La estabilidad de taludes se refiere a la condición del suelo inclinado o de los taludes rocosos para resistir o sufrir movimientos ; la condición opuesta se llama inestabilidad del talud o falla del talud . La condición de estabilidad de taludes es tema de estudio e investigación en mecánica de suelos , ingeniería geotécnica e ingeniería geológica . Los análisis generalmente tienen como objetivo comprender las causas de una falla de talud 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 una pendiente está esencialmente controlada por la relación entre la resistencia al corte disponible y el esfuerzo cortante actuante , que puede expresarse en términos de un factor de seguridad si estas cantidades se integran sobre una superficie de deslizamiento potencial (o real). Una pendiente puede ser globalmente estable si el factor de seguridad, calculado a lo largo de cualquier superficie de deslizamiento potencial que vaya desde la parte superior de la pendiente hasta su pie, es siempre mayor que 1. Se tomará el valor más pequeño del factor de seguridad como representativo de la condición de estabilidad global. de la pendiente. De manera similar, una pendiente puede ser localmente estable si se calcula un factor de seguridad mayor que 1 a lo largo de cualquier superficie de deslizamiento potencial que atraviese una porción limitada de la pendiente (por ejemplo, solo dentro de su pie). Los valores de los factores de seguridad globales o locales cercanos a 1 (normalmente comprendidos entre 1 y 1,3, dependiendo de las regulaciones) indican pendientes marginalmente estables que requieren atención, monitoreo y/o una intervención de ingeniería ( estabilización de pendientes ) para aumentar el factor de seguridad y reducir la probabilidad de un movimiento de pendiente. Un talud previamente estable puede verse afectado por una serie de factores o procesos predisponentes que hacen que el factor de seguridad disminuya, ya sea aumentando el esfuerzo cortante o disminuyendo la resistencia al corte, y en última instancia puede resultar en la falla del talud. Los factores que pueden desencadenar el colapso de la pendiente incluyen eventos hidrológicos (como lluvias intensas o prolongadas, rápido deshielo, saturación progresiva del suelo, aumento de la presión del agua dentro de la pendiente), terremotos (incluidas réplicas ), erosión interna (tuberías), erosión superficial o de los pies, carga de pendientes artificiales (por ejemplo, debido a la construcción de un edificio), corte de pendientes (por ejemplo, para dejar espacio para carreteras, vías férreas o edificios) o inundación de pendientes (por ejemplo, llenando un lago artificial después de represar un río).
Las pendientes de tierra pueden desarrollar un área de debilidad de corte esférico. La probabilidad de que esto suceda se puede calcular de antemano utilizando un sencillo paquete de análisis circular 2-D. [1] Una dificultad principal con el análisis es localizar el plano de deslizamiento más probable para cualquier situación dada. [2] Muchos deslizamientos de tierra sólo se han analizado a posteriori. Más recientemente, se ha empleado la tecnología de radar de estabilidad de pendientes , particularmente en la industria minera, para recopilar datos en tiempo real y ayudar a determinar la probabilidad de falla de pendientes.
Las fallas de la vida real 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 circulares. Estos resbalones a menudo ocurren después de un período de fuertes lluvias, cuando la presión del agua intersticial en la superficie de 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 a la adición de agua subterránea. Una grieta de 'contracción' (formada durante el clima seco anterior) en la parte superior de la placa también puede llenarse con agua de lluvia, empujando la placa 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 rocoso subyacente. Nuevamente, esto generalmente se inicia por lluvias intensas, a veces combinadas con una mayor carga de nuevos edificios o la eliminación del soporte en la base (como resultado de la ampliación de la carretera u otros trabajos de construcción). Por tanto, la estabilidad se puede mejorar significativamente instalando vías de drenaje para reducir las fuerzas desestabilizadoras. Sin embargo, una vez que se ha producido el deslizamiento, persiste una debilidad a lo largo del círculo de deslizamiento, que puede reaparecer en el próximo monzón.
El ángulo de reposo está relacionado con la resistencia al corte de los materiales geológicos , lo cual es relevante en contextos de construcción e ingeniería . [3] Para 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, se puede producir pérdida de masa y desprendimiento de rocas . Es importante para muchos ingenieros civiles y geotécnicos 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 para 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. Según se informa, 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 en la estabilidad del talud ya que actúa como lubricante y crea un desprendimiento donde puede ocurrir pérdida de masa . [6]
El contenido de agua depende de las propiedades del suelo, como el tamaño de los granos, que pueden 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 gravitacional. 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 escurrimiento. [7]
La presencia de vegetación no afecta directamente el ángulo de reposo, pero actúa como un factor estabilizador en la ladera de una colina , donde las raíces de los árboles se anclan en capas más profundas del suelo y forman un compuesto de suelo reforzado con fibras con una mayor resistencia al corte (cohesión mecánica). . [8]
La forma de la veta puede influir en el ángulo de reposo y en la estabilidad del talud. 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 el entrelazamiento mediante el contacto de 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 del talud puede verse afectada por eventos externos como la precipitación , una preocupación importante en la ingeniería civil/geotécnica es la estabilización de taludes.
La aplicación de vegetación para aumentar la estabilidad de las laderas contra la erosión y los deslizamientos de tierra es una forma de bioingeniería que se usa ampliamente en áreas donde la profundidad de los deslizamientos de tierra es poco profunda. La vegetación aumenta la estabilidad del talud de forma mecánica, al reforzar los suelos mediante las raíces de las plantas, que estabilizan la parte superior del suelo. La vegetación también estabiliza la pendiente mediante procesos hidrológicos , mediante la reducción del contenido de humedad del suelo mediante la interceptación de la precipitación y la transpiración . Esto da como resultado un suelo más seco y menos susceptible al desgaste masivo. [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 suelo y relleno de roca, terraplenes, taludes excavados y taludes naturales en suelo y roca. Se realiza para evaluar el diseño seguro de taludes naturales o artificiales (por ejemplo, terraplenes , cortes de carreteras , minería a cielo abierto , excavaciones, vertederos , etc.) y las condiciones de equilibrio. [10] [11] La estabilidad de la pendiente 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 posibles mecanismos de falla, determinar la sensibilidad de la pendiente a diferentes mecanismos desencadenantes, diseñar pendientes óptimas en términos de seguridad , confiabilidad y economía , y diseñar posibles medidas correctivas. por ejemplo, barreras y estabilización . [10] [11]
El diseño exitoso de la pendiente requiere información geológica y características del sitio, por ejemplo, propiedades del suelo / masa rocosa , geometría de la pendiente , condiciones del agua subterránea , alternancia de materiales por fallas , sistemas de juntas o discontinuidades , movimientos y tensiones en las juntas, actividad sísmica, etc. [13] [14] La presencia de agua tiene un efecto perjudicial sobre la estabilidad de las pendientes. La presión del agua que actúa en los espacios porosos, las fracturas u otras discontinuidades en los materiales que forman el talud del tajo reducirán 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, prestándose cuidadosa consideración a las diferentes fortalezas , debilidades y limitaciones inherentes a cada metodología . [dieciséis]
Antes de la era de las computadoras, el análisis de estabilidad se realizaba gráficamente o utilizando una calculadora portátil. Hoy en día, los ingenieros tienen muchas posibilidades para utilizar software de análisis , que van desde técnicas simples de equilibrio límite hasta enfoques de análisis de límites computacionales (por ejemplo, análisis de límites de elementos finitos , optimización del diseño de discontinuidades ) 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 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 deberían utilizar técnicas de modelización numérica más sofisticadas. Además, incluso para pendientes 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 en la actualidad. La evaluación de riesgos se ocupa tanto de las consecuencias de la falla del talud como de la probabilidad de la falla (ambas 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 varios parámetros de la pendiente, como la altura y el buzamiento de la pendiente.
El sistema de clasificación de probabilidad de estabilidad de taludes (SSPC) [19] [20] es un sistema de clasificación de macizos rocosos para ingeniería de taludes y evaluación de estabilidad de taludes. El sistema es una clasificación de tres pasos: clasificación del macizo rocoso de 'exposición' , 'referencia' y 'pendiente' con factores de conversión entre los tres pasos dependiendo de la erosión y el daño existente y futuro debido al método de excavación. La estabilidad de un talud se expresa como probabilidad para diferentes mecanismos de falla.
Un macizo rocoso se clasifica siguiendo un conjunto de criterios estandarizados en una o más exposiciones ( clasificación 'exposición' ). Estos valores se convierten por exposición a un macizo rocoso de 'referencia' compensando el grado de erosión en la exposición y el método de excavación que se utilizó para realizar la exposición, es decir, los valores del macizo rocoso de 'referencia' no están influenciados por influencias locales. como la meteorización y el método de excavación. Luego se puede diseñar un nuevo talud en el macizo rocoso 'de referencia' con compensación por el daño debido al método de excavación que se utilizará para realizar el nuevo talud y compensación por el deterioro del macizo rocoso debido a la futura erosión (el 'talud'). macizo rocoso). Si se evalúa la estabilidad de una pendiente ya existente, los valores del macizo rocoso de "exposición" y "pendiente" 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 la orientación de las discontinuidades en el macizo rocoso, es decir, deslizamiento (deslizamiento en plano y en cuña) y falla por derrumbe. La orientación independiente se relaciona con la posibilidad de que una pendiente falle independientemente de su orientación, por ejemplo, falla circular completamente debido a discontinuidades recién formadas en bloques de roca intactos, o falla parcialmente debido a discontinuidades existentes y parcialmente a discontinuidades nuevas.
Además, se pueden determinar la resistencia al corte a lo largo de una discontinuidad ('criterio de deslizamiento') [19] [20] [21] y la 'cohesión del macizo rocoso' 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 ha sido modificado para la evaluación de la estabilidad de taludes en la minería de carbón a cielo abierto. [25]
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