamiento del terreno adyacente.

El flujo plástico puede manifestarse en forma lenta o rápida, dependiendo del tipo de falla. El suelo debeser de muy baja permeabilidad.

ASENTAMIENTO BRUSCO POR VIBRACION Y LICUACION DEL S UELO DE FUNDACION

Este fenómeno se produce cuando determinados suelos son sometidos a efectos dinámicos de vibracióno impacto, tendiendo a densificarse disminuyendo de volumen. Este efecto es particularmente notorio enarenas uniformes y limos sin cohesion.

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2. Sumergido parcialmente

AGUA

SUPERFICIEDE FALLA

1. Múltiples tipos de suelos

3. Sumergido totalmente

Dry or water-filled tension cracks

SUPERFICIE DE FALLA

ESTRATO DISCONTINUO

4. Estratos de suelos discontinuos y de altura variable


Carga al pie del talud

BERMA DE PIE

SOBRECARGA

Sobrecarga uniformemente repartida

5. Capas de suelo impenetrable

SUPERFICIE DE FALLA

CAPA IMPENETRABLE

Geometría de falla especificada

SUPERFICIE DE FALLA

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Carga de geogrillas

GEO-GRILLA

Carga por pilotaje

Cargas de anclaje Cargas puntuales


1.228

Soil 2

Soil 3

Soil 1Anchor

Pressure Boundary

Anchor

Slice 17

Distance (m)

-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

Ele

vatio

n (m

)

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1.765

Foundation Material

Footing Load

Distance (feet)

80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320

Ele

vatio

n (f

eet)

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

220

230

240

2.448 2.053 1.939 2.000 2.133

2.386 2.021 1.905 1.934 2.080

2.354 2.022 1.894 1.903 2.040

2.342 2.039 1.904 1.896 1.983

2.342 2.064 1.926 1.898 1.958

1.894

WaterSoil

Distance (m)

-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Ele

vatio

n (m

)

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

1.412

Distance (m)

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

Ele

vatio

n (m

)

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

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