La estabilidad de taludes se refiere a la condición de las pendientes inclinadas de suelo o roca para soportar o sufrir movimiento ; la condición opuesta se llama inestabilidad de taludes o falla de taludes . La condición de estabilidad de taludes es un tema de estudio e investigación en mecánica de suelos , ingeniería geotécnica y geología de ingeniería . Los análisis generalmente están dirigidos a comprender las causas de una falla de talud ocurrida, o los factores que potencialmente pueden desencadenar un movimiento de talud, resultando en un deslizamiento de tierra , así como a prevenir el inicio de dicho movimiento, ralentizándolo o deteniéndolo mediante contramedidas de mitigación .
La estabilidad de un talud está controlada esencialmente por la relación entre la resistencia al corte disponible y la tensión de corte actuante , que puede expresarse en términos de un factor de seguridad si estas cantidades se integran sobre una superficie de deslizamiento potencial (o real). Un talud puede ser globalmente estable si el factor de seguridad, calculado a lo largo de cualquier superficie de deslizamiento potencial que se extienda desde la parte superior del talud hasta su base, es siempre mayor que 1. El valor más pequeño del factor de seguridad se tomará como representante de la condición de estabilidad global del talud. De manera similar, un talud puede ser localmente estable si se calcula un factor de seguridad mayor que 1 a lo largo de cualquier superficie de deslizamiento potencial que se extienda a través de una porción limitada del talud (por ejemplo, solo dentro de su base). Los valores de los factores de seguridad globales o locales cercanos a 1 (normalmente comprendidos entre 1 y 1,3, según las regulaciones) indican taludes marginalmente estables que requieren atención, monitoreo y/o una intervención de ingeniería ( estabilización de taludes ) para aumentar el factor de seguridad y reducir la probabilidad de un movimiento del talud.
Una pendiente que antes era estable puede verse afectada por una serie de factores o procesos predisponentes que hacen que el factor de seguridad disminuya (ya sea aumentando la tensión de corte o disminuyendo la resistencia al corte) y, en última instancia, pueden provocar la falla de la pendiente. Los factores que pueden desencadenar la falla de la pendiente incluyen eventos hidrológicos (como lluvias intensas o prolongadas, deshielo rápido, saturación progresiva del suelo, aumento de la presión del agua dentro de la pendiente), terremotos (incluidos los temblores secundarios ), erosión interna (tuberías), erosión superficial o de los pies, carga artificial en la pendiente (por ejemplo, debido a la construcción de un edificio), corte de la pendiente (por ejemplo, para hacer espacio para carreteras, ferrocarriles o edificios) o inundación de la pendiente (por ejemplo, al llenar un lago artificial después de represar un río).
Las pendientes de tierra pueden desarrollar una zona de debilidad esférica cortada. La probabilidad de que esto ocurra se puede calcular de antemano utilizando un sencillo paquete de análisis circular en 2D. [1] Una de las principales dificultades del análisis es localizar el plano de deslizamiento más probable para una situación determinada. [2] Muchos deslizamientos de tierra sólo se han analizado después de que se han producido. Más recientemente, se ha empleado la tecnología de radar de estabilidad de pendientes , en particular en la industria minera, para recopilar datos en tiempo real y ayudar a determinar la probabilidad de que se produzca un derrumbe de una pendiente.
Las fallas reales en suelos mixtos depositados naturalmente no son necesariamente circulares, pero antes de las computadoras era mucho más fácil analizar una geometría tan simplificada. Sin embargo, las fallas en arcilla "pura" pueden ser bastante cercanas a la circular. Estos deslizamientos a menudo ocurren después de un período de fuertes lluvias, cuando la presión del agua intersticial en la superficie del deslizamiento aumenta, reduciendo la tensión normal efectiva y disminuyendo así la fricción restrictiva a lo largo de la línea de deslizamiento. Esto se combina con un mayor peso del suelo debido al agua subterránea añadida. Una grieta de "contracción" (formada durante el clima seco anterior) en la parte superior del deslizamiento también puede llenarse con agua de lluvia, empujando el deslizamiento hacia adelante. En el otro extremo, los deslizamientos en forma de losa en las laderas pueden eliminar una capa de suelo de la parte superior del lecho de roca subyacente. Nuevamente, esto generalmente se inicia por fuertes lluvias, a veces combinadas con un aumento de la carga de los nuevos edificios o la eliminación del soporte en la base (resultado de la ampliación de la carretera u otras obras de construcción). Por lo tanto, la estabilidad se puede mejorar significativamente instalando vías de drenaje para reducir las fuerzas desestabilizadoras. Sin embargo, una vez que se produce el deslizamiento, queda una debilidad a lo largo del círculo de deslizamiento, que puede volver a aparecer en el siguiente monzón.
El ángulo de reposo está relacionado con la resistencia al corte de los materiales geológicos , lo que es relevante en contextos de construcción e ingeniería . [3] En el caso de los materiales granulares, el tamaño y la forma de los granos pueden afectar significativamente el ángulo de reposo. A medida que aumenta la redondez de los materiales, el ángulo de reposo disminuye, ya que hay menos fricción entre los granos del suelo. [4]
Cuando se excede el ángulo de reposo, pueden producirse pérdidas de masa y desprendimientos de rocas . Para muchos ingenieros civiles y geotécnicos es importante conocer el ángulo de reposo para evitar desastres estructurales y naturales . Como resultado, la aplicación de muros de contención puede ayudar a retener el suelo de modo que no se exceda el ángulo de reposo. [5]
El ángulo de reposo y la estabilidad de una pendiente se ven afectados por factores climáticos y no climáticos.
El contenido de agua es un parámetro importante que podría cambiar el ángulo de reposo. Se dice que un mayor contenido de agua puede estabilizar una pendiente y aumentar el ángulo de reposo. [5] Sin embargo, la saturación de agua puede resultar en una disminución de la estabilidad de la pendiente, ya que actúa como lubricante y crea un desprendimiento donde puede producirse un desprendimiento de masa . [6]
El contenido de agua depende de las propiedades del suelo, como el tamaño del grano, que puede afectar la tasa de infiltración , la escorrentía y la retención de agua. Generalmente, los suelos de grano más fino ricos en arcilla y limo retienen más agua que los suelos arenosos más gruesos. Este efecto se debe principalmente a la acción capilar , donde las fuerzas adhesivas entre el fluido, la partícula y las fuerzas cohesivas del propio fluido contrarrestan la atracción gravitatoria. Por lo tanto, un tamaño de grano más pequeño da como resultado una superficie más pequeña sobre la que pueden actuar las fuerzas gravitacionales. Una superficie más pequeña también conduce a una mayor acción capilar, más retención de agua, más infiltración y menos escorrentía. [7]
La presencia de vegetación no afecta directamente el ángulo de reposo, pero actúa como un factor estabilizador en una ladera , donde las raíces de los árboles se anclan en capas de suelo más profundas y forman un compuesto de suelo reforzado con fibra con una mayor resistencia al corte (cohesión mecánica). [8]
La forma del grano puede tener un impacto en el ángulo de reposo y la estabilidad de la pendiente. Cuanto más redondeado sea el grano, menor será el ángulo de reposo. Una disminución de la redondez o un aumento de la angularidad da como resultado un entrelazamiento a través del contacto de las partículas. Esta relación lineal entre el ángulo de reposo y la redondez del grano también se puede utilizar como predictor del ángulo de reposo si se mide la redondez del grano. [5]
Dado que la estabilidad de una pendiente puede verse afectada por eventos externos como las precipitaciones , una preocupación importante en la ingeniería civil/geotécnica es la estabilización de pendientes.
La aplicación de vegetación para aumentar la estabilidad de las pendientes contra la erosión y los deslizamientos es una forma de bioingeniería que se utiliza ampliamente en áreas donde la profundidad de los deslizamientos es baja. La vegetación aumenta la estabilidad de la pendiente mecánicamente, reforzando los suelos a través de las raíces de las plantas, que estabilizan la parte superior del suelo. La vegetación también estabiliza la pendiente a través de procesos hidrológicos , mediante la reducción del contenido de humedad del suelo a través de la intercepción de la precipitación y la transpiración . Esto da como resultado un suelo más seco que es menos susceptible al desgaste en masa. [9]
La estabilidad de las pendientes también se puede mejorar mediante:
El análisis de estabilidad de taludes es un método estático o dinámico, analítico o empírico para evaluar la estabilidad de taludes de presas de relleno de suelo y roca, terraplenes, taludes excavados y taludes naturales en suelo y roca. Se realiza para evaluar el diseño seguro de taludes artificiales o naturales (por ejemplo , terraplenes , cortes de carreteras , minería a cielo abierto , excavaciones, vertederos , etc.) y las condiciones de equilibrio. [10] [11] La estabilidad de taludes es la resistencia de una superficie inclinada a fallar por deslizamiento o colapso. [12] Los principales objetivos del análisis de estabilidad de taludes son encontrar áreas en peligro, investigar los posibles mecanismos de falla, determinar la sensibilidad de los taludes a diferentes mecanismos desencadenantes, diseñar taludes óptimos con respecto a la seguridad , confiabilidad y economía , y diseñar posibles medidas correctivas, por ejemplo, barreras y estabilización . [10] [11]
El diseño exitoso del talud requiere información geológica y características del sitio, por ejemplo, propiedades del suelo / masa rocosa , geometría del talud , condiciones del agua subterránea , alternancia de materiales por fallas , sistemas de juntas o discontinuidades , movimientos y tensión en juntas, actividad sísmica, etc. [13] [14] La presencia de agua tiene un efecto perjudicial en la estabilidad del talud. La presión del agua que actúa en los espacios porosos, fracturas u otras discontinuidades en los materiales que componen el talud del tajo reducirá la resistencia de esos materiales. [15] La elección de la técnica de análisis correcta depende tanto de las condiciones del sitio como del modo potencial de falla, y se debe considerar cuidadosamente las diferentes fortalezas , debilidades y limitaciones inherentes a cada metodología . [16]
Antes de la era de las computadoras, el análisis de estabilidad se realizaba gráficamente o usando una calculadora portátil. Hoy en día, los ingenieros tienen muchas posibilidades de usar software de análisis , que van desde técnicas simples de equilibrio límite hasta enfoques de análisis límite computacional (por ejemplo, análisis límite de elementos finitos , optimización del diseño de discontinuidad ) hasta soluciones numéricas complejas y sofisticadas ( códigos de elementos finitos / distintos ). [10] El ingeniero debe comprender completamente las limitaciones de cada técnica. Por ejemplo, el equilibrio límite es el método de solución más comúnmente utilizado y simple, pero puede resultar inadecuado si el talud falla por mecanismos complejos (por ejemplo, deformación interna y fractura frágil , fluencia progresiva , licuefacción de capas de suelo más débiles, etc.). En estos casos, se deben utilizar técnicas de modelado numérico más sofisticadas . Además, incluso para taludes muy simples, los resultados obtenidos con los métodos típicos de equilibrio límite actualmente en uso (Bishop, Spencer, etc.) pueden diferir considerablemente. Además, el uso del concepto de evaluación de riesgos está aumentando hoy en día. La evaluación de riesgos se ocupa tanto de la consecuencia de la falla del talud como de la probabilidad de falla (ambos requieren una comprensión del mecanismo de falla). [17] [18]Existen varios sistemas de clasificación y valoración para el diseño de taludes y para evaluar su estabilidad. Los sistemas se basan en relaciones empíricas entre los parámetros del macizo rocoso y diversos parámetros del talud, como la altura y el buzamiento.
El sistema de clasificación de probabilidad de estabilidad de taludes (SSPC) [19] [20] es un sistema de clasificación de masas rocosas para la ingeniería de taludes y la evaluación de la estabilidad de taludes. El sistema es una clasificación de tres pasos: clasificación de masas rocosas de "exposición" , "referencia" y "talud" con factores de conversión entre los tres pasos dependiendo de la meteorización existente y futura y dependiendo del daño incurrido por la excavación. La estabilidad de un talud se expresa como la probabilidad de diferentes mecanismos de falla.
Un macizo rocoso se clasifica siguiendo un conjunto estandarizado de criterios en una o más exposiciones ( clasificación de "exposición" ). Estos valores se convierten por exposición a un macizo rocoso de "referencia" , compensando el grado de erosión en la exposición y el daño de la excavación. Luego se puede diseñar un nuevo talud en el macizo rocoso de "referencia" con una compensación que anticipe daños adicionales debido a la excavación y la erosión futura. Si se evalúa la estabilidad de un talud existente, los valores de "exposición" y "talud" del macizo rocoso son los mismos.
Los mecanismos de falla se dividen en dependientes de la orientación e independientes de la orientación . Los mecanismos de falla dependientes de la orientación dependen de la orientación del talud con respecto a las discontinuidades en la masa rocosa, es decir, falla por deslizamiento (deslizamiento plano y en cuña) y falla por vuelco. La independencia de la orientación se relaciona con la posibilidad de que un talud falle independientemente de su orientación, por ejemplo, falla circular completamente a través de discontinuidades recién formadas en bloques de roca intactos o falla parcialmente después de discontinuidades existentes y parcialmente nuevas.
Además, se puede determinar la resistencia al corte a lo largo de una discontinuidad (criterio de deslizamiento) [19] [20] [21] y la cohesión y la fricción del macizo rocoso. El sistema se ha utilizado directamente o modificado en diversos entornos geológicos y climáticos en todo el mundo. [22] [23] [24] El sistema se ha modificado para la evaluación de la estabilidad de taludes en la minería de carbón a cielo abierto. [25]
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