Paper title · Web viewCon base en los resultados obtenidos a partir de los trabajos de geofísica realizados, se definieron tres materiales de especial interés geotécnico, denominados

Sociedad Mexicana deIngeniería Geotécnica, A.C.

XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica

Noviembre 14 a 16, 2012 – Cancún, Quintana Roo

Falla y rehabilitación de un talud carretero en el Estado de GuerreroFailure and rehabilitation of a road slope in the state of Guerrero

José M REYES1, Juan C VÁZQUEZ1, José R CRUZ1 y Óscar LUNA2

1Ingeniero Geotecnista, Dicimsa, México2Ingeniero Consultor, México

RESUMEN: Se presentan los trabajos de campo y gabinete llevados a cabo para atender la contingencia que ocasionó la falla de un talud carretero dentro del estado de Guerrero. Se describe el proceso de análisis y diseño geotécnico para el restablecimiento de su estabilidad, asimismo se discute sobre la implementación de la solución en campo, comparándose la propuesta dada en gabinete con la solución realizada en sitio. Se presenta la estimación de los parámetros de resistencia del talud a través de diversos análisis inversos, basados en el mecanismo de falla observado en sitio, la exploración geotécnica y geofísica ejecutada, y los análisis de equilibrio límite para la propuesta de estabilización del talud.

ABSTRACT: In this paper a description of the works and methodologies employed to resolve the contingency by the soil slide in the State of Guerrero are presented. The mechanical parameters of soils were determined through back-analysis, whose main support was the failure surface shape in field. Finally the works for its rehabilitation are presented and compared with that was implemented in the site.

1 ANTECEDENTES

El pasado 21 de septiembre de 2010, después de 8 horas de intensa lluvia (de acuerdo con información de pobladores de la zona), se presentó la falla de un talud en una longitud de 60 60 m aproximadamente, generando un deslizamiento de material que afectó la operación de la carretera Puente de Ixtla-Iguala, por lo que se presentó la necesidad inmediata de la ejecución de los trabajos de ingeniería, obras de estabilización temporal y proyecto de estabilización a largo plazo del corte. En la Figura Figura 1, se presenta la comparativa de las condiciones después del incidente y las que se tenían antes de esta falla. A lo largo del tramo del caído se identificaron dos materiales principales: caliza y caliche (arenas arcillosas y/o arcillas arenosas). Tanto en la formación de caliza como en la de caliche se identificaron un gran número de fracturas y discontinuidades que favorecen la inestabilidad de los cortes. Asimismo se identificó que el material del corte presenta una alta permeabilidad, característica que hace crítico el comportamiento del talud en condiciones de flujo de agua.

Por lo anterior, en el presente artículo se describen los trabajos realizados para definir las alternativas de solución con el propósito de estabilizar el talud donde se presentó la falla. Asimismo se presenta la estimación de los parámetros de resistencia del talud a través de diversos análisis inversos (back analysis), tomando como punto de calibración el mecanismo de falla

observado en sitio, la exploración geotécnica y geofísica ejecutada y los análisis de equilibrio límite.

Finalmente se describe la implementación de la solución que se llevó a cabo en el sitio donde se presentó la falla y el comportamiento del talud a dos años de la contingencia.

2 MODELO ESTRATIGRÁFICO

Con base en los resultados obtenidos a partir de los trabajos de geofísica realizados, se definieron tres materiales de especial interés geotécnico, denominados como: 1) caliche I, 2) caliche II y 3) roca caliza. Las velocidades de onda definidas para cada uno de estos materiales se muestran en la Ttabla 1; y, el corte de análisis que se muestra en la Figura Figura 2 es la idealización considerada previa a la falla que se suscitó y corresponde a la sección de mayor altura. Este corte se obtuvo a partir del cruce de la información topográfica del sitio, el estudio geofísico y los trabajos geológicos realizados.

Tabla 1. Velocidad de onda de corte para cada material del sitio________________________Estrato VS [m/s] ________________________Caliche I 288 Caliche II 488-598 Roca Caliza 1535-1856 ________________________VS: Velocidad de onda de corte

SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.

2 Título del trabajo

26 de septiembre 2010 (posterior a la falla del talud)

Previo a la falla del talud

Figura 1. Comparativa de las condiciones prevalecientes en el sitio donde se presentó la falla

Figura 2. Estratigrafía considerada en los modelos de estabilidad

3 ANÁLISIS INVERSOS 3.1 PlanteamientoCon el objeto de obtener las propiedades mecánicas del material que conforma el corte que presentó deslizamiento, y con ello efectuar los análisis de estabilidad para el proyecto, se realizaron análisis inversos (back analysis). Estos análisis tienen como propósito reproducir las condiciones que ocasionaron el deslizamiento; para ello, se empleó la información topográfica descrita anteriormente y los pesos volumétricos determinados en laboratorio. Naturalmente, la topografía actual difiere de la que se tenía antes del deslizamiento, sin embargo, considerando las condiciones geológicas del sitio, imágenes satelitales que dan muestra de las condiciones anteriores a la falla del talud, así como los límites de la carretera, se estimó la topografía que se muestra en la Figura Figura 3 y a partir de la cual se desprende que para llevar a cabo los análisis inversos se empleó una sección con una altura de talud de 20.0 m aproximadamente y una pendiente media de 56°. En la misma Figura Figura 3 se ha superpuesto la línea de la topografía posterior al deslizamiento.


(sólo poner primer autor, ver ejemplo) APELLIDO Inicial del nombre et al. 3

Figura 3. Modelo geotécnico considerado en los análisis inversos

3.2 Hipótesis planteadas en los análisis inversosCon la finalidad de llevar a cabo los análisis inversos del corte que falló durante las intensas lluvias, se plantearon las siguientes hipótesis: Se identificó al agua como el factor detonante de

la falla. El material que está en el sitio de estudio presenta

un alto grado de degradación debido al intemperismo físico.

El talud en condiciones estáticas presentaba un factor de seguridad entre 1.2–1.3, el cual era estable pero susceptible a inestabilidad en corto tiempo (Alberro, 1987).

El material del sitio es altamente permeable en la superficie, disminuyendo en la parte inferior.

En la zona de falla únicamente se presenta un material: el caliche, para el cual se asumió un peso volumétrico de 23 kN/m3, acorde con los trabajos de laboratorio.

3.3 Metodología para llevar a cabo los análisis inversosLa metodología que se siguió para los análisis inversos del corte está descrita por la siguiente secuencia: En primer lugar, y puesto que la falla se presentó

en la zona identificada como caliche I, se procedió a proponer diferentes valores de los parámetros de resistencia efectivos (c y ) tales que el factor de seguridad en condiciones secas fuese de 1.2 ó 1.3.

A partir de los valores de resistencia anteriores se procedió a realizar análisis de estabilidad considerando una línea de referencia de presiones de poro al 75% y al 50% de la altura del talud.

Se alcanzaron las superficies de falla con FS cercanos a 1.0 y con base en las observaciones del mecanismo falla en sitio se procedió a seleccionar aquellas propiedades mecánicas que describieran de mejor manera el tipo de falla que sufrió el talud. Es importante mencionar que la evaluación del

factor de seguridad se llevó a cabo mediante la aplicación de un programa llamado Slide que emplea el Método de equilibrio límite, el cual determina el factor de seguridad (FS) con base en el método de Bishop simplificado.

3.4 Resultados obtenidosMediante la realización de los análisis inversos fue posible obtener dos tipos de resultados: de tipo cuantitativo y de tipo cualitativo.

Los parámetros cuantitativos corresponden a las propiedades mecánicas para las cuales, en condiciones secas, la estabilidad del corte se consideró igual a 1.2 y 1.3. Estos resultados se muestran mediante la Figura 4, en la cual se aprecia que los pares de valores de cohesión y ángulo de fricción (parámetros efectivos) están entre 10kPa y 45° para un comportamiento predominantemente friccionante, y de 57 kPa y 25° para un comportamiento mixto.

Figura 4. Valores de resistencia al esfuerzo cortante obtenidas mediante el análisis inverso considerando factor de seguridad en condiciones secas igual a 1.2 y 1.3 (parámetros efectivos)

Posteriormente, y siguiendo la metodología anteriormente descrita, se procedió a evaluar el factor de seguridad asociado a cada una de las parejas de parámetros mecánicos obtenidos en la figura Figura 4. Esto se realizó para las condiciones en las cuales se supuso una línea de referencia de las presiones de poro al 50% y al 75% de la altura del talud.



En la gráfica de la figura Figura 5 se observa que el factor de seguridad en las condiciones para las cuales se tiene una línea de referencia de las presiones de poro inferior al 50 % de la altura del talud, prácticamente el factor de seguridad disminuye para valores del ángulo de fricción superiores a 40°. Sin embargo, cuando se considera una altura del 75 % de la altura de la línea de referencia de las presiones de poro se aprecia que el factor de seguridad tiende a decrecer conforme las parejas de los parámetros de resistencia se tienen cohesiones más bajas y ángulos de fricción más altos. Asimismo se aprecia que para estos niveles de la línea de presiones de poro se tiene un decremento abrupto para cohesiones inferiores a los 25 kPa y ángulos de fricción también inferiores a los 35°.

Figura 5. Factores de seguridad obtenidos para diferentes líneas de referencia de la presión de poro

En lo referente a los resultados cualitativos desprendidos de los análisis inversos se obtuvieron las superficies de falla para cada una de las parejas de parámetros de resistencia que se muestran en la fFigura 4. Algunas de las superficies se muestran en la figura Figura 6, en ellas se aprecia que las dimensiones de la superficie de falla dependen de la magnitud de la cohesión y del ángulo de fricción; es importante hacer notar que conforme aumenta el valor de la cohesión aumentan las dimensiones de la superficie de falla.

c=43kPa =25 �

c=43kPa =25 �

c=43kPa =20 �

Figura 6. Algunas de las superficies de falla obtenidas mediante la aplicación del análisis inverso

Finalmente, los comentarios que se desprende de la realización de los análisis inversos son las siguientes: Los parámetros que mejor representan lo

sucedido durante la falla están dentro del siguiente rango: c y de 16 16 kPa y 40°, y de 28 28 kPa y 35°.



Sin embargo, las propiedades que reproducen simultáneamente un FS=1.0 (con agua) y la geometría de la falla observada en campo son c=21 21 kPa y = 40°.

Se confirma que el factor detonante de la falla fue el agua. Se requerirá de un sistema de estabilización que

garantice el incremento del factor de seguridad en un 50 % para alcanzar el FS recomendado de 1.5 para taludes en condiciones de solicitaciones permanentes o de largo plazo.

Una vez efectuados los análisis inversos se determinó que los parámetros de resistencia considerados en el modelo geotécnico son los que se muestran en la Tabla Tabla 2.

Tabla 2. Propiedades de compresibilidad y resistencia de los estratos considerados_______________________Estrato c' [kPa] ' [°]_______________________Caliche I 21 40Caliche II 65 40 Roca Caliza 100 40_______________________c': cohesión ': ángulo de fricción efectivo

4 PROPUESTAS DE ESTABILIZACIÓN

El primer paso que se siguió para llegar a las propuestas de estabilización fue realizar la evaluación del grado de estabilidad para las condiciones del talud después del fenómeno de falla. Esto se llevó a cabo mediante el método de equilibrio límite.

Mediante los resultados del análisis concluyó que el talud quedó en condiciones precarias de estabilidad. Puesto que el FS en condiciones secas del talud es de 1.03 y si se presentará un fenómeno que ocasione un incremento en el nivel de la línea de referencia de las presiones de poro (lluvias intensas), el FS que se tendría en el talud sería menor que uno. Estos valores del factor de seguridad ponen de manifiesto la necesidad de emplear algún método de estabilización para la ladera, lo cuales se comentan a continuación. Por tanto se propusieron dos alternativas para llevar a cabo la estabilidad del talud.

4.1 Propuesta de estabilidad uno: Sistema de drenaje y de anclas, manteniéndose las condiciones geométricas actualesDeterminar al agua como factor detonante de la falla nos indica la necesidad de colocar un sistema de drenaje que nos permita modificar de manera favorable la línea de referencia de presiones de poro. De tal manera que el sistema de drenaje que se propone es el siguiente: colocación de 3 niveles de drenes @ 2 m x 3 m (Horizontal:Vertical) con una longitud de 12 m e inclinación ascendente de 5°, los

cuales se colocarán a 0.5 m de altura medidos a partir de la corona de la berma actual. Con la colocación de este sistema de drenaje se alcanza un FS ligeramente mayor que uno. Sin embargo, el factor de seguridad obtenido no es admisible y a fin de alcanzar 1.5 se propone complementar con un sistema de anclas activas.

a) FS >1.5; condiciones secas y estáticas

b) FS >1.3; en presencia de agua y estático

c) FS >1.1; en condiciones pseudoestáticas

Figura 7. Análisis de estabilidad, primera alternativa de estabilización



Este sistema de anclas consta de dos niveles de anclas de 9m de longitud en la parte inferior del talud, con una capacidad de 200 200 kN y distribuidas @2.0m x 3m (H:V) y tres niveles más de anclas también de 200kN de capacidad distribuidas a @ 2.0 m m x x 3 m (H:V) y con una longitud de 15m. Todas las anclas con una inclinación descendente de 10°, bulbo de anclaje de 3.5 5 m e iniciando con la primera fila a 2 m de altura medidos a partir de la corona de la berma. En las Figuras Figuras 7a, 7b y 7c se muestran los factores de seguridad obtenidos para las diferentes condiciones de análisis: 7a) estático y seco, 7b) estático y presencia de agua y 7c) pseudoestático y seco. Los factores de seguridad que se obtienen para cada uno de estos casos son: 1.53, 1.36 y 1.30 respectivamente, los cuales son aceptables para las condiciones de carga analizadas, respectivamente (Duncan and y Wright, 2005).

4.2 Propuesta de solución dos: Sistema de drenaje, tendido de talud a 55° y sistema de anclajeSe adoptará la misma solución para la condición de drenaje propuesta en la solución uno, donde será necesario la colocación de tres niveles de drenes @ 3 m m x x 3 m m (H:V) con una longitud de 12 m e inclinación ascendente de 5°, a 0.5 m de altura a partir de la berma.

Por otra parte, se propone modificar la pendiente del talud a 55° y complementar con un sistema de anclas activas. Este sistema de anclas costa de dos niveles de anclas de 12 m de longitud en la parte inferior del talud, con una capacidad de 250 250 kN y distribuidas @ 3.0 m m x x 3 m m (H:V); y, tres niveles de anclas también de 250 kN de capacidad distribuidas a @ 3.0 m x 3 m m (H:V) pero con una longitud de 18 m. Todas las anclas con una inclinación descendente de 10°, bulbo de anclaje de 4.5 m y con el primer nivel de anclas a 7.0 m a partir de la corona de la berma actual. Las superficies de falla se muestran en la figura Figura 8.

5 IMPLEMENTACIÓN Y COMPORTAMIENTO DE LA ALTERNATIVA EJECUTADA

La alternativa que se implementó en campo para atender la contingencia técnica fue la alternativa de solución 1; por lo cual se colocaron cinco niveles de anclas con una capacidad de 200 kN, sin modificar la configuración del talud.

El talud en estudio, con la alternativa implementada se muestra en la Figura 9. Se aprecian los 5 niveles de anclaje, la colocación de la malla de torsión y los drenes horizontales.

En términos generales, y a dos años de la implementación de la solución, se aprecia un buen comportamiento del talud. Se detectaron algunas fallas locales en la cara del talud, las cuales están

restringidas por el arreglo de anclas; por tanto, la falla general del talud no se ve comprometida. En el contexto de las fallas locales restringidas a la configuración de las anclas, el empleo de la malla de torsión se ve completamente justificado.

a) FS >1.5; condiciones secas y estáticas

b) FS >1.3; en presencia de agua y estático

c) FS >1.1; en condiciones pseudoestáticas

Figura 8. Análisis de estabilidad, segunda alternativa de estabilización

Durante la visita en sitio se apreciaron algunas deficiencias constructivas en la colocación del anclaje: puesto que en éstas se omitió la colocación de algún recubrimiento para impedir la degradación



por corrosión del anclaje; adicionalmente se apreció la carencia de tensión previa en algunas anclas, es decir, las anclas no trabajaban realmente activamente como fue proyectado, puesto que era evidente que algunas varillas carecieron de la longitud adecuada de cuerda para atornillas las tuercas de presión, Figura Figura 10.

Con lo que respecta al trabajo de los drenes, se apreció que efectivamente han funcionado como puntos de alivio de la presión de poro; sin embargo, se observó también la evidencia de arrastre de suelos finos y arenas. Este arrastre de finos es atribuible a que la colocación de malla de mosquitero no es suficiente para evitar el arrastre de finos; es decir, el proyecto debió de haber contemplado la colocación de algún geotextil en función de la granulometría de la cara del talud. Esto se aprecia en la Figura Figura 11.

6 CONCLUSIONES

En el presente artículo se presentó el empleó de los análisis inversos para determinar los parámetros mecánicos que mejor describan el mecanismo de falla de un talud; al mismo tiempo se mostró la metodología conducente a determinar las alternativas de estabilización a largo plazo del talud; y, finalmente se mostró la implementación de la alternativa de estabilización en el talud fallado; a partir de los cual se tienen las siguientes conclusiones: Llevar a cabo análisis inversos es altamente

conveniente siempre y cuando se haya identificado de manera adecuada el factor detonante de la falla durante los recorridos geotécnicos; asimismo resultó aplicable la consideración de Alberro (1987) que establece que cuando el talud es estable pero susceptible a inestabilidad, el talud en condiciones estáticas, presenta un factor de seguridad entre 1.2 y 1.3.

El comportamiento del talud, a dos años de la implementación de la alternativa de estabilización, ha sido adecuado, puesto que la estabilidad general del talud no se ha visto comprometida ya que las anclas no muestran movimientos generales de desplazamiento.

El empleo de factores de seguridad adecuados durante el proceso de diseño de las alternativas de estabilización es importante, toda vez que durante su implementación se incurre en defectos constructivos tan importantes como no satisfacer que las anclas se encuentren activas desde su colocación.

En el contexto de las fallas locales restringidas a la configuración de las anclas, el empleo de la malla de torsión se ve completamente justificado.

En lo que respecta al diseño de drenes, la colocación de malla de mosquitero no garantiza que se evite el arrastre de finos; por tanto, será más adecuado el empleo de geotextiles tejidos con abertura aparente en función de la granulometría del material susceptible de ser arrastrado.

Con la finalidad de evitar la degradación del sistema de anclaje es necesario que se contemple la colocación de recubrimientos anticorrosivos en el acero.

REFERENCIAS

J. Alberro, J. (1987)., “Líneas características y estabilidad de las excavaciones en las arcillas del valle de México”. Memorias del Simposio Internacional de Ingeniería Geotécnica de Suelos Blandos, SMMS, Vol. 1, pp.: 323-–330.

Kramer,, S. (1996). “Geotechnical Earthquake Engineering”, Edit. Prentice Hall, New Yersay, pp: 423-465.

Duncan y Wright (2005),. “Soil Strength and Slope Stability”, John Wiley & Sons, cap 4,: 6 - 8.



Figura 9. Vista panorámica del talud a dos años de la implementación de la alternativa de estabilización.

Figura 10. Vista de colocación inadecuada de anclas activas

Figura 11. Vista de los drenes y el arrastre de suelos finos y arenas atribuible a la falta de un adecuado geotextil


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