ANÁLISIS DE ESTABILIDAD DE TALUDES BAJO CONDICIONES

ANÁLISIS DE ESTABILIDAD DE TALUDES BAJO CONDICIONES DE
INFILTRACIÓN POR LLUVIA
Katherine GIRALDO1, Alejandro TEJEDA1
1
Estudiante de Ingeniería Civil Pontificia Universidad Javeriana Cali
[email protected]; [email protected]
RESUMEN: Los movimientos en masa presentados en el país durante las temporadas de lluvia
tienen efectos devastadores en términos de movilidad y economía. En la actualidad, laderas con
asentamientos de comunidades que presentan antecedentes históricos de deslizamiento,
representan un riesgo latente. Por lo cual, se realiza el análisis de estabilidad de taludes para el
deslizamiento presentado en el sector de Los Mangos del barrio Brisas de Mayo en la comuna 20
de Santiago de Cali en noviembre de 1987. Donde se estudia la relación lluvia-infiltración de forma
desacoplada usando la función de permeabilidad no saturada, obtenida a partir del modelo de van
Genutchen (1980), la cual es implementada para la modelación. Por tal motivo se usan los métodos
de equilibrio límite (LEM) y reducción de resistencia (SRF) con condiciones de flujo transiente y
estacionario respectivamente, para realizar la modelación a través de herramientas
computacionales. Se discute el efecto que tiene la lluvia registrada en el aumento de condiciones
de inestabilidad para el caso de LEM y adicionalmente se presenta un análisis de SRF.
Palabras clave: Estabilidad de taludes, flujo transiente y estacionario, equilibrio limite, reducción
de resistencia a cortante, infiltración, función de permeabilidad y factor de seguridad.
ABSTRACT: The landslides ocurred within the country during rainy seasons have devastating
effects in terms of mobility and economy. Nowadays, slopes with community settlements with
historical records of landslides are a dormant danger. Therefore, it is presented a study on the
subject occurred at the area Los Mangos subdivision 20 of Santiago de Cali in November of 1987.
A slope stability analysis is conducted through the establishment of computational models showing
the relation between the rain and the water-infiltration, using the van Genutchen (1980) model to
construct the permeabilty function, and analyzing it as a triggering agent for slope instability.
Methods like limit equilibrium and Strength Reduction Factor are implemented with transient pore
pressure and static pore water pressure respectively. It is discussed the effect of a registered rain in
the rise of instability conditions for the LEM case. A SRF analysis is performed.
Keywords: Slope stability, transient and static pore water pressure, limit equilibrium, Strength
Reduction Factor, infiltration, permeability function and security factor.
1. INTRODUCCIÓN
En Colombia los efectos del invierno generan
consecuencias devastadoras en términos de
movilidad y economía. Según Cepal (2012),
los daños estimados durante la ola invernal
provocada por el fenómeno de la niña en 2011
dejo pérdidas estimadas de 11,2 billones de
pesos, donde la rehabilitación de las vías y
servicios básicos debido a los movimientos
en masa constituyeron 4,25 billones de pesos.
Por lo cual se pretende realizar la evaluación
del caso de estudio del deslizamiento
ocurrido en 1987 en el sector de Los Mangos
en la comuna 20 de Santiago de Cali, donde
se realiza el análisis de estabilidad tomando
en cuenta la influencia de la lluvia como
agente detonante del movimiento en masa.
El analisis de estabilidad de taludes se realiza
para determinar el estado tensional y las
respectivas deformaciones asociadas usando
el modelo de morh Coulomb, para ello se
emplean los metodos de equilibrio limite y
reduccion de resistencia cortante.
2. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA
2.1 Análisis de estabilidad

Equilibrio limite
El método de equilibrio limite implica la
suposición de una falla donde se necesita
tomar una masa de suelo que se encuentra
definida por una superficie de corte a la cual
se le realiza un análisis estático, donde se
realiza un proceso iterativo que encuentra la
superficie de rotura .
El metodo de morgestern-Price usado para
determinar el factor de seguridad realiza una
iteracion conjunta de la sumatoria de fuerzas
y sumatoria de momentos en cada dovela,
donde la equivalencia de ambas soluciones
genera el factor de seguridad definitivo.

Métodos numéricos
Los métodos numéricos encuentran la zona
de falla a partir del debilitamiento continuo
del material usando un factor de reducción.
Este método es conveniente debido a que se
encuentra la superficie de falla a partir de las
deformaciones excesivas, lo cual deja de lado
la necesidad de recurrir a la definición previa
de la superficie de falla.
resistencia al corte y una ecuación
constitutiva esfuerzo-deformación.
•
Modelación
3.1 Calibración de la relación tensióndeformación
El procedimiento de calibración del
comportamiento de la relación entre la
tensión-deformación contempló el empleo de
las variables y parámetros mostrados en la
Tabla 1 que corresponden al modelo CamClay modificado. Estos parámetros permiten
el estudio, usando modelos constitutivos para
cada suelo, de las deformaciones del suelo al
ser sometido a cargas incrementales.
Tabla 1. Parámetros de Cam Clay modificado.

 M
𝒑𝟎
e0
E [kPa]
N
[kPa]
1
2
0,2
0,3
0,03
0,02
0,1
1,2
347,5
390,0
1,5
2,0
7614
12538
2,56
3,08
3
0,1
0,02
1,3
725,0
1,5
11621
2,54
El modelo empleado se basa en una porción
de suelo trabajada en el campo axi-simetrico
como se observa en la Figura 1. El cual es
semejante a la consolidación realizada en el
laboratorio.
3. RESULTADOS
El desarrollo de la investigación se realizó
teniendo en cuenta:
•
Calibración de la función de
permeabilidad en condiciones de
saturación parcial, un modelo de
Figura 1. Modelo del suelo en Phase 2.
En la Figura 2 se presentan los datos
encontrados para la consolidación y el
modelo de tensión-deformación generado a
partir de los parámetros anteriormente
descritos para el suelo residual (1).
Relacion de vacios- e
1
σ' (kPa)
100
talud proporcionada por Granja (1992), y
luego se definen las capas de suelo
encontradas durante el muestreo, lo cual se
realiza importando las fronteras de los
materiales (Ver Figura 4).
10000
0
0,05
Datos
0,1
Modelo
0,15
0,2
0,25
0,3
Figura 2. Modelo con parámetros iniciales.
Una vez se encuentra el parámetro del modelo
Cam-Clay modificado, se procede a calculas
de nuevo las deformaciones del modelo
constitutivo como se presenta a continuación.
σ' (kPa)
100
10000
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
Datos
Modelo
Figura 5. Parámetros del modelo.
Figura 3. Modelo con parámetros optimizados.
A continuación se presentan los parámetros
optimizados
del
modelo
Cam-clay
modificado
que
representan
el
comportamiento de tensión-deformación para
los suelos de estudio (Ver Tabla 2)
Tabla 2. Parámetros optimizados CCM.

Se procede a introducir los valores de peso los
parámetros obtenidos en el laboratorio, para
la definición de los materiales a usar.

M
𝒑′𝟎
1
2
0,26
0,36
0,03
0,02
0,18
1,28
[kPa]
300
390,0
3
0,19
0,02
1,33
725,0
e
E
[kPa]
N
1,56
1,74
7614
12538
2,56
2,74
1,10
11621
2,10
Para la modelación del movimiento en masa
se define una red de flujo a partir de los datos
de perforaciones presentes en la zona. La
lluvia de diseño tomada en cuenta para la
definición del flujo estacionario se obtiene de
registros pluviométricos encontrados para la
estación de Cañaveralejo (Ver Figura 6).
Precipitación [mm]
Relacion de vacios- e
1
Figura 4. Geometría de talud tipo
80
60
40
20
0
0
10
20
Tiempo [h]
Figura 6. Lluvia de diseño.
3.2 Método de equilibrio limite
El método de equilibro límite se realiza con la
herramienta computacional SLIDE V.6.0.
Donde inicialmente se importa la sección del
Una vez se ha parametrizado el modelo se
procede a determinar el factor de seguridad
calculado con el método de morgestern &
Price ya que presenta una solución más
completa en el campo de los métodos de
equilibrio limite (Ver Figura 7).
procede a obtener el nivel freático, derivado
de la cabeza de presión usada para ser
incluido como línea piezometrica en la
revisión final del modelo.
Finalmente se presenta la superficie de
ruptura para el talud representado y se
corrobora la superficie de falla circular
evidenciada por Granja (1992).
Figura 7. Superficie de falla.
3.3 Método de reducción de resistencia
El método de elementos finitos se realiza
mediante el uso de la herramienta
computacional PHASE 2 que permite el uso
de la técnica de reducción de resistencia a
través de una superficie de falla descrita a
partir de una zona de reducción continuada de
los parámetros de resistencia. La modelación
realizada a través de la reducción de
resistencia para la geometría de la cual se
disponían datos no reprodujo las condiciones
de inestabilidad globales descritas por Granja
(1992) como se evidencia en la Figura 8.
Figura 8. Superficie de falla método SRF.
Debido a lo evidenciado anteriormente se
realiza una verificación adicional donde se
elabora un talud hipotético simplificado. El
modelo contempla los dos suelos de mayor
espesor, que corresponden a saporolito rojo y
amarillo. En este análisis se incluye como
parámetro adicional el módulo de elasticidad
evidenciado en la Tabla 2.
Una vez se han definido los parámetros para
el análisis del flujo de agua subterráneo se
Figura 9. Superficie de falla método SRF.
4. DISCUSION
Durante la calibración se encontró que la
presión de pre-consolidación del material
influye drásticamente, donde se varió de
347,5 𝑘𝑃𝑎 a 300 𝑘𝑃𝑎 y así ajustando el
modelo. La calibración del modelo respecto a
los datos experimentales evidencia un
excelente ajuste entre el modelo y los datos en
la medida que se presentan las
consolidaciones iniciales, ya que al entrar en
la zona de plastificación el modelo difiere
ligeramente de los datos experimentales
obtenidos.
El método de equilibrio limite efectivamente
logra modelar el movimiento en masa de
Brisas de Mayo ocurrido durante las olas
invernales de 1972 a 1987, validado por el
valor del factor de seguridad observado de
0,99, el cual indica que las fuerzas
desestabilizantes son mayores a las fuerzas
que mantienen el talud estático.
El método de reducción de resistencia basado
en el modelo simplificado se realizó
fundamentado en el criterio de ruptura de
morh-coulomb, ya que criterios de ruptura de
mayor complejidad como el Cam-Clay
modificado estudiado en el presente trabajo
de grado no se permite realizar con este
método de reducción de resistencia cortante.
La generación de la zona de reducción de
resistencia a cortante que se desarrolla de
abajo hacia arriba es la descrita por Granja
(1992), indicando que el modelo simplificado
generado es válido para representar las
condiciones generadas en la ola invernal que
desato estos movimientos en masa. Los
resultados encontrados para este análisis son
por ende satisfactorios ya que permiten
corroborar que un modelo con una geometría
simplificada basada en la pendiente promedio
del talud genera factores de seguridad
coherentes con métodos como el del
equilibrio límite.
5. CONCLUSIONES
La calibración de las curvas características y
sus respectivas funciones de permeabilidad
permitieron conocer el comportamiento
hidráulico de los suelos estudiados en el
presente trabajo en términos de succión
matricial,
humedad
volumétrica
y
conductividad hidráulica, debido a que estos
resultados representan una aproximación de
la realidad del estado de tensiones internas
que se generan a medida de que la presión de
poros de agua aumenta.
Los modelos constitutivos de tensióndeformación generados para el análisis del
comportamiento mecánico de los estratos del
barrio Brisas de Mayo, permitieron ajustar los
parámetros encontrados en el ensayo de
consolidación unidimensional, de los cuales
se obtuvieron los valores de módulo de
elasticidad usados para la modelación de la
estabilidad de talud con el método de
reducción de resistencia a cortante.
Se analizó el factor de seguridad para el
método de equilibrio límite bajo la condición
de infiltración de agua producida por la lluvia
registrada en una estación antes y durante la
deflagración del movimiento en masa del
barrio Brisas de Mayo. Este análisis permite
concluir que el movimiento fue ocasionado
por dicha lluvia, por tanto se puede considerar
la precipitación empleada en este estudio
como una lluvia de diseño para el análisis de
futuros taludes o de las laderas existentes.
El método de reducción de resistencia usado
en el talud real no reprodujo las condiciones
de inestabilidad globales descritas por Granja
(1992), debido a las irregularidades
presentadas en el perfil original; la diferencia
en condiciones de modelación de los métodos
de equilibrio limite y reducción de resistencia
cortante, en los cuales se usó flujo transiente
y flujo estacionario respectivamente, no
permitió que la superficie de ruptura por el
método SRF reprodujera las condiciones
reales del deslizamiento.
REFERENCIAS
Bayoumi, A. (2006). New laboratory test
procedure for the enhanced calibration of
constitutive models. Atlanta, Georgia.
CEPAL – Comisión Económica para
América Latina y el Caribe. 240: Valoración
de daños y pérdidas ola invernal en Colombia
2010-2011.
Granja, A. M. (1992). Evaluación del
deslizamiento en el barrio Brisas de Mayo de
Cali. Universidad Nacional de Colombia,
Medellín, Colombia.
Otálvaro, I.,y Cordão-Neto, M. (2013).
Probabilistic analyses of slope stability under
infiltration conditions.
Otálvaro, I.,y Peralta, J. S. (2013). Influencia
de los parámetros elásticos en la estabilidad
de un talud y análisis del factor de seguridad
mediante el método SRF.
Van Genutchen, M (1980). A closed form
equations for predicting the hydraulic
conductivity of unsaturated soils. 44, 892-898