Índice Introducción ........................................................................................................................................ 1 Marco Teórico ..................................................................................................................................... 2 Talud ............................................................................................................................................ 2 Definición de estabilidad ............................................................................................................. 2 Deslizamientos ............................................................................................................................ 3 Métodos de estabilización de taludes ......................................................................................... 6 Tipos de Drenajes: ....................................................................................................................... 7 Soluciones estructurales ............................................................................................................. 8 Contenido .......................................................................................................................................... 10 Muros de gravedad ................................................................................................................... 10 Muros de contención: ............................................................................................................... 10 Tipos de muro de contención: .................................................................................................. 11 Cálculo de un muro de gravedad ...................................................................................................... 12 Conclusiones ..................................................................................................................................... 14 Recomendaciones ............................................................................................................................. 14 Bibliografía ........................................................................................................................................ 14
Introducción La Mecánica de Suelos es la ciencia que analiza y propone soluciones a los problemas que presenta el terreno en el cual se planifica la realización de proyectos de infraestructura civil. La Mecánica de Suelos incluye dentro de los temas más importantes que estudia, la Estabilidad de Taludes. La Estabilidad de Taludes describe la teoría que analiza la estabilidad de un talud al momento de realizar un proyecto. Para estudiar la estabilidad de un talud, suele utilizarse el método de estudio para diseñar una estructura de retención de tierra, que consiste en estudiar la condición de falla de ésta, de manera que se puede introducir factores de seguridad que garanticen la seguridad de tal estructura con el fin de evitar un desplome o desprendimiento de tierra. Las razones por las cuales puede ocurrir un desprendimiento de tierra en un talud son variadas, pero principalmente ocurren por razones geológicas (laderas inestables, estratificación del suelo, tipos de suelo) y por variaciones del nivel freático. Sin embargo, también pueden ocurrir por la mano del hombre, ya sea por rellenos o excavaciones (principalmente por actividad minera) o bien, que su influencia modifique ciertos aspectos de la naturaleza del suelo. También existen muchos casos en los cuales el terreno no requiere ser retenido por una estructura, cuando la inclinación del talud es suficientemente suave o su altura es relativamente pequeña para que sea estable. Conforme aumente el ángulo de inclinación, existe mayor probabilidad de que ocurra un deslizamiento de material. La presente investigación pretende abarcar un estudio general del concepto de Estabilidad de Taludes, así como presentar los principales métodos de estabilización de taludes que se aplican actualmente para el desarrollo de proyectos de Ingeniería Civil.
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Marco Teórico Talud Se entiende por talud a cualquier superficie inclinada respecto la horizontal que haya de adoptar permanentemente las estructuras de tierra. El talud constituye una estructura complejo de analizar debido a que en su estudio coinciden los problemas de mecánica de suelos y de mecánica de rocas, tomando en cuenta el papel geológico. Cuando un talud se produce de forma natural se le llama ladera y cuando se produce artificialmente se le llama cortes o taludes artificiales. Una superficie de terreno expuesta situada a un ángulo con la horizontal se llama talud o pendiente no restringida, y puede ser natural o construido. Si la superficie del terreno no es horizontal, una componente de la gravedad ocasionara que el suelo se mueva hacia abajo. Si la componente de la gravedad es suficientemente grande ocurrirá la falla de talud, es decir, la masa de suelo en la zona se deslizara hacia abajo. La fuerza actuante vence a la fuerza de la resistencia al corte del suelo a lo largo de la superficie de ruptura. Fundamentos de ingeniería geotécnica, Brajam. Das, Thompson Learning, 2001
Definición de estabilidad Se entiende por estabilidad tener la seguridad que una masa de tierra no fallará o se moverá. Para lograr una estabilidad de taludes se necesita definir varios criterios, tales como cual será la inclinación apropiada en un corte o en un terraplén. La indicada siempre será aquella que pueda sostenerse el tiempo necesario sin caerse. Este es el centro del problema y la razón de estudio de la estabilización de taludes. La estabilidad del talud depende de la inclinación, por lo cual a diferentes inclinaciones corresponderán diferentes masas de tierra por mover y por lo tanto diferentes costos. El costo es un factor muy importante en el tema, ya que este factor definirá el método a utilizar para estabilizar el talud. En muchos casos, este método será el que corresponda a movilizar la mínima masa de tierra, lo que significa tener un talud más empinado. En la actualidad, existen varios problemas que están involucrados en la estabilidad de taludes debido a que estos son unas estructuras complejas, con muchos aspectos dignos de estudio. Es por estas razones que la estabilidad de taludes se puede convertir en un tema complicado y confuso, sin hacer de menos el problema de cómo la naturaleza se manifiesta de diferentes formas. Su estudio siempre será complicado, pero el problema de estabilidad se puede presentar y se debe afrontar.
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Los problemas de estabilidad en taludes naturales difieren totalmente a los problemas que se presentan en los taludes construidos por el ingeniero. Dentro de estas diferencias destacan los materiales que componen el talud y como se formó el talud, su historia geológica, el clima al cual ha estado sujeto, los esfuerzos a los que ha estado sometido, su configuración de rocas y suelo, y el flujo de agua a través de la ladera o talud.
Deslizamientos Se denomina deslizamiento al desplazamiento del suelo situado debajo de un talud, que realiza un movimiento hacia abajo y hacia afuera de toda la masa del suelo que se está deslizando. Estos pueden producirse de distintas maneras, como pueden ser lentos ó rápidos, con o sin provocación. Los deslizamientos se producen como consecuencia de excavaciones o socavaciones en el pie del talud, aunque también existen casos en donde estos ocurren por la desintegración de la estructura del suelo, aumento de las presiones intersticiales debido a flujos del agua, etc. Los tipos de falla más comunes en taludes son: Deslizamientos superficiales Movimiento del cuerpo del talud Flujos
Deslizamientos superficiales
Todo talud está sujeto a fuerzas naturales que hacen que las partículas y el suelo deslicen hacia abajo. Los deslizamientos superficiales, por lo general, son de movimiento lento ladera abajo y se presentan en la zona superficial de algunas laderas naturales. Suele involucrar grandes áreas y el movimiento superficial se produce sin alterar las masas inmóviles más profundas. Existen dos clases de deslizamientos: el estacional y el masivo. El estacional solo afecta a la corteza superficial de la ladera que sufre los cambios climáticos. El masivo afecta a las capas de tierra más profundas, el cual únicamente se le puede atribuir al efecto gravitacional. El estacional es mayor o menor dependiendo de la época del año, mientras que el masivo está sucediendo constantemente.
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Movimiento del cuerpo del talud
El movimiento del cuerpo del talud se refiere al movimiento de masas considerables del suelo, con superficies de falla profundas. La superficie de falla se forma cuando en la zona de su movimiento actúan esfuerzos cortantes que sobrepasan la resistencia al corte del material. Como consecuencia de esto ocurre la ruptura del suelo, formando una superficie de deslizamiento a lo largo de la cual se produce la falla. Hay dos tipos de este movimiento:
Falla Rotacional
Este tipo de falla ocurre cuando se define una superficie de falla curva, a lo largo de la cual ocurre el movimiento del talud. La superficie de falla es asimilada por facilidad a una circunferencia, aunque pueden existir formas algo diferentes. Por lo general, este tipo de fallas ocurre en común en materiales arcillosos o en suelos cuyo comportamiento mecánica está regido básicamente por su fracción arcillosa. Afecta a zonas relativamente profundas del talud, siendo esta profundidad mayor cuanto mayor sea la pendiente. Estas fallas se denominan según donde pasa el extremo de la masa que rota. Puede ser que la masa en rotación pase por la superficie de falla en el cuerpo del talud, por el pie del talud, o adelante del mismo, afectando el terreno en el cual se apoya el talud.
Falla Traslacional
Este tipo de falla consiste en movimientos traslacionales del cuerpo del talud sobre superficies de falla básicamente planas, las cuales están asociadas con la presencia de estratos poco resistentes localizados a poca profundidad del talud. La superficie de falla se desarrolla en forma paralela al estrato débil y con superficies curvas en los extremos que llegan al exterior f ormando agrietamientos. 4
Los tipos de suelos que favorecen este tipo de fallas son usualmente arcillas blandas o arenas finas o limos no plásticos sueltos. Usualmente este tipo de falla también está relacionada con la elevada presión de poro en el agua contenida en las arcillas, por lo que se podría deducir que estas fallas están relacionadas a las temporadas de lluvia de la región.
Flujos
Este tipo de falla se refiere a movimientos más o menos rápidos de una parte de la ladera natural. La superficie de deslizamiento se desarrolla brevemente o no se puede distinguir. El material que fluye puede ser cualquier formación no consolidada, en el cual pueden presentarse fragmentos de roca, depósitos de talud, suelos granulares finos o arcillas francas. El flujo de materiales secos comprende fragmentos de roca. Los flujos de tierra generalmente ocurren al pie de los deslizamientos del tipo rotacional en el cuerpo del talud. Los flujos de tierra de suelos granulares finos son típicos de formaciones costeras y se asocian con la erosión marina y a la subida y bajada de las presiones de poro debido al nivel del agua con las mareas.
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Métodos de estabilización de taludes Cuando se comprueba que existe un riesgo de inestabilidad en un talud. Se debe implementar alguno de los métodos existentes para lograr estabilizar el talud, considerando el costo, los efectos sobre otras estructuras tanto al pie como la cresta del talud y el tiempo que requiere estabilizar el talud por ese método. Se busca: 1. Aumentar la resistencia del suelo: esto es implementar drenajes o inyectar substancias que aumenten la resistencia del suelo, tales como cemento u otro conglomerante.
2. Disminuir los esfuerzos actuantes en el talud: para ello existen soluciones físicas como el cambio de la geometría del talud mediante un corte total o parcial a un menor ángulo o la remoción de la cresta para la reducción de la altura. 3. Aumentar los esfuerzos de confinamiento del talud: para lograr la estabilización del talud se logra mediante obras, como muros de gravedad, pantallas atirantadas o bremas hechas del mismo suelo.
Soluciones físicas:
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Cambio en la geometría:
Consiste en la disminución de la pendiente a un ángulo menor, la reducción de la altura (especialmente en suelos con comportamiento cohesivo) y la colocación de material en el pie del talud (normalmente se utiliza el material en la parte superior del talud).
Tipos de Drenajes: o
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o
o
Drenajes sub horizontales: son tubos con un diámetro de 5 cm o mayor, perforados o cubiertos por un filtro que impide su taponamiento por arrastre de finos. El método de instalación consiste en crear una pendiente al pie del talud penetrando la zona freática y así permitir el flujo por gravedad de agua almacenada por encima de la superficie de falla. Para las arcillas y limos el espaciamiento de los drenajes puede variar de 3 a 8 metros y en el caso de arenas con mayor permeabilidad puede variar hasta más de 15 metros. Drenajes Verticales: se utiliza cuando existe un estrato impermeable que contiene agua emperchada por encima de un material con mayor permeabilidad con drenaje libre y con una presión hidrostática menor. El método de instalación consiste en atravesar completamente el estrato impermeable y conducir el agua mediante la gravedad por dentro de ellos, hasta el estrato más permeable. Drenajes transversales o interceptores: son el tipo de drenaje que se coloca en el pie y/o en la cresta del talud para proporcionar una salida del agua que pueda infiltrarse al talud por arriba de la cresta y que produzca erosión en sus diferentes niveles o para recolectar el agua proveniente de otros drenajes y a diferentes alturas del mismo. Drenajes de contrafuerte: son aperturas de zanjas verticales desde 30 a 60 cm de ancho, estas siendo en dirección de la pendiente del talud. Posterior a esto se rellena con material granular altamente permeable y con alto ángulo de fricción (>35°). La profundidad alcanzada deberá ser mayor que la profundidad a la que se encuentra la superficie de falla. Con ello se logra el aumento a la resistencia del suelo no solo debido al aumento de los esfuerzos efectivos sino también al aumento del material de alta resistencia incluido dentro de las zanjas.
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Soluciones estructurales Este tiempo de soluciones generalmente se usa cuando hay limitaciones de espacio o cuando resulta imposible contener un deslizamiento con algún otro método. El objetivo principal de las estructuras de retención es aumentar las fuerzas de resistencia activa y de forma pasiva al oponer resistencia ante el movimiento de la masa de suelo. Muros de Gravedad : la estabilidad de un muro de gravedad se debe a su propio peso y a la resistencia pasiva que se genera en la parte frontal del mismo. Las soluciones de este tipo son las de mayores costos debido a su gran magnitud. Esta magnitud se debe a que la relación entre la base del muro de gravedad y la altura es aproximadamente de 2:1, es decir por cada metro de altura se debe diseñar un muro con dos metros de base.
Cantiléver : la estabilidad de este es básicamente la misma que el de muro por
gravedad la diferencia es que aquí el propio talud ayuda a las fuerzas de resistencia activa debido a su diseño. Este es una solución de menor costo ya que sus dimensiones no son tan grandes como las del ejemplo anterior.
Se debe tener en cuenta que al poner una estructura con un material de muy baja permeabilidad, como el concreto, al frente de un talud de suelo que almacena agua en su estructura, es muy probable que aumente la presión hidrostática en la parte posterior del muro. Por lo que una solución para esto es implementar drenajes en el muro de forma sub horizontal preferentemente. Ya que esto logra disipar la presión hidrostática que se encuentra detrás del muro. Otra solución para este problema es realizar muros con otros materiales para evitar este problema de almacenamiento de agua detrás del muro. Un ejemplo es el muro de Gavión.
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Muro de gavión: este muro consiste en colocar gaviones, es decir, cajones hechos
de maya metálica en donde se almacenan rocas para formar un tipo de bloque de rocas. Esto sirve para crear muros de gravedad de otra manera, la cual es mucho más económica ya que depende del costo de las rocas mayormente. Esta es otra solución debido a que el agua se filtra con mucha facilidad a través de los gaviones disminuyendo así la sobre presión hidrostática.
Pantallas : consisten de una malla metálica sobre la cual se proyecta concreto
(concreto lanzado) recubriendo toda la superficie del talud. Es común “atirantar”
esta capa de concreto por medio de anclajes que atraviesan toda la superficie de falla y luego se tensan posteriormente y estos ejercen empuje activo en la misma dirección pero con sentido opuesto al movimiento de la masa del suelo.
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Contenido Muros de gravedad Muros de contención: Tienen como finalidad resistir el “empuje” producido por el material retenido detrás de ellos, en otras palabras resistir las presiones laterales. Su estabilidad la deben fundamentalmente al peso propio y al peso del material que está sobre su fundación. El sistema equivalente para los muros de contención básicamente es un voladizo empotrado en su base. Por “empuje” se entiende a toda acción que es provocada por masas de arenas, gravas, cemento, etc. (masas carentes de cohesión). De una manera general son producidos por terrenos naturales, materiales almacenados o rellenos artificiales.
Dentro de los elementos fundamentales que se deben de tomar en cuenta son: el volumen, el ángulo de talud natural de tierras o ángulo de fricción interna del suelo. Además hay que tomar en cuenta el empuje activo de la tierra, este consiste en el empuje que se desarrolla sobre un muro condicionado por la deformabilidad del mismo, en otras palabras es la presión ejercida por la tierra sobre la espalda del muro. En contraposición el empuje pasivo es la presión ejercida por el muro y el suelo en el pie del mismo.
Partes de un muro de contención: a) Puntera o pie: Parte de la base del muro (cimiento) que queda debajo del intradós y no introducida bajo el terreno contenido. b) Tacón: Pate del cimiento que se introduce en el suelo para obtener una mejor agarre y evitar la traslación del muro horizontalmente.
c) Talón: Parte del cimiento que se introduce en el suelo para ofrecer un mejor agarre. d) Alzado o cuerpo: Parte principal del muro que se inicia desde el cimiento del muro hasta la cresta del talud, este es diseñado para soportar las cargas tanto activas como pasivas e) Intradós: Superficie externa del cuerpo o muro de contención a. Trasdós: Superficie interna del cuerpo o muro de contención
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Tipos de muro de contención: 1. Muros de gravedad : muros con una gran masa que resisten el empuje mediante su propio peso y con el peso del suelo que se apoya en ellos, en su mayoría son económicos con alturas menores de 5m. Su sección transversal puede variar como los mostrados en la figura.
o o o o
Estos pueden ser: De concreto ciclópeo(60% roca, 40% concreto) Mampostería Piedra Gaviones
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Cálculo de un muro de gravedad
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Conclusiones 1. Para diseñar un muro de contención en un talud, primero se debe calcular su estabilidad y luego se diseña según las especificaciones de la topografía. 2. Los muros de contención por gravedad dependen del peso del muro por lo que muchas veces los costos tienden a subir 3. Hay distintos tipos de muros por gravedad lo que puede ayudar a reducir cosos y realizan la misma función 4. Los muros de gravedad están limitados a alturas relativamente pe queñas debido a que su relación base vs altura es de 2 a 1 por lo que se necesita mucho material y espacio para construir muros de alturas mayores.
Recomendaciones 1. Realizar una visita de campo para observar un muro de contención, de manera que se pueda observar sus partes y las funciones que cumple para estabilizar el terr eno. 2. De ser posible, realizar una visita de campo a un muro de contención en fase de construcción para observar el proceso de instalación correspondiente. 3. Diseñar distintos tipos de muros de contención para conocer el que sea óptimo para cada caso de talud que se pueda presentar.
Bibliografía 1. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Cs. Exactas, ingeniería y agrimensura. Agosto 2003. Obtenido el 13 de noviembre de 2011 de la página web: http://fiselect2.fceia.unr.edu.ar/geologiaygeotecnia/Estabilidad%20de%20Taludes.pdf
2. Capítulo 3. Guía para identificar problemas de deslizamientos. Obtenido el 13 de noviembre de 2011 de la página web: http://www.bvsde.opsoms.org/bvsade/fulltext/vulnera/cap3.pdf 3. Análisis y diseño de muros de contención de concreto armado. Rafael Angel Torres Belandria. Universidad de los Andes, Facultad de Ingeniería. Obtenido el 13 de noviembre de 2011 de la página web: http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/rafaeltorres/publicaciones/Texto%201/Muros%2 0de%20Contenci%F3n-2008-RT.pdf
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