evaluación del deslizamiento de un talud mediante métodos no

EVALUACIÓN
DEL
DESLIZAMIENTO
DE
UN
TALUD
MEDIANTE
MÉTODOS NO DESTRUCTIVOS
Ing. FRANCISCA Franco Matías(1)
Dr. Ing. RINALDI Víctor Alejandro(2)
UNC - FCEFyN - Laboratorio de Geotecnia.
SINTESIS
En este trabajo se presentan los resultados del monitoreo de la
línea
falla
de
un
talud
mediante
técnicas
de
prospección
no
destructivas. Estos estudios se realizaron básicamente con georradar
(GPR, ground penetrating radar) y geoeléctrica. Por otro lado se
realizó una excavación manual a los fines de verificar el perfil del
suelo y calibrar los parámetros eléctricos del mismo. Finalmente los
parámetros resistentes del suelo deslizado fueron evaluados mediante
un ensayo drenado de corte directo. El presente estudio permitió por
un lado determinar la superficie de falla del talud y por otro
permitió realizar un retroanálisis del deslizamiento. Se encontró
que
para
la
superficie
de
falla
determinada
y
los
parámetros
resistentes del suelo medidos en laboratorio, el factor de seguridad
del deslizamiento calculado por los métodos de equilibrio límite de
Bishop y simplificado de Jambu, resultó muy próximo a la unidad. Se
concluye
que
el
método
de
estudio
propuesto
permitió
evaluar
eficientemente el deslizamiento ocurrido y verificar los parámetros
resistentes del suelo durante la falla.
(1)
Ing. Civil, Estudiante de Doctorado, Universidad
Becario del Consejo de Investigaciones Científicas
Provincia de Córdoba (CONICOR).
(2)
Profesor Asociado de la Cátedra de Geotecnia II,
Exactas, Físicas y Naturales, U.N.C. Investigador del
Nacional de Córdoba,
y Tecnológicas de la
Facultad de Ciencias
CONICET.
INTRODUCCIÓN
Desde hace algunos años los taludes de las costas de la ciudad
de
Comodoro
Rivadavia
sufren
deslizamientos
frecuentemente.
La
altura de los mencionados taludes varía a lo largo de la costa
alcanzando en algunos lugares los 50 metros.
Los taludes estudiados se tornaron inestables debido a la saturación
de algunos estratos de suelo provocada por un aumento de las aguas
subterráneas. La razón del mencionado problema se debe a que aguas
arriba
del
talud
en
las
últimas
décadas
se
produjo
un
aumento
notable de la urbanización, que hasta la actualidad no cuenta con un
servicio de infraestructura urbana para la recolección de líquidos
residuales. A esta situación se la agregan las pérdidas de agua de
los conductos de distribución de agua en la ciudad y la percolación
de aguas de lluvia en un terreno con escaso drenaje superficial.
Muchos de los deslizamientos ocurridos en las costas de Comodoro
Rivadavia fueron de considerable importancia por el volumen de suelo
involucrado,
otros
ocurrieron
solo
como
deslizamientos
superficiales.
En
diciembre
de
1996
en
la
zona
de
estudio,
se
produjo
el
deslizamiento de un talud. A partir de esa fecha se han producido en
la
zona
dos
considerable
deslizamientos
magnitud.
más,
Sobre
el
uno
de
talud
los
cuales
deslizado
se
resultó
de
realizaron
ensayos geofísicos para la identificación in situ de las condiciones
del
terreno
natural.
Los
ensayos
consistieron
básicamente
en
el
relevamiento topográfico de la falla y en reconocimientos mediante
geoeléctrica y georradar (GPR).
Mediante
humedad
la
resistividad
natural
del
se
suelo
pudo
y
con
identificar
el
las
georradar
condiciones
se
realizó
de
una
identificación de los estratos de suelos removido e inalterado del
talud. Estos estratos pudieron ser verificados visualmente mediante
un pozo a cielo abierto. La combinación de estos resultados permitió
determinar con precisión la superficie de falla del deslizamiento.
Finalmente se verificó mediante los
Bishop
y
simplificado
de
Jambu
el
métodos de equilibrio límite de
factor
de
seguridad
para
el
deslizamiento ocurrido.
DESCRIPCIÓN GEO-FÍSICA DEL TERRENO
Topografía
La topografía original del terreno en la zona del deslizamiento
se obtuvo a partir de la inspección visual de los talud colindantes
y
estudios
previos
reconstruido
permitió
recolectados
realizar
por
los
autores.
posteriormente
los
El
perfil
cálculos
de
estabilidad y determinar la magnitud del deslizamiento. Este perfil
consistía
básicamente
en
un
suelo
compactado
depositado
con
un
ángulo aproximado promedio de 40º y alivianado mediante una serie de
bermas a media ladera (ver Figura 1).
El
perfil
posterior
al
deslizamiento
se
obtuvo
mediante
un
relevamiento de la planimetría y altimetría de la zona con estación
total, determinando las cotas y posición de un numero significativo
de puntos (100 en total). En la Figura 2 se presenta el plano
topográfico resultante donde las cotas indicadas están referidas al
punto mas bajo del pie del talud. En líneas de puntos se indica la
geometría
del
suelo
deslizado.
Obsérvese
que
el
mismo
resulto
aproximadamente de 30 metros de ancho por 40 metros de longitud.
Perfil Geológico
El perfil geotécnico típico de la zona de deslizamiento estaba
conformado por una serie de estratos bien diferenciados. En la Tabla
1
se
resumen
las
principales
espesores de cada uno de ellos.
características
geotécnicas
y
los
75
Centro del círculo
monitoreado con GPR
Y (m)
60
Perfil original
(1) y (2)
limos arenosos
φf = 29º c = 50 KPa
45
Arena limosa
φf = 30º
c = 0 KPa
30
NF
Relleno de limos
arenosos
φf = 29º
c = 0 KPa
15
(3) y (4)
(5)
Arcilla verdosa
φf = 29º c = 0 KPa
Círculo de Falla
0
0
15
30
45
60
75
90
105
120
X (m)
Figura 1: Perfil original y círculo de falla del talud.
50
22.0
N
22.0
SM
GE1
19.8
19.8
19.8
40 17.7
GPR
15.6
17.7
17.7
30
15.6
15.6
GE2
13.5
20
13.5
11.4
13.5
11.4
11.4
9.2
9.2
GPR
10 9.2
7.1
7.1
0
7.1
5.0
5.0
10
20
30
40
Figura 2: Planimetría y altimetría del talud deslizado, prospección
con geoeléctrica (GE), dirección de la prospección con georradar
(GPR), excavación a cielo abierto (SM).
Tabla 1: Descripción de las principales características físicas del
perfil de suelo.
Altura Sobre el
Características Físicas
Nivel del Mar [m]
+45.0 - +43.5
Relleno, limo arenoso orgánico, presencia de raíces,
(1)
color castaño claro
+43.5 - +39.5
Limo
(2)
arenoso
verde
claro
muy
fracturado,
dirección
predominante de las fracturas: horizontal
+39.5 - +38.0
Depósito calcáreo (Coquina)
(3)
+38.0 - +32.0
Arena limosa, húmeda con fuerte olor a combustible y
(4)
con
algunos
mantos
alternados
de
arena
fina
muy
un
alto
uniforme
+32 -
Arcilla
(5)
verde
muy
plástica
saturada
y
con
nivel de contaminación por hidrocarburos
La distribución de estos estratos
en el talud estudiado se presenta
en la Figura 1. Este perfil ha sido modificado en el pie del talud
según antecedentes de trabajos de estabilización realizados en el
mismo. El agua en la zona escurre por sobre el estrato impermeable
(5) con pendiente hacia el talud aflorando en puntos bien definidos.
ENSAYOS GEOFÍSICOS
Georradar
El equipo utilizado en este estudio es un GPR fabricado por la
firma canadiense Sensors and Software Inc. designado con la marca
comercial pulseEKKOIV. Este aparato es un equipo liviano y portátil
con
un
sistema
completamente
digital
especialmente
diseñado
para
trabajos de prospección geotécnica. La calibración del equipo se
realiza
mediante
software,
seleccionando
el
tiempo
total
del
registro, la frecuencia de muestreo, el numero de trazas de promedio
y la forma de adquisición de los datos (manual o automática). La
antena transmisora envía un pulso sinusoidal de 1000V de amplitud en
la frecuencia seleccionada y penetra a una profundidad en el medio
incidente
que
parámetro
de
depende
mayor
de
la
impedancia
importancia
que
eléctrica
determina
del
la
mismo.
El
profundidad
alcanzada por las ondas electromagnéticas inducidas por el GPR en el
suelo, es la constante dieléctrica del medio (k*).
ε*
σ
k =
= k′ − j
εo
ω εo
*
(1)
Donde k* es la constante dieléctrica compleja del suelo, ε∗ es la
permitividad compleja del medio, εο es la permitividad del vacío (εο =
8.85 x 10-12 F/m) y σ la conductividad del medio.
La velocidad (v) con la que se propagan las ondas electromagnéticas
es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la constante
dieléctrica del medio. Para suelos con bajas conductividades puede
utilizarse la siguiente expresión:
V=
c
k′
(2)
Donde c (3.108 m/seg.) es la velocidad de propagación de la onda
electromagnética en el aire y k’ la constante dieléctrica real del
medio atravesado que para suelos comúnmente oscila entre 3 (suelo
seco) y 70 (bentonita saturada).
Los
cambios
produce
que
de
las
propiedades
dieléctricas
en
una
interfaces
constituida
constantes dieléctricas k1
reflejada
y
parte
*
sea
de
los
materiales
por
dos
medios
de
*
y k2 , parte de la energía de la onda sea
transmitida.
El
porcentaje
de
energía
reflejada puede obtenerse como sigue:
k1* − k 2 *
R=
Donde
R
se
dieléctrica
denomina
del
correspondiente
coeficiente
medio
al
donde
medio
en
(3)
k1* + k 2 *
se
el
de
reflexión,
propaga
cual
la
k1*
la
k2*
la
Coeficientes
de
onda
incide.
constante
y
reflexión para distintos tipos de materiales pueden ser obtenidos en
Baker
y
Monash
(1991)
y
Annan
(1992).
Las
reflexiones
son
registradas por una antena receptora y enviadas a una PC donde son
guardadas
pueden
para
ser
su
posterior
visualizadas
procesamiento.
inmediatamente
Las
en
señales
la
recibidas
pantalla
de
la
computadora durante la adquisición. Una vez adquiridas las señales,
estas
fueron
procesadas
en
laboratorio
por
medio
de
software
especializados. En este estudio se utilizaron filtros, se modificó
la ganancia en profundidad mediante incrementos exponenciales y se
seleccionó los tonos de grises para el coloreando de los perfiles.
De esta manera se pudo analizar en forma clara las imágenes y las
distintas reflexiones. La frecuencia de la antena utilizada fue de
100 Mhz. La selección de la misma se realizó en función de criterio
de
la
profundidad
necesaria
de
estudio
y
la
definición
de
los
estratos e inclusiones en el suelo. El tiempo total de registro de
cada señal fue de 300 ns y en modo de adquisición manual. Estos
parámetros fueron adoptados después de varias pruebas en el lugar de
medición y se mantuvieron constantes para todo el estudio
Las mediciones se realizaron cada 0.25 m con una separación entre la
antena receptora y transmisora de 1.00 m. En cada uno de los puntos
de medición se tomaron 256 señales las que fueron promediadas entre
si
previa
medición
del
punto
siguiente.
El
objetivo
de
este
procedimiento es el de cancelar ruidos aleatorios próximos a la
frecuencia de trabajo.
En la Figura 3 se presenta la imagen de un radargrama realizado en
la dirección deslizamiento y en el sentido mostrado en la Figura 2.
En el radargrama se puede observar en línea de puntos la superficie
de deslizamiento identificada y posteriormente corroborada mediante
los estudios de geoeléctrica y sondeo manual.
SUPERFICIE DEL TERRENO
Limos y arenas removidas
SUPERFICIE DE FALLA
Arcilla verde
Figura 3: Radargrama mostrando la superficie de falla del talud.
Geoeléctrica
El reconocimiento de los suelos mediante ensayos geoeléctricos
es altamente conocido y consiste básicamente en la medición de la
resistividad del suelo a distintas profundidades mediante un sistema
de cuatro electrodos colocados en la superficie.
Existen muchos métodos de interpretación de los resultados, de ellos
el
mas
aceptado
resistividad
(ρi)
es
el
de
cada
de
Barnes
estrato
(1952)
puede
según
el
calcularse
cual,
la
mediante
la
siguiente relación:
ρi = 2 * π * A *
1
Ri
(4)
En donde A es la separación de los electrodos y a su ves es la
profundidad
de
estudio
y
Ri
es
la
resistencia
de
cada
estrato
obtenida a partir de la diferencia entre la conductancia total (1/R)
medida
a
estrato
esa
profundidad
anterior.
La
y
la
conductancia
separación
de
total
electrodos
medida
con
la
en
el
cual
se
realizaron los ensayos fue variada cada 50 cm.
La
resistividad
especifica
de
de
la
un
suelo
partícula
esta
relacionada
promedio,
con
contenido
la
de
superficie
humedad
y
concentración del electrolito de saturación. En general suelos más
finos
y
granulares
húmedos
al
muestran
mismo
menor
contenido
de
resistividad
humedad.
Se
que
los
suelos
realizaron
dos
exploraciones geoeléctricas en el talud deslizado. La ubicación de
las mismas se presenta en la Figura 2. Los resultados obtenidos en
cada prospección se muestran en la Figura 4.
RESISTIVIDAD (ohm-m)
0
5
10
15
20
25
30
0
PROFUNDIDAD (m)
2
Limos y arenas removidas
4
Limos arenoso húmedo
Presencia RESISTIVIDADES MEDIDAS
de agua
Geoeléctrica 1 (GE1)
6
Geoeléctrica 2 (GE2)
8
Figura 4: Resistividades de los distintos estratos de suelo medidas
con geoeléctrica.
Pozo a Cielo Abierto
En
la
parte
superior
del
talud
deslizado
se
realizo
una
excavación a cielo abierto (ver Figura 2) a los fines de determinar
visualmente la composición del perfil de suelos y corroborar la
información
obtenida
mediante
los
sondeos
realizados
con
geoeléctrica y GPR. En la Figura 5 se presenta una descripción del
perfil encontrado.
NF
15.50
Arcilla verde muy plástica inalterada muy saturada
con presencia de un alto contenido de
hidrocarburos.
Figura 5: Perfil estratigráfico de la zona de falla. Las cotas están
referidas al pié del talud.
Ensayo de Corte Directo
Para
extraída
la
ejecución
del
suelo
de
este
deslizado.
ensayo
Esta
se
muestra
utilizó
una
básicamente
muestra
es
una
arcilla arenosa verde de características correspondientes a los 2
primeros estratos observados en la Figura 1. Las muestras fueron
compactadas hasta una densidad total de 2 tn/m3 con una humedad de
22% correspondientes al optimo del ensayo de próctor standard.
Las muestras fueron posteriormente consolidadas en la caja de corte
a
las
tensiones
verticales
de
ensayo
y
saturadas
por
inmersión
durante el proceso de corte. La velocidad de corte se seleccionó lo
suficientemente lenta como para permitir el drenaje del agua (0.1
mm/min)
La
Figura
6
muestra
los
resultados
de
este
ensayo.
A
tensiones
2
verticales menores a 1 kg/cm la muestra mostró dilatancia durante el
corte
mientras
que
a
tensiones
mayores
la
muestra
se
comportándose como las arcillas normalmente consolidadas.
contrajo
8
7
τ = σ tan(29º)
(kg/cm2)
6
5
4
3
2
1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
σ (kg/cm2)
Figura 6: Resultados obtenidos en el ensayo de corte drenado.
ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
A partir del relevamiento topográfico presentado en la Figura 2
se pudo determinar la extensión en planta del deslizamiento. De
acuerdo a esto la superficie abarcaría unos 30 m de ancho por 40 m
de longitud.
El radargrama muestra claramente un estrato superior formado por un
material
desestructurado
completamente,
conformado
por
arcillas
arenosas muy sueltas que incrementaban su contenido de humedad en
profundidad y que se extiende con bastante homogeneidad en toda la
superficie del talud con leves disminuciones del espesor y algunos
agrietamientos. Por debajo de este estrato se encuentran arcilitas
vedes húmedas muy plásticas, en la cual se encuentra claramente
marcado
el
plano
de
deslizamiento
alcanzando
en
algunos
puntos
profundidades de 9 m.
Los estratos diferenciados mediante radar se correlacionan muy bien
con las mediciones geoeléctricas de la Figura 4. Según este ensayo
la profundidad del suelo desestructurado seco es de 3.00 m en la con
resistividades
mayores
a
10
ohm-m.
mientras
que
el
del
segundo
estrato se alcanzaría a los 5.00 m de profundidad con resistividades
menores
a
5
ohm-m
indicando
la
presencia
del
agua
tal
como
se
corroboró posteriormente en el sondeo manual. En el perfil GE1 se
alcanzan las arcillas verdes con muy bajas resistividades a 7.0
metros aproximadamente, mientras que en el perfil GE2 este material
aparece a los 8.0 metros.
De todos los perfiles se ha cubicado el suelo incorporado en el
desplazamiento y se estimó un volumen de aproximadamente 8400 m3 lo
cual para la superficie analizada daría una profundidad promedio de
7 m.
Para la evaluación de la estabilidad del talud, se proyectaron las
líneas correspondientes al círculo de falla determinado mediante el
GPR
sobre
un
perfil
correspondiente
al
eje
del
talud.
La
línea
freática se estimó en función de las mediciones geoeléctricas según
lo cual se encontraría próximo a la línea de falla del talud.
EVALUACIÓN DE LA ESTABILIDAD DEL TALUD
El análisis y evaluación de la seguridad de un talud frente al
potencial de deslizamiento se realiza evaluando las acciones que
tienden a desestabilizarlo comparándolas con aquellas que tienden a
evitar la falla o fuerzas resistentes.
Para el cálculo de la estabilidad del talud se utilizó el método de
Bishop y el de Jambú simplificado buscando el circulo de falla de
menor
factor
de
seguridad.
En
este
último
método
el
factor
de
seguridad se obtiene de la relación de equilibrios de fuerzas y no
de momentos.
Los parámetros de cálculo para los suelos identificados con los
números
1
a
4
se
presentan
en
la
Tabla
2.
Los
parámetros
resistentes de los estratos 2 a 4 fueron obtenidos de antecedentes
de estudios geotécnicos del lugar.
Tabla 2: Parámetros de cálculo adoptados para los suelos del talud.
Densidad
Cohesión
Angulo de
(kN/m3)
(kPa)
Fricción
1. Arena arcillosa Verde clara saturada
20
0
29º
2. Arenisca verde inalterada húmeda
19
50
29º
3. Arena fina algo limosa saturada
20
0
30º
4. Arcilita verde saturada
20
0
27º
Identificación
El criterio en la selección de los parámetros fue de asumir que los
suelos por debajo e inmediatamente por encima del nivel freático se
encontraban
completamente
saturados.
El
estrato
2
fue
el
único
considerado semisaturado y por ello se le introdujo una pequeña
cohesión.
Los
demás
suelos
se
calcularon
sin
cohesión
y
con
densidades totales
Para el cálculo de deslizamiento se asumieron 2 hipótesis. En la
primera de ellas se consideró que además de un estado se saturación
de
los
suelos,
se
encontraba
presente
el
nivel
freático.
En
el
segundo caso se asumieron los suelos completamente saturados pero
sin considerar el nivel freático. En esta segunda hipótesis se asume
la no existencia de presiones de poros a lo largo de la línea de
falla. En la Tabla 3 se presentan los coeficientes de seguridad
mínimos que se obtuvieron en el cálculo de estabilidad para cada una
de las hipótesis de cálculo.
Tabla
3:
Coeficientes
de
seguridad
obtenidos
en
el
cálculo
de
estabilidad para el círculo monitoreado con GPR (Xc = -3.32 m, Yc =
73.10 m, Rc = 73.20 m)
Factor de
Método de cálculo
Seguridad
1.085
Bishop simplificado con NF
1.066
Jambu simplificado con NF
1.133
Bishop simplificado sin NF
1.112
Jambu simplificado sin NF
Se realizaron numerosas iteraciones buscando en el perfil de suelo
los menores factores de seguridad. En todos los casos se obtuvo
factores de seguridad próximos a uno para círculos de similares
características al obtenido con el GPR y menores que uno en casos de
deslizamientos mas superficiales.
CONCLUSIONES
Mediante
el
monitoreo
del
talud
deslizado
con
el
GPR
se
pudieron obtener datos en forma organizada y sistemática sobre los
distintos
horizontes
del
suelo
determinándose
la
superficie
de
deslizamiento y la presencia del nivel freático. Esta información se
corroboró con la excavación a cielo abierto a partir de la cual se
obtuvo información valiosa sobre las características geológicas de
los estratos atravesados.
A
partir
de
prospecciones
la
información
geofísicas
no
aportada
destructivas,
por
las
técnicas
de
para
la
superficie
de
falla del talud se pudo recalcular los parámetros geotécnicos del
suelo en el momento del deslizamiento.
Se pudo determinar que la profundidad de la falla alcanzaría unos
siete metros promedio de profundidad por unos 30 m de ancho y 40 m
de longitud lo que equivaldría a un movimiento de suelo del orden de
los 8400 metros cúbicos.
Existe una buena correlación entre los círculos de deslizamiento mas
desfavorables en el cálculo de estabilidad del talud, con el circulo
que mejor se aproxima al deslizamiento monitoreado con el GPR. Se
observa que este último se encuentra muy próximo a los círculos de
falla que presentan FS próximos a uno lo que valida los parámetros
de cálculo adoptados y las condiciones de saturación del suelo.
La influencia del nivel freático y del grado de saturación del suelo
es un efecto de gran importancia en la estabilidad del talud ya que
provoca la disipación de las presiones de poro negativas y por lo
tanto de la resistencia al corte del suelo. En este aspecto resultó
imprescindible adoptar parámetros de resistencia drenados como se
demostró en este trabajo.
Se
concluye
permitió
en
este
evaluar
trabajo
que
eficientemente
el
método
el
de
estudio
deslizamiento
propuesto
ocurrido
y
verificar que los parámetros resistentes del suelo se aproximaron a
un estado drenado durante la falla. Esto último pudo corroborarse
mediante un retroanálisis de la estabilidad del talud, obteniendo
los parámetros resistentes correspondientes a FS próximos a uno y
con
los
resultados
de
los
ensayos
de
corte
realizados
en
laboratorio.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen a la empresa Bases Construcciones S.A.
que permitió utilizar el georradar en el presente estudio.
REFERENCIAS
Annan A.P., 1992, “Ground Penetrating Radar Workshop Notes”, Sensor
& Software Inc.
Baker
P.L.
Permeability
y
Monash
U.,
Information
1991,
Form
“Fluid,
Ground
Lithology,
Penetrating
Geometry,
Radar
For
And
Some
Petroleum Industry Applications”, Society of Petroleum Engineers,
SPE 22976, pp. 277-287.
Barnes H.E., 1952, “Electrical Subsurface Exploration Simplified”,
Associated Research Incorporated.
Centro del círculo
monitoreado con GPR
Perfil original
limos arenosos
f = 29º c = 50 KPa
Arena limosa
f = 30º
c = 0 KPa
NF
Relleno de limos
arenosos
f = 29º
c = 0 KPa
Arcilla verdosa
f = 29º c = 0 KPa
Círculo de Falla
SUPERFICIE DEL TERRENO
Limos y arenas removidas
SUPERFICIE DE FALLA
Arcilla verde