Análisis de estabilidad de taludes para terraplenes ... · IV COBRAE - Conferência Brasileira sobre Estabilidade de Encostas - Salvador-BA 767 Análisis de estabilidad de taludes

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Análisis de estabilidad de taludes para terraplenesconstruidos sobre suelos blandos altamentecompresibles.

Aldama, B.G.GEIC - Comisión Federal de Electricidad, México D.F., México, [email protected].

Luna, G.O.GEIC - Comisión Federal de Electricidad, México D.F., México, [email protected].

Resumen: Tradicionalmente el análisis de estabilidad de taludes para un terraplén se realizautilizando métodos de equilibrio límite, en los cuales se desprecian las deformaciones elásticasinmediatas que puedan generarse tanto en el suelo de apoyo como en el terraplén mismo. En esteartículo se exponen las inconveniencias de realizar sólo análisis de este tipo cuando se tiene unsuelo de apoyo de baja resistencia y alta deformabilidad. Se muestran las ventajas de realizaranálisis elastoplásticos en donde se consideran las deformaciones elásticas generadas durante elproceso de construcción, así como la generación de planos de debilidad producto del procedimientoconstructivo usado. Se comparan los factores de seguridad determinados con métodosconvencionales de dovelas y con el método del elemento finito, considerando en éste último lasetapas constructivas y las interfases generadas por la construcción. Se presenta la experiencia deun caso real ubicado al Sur de la Republica Mexicana, donde se construyó un terraplén de pocaaltura en suelos de origen lacustre, que se caracterizan por tener baja resistencia al esfuerzocortante y alta deformabilidad.

Abstract: The slope analysis had been traditionally made based on limit equilibrium method,those analysis depreciate the immediately elastic deformations whose could appear in the foundationsoil and the embankment in self. In this paper are exposed the inconvenience of make only this kindof analysis when we have got a soft and high compressibility foundation soil conditions. Areshowed the advantage of make elastoplastic analysis in which are considering the elasticdeformations generated during the construction, like as the generation of weakness layers productof the construction process. Was made a comparison slope analysis using some of the differentcriterials of slices analysis, as like analysis by the finite element method, in which was consideredthe constructive stages and interfaces product of the construction. Are showed a real case locatedat South of the Mexican Republic, where was built a low height embankment on lacustrine soils,whose are characterized by its low shear stress resistance and high compressibility.

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1. INTRODUCCIÓN

Dentro de la práctica común en la ingenieríageotécnica actual los análisis de estabilidadde taludes para todo tipo de terraplenes y cor-tes en suelos se realizan utilizando los méto-dos clásicos de equilibrio límite, uno de ellos yel más utilizado es el método de dovelas consus diferentes variantes (Ordinario, Janbu,Bishop y Morgenstern and Price), por mediode éstos métodos es posible estimar un factorde seguridad que nos garantice la estabilidadde la construcción. Actualmente para este tipode análisis se cuenta con softwares muy po-derosos que nos permiten realizar estos análi-sis considerando un gran número de superfi-cies de fallas posibles, así como diferentescondiciones de trabajo e incluso considerarposibles grietas o planos de debilidad en elcuerpo del terraplén.

Sin embargo cada vez con más frecuenciase utilizan otros métodos de análisis como es elmétodo de elementos finitos que considera lasdeformaciones elásticas generadas durante elproceso de construcción, adicionalmente lossoftwares con que se cuenta actualmente pararealizar este tipo de análisis permiten realizarsimulaciones de etapas constructivas así comoconsiderar grietas e interfases (planos de debi-lidad).

2. ANTECEDENTES Y DESCRIPCIÓN DELPROYECTO

El trabajo aquí presentado se basa en la expe-riencia de la construcción de un terraplén de 3m de altura. La zona donde se proyectó y cons-truyó el terraplén corresponde a una zona bajade características pantanosas y la cual sueleinundarse anualmente durante la grandes ave-nidas que provocan el desbordamiento de losríos Grijalva y Samaria en el estado de Tabasco,México.

Sobre el trazo de la construcción del terra-plén ya existía un camino construido con unaaltura de 1,0 m y el cual se sobreelevaría 2,0 mmás para llegar a la altura de proyecto.

Originalmente los análisis realizados para laejecución del proyecto se llevaron acabo reali-zando un análisis tradicional de dovelas, utili-zando el programa de computo SLOPE/W en suversión 5 realizando análisis para diferentescondiciones de trabajo a las que estaría someti-do durante su vida útil. Los parámetros de re-sistencia utilizados para este análisis se obtu-vieron de pruebas triaxiales realizadas en labo-ratorio a muestras cúbicas obtenidas de pozosa cielo abierto excavados sobre el trazo del te-rraplén, así como en muestras reproducidas, asu peso volumétrico seco máximo, con materialproducto de los bancos estudiados para la cons-trucción del terraplén.

Durante la construcción y después de va-rios días de fuertes lluvias en la zona, se pre-sentó una falla de 80 m de longitud, deslizán-dose uno de los hombros del terraplén, provo-cando una abertura en la corona de éste deentre 5 y 20 cm, y generándose un asentamien-to aproximado de 90 cm en la corona. El terra-plén únicamente se había sobre elevado 1,5 mde su cota original, faltando por sobreelevaraún 0,5 m.

Posterior a la falla se procedió a realizaruna exploración de campo más profunda reali-zando un sondeo, con extracción de muestrasinalteradas, a 25 m de profundidad en el sitio.También se revisaron los análisis y el diseñodel terraplén para conocer las causas de la fa-lla, utilizando los parámetros previos de dise-ño, además de los obtenidos de las explora-ciones más recientes. Los análisis para estarevisión fueron realizados utilizando tanto elmétodo de dovelas con el software antes men-cionado, así como utilizando el método de ele-mento finito apoyados en el software comer-cial PLAXISV8.


El procedimiento constructivo del terraplénconsistió en la colocación de material arcillosoen capas de 25 cm de espesor, compactado conrodillo de almohadillas, denominados como ro-dillos “pata de cabra”. Dado que el terraplén esel único acceso a las comunidades de la zona laconstrucción tuvo que realizarse colocando unacapa en la mitad de la sección, para posterior-mente colocar la capa adyacente al mismo nivelcubriendo la otra mitad, generando con esto unajunta de construcción al centro del terraplén.

3. CONDICIONES GEOTÉCNICAS DEL SITIO

En el sitio de la falla se realizó un sondeo en elque se alternó la prueba de penetración estándarcon la recuperaron muestras inalteradas conmuestreador de pared delgada tipo Shelby, asi-mismo se utilizó la información de sondeos rea-lizados en sitios cercanos (de 180 a 260m dedistancia del sitio de la falla) y en las mismascondiciones de subsuelo, la profundidad máxi-ma de exploración fue de 25,40 m.

Se lograron identificar básicamente cuatroestratos, el primero de éstos, de un espesor de3,2 m, consiste en costra superficial de arcillade alta plasticidad (CH) con una resistencia

media a la penetración estándar de Nprom

=3 gol-pes, bajo esta costra superficial se identificóuna arcilla orgánica de alta plasticidad (OH) de2,3 m de espesor, de consistencia muy blanda yuna importante presencia de materia orgánica,con contenidos de agua de hasta 312 %, límiteslíquidos máximos de 214 % y límites plasticosde hasta 94 %, la resistencia a la penetraciónestándar fue nula, teniendo avance de la herra-mienta de SPT con el peso propio de ésta,subyaciendo a este estrato se identificó unaarcilla de alta plasticidad y alta compresibilidad(CH) de 16,2 m de espesor, a lo largo de todo elestrato la resistencia a la penetración estándarfue nula, se tuvo avance del muestreador con elpeso de la herramienta y el martinete. A partir delos 21,7 m de profundidad y hasta el fin de laexploración se encontró una arcilla de alta plas-ticidad con una resistencia media a la penetra-ción estándar de N

prom=8.

De las pruebas de compresión simple ytriaxiales UU se obtuvieron valores de resisten-cia al esfuerzo cortante, S

u, para la costra super-

ficial de 22 kPa y para el primer estrato arcillosode 10 kPa. En la figura 1 se muestra laestratigrafía del sitio así como los parámetrosconsiderados para cada estrato.

Figura 1: Estratigrafía de la zona de estudio. Se muestra el sondeo realizado en la zona de falla (izquierdo) y dos másrealizados cerca del sitio.


4. ANÁLISIS

Los análisis se realizaron utilizando tanto losparámetros y estratigrafía originalmente consi-derados en el diseño para un primer análisis yposteriormente con base en los resultados delas pruebas de campo y laboratorio obtenidosposterior a la falla estos parámetros y laestratigrafía fueron afinados. Dado que la altu-ra a la que se presentó la falla del terraplén fuemenor a la de diseño, los realizados considera-ron solo esta altura la que se utilizó para losanálisis y no la de proyecto.

Para la revisión del causal de la falla se con-sideraron dos condiciones de trabajo:

I Análisis estático considerando el nivelde aguas freáticas observado durantela ejecución del sondeo.

II Elevación del NAF dentro del terraplénpor saturación ante lluvia intensa.

y dos hipótesis posibles de falla:A Falla circular.B Falla por una superficie pre-estableci-

da.

El mecanismo de falla circular es el que co-múnmente se considera en el análisis de estabi-lidad para suelos blandos, pero en este caso seconsideró además el caso de una superficie pre-establecida de falla. Para esta última hipótesisse consideraron dos planos de debilidad, unogenerado por la junta de construcción al centrodel terraplén derivado del procedimiento cons-tructivo, y otro en el contacto entre el terraplénexistente y la sección en construcción genera-do por un deficiente trabajo de despalme y es-carificación del terraplén existente.

Para la hipótesis de falla “A” se realizaronlos análisis utilizando tanto los parámetros ori-ginales de diseño como los obtenidos poste-riormente, no así para la hipótesis “B”, para la

cual sólo se realizaron los análisis para losparámetros y estratigrafía modificados por losestudios posteriores a la falla.

4.1. Análisis de equilibrio límite.

Originalmente el diseño del terraplén se realizóutilizando el programa de computadora SLOPE/W en su versión 5., el cual realiza un análisis dede equilibrio límite utilizando los métodos: Or-dinario, Janbu, Bishop y Morgenstern and Price,tomándose como factor de seguridad del terra-plén como el mínimo minimorum de todos losanálisis realizados con cada uno de los méto-dos. Estos análisis no consideran las deforma-ciones que sufre el material durante la cons-trucción.

Con este procedimiento se obtuvieron losfactores de seguridad para las dos condicionesde análisis propuestas. Los análisis se realiza-ron considerando un cuerpo homogéneo y con-tinuo para la hipótesis de falla A; para la hipóte-sis de falla B se utilizaron las herramientas conque cuenta el software SLOPE/W para consi-derar una superficie preestablecida de falla, lasuperficie se estableció en la frontera entre elterraplén existente y la nueva sección, asimis-mo se estableció una frontera para generaciónde grietas, SLOPE/W (2002).

Para todos los casos se obtuvieron facto-res de seguridad mayores que 1, siendo el míni-mo 1,13 para la condición de saturación y su-perficie de falla preestablecida. En el capítulo 5se presentan los resultados de los análisis y sudiscusión.

4.2. Análisis elastoplastico

Debido a los problemas presentados duran-te la construcción y a que no se pudo reprodu-cir el fenómeno observado utilizando los méto-dos arriba descritos fue necesario realizar un


análisis más detallado para lo cual se utilizó elprograma de cómputo PLAXIS versión 8, deanálisis con elementos finitos, en el cual seconsidera el estado de esfuerzos y deforma-ciones de los materiales para cada etapa cons-tructiva.

Asimismo esta herramienta permite realizarel análisis simulando diferentes etapas deconstrucción y la presencia de interfases (pla-nos de debilidad) en el cuerpo del terraplén,PLAXIS (2002).

Con este método también se realizaron losanálisis para las dos condiciones de trabajo,así como para las dos hipótesis de falla. Para lahipótesis “A” se realizó el análisis conside-rando tres etapas constructivas y realizandoal final de éstas un análisis de reducciónmonotónica de las propiedades de resistenciade los materiales (modo de reducción de c y φ,PLAXIS (2002)) con lo que se puede conocerel factor de seguridad, FS, para un mecanismode falla cinemáticamente admisible al final dela construcción. Para la hipótesis “B” se con-sideró la existencia de una interfaz al centrodel terraplén originada por una junta de cons-trucción, así como una interfaz con reducciónde la resistencia al esfuerzo cortante entre elterraplén existente y el terraplén en construc-ción. De igual manera que para la hipótesisanterior se obtuvo el factor de seguridad co-rrespondiente al final de la construcción.

Los resultados y análisis de éstos se pre-sentan a continuación.

5. ANÁLISIS DE RESULTADOS

En las tablas 1 y 2 se presentan las propieda-des consideradas para el terraplén y cada unode los estratos, así mismo se presenta el resu-men de los factores de seguridad obtenidos

para cada una de las condiciones de trabajo ehipótesis de falla.

Tabla 1

Nota: Parámetros de diseño y factores de seguridadobtenidos para la hipótesis de falla “A”.

En la figuras 2 a la 10 se muestran los re-sultados de cada uno de los análisis para lasdiferentes condiciones realizados tanto conel software SLOPE/W como con PLAXISV8.

Como se puede observar en la tabla 1, parala condición en la que se considera una su-perficie de falla circular, el mínimo factor deseguridad obtenido es de 1,42 que correspon-de al análisis realizado bajo la consideraciónde saturación total del terraplén. Dentro de lapráctica común para estas condiciones de tra-bajo se considera como factor de seguridadmínimo aceptable 1,2, Wilson and Marsal(1976), en el caso en que no se realice el aná-lisis considerando la distribución de presio-nes obtenida de una red de flujo, por lo tantoel factor de seguridad mínimo obtenido estásatisfactoriamente por arriba del valor míni-mo recomendado.

Para la condición de trabajo I (estático) seconsidera como factor de seguridad mínimoaceptable 1,3, Wilson and Marsal (1976), porlo que también para esta condición se obtu-vieron factores de seguridad por arriba de losmínimos aceptables.

En la tabla 2 se presentan los factores deseguridad obtenidos para la hipótesis de fa-lla en la que se consideran interfases, repre-sentando superficies de debilidad yagrietamientos en la corona del terraplén.


Tabla 2

Nota: Parámetros de diseño y factores de seguridad

obtenidos para la hipótesis de falla “B”.

Para esta hipótesis de falla los factores ob-tenidos por el método de equilibrio límite fue-ron superiores a 1,0 pero menores a los facto-res de seguridad mínimos aceptables para lasdos condiciones de trabajo analizadas. Con elanálisis realizado con elemento finito se deter-minó la falla del terraplén (F.S.<1,0) en la últi-ma etapa de construcción, precisamente conla altura que tenía el terraplén al momento de lafalla.

Es de observarse que para todos los casoslos factores de seguridad obtenidos utilizan-do el método de elementos finitos resultan me-nores que aquéllos realizados por equilibriolímite.

En las figuras 2 a la 5 se muestran los resul-tados de los análisis realizados con el soft-ware SLOPE/W considerando una superficiede falla circular para las diferentes condicio-nes de estratigrafía, parámetros y condicionesde trabajo considerados.

Se observa que la presencia de un estratomás blando en la parte inferior de la estratigrafía(figuras 4 y 5) amplía la superficie de falla yreduce los factores de seguridad, sin embargo,se sigue presentando como estable la sección.

En las figuras 6 y 7 se presentan los resulta-dos obtenidos con SLOPE/W para la hipótesisde falla “B”, para simular esta condición, a lolargo de la línea de terreno natural se señalóuna superficie preestablecida de falla así comola profundidad máxima de generación de grie-tas, esta última lo que hace es considerar quepara aquellas dovelas que su base se encuen-

tre por arriba de este nivel no aportan ningunaresistencia para contrarrestar el deslizamiento,SLOPE/W (2002).

En ambos casos los factores de seguridadfueron menores a los mínimos recomendados,lo que nos indica el riesgo de deslizamiento delterraplén.

Figura 2: Factor de seguridad para la condición de tra-bajo I e hipótesis de falla “A”, utilizando los parámetrosde diseño del proyecto.

Figura 3: Factor de seguridad para la condición de tra-bajo II e hipótesis de falla “A”, utilizando los parámetrosde diseño del proyecto.

Figura 4: Factor de seguridad para la condición de tra-bajo I e hipótesis de falla “A”, utilizando los parámetrosde campo.


Figura 5: Factor de seguridad para la condición de tra-bajo II e hipótesis de falla “A”, utilizando los parámetros

de campo.

Figura 6: Factor de seguridad para la condición de tra-bajo I e hipótesis de falla “B”, utilizando los parámetrosde campo.

Figura 7: Factor de seguridad para la condición de tra-bajo II e hipótesis de falla “B”, utilizando los parámetrosde campo.

En las figuras 8 y 9 se presentan los resulta-dos obtenidos con PLAXIS para la hipótesisde falla “A”, en este análisis aunque no es po-sible establecer una superficie predeterminadade falla o una serie de superficies de falla a ana-lizar, del tipo circular, como en el SLOPE/W, sepuede observar claramente en las curvas deisovalores de desplazamientos la tendencia agenerarse superficies de falla de este tipo.

Para ambos casos los factores de seguridadestuvieron por arriba de los mínimos acepta-bles, sin embargo, a diferencia del análisis deequilibrio límite aquí se estiman losasentamientos elásticos esperados y su ubica-ción dentro del cuerpo del terraplén,obteniéndose un asentamiento máximo para lacondición de trabajo I de 12 cm.

Figura 8: Desplazamientos totales para la condición detrabajo I e hipótesis de falla “A”, utilizando losparámetros de campo (d

max=12cm).

Figura 9: Desplazamientos totales para la condición detrabajo II e hipótesis de falla “A”, utilizando losparámetros de campo (d

max=11cm).

En la figura 10 se presenta el resultado delanálisis con PLAXIS para la condición de tra-bajo I e hipótesis de falla “B”, observándoseun claro desplazamiento de una de las márge-nes del terraplén hacia uno de los costados,reproduciéndose con esto la falla observada enel campo.


Es importante señalar que en los análisispresentados en las figuras 8 y 9, los desplaza-mientos que se observan son prácticamente si-métricos al eje del terraplén, con una ligera ten-dencia hacia la margen izquierda debida a la to-pografía original del sitio. En el análisis presen-tado en la figura 10 este factor resulta primor-dial, ya que se genera únicamente el desliza-miento de esta margen, quedando estable lamargen derecha con el mismo nivel de despla-zamientos que los obtenidos para los otros aná-lisis.

Dadas las altas deformaciones que se pre-sentan en el cuerpo del terraplén como en elsuelo de apoyo fue necesario recurrir a la op-ción de regeneración de malla que ofrecePLAXISV8, reduciendo así el error en la hipóte-sis de deformaciones pequeñas, PLAXIS (2002).

Dado lo anterior, el haber considerado unainterfaz en el centro del terraplén producto de lajunta de construcción y una interfaz entre elterreno natural y el terraplén que se estaba cons-truyendo se logró reproducir lo observado enel campo de manera satisfactoria.

Figura 10: Desplazamientos totales para la condiciónde trabajo I e hipótesis de falla “B”, utilizando losparámetros de campo (d

max=42cm).

Es importante comentar que a pesar de ha-berse identificado durante la exploración a lafalla un estrato de una arcilla orgánica (OH) de

muy baja resistencia y alta deformabilidad alcual se le asignó una resistencia al esfuerzocortante no drenado de 10 kPa, siendo esto unvalor muy conservador, estando por debajo delos mínimos utilizados en la práctica común, losfactores de seguridad obtenidos para la hipóte-sis de falla “A” resultaron aceptables.

6. CONCLUSIONES

Los análisis tradicionales de equilibrio límitedesprecian los desplazamientos elásticos sufri-dos durante los procesos constructivos, asícomo la redistribución de esfuerzos dentro delterraplén. A pesar de estas limitantes, el consi-derar grietas en el cuerpo del terraplén, así comoconsiderar planos de debilidad como potencia-les superficies de falla nos puede llevar a teneruna mejor aproximación del factor de seguridadde la construcción.

La posibilidad de realizar análisis conside-rando el estado de esfuerzos y deformacionesdel terraplén nos permite reproducir de muchomejor manera el comportamiento de éste, prin-cipalmente cuando se tiene un suelo de apoyode muy baja resistencia y alta deformabilidaddonde las variaciones en los esfuerzos y defor-maciones durante la construcción toman ma-yor significado que en aquéllos donde ladeformabilidad es menor.

Adicionalmente, el tomar en cuenta condi-ciones particulares que puedan afectar el com-portamiento del mismo como puede ser el casode juntas de construcción originadas por el pro-cedimiento utilizado y superficies de debilidadpor una liga defectuosa entre dos capas conti-guas nos llevan a realizar análisis más realistasy detallados.

Sin embargo, el incluir dentro del diseñogeotécnico consideraciones derivadas de pro-cedimientos constructivos defectuosos resul-ta difícil dada la incertidumbre en la ejecuciónde la obra, por lo que es de gran importancia


una estricta supervisión de la construcción pro-curando ajustarse a las recomendaciones cons-tructivas emitidas en el diseño de la obra.

7. REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA

PLAXIS 2D version 8 (2002), Finite ElementCode for Soil and Rock Analyses, DelftUniversity of Technology & Plaxis b.v., TheNetherlands.

Rahardjo, Paulus P. (2004),Use of interfaseelement for simulation of breccia reslidingon claystone, Plaxis Bulletin, issue 16,october 2004, pgs 12-14.

SLOPE/W for slope stability analysis version 5(2002), User’s guide, Geo-slope Office.

Wilson, Stanley D., and Marsal, Raúl J. (1976)Current trends in design and constructionof embankments dams.


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