Estudio de Estabilidad de Taludes Dr.rene Espinosa

TRAMO III: COTAGAITA - TUPIZA

ANÁLISIS DE ESTABILIDAD DE TALUDES PARA ELBUZÓN DEL KM 203+350 A KM 203+460

Dr.Ing. Néstor René Espinoza GuillénConsultor en Geotecnia e Ingeniería de Fundaciones

RNI 1846 - GT 09

CONSTRUCCIÓN Y PAVIMENTACIÓN

TRAMO III, CARRETERA COTAGAITA - TUPIZA

BUZÓN DE LA PROGRESIVA KM 203+350 A KM 203+460

ANÁLISIS DE LA ESTABILIDAD DE LA CARRETERA

TABAL DE CONTENIDO

ANTECEDENTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 1

EL PROBLEMA DE LA ESTABILIDAD DE TALUDES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 1

Aspectos generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 2

Causas de los Deslizamientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 3

Operaciones de Construcción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 3

Erosión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 4

Sismos y Vibraciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 4

Efecto de las lluvias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 4

Fuerzas de filtración y saturación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 4

Consecuencias de un deslizamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 4

Clasificación de los deslizamientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 5

Deslizamientos rotacionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 6

Deslizamientos traslacionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 6

Deslizamientos múltiples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 6

Deslizamientos complejos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 6

DESCRIPCIÓN DEL ESTUDIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 7

BASES Y OBJETIVOS DEL ESTUDIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 7

EL SITIO DEL ESTUDIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 8

GENERALIDADES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 8

TOPOGRAFÍA Y DRENAJE SUPERFICIAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 8

GEOLOGÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 8

Fisiografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 8

Estratigrafía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 8

Cuadro Generalizado de la Secuencia Estratigráfica . . . . . . . . . . . . . . MT - 8

Sistema Ordovícico (O) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 8

Formación Mojona (moj) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 8

Sistema Cuaternario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 9

Cuaternario Coluvial (Qco). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 9

Zonificación geotécnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 9

Sector Km. 203+300 – Km 203+640 Qc . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 9

Materiales coluviales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 9

Estructura geológica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 10

Factor hidrogeológico y nivel fréatico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 10

Actividad o inestabilidad preexistente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 10

Actividad antrópica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 11

Clima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 11

Evaluación sísmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 12

GEOTECNIA APLICADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 13

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RNI 1846 - GT 09

TRABAJO DE CAMPO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 13

TRABAJO DE GABINETE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 14

Caracterización de los suelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 14

Interpretación de resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 14

Fundamentos teóricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 15

Corrección del número de golpes en función del tipo de suelo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 15

Determinación del ángulo de fricción interna . . . . . . . . . . . . . . MT - 16

Determinación de la resistencia al corte no drenado de los suelos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 16

Determinación de la razón de preconsolidación de los suelos MT - 17

Determinación del módulo de deformación secante . . . . . . . . MT - 17

INTERPRETACIÓN DE LAS MEDICIONES REALIZADAS EN SITIO . . . . . . . . . . . MT - 17

ESTABILIDAD DE TALUDES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 21

GENERALIDADES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 21

Objetivos del análisis de estabilidad de taludes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 21

Los taludes naturales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 21

Los taludes mixtos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 22

LA ZONA DEL PROYECTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 22

SELECCIÓN DEL FACTOR DE SEGURIDAD ADECUADO . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 23

SIMBOLOGÍA UTILIZADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 23

FUNDAMENTOS TEÓRICOS DEL MÉTODO DE MORGENSTERN PRICE . . . . . MT - 24

FUNDAMENTOS TEÓRICOS DEL MÉTODO DEL SSR (FEM) . . . . . . . . . . . . . . . MT - 25

Parámetros requeridos por el SSR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 26

Influencia de los parámetros deformacionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 26

Influencia del ángulo de dilatancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 27

Comentarios sobre el método SSR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 27

Método FEM-SSR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 27

Análisis de estabilidad para el equilibrio límite . . . . . . . . . . . . . MT - 28

La técnica del SSR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 28

Descripción del algoritmo SSR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 29

ANÁLISIS DE ESTABILIDAD DE LOS TALUDES DEL Km 203 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 30

CRITERIOS DE FALLA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 30

Falla a corto plazo (falla no drenada) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 30

Falla a largo plazo (falla drenada) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 30

SECCIONES ELEGIDAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 31

PRESENTACIÓN DE LOS RESULTADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 32

Método riguroso de Morgenstern Price: Talud totalmente saturado . . . . . . . MT - 32

Método riguroso de Morgenstern Price: Talud parcialmente saturado . . . . . MT - 33

Método de los elementos finitos y algoritmo del SSR: Talud totalmente saturado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 34

Comentarios sobre los resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 35

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 36

CONCLUSIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 36

RECOMENDACIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 37

Determinación de los parámetros de resistencia al corte de los suelos . . . . MT - 37

Geometría de la superficie potencial de falla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 37

La anisotropía de los materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 37

Grietas de tracción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 38

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RNI 1846 - GT 09

Cargas dinámicas o solicitaciones sísmicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 38

Flujo de agua a través del talud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 38

Probables soluciones para el sector estudiado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 39

NORMAS DE REFERENCIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 40

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 41

ANEXOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 43

ANEXO I: ANÁLISIS MEDIANTE EL MÉTODO RIGUROSO DE MORGENSTERN PRICE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 44

Taludes saturados por la acción del nivel freático activo . . . . . . . . . . . . . . . MT - 45

Sección Km 203+360 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 45

Sección Km 203+370 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 47

Sección Km 203+380 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 49

Sección Km 203+390 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 51

Sección Km 203+400 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 53

Sección Km 203+410 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 55

Sección Km 203+420 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 57

Sección Km 203+430 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 59

Taludes secos, sin la influencia de un nivel freático activo . . . . . . . . . . . . . . MT - 61

Sección Km 203+360 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 61

Sección Km 203+370 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 63

Sección Km 203+380 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 65

Sección Km 203+390 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 67

Sección Km 203+400 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 69

Sección Km 203+410 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 71

Sección Km 203+420 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 73

Sección Km 203+430 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 75

ANÁLISIS MEDIANTE EL MÉTODO DE LOS ELEMENTOS FINITOS Y EL ALGORITMO DELSSR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 77

Taludes saturados por la acción del nivel freático activo . . . . . . . . . . . . . . . MT - 78

Sección Km 203+360 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 78

Sección Km 203+370 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 80

Sección Km 203+380 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 82

Sección Km 203+390 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 84

Sección Km 203+400 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 86

Sección Km 203+410 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 88

Sección Km 203+420 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 90

Sección Km 203+430 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MT - 92

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CONSTRUCCIÓN Y PAVIMENTACIÓN

TRAMO III, CARRETERA COTAGAITA - TUPIZA

BUZÓN DE LA PROGRESIVA KM 203+350 A KM 203+460

ANÁLISIS DE LA ESTABILIDAD DE LA CARRETERA

ANTECEDENTES

El consorcio CAEM-SOINCO se adjudicó la supervisión de los trabajos de mejoramiento del tramocarretera Cotagaita - Tupiza cuyas obras se adjudicaron a la Asociación Accidental CIABOL-COMPASUL-ICCILA.

Durante el período de construcción se presentaron problemas de deformaciones en la calzada de lacarretera entre las progresivas Km 203+360 a Km 203+460 aproximadamente. Estas deformacionesafectaron, principalmente, al paquete estructural del pavimento y se asumió que se originaron en laelevación del nivel freático inducida por las lluvias.

Para resolver este problema, la Supervisión, recomendó colocar un sistema de drenaje subterráneocuyo objetivo era controlar las filtraciones que se producen desde la parte alta del macizo, dondeexiste un afloramiento importante de aguas subterráneas.

Actualmente, las deformaciones se incrementaron notablemente alcanzando magnitudes que hanreducido la serviciabilidad del pavimento en ese sector generando no sólo incomodidad a los usuariossino también condiciones de tráfico de riesgo elevado.

Por este motivo, el Consorcio CAEM-SOINCO ha solicitado la Consultor un análisis de lascondiciones actuales del tramo antes mencionado, es decir, entre las progresivas Km 203+360 a Km203+460, y, de esa manera, identificar las causas que originaron este proceso y el grado deestabilidad del macizo considerando que se colocó material de deshecho formando un buzón cuyaubicación cumple con las ubicaciones de los términos de referencia.

Para esto, el Consultor se trasladó a la zona del proyecto donde se debía realizar el estudio y realizó,varios ensayes orientados a la estimación de los parámetros de resistencia al corte y dedeformabilidad de los suelos naturales y de aquellos depositados en el buzón cercano.

Los ensayes realizados fueron dos muy simples, penetración dinámica utilizando un cono ligero yensayes de corte en sitio mediante una veleta a fin de contar con parámetros representativos de lossuelos comprometidos por el problema mencionado anteriormente.

Se adoptó este procedimiento pues, por la granulometría de los materiales es imposible realizarensayes de laboratorio que proporcionen valores realmente representativos de los suelos en sitio aunmodelando las condiciones de confinamiento pues la alteración inducida por los procesos demuestreo y traslado de las muestras afectarían los resultados de forma muy importante.

Además se tomarán en consideración los valores proporcionados el diseño final del tramo donde seha realizado una evaluación geológica sobre la base de un mapeo de superficie.

Para el análisis se considerarán dos probabilidades de falla, una bajo condiciones no drenadas y laotra bajo condiciones drenadas para así poder estudiar la respuesta del macizo y de los rellenos acorto y largo plazo si es necesario.

El Consultor ha realizado otros trabajos de investigación en este sector del país y conoceampliamente el comportamiento de los tipos de material identificados en el sector tanto relacionadoscon el macizo como con los despojos depositados en el buzón.

EL PROBLEMA DE LA ESTABILIDAD DE TALUDES

La estabilidad de taludes no sólo se refiere a taludes simples sino también al análisis y determinaciónde procesos mucho más complejos como son los taludes naturales afectados por las acciones delhombre como el que es sujeto de este estudio.

Si bien los métodos utilizados hasta hace unos años permitía hacer una estimación grosera de laszonas denominadas activas y resistentes dentro de la masa en movimiento, los métodos modernosapoyados en análisis más complejos permiten determinar las zonas críticas donde se pueden iniciarmovimientos de gran magnitud cuyos resultados pueden traducirse en daños económicos importantescomo es el caso que nos ocupa.

El hecho de presentar una zona crítica no quiere decir que el análisis realizado se limitó sólo a dichazona sino que ésta fue identificada sobre la base de un análisis amplio que cubre todo el taludcomprometido.

Como es de conocimiento general, en la geotecnia moderna se han introducido criterios más

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avanzados con referencia al comportamiento de los materiales térreos y especialmente, cuando setrata de procesos tan complejos como son los deslizamientos de terrenos naturales donde losfactores que intervienen son de diversa naturaleza que, además han sufrido los efectos negativos delas acciones humanas.

Por dichos motivos, en este estudio se detallan en forma resumida, entre otros, los factores másimportantes que pueden definir la posibilidad de un proceso de desestabilización o el desarrollo deun deslizamiento potencial.

Antes de proceder a describir los diferentes factores cabe señalar que, en este estudio, se utilizaronsistemas computacionales que permiten analizar todo un deslizamiento descomponiendolo enprocesos sucesivos.

Aspectos generales

En muchos lugares del planeta, especialmente en los países montañosos con precipitacionespluviales de mucha intensidad concentradas en períodos muy cortos, los deslizamientos de terrenoson un fenómeno muy común y normalmente tienen serias consecuencias para las obras civilesconstruidas y en desarrollo.

Aún pequeños cambios en las condiciones de estabilidad pueden actuar como detonadores de undeslizamiento de terreno y muy en especial en aquellos lugares donde ya se produjeron en el pasadootros deslizamientos u otros movimientos de reajuste de tensiones.

Se puede decir entonces que, el deslizamiento o movimientos diferenciales de un terreno constituyenuna advertencia de que la tecnología aplicada en la obra ha subestimado las acciones que actúansobre la misma o posiblemente ah sobrestimado las características de resistencia del macizo. Estepensamiento planteado originalmente por Terzaghi en 1936 tiene aún hoy validez a pesar de losavances en la tecnología y los métodos de análisis que permiten, hasta cierto punto, comprendermejor el mecanismo del movimiento de los deslizamientos de terreno.

Uno de los signos distintivos que advierten la ocurrencia inminente de un deslizamiento de terrenoes la aparición de grietas en la superficie del terreno en la parte superior de un talud; estas grietaspresentan normalmente una traza perpendicular a la dirección del deslizamiento potencial.

Estas grietas, al llenarse de agua, pueden incrementa la saturación de los materiales e inducir unincremento en la velocidad de desarrollo del mecanismo de deslizamiento.

Frecuentemente, un deslizamiento ya desarrollado presenta grietas de tensión inclinadas, escarpasposteriores y laterales que muchas veces se pueden observar a ambos lados del deslizamiento asícomo abultamientos al pie de la masa en movimiento o con riesgo potencial de deslizarse, como se

puede observar en la Figura 1.

Los deslizamientos de terreno tienen normalmente su origen en las fuerzas de gravedad, perotambién pueden participar fuerzas sísmicas inductoras de movimiento. Un deslizamiento de terrenopuede ser, en primer lugar, el resultado de una falla por corte a lo largo de una superficie de contactoentre dos materiales o en el contacto con el basamento rocoso.

La falla se produce generalmente cuando la resistencia de corte desarrollada por la masa enmovimiento ha alcanzado el valor de la resistencia de corte máxima posible de los materialesubicados dentro de la zona potencial de falla.

Por lo general, se asume que la falla se presenta cuando la resistencia al corte a lo largo de lasuperficie potencial de deslizamiento alcanza un valor medio igual al valor máximo determinado enlaboratorio o en los ensayes de campo.

Figura 1 Componentes de la estructura de un deslizamiento

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Sin embargo, en el caso de una falla progresiva, un deslizamiento de terreno se produce para unaresistencia al corte media considerablemente menor a la resistencia pico y mayor a la resistencia alcorte residual y caracteriza a macizos heterogéneos formados por materiales sensibles a la accióndel agua y cuya densidad no sea elevada.

Este tipo de falla se presenta normalmente en asociación con una distribución no uniforme deesfuerzos a lo largo de la superficie de falla y en el caso de suelos o rocas estratificadas o cuandola superficie de falla corta materiales con una resistencia al corte muy variable. La experienciageneral muestra que, a través de análisis realizados, una falla progresiva se produce cuando ocurreuna concentración local de esfuerzos que propaga la falla a lo largo de la superficie potencial dedeslizamiento.

En el caso de deslizamientos de terreno, estas concentraciones se presentan normalmente en elpie del talud donde las solicitaciones exceden la resistencia al corte de los materiales y la falla sepropaga hacia arriba por la superficie potencial de falla.

Este tipo de mecanismo también puede activarse cuando la deformación correspondiente a laresistencia al corte máxima se incrementa por un cambio en las fatigas efectivas, hecho quecontribuye al desarrollo de una falla progresiva y es muy común en macizos donde la saturación delos suelos ha sufrido cambios muy rápidos por efecto de lluvias qe ha modificado el régimenhidrogeológico del sector. Se puede decir también que estas fallas afectan, a menudo, sectores muylocalizados conde las condiciones actuales o anteriores ya facilitaron las filtraciones de las aguassubterráneas, las cuales no sólo cambian el sistema de esfuerzos efectivos sino inducen tambiénfuerzas de corte secundarias por efecto del flujo de agua.

Causas de los Deslizamientos

Existe un gran número de causas que pueden inducir un deslizamiento de terreno entre las cualesse encuentran las de origen geológico hidrológico, hidrogeológico, topográfico, climatológico,meteorológico y por meteorización de los materiales que constituyen el cuerpo del talud natural, sindejar de lado las causas antrópicas.

El origen de un deslizamiento rara vez puede atribuirse a un solo factor ya que un talud, normalmente,está expuesto a más de un agente que puede contribuir a su inestabilidad.

La falla de un talud natural, artificial o mixto es más probable que tenga su origen más en unareducción de la resistencia al corte ocurrida en forma gradual que a condiciones extremas en elmomento de la falla.

En la actualidad, los deslizamientos de terreno se han multiplicado en forma general debido a que el

incremento de la población ha obligado a los ingenieros a intervenir taludes que durante muchotiempo permanecieron en su condición natural, hecho que se observa no sólo en las ciudades ypoblaciones sino más frecuentemente en las obras viales donde muchas veces se subestiman lassolicitaciones o se sobreestima la calidad de los materiales.

Así se tienen los casos de carreteras, que para su construcción, demandaron la ejecución de cortesal pie de taludes donde las aguas de riego en zonas agrícolas o de forestación o las aguas naturalespueden sumarse a condiciones locales modificadas por el hombre, creando una configuraciónpotencialmente inestable y, en muchos casos extremadamente deformable.

Según Terzaghi, el ingeniero debe saber diferenciar entre causas externas y causas internas cuandose considera la falla de un talud natural.

Entre las causas externas se encuentran aquellas que causan un incremento en los esfuerzos decorte medios a lo largo de la superficie potencial de falla como el incremento de la pendiente deltalud a causa de una excavación realizada; la erosión del pie del talud producida por una corrientede agua o las modificaciones inducidas por una obra (el buzón).

En cambio, las condiciones internas son aquéllas que causan directamente una reducción en laresistencia al corte de los materiales, como la saturación inducida por filtraciones naturales ocreadas por el hombre.

Operaciones de Construcción

Muchos deslizamientos se producen como resultado de los cambios en los estados de esfuerzosprimarios creados por las excavaciones y/o rellenos necesarios en las obras viales, ferroviarias o decanales, pudiéndose incluir entre las causas a las explotaciones de canteras o de minas a cieloabierto.

E s t e t i p o d edeslizamiento se debenormalmente a unincremento en el esfuerzode corte medio a lo largode la superficie potencialde falla como resultadode los trabajos deconstrucción realizadospor el hombre.

Figura 2 Falla de un talud en corte producto de un mal juicio del hombre, el macizo tratade recuperar su pendiente estable

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Los deslizamientos pueden ser inducidos también por las vibraciones generadas por la hinca depilotes o por explosiones (voladuras). Estas vibraciones pueden inducir cambios en el sistema deesfuerzos de la masa de suelos (incremento de presión de poros) o modificaciones en la resistenciaal corte de los suelos (arcillas sensitivas), cambios que hacen que la resistencia al corte del suelo bajenotablemente en tanto que la solicitación se incrementa o se mantiene constante llevando a unacondición desfavorable que puede concluir con el deslizamiento del talud.

Erosión

La erosión causada por corrientes de agua, ríos, glaciares, viento u oleaje es la responsable tanto dela formación como de la destrucción de muchos taludes.

Estos agentes modifican las condiciones de un talud al descalzar el pie de los mismos y alincrementar su pendiente, factores que eventualmente pueden llevar a la falla del talud. Otro factorque también puede producir grandes movimientos de masas de suelos y/o roca, es el retroceso delas márgenes de los ríos producido por la acción de la corriente y del arrastre de sedimentos.

Sismos y Vibraciones

Deslizamientos de grandes proporciones se pueden producir como resultado de movimientossísmicos o a causa de las vibraciones inducidas por algunos métodos constructivos como son la hincade pilotes o las voladuras de roca.

En el caso de arenas finas o limos sueltos, las vibraciones pueden ocasionar una licuefaccióninstantánea, especialmente si estos materiales se encuentran saturados y en un estado de densidadtal que se produce una razón de vacíos crítica. Por otro lado, en el caso de arcillas sensitivas, lasvibraciones pueden llevar a la pérdida temporal de parte o de toda la resistencia al corte de losmateriales.

En ambos casos, el suelo se comporta como un fluido denso que prácticamente no ofrece resistenciaal corte, lo que favorece el deslizamiento masivo del material. Este comportamiento se debe tambiénal incremento de la presión de poros que, de alcanzar valores críticos pueden reducirconsiderablemente la resistencia al corte de los suelos.

Los suelos que no son sensibles a las vibraciones, son las arenas densas y las arcillas poco sensiblesaún estando por debajo del nivel freático.

Las arenas y los limos secos o parcialmente saturados, tampoco son afectados por las vibraciones,excepto que, al densificarse, pueden sufrir grandes deformaciones.

Efecto de las lluvias

Muchos deslizamientos se producen después de unalluvia intensa ya que, al incorporarse agua al suelo,esta incrementa el peso propio del mismo,produciendo así un incremento en las solicitacionespor corte que no pueden ser absorbidas por losmateriales saturados que, normalmente pierden partede su resistencia máxima disponible. Al no poder serabsorbidas las solicitaciones por corte dada lareducción de la resistencia del suelo comoconsecuencia de la saturación, en muchos casos, seproduce la falla.

Fuerzas de filtración y saturación

La resistencia al corte de los suelos parcialmentesaturados se reduce considerablemente cuando elgrado de saturación del suelo se incrementa,especialmente si el suelo presenta un contenido definos elevado o se trata de un suelo fino propiamentetal. Esta pérdida de resistencia al corte se debe principalmente a la eliminación gradual de las fuerzasdebidas a la tensión superficial que existe en los poros parcialmente saturados.

En otras palabras, el incremento en la saturación produce una reducción de la cohesión falsa ocohesión aparente llevando al final, cuando se ha alcanzado la saturación total a una falla por corteen la mayoría de los casos.

El anterior fenómeno se agrava aún más si el agua fluye en el sentido de la pendiente del talud yaque este flujo genera fuerzas de arrastre que se suman a las solicitaciones por corte, lo que setraduce en una reducción del factor de seguridad al deslizamiento ya que la resistencia al corte delos suelos sobre la superficie potencial de falla, bien se mantiene constante o se reduce según seanlas características del suelo que constituye el cuerpo del talud.

Consecuencias de un deslizamiento

Paralelamente a la pérdida de vidas humanas (pérdida invaluable), las pérdidas económicasproducidas por un deslizamiento pueden ser de gran magnitud.

Figura 3 Efecto de las lluvias, incremento de lasaturación de los suelos, elevación delnivel freático, incremento del peso propio

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Este costo económico puede ser dividido en costos directos y en costos indirectos:

1. Los costos directos cubren por ejemplo los daños a viviendas, edificios públicos y comerciales,daño a las obras de infraestructura (caminos, instalaciones de agua, etc.) y daños a laspropiedades agrícolas (sembradíos, etc.).

2. Entre los costos indirectos se encuentran las medidas para evitar estos deslizamientos, lapérdida de valor de las propiedades cercanas a un deslizamiento de gran magnitud, pérdidaen recaudación de impuestos u otros. Como se puede ver, estos costos indirectos son muchomás difíciles de estimar y pueden, en muchos casos, superar en mucho a los costos directos.

Otro problema serio en el caso de deslizamientos grandes en zonas montañosas, es que susconsecuencias sólo se conocen mucho tiempo después de ocurridos como puede ser el caso delcierre de un valle y el represamiento de un río emergente de este fenómeno.

Clasificación de los deslizamientos

Entre los diversos sistemas de clasificación desarrollados en el ámbito internacional, son muy pocoslos que se pueden utilizar en forma general ya que la mayoría tiene sus fundamentos en condicioneslocales que no siempre se repiten en otros lugares del planeta. Entonces, en este caso se deberábuscar un sistema que, sin ser muy simple, permita una clasificación sencilla pero adecuada aldeslizamiento que se está analizando. Así, extractando de la literatura entre los diferentes sistemasde clasificación propuestos, se puede optar por utilizar dos sistemas de clasificación cuyas bases sondiferentes pero que, combinadas, permiten identificar adecuadamente las características del procesode remoción de masas. El primero está basado en la profundidad de la superficie de falla o en elespesor del cuerpo deslizado y el otro en la velocidad del movimiento propiamente tal.

De acuerdo a la profundidad de la superficie de deslizamiento, los procesos de remoción de masaspueden clasificarse de acuerdo a la siguiente tabla.

Tabla 1 Clasificación de los deslizamientos por la profundidad de la superficie potencial de falla

DESCRIPCIÓN DEL DESLIZAMIENTO PROFUNDIDAD MÁXIMA [m]

Superficial < 1.50

Poco profundo 1.50 - 5.00

Profundo 5.00 - 20.00

Muy profundo > 20.00

En cambio, de acuerdo con la velocidad del movimiento, los deslizamientos se clasifican como sigue:

Tabla 2 Clasificación de los deslizamientos por la velocidad del movimiento

DESCRIPCIÓN DEL DESLIZAMIENTO VELOCIDAD MÁXIMA

Extremadamente rápido > 3.00 [m/s]

Muy rápido 0.30 [m/min] - 3.00 [m/s]

Rápido 1.50 [m/día] - 0.30 [m/min]

Moderado 1.50 [m/mes] - 1.50 [m/día]

Lento 1.50 [m/año] - 1.50 [m/mes]

Muy Lento 0.06 [m/año] - 1.50 [m/año]

Extremadamente lento < 0.06 [m/año]

Finalmente, se tiene que los deslizamientos pueden clasificarse, según su actividad, como activos,latentes (potencialmente activos) y estabilizados:

1. Los deslizamientos activos son muy fáciles de reconocer ya que, dentro del área de influenciade los fenómenos, se pueden observar árboles que no están verticales, las carreteras, cercos,postes telefónicos dejan de estar verticales o muestran los efectos de los desplazamientosademás, de existir edificaciones, éstas estarían seriamente dañadas. La escarpa en lacoronación del deslizamiento activo es muy empinada y está libre de vegetación existiendoadicionalmente grietas de tracción de diferente tamaño y abertura en el cuerpo de materialdeslizado.

2. Los deslizamientos latentes (potencialmente activos) son normalmente muy difíciles dereconocer ya que están cubiertos por vegetación, las antiguas escarpas se encuentranerosionadas. Este tipo de deslizamiento se caracteriza por la presencia de árboles que hansufrido una deformación notable y por grietas antiguas que han sido rellenadas por materialdetrítico. Los deslizamientos latentes (potencialmente activos), pueden activarse por lla acciónde cambios muy pequeños en las condiciones de estabilidad, por ejemplo una excavación enel pie del talud. La edad de estos deslizamientos se puede determinar normalmente por la quecorresponde al árbol más viejo que esté creciendo verticalmente en el área del deslizamiento;otros agentes que permiten determinar la edad de estos deslizamientos son el grado deerosión que se observa y el desarrollo o formación de nuevos horizontes de suelo.

3. Concluyendo, los deslizamientos estabilizados mediante métodos químicos o mecánicos,pueden transformarse en latentes (potencialmente activos) o activos dependiendo de las

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condiciones de estabilidad y de su mantenimiento a través de trabajos preventivos.

Deslizamientos rotacionales

En la diversidad de las condiciones naturales delos suelos y/o rocas, existen varios tipos dedeslizamientos rotacionales, como losdeslizamientos simples, los deslizamientosrotacionales múltiples, deslizamientos sucesivostal como se puede apreciar en las figurasadjuntas. La superficie de falla puede tener unatraza circular o no circular (espiral logarítmica).

1. Deslizamientos Simples

2. Deslizamientos Múltiples

3. Deslizamientos Sucesivos

Deslizamientos traslacionales

Los deslizamientos traslacionales se pueden clasificar en deslizamientos de bloques, deslizamientosde plancha y deslizamientos traslacionales múltiples. Estos deslizamientos se producen sobre losplanos de estratificación, fallas y fisuras, que están orientadas aproximadamente paralelas a lasuperficie del talud.

En estos procesos de falla, la superficie dedeslizamiento está representada por un plano, loque los hace muy diferentes a los deslizamientosrotacionales en lo que a sus mecanismos serefiere. Mientras que en un deslizamientorotacional, el sistema de fuerzas que inicia elmovimiento, decrece con el desarrollo delfenómeno, en el deslizamiento traslacional, lasfuerzas que lo inducen, se mantienenconstantes. Las fallas traslacionales en arcillasque presentan lentes de arena o de limo, sepueden originar por un incremento en la presiónde poros en dichos lentes, especialmente si

éstos presentan un buzamiento hacia unaexcavación o superficie del talud.

Durante el desarrollo de un deslizamientotraslacional, la masa en movimiento puededeformarse o fracturarse en varias unidades y, amedida que esta desintegración continúa yespecialmente si la humedad del material seincrementa, el desl izamiento puedetransformarse en un flujo de barro.

Deslizamientos múltiples

Estos fenómenos se inician generalmente con el deslizamiento de una placa y se extienden por eltalud hacia arriba a medida que los materiales delas escarpas dejadas por deslizamientos previosse van debilitando por la acción de losdeslizamientos y por la meteorización.

Este tipo de movimiento se produce, en general,después de lluvias muy intensas por lasaturación de las discontinuidades cuyobuzamiento coincide con la pendiente del talud.

Deslizamientos complejos

Es muy común que en un deslizamiento seencuentre uno o varios tipos de losdeslizamientos descritos combinadosdescritos anteriormente o en los diferentessectores del movimiento de remoción demasas o en las etapas en que se desarrollaeste fenómeno.

Esta combinación es lo que en la práctica sedenomina un deslizamiento complejo. Por

Figura 4 Deslizamiento rotacional típico, observar lasescarpas y los bloques deslizados

Figura 5 Deslizamiento traslacional

Figura 6 Flujo de tierra, flujo de barro

Figura 7 Deslizamiento múltiple roto-traslacional

Figura 8 Deslizamiento complejo compuesto por un movimientorotacional seguido por un proceso de fluencia (creep)

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ejemplo, en un deslizamiento rotacional, la parte inferior (pie) normalmente se desarrolla como un flujode material debido a la acumulación de agua en ese sector además que la masa de suelo fuefracturada totalmente, en ese sector, por el deslizamiento.

Cuando el deslizamiento está determinado por la presencia de una superficie de debilidad como sonlos planos de estratificación, las discontinuidades, fallas u otros tipos de discontinuidades, elmovimiento de remoción en masa puede estar compuesto por una combinación entre deslizamientostraslacionales y rotacionales.

DESCRIPCIÓN DEL ESTUDIO

El presente estudio está orientado a determinar las causas de los movimientos que ha sufrido laplataforma de la carretera Cotagaita - Tupiza en el sector comprendido entre las progresivas Km203+360 a Km 203 + 430, sector donde se han observado asentamientos y agrietamientos que, nosólo han afectado a la capa de rodadura sino a todo el paquete estructural de la carretera y aldepósito de materiales de deshecho producto del movimiento de tierras, es decir, al buzón ubicadoentre estas progresivas.

Si se toma en cuente la magnitud de las deformaciones observadas en la carretera se puede concluira priori lo siguiente:

1. Se observa la formación de un arco de deslizamiento, claro indicador de un movimiento roto-traslacional de la masa de suelo compuesta por suelos naturales (coluviales) y suelosdepositados sobre el talud sin un proceso de compactación controlado.

2. Se observan también asentamientos muy marcados en la plataforma lo que indica que el arcode deslizamiento mencionado está evolucionando a un deslizamiento propiamente tal pues lasdeformaciones de originan en la formación de la futura escarpa del deslizamiento

3. Se observan grietas de tracción en el cuerpo del buzón producto de esfuerzos inducidos porla saturación de los materiales generada por la infiltración de aguas de lluvia que alincrementar el peso propio y reducir la resistencia al corte dan lugar a la formación de unmecanismo de falla que está afectando tanto al buzón como a los suelos naturales.

Como se puede ver, el problema es complejo pues se tiene la concurrencia de materiales naturalescuya estabilidad es posible que no haya sido la mejor y materiales colocados por el hombre sin uncontrol de compactación completo.

Esta combinación y la presencia de filtraciones muy fuertes de agua al pie de los taludes naturalesy del buzón indican que uno de los factores que ha roto la estabilidad del sistema es, sin duda alguna,

el agua de filtración, la cual debe estar generando los siguientes efectos secundarios:

1. Incremento del peso unitario de los materiales naturales (ricos en finos arcillosos y limos) y delos materiales del buzón cuyas características pueden variar mucho de un sector a otro por notratarse de un material seleccionado

2. Reducción de la capacidad del suelo de redistribuir los esfuerzos de corte y de absorberlos através de su propia resistencia al corte

3. Inducción de incrementos en los esfuerzos de corte debidos a las fuerzas de rozamiento delflujo de agua a través de los poros y del empuje hidrostático propiamente tal

4. Modificación de algunas propiedades de los suelos arcillosos pues las aguas muestran uncierto contenido de materia orgánica (vegetal) que alterará el intercambio de cationes de lasarcillas presentes en los suelos y su plasticidad.

BASES Y OBJETIVOS DEL ESTUDIO

Las bases del estudio se encuentran en toda la información disponible del diseño final así como enel banco de datos del Consultor y en varios trabajos realizados por este en la zona del proyecto.

Los objetivos, como ya se dijo, se encuentran centrados en dar un diagnóstico de la situación y enproponer algunas soluciones probables para estabilizar el macizo y así lograr que las deformacionesque se han desarrollado en la calzada se puedan minimizar o eliminar definitivamente.

Cabe destacar que las condiciones observadas en terreno hacen pensar que la solución no serásencilla y que aún considerando una variante para evitar la zona de conflicto se tendría que enfrentara un macizo por sí complejo pues en la parte alta existe también agua y filtraciones como lo muestrala tupida vegetación que se observa hacia la parte alta del valle.

Sin embargo se tratará de dar un diagnóstico lo más completo posible utilizando para ello lainformación de campo recabada en la última visita realizada por el Consultor a solicitud del ConsorcioCAEM-SOINCO.

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EL SITIO DEL ESTUDIO

GENERALIDADES

El sitio del estudio se encuentra en un valle estrecho entre las progresivas Km 203+350 y km203+450 aproximadamente sobre el margen izquierdo de una corriente de agua sin nombre cuyocaudal y fuerza de arrastre parecen ser importantes por el tamaño de los clastos que presentansignos de haber sido transportados por el agua en la época de crecidas.

La configuración del valle muestra al macizo rocoso (basamento) casi totalmente expuesto sobre elmargen derecho de la corriente no ocurriendo esto en el margen izquierdo, donde se tienen losproblemas de inestabildiad y deformaciones.

El eje de la carretera, por las mayores facilidades de construcción ha sido ubicado en el flancoizquierdo del valle donde la cobertura de materiales coluviales permite una excavación sin tener queconsiderar medios especiales de corte para el macizo.

TOPOGRAFÍA Y DRENAJE SUPERFICIAL

El sector sujeto de este estudio presenta, en general, una topografía de ladera con pendientes muyvariables desde moderadas hasta farallones muy empinados formados, normalmente, porafloramientos rocosos.

Los taludes de menor pendiente están, en general, constituidos por depósitos de materiales coluvialescon altos contenidos de finos arcillosos y limosos.

El drenaje superficial del sector está constituido por un sistema de cursos de agua de descargan suscaudales a la quebrada principal, afluente del río Tupiza.

Este sistema fue modificado en el sector estudiado mediante cunetas y alcantarillas que hancambiado, como en toda intervención antrópica los cursos naturales, hecho que a menudo cambia,localmente, el régimen hídrico subterráneo.

GEOLOGÍA

Fisiografía

De acuerdo con la información proporcionada por la empresa Consultora CONSA, a partir del puntoPI-434 y hasta la progresiva 169+750, pasando por las poblaciones de Ramadas y Pilacota, el relieve

esta formado por una pendiente positiva y constante de Norte a Sur, con valores de gradiente quevan desde los 0.71% hasta los 7.34%. El terreno es ligeramente ondulado y en planta se observauna serie de entradas y salidas de afloramientos rocosos constituidos por elevaciones resistentes ala erosión y depresiones erosionadas fluvialmente, la máxima diferencia de altura entre estos dospuntos es de 300 m.

Desde este ultimo punto, hasta las proximidades del campamento del S.N.C. en Río Blanco, lapendiente es negativa, de Norte a Sur, con gradientes que van desde -0.79 hasta -6.88% y el trazode la carretera atraviesa suelos cuaternarios aluviales, coluviales y terraza, como también rocassedimentarias.

Estratigrafía

Cuadro Generalizado de la Secuencia Estratigráfica

Depósitos Aluviales

Cuaternario: Depósitos Coluviales

Depósitos Aluviales Terraza

Discordancia

Formación Nazareno

Terciario: Formación Tupiza

Discordancia

Ordovícico: Formación Mojona

La secuencia estratigráfica esta representada por afloramientos de formaciones correspondientes alPaleozoico, Mesozoico y Cenozoico, de las cuales describimos litológicamente a los sistemas por losque atraviesa el trazo de la carretera, empezando por los periodos más antiguos.

Sistema Ordovícico (O)

Formación Mojona (moj)

Esta formación litológica esta representada por una sucesión de lutitas grises y limolitas de origensedimentario de color gris verdoso a gris blanquecino, de grano fino a muy fino, fracturadas,finamente laminadas, meteorizadas y friables, intercaladas con estratos de areniscas y cuarcitas

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duras de color gris claro,ligeramente anaranjadas debido ala oxidación de los minerales dehierro, de grano medio a fino,micáceas, estratificadas en capasde espesores variables que vandesde 0.15 m hasta 1.00 m.

En los niveles medio e inferior, losafloramientos están atravesadospor diques de rocas volcánicas,vetas de cuarzo y materialcalcáreo en forma perpendicular yoblicua a la estratificación.

Esta secuencia rítmica ymonótona, se torna hacia el topemás arcilloso.

Sistema Cuaternario

Cuaternario Coluvial (Qco).

Representado por material consolidado y ligeramente consolidado de gravas, arenas, limos y arcillasy clastos subredondeados de hasta 25 cm.

Son algo conglomerádicos, de grano grueso, subredondeados a redondeados, bien cementados. Generalmente cubriendo las rocas subyacentes del Ordovícico y del Cretácico.

Los espesores de estos depósitos varían desde pocos centímetros hasta varios metros y relacionadainversamente a las alturas topográficas y los grados de pendiente.

Zonificación geotécnica

Sector Km. 203+300 – Km 203+640 Qc

Material de cobertura: Arenas, gris claro, con poco contenido de limos y arcillas, pococonsolidadas.

Basamento rocoso: Formación Mojona, Omj constituida por lutitas gris claro verdoso,

micáceas, duras, compactas, estratificadas con buzamientos altosformando farallones de hasta 50 m e intercaladas con paquetes gruesosde hasta 60 cm de areniscas igualmente compactadas y resistentes a laerosión. Buena estabilidad.

Geología estructural: Mediciones, 240/80 (rumbo/buzamiento); 270/85 (rumbo/buzamiento)

Pendiente, α = 75º

Altura del talud en roca, h =50 m

Todos estos datos extraídos del informe final de CONSA fueron verificados en sitio habiendoseobtenido mediciones comparables con tan ligeras diferencias que se decidió adoptar los valores deCONSA como aceptablemente representativos.

Para mejorar esta información se completaron algunos conceptos descritos a continuación en formaresumida para dar mayor claridad a las interpretaciones de los análisis realizados.

Materiales coluviales

Los materiales coluviales son, en realidad, suelos residuales depositados al pie de las laderas yformados por la fragmentación sucesiva de la roca madre. Estos materiales se identifican por formartaludes característicos en zonas con poca vegetación pero no pueden apreciar fácilmente cuando lacobertura es más intensa.

En general estos depósitos se presentan como sedimentos sueltos y poco consolidados (desde elpunto de vista de la mecánica de suelos).

Cuando estos materiales descansan o han sido depositados en taludes pueden constituir macizospotencialmente inestables y muy susceptibles a sufrir desplazamientos y asentamientos en especial,cuando presentan contenidos de arcilla importantes al ser su roca madre una lutita, por ejemplo.

Esta inestabilidad potencial se incrementa aun más si en el sector existe un nivel fréatico potente ysensibles a las variaciones de las precipitaciones pluviales, en cuyo caso se pueden presentarmovimientos casi insensibles como los inducidos por un proceso de fluencia (reptación) hastamovimientos (desplazamientos y asentamientos) de hasta varias pulgadas por semana, como anunciode una probable falla generalizada de talud.

Una causa de los anteriores procesos son, entre otros, la meteorización (progresiva), lasprecipitaciones pluviales, de nieve, granizo, heladas y las vibraciones inducidas por sismos o traficovehicular.

Figura 9 Estructura típica de la formación Mojona, Ordovícico; observar lossignos de oxidación

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Los cambios climáticos (épocas de lluvia y estiaje) pueden inducir también oscilaciones en el nivelfréatico y con ellas una modificación importante del sistema de escuerzos efectivos, lo que deriva enun incremento de la inestabilidad potencial.

La experiencia ha demostrado que la excavación y cortes asociados a la construcción de obrasciviles, especialmente de carreteras en depósitos coluviales lleva a situaciones potencialmenteconflictivas por la respuesta de estos suelos a los incrementos (o decremento) de esfuerzos y a lamodificación del régimen hidrogeológico inducidos, generalmente por estas obras.

Estas situaciones se traducen, muchas veces en deformaciones importantes en las calzadas o entaludes potencialmente inestables que exigen medidas de estabilización y/o soporte que,normalmente, implican mayores inversiones y soluciones que no siempre son económicas.

Estructura geológica

La estructura geológica de un macizo es la clave en el comportamiento de sus taludes (naturales yde construcción) y que posee una gran influencia sobre el comportamiento de los flancos de un valle,de los farallones y de los suelos coluviales y pedemontanos derivados de los procesos demeteorización de los materiales ubicados en la parte alta.

Normalmente, an las obras civiles, solo se trata de identificar singularidades como las fallas geológica,los plegamientos y discontinuidades menores (planos de estratificación, de esquistosidad, dediaclasas, etc) dejando de lado características importantes como loas estructuras formadas pordepósitos coluviales que suprayacen a otros materiales creando sectores conflictivos por naturalezapropia que al estar sujetos a un nivel fréatico oscilante pueden convertirse en zonas con un potencialde riesgo elevado.

Estas estructuras son sujeto de discusión y análisis en muchos libros de ingeniería geológica y degeotecnia aplicada pero muy pocas veces en los estudios orientados al diseño y construcción decarreteras a nivel nacional o internacional dejandolos para ser solucionados en sitio y durante laconstrucción como si fueran un sujeto de menor importancia.

En consecuencia, cuando se encuentra un sector cuyas características físicas, mecánicas y suhistoria geológica crean una situación potencialmente inestable, normalmente se tiene la tendenciaa dar soluciones de catalogo que a veces tienen éxito y a veces son un completo fracaso.

Entre dichas soluciones a menudo se incorporan sistemas de drenaje sin considerar el origen de lasaguas, las oscilaciones del nivel fréatico y lo que es peor, la sensibilidad de los materiales a loscambios del régimen hídrico del material.

Factor hidrogeológico y nivel fréatico

la presencia de aguas subterráneas en estructuras formadas por materiales de diferentepermeabilidad lleva, generalmente, a formar sistemas potencialmente inestables donde la interfaseentre dos materiales puede constituirse en las zonas potencialmente débil del sistema epor que puedeinducir una saturación de materiales arcillosos, lavando de finos en suelo limoso o simplemente enla superficie potencial de deslizamiento.

La forma, velocidad y gasto del flujo de agua en un talud dependen entonces no solo de la pendientedel mismo sino también de la geología del sector.

En forma muy resumida se puede decir que el agua puede influir en los siguiente aspectos:

1. Incremento del peso propio por saturación.

2. Reducción de la resistencia al corte, especialmente en aquello suelos con alto contenido dearcillas por la interacción con la doble capa difusa.

3. Incremento en la meteorización química de los suelos.

4. Incrementos en las presiones de poros, especialmente en suelos de baja permeabilidad yredacción de los esfuerzos efectivos debilitando la resistencia al corte de los materiales.

5. Reducción o eliminación de la cohesión aparente inducida por la capilaridad (succión de lossuelos) al incrementar la saturación de los materiales.

6. Ablandamiento e arcillas densas o lutitas.

Otro aspecto importante en el caso de niveles fréatico cercanos a la superficie puedes ser las heladasque al modificar el volumen del agua de saturación cambian también la resistencia al corte de lossuelos. Los ciclos helada-deshielo crean, en estos casos modificaciones muy importantes en elcomportamiento de los suelos, especialmente en el comportamiento de los suelos, especialmente sison blandos.

Actividad o inestabilidad preexistente

Taludes en corte o relleno en zonas donde existen antecedentes de procesos geodinámicos sepueden calificar como potencialmente riesgosos, lo que implica una mayor observación de estossectores en las etapas de estudio y diseño de obras civiles, especialmente carreteras.

Normalmente los depósitos formados por deslizamientos antiguos presentan composicionesgranulométricas muy especiales donde se observan composiciones constituidas por arcillas, limos,arenas, gravas y excepcionalmente bolones y bloques de roca. Estos materiales presentan,

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generalmente, un grado de remoldeo elevado y una capacidad de absorber agua importante lo cualasociado a una resistencia al corte a menudo residual la lugar a la formación de zonas potencialmenteinestables.

En general se puede decir entonces que el agua es una de las principales causas sino la másimportante en los procesos de deslizamientos lo que obliga a realizar observaciones muy detalladasal sistema de drenaje interno de los macizos, especialmente si estos son de naturaleza coluvial.

Las filtraciones se originan en reservorios naturales o artificiales, sistemas de riego o deaprovisionamiento de aguas o en canales no revestidos, obras que alimentan al nivel friático y llegan,en muchos casos a elevarlo. Si a esto se suman las precipitaciones meteorológicas y su infiltración,el mecanismo de falla se ha completado.

Por lo tanto, es muy necesario, en casos donde coinciden todos o gran parte de los factores antesmencionados, hacer una análisis detallado del régimen hidrogeológico a fin de poder determinar siel agua pudría constituirse en el agente desestabilizaste durante la vida útil del proyectocomprometido.

Actividad antrópica

El hombre en su afán de mejorar las vías de transporte es, a menudo, el agente más importante enla inducción de procesos potenciales de inestabilidad.

Realizando cortes en laderas, a veces poco estudiadas, modifica no solo el sistema de esfuerzosinternos sino también el régimen hídrico interno del macizo. Esta combinación asociada a pendientesno estudiadas en los corte pueden llevar a constituir una zona potencialmente inestable, que, con laparticipación de un agente externo puede desarrollar un posesos de falla.

Por otro lado, cuando se crean buzones o zonas de deposito de materiales provenientes de lasexcavaciones, no se realizan análisis de estabilidad y menos aun se diseñan estos depósitosconsiderando todas las posibilidades de participación de agentes inductores de movimientos ydesplazamientos en el macizo o en el material depositado.

Tampoco se considera que si uno de estos rellenos entra aun proceso de falla, las fuerzas quedesarrolla deformación al macizo natural generando daños colaterales como asentamientos yagrietamiento.

Clima

El régimen de lluvias es, eneste caso muy importante puesde haber lluvias muy intensas yfrecuentes, la posibilidad deuna saturación de losmateriales es más alta y lasc o n s e c u e n c i a s m á sdesfavorables en el caso quese está analizando.

Sin embargo la zona delproyecto presenta, de acuerdoa las estadísticas de losr e g i s t r o s n a c i o n a l e s ,precipitaciones pluvialesreducidas con una media anual

comprendida entre 200 y 300mm por año (ver mapa en laFigura 10), lo que, asociado ala temperatura media anualque oscila entre 14 y 16 gradosimplica una cierta humedadambiental que podría influir enla estabilidad de los taludes delproyecto en general.

Las temperaturas mediasm e n c i o n a d a s y l a sprecipitaciones pluviales hansido verificadas sobre la basede los registros de la estaciónde meteorológica de Tupiza(ver tabla en la siguientepágina) habiendose obtenidoque ambos parámetros no han

sufrido variaciones de importancia en los últimos años lo que indicaría que los cambios que hanafectado a la estabilidad de los taludes de la progresiva Km 203+400 no se pueden atribuir a lluviasexcepcionales. En otras palabras, los cambios en las condiciones hidráulicas de los taludes delsector se deben entonces a otros factores más relacionados con la geotecnia que con la

Figura 10 Mapa con curvas de precipitación media anual de la zona del proyecto,extraído del Atlas de Bolivia del IGM

Figura 11 Mapa con isotermas para la temperatura media anual de la zona delproyecto, extraído del Atlas de Bolivia del IGM

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meteorología.

Evaluación sísmica

La zona donde se encuentrau b i c a d o e l s e c t o rpotencialmente inestable de laCarretera Cotagaita - Tupizase encuentra en una región deBolivia que es por naturalezasusceptible a sufrir actividadsísmica, hecho que seconfirma con las curvas deigual probabilidad del mapaque se presenta en la Figura13 donde se aprecia que la probabilidad de un sismo grado 6 es de aproximadamente 90% lo queimplica la necesidad de realizar un análisis de estabilidad considerando solicitaciones inducidas porel sismo. Por esta condición natural impuesta por la ubicación, en los análisis de estabilidad seconsiderará un procedimiento pseudoestático utilizando un coeficiente que incremente las fuerzas demasa.

ESTACION: TUPIZA LAT.SUR. 21° 26'PROVINCIA: SUD CHICHAS LONG.OESTE 65° 43'PERIODO REGISTRO: 1951-2012 ALTURA 2,952 m.s.n.m.

PRECIPITACION PLUVIAL mm.

AÑO ENE. FEB. MAR. ABR. MAY. JUN. JUL. AGT. SEP. OCT. NOV. DIC. TOTAL

1951 106.3 135.5 50.9 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 7.5 53.5 353.71952 87.8 84.3 15.5 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 22.5 0.0 23.5 81.7 315.31953 43.4 90.9 23.0 0.0 7.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 62.0 71.2 297.51954 90.6 114.3 54.0 9.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 84.2 0.0 352.11955 66.5 94.4 58.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 2.5 34.9 12.2 268.51956 101.4 26.7 12.8 0.0 0.0 1.0 0.0 0.0 0.0 0.0 58.0 66.5 266.41957 29.5 108.0 21.5 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 11.5 117.0 287.51958 169.0 8.0 26.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 18.0 23.0 16.0 260.01959 41.0 66.0 35.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 78.0 220.01960 174.0 61.0 25.0 3.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 51.0 314.01961 6.0 89.0 117.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 18.0 44.0 63.0 337.01962 53.5 43.0 15.0 22.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 18.0 165.5 317.01963 122.0 145.0 145.0 59.0 9.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 69.5 549.51964 119.5 73.5 58.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 10.0 13.0 58.0 332.01965 108.0 76.0 46.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 6.0 84.5 320.51966 18.0 60.8 11.0 3.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 58.0 146.0 296.81967 11.0 64.0 125.0 44.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 7.0 204.0 455.01968 135.5 199.0 31.0 5.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 149.5 520.01974 61.9 98.7 36.3 17.4 0.0 0.0 0.0 1.1 2.2 0.0 11.5 83.5 312.61975 94.7 85.6 26.6 0.7 0.0 0.0 0.0 0.0 2.6 13.3 6.2 64.4 294.11976 98.2 48.6 24.4 0.2 0.0 0.0 0.0 0.5 4.0 0.0 23.0 35.5 234.41977 72.0 75.0 18.0 2.9 0.0 0.0 0.0 0.3 0.5 26.7 67.2 111.7 374.31978 109.6 102.8 58.6 3.0 0.0 0.0 0.0 1.2 0.0 0.8 75.5 135.7 487.21979 136.5 25.4 76.8 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 3.3 9.5 124.2 375.71980 86.9 46.1 11.1 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 2.6 42.6 34.0 223.31981 116.9 67.6 91.1 5.9 1.0 0.0 0.0 0.0 7.0 5.2 14.8 57.5 367.01982 99.8 55.9 69.3 34.5 0.0 0.0 0.0 0.0 6.8 11.2 6.5 29.0 313.01983 51.5 46.5 5.5 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 14.6 3.1 30.1 63.1 214.41984 179.7 85.3 54.6 8.9 0.0 0.0 0.0 1.3 0.7 33.1 44.3 39.2 447.11985 50.4 141.6 18.7 15.6 0.0 9.8 0.0 0.0 0.0 0.5 111.9 121.6 470.11986 18.2 29.3 - - 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 12.2 7.8 95.4 162.91988 7.8 4.7 9.4 3.7 0.0 0.0 0.0 0.0 - 17.0 4.0 - 46.61989 67.2 18.0 6.8 20.7 0.0 - - - - - - - 112.71990 81.2 70.1 22.5 15.6 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 32.5 25.5 247.41991 105.8 32.5 21.6 2.9 0.0 0.0 0.0 0.0 10.6 12.8 37.3 49.7 273.21992 101.1 27.0 35.3 0.0 0.0 0.0 0.5 0.0 0.0 1.0 33.3 64.8 263.01993 97.0 63.7 67.8 4.2 0.1 0.0 0.0 16.7 0.0 12.3 8.1 69.1 339.01994 62.4 25.1 24.7 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 5.3 19.2 112.6 249.31995 95.9 45.0 39.6 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 29.0 0.0 4.4 58.3 272.21996 90.3 39.5 19.4 16.9 6.6 0.0 0.0 1.0 0.8 0.0 21.3 77.6 273.41997 125.6 105.3 82.7 10.0 0.0 0.0 0.0 0.0 16.5 0.0 25.7 31.4 397.21998 40.6 26.3 7.1 4.2 0.0 1.5 0.0 0.0 0.0 6.4 10.4 29.1 125.61999 82.5 20.7 67.3 2.6 0.0 0.0 0.0 0.0 8.4 5.0 0.0 18.2 204.72000 112.9 48.8 38.2 6.5 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 2.2 69.1 277.72001 53.6 118.3 41.1 3.6 0.0 0.0 0.0 0.5 0.0 0.0 6.0 40.1 263.22002 18.4 51.3 63.5 0.0 0.0 0.0 2.4 0.0 0.0 31.0 10.9 13.3 190.82003 46.1 33.1 75.5 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 6.4 0.3 25.9 187.32004 102.6 31.5 52.2 9.8 0.0 0.0 0.0 3.8 4.2 4.8 0.0 49.3 258.22005 46.2 127.3 19.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 9.7 14.5 90.8 307.52006 89.0 64.4 75.2 1.0 0.5 0.0 0.0 0.0 0.0 2.0 21.2 60.6 313.92007 94.3 13.6 93.4 0.2 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 43.3 43.9 148.2 436.92008 156.9 37.4 27.9 4.8 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 6.3 21.6 211.2 466.12009 84.4 161.6 29.8 60.1 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 12.7 68.0 416.62010 75.8 106.9 30.4 0.5 1.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 68.6 283.22011 39.5 86.1 41.6 4.3 11.8 0.0 0.0 0.0 0.2 6.5 4.2 85.8 280.02012 150.6 102.0MED. 83.7 69.8 43.6 7.5 0.7 0.2 0.1 0.5 2.5 6.1 22.9 74.5 312.0

Figura 13 Mapa de probabilidad sísmica de la zona del proyecto extraído del Atlasde Bolivia del IGM

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N C N

C en kPa

N Numero de golpesEE

EEnergia del equipo de penetracion E

Energia de hincado E

E Schmertmann

Ensaye encamisado

Ensaye en calicata

N

Nvo

vo

r

rb

ra

in

rb

70 1 2 3 4

1

2

3

4

9576

1273

70

55

0 75

100

115

'

.

.

,,

.

. sin

.

GEOTECNIA APLICADA

La evaluación geotécnica de los materiales que constituyen el relleno del buzón y de los sueloscoluviales que constituyen los taludes naturales (de corte) se hizo considerando los resultadosobtenidos en los ensayes de campo y de laboratorio por la empresa consultora CONSA y secomplementaron con los valores obtenidos durante la construcción.

Sin embargo considerando las necesidades de este estudio, el Consultor realizó una evaluacióncomplementaria de dichos materiales mediante ensayes de campo consistentes en ensayes depenetración dinámica con un cono ligero y una veleta pequeña. Los primeros se destinaron a evaluarlos materiales de relleno del buzón y los últimos para estimar la resistencia al corte de los suelosnaturales que requieren de parámetros más representativos para el estudio de estabilidadprogramado.

Los puntos se ensaye se ubicaron de tal manera que lainformación recabada permita crear una imagen de losparámetros de los materiales lo más cercana a la realidadposible.

El trabajo correspondiente a esta etapa de la investigaciónse dividió en dos fases: trabajo de campo y trabajo degabinete.

TRABAJO DE CAMPO

Los puntos de verificación de los materiales del buzónalcanzaron una profundidad máxima de 3.00 metros y encada uno de ellos se realizaron ensayes con un conoligero como el de la Figura 14.

El trabajo de campo comprendió además la ejecución deensayes de corte en sitio utilizando una veleta pequeñaque permitieron estimar la resistencia al corte de lossuelos coluviales arcillosos que constituyen el cuerpo delmacizo donde se realizaron cortes para la carretera y seencuentran soportando la carga del buzón ubicado en estesector de la carretera Cotagaita - Tupiza.

Para realizar los ensayes de penetración dinámica se utilizó una sonda liviana (DIN 4094) con ligerasmodificaciones realizadas por el Consultor basadas en la calibración estadística de numerososresultados obtenidos en varios años de trabajo y a la experiencia adquirida en trabajos análogosrealizados en el Valle de La Paz, en otros lugares del país y en varios proyectos en el extranjero.

Los resultados de los ensayes de penetración dinámica se corrigieron por métodos energéticos enlos que se introdujeron los factores de corrección que cubren la influencia de diferentes fuentes deerror en la interpretación de los resultados.

Entre dichas fuentes se pueden citar las siguientes:

1. Tipo de martinete (control de la altura de caída, tipo de masa, etc.).

2. Longitud y diámetro del varillaje utilizado.

3. Sistema de fatigas de confinamiento del suelo en el punto de ensaye (influencia de laprofundidad del punto de ensaye).

4. Confinamiento del punto de ensaye (influencia del diámetro de un encamisado o de lasdimensiones de la calicata).

5. Presencia de un nivel freático combinada con el tipo de suelo en el cual se ejecuta el ensayede penetración.

Para la estimación d ela magnitud de los parámetrosde los materiales del buzón se recurrió a ladeterminación de los índices de penetracióncorregidos N70, N60 y N55 respectivamente, valoresauxiliares que combinados con expresionesmatemáticas de tipo empírico-teórico permiten estimaralgunos parámetros de resistencia al corte y dedeformabilidad de materiales granulares similares alos identificados en el buzón y en los taludesnaturales.

Los resultados de los ensayes de penetracióndinámica se interpretaron considerando la importanciade las pérdidas de energía y otros tipos de pérdidasasociadas a las limitaciones de los ensayes depenetración dinámica.

La corrección se realiza tomando en consideración nosólo la influencia de la fatiga de confinamiento al nivelFigura 14 Sonda cónica liviana de acuerdo

con la Norma DIN 4094

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de la cota del ensaye, σvo, que para fines de trabajo se expresa en [kPa].

Los otros factores de corrección, ηi con i variando de 1 a 4 se introducen las influencias del tipo demecanismo utilizado para elevar la masa de hinca, la longitud del varillaje utilizado en el ensaye, lasdimensiones del pozo de exploración en relación con el penetrómetro, el uso de un encamisado y laenergía de hinca relacionada con una energía patrón correspondiente al ensaye de penetraciónestándar, SPT. (ver tabla en la página anterior).

Todas estas correcciones permiten estimar la magnitud de los índices corregidos N70, N60 y N55 quese utilizan en la determinación de los parámetros de resistencia al corte y de deformabilidad de losmateriales ubicados en la cota de ejecución del ensaye.

TRABAJO DE GABINETE

El trabajo de gabinete cubrió los siguientes aspectos:

1. La caracterización de los materiales involucrados en este problema de estabilidad

2. La interpretación de los resultados obtenidos tanto en los ensayes de campo y en los cálculosde gabinete, y

3. Determinación las probables causas que están induciendo las deformaciones y determinaralguna medida para estabilizar la compleja estructura constituida por los materiales del buzóny loas taludes naturales infrayacentes.

Caracterización de los suelos

Los suelos presentes en el sector tanto en los taludes naturales como en el buzón son, en general,suelos granulares con altos contenidos de finos limosos en el caso del buzón y arcillosos en el casode los taludes naturales. Estos materiales, en su mayoría de origen coluvial, se caracterizan por susensibilidad a las variaciones en el contenido de agua, especialmente si se encuentran soportandocambios en su estado tensional primario inducidos por las obras y trabajos realizados durante elmejoramiento de la carretera.

Cabe destacar que en los documentos técnicos del diseño final disponibles para este sector no semenciona la presencia de un nivel freático elevado así como tampoco que, en este tramo (Km203+350 a Km 203+450), se hubieran observado signos de inestabildiad potencial, lo que lleva aconsiderar que los procesos geodinámicos que se están desarrollando o se han reactivado con laconstrucción o s e han iniciado recientemente.

En otras palabras, la ausencia de una recomendación sobre este problema en la documentaciónindica que este problema podría ser de origen reciente y que su marcada actividad debe sercontrolada de alguna manera a fin de reducir los daños a la carretera en servicio.

Cabe destacar que los materiales coluviales como los identificados en el sector son, en realidad,suelos residuales depositados al pie de las laderas y formados por la fragmentación sucesiva de laroca madre. Estos materiales se identifican por formar taludes característicos en zonas con pocavegetación pero no pueden apreciar fácilmente cuando la cobertura es más intensa.

En general estos depósitos se presentan como sedimentos sueltos y poco consolidados (desde elpunto de vista de la mecánica de suelos).

Cuando estos materiales descansan o han sido depositados en taludes pueden constituir macizospotencialmente inestables y muy susceptibles a sufrir desplazamientos y asentamientos en especial,cuando presentan contenidos de arcilla importantes al ser su roca madre una lutita, por ejemplo.

Esta inestabilidad potencial se incrementa aun más si en el sector existe un nivel fréatico potente ysensibles a las variaciones de las precipitaciones pluviales, en cuyo caso se pueden presentarmovimientos casi insensibles como los inducidos por un proceso de fluencia (reptación) hastamovimientos (desplazamientos y asentamientos) de hasta varias pulgadas por semana, como anunciode una probable falla generalizada de talud.

Una causa de los anteriores procesos son, entre otros, la meteorización (progresiva), lasprecipitaciones pluviales, de nieve, granizo, heladas y las vibraciones inducidas por sismos o traficovehicular. Los cambios climáticos (épocas de lluvia y estiaje) pueden inducir también oscilaciones enel nivel fréatico y con ellas una modificación importante del sistema de escuerzos efectivos, lo quederiva en un incremento de la inestabilidad potencial.

La experiencia ha demostrado que la excavación y cortes asociados a la construcción de obrasciviles, especialmente de carreteras en depósitos coluviales lleva a situaciones potencialmenteconflictivas por la respuesta de estos suelos a los incrementos (o decremento) de esfuerzos y a lamodificación del régimen hidrogeológico inducidos, generalmente por estas obras. Estas situacionesse traducen, muchas veces en deformaciones importantes en las calzadas o en taludespotencialmente inestables que exigen medidas de estabilización y/o soporte que, normalmente ,implican mayores inversiones y soluciones que no siempre son económicas.

Interpretación de resultados

La interpretación de los resultados obtenidos tanto en campo como en laboratorio permite llegar avalores de diseño racionalmente estimados que dan lugar a factores de seguridad técnica y

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económicamente aceptables pues en su deducción se ha considerado todas las limitaciones de estetipo de variable en función de las propiedades y comportamiento de los diferentes tipos de suelopresentes en zona del proyecto.

Fundamentos teóricos

En general, en la mecánica de suelos, no se puede hablar de un fundamento totalmente teórico puesmuchos de los métodos de interpretación de resultados están basados en una combinación de teoríay práctica con un fuerte componente empírico que será muy difícil de eliminar, aún con los métodosmodernos de análisis de esfuerzos y deformaciones.

Estos procedimientos nacieron precisamente de la necesidad de contar con elementos que permitanllegar a deducciones razonablemente simplificadas y que tomen en cuenta las diferentes manerasde reaccionar de los también diferentes suelos existentes en la naturaleza.

Sin considerar las propiedades de los suelos y su forma de responder a los esfuerzos aplicados y ala probable presencia de agua en sus poros sería imposible poder hacer una buena interpretación delos resultados pues se ha visto ya que en unos casos prima sólo la estructura traducida en unadensidad de los materiales como es el caso de los suelos granulares (gravas, arenas y limos) y enotros se debería considerar al mismo tiempo el contenido de agua y la estructura interna del suelocomo ocurre con las arcillas o suelos finos.

Entonces para poder llegar a una interpretación adecuada a cada caso se deberán adoptar métodosy procedimientos que hayan sido probados y deducidos para suelos similares a los que se consideranen cada caso en particular para así no entrar a utilizar simplificaciones exageradas o hipótesis erradasque sólo llevarían a alcanzar valores y parámetros que no representarán el comportamiento de lossuelos de manera acertada y adecuada a las condiciones reinantes en sitio.

Por este motivo, en este estudio se han elegido procedimientos que han sido utilizados por elConsultor en varios trabajos similares de interpretación de resultados alcanzando valores para losparámetros que han satisfecho las exigencias de los proyectos para los cuales se realizaron losestudios desarrollados.

Corrección del número de golpes en función del tipo de suelo

Una de las medidas más recomendadas para un trabajo de interpretación es la de tomar en cuentalas necesidades de corregir los registros de los golpes que fueron determinados en el terreno durantela ejecución de los ensayes de penetración dinámica.

En este caso en particular esta tarea reviste una importancia muy grande pues en primer lugar no seha utilizado un equipo estándar y los ensayes se han realizado mediante una sonda liviana que si biencumple con las especificaciones internacionales DIN, ha sido ligeramente modificada por el Consultorpara poder alcanzar resultados mas cercanos a la realidad sobre la base de la experiencia ganadaen más de 34 años de trabajo con este tipo de sondas dentro del país.

Este equipo que trabaja con una punta cónica de 90º y una energía menor a la de la cuchara estándarlo cual implica un mayor cuidado en la toma de decisiones pues una mala interpretación de losvalores de campo podría llevar a valores de diseño errados que en un caso podrían ser o muyconservadores o demasiado riesgosos.

Por ello, el Consultor, sobre la base de los resultados obtenidos en más de 30 años de trabajo, hadesarrollado una metodología de interpretación sustentada por las curvas de Hough modificadas yutilizando ecuaciones mas sofisticadas como las que se detallarán más adelante en este capítulo.

Si en los suelos finos la sensitividad puede afectar al valor del índice de penetración, en el caso delas arenas y de los suelos granulares en general, lo hace el esfuerzo de confinamiento efectivo, σ0,en el punto de ensaye, lo que lleva a corregir el índice de penetración normalizándolo para una fatigade confinamiento efectivo de 100 [Kpa].

Para estimar el valor de CN, Liao & Whitman (1986) recomiendan utilizar la siguiente relaciónmatemática:

60N60I NCN

500

a

0N

p

1C

.

'

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Determinación del ángulo de fricción interna

Otro parámetro de los suelos granulares que ha relacionado al índice de penetración de campo N60

o a su valor corregido (N1)60 es el ángulo de fricción interna. Así Peck, Hanson & Thornburn (1974)proponen una curva que según Wolff (1989) tiene la siguiente ecuación:

Hatanaka & Uchida (1996) proponen una relación más simple:

Determinación de la resistencia al corte no drenado de los suelos

Bajo condiciones de carga no drenada (rápida) los suelos con alto contenido de finos incluyendo lasarenas como las identificadas en la zona del estudio pueden alcanzar un estado de falla muy cercanoa una falla no drenada lo que exige conocer los parámetros que rigen este tipo de comportamientoesfuerzo-deformación. La experiencia ganada por el Consultor lleva a recomendar el uso de larelación de Hara Et al. (1971) para estimar la magnitud de la resistencia al corte no drenado de lossuelos, la cual se presenta a continuación:

En general, los depósitos de arcilla o de materiales arcillosos sufren procesos de carga o descargaque no permiten la disipación de los esfuerzos inducidos a través del drenaje, lo que se puedemodelar de forma ideal mediante un análisis basado en esfuerzos totales, es decir, para una falla nodrenada. Este tipo de proceso de falla se produce a volumen constante y en el se inducenincrementos de presión de poros (Δu) movilizandose la resistencia al corte no drenado del material,Su. Bajo estas condiciones, la resistencia al corte no drenado del suelo (Su) no cambia en tanto elcontenido de agua so varia como producto de un proceso de drenaje (cambio en los esfuerzosefectivos).

Para los suelos normalmente consolidados de grano fino existe una relación única entre el contenidode agua, el logaritmo de la resistencia la corte no drenado y el logaritmo del esfuerzo (máximo) deconsolidación (ver teoría de la consolidación de Terzaghi, arcilla ideal de Ladd). También se tiene unarelación empírica entre la resistencia al corte no drenado, el esfuerzo efectivo de consolidación y elíndice de plasticidad (Terzaghi Peck, 1967).

donde

Su Resistencia al corte no drenado

σ’c esfuerzo de consolidación (presión de camara)

IP indice de plasticidad en %

Las unidades de la resistencia al corte no drenado y del esfuerzo de consolidación (efectivo) debenser compatibles.

En el caso de los suelos preconsolidados, la anterior relación no es única y esta bajo la influencia dela razón de pre consolidación. Sin embargo se ha encontrado que normalizado la resistencia al corteno drenado, se puede trabajar con la relación siguiente:

donde

RPC razón de preconsolidación (RPC = σ’vm/ σ’v0)

σ’vm esfuerzo de pre consolidación, esfuerzo máximo durante la historia de esfuerzos (geológica)

σ’v0 esfuerzo efectivo de confinamiento (actual)

26060 N000540N300127 ...

20N20 601 )(

KPaN29S 72060U

.

S 0.11 0.0037 IPu

c

S

SRPC

u

PC

u

NC

0.8

0

0'

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Determinación de la razón de preconsolidación de los suelos

Otro aspecto importante en casos similares a este radica en poder estimar la razón depreconsolidación de los suelos para estar en capacidad de identificar el comportamiento de los suelosde fundación desde el punto de vista de la deformabilidad considerando la rigidización de losmateriales inducida por los procesos de descarga creados por las excavaciones y movimiento detierras realizados por ejemplo en la conformación de terrazas.

Un medio sencillo y rápido para lograr esto es utilizar la relación propuesta por Mayne & Kemper(1988) proponen la siguiente relación para estimar la razón de preconsolidación de un suelo (RPC):

Determinación del módulo de deformación secante

La estimación de los asentamientos de una estructura es algo importante cuando ésta presenta unfrente importante que soporta empujes de viento como es el presente caso. En consecuencia, serequiere conocer, el valor del módulo de deformación secante de los suelos de fundación así comola magnitud de la razón de Poisson. Para la estimación de la magnitud del módulo de deformaciónsecante de los suelos de este estudio se puede utilizar la relación propuesta por Bowles (1996),relación muy eficaz por la calidad de los resultados obtenidos que se presenta a continuación:

INTERPRETACIÓN DE LAS MEDICIONES REALIZADAS EN SITIO

Como ya se he mencionad anteriormente, en el sitio se realizaron ensayes de campo para podercompletar la informacióndisponible de los suelos queconstituyen el macizo natural y elrelleno del buzón construido porla empresa Contratista con losdespojos de los trabajos demovimiento de tierras realizadosdurante la construcción de lasobras de mejoramiento de lacarretera.

Así en el sector del buzón ser e a l i z a r o n e n s a y e s d epenetración dinámica utilizandoun cono cuyos resultados sepresentan en la siguiente tabladonde se han estimado losvalores requeridos para mantenerestable al buzón.

Si la magnitud de los parámetrosde los mencionados materialesigualara estos valores los taludesse encontrarían en un estado deequilibrio precario, es decir, en unestado de tensiones último consolicitaciones que igualan a laresistencia al corte máxima de losmateriales o dicho de otramanera, con un factor deseguridad unitario.

En la realidad esto no parecer sercierto pues en el cuerpo de lamasa de suelos del buzón seobservan grietas de tracción no

6890

0

60N1930RPC.

'.

E 320 N

E 300 N

S 55

S 55

15

6

Figura 25 Terraza superior del buzón completamente fisurada, las grietas detracción muestran en forma clara la dirección del movimiento

Figura 26 Fisuras de más de 5 cm de abertura en el pie del talud formado porlos materiales del buzón en el fondo de la quebrada

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sólo en la parte superior sino también en los taludes hacia la quebrada como se puede apreciar enlas fotos de las Figuras 25 y 26.

Las magnitudes de estas grietas demuestran que la distribución de esfuerzos dentro del cuerpo delbuzón es totalmente desfavorable para su estabilidad y que esto debe ser modificado de algunamanera para poder proteger el curso de agua de acuerdo a las determinaciones de los términos dereferencia del contrato de construcción.

En consecuencia, los materiales del buzón se encuentran en un estado de equilibrio crítico que puedecambiar a un deslizamiento como consecuencia de una saturación de los materiales si se producenmás lluvias intensas.

En la siguiente tabla como se mencionó, se presentan los valores ideales para estos materiales,valores que en sitio es probable que no se alcancen a tener.

Tabla 22 Material de relleno del buzón - Km 203+370DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE RESISTENCIA AL CORTE

N N60 φ K a H creq (SU)req

8 7 26 0.625 10.00 55 118

9 8 27 0.613 10.00 54 106

6 6 25 0.637 10.00 56 106

6 6 25 0.637 10.00 56 106

En el caso de los materiales naturales se observan comportamientos que indican también que suresistencia al corte ha sido afectada por algún factor interno en conjunción con agentes externos quehan llevado al sistema a un estado también critico que se ha traducido en fisuras de la carpeta deconcreto asfáltico, grietas de tracción en la calzada y asentamientos diferenciales importantes en laplataforma de la carretera.

En la siguiente tabla se presentan los valores de los parámetros obtenidos mediante medición directade la resistencia al corte no drenado mediante ensayes de veleta ejecutados por el Consultor en elsitio de los eventos geodinámicos.

Los valores medidos y luego interpretados mediante la teoría d ela arcilla ideal (la base del métodode SHANSHEP del MIT) permiten concluir que el comportamiento de estos materiales muestra unabuena concordancia con el de las arcillas ligeramente preconsolidadas presentadas por Ladd en sutrabajo de 1967 y que, en este caso indican que el estado tensional del macizo natural podrían haber

alcanzado un estado deesfuerzos último, en el cual ladistribución de esfuerzos decorte movilizados ha creado yaun estado crítico de equilibriointerno.

Las fisuras que se observan enla calzada de la carreterademuestran este estado y losasentamientos siguiendo unpatrón casi circular son unclaro indicador del inicio de undeslizamiento de grandesproporciones pues coincidec o n l o s m o v i m i e n t o sdesarrollados en el buzónubicado entre la quebrada y lacarretera misma.

El alto contenido de materiales arcillosos que se expresa en valores relativamente elevados de laresistencia al corte no drenadodeterminados en sitio lleva aconcluir que la resistencia alcorte de los suelos puede, porla elevada saturación, habersido afectada debilitando almacizo de forma muy clara.

E s t e c a m b i o e n l a spropiedades de los materiales se expresa en la carpeta deconcreto asfáltico que muestrad e f o r m a c i o n e s m u yimportantes cuyo desarrollo seha producido en el tiempoindicando un proceso detransferencia de esfuerzossimilar a la de un proceso de

Figura 27 Deformaciones en la calzada de concreto asfáltico que muestran laformación de un arco de deslizamiento acompañado de grietas detracción y asentamientos diferenciales

Figura 28 Deformaciones en la calzada de concreto asfáltico que muestran laformación de un arco de deslizamiento acompañado de grietas detracción y asentamientos diferenciales

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consolidación acompañado de un proceso de falla por corte de tipo drenado.

Algunas de estas deformaciones pueden haberse producido bajo un régimen de esfuerzos nodrenado por la forma en que los asentamientos se han producido, inicialmente lentos y posteriormentecon incrementos importantes diarios como lo muestran los registros realizados por la Fiscalizacióndel proyecto.

Este comportamiento debe serconsiderado como unaadvertencia de que se tiene enproceso un deslizamiento cuyamagnitud será difícil de preveerpor la compleja estructura delmacizo compuesto por unsistema natural modificadodurante la construcción de laprimera carretera, vuelto amodificar con la obra actual yla carga que representa elpeso de los materiales delbuzón.

Dicho comportamiento seexpresa en grietas de tracciónno sólo en la carretera y en elcuerpo del buzón sino también

en filtraciones y formación de cárcavas en el pie de los taludes tanto naturales como de los materialesdel buzón como se puede apreciar en la fotografía de la Figura 29.

Los valores presentados en la siguiente tabla y graficados en la Figura 31 muestran que los suelosarcillosos presentes en el material coluvial que constituye el macizo natural no son rígidos sino másbien tienden a mostrar un comportamiento muy cercano al de una arcilla normalmente consolidada,es decir, el de un suelo con una resistencia al corte gobernada más por la fricción interna que por lasfuerzas electroquímicas que se desarrollan en los suelos preconsolidados a través de las ligazonescovalentes dativas que se crean durante el proceso de rigidización de los materiales en su historiageológica.

Este comportamiento típico de esta clase de suelos coluviales (ricos en materiales arcillosos) por subajo estado de compacidad y por la presencia de filtraciones importantes es, en muchos casos, muydifícil de poder preveer porque o no se ha manifestado en una época anterior o los signos observados

han sido confundidos con un mal funcionamiento del sistema de drenaje superficial. Con esto sedesea expresar que si este problema no fue considerado anteriormente, posiblemente no se pudoidentificar o no se manifestó con la intensidad actual.

Tabla 23 Datos para el diagrama p-q correspondiente a los valores medidos en terreno mediante la veleta

DATOS DETERMINADOS SOBRE LA BASE DE LA TEORÍA DE LA ARCILLA IDEAL

SU (MEDIDO) C' p’

47.00 207.05 188.00 114.30 99.46

80.00 352.42 320.00 194.56 188.17

126.00 555.07 504.00 306.43 311.83

132.00 581.50 528.00 321.02 327.96

130.00 572.69 520.00 316.16 322.58

136.00 599.12 544.00 330.75 338.71

Figura 29 Formación de cárcavas en el contacto entre los materiales naturales y losdepositados en el buzón causado por el diferencial de permeabilidad

C' C

'

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Los valores de los parámetros presentados en la tabla anterior y en el diagrama p-q permiten definiral suelo natural como un material de reducida resistencia al corte y de marcada deformabilidad puessu rigidez es baja y su capacidad de absorber y adsorber agua es importante.

En este caso, la estructura geológica del macizo es la clave en el comportamiento de los taludes(naturales y de construcción) y que posee una gran influencia sobre el comportamiento de los flancosdel valle, de los farallones y de los suelos coluviales y pedemontanos derivados de los procesos demeteorización de los materiales ubicados en la parte alta.

Normalmente, en las obras civiles, solo se trata de identificar singularidades como las fallasgeológicas, los plegamientos y discontinuidades menores (planos de estratificación, de esquistosidad,de diaclasas, etc) dejando de lado características importantes como las estructuras formadas pordepósitos coluviales que suprayacen o infrayacen (como en este caso) a otros materiales creandosectores conflictivos por naturaleza propia que al estar sujetos a un nivel fréatico oscilante puedenconvertirse en zonas con un potencial de riesgo elevado.

Estas estructuras son sujeto de discusión y análisis en muchos libros de ingeniería geológica y degeotecnia aplicada pero muy pocas veces en los estudios orientados al diseño y construcción decarreteras a nivel nacional o internacional dejandolos para ser solucionados en sitio y durante laconstrucción como si fueran un sujeto de menor importancia.

En consecuencia, cuando se encuentra un sector cuyas características físicas, mecánicas y suhistoria geológica crean una situación potencialmente inestable, normalmente se tiene la tendenciaa dar soluciones de catalogo que a veces tienen éxito y a veces son un completo fracaso.

Entre dichas soluciones a menudo se incorporan sistemas de drenaje sin considerar el origen de lasaguas, las oscilaciones del nivel fréatico y lo que es peor, la sensibilidad de los materiales a loscambios del régimen hídrico del material.

Otra solución muy común en nuestro país es el ya consabido sistema de estabilización mediantemuros de gaviones, como si estos elementos fueran la única y mas eficiente solución a todos losproblemas. Así, en este caso, la colocación de muros escalonados en el talud de materiales sueltospodría representar una inversión que se perdería muy fácilmente con un sólo deslizamiento dejandoposteriormente una situación aun mas critica.

Por otro lado, la presencia de aguas subterráneas en estructuras formadas por materiales dediferente permeabilidad lleva, generalmente, a formar sistemas potencialmente inestables donde lainterfase entre dos materiales puede constituirse en las zonas potencialmente débil del sistema porque puede inducir una saturación de materiales arcillosos, lavado de finos en suelos limosos osimplemente en la superficie potencial de deslizamiento.

La forma, velocidad y gasto del flujo de agua en un talud dependen entonces no solo de la pendiente

del mismo sino también de la geología del sector.

En forma muy resumida se puede decir que el agua puede influir en los siguiente aspectos:

1. Incremento del peso propio por saturación.

2. Reducción de la resistencia al corte, especialmente en aquello suelos con alto contenido dearcillas por la interacción con la doble capa difusa.

3. Incremento en la meteorización química de los suelos.

4. Incrementos en las presiones de poros, especialmente en suelos de baja permeabilidad yredacción de los esfuerzos efectivos debilitando la resistencia al corte de los materiales.

5. Reducción o eliminación de la cohesión aparente inducida por la capilaridad (succión de lossuelos) al incrementar la saturación de los materiales.

6. Ablandamiento e arcillas densas o lutitas.

CARRETERA COTAGAITA - TUPIZAPROGRESIVA Km. 203+380

DIAGRAMA p-q

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 50 100 150 200 250 300 350 400

p, p'

q

VALORES MEDIDOS EN TERRENO TENDENCIA DE LOS VALORES MEDIDOS EN TERRENO

Figura 32 Diagrama p-q para los valores medidos en sitio en los suelos naturales saturados expuestos en los taludes de cortedejados por la construcción de la carretera

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Otro aspecto importante en el caso de niveles fréatico cercanos a la superficie puedes ser las heladasque al modificar el volumen del agua de saturación cambian también la resistencia al corte de lossuelos. Los ciclos helada-deshielo crean, en estos casos modificaciones muy importantes en elcomportamiento de los suelos, especialmente en el comportamiento de los suelos, especialmente sison blandos.

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ESTABILIDAD DE TALUDES

GENERALIDADES

Para poder aplicar los principios teóricos de la mecánica de suelos a la estabilidad de taludes serequiere contar con un conocimiento completo y profundo de los siguientes aspectos fundamentalesde la geotecnia:

1. La historia geológica del sitio del proyecto

2. La hidrología e hidrogeología de la zona

3. Los principios de la mecánica de suelos que gobiernan el comportamiento del macizo

Sobre esta base, los análisis deben ser realizados sobre un modelo físico-matemático que representede forma adecuada al funcionamiento del macizo incluyendo lo siguiente:

1. Las condiciones propias del subsuelo

2. El comportamiento mecánico del mismo (resistencia al corte y deformabilidad)

3. Las magnitud y velocidad de las cargas aplicadas:

a. Externas: edificaciones, carreteras, trabajos de construcción, modificaciones de latopografía u otros

b. Internas: modificaciones del régimen hidrogeológico, cambios en los esfuerzos efectivos(presiones de poros), solicitaciones dinámicas (sismos, explosiones)

Una vez concluidos los análisis, la interpretación de los resultados obtenidos en cada caso deberásatisfacer, como mínimo, los siguientes requerimientos:

1. Adopción de un criterio de falla adecuado a las características de los materiales presentes queinfluyan directamente en la estabilidad del talud

2. Consideración de un tipo de falla acorde con las propiedades de los materiales que constituyenel cuerpo del macizo (drenada o no drenada)

3. Valoración del grado de riesgo a través de un factor de seguridad adecuado al tipo de proyectoy a las condiciones locales del macizo

Resumiendo estos conceptos, se puede decir entonces que el análisis de la estabilidad de taludesdebe satisfacer los siguientes principios:

1. Identificación de las condiciones geológico/geotécnicas más críticas

2. Estimación y elección de los parámetros físico-mecánicos representativos de los materialespresentes en el problema

3. Identificación de los impactos ambientales y consideración de las medidas de mitigación delos mismos

4. Evaluación de los parámetros económicos del proyecto

Objetivos del análisis de estabilidad de taludes

1. La comprensión del proceso de formación de os taludes naturales y de los agentes quepudieran inducir los diferentes tipos de comportamiento del macizo

2. La determinación del grado de estabilidad de los taludes construidos por el hombre bajocondiciones de falla a corto plazo (no drenada, durante la construcción o inmediatamentedespués de concluida ésta) y a largo plazo (bajo condiciones drenadas)

3. La determinación de la probabilidad de falla de taludes naturales y artificiales

4. Proporcionar métodos que permitan analizar y comprender los mecanismos y agentes delentorno que afectan a la estabilidad de los taludes

5. Proporcionar las herramientas que permitan rediseñar los taludes colapsados o prever yplanificar medidas de remediación donde sea necesario

6. Proporcionar las herramientas que permitan analizar la influencia de las solicitaciones sísmicasu otras solicitaciones dinámicas sobre los taludes y terraplenes

Los taludes naturales

1. Los taludes naturales constituyen uno de los problemas más complejos que debe analizar elingeniero geotécnico debido a la participación de factores que, normalmente, no son posiblesde controlar por el hombre

2. Muchos taludes naturales que han mostrado una estabilidad aceptable durante largo tiempopueden presentar una falla súbita por uno o una combinación de los siguientes factores:

a. Cambios en la morfología/topografía de los taludes inducidos por el hombre

b. Modificación de las sismicidad de la zona del proyecto

c. Modificación del régimen de aguas subterráneas

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d. Reducción de la resistencia al corte de los materiales

e. Modificaciones en el sistema de esfuerzos efectivos inducidos por cambios en laspresiones de poros

f. Meteorización química de los suelos finos debida a la contaminación

3. Generalmente estas fallas no son bien comprendidas debido a que la información técnica dela zona o es reducida o inexistente ya que los estudios se realizan solamente cuando se losrequiere después de ocurrido el evento

4. En general, la estabilidad de los taludes naturales está acompañada de una incertidumbre muyalto debido a la falta de estudios específicos que proporcionen la información necesaria

Los taludes mixtos

1. Los taludes mixtos constituyen otro de los problemas más complejos que debe analizar elingeniero geotécnico debido a la participación de factores que, normalmente, no son posiblesde controlar por el hombre

2. Muchos taludes mixtos que han mostrado una estabilidad aceptable durante largo tiempopueden presentar una falla súbita por uno o una combinación de los siguientes factores:

a. Cambios en la morfología/topografía de los taludes naturales inducidos por el hombre

b. Modificación de las sismicidad de la zona del proyecto

c. Modificación del régimen de aguas subterráneas

d. Reducción de la resistencia al corte de los materiales

e. Modificaciones en el sistema de esfuerzos efectivos inducidos por cambios en laspresiones de poros

f. Meteorización química de los suelos finos debida a la contaminación

3. Generalmente estas fallas no son bien comprendidas debido a que la información técnica dela zona o es reducida o inexistente ya que los estudios se realizan solamente cuando se losrequiere después de ocurrido el evento

4. En general, la estabilidad de los taludes mixtos está acompañada de una incertidumbre muyalta debido a la falta de información técnica que proporcione las propiedades necesarias o delos suelos naturales o de los rellenos, especialmente en lo buzones

Por todas las anteriores razones, Peck (1967) manifestó lo siguiente:

La posibilidad de predecir el grado de estabilidad de un talud natural es óptima solo en aquelcaso en el cual el área de estudio corresponde a un deslizamiento antiguo estudiadopreviamente y en el cual la falla fue inducida por una intervención humana como es laexcavación del pie del mismo. En el otro caso, las posibilidades del ingeniero son pésimas siel agente que indujo el evento se encuentra fuera de los límites del área estudiada o si la fallafue provocada por un terremoto.

Pensamiento que refleja la impotencia que, normalmente, está asociada al estudio de taludesnaturales y, en este caso, de un talud mixto en el cual se tienen dos materiales bien definidos, lossuelos naturales ricos en materiales arcillosos y los rellenos del buzón colocados sin ningún tipo decontrol incluyendo la clasificación de los materiales.

LA ZONA DEL PROYECTO

El análisis de estabilidad de taludes realizado para la zona correspondiente al sector sujeto de esteestudio se ejecutó tomando en cuenta los siguientes aspectos:

1. La topografía nueva elaborada por el SUPERVISOR sobre la base de los levantamientosrealizados tanto por el CONTRATISTA como por su personal

2. Las mediciones y observaciones geotécnicas realizadas en el sitio

3. La clasificación de los suelos extraída de los documentos de control de calidad

4. Los resultados de los ensayes de laboratorio de mecánica de suelos disponibles

5. Para la elección del valor del factor de seguridad mínimo admisible para los taludes de cortey naturales (donde fuera necesario) se aplicaron los principios fundamentales de lageomecánica, lo cual llevó a adoptar un valor no inferior a 1.50 ya que se trata de taludes cuyafalla podría perjudicar el desarrollo de labores productivas.

6. Para el método de análisis se consideraron procedimientos basados el método riguroso deMorgenstern Price y en el método de los elementos finitos asumiendo un comportamientoelasto-plástico para la masa potencialmente inestable y una saturación elevada del macizo afin de cubrir la situación más desfavorable que podría presentarse en la época de lluvias.

7. Además para el sector que compromete al emplazamiento del buzón se consideraron lossiguientes factores complementarios:

a. La necesidad de soporte adicional para el talud y la plataforma comprometida

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b. La seguridad de la carretera

c. La posibilidad de que un eventual sismo pudiera soltar la masa de suelo y se produzcaun deslizamiento en el buzón que arrastre a la carretera

SELECCIÓN DEL FACTOR DE SEGURIDAD ADECUADO

Uno de los mayores problemas de la ingeniería es la estimación adecuada de los factores deseguridad a ser aplicados, a los parámetros representativos de los suelos (parámetros de resistenciaal corte, deformacionales, etc.) o a los momentos resistentes generados por las fuerzas desarrolladaspor la resistencia al corte en los métodos determinísticos de análisis, que son los métodos másconocidos y utilizados en nuestro medio.

La elección de la magnitud de estos factores tiene como objetivo principal dotar al sistema analizadoa través de la resistencia al corte de los materiales que lo constituyen de un margen de seguridadaceptable que garantice la estabilidad del mismo.

Este problema es de mucha importancia, especialmente cuando se trata de materiales como suelosy rocas, materiales en los que existe incertidumbre acerca de la homogeneidad de sus propiedadesfísico-mecánicas.

Las investigaciones de Vesic llevaron a este investigador a recomendar valores que han sidoutilizados como referencia para la elección del factor de seguridad total, (FS). Estos valorescorrelacionan, además, el conocimiento de las condiciones del sistema suelo estructura y de lasconsecuencias de una falla de la misma a causa de factores externos o internos.

Cabe señalar que la elección correcta de un valor para el factor de seguridad debe ser realizada concautela y considerando las consecuencias que fallas del talud o estructuras pudiesen ocasionar; poreste motivo deberán hacerse todas las consideraciones que el problema amerite.

Por otra parte, el uso de factores de seguridad cuyas magnitudes sean demasiado grandes llevaráa subestimar la capacidad de los materiales, dando como resultado un sobredimensionamiento delas estructuras y por tanto un perjuicio económico.

Considerando los anteriores puntos de vista y sobre la base de la experiencia se puede recomendarla utilización de los valores de la Tabla 8como referencia para la adopción del factor de seguridad totaldel sistema pero, será el criterio del ingeniero geotecnista, el que determine el valor a ser adoptadosin limitarse a los valores propuestos en forma estricta.

Tabla 7 Valores recomendados para el factor de seguridad total (Vesic)

CATEGORÍA TIPO DEESTRUCTURA

CARACTERÍSTICASDE LA FALLA

EXPLORACIÓN DE SUELOS

COMPLETA LIMITADA

A

Puentes ferroviarios,a l m a c e n e s , o b r a shidráulicas, muros dec o n t e n c i ó n , s i l o s ,depósitos especiales

Posibilidad elevada deocurrencia de la máximacarga, consecuencias defallas desastrosas

3.00 4.00

BPuentes viales, edificiosindustriales l iv ianos,edificios públicos

Ocurrencia ocasional de lamáxima carga, consecuenciasserias de una falla

2.50 3.50

C Edificios para oficinas yviviendas

Ocurrencia de la cargamáxima ocasional 2.00 3.00

Así como Vesic recomienda los valores anteriormente propuestos, Meyerhof propone un límite inferiorque puede variar dentro de ciertos límites (superior e inferior) para el factor de seguridad en funcióndel tipo de estructura, del tipo de falla y de sus consecuencias tal como se puede observar en losvalores propuestos en la Tabla 9, que se presenta a continuación:

Tabla 8 Valores mínimos recomendados para el factor de seguridad total (meyerhof)

TIPO DE FALLA TIPO DE ESTRUCTURAEXPLORACIÓN DE SUELOS

COMPLETA LIMITADA

Corte

Obras de tierra 1.30 1.50

Estructuras de contención,excavaciones 1.50 2.00

Fundaciones 2.00 3.00

Filtración

Subpresión, levantamiento,arranque. 1.50 2.00

Gradiente Hidráulico de Salida,piping (tubificación) 2.00 3.00

Al examinar las tablas 8 y 9, se observa que el factor de seguridad para estructuras de taludes engeneral deberá estar en todos los casos por encima de 1.3.

SIMBOLOGÍA UTILIZADA

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FS 1.00max

t

La representación de los parámetros y de las características de un suelo son, en muchos casos,problemas que de no ser encarados con orden y mediante una simbología adecuada, se transformaen fuente de confusión al momento de la interpretación.

Por dichos motivos se decidió incorporar en este informe un capítulo correspondiente a la simbologíaa ser utilizada la que corresponde al sistema internacional utilizado por los ingenieros geotecnistasy que fue propuesto por la Asociación Internacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería deFundaciones. Dichos parámetros, con sus respectivos símbolos, se presentan en la tabla siguiente:

Tabla 10 Simbología utilizada

PARÁMETRO DESCRIPCIÓN

E Módulo de Deformación

γ Peso Específico

ν Coeficiente de Poisson

σt Resistencia a Tracción

ψ Ángulo de Dilatancia

φ Ángulo de Fricción Interna

φr Ángulo de Fricción Interna Residual

c Cohesión

cr Cohesión Residual

’ Efectivo

FUNDAMENTOS TEÓRICOS DEL MÉTODO DE MORGENSTERN PRICE

Los métodos de análisis de estabilidad de taludes basados en el equilibrio último de los materialescomprometidos por la superficie potencial de falla nacieron prácticamente cuando en los ferrocarrilessuecos se presentaron problemas de estabilidad de taludes y terraplenes y se comisionó a Felleniusa buscar una solución técnicamente aceptable.

El método propuesto por Fellenius (1927 - 1936) basado en los primeros conceptos básicos de lamecánica de suelos moderna plantea una solución que parte de una superficie potencial de falla detipo cilíndrico con traza circular y asume que la masa de suelo dentro de esa superficie puede serdividida en dovelas verticales de ancho y altura definidas por la geometría del talud y por la ubicaciónde la superficie de deslizamiento.

En este método, hoy día primitivo, se parte de la hipótesis del equilibrio parcial del sistema, es decir,

que los momentos se encuentran en equilibrio satisfaciendo las condiciones de la estática.

Por otro lado, en este método de concepción tan simple se asume que cualquier fuerza residual debeequilibrar a las fuerzas externas aplicadas al sistema.

Si se considera que muchos de los sistemas en uso actual han tomado como punto de partida estemétodo, los resultados obtenidos con un determinado método tendrán una representatividad quedependerá de las hipótesis y simplificaciones que dicho método asume en su procedimiento paradefinir las fuerzas que actúan entre las dovelas.

Una definición del factor de seguridad para la estabilidad de taludes planteada por Bishop (1955) queha ganado una aceptación internacional expresa el factor de seguridad (FS) como la relación entrela resistencia al corte máxima que puede desarrollar el suelo (τmax)y el esfuerzo de corte máximomovilizado (τt) sobre la superficie potencial de deslizamiento como consecuencia del probablemovimiento de la masa de suelo ubicado sobre esta superficie.

Satisfaciendo esta definición y para un estado de equilibrio del sistema el factor de seguridad deberácumplir con la siguiente relación matemática:

Si se acepta esta definición en forma estricta al análisis de estabilidad de taludes, el factor deseguridad (FS) deberá ser igual en magnitud a lo largo de la superficie potencial de falla para lo cualtiene que existir una interacción entre las dovelas que se materialice a través de fuerzas que traducenla colaboración de las dovelas vecinas al equilibrio de la dovela analizada, hecho que no esconsiderado por los dos métodos simplificados descritos anteriormente.

Por las falencias de los métodos en el análisis originadas en las hipótesis simples asumidas comopartida se han realizado muchas investigaciones llegando, en la actualidad a contar con tantosmétodos que se tiene que realizar un examen de lo que realmente se desea obtener mediante elcálculo de los factores de seguridad.

En consecuencia, considerando las hipótesis de partida y las condiciones de equilibrio consideradas,los métodos que mejor se ajustan a un análisis riguroso son los de Morgenstern & Price y el deSpencer que son los dos que toman en consideración las tres condiciones de equilibrio de la estática,es decir, satisfacen las siguientes ecuaciones básicas proporcionadas por la física de los cuerpos

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rígidos:

i. F 0h

ii. F 0v

iii. M 0c

Al satisfacer dichas condiciones, los dos métodos propuestos, es decir, el de Morgenstern & Price yel de Spencer permiten considerar un equilibrio total del sistema bajo condiciones de equilibrioaceptables y mucho más cercanas a la realidad que en cualquier otro caso.

Realizando complementariamente un examen de ambos métodos se encuentra que el método deSpencer representa un caso particular del de Morgenstern & Price razón por la cual se utilizará ésteen todos los cálculos a ser realizados en este estudio.

Las ventajas del método de Morgenstern & Price utilizando un ordenador electrónico son importantesya que permite mediante un sistema de ecuaciones determinar el valor del factor de seguridadconsiderando no sólo el equilibrio de fuerzas y momentos sino también la interacción entre dovelasintroduciendo las fuerzas de normales y de corte entre dovelas y, al mismo tiempo, considerar lavariación aleatoria de los parámetros de los materiales involucrados en el deslizamiento principal yen los deslizamientos menores.

Por otro lado, en casos como este, donde intervienen tantos factores cuya influencia no puede serdespreciada pero no existen los métodos de laboratorio necesarios, el único camino disponible parael ingeniero geotécnico se encuentra en asumir un comportamiento simple del suelo sometido asolicitaciones de corte (en este caso se asumió el criterio de falla de Mohr-Coulomb) que permitacontar con una relación mediante la cual se puede determinar aproximadamente donde y cuando sepresenta un estado de esfuerzos último (FS - 1.00) y a través de un algoritmo adecuado (Método deMorgenstern & Price) obtener un valor aproximado del factor de seguridad.

Para lograr resultados más confiables se recurrió entonces a un método probabilístico (Método deMonte Carlo) que permite, mediante la generación de una serie de números aleatorios (entre 0.00 y1.00), determinar el valor del factor de seguridad más probable en función de las variaciones de losparámetros de resistencia al corte de los suelos.

FUNDAMENTOS TEÓRICOS DEL MÉTODO DEL SSR (FEM)

El método de los Elementos Finitos, complementado con la técnica SSR, permite calcular esfuerzosy deformaciones en taludes que se hallan en equilibrio precario; entonces un factor de seguridadpuede ser establecido para el problema. La ventaja de este método radica en que pueden analizarseademás elementos de soporte como pilotes, anclajes y geotextiles; de la misma manera, la técnicapermite visualizar el desarrollo de mecanismos de falla.

En este caso, el factor de seguridad para un talud se define como el número por el cual losparámetros de resistencia al corte son reducidos (divididos) para llevar el talud a la falla. En estatécnica, los parámetros movilizados c’m y φ’m son obtenidos al dividir c’ y φ’ por un factor dereducción (Strenght Reduction Factor, SRF) de la manera siguiente:

donde c’ es la cohesión efectiva y φ’ el ángulo de fricción efectivo del suelo. El valor del SRF seasume, en un principio, igual a la unidad. Este valor es incrementado subsecuentemente paso a pasohasta que ocurra un falla global del talud.

En la evaluación de estabilidad de taludes, los ingenieros usan valores de factores de seguridad paradeterminar cuán cerca se encuentran estos de la falla; para ello los métodos de equilibrio límite hansido ampliamente utilizados. El método de los elementos finitos se ha comenzado a emplear conmayor frecuencia dada la disponibilidad de recursos tecnológicos que hacen viable su uso.

La técnica del SSR permite calcular factores de seguridad para taludes empleando el métodos de los

c' c'SRFm

' tan tan 'SRFm

1

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elementos finitos.

Se han propuesto varios criterios para definir la falla global en un análisis mediante elementos finitostales como el redondeamiento del perfil del talud, la limitación de los esfuerzos de corte en lassuperficies potenciales de falla y la no-convergencia numérica de las soluciones. La literatura másreciente se muestra en favor al criterio de la no convergencia.

Por ejemplo, Ugai y Leshchinsky (1995) consideran que un análisis es convergente si el incrementode los desplazamientos nodales es menor a 10 E-5 en 500 iteraciones; la falta de convergencianumérica se acompaña por un incremento sustancial de desplazamientos nodales. Por tanto, la

no-convergencia numérica puedeser convenientemente identificadacon referencia a desplazamientosnodales. Este enfoque sedenomina "método de losdesplazamientos nodales".

En el análisis de taludesu t i l i z a n d o m o d e l o selasto-plásticos, el módulo deelasticidad es generalmentemantenido constante mientrasque los parámetros de resistenciaal corte son reducidos. Unexamen de las relaciones entrelos factores de reducción y losdesplazamientos nodales muestratres fases en el comportamiento,como muestra la Figura 11.

En la fase I, el talud entero sehalla en un estado elástico con los factores de resistencia y los desplazamientos nodales resultantesindependientes de los valores del factor de reducción. Cuando los parámetros son reducidossignificativamente, parte del talud se hallará en un estado plástico, consecuentemente se producirándeformaciones plásticas y los desplazamientos nodales serán incrementados (Fase II en la figura).El cambio en los desplazamientos nodales de la fase II puede ser significante, de todas formas, elfactor de reducción en este punto no es el factor de seguridad del talud por tanto, la falla no ocurrehasta que la zona plastificada se expande dando lugar a la formación de superficies de falla. Por otrolado, el desarrollo de una zona plastificada puede iniciar el desarrollo de inestabilidad local, la cualse acompaña de grandes desplazamientos localizados o grietas de tensión en la superficie del talud.

Por tanto, el punto A en la Figura 47 puede considerarse como el criterio de inicio de inestabilidadlocal. Al final de la fase II (Punto B), el cálculo numérico empieza a perder convergencia.

Seguidamente ocurren grandes desplazamientos no controlados (Fase II, por ejemplo, falla global enel talud). El punto B es entonces un criterio más riguroso de falla global.

Parámetros requeridos por el SSR

El método de análisis basado en la reducción de la resistencia al corte requiere, además de losparámetros típicos de resistencia al corte (φ y c) los valores del ángulo de dilatancia Ψ y de losparámetros deformacionales, E, y razón de Poisson, ν, de los materiales que constituyen el cuerpodel talud.

La inclusión de los parámetros deformacionales, E y ν, que no intervienen bajo ninguna circunstanciaen los método tradicionales llama la atención cuando se utiliza este tipo de análisis por primera vez,pero, como se verá más adelante, su influencia en el comportamiento esfuerzo-deformación delmacizo es notable y sin comprender esta influencia no sería posible interpretar los resultadosobtenidos en los diferentes análisis. Otro aspecto importante es la ley constitutiva a ser utilizada enlos análisis, sin la cual tampoco se podría lograr una buena interpretación de los resultados para asípoder describir los mecanismos de falla desarrollados en el proceso de cálculo.

En este sentido se ha adoptado en el programa una ley elasto-plástica para los materiales, ley queha sido calibrada y ha demostrado que los resultados obtenidos son comparables en magnitud aaquellos que permiten alcanzar los métodos tradicionales.

En un análisis paramétrico se ha determinado por ejemplo que el factor de seguridad obtenido conel método de Bishop puede ser reproducido para el mismo suelo con los mismos parámetros quedescriben su comportamiento esfuerzo-deformación. En dicho análisis se encontró además que parauna reducción de la resistencia al corte del 50%, el factor de seguridad sufre también una reducciónaproximada del 50%.

Influencia de los parámetros deformacionales

Como su nombre lo define, estos parámetros están más relacionados con las deformaciones delmacizo que con su resistencia al corte. Sin embargo cabe recordar que las deformaciones de un sueloo de una masa de roca están asociados a su resistencia al corte como se puede determinar en unensaye triaxial (laboratorio).

Si se toma en cuenta que en nuestro medio prácticamente no se han realizado análisis de este tipo

Figura 33 Criterios para la selección del factor de seguridad para losdesplazamientos nodales

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se justifica una revisión de trabajos en este campo, publicaciones que, en general, indican que elfactor de seguridad está poco influenciado por las variaciones de estos dos parámetros, el módulode deformación y la relación de Poisson.

Así la experiencia muestra que una variación marcada en la magnitud del módulo de deformación noinduce un cambio notable en el valor del factor de seguridad.

Un cambio del 100% en el valor de la razón de Poisson en cambio induce un cambio ligeramentenotorio con una magnitud relativa de 2.5%, dejando al valor determinado mediante el método deBishop dentro el rango obtenido.

Sin embargo se debe considerar que una reducción o un incremento en los parámetrosdeformacionales inducen cambios importantes en el campo de las deformaciones del macizo,cambios que pueden afectar directamente a los mecanismos de falla del macizo, lo que se puedetraducir en un cambio en el factor de seguridad del problema analizado.

Concluyendo, la magnitud de los parámetros deformacionales si bien no muestra una influenciadirecta en el comportamiento de la masa de suelo o roca, sí puede generar cambios en elcomportamiento general del macizo al inducir cambios en las mecanismos de falla.

Influencia del ángulo de dilatancia

Con respecto a la influencia de la magnitud de este parámetro sobre el valor del factor de seguridadde un talud se puede decir que, sobre la base de la experiencia internacional y del Consultor, suvariación tampoco tiene una influencia notable sobre el valor del factor de seguridad.

Así por ejemplo, haciendo un resumen de varios casos, se puede decir que un incremento de 0º a5º y de allí a 17.5º genera una variación media de 5 y 1% con respecto al valor patrón de Bishop,magnitudes que en el campo de la geotecnia no son importantes, pues están dentro del rangomáximo de error probable (aprox. 20%).

Resumiendo se puede concluir que el ángulo de dilatancia y sus variaciones más probables no tienenuna influencia notable sobre el factor de seguridad del talud siempre y cuando los otros parámetrosde los materiales no sufran variaciones importantes originadas por agentes externos.

Comentarios sobre el método SSR

De acuerdo a la práctica se ha llegado a la conclusión de que este método si bien exige propiedadesfísico-mecánicas de los suelos de tanta calidad como los métodos convencionales, su procedimientode análisis so hace independiente de hipótesis que al simplificar el análisis llevan a distorsionar los

resultados.

Así por ejemplo, este método no impone ningún tipo de condición análoga a las de las fuerzas quese desarrollan en la interfase entre dovelas como lo hacen los métodos tradicionales. Tampoco seobserva en este método una dependencia de la geometría y la profundidad de la superficie potencialde falla de la experiencia o conocimientos del ingeniero.

Por otro lado, este método permite combinad de forma sencilla condiciones de carga, flujo de agua,fuerzas externas, sobrecargas y solicitaciones sísmicas, entre otras, con las fuerzas de masageneradas por el peso de los materiales que constituyen el cuerpo del talud.

Finalmente se puede decir que la geometría de la malla de elementos finitos tienen también uninfluencia despreciable sobre la magnitud del factor de seguridad del talud.

Solo existiría una condición que más que eso se podría considerar como recomendación y es que seasuma como criterio de corte a las iteraciones un principio energético y una tolerancia de máximo0.001.

Sobre el número de iteraciones para alcanzar resultados aceptables se deja el número bajo ladecisión del ingeniero ya que el número de estas incidirá en el tipo de computación y con ello en loscostos del análisis.

Método FEM-SSR

Con el desarrollo acelerado de la computadoras y el incremento notale en su velocidad de operaciónasociada a una capacidad de almacenamiento, hasta hace no más de una década, el método de loselementos finitos se ha convertido en la mejor herramienta del ingeniero civil en general y delingeniero geotecnista en particular.

Actualmente con el nueva algoritmo denominado SSR por sus siglas en inglés (Shear StrenghtReduction o Reducción de la Resistencia de Corte), el método de los Elementos Finitos ha recibidouna herramienta complementaria de gran potencia ya que la combinación de ambos permite llevara cabo análisis más detallados de problemas muy complejos.

Entre dichos problemas se encuentran los taludes formados por masas de suelos o de rocas o porcombinaciones de ambas en los cuales muchas veces la definición de la geometría de la superficiede falla ya era un problema muy serio, pues era -y es todavía- muy dependiente de la experiencia yconocimientos del ingeniero. Es así que adicionalmente a la anterior limitación de los métodostradicionales se suman las hipótesis de dichos métodos que fueron introducidas para poder resolverel sistema bajo condiciones simples que no siempre reflejan la realidad.

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FS

cFS

tanFS

u

FS

c tann * *

Así por ejemplo, en taludes de geometría no regular y con elementos que podrían cambiar lascaracterísticas del mecanismo de falla, los métodos tradicionales normalmente nos dan resultadossatisfactorios creando un grado de incertidumbre marcado con referencia a la estabilidad del macizoEste hecho inducido por las hipótesis de cada método, especialmente con referencia a las fuerzasde interacción entre dovelas, obliga, en muchos casos, a realizar numerosos análisis variando tantola geometría de la superficie de falla como su profundidad relativa obteniendo, generalmente,resultados que no llegan a satisfacer al ingeniero conocedor de estas limitaciones tan marcadas aúnen los métodos rigurosos.

Análisis de estabilidad para el equilibrio límite

Estos métodos tan usados en la práctica están basados en el deslizamiento de una masa o variosbloques sobre una superficie de falla, generalmente predefinida. La popularidad de estos métodosse origina en la simplicidad de los mismos, en la posibilidad de hacer análisis de sensibilidad delfactor de seguridad con respecto a los diferentes parámetros y a la costumbre adquirida por losingenieros geotécnicos en muchos años de uso de los mencionados métodos.

Es así que el factor de seguridad obtenido en una análisis que no es otra cosa que un valor mediosobre toda la superficie se convierte en algo tan importante como es cubrir las deficiencias de losparámetros de análisis, aquellos que describen la resistencia al corte de los materiales por dondepasa la superficie de falla. Otra incógnita que oculta el factor de seguridad es el probable mecanismoque indujo la falla del sistema ya sea local o en forma generalizada. Y, finalmente, estos factores deseguridad se convierten en la garantía de que las deformaciones inducidas por el mecanismo de falladesarrollado se encuentren dentro de magnitudes admisibles, sin haberlas cuantificado durante elanálisis realizado. Finalmente, los métodos tradicionales, aún los más rigurosos como son los deMorgenstern & Price y de Spencer, no satisfacen plenamente las condiciones de equilibrio impuestaspor las leyes de la estática y no consideran en forma completa el comportamiento esfuerzo-deformación tanto de los suelos como de las masas de roca.

Como se puede ver, el uso de estos métodos, por sus limitaciones, tenderá en el futuro a serreemplazado por métodos más completos en los cuales no solo se analice el cumplimiento de criteriosde resistencia sino también de deformaciones, introduciendo conceptos energéticos que ayudan alimitar el comportamiento de los materiales en forma más cercana a la realidad.

La técnica del SSR

Como ya se mencionó, el desarrollo en el campo de la ingeniería informática ha traído, al campo dela ingeniería geotécnica, métodos de análisis basados en métodos numéricos, de entre los cueles,

el método de los Elementos Finitos (FEM) ha alcanzado un desarrollo muy marcado que asociadoa algoritmos como el SSR permite realizar cálculos que hace algunos años se podían considerar muycomplejos y casi imposibles de realizar.

El método de los Elementos Finitos ha ganado, desde 1966, cuando se lo utilizó por primera vez engeotecnia, una profundidad muy grande por sus virtudes que han llegado a eliminar totalmente a susdebilidades iniciales. Dichas debilidades tenían su origen, principalmente, en la simplificación delcomportamiento de un suelo o una masa de roca que en aquel entonces eran considerados isótroposy linealmente elásticos. Hoy en día dicha limitación operacional ha desaparecido y las leyesconstitutivas han alcanzado también un desarrollo casi igual con lo cual el método de los elementosfinitos está en la posibilidad de realizar cualquier tipo de análisis en la ingeniería geotécnica.

Este desarrollo paralelo de métodos de análisis y leyes constitutivas ha impulsado por otro lado eldesarrollo de nuevas y más poderosas técnicas como es el SSR, técnica en la cual la relación entre“la resistencia al corte actual del material (suelo o roca) a la resistencia al corte mínima necesariapara evitar la falla” define el factor de seguridad. Dicho factor de seguridad se puede definir tambiéncomo aquel factor por el cual se debe reducir la resistencia al corte del o los materiales para que eltalud estudiado se encuentre en un estado potencial de falla.

Por otro lado, la técnica del SSR ha impuesto, como ley constitutiva de los materiales térreos, uncomportamiento elasto-plástico que satisface adicionalmente el criterio de falla de Mohr-Coulomb. Enesta técnica, la resistencia al corte de los materiales involucrados se va reduciendo gradualmentedurante el análisis hasta determinar el factor de reducción (en magnitud) por el cual se debe minorarla resistencia al corte hasta alcanzar el colapso.

Dicho factor se puede, en forma simplificada, determinar mediante la siguiente ecuación:

que puede reformularse a:

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c cFS

**

*

arctan tan

FS

donde:

y

magnitudes que se conocen como parámetros reducidos de Mohr-Coulomb y que pueden serincorporados al modelo desarrollado con el método de los Elementos Finitos y proceder con elanálisis deseado.

Descripción del algoritmo SSR

El algoritmo básico que emplea la técnica SSR para materiales del tipo Mohr-Coulomb consiste enbuscar sistemáticamente el factor de seguridad crítico que lleve al talud previamente estable a la falla.Los pasos que este sigue son:

Desarrollo de un modelo de elementos finitos para el talud, usando las propiedades de deformacióny resistencia correspondientes a los materiales que lo constituyen. Cómputo del modelo y registro dela deformación total máxima en el talud.

Incremento del valor del factor de reducción FS y cálculo de los parámetros Mohr-Coulomb reducidos.Recálculo del modelo empleando las nuevas propiedades de resistencia. Registro de la deformaciónmáxima total.

Repetición del paso 2 utilizando incrementos sistemáticos del factor de reducción, hasta que elmodelo de elementos finitos no converja en una solución, por ejemplo, continuar reduciendo laresistencia del material hasta que el talud falle. El valor crítico de FS después del cual ocurra la fallaserá el factor de seguridad del taludes

La solución a este problema tiene po tanto un componente técnico-económico importante queinvolucra la consideración de un sistema de estabilización capaz de garantizar el uso normal del tamocarretero, obteniendo una solución que se adecue mejor a las condiciones económicas que rigen elproyecto.

Dadas las características descritas anteriormente y, basados en la información recopilada de la zonade estudio, se puede afirmar que las alternativas de solución tendrán un grado de complejidad muyalto, considerando los aspectos que afectan al problema.

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ANÁLISIS DE ESTABILIDAD DE LOS TALUDES DEL Km 203

El análisis de estabilidad del talud se realizó utilizando dos paquetes de computación que permitenrealizar análisis secuenciales a lo largo de la superficie de falla más probable hasta identificar elsector donde se encuentra la superficie de falla más desfavorable que por su ubicación inicie una fallaprogresiva comprometiendo a la totalidad del cuerpo del macizo.

En la ejecución de estos análisis se realizaron más de dos mil análisis iterativos con el Método deMonte Carlo para poder determinar la influencia de los diferentes parámetros y de sus magnitudesen la estabilidad de este sector de la carretera considerando como base de cálculo el Método deMorgenstern Price.

Estos paquetes de programas corresponden al PHASE2 v 6.28 Y al SLIDE v 5.20, ambos dereconocido prestigio internacional por su versatilidad y por su velocidad.

En todos los casos se asumió que la sismicidad del sector crea condiciones desfavorables para laestabilidad del talud y se simuló la acción de un sismo adoptando un coeficiente pseudoestático deaceleración horizontal equivalente al 5% de la aceleración producida por la gravedad y un coeficientede aceleración vertical equivalente al 0.5%.

Además se consideraron cargas originadas por el tráfico vehicular (cargas dinámicas) a través se unacarga estática equivalente, es decir, se utilizó un procedimiento análogo al que se utiliza en el diseñode puentes.

CRITERIOS DE FALLA

La falla de una masa de suelo con movimientos en el talud hacia abajo y hacia afuera de la superficiedel talud es el fenómeno que se conoce como falla de un talud sea éste natural o artificial (laderanatural, terraplén o presa de tierra).

Los deslizamientos se pueden presentar de manera lenta o rápida, con o sin ningún indicio previo yse producen, normalmente, por efecto de una excavación, remoción del pie de un talud existente,desintegración gradual de la estructura interna de un suelo (efectos del agua y del clima), incrementodel peso propio de los materiales por efecto de una saturación de los suelos, incremento de la presiónde poros en algunos suelos de baja permeabilidad o, en zonas sísmicas, por efecto de la licuefacciónde los materiales debido a la excitación inducida por la onda de corte.

En los suelos arcillosos, por su naturaleza y la forma predominantemente laminar de sus partículas,se pueden presentar dos tipos de falla de acuerdo con el comportamiento esfuerzo-deformación delos materiales, una falla a corto plazo conocida también como falla de final de construcción y/o falla

bajo condiciones no drenadas o una falla a largo plazo que se induce muchas veces bajo un régimende escurrimiento permanente de las aguas subterráneas o también denominada en la literatura comouna falla drenada.

Falla a corto plazo (falla no drenada)

Este tipo de falla se presenta, en general, casi inmediatamente después de la ejecución de algúntrabajo de corte o excavación en un talud o al pie de éste como consecuencia de la modificación delsistema de esfuerzos internos representados por los esfuerzos de corte inducida por la remoción deuna masa de material que generaba ciertas fatigas de confinamiento.

El mecanismo que genera este tipo de falla se desarrolla bajo un régimen de fatigas totales en formasimilar a la de un ensaye de corte o triaxial rápido (no drenado) en el cual la fricción interna del suelose reduce tanto que puede ser asumida como nula en el instante de la falla.

Por este motivo es que, teóricamente, es posible analizar la estabilidad de un talud amenazado poreste tipo de comportamiento bajo un sistema de fatigas totales sin necesidad de evaluar la magnitudde las presiones de poros o de sus incrementos facilitando la labor del ingeniero.

Para esto se adoptan valores de los parámetros de corte de la siguiente manera: φ=0 y la cohesiónigual a la resistencia al corte no drenado Su.

Falla a largo plazo (falla drenada)

La falla a largo plazo que se observa tanto en taludes naturales como en taludes artificiales donde,por las condiciones de flujo y/o permeabilidad de los materiales, los incrementos de presión de porospueden considerarse nulos, el material redistribuye los esfuerzos inducidos bajo un régimen de fatigasefectivas y presiones de poros cuya magnitud es de tipo hidrostático o puede ser determinada através de la red de flujo de un escurrimiento establecido o permanente.

En este tipo de falla se incluyen las fallas totales debidas a que, en ciertos casos los esfuerzos decorte solicitantes han excedido la resistencia al corte máxima de los suelos o en otros a que dichassolicitaciones han superado la resistencia al corte residual de los materiales tal como ocurre en losdeslizamientos antiguos y en aquellos cuya componente por fluencia es muy importante.

Este tipo de comportamiento esfuerzo-deformación es típico de materiales blandos en los cuales laalternación de períodos de sequedad y de saturación generan modificaciones lentas en el sistemade esfuerzos internos y, especialmente, en el sistema de esfuerzos efectivos, creando condicionesfavorables para que la resistencia al corte de los materiales afectados vaya sufriendo reducciones

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hasta alcanzar, en muchos casos, valores inferioresa la resistencia al corte residual del material y asídando origen a condiciones de falla muy fáciles dealcanzar con pequeños cambios en el sistema deesfuerzos internos.

SECCIONES ELEGIDAS

Para el desarrollo de esta investigación en el campode la estabilidad de taludes y del comportamientoesfuerzo-deformación de los suelos, se han elegidoocho secciones espaciadas cada diez metros sobreel eje de la carretera nueva.

Como se puede observar en el plano topográfico dela Figura 38las secciones cubren toda el áreaafectada por la formación de las grietas de traccióncuya explicación y justificación es más difícil por lafalta de indicios o signos claros que permitan deducirla o las causas de los movimientos o procesos dereajuste de esfuerzos en el macizo.

Las fisuras ubicadas en el sector izquierdo inferiordel plano de la Figura 38 tienen una explicacióndirecta y claramente establecida, el agua que manaen los diferentes sectores (denominados ojos deagua) y la presencia de suelos limosos sin ningúngrado de compactación que además de ser afines alagua presentan una resistencia al corte muyreducida.

Todas estas secciones se analizaron mediante elmétodo riguroso de Morgenstern Price para doscondiciones una saturada totalmente por la elevacióndel nivel freático y la ota para un estado parcialmentesaturado donde el nivel freático se deprime porefecto de la entrada a la época de estiaje. Adicionalmente y para poder determinar con mayorrepresentatividad la influencia de la napa sobre la verdadera distribución de esfuerzos y

deformaciones en el macizo se ha realizado un análisis de la estabilidad utilizando el método de loselementos finitos con el algoritmo del SSR ya descrito en detalle anteriormente en este informe.

Figura 38 Secciones elegidas para el análisis de estabilidad de taludes por dos procedimientos diferentes: el método riguroso de Morgenstern Price y el método de los elementos finitos

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PRESENTACIÓN DE LOS RESULTADOS

Método riguroso de Morgenstern Price: Talud totalmente saturado

En la Figura 39 se presenta el resumen de los análisis de estabilidad realizados para un taludtotalmente saturado por la elevación del nivel freático inducida por las lluvias y las modificaciones quesufriera el régimen hídrico del macizo. Los resultados indican que el macizo, en este sector, presentaun estado de esfuerzos muy cercano al estado último, situación muy desfavorable para cualquier tipode estructura geológica porque los esfuerzos movilizados por las solicitaciones han alcanzado niveles

muy próximos a la resistencia al corte máxima de los materiales involucrados en la redistribución deesfuerzos.

Como se puede ver en la Figura 39, las secciones elegidas cubren todo el macizo agrietado y unagran parte del buzón construido en ese sector de acuerdo con la ubicación de zonas de depósitosestablecidas en los documentos de licitación y de construcción.

Los valores de los factores de seguridad obtenidos en los análisis realizados demuestran que lahipótesis de que los esfuerzos movilizados habrían alcanzado valore muy altos con referencia a laresistencia al corte máxima de los suelos es acertada y que la situación del macizo en este sector es

realmente crítica y amerita una solución profunda y, en loprobable, definitiva. Si se hace esta aseveración es porqueen un macizo como el que soporta a la plataforma de lacarretera se debería cambiar todo el materialcomprometido con el movimiento para hacer de la soluciónuna alternativa definitiva, lo que es casi imposible pues lamasa involucrada alcanza a más de 50 m por encima d elaplataforma y la fuente de agua se encuentra prácticamentea mayor distancia del eje lo que implica que la masa queestá empujando al material ubicado debajo d ela carreteraes enorme y que las grietas formadas se deben a que losmateriales se encuentran en un estado de esfuerzos en elcual su capacidad de absorber y redistribuir losincrementos de esfuerzos inducidos por las diferentescargas actuantes, entre ellas las vibraciones generadaspor el tráfico, no es suficiente como para evitar laformación de fisuras. Por otro lado, los asentamientosobservados indican también que la deformabilidad de losmateriales ha sido afectada notablemente por lasaturación, hecho que confirma el alto contenido demateriales arcillosos en los depósitos coluviales. Este altocontenido de arcilla en suelos depositados sólo por lagravedad y que no han sufrido ningún tipo de densificaciónen su historia geológica asociado a una saturación elevadalleva siempre a deformaciones dependientes del tiempoque acompañadas por movimientos de reajuste detensiones y deformaciones (falla potencial de un talud)genera deformaciones muy importantes como ha ocurridoen este sector de la carretera.Figura 39 Secciones analizadas con sus factores de seguridad para el talud totalmente saturado por las lluvias, método riguroso de Morgenstern Price, se consideran solicitaciones

sísmicas grado 6

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Método riguroso de Morgenstern Price: Talud parcialmente saturado

El análisis comparativo realizado para el caso de un talud parcialmente saturado en el cual el nivel

freático se encuentra a mayor profundidad y los materiales que constituyen el cuerpo del talud no seencuentran totalmente saturados que se presenta en la Figura 40 demuestra de forma contundenteque la influencia de la saturación es muy importante en el caso anterior.

En este caso, como los valores presentados lo demuestran, lainfluencia del agua es menor y el macizo si bien no muestra unaestabilidad plena, si su estado de esfuerzos es más favorablepara la respuesta esfuerzo-deformación de los materialesinvolucrados en el proceso de redistribución de esfuerzos queacompaña a obras como las desarrolladas en este sectordurante la construcción de la nueva carretera apoyadaparcialmente en la antigua plataforma de la anterior vía.

Los resultados de este análisis muestran valores que si bien noalcanzan, en general, a superar el valor mínimo de referenciaelegido (FS = 1.50) en todas las secciones si lo hacen en lamayoría y ello indica que si se pudiera deprimir el nivel freáticoen el macizo de forma permanente, las condiciones deestabilidad mejorarían considerablemente reduciendo el riesgode una falla generalizada del macizo incluyendo a los materialesdel buzón aun sin colocar estructuras de contención al pie deltalud. Lo único que se debería lograr, en este caso, es protegerel pie de los taludes con estructuras de encauce en la quebrada,requerimiento que no se ha encontrado en los documentos dela construcción excepto en ciertos lugares considerados críticos. Sin embargo, este sector donde el valle se cierra y formaprácticamente una V, las velocidades de escurrimiento en laquebrada en condiciones de aguas máximas deben ser muyelevadas y torrenciales, características que inducen erosionesmuy fuertes ela pie de los taludes y ellas inducirían movimientosde reajuste en el buzón y éstos generarían deformacionessecundarias en la plataforma llegando a situacionesnuevamente críticas. Como se puede ver, aun en este caso serequieren medidas de estabilización complementarias que nofueron consideradas en la etapa de construcción y que no seráposible implementarlas con muros de gaviones por lascaracterísticas del curso de agua, torrenciales y con arrastre declastos de gran tamaño que destruirían los gaviones en laprimera crecida de las aguas.Figura 40 Secciones analizadas con sus factores de seguridad para el talud parcialmente saturado, método riguroso de Morgenstern Price, se consideran solicitaciones sísmicas

grado 6

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Método de los elementos finitos y algoritmo del SSR: Talud totalmente saturado

Este análisis complementario de la estabilidad del taludtotalmente saturado se ha realizado para poder observar laforma en que se redistribuyen los esfuerzos dentro del macizoy no sólo sobre una superficie potencial de falla como ocurrecon los métodos tradicionales aunque estos sean rigurosos.

Los valores obtenidos en este análisis indican que el análisisrealizado con el método de Morgenstern Price para un taludtotalmente saturado han alcanzado resultados representativospues, también en este caso, se logran valores para el factor deseguridad comparables y aun más bajos que en dicho caso. Esta respuesta del modelo indica que tanto los parámetrossimplificados elegidos para los taludes en el método rigurosocomo aquellos necesarios para este análisis mas profundo hansido los adecuados y que los resultados reflejan la realidad deforma clara y determinante: el talud en sus condiciones actualesde saturación es potencialmente inestable y el riesgo de unafalla es muy alto.

En otras palabras, este sector de la carretera deberá serestudiado con mayor profundidad y se deberán encontrarsoluciones que si bien no eliminen totalmente las deformacionessi lleven a la estructura del macizo a un estado tensional masestable y seguro para los usuarios.

Algo importante en este análisis es que se ha podido observarque los asentamientos son una consecuencia directa de la maladistribución de esfuerzos generada primero por la saturación delos materiales en un medio totalmente heterogéneo (materialesnaturales y depósitos de suelos sin un control de calidad) ysegundo la presencia de una fuente de agua muy sensible a losaportes de las aguas de lluvia que elevan el nivel freáticoinduciendo una mayor saturación, hecho que se pudo observaren varios sectores de los taludes en corte del sector estudiado.

En casos como este, las condiciones de estabilidad puedenvariar de forma muy rápida pues la elevación del nivel freáticono sólo modifica el peso de los materiales sino también elimina

la cohesión aparente generada por la succión de los suelos de grano fino que se exacerba con lamarcada capilaridad de estos. Además, el incremento en la saturación induce un incremento en el

Figura 41 Secciones analizadas con sus factores de seguridad para el talud totalmente saturado, método de los elementos finitos con el algoritmo del SSR, se consideransolicitaciones sísmicas grado 6

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peso propio y una modificación del sistema de esfuerzos efectivos lo que modifica a su vez a laresistencia al corte de los materiales, normalmente, reduciendola de forma considerable,especialmente, en el caso de suelos con alto contenido de materiales arcillosos como es el presentecaso del Km 203+360 y sectores aledaños.

Comentarios sobre los resultados

Los resultados obtenidos y resumidos en la tabla adjunta indican, entre otros, los siguientes aspectosfundamentales:

1. Se observa una importante influencia de la heterogeneidad de los materiales que constituyenel macizo en general: un depósito de materiales formados por una mezcla sin controlar y lossuelos coluviales naturales

2. La presencia de un nivel freático muy alto, por encima de la cota de la rasante terminada enaproximadamente 1.00 a 1.50 m lo que indica que probablemente haya afectado incluso a la

subrasante mejorada y tal vez a la subbase

3. Los materiales del buzón se depositaron sin control de taludes y menos aun de compactacióny al ser ricos en suelos limosos son también muy sensibles a los flujos de agua como s epuede apreciar en la parte baja del buzón donde se notan procesos de formación de cárcavas

4. El curso de agua muestra que en las crecidas es muy turbulento lo que erosionará el pied elostaludes causando un descalce de los mismos lo que induce, normalmente, procesos dedeslizamiento secuenciales de abajo hacia arriba en este tipo de materiales

5. La baja compacidad de los suelos del buzón los hacen también suelos muy poco resistentesa los esfuerzos de corte y a los incrementos en el contenido de agua de los mismos ya que suslímites de consistencia son también bajos (se trata de suelos reno limosos con poco o nadade arcilla)

6. El sistema de drenaje interno de este macizo es muy aleatorio y dependiente de las fuentesde agua ubicadas en la parte superior del macizo donde se identifican obras de toma yderivación

7. El basamento rocoso ubicado a unaprofundidad no muy grande sirve también deconductor de agua, especialmente en elcontacto entre los materiales coluviales y lamasa de roca por donde debe circular aguasaturando a los materiales suprayacentes a laroca por capilaridad

8. Los drenajes construidos para controlar a lasaguas subterráneas parecen haber colapsadoen algún momento como se pudo observar enterreno porque están llenos de barro fino

MÉTODO NUMERICO

TALUD TOTALMENTE SATURADO

BISHOP MORGENSTERN BISHOP MORGENSTERN FEM

Km. 203+360 1.199 1.198 1.333 1.330 1.180

Km. 203+370 1.268 1.265 1.370 1.368 1.280

Km. 203+380 1.277 1.274 1.616 1.615 1.270

Km. 203+390 1.137 1.137 1.519 1.512 1.130

Km. 203+400 1.092 1.092 1.569 1.563 1.070

Km. 203+410 1.091 1.092 1.621 1.616 1.070

Km. 203+420 1.140 1.142 1.661 1.657 1.130

Km. 203+430 1.210 1.217 1.766 1.762 1.190

VALOR MEDIO 1.177 1.177 1.557 1.553 1.165

DESVIACIÓN ESTÁNDAR 0.073 0.072 0.146 0.145 0.081

COEFICIENTE DE CORRELACIÓN 6.22% 6.13% 9.37% 9.37% 6.93%

PROGRESIVA

FACTORES DE SEGURIDAD

TALUD TOTALMENTE SATURADO TALUD PARCIALMENTE SATURADO

METODOS TRADICIONALES RIGUROSOS (DOVELAS)

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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

CONCLUSIONES

El análisis realizado y las observaciones de campo indican que los problemas de la progresiva Km203+360 a Km 203+450 se deben fundamentalmente a los siguientes factores concurrentes:

1. Un macizo constituido por una masa de roca fracturada perteneciente a la Formación Mojonacon una cobertura coluvial rica en suelos arcillosos con algo de limo, es decir, un macizo muyheterogéneo en general cuyas propiedades de resistencia al corte y deformabilidad son muysensibles a la presencia de agua.

2. Obras civiles de una carretera que han modificado la topografía del macizo creando laplataforma de la carretera en el pasado y ampliando dicha plataforma actualmente, lo que hamodificado no sólo la distribución de esfuerzos internos sino también la forma y desarrollo delas filtraciones de aguas subterráneas desde la parte alta del talud.

3. La construcción de un buzón donde se depositaron materiales de deshecho sin control decalidad y menos aun con un control en la colocación y compactación siguiendo lasespecificaciones del proyecto (en los proyectos de este tipo los buzones se construyen solodepositando los materiales y considerando que el trafico de camiones los compactaransuficientemente).

4. El sistema de drenaje superficial parece no haber trabajado eficientemente durante las lluvias,especialmente entre la carretera y el buzón lo que puede haber generado una saturación localadicional a la inducida por las oscilaciones del nivel freático.

5. Agrietamiento del material del buzón (formación y desarrollo de grietas de tracción) que hacreado vías de infiltración para las aguas superficiales, hecho que ha incrementado en sumomento la saturación de los materiales depositados y con ello ha inducido una reducción desu resistencia al corte, un incremento en su peso propio y uno en su deformabilidad lo que haacelerado el desarrollo de nuevas grietas.

6. Los movimientos de reajuste de los materiales del buzón han generado, en el contacto con elmacizo natural solicitaciones de corte que han incrementado los esfuerzos de corte que elmacizo podía absorber dando lugar al desarrollo de una zona de plastificación (ver Figura 43)lo que ha inducido el desarrollo de grietas de tracción y asentamientos en la calzada.

7. Los afloramientos del nivel freático en los taludes de corte a los lados de la carretera indicanque las aguas subterráneas pueden alcanzar coatas relativamente altas, hacho que asociadoa la estructura del macizo incluyendo al buzón crea un mecanismo muy favorable a los

asentamientos por un lado a los movimientos de reajuste por otro sin descartar que alalcanzarse un estado de esfuerzos cercano al estado último se puede iniciar un proceso defalla de talud por corte con consecuencias muy severas.

Todos estos factores se originan en otros aspectos como son:

1. La estructura geológica del sector

2. El origen de los materiales sueltos, los suelos

3. La presencia de aguas subterráneas

4. Las modificaciones antrópicas introducidas al macizo

5. La falta de control en la colocación de materiales en el buzón

6. La falta de un sistema de drenaje natural interno eficiente

Combinando las anteriores observaciones finales, la información disponible, las observaciones deterreno y el conocimiento del comportamiento de los materiales se puede llegar a la conclusióngeneral de que posiblemente, este proceso se haya originado en un proceso similar desarrollado y

Figura 43 Km 203+410, observar la formación d ela zona de plastificación que se desarrolla por debajo d el contacto entre elbuzón y le macizo natural

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estabilizado en el pasado. Dicho proceso es posible que no hubiera dejado huellas o signos de suinfluencia en la serviciabilidad de la antigua carretera cuya superficie de grava era la menos indicadapara poder mostrar deformaciones y grietas de tracción pues el mantenimiento de la misma las hacíadesaparecer periódicamente ocultando el desarrollo de un problema mayor que si no se desarrollófue por la alta permeabilidad de la superficie de rodadura que favorecía la deshidratación de losmateriales que constituían la plataforma de circulación.

En otras palabras, es posible que durante los estudios de diseño final este sector no haya mostradoindicios de una inestabildiad potencial a pesar de que se observa una ligera escarpa en la partesuperior del talud que pudo ser confundida con la escarpa dejada por movimientos muy antiguos quese produjeron durante la formación del valle.

Finalizando, este proceso analizado de forma estricta tiene un origen anterior a los trabajos deconstrucción y mejoramiento de la carretera y, como se mencionó en un acápite anterior, no sesolucionará con una variante pues este cambio afectará al macizo en otros sector dondeposiblemente las mismas aguas subterráneas que están causando problemas en este tramo lo haganen la variante.

Por otro lado, la estabilidad de la carretera, si bien está asociada a la del buzón, no se mejorará conmedidas de estabilización locales en el talud del buzón pues no son estos taludes los causantes delas grieta sino todo el conjunto, es decir, el macizo natural y el buzón cuya interacción ha llevado adesarrollar un mecanismo de falla muy complejo que requerirá mayores estudios tanto en profundidadcomo en superficie.

RECOMENDACIONES

Antes de adoptar una solución definitiva se deberán considerar los siguientes aspectos fundamentalesde la geotecnia aplicada:

Determinación de los parámetros de resistencia al corte de los suelos

Como en todo análisis de estabilidad de taludes, en este caso se requiere conocer la magnitud másprobable de los parámetros de resistencia al corte de los materiales que constituyen el cuerpo deltalud para así poder programar los estudios analíticos respectivos.

La calidad de los materiales identificados y caracterizados en sitio llevan a concluir que los resultadosde los ensayes de corte directo no serán lo suficientemente representativos ya que, en sitio, existenpartículas cuyo tamaño modifica totalmente el comportamiento del material en sitio con referencia al

material en laboratorio, comportamiento que es típico incluso en suelos remoldados o retrabajados.

Por este motivo, y considerando que las propiedades de un sistema tan complejo son difíciles dedeterminar en laboratorio con una aproximación adecuada, se deberá recurrir a un trabajo deretroanálisis para definir la magnitud más representativa de las propiedades a ser utilizadas en elanálisis y a la calibración del modelo mediante análisis preliminares del sistema.

Bajo estas condiciones se deberá generar un modelo físico-matemático que permita, mediantecálculos sucesivos, obtener los valores más representativos de los parámetros de resistencia al cortey deformabilidad de los materiales que constituyen el cuerpo del talud, los cuales se utilizarán en elanálisis de la estabilidad de los taludes.

Geometría de la superficie potencial de falla

La revisión de la literatura especializada y de varios trabajos realizados por el consultor determina quelas diferentes investigaciones con referencia a la geometría de la superficie potencial de fallaconsiderando la influencia de las propiedades de los suelos comprometidos, la presencia de zonasheterogéneas, la anisotropía de los materiales y otros factores concernientes a la naturaleza de losmateriales y del fenómeno bajo investigación indican que esta puede asumir formas y desarrollos muyvariado y que, en este caso se podría asumir una superficie curva o posiblemente combinada contramos planos para lo que se requiere de un mapeo geológico a detalle y de mayor informacióntopográfica de antes y después de la construcción.

Sin embargo, en este caso como se tiene una combinación de materiales dotados de una elevadaheterogeneidad local y de una superficie potencial de falla formada por la superficie natural formadao por el contacto entre dos tipos de material presente o por discontinuidades propias del macizo sedeberán hacer consideraciones especiales.

Este hecho lleva a concluir que las condiciones de análisis de este caso deberán satisfacer no sólolas condiciones locales sino también aquellas determinadas por las características naturales delmacizo que imponen una superficie potencial compleja desde el punto de vista geométrico ytomando en cuenta las propiedades físico-mecánicas de los materiales concurrentes.

La anisotropía de los materiales

Los suelos y las rocas, en general, son anisótropos y esta característica se acentúa aun más en elcaso de los taludes pues la orientación de los esfuerzos principales hace que la estructura interna delos materiales y en especial de los de alto contenido de arcilla sufra una reorientación que a su vez

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depende del entorno desedimentación y de la historiageológica del macizo.

Las investigaciones realizadasen el ámbito internacionalindican que, en el caso detaludes muy empinados, elefecto de la anisotropía en laresistencia al corte es muypequeño, en cambio, entaludes más tendidos, el efectode la an iso t ropía esimportante.

Tomando en consideración lascondiciones de disponibilidadde equipos de laboratorio y depersonal altamente calificadoen la ejecución de ensayes delabo ra to r i o espec ia les

(ensayes triaxiales con consolidación anisotrópica), en nuestro medio, se puede decir que, realizaruna discriminación con referencia a la anisotropía de la resistencia al corte de los suelos y de lasmasas de roca no puede ser considerada y sus efectos, donde puedan ser importantes, deberán sersimplificados recurriendo, como es habitual a algún tipo de simplificación valida.

La forma más utilizada en casos similares consiste en adoptar una resistencia al corte media paratodo el macizo y recurrir a una modelación probabilística del evento, método de trabajo utilizado eneste estudio al incorporar al análisis de estabilidad de taludes un método que considera todas lasecuaciones de equilibrio determinadas por la estática y un método probabilístico de análisis a travésdel método de Monte Carlo.

Grietas de tracción

Según la literatura y la experiencia del Consultor, la influencia de las grietas de tracción sobre lamagnitud del factor de seguridad generalizado disminuye cuanto mayor sea la profundidad de lasgrietas de tracción pero que dicha reducción es, a pesar de todo, relativamente pequeña.

Con relación a la influencia de las grietas de tracción se ha determinado también que la presión del

agua dentro de las mismas tiene también una importancia reducida.

En lo único que estas grietas aportan es en facilitar el ingreso de agua superficial a profundidadescercanas a la superficie potencial de falla mayor, incrementando la influencia de la anisotropía en laresistencia al corte y, posiblemente, induciendo fallas locales por reducción de esta característica tanimportante de los suelos al nivel de la superficie de contacto que representa la superficie potencialde falla más importante.

Cargas dinámicas o solicitaciones sísmicas

Un aspecto que se debe considerar en todo análisis de estabilidad de taludes y, en especial, en zonasde potencial sísmico como es la zona del proyecto, es la consideración de las cargas dinámicas ysísmicas ya que éstas pueden, en el caso de suelos finos saturados, suelos con elevado contenidode finos o masas de roca finamente fracturadas, inducir incrementos de presión de poros que,sumadas a las presiones intersticiales hidrostáticas, generan una reducción en las fatigas efectivasllevando al sistema a un estado de tensiones último o muy cercano a éste, en el cual los esfuerzosde corte pueden haber superado localmente a la resistencia al corte de los materiales y así iniciar unafalla progresiva. Sin embargo, para el análisis riguroso de un talud bajo solicitaciones sísmicas serequiere contar con información amplia y confiable sobre la magnitud de los parámetros de resistenciaal corte y deformacionales de los materiales, lo cual, en nuestro medio es imposible e implica laadopción de coeficientes pseudo estáticos que permiten llevar a cabo una investigación aproximadade la respuesta del talud a solicitaciones dinámicas.

Por este motivo y considerando el potencial sísmico de la zona del proyecto se adoptaron estoscoeficientes a fin de poder modelar el comportamiento del macizo investigado en forma máscompleta.

Flujo de agua a través del talud

Si el suelo o la masa de roca que constituye el cuerpo de un talud se encuentra debajo del nivelfreático o el talud se encuentra sometido a un flujo permanente de agua, se deben considerar en elanálisis de estabilidad sistemas de esfuerzos efectivos cuando se consideran cargas permanentesy totales en el caso de solicitaciones eventuales.

En el caso de un análisis bajo un sistema de fatigas efectivas, el cálculo debe determinar por algúnmedio válido las presiones de poros a partir de la red de flujo y sus incrementos mediante losparámetros de presión de poros ya que esta variable, la presión de poros o intersticial, tiene unainfluencia muy importante en la estabilidad de un talud y su importancia se refleja en la magnitud de

Figura 44 Influencia de la anisotropía en el comportamiento de una muestra enlaboratorio

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la resistencia al corte y, de esa manera, en el factor de seguridad del sistema.

Ahora bien, si el análisis se realiza bajo condiciones no drenadas, entonces el cálculo si bien sesimplifica pero no siempre es representativo razón por la cual se debe realizar una interpretación deresultados muy rigurosa.

Probables soluciones para el sector estudiado

De acuerdo a las condiciones hídricas locales, los materiales presentes y la estructura geológicaestimada se podrían implementar diferentes tipos de solución, desde soluciones geométricasmodificando la morfología actual hasta soluciones muy sofisticadas pero de costo muy alto.

Entrelas soluciones mas prácticas y probables se tendrían entonces:

1. Un retaludeo del sector con transporte de los materiales excedentes a buzones más establesque el actual. Esta solución está acompañada de las siguientes limitantes:

a. Los materiales del buzón seguirán ejerciendo su influencia negativa por su estado decompacidad

b. Se requiere de todas maneras corregir el efecto de las filtraciones en los materialesnaturales y del buzón

c. Se requiere también de todas maneras corregir y proteger el pie de los taludes de laerosión de la quebrada

d. El costo sería de todas maneras elevado y los resultados estarían siempreacompañados de cierta incertidumbre

2. Una remoción de todos los materiales saturados, la construcción de un sistema de fundaciónpara la carretera de elevada permeabilidad, alta resistencia al corte y reducida deformabilidad

a. Este procedimiento es el más aconsejable pero también de un costo elevado pues sedeberá excavar hasta alcanzar una cota profunda, aproximadamente 8.00 a 10.00 mpara así lograr una zona de distribución de esfuerzos adecuada

b. Se requerirán materiales gruesos duros y durables (no lutitas) para conformar el lechode fundación en un ancho no menor al ancho de la calzada más cuatro metros a seismetros a cada lado para poder garantizar el funcionamiento de la fundación

c. Se deberán cubrir estos materiales gruesos con geotextiles que retengan el materialque pasa la malla 200 para que no lleguen a colmatarse

d. Se deberá construir un sistema de drenaje subterráneo con materiales que no colapsenal menor movimiento de reajuste como ocurrió con el drenaje construido

e. De todas maneras se deberá remover parte o todo el material del buzón

f. La conformación posterior del terraplén deberá ser controlada de forma estrictamediante laboratorio y topografía a fin de lograr una obra de alta calidad

3. La depresión del nivel freático mediante sistemas de drenaje subterráneo que trabajen porgravedad

a. Este procedimiento debe ser acompañante de los otros pues solo no alcanza amodificar el comportamiento general del macizo

4. El confinamiento de los materiales del buzón previo trabajo de reacomodamiento ycompactación de los mismos

a. Esta solución conlleva trabajos similares a los de la solución del punto 2º pero a menorprofundidad pero exige la construcción de elementos estructurales de elevado costocomo ser:

i. Muros de hormigón armado de gran altura (mas de 8.00 m) que pueden requeriranclajes o sistemas de atirantamiento por los empujes a que estarán sometidos

ii. Pantallas prefabricadas atirantadas con el riesgo de un fracaso parcial enalgunos sectores como ocurrió en Cotapata

iii. Mejoramiento de los suelos mediante inyecciones de cemento o de resinas,método muy caro

5. La construcción de una variante que requerirá elementos similares a los propuestos porque,de todas maneras, deberá pasar por la zona de influencia del acuífero que está provocandolos daños actuales

Como se puede ver, el problema del sector puede ser solucionado pero se requieren mayoresestudios y más detalles en la información técnica pues la disponible es muy reducida.

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NORMAS DE REFERENCIA

Un resumen de las normas más importantes que se adoptaron como referencia para este informe,se presenta a continuación en la Tabla 1.

Tabla 1 Normas de referencia

Norma Descripción

GEOTECNIA

DIN

4021Exploración de suelos mediante calicatas y/o sondajes, toma de muestras de suelos y rocas, determinación de la ubicación delnivel freático

DIN

4022Identificación de campo de los materiales y clasificación de suelos desde el punto de vista de la ingeniería

DIN

4094Ensaye de penetración dinámica con una sonda liviana - cono dinámico

DIN

18121Determinación del contenido de agua de los suelos (humedad natural e higroscópica)

DIN

18122Determinación de los límites de consistencia de los suelos (límite líquido, límite plástico e índice de plasticidad)

DIN

18123Determinación de la distribución granulométrica de las partículas de un suelo (tamizado e hidrometría)

DIN

18125Determinación del peso unitario de los suelos y del peso específico de las partículas de suelo

DIN

18126Determinación de la Densidad Relativa en Suelos Granulares

DIN

18127Determinación de la densidad máxima y de la humedad optima - ensaye de compactación (standard y modificado), determinaciónde la relación de soporte California, CBR.

DIN

18136Determinación de la compresibilidad de los suelos finos, ensaye de consolidación

DIN

18137Determinación de la resistencia al corte de los suelos

DIN

18196Clasificación de suelos por el Sistema Unificado y clasificación de rocas

INGENIERÍA DE FUNDACIONES

DIN

1054Capacidad de soporte admisible y cargas admisibles de los suelos y de las estructuras

DIN

4017Determinación de la capacidad de soporte de las fundaciones para cargas centradas y excéntricas

DIN

4019Determinación de asentamientos en fundaciones debidos a cargas centradas y excéntricas

ESTRUCTURAS DE CONTENCIÓN

DIN

4016Determinación del empuje activo y pasivo en estructuras de contención

ESTABILIDAD DE TALUDES

DIN

4084Análisis de estabilidad de taludes por el método de las dovelas

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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ANEXOS

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ANEXO I: ANÁLISIS MEDIANTE EL MÉTODO RIGUROSO DE MORGENSTERN PRICE

Figura 45 Ubicación de los perfiles analizados para determinar la estabilidad de los taludes formados por el material depositado y por el suelo natural

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Taludes saturados por la acción del nivel freático activo

Sección Km 203+360

Figura 46 Sección Km 203+360, análisis de macizo saturado por las lluvias, sección de cálculo adoptada

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Figura 47 Sección Km 203+360, análisis de macizo aturado por las lluvias, observar la magnitud del factor de seguridad, muy cercana a la unidad

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Sección Km 203+370


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Figura 49 Sección Km 203+370, análisis de macizo aturado por las lluvias, observar la magnitud del factor de seguridad, debajo del valor mínimo de referencia

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Sección Km 203+380


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Sección Km 203+390


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Figura 53 Sección Km 203+390, análisis de macizo aturado por las lluvias, observar la magnitud del factor de seguridad, muy cercano a la unidad

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Sección Km 203+400


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Sección Km 203+410


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Sección Km 203+420


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Sección Km 203+430


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Taludes secos, sin la influencia de un nivel freático activo

Sección Km 203+360

Figura 62 Sección Km 203+360, análisis de macizo saturado por las lluvias, sección de claculo adoptada

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Sección Km 203+370


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Sección Km 203+380


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Sección Km 203+390


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Sección Km 203+400


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Sección Km 203+410


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RNI 1846 - GT 09

Sección Km 203+420


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Sección Km 203+430


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ANÁLISIS MEDIANTE EL MÉTODO DE LOS ELEMENTOS FINITOS Y EL ALGORITMO DEL SSR

Figura 78 Ubicación de los perfiles analizados para determinar la estabilidad de los taludes formados por el material depositado y por el suelo natural

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Taludes saturados por la acción del nivel freático activo

Sección Km 203+360


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Sección Km 203+370


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Sección Km 203+380


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Sección Km 203+390


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Sección Km 203+400


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Sección Km 203+410


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Sección Km 203+420


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Sección Km 203+430


MT - 93




RNI 1846 - GT 09


MT - 94




RNI 1846 - GT 09

MT - 95

Estudio de Estabilidad de Taludes Dr.rene Espinosa

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